강원도 고랭지대 배추경작지에서는 동일한 살충제가 매년 수회씩 연용되고 있으며, 여러 살충제의 혼용살포로도 배추좀나방 방재가 어려운 것으로 보고되고 있다. 본 실험의 목적은 강원도 고랭지대 배추경작지에서 발생하는 배추좀나방(Plutella xylostella L.)에 대한 유기인계 및 카바메이트계 살충제의 저항성 발달 정도를 구명하는데 있다. 강원도 계촌, 장평, 태백, 춘천, 홍천의 배추경작지에서 발생한 배추좀나방을 채집하여 유기인계 살충제인 chlorpyrifos, diazinon, fenitrothion, profenofos, phenthoate, flupyrazofos와 카바메이트계 살충제인 carbofuran, befuracarb, furathiocrb에 대한 $LC_{50}$을 감수성종과 비교하여 저항성 발달정도를 검정하였다. 유기인계 살충제인 chlorpyrifos에 대한 태백종과 홍천종의 $LC_{50}$은 216.9 ppm과 589.0 ppm으로 감수성종의 $LC_{50}$인 6.25 ppm과 비교하여 각각 35배와 94배 높았고, fenitrothion에 대한 태백종과 홍천종의 $LC_{50}$은 각각 240.3 ppm과 960.1 ppm으로 감수성종의 $LC_{50}$ 3.9 ppm과 비교하여 70배와 254배 높았으며, profenofos에 대한 춘천종의 $LC_{50}$ 39.2 ppm은 감수성종의 $LC_{50}$ 1.1 ppm과 비교하여 37배 높았다. 그러나 diazinon, phenthoate, flupyrazofos에 대한 감수성종과 포장종의 $LC_{50}$에는 차이가 거의 없었다. 카바메이트계 살충제의 경우 befuracarb에 대해서만 저항성이 나타났는데, befuracarb에 대한 춘천중의 $LC_{50}$은 257.8 ppm으로 감수성종의 $LC_{50}$ 13.34 ppm과 비교하여 19배 높았다. 본 실험의 결과는 약제간, 지역간차이는 있었으나 강원도 고랭지 배추 재배지에서 발생하는 배추좀나방이 일부 유기인계 및 카바메이트계 살충제에 대하여 저항성이 발달되었다는 것을 시사한다.
본 연구에서는 농약의 음성시료에서는 acetylcholinesterase와 acetylthiocholine을 반응시켜 +전하와 -전하를 가지는 thiocholine으로 분해되어 금 나노입자를 응집시켜 역 Y자 스트립상에서 청자색의 반응선(띠)을 형성하고 양성 시료에서는 생성시키지 않는 원리를 이용한 신속 농약 검출법을 개발하였다. 개발한 분석법은 유기인계 농약 말라옥손과 카바메이트계 농약 카보퓨란을 각각 10 ng/mL 수준까지 검출이 가능한 것으로 확인되었으며, 2종의 유기인계와 카바메이트계 농약(EPN, dichlorvos)에 대해 추가적으로 검출 한계를 확인한 결과에서도 10 ng/mL 수준까지 모두 검출 가능함을 확인할 수 있었다. 그러나 3종의 트리아진 계열의 농약과 각 1종의 피레스로이드, 카복사마이드, 페닐아마이드 및 유기염소계열의 농약에 대해서는 반응성이 없는 것으로 확인되어 유기인계와 카바메이트계 농약 분석에 적용이 가능한 것으로 확인되었다. 마지막으로, 임의로 오염시킨 농산물 시료를 대상으로 분석법의 회수율을 확인한 결과, 말라옥손에 대해서 96.4에서100.7%, 카보퓨란은 81에서112.7%의 회수율이 확인되어 본 연구에서 개발한 역 Y자 스트립을 농약 검출법으로 이용한다면 농산물과 농업환경 중 존재하는 유기인계 및 카바메이트계 잔류농약을 신속하게 검출할 수 있을 것으로 판단된다.
한국에서 사용하고 있는 carbamate계 살충제의 사용율(%)은 1968년경에는 2.1%인데 비해서 현재는 급증되고 있는 실정에 있다. 따라서 이로 인한 자타살 사건, 환경오염, 살포시 급만성 중독 등의 사고가 빈번히 발생하고 있는 동시에 법화학적 분석에도 많은 문제점이 되두되고 있으므로 1차적으로 시판되고 있는 carbamate계 살충제를 thin layer chromatography에 의해서 성분의 분리 확인 시험을 실시한 결과 1) Silica Gel G-60 및 Silica Gel F-254에서 적합하였고 2) 전개용매는 chloroform: benzeneP: carbontetra chloride (60:30:25), cyclohexane: acetone (80:20), cyclohexane:acetone(70:30), ether:hexane(80:20)에서 9종의 살충제가 잘 분리되었으며 3) UV light (2537 ${\AA}$) 및 2.6-dibromoquinone-4-chlorimide는 전개는 Rf치를 육안으로 구분하는데 가장 양호하였고 4) Carbamate계 살충제 중 Bux-2와 Sevin은 Silica Gel G-60에서 UV light (2537 ${\AA}$)에서 특이한 청보라 및 청색형광을 관찰할 수 있었다. 5) 이상의 결과를 보아 법화학적 시료중에 함유된 카바메이트계 농약의 분석은 가능할 것이며 또한 이 방법의 적용이 현재의 실정으로서는 적합한 것으로 사료되는 바이다.
버드나무 껍질중의 배당체인 salicin으로부터 유래된 salicylic acid와 그 유사화합물인 3-hydroxy benzoic acid의 질산화된 중간체를 출발물질로 하여 몇몇의 알콜과 에스테르화반응을 거쳐 유기인계 및 카바메이트계 화합물의 전구체를 합성하였다. 합성된 전구체의 수산기에 diethylchlorophosphate와 methyl isocyanate를 반응시켜 유기인계 및 카바메이트계 화합물 11종을 합성하였다. 합성된 화합물은 살충, 살균활성실험을 실시하였다. 유기인계 화합물의 벼멸구에 대한 활성은 500 ppm의 농도에서 O-(2-carbomethoxy-4-nitro phenyl) O,O-diethylphosphate 화합물이 96%의 살충력을 보였다. 반면 carbamate 화합물의 경우는 500ppm농도에서 살충력이 전혀 나타나지 않았다. 살균효과는 유기인계 화합물인 경우 도열병에 대해서 ester에 관계없이 250 ppm농도에서 95% 이상의 방제가를 나타냈으며, 그 이외의 병원균에서는 낮은 방제가를 보였다.
실시간 측정 및 이동성이 자유로운 칩 형태의 바이오센싱 원천 기술개발은 잔류 농약 검출을 비롯하여 생 유기 물질 분석에 유용하게 활용되어 환경과학, 식품과학, 의학진단, 신약개발 등의 연구 및 응용분야에 큰 기여를 할 것으로 예상된다. 본 총설에서는 유기인계/카바메이트계 농약 검출의 중요성을 토대로 최근 개발된 광학 바이오칩 센서와 이를 통해 응용된 농약검출방법에 관련한 국내 외 기술개발 동향 및 발전가능성에 대해서 서술하고자 하며, 더 나아가 바이오칩 센서에 다양한 나노소재 및 마이크로 나노 공정 기술을 융합함으로써 소형화가 용이하고, 더욱 우수한 감도와 선택성을 갖는 유기인계/카바메이트계 농약 맞춤형 나노융합 바이오칩 센서 개발연구에 대해 논의하고자 한다.
본 실험에서는 acetylcholinesterase(AChE, EC 3.1.1.7)를 이용한 간이 잔류농약 검사법에 필요한, 유기인계 및 카바메이트계 살충제에 대한 감수성이 증가된 AChE(MAChE)를 baculovirus를 이용하여 대량으로 생산하는 시스템을 구축하고 생산된 효소의 특성을 관찰하였다. 한라산에서 채취한 초파리에서 AChE의 cDNA를 합성한 후 PCR을 이용하여 AChE의 lipid anchor부분을 제거하고 site directed mutagenesis에 의해 E107Y, F368L, L408E의 염기서열을 변화시켜 재조합된 MAChE cDNA를 합성하였고 baculovirus vector에 삽입하여 대량생산을 시도하였다. 대량 증식에 필요한 조건으로 감염횟수가 네 번일 때, 그리고 세포수가 $2{\times}10^6$ cell/ml일 때 세포의 증식과 효소의 활성이 극대화됨을 알 수 있었다. His tag을 붙여 Ni-NTA affinity column을 이용하여 MAChE를 정제하였으며, 정제된 효소는 실험조건하에서는 pH(3-10)와 온도$(20-50^{\circ}C)$의 변화에 영향을 받지 않았다. 농약 추출액으로 methanol을 사용했을 때가 ethanol을 사용할 때 보다 효과적임을 알 수 있었다. 대표적인 유기인계와 카바메이트계 농약에 대한 저해율을 조사한 결과 재조합된 MAChE는 대만의 집파리 및 변형되지 않은 AChE에 비하여 전반적으로 농약에 대한 감수성이 높은 것으로 나타났다.
유기인계 농약 5종 및 카바메이트계 농약 4종의 토양에 대한 흡착계수를 구하여 이동성을 구분하고, 흡착계수와 토양 반감기를 이용하여 토양 중에서의 농약의 용탈 잠재성을 평가하고자 하였다. 비이온성 농약인 유기인계 살충제 chlorpyrifos-methyl, diazinon, fenitrothion, isazofos, parathion과 카바메이트계 살충제 fenobucarb(BPMC)와 metolcarb 및 카바메이트게 제초제 dimepiperate와 molinate를 대상농약으로 하였고, 논, 밭, 산림토양 및 제주도 화산회토를 시험토양으로 흡착실험을 수행하였다. 유기탄소기준흡착계수(Koc)에 의한 이동성 분류체계에 의하면 metolcarb, molinate, 및 fenobucarb는 mobile, isazofos를 포함하는 6종 농약은 토양에 따라 moderately mobile 또는 slightly mobile 등급에 속하였다. 그리고 Koc와 토양 중에서의 반감기를 기준으로 지수화한 Groundwater Ubiquity Score(GUS) index 방법과 Koc와 분해상수 및 토양환경조건의 영향을 고려하는 흡착/분해 표준지수 방법을 이용한 용탈잠재성은 metolcarb, fenobucarb 및 molinate는 용탈 가능성이 있고 isazofos, dimepiperate 및 diazinon은 약간의 용탈 가능성이 있는 것으로 나타났으며 fenitrothion, parathion 및 chlorpyrifos-methyl은 용탈 가능성이 매우 낮은 것으로 평가되었다. 흡착/분해 표준지수 방법을 변형하여 Koc값 대신에 Kd값으로 평가하면 유기물 함량이 높은 제주토양에서는 유기물 함량이 낫은 다른 토양에 비하여 농악의 용탈잠재성이 낮은 것으로 나하나 농약의 흡착에 직접적인 영향을 미치는 토양 유기물이 용탈 잠재성을 결정짓는 중요한 요인으로 작용하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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