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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Korean J. Environ. Biol. Vol.34 No.4 pp.281-291
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2016.34.4.281

Development of Immobilized Naphthoquinone for Effective Algicidal Activity under Various Environmental Conditions and It’s Ecological Changing Monitoring

Jae-Hyoung Joo
, Chong-Sung Park, Zhen Kuang1, Jeong-Hwan Byun1, Heon Woo Lee, Hye Jeong Choi, Myung-Soo Han
*
Department of Life Science, Hanyang University, Seoul 04763, Republic of Korea
1Department of Environmental Science, Hanyang University, Seoul 04763, Republic of Korea

† These authors contributed equally as co-first authors.

Corresponding author : Myung-Soo Han, 02-2220-0956, 02-2296-1741, hanms@hanyang.ac.kr
December 6, 2016 December 22, 2016 December 22, 2016

Abstract

Bloom of small centric diatom Stephanodiscus is quite occasional in winter season in temperate freshwater ecosystems. It often leads to degradation of water quality and affects the quality of supplied drinking water. In a previous study, we have found that naphthoquinone (NQ) 4-6 derivate is an effective tool for efficient mitigation of natural S. hantzschii blooms. In the present research, polylactide (PLA) and agar foam were used as immobilized agent for NQ 4-6 to improve the efficiency of NQ 4-6 compound releasing process for its application under various field conditions. Mesocosm experiments at 10 ton scale suggested that the abundance of S. hantzschii was continuously increased in the control and upon treatment of the mesocosm with immobilized NQ 4-6 from PLA and agar foam. Their algicidal activities were 78.8% and 77.1%, respectively, on S. hantzschii after 10 days. In the mesocosm experiments, the dynamics of biotic (bacteria, HNFs, ciliates, zooplankton) and abiotic (water temperature, dissolved oxygen, pH, conductivity, nutrients) factors remained unaffected. They exhibited similar trends in the control and treatment groups. Therefore, the immobilized NQ 4-6 from PLA and agar foam has potential to be used as an alternative algicidal substance to effectively mitigate natural S. hantzschii blooms under various field conditions. In addition, it not only can be used to control S. hantzschii, but also is an effective technique. The immobilized NQ 4-6 showed stable controlled release in desired system.

Stephanodiscus , naphthoquinone , immobilization , polylactide , agar

다양한 환경에서의 효율적 녹조 저감을 위한 Naphthquinone 물질의 담체화 기술 개발 및 이에 따 른 생태계 변화 모니터링

주 재형
, 박 종성, 광 준1, 변 정환1, 이 헌우, 최 혜정, 한 명수
*
한양대학교 생명과학과
1한양대학교 환경과학과

초록

    서 론

    우리나라를 포함한 많은 국가의 강, 인공호, 댐 및 저수지 등은 이미 대부분 부영양화되어 유기물 오염이 심각한 상황 이다. 유해조류 대발생 (HAB: harmful algal bloom)은 수중에 조류독소와 식수의 이·취미 발생의 원인으로 수자원으로서 가치 하락과 수중생태계를 교란시킨다. 또한, 정수장의 여과 지 폐쇄, 응집, 침전 등의 정수 처리 시설에 다량의 응집제가 소요되어 경제적 손실 초래 및 심미적 불쾌함을 유발시켜 관광 및 휴식처로서의 가치를 떨어뜨린다 (Lim et al. 2000; Lee et al. 2001; Han et al. 2002). 특히 규조 Stephanodiscus sp.는 유럽 (Sommer 1986; Leitao 1995), 아프리카 (Kilham et al. 1986), 아시아 (Kang et al. 2005; Jung et al. 2008, 2011; Kang et al. 2011) 등, 전 세계적으로 저수온기에 대발생이 보 고되고 있다. 우리나라의 경우, 낙동강 및 한강에서 저온 갈 수기에 장기간 발생하며, 강과 호소에서 번무하여 수질을 악 화시키는 주 원인으로 보고되고 있다 (Han et al. 2002; Ha et al. 2003). 특히 매년 낙동강에서 우점하여 현장 식물플랑크 톤의 95% 이상에 해당하는 밀도를 차지해 마치 단일 배양한 것처럼 갈색의 물띠를 형성하는 것으로 알려져 있다 (Cho et al. 1998; Jung et al. 2008).

    이러한 문제를 야기시키는 원인 종인 Stephanodiscus sp. 에 의한 겨울철 녹조현상을 제어하기 위하여 생물유래 물질 인 naphthoquinone (NQ) 유도체의 치환기 (Rn) 변화를 통하여 다양한 물질을 합성하였고, 실험실 내 실험을 통하여 최적 물질 선정을 완료하였다 (Byun et al. 2015; Joo et al. 2016b). 또한, 최종 선정된 NQ 4-6 물질은 Stephanodiscus sp. 종에 대하여 높은 살조효과, 선택적 살조효과, 낮은 독성을 가질 뿐만 아니라 microcosm 실험을 통하여 비생물학적, 생물학 적 요인에 대한 영향이 없음이 확인되었다 (Byun et al. 2015; Joo et al. 2016a). 그러나, 개발된 NQ 4-6을 포함한 대부분의 녹조제어물질의 경우, 분말 또는 액상 형태의 물질로서 적용 수계의 규모와 수심 등의 환경적 특징에 따라 적용이 어려 운 경우가 많았으며, 현장 적용시 물질 희석에 의해서 효과 가 감소하는 경우가 빈번히 발생하였다. 게다가 적용 후 지 속적인 관리를 위한 전력, 노동력, 설비, 운영비 등의 부가적 인 비용이 발생하는 문제점도 있었다. 이러한 단점을 보완 하기 위한 기술로서, 담체화 (immobilization)는 취급과 조작 이 간단하고 지속적인 처리 및 수환경 개선이 가능한 안정 적인 방법으로 (Brodelius and Vandamme 1987) 하, 폐수 등 의 처리, 영양염류 및 유기화합물 제거 등 많은 응용분야에 서 연구되었다 (Bettmann and Rehm1984; Balfanz and Rehm 1991; Sahasrabudhe et al. 1991).

    본 연구를 통해 NQ 4-6 물질의 담체화 기술로 개발하고자 하는 PLA (polylactide)는 카사바 (cassava), 타피오카 (tapioca), 옥수수와 같은 자원을 발효시켜 얻어진 lactic acid를 축합 중합 반응하여 얻어지는 물질이다 (Bae et al. 2015). PLA는 폐기 후 매립하게 되면 흙 속의 미생물 작용에 의해 탄산가 스와 물로 분해되어 자연 순환되는 물질이며, 탈석유 완전 자연 순환의 생태학적 수지로서 환경 친화적인 성분이다. 담 체화를 위한 다른 기질로서 한천 (agar)은 우뭇가사리과의 Gelidium amansii Lamouroux 등의 홍조류에 세포막 성분으 로서 존재하는 점성 물질이며, 그 용도가 다양하여 식품 부 형제, 음료의 청정제, 완화제 등의 용도로 사용되며, 미생물, 식물 조직, 동물 세포 등을 고정하여 배양하는 고형 배지로 도 사용되고 있다 (Cha et al. 2009). 이러한 agar의 고유 성 질을 이용하여 gel화된 agar에 개발된 NQ 4-6 물질을 담지 함으로써 환경 친화적인 담체를 개발하고자 하였다. 따라서, PLA와 agar을 이용한 담체에 기 개발된 NQ 4-6 물질을 담 지하여 10 ton 규모의 mesocosm 내 적용 후 현장에서의 살 조효과와 다양한 요인의 모니터링을 통하여 생태계 미치는 영향 평가를 통하여 현장에서 효율적으로 적용 가능한 기술 을 개발하고자 하였다.

    재료 및 방 법

    1.Naphthoquinone 4-6: 6-[(4-chlorobenzothiazol-2- ylamino)methyl]-5-8-dimethoxynaphthalene-1,4-dione

    4-chloro-N-((1,4,5,8-tetramethoxynaphthalene-2-yl)methyl) benzo thiazol-2-amine 861.1 mg (1.95 mmol)과 acetone 20 mL을 넣고 실온에서 H2SO4 164 μL (2.93 mmol), H2O 4 mL, CrO3 203.2 mg (1.95 mmol) 넣는다. 이 혼합물을 실온에서 1 시간 교반시킨 뒤 methylene chloride와 물로 추출한 후에 methylene chloride층을 모아 무수 황산마그네슘으로 수분을 제거한 다음 감압건조 하였다. 화합물을 컬럼 크로마토그래 피 (hexanes : EtOAc=2 : 1)로 정제하여 목적 화합물을 얻었 다. 최종 합성된 NQ 4-6 물질의 기본 구조는 Fig. 1과 같다.

    2.PLA (polylactide) 담체의 제조

    PLA (polylactide)를 chloroform (CHCl3)에 용해한 후, 염 화나트륨 (NaCl)을 침전시킨 슬러리 (slurry)를 제조하였다. 상기 제조된 슬러리를 원통형태의 틀에 부어 건조시켜 PLA 구조체를 제조하고, 이로부터 틀을 제거한 다음, 상기 PLA 구조체 내에 존재하는 염화나트륨을 물로 세척하여 제거하 여 다공성 PLA 구조체 (diameter: 15 cm, height: 6.5 cm)를 제조하였다. 상기 다공성 PLA 구조체에 조류 제어 물질인 NQ 4-6을 담지하기 위하여, 주사기에 넣어 주입하여 최종 농도 1 μM (최종 접종량: 4.14 g)의 NQ 4-6 물질이 담지된 유 해조류 제어용 다공성 PLA 구조체를 제작하였다.

    3.한천 (agar) 담체의 제조

    Agar 담체의 제조는 과립 (powder) 상태의 Agar을 증류수 (distilled water)와 혼합한 후 고온 (121℃)에서 15분간 고온 고압 멸균하며 동시에 과립상태의 agar을 용해시킨 후 액상 의 agar을 살조물질의 담체 형태로 제조하기 위해 원형의 틀 을 준비하였다. 원형 틀에 액상의 agar을 부어준 후 실온에 서 방냉하여 고형화 시켰다. 고형화 된 agar의 중앙에 직경 원통형 튜브를 고정시킨 후 튜브내부를 제외한 외부에 액상 의 agar를 부어 다시 실온에서 고형화 시켰다. 이후 튜브를 제거하여 원형 공간에 액상의 1 μM 농도의 NQ 4-6 물질 (최 종 접종량: 4.14 g)을 agar 담체에 주입하였다. 주입 완료된 살조물질의 상부에 액상의 한천을 부어 중앙의 공간을 채워 준 후 다시 실온에서 방냉하여 고형화시켜 살조물질이 담지 된 agar 담체 (diameter: 15 cm, height: 6.5 cm)를 제작하였다.

    4.Mesocosm (10 ton) 내 PLA, agar 담체의 적용

    실험실 내 실험에서 우수한 살조효과가 입증된 NQ 4-6 물 질의 효율적인 현장 적용을 위해 담체화하여 mesocosm 내 접종 후 현장에 존재하는 규조류 Stephanodiscus sp. 제어효 과를 검증하고자 하였다. Mesocosm의 경우, 매년 저수온기 에 규조류 Stephanodiscus sp. 종에 의한 녹조 대발생으로 문 제가 발생하는 낙동강 수변 (경상남도 김해시 대동면 지역: 35°14′25.62″N, 128°59′47.95″E)에 실험구를 설치하여 수 행하였다 (Fig. 2). 선정된 지역 내 부지에 미국 Pastel 사의 20 ton (6×7×1.5 m3) 규모의 직사각형 실험구 3개 (대조구, PLA 담체 처리구, agar 담체 처리구)를 설치 후 (Fig. 3), 낙동 강 내 규조류가 경보수준으로 존재하는 현장수를 수중 펌프 를 이용하여 각 실험구에 10 ton을 채웠다. 이후 3일간 실험 구를 안정화 기간을 거친 뒤 NQ 4-6 물질이 담지된 담체를 접종하였다. PLA와 agar를 이용하여 담체화된 NQ 4-6 물질 의 mesocosm 적용 후 수생태계에 미치는 영향을 평가하기 위해 매일 11:00~13:00의 동일한 시간에 채수하여 다양한 물리·화학적·생물 요인들을 분석하였다.

    1)Mesocosm (10 ton) 내 비생물학적 요인

    수온 (water temperature), pH, 용존산소 (dissolved oxygen: DO), 전기전도도 (conductivity), 탁도 (turbidity) 등은 U-10 수질측정기 (water quality meter) (HORIBA, Japan)를 이용 하여 측정하였으며, 용존산소의 경우 winkler titrator로 추가 검증하였다. 또한, mesocosm 실험은 샘플링에 앞서 각각의 실험구에 PVC pipe를 사용하여 수층을 잘 혼합시켜 바닥에 가라앉은 (bottom-dwelling) 미생물들을 부유시켜 주었다. 샘 플은 접종 당일부터 10일차까지 매일 각 실험구의 표층수에 서 1 L의 polyethylene bottle로 채수하였다. 염양염 (Nitrite: NO2-N, Nitrate: NO3-N, Ammonium: NH4-N, Phosphate: PO4-P, silicate: SiO2-Si) 분석을 위해 매일 한 번씩 250 mL 을 실험구와 대조구에서 각각 채수하여 glass fiber filter (GF/ F) (Whatman International, Maidstone, UK)로 여과한 후 산 처리된 polyethylene bottle에 50 mL씩 나누어 - 70°C deep freezer에 보존하였다. 모든 영양염 분석은 APHA (2005)에 의거하여 각각 분석하였다.

    2)Mesocosm (10 ton) 내 생물학적 요인

    박테리아 (bacteria), 종속영양 미소편모류 (heterotrophic nanoflagellates: HNFs), 식물플랑크톤 (phytoplankton) 등의 세포수를 계수하기 위해 샘플 1 L를 채수하여 산처리된 300 mL의 polyethylene bottle에 담아 glutaraldehyde (final concentration 2%)로 고정하여 4℃에서 암소 보관하였다.

    박테리아와 HNFs의 경우, 각각 2 mL, 10 mL을 분취하고 아래와 같은 방법으로 직접 계수해주었다 (Riemann et al. 1990). 각각의 샘플은 DAPI (5 μg mL-1 final concentration) 로 5분간 염색된 후, black 0.2-μm-pore-size polycarbonate filters (poretics)하에서 포집하고 1,000 배율 (magnification)의 Zeiss Axioplan epifluorescence microscope 하에서 백색으로 발광하는 세포를 계수하였다. 대략, >200 cells filter-1 (또는 >10 fields filter-1)의 세포수를 계수하였다. Nanoflagellates 의 경우 flagellate 크기를 가진 세포이며 red chlorophyll fluorescence (visible chlorophyll)가 관찰되면 HNFs로 간주하였 다 (Round et al. 1990). HNFs와 protozooplankton (예: ciliates, amoebae)의 구별은 Patterson (2003)의 방법대로 접안렌즈 내의 calibrated ocular grid를 사용해 크기별로 group화하 여 분별해 주었다. 이 방법으로는 HNFs의 정확한 수를 계수 할 수는 없지만, 샘플들 사이의 세포수 변화 경향을 확인할 수 있는 좋은 방법이다. 개별 flagellate의 크기는 calibrated ocular grid를 사용해 측정하였다. 식물플랑크톤의 계수를 위 해 1 mL을 분취해 Sedgwick-Rafter counting chamber (Phyco- Tech Inc., USA)를 사용하여 200 magnification로 IX71 inverted microscope (Olympus, Japan) 하에서 계수하였다. 섬모 충 (ciliates)과 동물플랑크톤 (zooplankton)의 계수를 위해 각 각 1 L와 10 L를 농축한 샘플을 채수한 후 15 mL tube와 산 처리된 300 mL polyethylene bottle에 각각 담아 Lugol’s solution (final concentration 1%)과 formalin (final concentration 2%)으로 고정하였다 (Nakano et al. 1998). Zooplankton은 샘 플을 gridded slide 위에서 올린 후 적당한 배율 (40~400)의 IX71 inverted microscope 하에서 계수하였다.

    5.데이터 분석

    담체화된 살조물질에 의한 살조효과 또는 살조활성 (algicidal activity)은 다음 식으로 계산하였다.

    Algicidal activity (%)=(1- Tt/Ct) × 100

    이때 T (처리구)와 C (대조구)는 각각 NQ 4-6 물질이 담지된 PLA, agar 담체가 접종되었을 때와 접종되지 않았을 때의 조류 세포수이며, t는 처리 기간 (day)수를 의미한다.

    결 과

    1.담체화된 NQ 4-6 물질의 mesocosm 내 살조효과

    낙동강 현장에서 10 ton 규모의 mesocosm 실험 결과, 대 조구에서는 대상 조류 Stephanodiscus hantzschii 세포수가 초기 세포밀도 1.0×104 cells mL-1에서 실험 종료 10일까지 지속적으로 성장하여 3.7×104 cells mL-1까지 세포수가 증 가하였다 (Fig. 4a). 반면, NQ 4-6 물질이 담지된 PLA 담체 의 경우, 실험 초기 1.0×104 cells mL-1에서 NQ 4-6 물질의 용출에 의하여 점진적으로 세포수가 감소하여 10일차 7.9× 103 cells mL-1으로 대조구 대비 78.8% 감소하였다 (Fig. 4b). 또한, NQ 4-6 물질이 담지된 agar 담체 역시 실험 초기 1.0× 104 cells mL-1에서 10일 후 8.6×103 cells mL-1으로 대조구 대비 77.1% 감소하였다 (Fig. 4c). 대조구와 PLA, agar 담체 처리구 모두 실험기간 동안 S. hantzschii 종이 90% 이상 지 속적으로 우점하였으며, S. hantzschii 이외에 Asterionella formosa, Fragilaria crotonensis, Nitzschia sp., Synedra acus 와 같은 규조류가 주로 출현하였다 (Fig. 4a-c).

    Mesocosm 내 Chlorophyll-a 변화를 관찰한 결과, 대조구 는 실험 초기 17.0 μg L-1의 농도에서 10일차 20.8 μg L-1로 증가하였으나 (Fig. 4a), PLA, agar 담체 처리구의 경우 실험 초기 각각 18.9 μg L-1, 20.4 μg L-1에서 8일차 8.8 μg L-1, 8.9 μg L-1까지 감소하였다가 다시 증가하여 10일차 14.5 μg L-1, 15.5 μg L-1까지 증가하는 경향을 보였다 (Fig. 4b-c).

    2.PLA, agar 담체 적용 후 생태계 모니터링

    대상 조류 S. hantzschii에 대하여 살조효과가 입증된 NQ 4-6 물질의 PLA와 agar를 이용한 담체화 후 수생태계에 미 치는 영향을 평가하고자 mesocosm 내 실험을 통하여 비생 물학적 요인과 생물학적 요인을 모니터링하여 분석하였다.

    1)비생물학적 요인의 변화

    Mesocosom 수행기간 동안 환경요인을 분석한 결과, 수온 은 실험기간 내 대조구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 모두 4~10℃로 일정하게 측정되었으며, 대조구와 유사한 경향으 로 관찰되었다 (Fig. 5a). Mesocosm 내 용존산소 농도는 대조 구, PLA 그리고 agar 처리구 모두 실험 초기 11.4 mg L-1에서 10일차 각 12.2 mg L-1, 13.0 mg L-1, 11.1 mg L-1으로 관찰되 었으나, PLA 담체 처리구는 4일 이후, agar 담체 처리구는 2 일 이후부터 대조구 대비 다소 낮게 관찰되었다. 그러나, 실 험기간 동안 9.5~13.0 mg L-1의 범위에서 모든 실험구에서 유사한 변화 경향이 관찰되었다 (Fig. 5b). pH의 경우 실험 초기부터 10일차까지 대조구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 에서 7.4~8.7 사이의 범위로 큰 변화 없이 유사한 경향을 보 였다 (Fig. 5c). 전기전도도는 대조구와 agar 담체 처리구에서 는 실험 초기 각 0.359 mS cm-1 , 0.363 mS cm-1 에서 10일차 0.363 mS cm-1 , 0.365 mS cm-1 으로 큰 변화 없이 유지되었다. 다만, PLA 담체 처리구에서는 실험 초기 0.362 mS cm-1 에 서 3일 이후 0.397 mS cm-1 으로 증가하여 10일까지 유지되 었다 (Fig. 5d). Mesocosm 내 탁도의 경우, 대조구는 실험 초 기 23.7 NTU에서 10일차 23.4 NTU으로 큰 변화 없이 유지 되었다. 그러나, PLA, agar 담체 처리구에서는 실험 초기 각 26.2, 25.7 NTU로 대조구와 유사하였으나, 7일 이후부터 감 소하여 19.6, 19.5 NTU로 낮게 측정되었으며 mesocosm 내 투명도가 개선되었다 (Fig. 5e).

    환경요인과 더불어 mesocosm 내 영양염의 변화를 관찰 한 결과, 대조구 내의 인산염인 (PO4-P)은 실험 초기 723.1± 7.8 μg L-1에서 점진적으로 감소하여 10일차 405.5±3.9 μg L-1까지 감소하였다 (Fig. 6a). PLA, agar 담체 처리구는 실 험 초기 각 668.2±23.5 μg L-1, 676.1±39.2 μg L-1에서 3일 차 448.2±31.3 μg L-1, 393.7±7.8 μg L-1까지 감소한 후 다 시 증가하는 경향이 관찰되었으며, 10일차 각 523.1±3.9 μg L-1, 448.6±31.3 μg L-1까지 증가하였다 (Fig. 6a). 규산 규소 (SiO2-Si)의 경우, 대조구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 모 두 실험기간 동안 12.5~39.9 μg L-1 범위에서 유동적이었으 며, 모든 실험구에서 유사한 경향이 관찰되었다 (Fig. 6b). 아 질산성 질소 (NO2-N)는 실험 초기 대조구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 각 30.0±0.2 μg L-1, 24.2±0.2 μg L-1, 29.7± 0.2 μg L-1으로 관찰되었다. 그러나, 10일차 대조구와 agar 담 체 처리구는 각 43.8±0.2 μg L-1, 43.6±0 μg L-1으로 유사하 였으나, PLA 담체 처리구에서는 다소 낮은 28.9±0 μg L-1 이 관찰되었다 (Fig. 6c). 질산성 질소 (NO3-N)의 경우, 실험 초기부터 종료시인 10일차까지 유사한 농도로 유지되었다 (Fig. 6d). 암모니아성 질소 (NH4-N)의 경우, 대조구는 실험 초기 39.5±0 μg L-1 농도에서 점진적으로 감소하여 10일차 11.1±1.2 μg L-1으로 관찰되었다. 그러나, PLA, agar 담체의 처리구에서는 실험 초기 41.3±0 μg L-1의 농도였으나 2일차 까지 소폭 증가한 후 감소하여 10일차 8.4±0 μg L-1, 17.5± 18.1 μg L-1으로 감소하였다 (Fig. 6e).

    2)생물학적 요인의 변화

    Mesocosm 내 박테리아의 개체수는 대조구, PLA, agar 담체 처리구 모두 실험기간 동안 5×105 cells mL-1에서 1.9×106 cells mL-1의 범위로 큰 변화 없이 모든 실험구에서 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 7a). HNFs의 경우, 박테리아 변화와 유사하게 모든 실험구에서 큰 차이 없이 실험기간 동안 791.6~2318.4 cells mL-1 범위 내에서 관찰되었다 (Fig. 7b). 전체적인 식물플랑크톤 개체수는 대조 구 실험 초기 1.1×105 cells mL-1에서 점진적으로 증가하여 3.8×105 cells mL-1까지 증가하였다. 그러나, 초기 1.1×105 cells mL-1 세포 밀도였던 PLA, agar 담체 처리구에서는 우 점종인 S. hantzschii 종의 감소에 의한 전체 식물플랑크톤이 감소되었다 (10일차 PLA: 8.4×103 cells mL-1, agar: 9.2×103 cells mL-1) (Fig. 7c). Mesocosm 내 섬모충의 개체수는 대조 구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 모두 실험 초기 4.4 cells mL-1에서 10일차 약 4.0 cells mL-1로 실험기간 동안 유사한 경향을 나타내었다 (Fig. 7d). 동물플랑크톤 역시 실험기간 동안 대조구와 PLA, agar 담체 처리구에서 큰 차이는 관찰 되지 않았다 (Fig. 7e).

    고 찰

    녹조현상을 제어하는 방법으로 기계적 수거, 초음파, 전 기분해 등의 물리학적 제어방법, 응집 및 침전제, 산화제 등 의 화학적 제어방법, 생물에 의한 유기물 산화에 의한 분해, 섭식하여 제거하는 미생물과 어패류를 인위적으로 투여하 여 제거하는 생물학적 제어방법이 있다 (Sigee et al. 1999; Gumbo et al. 2008; Foflonker 2009). 그러나, 다양한 기술 중 에 높은 살조효과, 빠른 제어효율, 편의성 등의 장점으로 살 조제, 응집제와 같은 화학적 제어방법이 현장 적용 가능성이 가장 높다고 평가되고 있다. 그러나, 일부 살조제는 현장에 서 희석효과에 의한 살조효과의 감소, 일시적으로 높은 살조 물질의 노출에 의한 독성현상을 발생시키는 등의 문제점이 발생할 가능성이 있다. 뿐만 아니라, 적용 수계의 지형적 특 성, 기후, 수심 등 다양한 환경조건에서의 적용시 동일한 효 과를 관찰하기 어려운 경우가 발생하였다. 또한, 조류제어제 만을 사용한 경우에는 유속이 존재하는 자연 환경에서의 유 실이 발생하게 되어 제어효과가 미미하다는 문제가 존재하 고, 일회성의 효과만을 보이기 때문에 지속적인 살포가 요구 되었다. 따라서, 앞선 문제를 보완 가능하며, 현장에서의 효 율적인 제어효과를 위해서 다양한 방법에서 접근하여 각각 의 단일 기술뿐만 아니라 융합적인 기술을 완성하고자 하였 다. 본 연구에서 접목하고자 한 담체화 기술은 이미 다양한 산업분야에서 성공적으로 적용되고 있으며, 생물제재에 대 한 고정화 연구 또한 하수처리 과정의 고도처리에 적용되 어 사용되고 있다 (Sawayama et al. 1998; Thakur et al. 1999; Tam et al. 2000). 또한, 최근에는 살조세균에 담체화 기술을 적용하여 효과적인 녹조제어가 가능하다고 보고되었다 (Kang et al. 2007; Kang et al. 2012; Jung et al. 2013). 기존 연구를 통해 저수온기 녹조현상을 제어하기 위해 개발된 NQ 4-6 물 질의 경우, 살조효과 및 수생태계에 미치는 영향도 평가되었 다 (Byun et al. 2015; Joo et al. 2016a). 그러나, NQ 4-6 물질 의 현장 적용시보다 경제적이며 효율적인 제어효과와 다양 한 환경조건의 적용을 위해서는 담체화 기술의 접목이 필요 하다고 판단하였다.

    따라서, 두 종류의 기질을 이용하여 담체화 기술을 접목 하였다. 먼저, PLA는 빠른 시간에 자연적으로 분해될 수 있 는 식물유래 생분해성 고분자로서 친환경 청정소재로 주목 받고 있다 (Kim et al. 2000; Sang et al. 2004). 또한, 생명의 학 분야에서 많은 관심을 받고 있을 뿐만 아니라 이외에 많 은 분야에서 다양하게 활용되고 있다 (Drumright et al. 2000; Tang and Gibson 2007). 다음으로 agar는 식품안정제, 종이, 의약품, 화장품원료, 윤활제 등의 공업적 목적으로 현재까 지 사용되어 왔으며 최근에는 바이오 연료 자원으로 주목 받고 있는 다당류이다 (Cha et al. 2009). 상기 두 성분은 현 재 다양한 분야에서 사용되고 있으며 자연친화적인 기질로 서 사용이 가능할 것이라 판단하였다. 기존 연구를 바탕으로 적용하고자 하는 수계의 유량에 맞게 NQ 4-6 물질을 1 μM 로 PLA와 Agar에 담지하여 10 ton 규모의 mesocosm에 적 용한 결과, 실험실 내 실험과 동일한 결과로서 대상 규조류 S. hantzschii 종만을 제어하는 것을 확인하였다. 기존 연구결 과에 따르면 NQ 4-6 물질은 1 μM의 농도에서 S. hantzschii 종을 90% 이상 제거 가능하다고 보고되었다 (Byun et al. 2015; Joo et al. 2016a). 그러나, PLA와 agar에 NQ 4-6 물질 을 담지시킨 담체의 mesocosm 적용 실험에서는 10일 경과 78.8%, 77.1%의 살조효과가 관찰되었다 (Fig. 4). NQ 4-6 물 질만 접종하였을 때보다는 살조효과가 다소 낮게 관찰되었 지만 현장에서의 S. hantzschii 종에 대한 살조효과는 충분히 입증되었다고 판단된다. 담체 내 담지시키는 물질의 농도와 담체의 크기 등에 대한 연구가 추가적으로 수행된다면 살조 효과 역시 개선이 될 것이라 판단된다.

    PLA, agar에 담체화된 NQ 4-6 물질의 10 ton 규모의 mesocosm 내 적용 후 수생태계에 미치는 영향을 평가하기 위하 여 다양한 요인의 변화를 모니터링한 결과, 박테리아, HNFs, 식물플랑크톤, 섬모충, 동물플랑크톤의 생물학적 요인은 대 조구 대비 큰 차이가 관찰되지 않았다 (Figs. 5-7). 환경요인 역시 용존산소, 탁도, 영양염 중 인산염 인 (PO4-P)을 제외하 고 대조구와 PLA, agar 담체 처리구에서 모두 큰 차이 없이 유사한 경향이 관찰되었다. 용존산소의 경우, PLA, agar 담체 처리구에서 5일 이후 대조구 대비 낮은 농도가 유지되었다 (Fig. 5b). 이러한 결과는 우점했던 S. hantzschii 종이 담체로 부터 NQ 4-6 물질이 용출되어 사멸됨에 따라 발생하는 용존 유기물질 (dissolved organic matter)과 박테리아 활성에 따라 낮게 관찰된 것으로 판단된다 (Jung et al. 2008, 2009; Baek et al. 2013; Joo et al. 2016a). 탁도의 경우, 대조구에서는 실 험기간 동안 22 NTU 이상 유지되었으나, PLA, agar 담체 처 리구에서는 6일 이후 감소하였다 (Fig. 5e). 이러한 결과는 NQ 4-6 물질이 담지된 PLA, agar 담체에 의해 S. hantzschii 현존량이 급감하면서 낮은 mesocosm 내 탁도가 개선된 것 으로 사료된다. 또한, 영양염 중에 인산염 인 (PO4-P)은 4일 이후 대조구 대비 PLA, agar 담체 처리구에서 높게 측정되 었다. 이는 NQ 4-6 물질에 의해 우점종이었던 대상 규조류 S. hantzschii 사멸에 의하여 세포로부터 용출되는 영양염에 의해 일시적으로 높은 농도가 측정된 것으로 판단되나 현장 에서의 변화 가능한 범위 내에서의 유동적인 변화로서 생 태계 미치는 영향은 없을 것이라 판단된다. 아질산성 질소 (NO2-N), 질산성 질소 (NO3-N), 암모니아성 질소 (NH4-N), 규산 규소 (SiO2-Si)의 경우 대조구와 처리구 모두 유사한 경 향이 관찰되었다. 이러한 결과는, 기존의 살조제, 응집제 등의 현장 적용 후 영양염 재 용출에 의한 부영양화 촉진의 문제 점이 (Hickey and Gibbs 2009) 발생하지 않는 물질로서 생태 계 교란을 최소화한 기술로 사용이 가능할 것으로 판단된다.

    기존에 개발된 살조제, 응집제 등의 경우, 일시적 혹은 단 기간의 효과만 거둘 수 있고, 장기간 제어효과를 지속하기 어렵기 때문에 2차, 3차 추가적 살포로 인한 비경제성의 문 제가 발생하였다. 또한, 유해 조류가 대발생한 수계에 대한 제어 방안으로는 일정 단계까지 진행된 후 방제를 시작하는 것이 일반적이며, 매년 주기적으로 발생하는 지역에 예방을 위해서 적용하기 위한 기술은 전무한 실정이다. 이러한 방안 은 유해 조류가 일정 수준의 세포수가 되어야 하기 때문에 방제시 상대적으로 많은 비용과 시간이 필요하다. 따라서, 유해 조류 대발생의 제어가 가능한 물질을 매년 주기적으로 유해조류가 발생하는 수계에 시기에 맞게 투여함으로써 피 해를 사전 예방할 수 있는 기술에 대한 필요성이 절실히 요 구되고 있다. 더 나아가, 폐쇄 수역뿐 아니라 유속이 존재하 는 수계에 안정적으로 적용되어, 기존의 조류제어제의 효율 성을 높임으로써 물질 희석에 의한 효과 감소를 줄이고, 장 기적인 조류제어 효과를 달성하기 위한 기술개발이 요구되 고 있다. 특히, 일회성 조류 제어제 사용이 아닌, 수거 후 재 활용이 가능한 경제적이고 친환경적인 조류 제어제 담체화 기술이 요구되고 있다. 본 연구에서 사용한 NQ 4-6 물질도 조류 발생 후 방제의 목적으로 개발되었으며, 기존 연구를 통해 S. hantzschii 종에 대하여 높은 살조효과와 선택적인 제어, 낮은 독성 등의 기능으로 높은 현장 적용 가능성을 갖 는다고 보고되었다 (Joo et al. 2016a). 추가적으로 본 연구를 통해 개발된 PLA, agar 담체의 경우 일정 농도의 물질이 지 속적으로 수계 내 용출이 되는 방식의 기술이다. 즉, 조류가 발생하기 전의 시기에 살조물질이 담지된 PLA, agar 담체를 발생 예상 수계에 적용해 놓는다면 물질의 지속적인 용출에 의해 발생을 사전에 막을 수 있는 예방 기술로서 사용이 가 능할 것으로 판단된다. 더구나, PLA, agar 담체의 경우 유해 물질의 배출이 적고, 생분해가 가능한 물질이므로 2차 오염 의 위험성이 없고, 수생생물의 성분으로 자연친화적으로 사 용이 가능할 것이다.

    결 론

    겨울철 유해 조류 S. hantzschii 종의 발생에 의한 피해를 막고자 개발된 NQ 4-6 물질은 1 μM 농도에서 대상 종인 S. hantzschii에 대하여 >90%의 높은 살조효과를 나타냈다. NQ 4-6은 분말 또는 액상 형태의 물질로서 현장 적용시 수 계의 규모와 수심 등의 환경적 특징에 따른 적용의 어려움, 물질 희석에 의한 효과 감소를 사전에 해결하고자 담체화 기 술을 접목하였다. NQ 4-6 물질이 담지된 PLA, agar 담체를 이용한 10 ton 규모의 mesocosm 결과, 78.8% 77.1%의 높은 살조효과를 관찰할 수 있었다. 높은 살조효과 뿐만 아니라, 다른 물리·화학·생물학적 요인에 미치는 영향이 없음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구를 통해 개발된 NQ 4-6 물 질이 담지된 PLA, agar 담체는 다양한 조건의 현장에서 S. hantzschii 종에 대한 방제와 발생을 사전에 막을 수 있는 예 방 기술로서 사용이 가능할 것이다.

    사 사

    본 연구는 한강수계관리위원회의 환경기초조사사업 (유해 남조류의 Ecotype (생태형) 판별을 통한 녹조 발생의 근원지 규명 및 소멸 시기 예측 기법 연구)의 지원으로 이루어졌습 니다. 본 연구에 사용된 물질을 합성해주신 한양대학교 화학 과 조천규 교수님과 PLA 담체를 제작해주신 한양대학교 유 기나노공학과 김성훈 교수님께 깊은 감사의 뜻을 전합니다.

    Figure

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    Common chemical structure of naphthoquinone 4-6 derivate.

    KJEB-34-281_F2.gif

    Experimental site (35°14′25.62″N and 128°59′47.95″E) and water sampling site along the Nakdonggang River in Busan, South Korea.

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    Schematic diagrams of 10 ton scale mesocosm in Nakdonggang River in Busan, South Korea.

    KJEB-34-281_F4.gif

    Abundance and composition of phytoplankton and chlorophyll- a in (a) control, (b) PLA treatment and (c) Agar treatment during the 10 ton scale mesocosm.

    KJEB-34-281_F5.gif

    Physiochemical parameters including (a) water temperature, (b) dissolved oxygen (DO), (c) pH, (d) conductivity and (e) turbidity in control and PLA, Agar treatment in 10 ton scale mesocosm.

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    Nutrient parameters including (a) Phosphate: PO4-P, (b) Silicate: SiO2-Si, (c) Nitrite: NO2-N, (d) Nitrate: NO3-N and (e) Ammonium: NH4-N of control and PLA. Agar treatment in 10 ton scale mesocosm.

    KJEB-34-281_F7.gif

    Abundance of (a) bacteria, (b) heterotrophic nanoflagellates, (c) phytoplankton, (d) ciliates and (e) zooplankton in control and PLA, Agar treatment during the 10 ton scale mesocosm.

    Table

    Reference

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    Vol. 40 No. 4 (2022.12)

    Journal Abbreviation 'Korean J. Environ. Biol.'
    Frequency quarterly
    Doi Prefix 10.11626/KJEB.
    Year of Launching 1983
    Publisher Korean Society of Environmental Biology
    Indexed/Tracked/Covered By

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