山田眞裕  동아시아기능성이온협회 회장·전 筑波대학 대학원 교수

이 논문은 ‘제1회 동아시아기능성이온협회 설립기념 오사카 심포지엄’에서 발표된 것입니다.  자료제공 : 한국원적외선협회   - 편집자주 -

1. 들어가며
현재의 가금류의 범위는 축산영역에서의 닭이라고 불리는 난용종(卵用種), 고기 생산용으로 브로일러인 육용종(肉用種), 메추라기 등 난육(卵肉)겸용종, 카나리아나 문조 등 감상 조류, 집오리 등의 수금(水禽)과 들오리에서 타조와 에뮤 등 주조류(走鳥類)까지의 조류를 포함한다. 예로부터 조류는 종교의 제약을 받지 않고 인간을 위한 양질의 단백질 공급원으로서 공헌해 왔으며, 앞으로도 그 역할은 변함이 없으리라 생각된다. 가금은 여러 고등동물 가운데에서 취급한 식물을 고기, 알, 피혁 등의 생산물로 변환하는 기능, 즉 사료 효율의 면에서 가장 우수한 고등한 항온동물이며 동물성 식료의 생산에 커다란 역할을 감당하고 있다.
최근의 닭이나 브로일러의 사육형태는 전자·정보기기를 구사한 집중관리방식에 의한 대규모화의 방향으로 진행되고 있다. 이 규모 확대에는 닭이나 브로일러의 생리·번식기능에 관한 기술, 영양관리기술, 시설의 위생관리기술 등 각종 기술의 복합적인 조화가 크게 공헌하고 있다. 가령 규모가 확대되어도 전체적인 실동행정(實動行程)은 수정란의 부화, 병아리·중닭·장닭(大雛) 기간의 육성, 생산능력을 갖춘 성계(成鷄)의 사육관리 등 일련의 기본과정을 포함하고 있다. 이 기본과정의 각 단계에서 닭 본체의 건강, 공기오염·냄새 발생이나 질병대책 등 여러 가지 문제가 발생한다는 것을 알려진 사실이다. 이러한 문제해결의 한 방법으로써 기능성 이온기술의 응용을 생각할 수 있는데 현재 그다지 널리 활용되고 있지 않은 것이 실정이다.

2. 가금생산에 미치는 환경요인
닭을 필두로 하는 가금류는 주위의 환경에 영향을 받아 갖가지 생리반응을 일으키면서 생명활동을 지속하고 있다. 특히 체온의 호메오스타시스를 나타내는 가금이나 다른 고등동물은 그림1처럼 여러 환경요인에 특이적으로 반응하는 조직·기관을 갖고 있기 때문에 이러한 기능을 활용하여 기본적인 생명활동(기초생리기능)과 경제적 가치를 유발하는 생산물의 생산 활동을 하고 있다. 이온 환경요인은 온도, 빛, 영양, 중력, 압력, 소리 등의 환경요인과 비교하면 현재까지 과학적인 정보가 상대적으로 적어서 기타의 환경요인에 속하는 것이 실정이다. 앞으로의 연구로 이온 환경이 동물생리학적으로 의의 깊은 환경요인으로 인지될 만큼의 학문적인 내용을 갖출 것이 강하게 요망된다.
생체기능, 즉 기초생리기능과 생산기능, 이온과의 관계를 이해하려면 외부환경요인인 이온 분자종(分子種)이 어떠한 경로로 생체를 구성하고 있는 조직·기관이나 이온 수용체와 어떻게 접촉하는가를 해명하는 일이 가장 중요하다. 많은 검토 방법이 있으리라고 생각되지만 마이너스 이온과 플러스 이온 둘을 포함하는 기능성 이온으로서의 고체, 조직·기관, 세포, 분자 레벨에서의 역할에 대해 검토할 필요가 있다. 어떤 레벨에 있어서나 공통되는 것은 모든 생리반응이 ⑴체온조절기능, ⑵호흡생리에 있어 산 - 염기 평형, ⑶뇌·신경기능, ⑷생체산화와 항산화 작용 등의 생체기능 유기 기구와 밀접하게 관련되어 있어야 한다. 그런고로 발표자는 닭 수정란의 부화 및 산란을 지표로 한 생산기능과 마이너스 이온과의 관련에 대해 이미 일련의 실험을 실시 중인데, 이번에는 가금류 생산에 있어 가장 중요한 닭 수정란의 발생과 배아육에 미치는 마이너스 이온의 영향에 대해서 보고하겠다.

3. 마이너스 이온 환경의 조성과 수정란의 발생 및 계배(鷄胚)의 발육·부화
본 실험에 이용한 닭 수정란은 모두 유한회사 마이 비 앤드 비(MY B&B CO. LTD)의 동물실험장에서 사육하고 있는 백색 레그혼종 성계를 종계로 하는 닭에서 얻었다. 수정란을 부란기(孵卵器, 주식회사 昭和프랑키제 특수주문품)에 넣고 이하에서 기술하는 5종류의 실험을 위해 부란을 실시했다. 단, 실험군인 부란기의 천장 면에 최대 4개의 마이너스 이온 발생기를 부착하고, 단극신(單極新)의 끝이 천장 중앙 팬 바로 아래 오도록 배치하여 마이너스 이온 환경을 부란 중 전 기간 연속적으로 조성·유지했다.
실험 1 : 7일째까지 37.5℃ 환경에서 발생시킨 계배를 8일째 이후 여러 온도환경에서 부란을 행했을 때의 부화에 미치는 마이너스 이온의 영향
실험 2 : 부란 첫날부터 부화까지 상대적으로 낮은 부란 온도 36.5℃ 환경에서 부란을 실시했을 때의 부화에 미치는 마이너스 이온의 영향
실험 3 : 실온(24~32℃)에서 다양한 기간 동안 보존한 닭 수정란에 대한 37.5℃ 환경 하에서 부화에 미치는 마이너스 이온의 영향
실험 4 : 부란 첫날부터 부화까지 전 기간 37.5℃환경에서 부란을 실시했을 때의 19일 배(胚) 및 첫 병아리의 체중과 장기(臟器) 중량에 미치는 마이너스 이온의 영향
실험 5 : 부란 첫날부터 부화까지 전 기간 동안 37.5℃ 환경에서 부란을 실시했을 때의 19일 배 및 첫 병아리 간장의 델타아미노레블린산 탈수효소(EC4.2.1.24)의 활성에 미치는 마이너스 이온의 영향
결과 : 각 실험에서 얻어진 성적의 개요는 다음과 같다.
실험 1 : 부화 기간 21일 가운데, 최초 7일째까지 37.5℃ 환경, 8일째 이후를 37.5℃, 37.0℃, 36.5℃의 각 온도환경에서 부란을 실시하자, 표 1에 나타나 있듯이 각 처온도의 실험군(마이너스 이온 처리군)에서의 총 부화 수(누적부화율)가 대응하는 대조군보다  많고, 21일째에서의 부화 수가 눈에 띄게 많았다. 또 3 온도 구간에서는 부화 수(누적부화율)는 37.5℃ 구역이 가장 많고, 다음으로 37.0℃ 구역, 36.5℃ 구역의 순이었다. 각 온도구역에서 마이너스 이온에 의한 수정란 부화의 촉진효과가 인정되었다.
실험 2 : 부란의 최초부터 부란온도 36.5℃ 환경에서 부란을 실시하자, 대조군과 비교해서 실험군(마이너스 이온 군)에서의 총 부화 수는 눈에 띄게 많았고, 특히 모든 부화가 종료할 때까지 걸린 평균 부화 기간이 짧았다. (표 2 참조)
실험 3 : 수정란을 최저 24℃에서 최고 32℃의 범위에서 변동하는 실온에서 6, 10, 15일간 각각 보존하고, 이들을 동시에 37.5℃ 환경에서 부화를 실시하자, 6일간 보존한 수정란의 부화 수는 대조군 및 실험군 모두 10일 혹은 15일 보존한 경우보다 눈에 띄게 높았다. 또한 6일 보존한 알에 관해서는 마이너스 이온 처리군의 부화율이 대조군보다 두드러지게 높았다. 또 부화는 실현되지 않았지만 부화 21일째에서의 계배의 발생 수는 마이너스 이온 처리군에서 많았다.
실험 4 : 알 중량 58g에서 64g로 실온 23℃ 환경에서 최장 2일간 보존한 신선한 수정란을 전 기간 37.5℃ 환경에서 부란했을 때의 19일 배(胚) 및 첫 병아리(22일째 배 상당)의 개체 중량 및 간장이나 심장의 각 중량은 표 3 및 표 4에 나타나 있는 바와 같다.
실험 5 : 알 중량 58g에서 64g로 실온 23℃ 환경에서 최장 2일간 보존한 신선한 수정란을 전 기간 37.5℃ 환경에서 부란했을 때의 19일 배 및 첫 병아리(22일째 배에 상당) 간장의 델타아미노레블린산 탈수효소(EC4.2.1.24)의 활성은 표 5 및 표 6에 나타나 있는 바와 같다. 단, 델타아미노레블린산 탈수효소의 활성은 YAMADA, M, (1972)(BBA:279, 535-543, 1972) 및 Tsushima, N. and Yamada, M. (1988) (Comp. Biochem. Physipl., 90B, 187-192, 1988)의 방법에 준거하여 측정했다. 활성의 표시는 간장 총 중량 당 총 활성 혹은 1mg 단백질 당의 비활성(比活性)으로 실시했다.
이러한 닭 수정란의 부화 및 계배의 성장에 미치는 마이너스이온의 영향을 검토한 결과, 다음과 같은 사항이 판명되었다.
1. 수정란의 부화에 대한 마이너스 이온 처리는 수정란의 부화조건이 상대적으로 나쁠 때에 계배의 성장을 현저하게 촉진한다.
2. 마이너스 이온은 개체나 장기의 중량뿐 아니라 혈색소 합성에 관여하는 디지털 아미노레벌린산 탈수효소의 양적 유도에 영향을 미친다.
대조군과 실험군 사이에 신선란이나 보존란 등 갖가지 온도환경에 있는 부화 수와 배 성장에 관하여 현저한 차이가 인정된다는 것은 마이너스 이온 처리가 닭의 각 부위에서의 세포활성을 현저하게 촉진한다는 것을 암시한다. 이와 비슷한 현상은 다른 동물이나 식물에 있어서도 관찰할 수 있다. 세포 이하의 분자 레벨에서도 마이너스 이온의 효과는 현저하며, 또한 효소활성의 증가는 효소의 기질에 대한 친화성이 변화되지 않는다는 점에서 효소분자의 양적인 증가에 의한 것이라고 생각된다.
또 장기 사이에서 마이너스 이온에 대한 반응성의 차이가 인정되었는데, 그 차이를 초래한 분자기구는 현 시점에서 밝혀지지 않았으며, 앞으로의 연구과제이다. 계배에서 첫 병아리로의 변화는 단시간에 현저하게 변화하는 생체반응의 전형적인 예이다. 마이너스 이온의 분자종과 특정한 생체 반응과의 관계도 앞으로 반드시 검토해야 할 항목이다.

4. 앞으로의 전망
가금 생산방식은 크게 나누어 ⑴야외에서의 방사(프리렌지)방식, ⑵종래의 개방형 계사방식, ⑶대규모로 기계화된 창문 없는(無窓) 계사 방식 등 3종류를 생각할 수 있는데, 효과적인 이온기술의 응용을 기대할 수 있는 것은 ⑶창문 없는(無窓) 계사 방식이며, 다음으로 ⑵개방형 계사방식이다.
이 둘에 공통되는 중요하며 필요한 점은 닭의 사육환경 및 주변 환경의 정화로, 건전한 닭의 사육·생산 및 사람과 닭의 위생적인 쾌적한 생활의 구축이다. 마이너스 이온이 활성산호의 제거와 항산화 작용을 가지므로 취업자의 건강유지에 직접 관계함과 동시에 먼지가 많은 작업공간의 정화 및 우생상태의 유지에 공헌할 가능성이 크다. 또 가금의 사육현장에서는 배설물인 분뇨나 사체 혹은 달걀 등 생산물에서 발생하는 냄새의 경감에 도움이 된다고 알려져 있는데, 2만 마리 정도 수용하는 창 없는 계사에 설치한 구체적인 예는 아직 극히 적다. 냄새 대책용 소재로서의 이온 기술응용은 앞으로 큰 진전을 보일 것이다.
이러한 가금의 사육시설 및 그 내외 환경의 정비에 공헌하면서 또 가금 자체의 성장과 생산기능에 보다 촉진적인 생리효과를 가져올 것이 크게 기대된다.
여기에 제시한 표 1에서 표 6까지의 결과는 단극 끝에서 방출된 마이너스 이온이 알의 껍질로 들어가 배자에 받아들여져서 배의 효소의 유도, 단백질 합성의 촉진을 경유한 배 성장을 촉진하여 생명의 근간활동에 관여하는 것이라고 예측된다. 이와 유사한 보고는 가금뿐 아니라 다른 생물에서도 정도의 차이는 있지만 관찰되고 있다. 앞으로도 유전자 레벨에서 연구가 진행되어, 개체, 조직·기관, 세포, 분자와 기능성 이온과의 관계가 해명되어 양질의 단백질을 비롯하여 각종 식량생산의 촉진이 가능하게 된다. 특히 최근 동아시아 지역에서 발생하고 있는 고병원성 조류 인플루엔자(HPAI)바이러스의 증식제어에 대한 기능성 이온 기술의 응용성이 어느 정도 될 것인가를 검증할 것이 강하게 요망된다. 

그림 1. 동물환경생리학의 구성과 이온환경과의 관계
 (문헌1의 그림6. 1을 개조)(山田原 그림)

표 1. 부란 첫날부터 부화까지 상대적으로 낮은 부란 온도 36.5℃ 환경에서 부란을 실시했을 때의 부화에 미치는 마이너스 이온의 영향

        .

표 2. 7일째까지 37.5℃ 환경에서 발생시킨 계배를 8일째 이후 여러 온도환경에서 부란을 행했을 때의 부화에 미치는 마이너스 이온의 영향

         
표 3. 전 기간 37.5℃환경에서 부란 중인 19일 배의 배 및 조직습(組織濕) 중량에 미치는 마이너스 이온의 영향

                          대조군(C)                   실험군(E)                       차이(E-C)
               (마이너스이온 무처리군)  (마이너스이온 처리군)
 샘플 수                 16                                 20
 알 중량(g)  55.3 7 ± 2.85                 55.3 ± 2.76                            -0.06 
 배 중량(g)  21.7 7 ± 4.39                 23.14 ± 3.39                           +1.37
 심장중량(g) 0.198 ± 0.032                 0.218 ± 0.033                        +0.020
 간 중량(g) 0.449 ± 0.028                   0.497 ± 0.077                        +0.048
 난황낭 중량(g) 11.02 ± 2.27            10.47 ± 2.25                            -0.551

주1 : 수치는 각 군의 개체의 평균±표준편차로 표시

표 4. 전 기간 37.5℃환경에서 부화한 첫 병아리의 체중 및 조직습 중량에 미치는 마이너스 이온의 영향

                           대조군(C)                   실험군(E)                 차이(E-C)
                (마이너스이온 무처리군)   (마이너스이온 처리군)
 구분                        9                               9                              -
 중량(g)            42.97 ± 1.99              43.75 ± 2.67                      +0.78 
 심장중량(g)       0.316 ± 0.060             0.250 ± 0.064                   +0.034
 간 중량(g)         0.767 ± 0.084             0.855 ± 0.055                   +0.088
 난황낭 중량(g)   6.36 ± 1.39                6.18 ± 0.87                      -0.18

주1 : 수치는 각 군의 개체의 평균±표준편차로 표시

표 5. 37.5℃ 환경에서 부란 19일째 계배의 간장 델타아미노레블린산 탈수효소(ALAD)의 활성에 미치는마이너스 이온의 영향

   간장 ALAD 활성
   (㎲mole PBG/h)
                                            전체 간장      간장 1g      단백질 1mg
                                              당의            당의            당의        
                                            총활성          총활성         총활성    
              대조군                     379.3             719.2             7.45
 (마이너스이온 무처리군)        ± 71.7         ± 147.4         ± 1.25
             실험군                      404.2             834.5             8.01
 (마이너스이온 처리군)          ± 57.3           ± 97.5          ± 1.55
             P-value               0.3

주1 : 수치는 대조군 및 실험군 모두 10개의 계배를 이용했을 때의 평균치±표준편차로 표시했다.

표 6. 37.5℃ 환경에서 부화한 첫 병아리의 간장 델타아미노레블린산 탈수효소(ALAD)의 활성에 미치는 마이너스 이온의 영향

   간장 ALAD 활성
   (㎲mole PBG/h)
                                       전체 간장      간장 1g     단백질 1mg
                                          당의           당의           당의        
                                         총활성        총활성       총활성    
              대조군                   910.9          933.9          8.55
 (마이너스이온 무처리군)    ± 130.0       ± 124.3      ± 1.02
             실험군                    996.1         1051.5          9.48
 (마이너스이온 처리군)        ± 76.7        ± 167.3      ± 1.19
             P-value             0.2

주1 : 수치는 대조군 및 실험군 모두 10개의 계배를 이용했을 때의 평균치±표준편차로 표시했다.

<일부 표가 생략되었음. 자세한 내용은 월간세라믹스 2006년 2월호 164~167페이지 참조>