KR101792392B1 - 이산화염소의 곤충 아세틸콜린에스터레이즈 활성 교란과 살충 기능 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화염소(Chlorine dioxide)를 유효성분으로 포함하는 해충의 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가용 조성물 및 이를 포함하는 살충용 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 조성물은 이산화염소의 처리에 의해서 아세틸콜린에스터레이즈 활성이 증가된다는 것을 확인한 발명으로, 상기 아세틸콜린에스터레이즈의 활성 증가에 의해서 해충의 생리적 행동을 교란하고 체내 신경 조절을 억제하여 치사에 이르게 할 수 있다.

Description

이산화염소의 곤충 아세틸콜린에스터레이즈 활성 교란과 살충 기능 {Effect of chlorine dioxide on disruption of insect acetylcholinesterase and its insecticidal activity}

본 발명은 이산화염소를 포함하는 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가용 살충조성물로서, 보다 구체적으로는 이산화염소 처리에 의한 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가에 따른 살충조성물에 관한 것이다.

이산화염소(Chlorine dioxide, ClO₂)는 높은 산화력을 지니고 있는 소독제 및 표백제로서 식용수 제조 과정에서 다양한 미생물의 멸균처리에 이용되고 있다. 이산화염소는 또한 인체 식품류 오염을 일으키는 병원세균류, 구강 오염세균류, 음용수 오염세균류 및 일반 식기 오염세균류에 대해서 우수한 소독 효과를 지니고 있다. 특별히 여러 항생제에 대하여 내성을 보이는 세균류에 대해서, 이산화염소는 기존의 차아염소산나트륨(NaClO)에 비해 탁월한 항생능력을 나타낸다. 또한 이산화염소는 세균뿐만 아니라 수족구병을 유발하는 엔테로바이러스 71 (EV71)을 비롯한 다양한 인체 병원바이러스에 대해서 바이러스 불활성화를 유발하는 것으로 알려져 있다.

상기 이산화염소에 대하여, 이산화염소를 기체 상태로 변환하여 사람의 주거 환경에 피해를 주는 위생해충 및 저장곡물에 피해를 주는 저곡해충에 대한 살충 훈증제로서의 기능이 보고되고 있다. 병원 시설에 발생하는 빈대류(Cimex lectularius, Cimex hemipterus)에 대해서 비교적 높은 농도(약 1,000 ppm)의 이산화염소 노출에 대해서 속효성 방제 효과를 나타냈으며, 저곡류를 가해하는 화랑곡나방(Plodia interpunctella)에 대해서는 비교적 낮은 농도(200 ppm)의 노출에서 완전방제 효과를 나타냈다. 또한 거짓쌀도둑거저리(Tribolium castaneum)에 대해서도 이산화염소 훈증 처리는 높은 살충력을 나타냈다.

이러한 항균 및 살충 효과를 보이는 이산화염소의 작용기작은 아직 정확히 규명되고 있지 않다. 보통은 화합물이 갖는 높은 산화력에 의해 항균 및 살충력을 발휘하는 것으로 예상되고 있다. 즉, 이산화염소 노출은 방향성 아미노산류를 산화시켜 단백질의 변성을 유도하고 이를 통해 단백질의 기능을 상실하게 한다는 것이다. 또한 이산화염소는 직접 DNA 또는 RNA의 핵산을 변화시키는 작용을 갖는 것이 알려져 있다. 최근 이산화염소가 처리된 곤충에서 활성산소를 다량 유발시켜 처리된 곤충의 높은 치사율을 초래한다는 보고가 있으며, 활성산소는 비교적 다양한 생체분자에 영향을 주는 것으로 알려져 있으나 이산화염소 처리를 통한 살충효과에 미치는 활성산소의 분자종말점은 규명되지 않고 있다.

한편, 아세틸콜린에스터레이즈(AChE)는 곤충의 중추신경계에서 신경전달물질인 아세틸콜린을 분해하는 역할을 담당하는 효소이다. 상기 AChE의 활성 억제는 살충력과 연계된다는 것이 알려져 있다(Devonshire, A.L., 1975, Biochem. J. 149, 463-469.). 유기인계 및 카바메이트 살충제의 분자종말점은 바로 AChE로서, AChE의 억제는 신경계의 과흥분을 유도하여 대상 곤충을 치사에 이르게 하는 것이다. 즉 해충류에 대해서 살충제는 AChE 효소를 억제함으로써, 해충의 과흥분 상태를 유도하여 치사에 이르게 하는 것으로 알려져 있다.

본 발명자들은 저곡해충의 살충제와 관련하여 연구하던 중, 이산화염소에 의해 아세틸콜린에스터레이즈를 증가시키면, 살충력이 증가한다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

이에, 본 발명의 목적은 이산화염소를 포함하는 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가용 조성물을 제공하는 것이다.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이산화염소(Chlorine dioxide)를 포함하는 해충의 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가용 조성물을 제공한다.

본 발명의 일구현예로서, 상기 조성물에서 이산화염소의 농도는 8 내지 1000 ppm인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예로서, 상기 해충은 화랑곡나방(Plodia interpunctella)인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 활성 증가용 조성물을 포함하는 살충용 조성물을 제공한다.

또한 본 발명은 이산화염소를 처리하는 단계를 포함하는 해충의 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가방법을 제공한다.

본 발명의 일구현예로서, 상기 이산화염소 처리는 체내 주입 또는 훈증에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예로서, 상기 이산화염소 처리는 8 내지 1000 ppm의 농도로 수행되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명은 상기 활성 증가방법을 이용한 살충 방법을 제공한다.

본 발명은 이산화염소의 처리에 의해서 아세틸콜린에스터레이즈 활성이 증가된다는 것을 확인한 발명으로, 상기 아세틸콜린에스터레이즈의 활성 증가에 의해서 살충 효과를 획득할 수 있다.

이는 종래 기술상의 살충제들이 AChE의 활성을 억제함으로서 살충 효과를 확인한 것과 상반되는 것으로, 이산화염소 처리에 따른 살충효과를 보이는 분자종말점은 AChE이고, 상기 AChE의 활성 증가를 통해 생리적 행동 교란 및 다양한 체내 신경 조절을 억제하여 치사에 이르게 할 수 있는 바, 본 발명의 조성물은 우수한 살충용 조성물로 이용될 수 있다.

도 1은 이산화염소의 주입 농도를 다르게 하여 화랑곡나방의 사망률을 관찰한 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 주입 후 7일째에 이산화염소의 농도별로 사망률을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 화랑곡나방의 발육시기별 AChE 활성을 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 화랑곡나방 5령 유충을 대상으로 이산화염소 농도에 따른 AChE 활성을 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 이산화염소에 의한 화랑곡나방의 음성주광성의 변화를 확인하기 위한 실험기구를 나타낸 도면이다.
도 6은 이산화염소에 의한 화랑곡나방 5령 유충의 음성주광성 변화를 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 이산화염소의 훈증처리에 의한 AChE의 활성변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 이산화염소의 훈증처리 5일 후의 생존한 개체를 관찰한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 이산화염소의 훈증처리 5일 후 생존한 개체를 대상으로 AChE 활성을 확인한 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 이산화염소(Chlorine dioxide)를 포함하는 해충의 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가용 조성물과, 상기 이산화염소를 처리하는 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가방법에 관한 것이다.

상기 이산화염소의 농도는 8 내지 1000 ppm일 수 있다. 이산화염소의 처리는 체내 주입 또는 훈증에 의해 이루어질 수 있고, 바람직하게는 8 내지 800 ppm으로 수행된다.

상기 해충은 화랑곡나방(Plodia interpunctella)일 수 있으나, 본 발명과 같이 이산화염소의 처리에 의해 아세틸콜린에스터레이즈의 활성 증가가 보이는 곤충이라면 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명은 상기 활성 증가용 조성물을 포함하는 살충용 조성물을 제공할 수 있고, 상기 조성물은 통상적으로 사용되는 첨가제가 추가되어 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 이산화염소의 처리에 의한 아세틸콜린에스터레이즈의 활성 증가를 통한 살충 방법을 제공할 수 있다.

저곡해충에 대한 이산화염소의 방제효과는 알려져 있으나, 이러한 살충기작은 궁극적으로 이산화염소의 활성산소 생성에 의한 산화적 스트레스에 기인된 것으로 예상되었다. 그러나 이산화염소에 의해 발생된 활성산소가 어떠한 분자종말점을 통해 살충효과에 이르는 지에 대한 연결고리가 부재하였다. 이에 본 발명자들은 이러한 인과관계를 연결하는 분자종말점으로 AChE를 주목하였다.

이에 대하여 본 발명의 실시예에서 이산화염소의 액상 또는 훈증 처리를 통해서 화랑곡나방의 치사율이 확인되었고, 공통적으로 이산화염소는 AChE의 활성을 증가시켰다.

또한 AChE가 증가하면, 화랑곡나방의 아세틸콜린 분비를 조절하고, 상기 아세틸콜린의 조절에 의해 신경계의 정상적 활동을 변경하여 화랑곡나방의 선천성 행동에 교란을 유발하는 것을 확인하였다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 공시충 사육

본 실시예에서 사용된 화랑곡나방은 실내 누대 사육충으로 1994년 대구의 건조 채소류 저장창고에서 채집된 것이다. 이후 유충은 인공사료(800 g rice bran, 200 g 이스트 추출물, 500 mL 글리세롤, 2 g sorbic acid, 2 g methyl p-hydroxybenzoate)를 이용하여 온도 28 ± 1℃, 상대습도 65-75%, 일장 16:8 (L:D) h 조건의 배양기에서 누대 사육되었다. 소집단이 겪는 임의 유전적부동을 줄이기 위해 매 세대 100 마리 이상의 암수를 교미시켜 차세대를 형성하였다. 성충은 10% 설탕물을 제공하였다.

실시예 2: 이산화염소 처리

본 실시예에서 이산화염소는 800 ppm의 저장 용액((주)푸루고팜, 경기도, 한국)을 사용하였다.

(1) 액상 주입 처리

이산화염소 액상 주입 처리는 0, 50, 100, 200. 400 및 800 ppm을 이용하였다. 혈강 주입은 유리 모세관을 이용하여 초미량펌프가 장착된 미세조정장치(SYS-microcontroller, World Precision Instruments, Sarasota, FL, USA)를 이용하여 주입하였다. 유리 모세관은 micropipette puller (PN-30, Narishige, Tokyo, Japan)를 이용하여 제조하였다.

상기 액상주입 처리 후 25℃ 실내 조건에서 24 시간 방치 후 치사율을 조사하였다. 사망 판정은 핀셋으로 복부를 가볍게 눌렀을 때 자의적 행동이 없는 상태로 규정하였다.

(2) 훈증 처리

이산화염소는 전기분해 방식으로 제조하였다. 물에 녹여놓았다가 가스 형태로 훈증시키는 것이기 때문에 농도조절이 가능하였고 이를 아크릴판으로 특수 제작한 밀폐된 챔버에 가스 발생장치((주)푸루고팜, 경기도, 대한민국)를 이용하여 투여했다. 시험 곤충은 50 mL 튜브(Falcon, Tamaulipas, Mexico) 에 소량(약 10 개) 현미와 함께 투여되었다. 이 용기의 윗면은 망사로 씌워 훈증제 처리가 가능하게 하였다. 이 곤충 용기를 이산화염소 처리 챔버에 넣고 처리 기간 동안 가스누출검지기(Gas leak detector C16, Analytical technology, Collegeville, PA, USA)로 이산화염소 농도를 지속적으로 모니터링해서 처리 농도를 확인하였다.

훈증 처리는 이산화염소 50 ppm 농도로 0, 2, 3, 4일 동안 각각 처리하였다. 각 농도 처리는 3 반복으로 실시하였으며, 각 반복은 10 마리의 5령충을 대상으로 실시하였다.

상기 훈증 처리 후 25℃ 실내 조건에서 24 시간 방치 후 치사율을 조사하였다. 사망 판정은 핀셋으로 복부를 가볍게 눌렀을 때 자의적 행동이 없는 상태로 규정하였다.

실시예 3: 체내 주입에 의한 이산화염소의 독성 확인

실시예 2의 방법으로 화랑곡나방 5령 유충을 대상으로 1μL의 이산화염소를 주입하였다.

3.1. 농도에 따른 사망률 확인

이산화염소의 농도를 0, 50, 100, 200. 400 및 800 ppm으로 조절하여 주입하고, 화랑곡나방 5령 유충의 사망률을 확인한 결과를 도 1에 나타내었다.

도 1에서 나타난 것과 같이 분석 농도의 최하인 50 ppm 처리에서도 독성이 확인되었다. 따라서 이산화염소의 처리에 의한 살충력이 확인되었다.

3.2. 처리 경과 일수에 따른 사망률 확인

도 2는 처리 후 7일까지 측정한 사망률로, 처리 후 경과 일수가 증가함에 따라 살충력도 증가한다는 것을 알 수 있다. 처리 후 7일이 경과하면 최대 살충력을 보이고 이후 살충력에는 차이가 없으므로, 이후 독성 분석은 처리 경과 후 7일로 설정하였다. 이를 기준으로 처리 농도별 반수치사약량(LC₅₀)은 196.5 ppm (95% 신뢰구간: 125.6 ~ 301.5)으로 나타났다.

이와 같이 체내 주입된 이산화염소는 화랑곡나방 유충에 살충효과를 유발한다는 것을 알 수 있다.

실시예 4: 이산화염소 처리에 따른 발육시기별 AChE 활성 확인

화랑곡나방의 발육시기별 AChE 활성을 분석하여 도 3에 나타내었다. 도 3에서 L1-L5는 1-5주령 유충을, P는 번데기, 및 A는 성충을 의미한다. 신경계가 완전히 발달된 1령 유충부터 성충까지 분석한 결과, 최종령과 번데기를 제외하고 모두 유사한 활성을 나타냈다. 최종령과 번데기 시기에는 다른 발육 시기에 비해 낮은 AChE 활성을 나타냈다.

이에 최종령인 5령을 대상으로 이산화염소 혈강 주입에 따른 AChE 활성 변화를 추적하여 도 4에 나타내었다. 낮은 이산화염소 농도(0.8 ppm) 처리에서는 AChE의 활성 변화가 없는 반면에 8 ppm 이상의 처리에서는 처리 농도와 상관없이 약 2 배 이상의 활성 증가를 보였다. 이산화염소 처리에 따른 화랑곡나방 집단의 2%의 살충효과(LC₂) 값이 4.86 (95% 신뢰구간: 0.30-15.54) ppm인 것을 고려하면, 이산화염소 8 ppm 처리는 화랑곡나방에게 생리적 장애를 줄 수 있는 농도로 판단되어, 이후 혈강 주입(체내 주입)에 사용되는 이산화염소 농도는 8ppm 으로 하였다.

이와 같이 이산화염소 처리에 따라 AChE의 활성이 증가한다는 것을 확인하였다. AChE 활성 증가는 이러한 살충효과를 낼 수 있는 이산화염소 농도인 8 ppm 이상에서 나타났다.

실시예 5: 이산화염소 처리에 따른 음성주광성 교란 확인

이산화염소 처리 후의 5령 화랑곡나방의 행동변화를 살펴보기 위해서 음성주광성의 교란 여부를 확인하였다. 도 5에 나타낸 실험도구와 같이, 50mL 실험관 2개가 연결한 후, 한 실험관은 밝은 환경을, 나머지 실험관은 검은색 테이프로 가려 어두운 환경을 유지시켰다. 상기 실험관에 10마리의 유충을 기구 가운데에 위치시켜 실험하였다.

이산화염소(8 ppm, 혈강 주입) 처리하고 경과 시기에 따라 음성주광성 행동을 분석하였다. 도 6에 나타낸 것과 같이, 처리 후 시간이 경과함에 따라 음성주광성 행동이 교란되었다. 처리 후 6 시간이 경과할 때까지는 대조구와 큰 차이를 보이지 않지만(P = 0.7139), 12 시간과 24 시간 처리구에서는 대조구에 비해 비교적 큰 차이를 나타냈다(P = 0.0676).

즉 화랑곡나방 유충에 대해서 이산화염소 처리에 의한 AChE 활성 증가는 신경연접에 신경전달물질인 아세틸콜린 양을 감소시킬 수 있고, 화랑곡나방 유충이 빛에 반응하여 반대 방향으로 움직이려는 음성주광성의 행동을 보이기 위해서는 신경연접을 통한 체내 신경신호의 전달이 필요한 것을 고려하면, 이산화염소에 의해 AChE의 활성이 증가하였고, 신경연접의 신호전달물질이 쉽게 분해되어 신경전달을 저해할 수 있다는 것을 확인한 것이다.

실시예 6: 이산화염소 훈증 처리에 따른 AChE 활성 변화 확인

본 실시예에서는 50ppm 농도의 이산화염소 훈증 처리에 대해서 AChE의 활성 변화를 분석하였다. 도 7에 나타낸 것과 같이 화랑곡나방 5령 유충에 대해서 50 ppm의 이산화염소 훈증 처리의 처리시간이 증가할수록 살충력이 증가하였다.

최초 처리 5 일후 생존한 개체를 살펴보면 대부분 번데기(P) 또는 전용 단계(PP)였다(도 8).

생존한 개체를 대상으로 AChE 활성을 분석한 결과, 대조구에 비해 이산화염소 처리구에서는 2배에서 4배 이상의 활성 증가를 보였다(도 9).

상기 실시예를 통해서, 이산화염소의 훈증 처리에 따라 화랑곡나방의 살충효과를 보이는 데 체내 하나의 분자종말점은 AChE이고 이 효소의 활성 증가는 생리적 행동 교란 및 다양한 체내 신경 조절을 억제하여 치사에 이르게 할 수 있다는 것을 확인하였다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 화랑곡나방(Plodia interpunctella)에 이산화염소를 처리하는 단계; 및
   상기 처리에 의해 화랑곡나방의 생리적 행동을 교란하는 단계;
   를 포함하는 화랑곡나방의 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가방법으로서,
   상기 이산화염소 처리는 400 내지 800ppm의 농도로 수행되는 것이고,
   상기 생리적 행동은 음성주광성인 것을 특징으로 하는, 화랑곡나방의 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 이산화염소 처리는 체내 주입 또는 훈증에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 화랑곡나방의 아세틸콜린에스터레이즈 활성 증가방법.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images