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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Korean J. Environ. Biol. Vol.38 No.1 pp.114-126
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2020.38.1.114

Superiority comparison of biologically derived algicidal substances (naphthoquinone derivative) with other optional agents using microcosm experiments

Jae-Hyoung Joo1,2,†, Bum Soo Park1,3,†, Sae Hee Kim1, Myung-Soo Han1,*
1Department of Life Science, Hanyang University, Seoul 04763, Republic of Korea
2Biodiversity Research Team, Nakdonggang National Institute of Biological Resources (NNIBR), Sangju 37242, Republic of Korea
3Marine Ecosystem Research Center, Korea Institute of Ocean Science and Technology (KIOST), Busan 49111, Republic of Korea
†These authors contributed equally as co-first authors.


*Corresponding author Myung-Soo Han Tel. 02-2220-0956 E-mail. hanms@hanyang.ac.kr
31/12/2019 05/03/2020 10/03/2020

Abstract


Bloom-forming toxic cyanobacteria Microcystis spp. are common in the summer season in temperate freshwater ecosystems. Often, it leads to the degradation of water quality and affects the quality of drinking water. In a previous study, NQ (naphthoquinone) compounds were shown to be effective, selective, and ecologically safe algicides for Microcystis spp. blooms. To analyze the superiority of developed NQ derivatives, we conducted a microcosm experiment using clay, which is frequently used in South Korea. Similar to previous studies, the NQ 40 and NQ 2-0 compounds showed high algicidal activities of 99.9% and 99.6%, respectively, on Microcystis spp. at low concentrations (≥1 μM) and enhanced phytoplankton species diversity. However, when treated with clay, a temporary algicidal effect was seen at the beginning of the experiment that gradually increased at the end. In addition, treatment with the NQ compounds did not affect either the abiotic or biological factors, and similar trends were observed with the control. These results showed that the NQ 2-0 compound was more effective, with no ecosystem disturbance, and more economical than the currently used clay. These results suggest that NQ 2-0 compound could be a selective, economically and ecologically safe algicide to mitigate harmful cyanobacterial blooms in the field.


biologically derived substances , naphthoquinone , eco-friendly mitigation , harmful cyanobacteria blooms

Microcosm 실험을 이용한 생물유래 살조물질 Naphthoquinone 유도체의 유해 남조류 제어효과 및 기존물질과의 우수성 비교

주 재형1,2,†, 박 범수1,3,†, 김 세희1, 한 명수1,*
1한양대학교 생명과학과
2국립낙동강생물자원관 다양성연구팀
3한국해양과학기술원 해 양생태연구센터

초록

    Ministry of Environment
    NNIBR202001108

    서 론

    기후변화 현상과 맞물려 갈수기간의 증가, 기온과 수온 의 상승에 따라 유해조류 발생의 빈도 및 기간은 지속적으 로 증가하는 추세이며 앞으로 더 증가할 것이다 (Senhorst and Zwolsman 2005;Bates et al. 2008;Thackeray et al. 2008). 또한, 2012년 경제협력 개발기구 (OECD)가 발표한 ‘2050 환경전망’ 보고서에 따르면 한국은 OECD 회원국 34개국 중 ‘물 스트레스’ 가 높은 국가 중 하나라고 보고하였다. 특 히, 물은 대체재나 보완재가 전혀 없기 때문에 물에 대한 파동은 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 가장 큰 환경 문제가 될 것임이 분명하다. 더구나, 지구 온난화에 의해 앞으로도 지속적인 대기 중 이산화탄소 농도 증가, 수온 상승이 예상되는 바 향후 녹조현상은 더욱 빈번하고 장기 적으로 발생할 것이다.

    현재까지 물리적 (physical), 생물학적 (biological), 화학 적 (chemical) 기술 등을 이용한 다양한 조류 제어 기술 이 개발되었으나, 비 선택적인 제어 효과, 영양염 재용출 (Hickey and Gibbs 2009), 수생생물에 대한 독성 (Lim et al. 2002;Yamamoto et al. 2005;Lurling and Oosterhout 2013) 과 비효율적인 제거 효과 (Schrader et al. 2003;Lee et al. 2013), 수 생태계 2차 교란문제 등이 발생하여 현장적용의 어려움이 발생하고 있다. 다양한 기술 중 살조물질은 조류 대발생의 제어를 위해 개발된 기술 중 현장적용 가능성이 가장 높은 기술로서 국내에서는 황토를 살포하여 제어하 는 기술, 국외에서는 호주에서 개발한 Phoslock® 제품이 상업적으로 다양한 국가에서 사용되고 있다 (Sengco and Anderson 2004; Lürling and Faassen 2012). 그러나, 황토와 Phoslock®은 이미 수생 저서생물에 대한 영향, 수계 영양 염 재발생으로 인한 생태계 교란 (Hickey and Gibbs 2009), 다른 생물에 대한 영향 (Park et al. 2014) 등의 문제점이 발 생하여 수계 영향을 미친다고 보고되었다. 이러한 문제 점을 보완하기 위해 높은 제어효과 (high effectiveness), 낮 은 생태독성 (low toxicity), 높은 경제 효율성 (economic feasibility), 편의성 (convenience)의 조건을 갖춘 살조물질 개발을 위해 다양한 물질을 이용하여 지속적인 연구가 수 행중이다. 이런 조건을 만족하는 물질로서 생물유래 물질 (Biologically derived substances, BDSs)은 인간과 수생생 물에 대하여 무/저독성의 효과 때문에 식물플랑크톤 제 어를 위한 물질로 각광받고 있다 (Shao et al. 2013;Joo et al. 2017b)

    Naphthoquinone (NQ) 물질은 생물유래 물질로서 다양 한 식물 (plants), 균류 (fungi), 미생물 (microorganisms)의 2 차 대사산물로서 자연계에 많이 존재하는 물질이다. 특히, NQ 계열 물질은 Droseraceae, Juglandaceae, Nepenthaceae, Plumbaginaceae 등의 유관속 식물 (vascular plant)에 속하 는 식물에 많이 존재하며 (Binder et al. 1989;Crouch et al. 1990;Lin et al. 2003), 비타민 (vitamin) K1, K2의 구조와 유 사하여 (Shukla et al. 2007) 다양한 의약품의 기초 물질로 서 연구가 수행되었다. 또한, NQ 계열의 물질은 식물플랑 크톤의 광합성 체계 (photosynthetic system)의 Q site를 교 란한다고 보고되었다 (Oettmeier et al. 1986;Biggins 1990;Jewess et al. 2002;Lee et al. 2018).

    본 연구진과 Byeon (2013)은 이러한 NQ 유도체를 이용 하여 유해 남조류, 규조류 대상으로 선택적 살조효과 평가 부터 test-bed 적용을 통한 생태계 안정성 평가까지 완료하 였다 ( Joo et al. 2016, 2017a, 2017b). 또한, 개발된 물질의 경 제적인 현장적용을 위하여 개량 연구를 수행하여 유해 남 조류 선택적 제어효과, 생태독성, 잔류성에 대한 연구결과 를 바탕으로 최종 물질을 선정하였다. 그러나, 최종적으로 개발 완료된 NQ 2-0이 현재 녹조 제어를 위하여 현장에서 사용되고 있는 기존 녹조 제어 물질과 동일한 조건에서 비 교하였을 때 어떠한 장점을 갖고 있는지 정확히 분석은 이 루어지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 요인이 분 석 가능한 microcosm 실험을 통하여 기 개발된 NQ (NQ 40), 개량화된 NQ (NQ2-0), 그리고 국내에서 가장 빈번하 게 사용되는 황토와의 살조효과 비교와 생물학적, 비생물 학적 요인에 대한 영향을 포함한 모든 요인에 대한 연구 결과를 도출하여 종합적으로 평가 하고자 하였으며, 추가 적으로 다양한 국가에서 녹조제어를 위해 사용되고 있는 Phoslock® 제품의 문헌을 바탕으로 정확한 비교 분석을 통하여 물질의 장단점을 분석하고자 하였다.

    재료 및 방법

    1. Naphthoquinone derivatives (NQ 40, NQ 2-0)와 황토

    NQ 40 물질은 2-(2-Diethyamino-ethylamino)-5,8-dimethoxy-[ 1,4] naphthoquinone 화학명이며, MeOH (30 mL) 중 5,8-Dimethoxynaphthalene-1,4-dione (301 mg, 1.38 mmol) 용액에 N,N-Diethylethylenedimine (293.32 μL, 2.07 mmol)을 첨가하고, 반응물을 상온에서 4시간 동안 교반 하고 감압 하에서 증발시켰다. 조생성물을 칼럼 크로마토 그래피 (hexanes : EtOAc=1 : 4)에 의해 정제하여 생성물을 얻었다. NQ 2-0 물질은 2-((2-(Diethylamino)ethyl)amino) naphthalene-1,4-dione 화학명이며, naphthalen-1,4-dione 158 mg에 메탄올 5 mL를 이용하여 화합물을 제조하였 다. 상온에서 반응 24시간 후, 반응혼합물을 진공 농축 후 flash column chromatography (100% EtOAc)에 의해 정제 하여 화합물을 수득하였다. 합성된 유도체의 구조적 결정 과 정제를 위해 1H NMR (Varian Mercury 400 MHz, Varian Inc., Palo Alto, CA, USA)과 HPLC (high performance liquid chromatography)를 이용하였으며, 유도체의 분자량 측정 을 위해 GC/MS (gas chromatography-mass spectrometry) 를 이용하였다. 본 실험에 사용한 naphthoquinone 유도 체는 한양대학교 화학과 조천규 교수님 연구실과 조선대 학교 응용화학소재공학과 조훈 교수님 연구실에서 합성 하여 제공받았다. NQ 물질의 모체가 되는 화학 구조식은 Fig. 1과 같으며, 실험에 사용한 황토는 700 mesh로 처리된 제품을 구매하여 사용하였다 (Dainsoap Co., Korea).

    2. NQ 2-0, NQ 40, 황토와 비교 분석을 위한 microcosm

    NQ 40 물질과 개량되어 최종 선정된 NQ 2-0 물질, 추가 적으로 국내에서 가장 빈번하게 사용되는 황토와 비교 분 석을 위하여 실험실 내 75 L 규모의 microcosm 실험을 수 행하였다. Microcosm 실험은 매년 녹조가 발생하는 경기 도 용인시 기흥저수지 (37°13ʹ30ʺN, 127°6ʹ10ʺE)에서 채 수하여 실험실로 운반 후 수행하였다. 채수한 현장수는 Microcystis spp.가 8.5×104 cells mL-1로 우점하였으며, 실험 은 20°C, 광도 50 μmol photons m-2 s-1, 12 : 12 cycle (Dark : Light)의 조건에서 1일 순치 후 동일 조건으로 실험을 진 행하였다. NQ 40, NQ 2-0 물질에 대한 microcosm 실험 은 선행 연구 결과를 바탕으로 효과가 입증된 1 μM을 최 종 농도로 접종하였으며, 황토는 기존 연구 결과 (Kim et al. 2006)를 바탕으로 10 g L-1 농도로 접종하였다 (Fig. 2).

    3. Microcosm (75 L) 내 비생물학적 요인 분석

    수온, pH, 전기전도도, 탁도, 용존산소는 portable multiparameter (HORIBA U50, Japan)으로 0, 2, 6, 8, 10, 12, 14, 17, 20일차에 측정하였다. 또한, 샘플링에 앞서 각각의 실 험구에 PVC pipe를 이용하여 수층을 잘 혼합시켜 저층 바 닥에 가라앉은 (bottom-dwelling) 미생물들을 부유시켜 주 었다. 샘플은 접종 당일부터 0, 2, 6, 8, 10, 12, 14, 17, 20일 차까지 각 실험구의 표층수에서 1 L의 polyethylene bottle 로 채수하였다. 염양염 (Nitrite: NO2-N, Nitrate: NO3-N, Ammonium: NH4-N, Phosphate: PO4-P,) 분석을 위해 채 수 일자에 250 mL을 실험구와 대조구에서 각각 채수하여 glass fiber filter (GF/F) (Whatman International, Maidstone, UK)로 여과한 후 산처리된 polyethylene bottle에 50 mL씩 나누어 -70°C deep freezer에 보존하였다. 모든 영양염 분 석은 APHA (2005)에 의거하여 각각 분석하였다.

    4. Microcosm (75 L) 내 생물학적 요인 분석

    박테리아 (bacteria), 종속영양 미소편모류 (heterotrophic nanoflagellates; HNFs), 식물플랑크톤 (phytoplankton) 등 의 세포수를 계수하기 위해 샘플 1 L를 채수하여 산처리 된 300 mL의 polyethylene bottle에 담아 glutaraldehyde (final concentration 2%)로 고정하여 4°C에서 암소 보 관하였다. 박테리아와 HNFs의 경우, 각각 2 mL, 10 mL 을 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 계수하였 다. 대략, >200 cells filter-1 (또는 >10 fields filter-1)의 세 포수를 계수하였다. Nanoflagellates의 경우 flagellate 크 기를 가진 세포이며 red chlorophyll fluorescence (visible chlorophyll)가 관찰되면 HNFs로 간주하였다 (Round et al. 1990). HNFs와 protozooplankton (e.g., ciliates, amoebae) 의 구별은 Patterson (2003)의 방법대로 접안렌즈 내의 calibrated ocular grid를 사용해 크기별로 group화하여 분 별해 주었다. 이 방법으로는 HNFs의 정확한 수를 계수할 수는 없지만, 샘플들 사이의 세포수 변화 경향을 확인할 수 있는 좋은 방법이다. 개별 flagellate의 크기는 calibrated ocular grid를 사용해 측정하였다. 식물플랑크톤의 계수 를 위해 1 mL을 분취해 Sedgwick-Rafter counting chamber (Phyco-Tech Inc., USA)를 사용하여 200 magnification로 IX71 inverted microscope (Olympus, Japan) 하에서 계수하 였다. 대상 조류인 Microcystis spp.의 개체수와 식물플랑크 톤 총 생물량 관찰을 위한 Chlorophyll-a 변화를 측정하 였으며, 접종 전일부터 20일까지 변화를 관찰하였다. 식 물플랑크톤의 동정은 광학현미경 (Olympus IX71, Japan) 의 200~400 magnification에서 Sedgwick-Rafter Chamber (PhytoTech Inc., USA)를 이용하여 종 수준까지 동정하였 고, 동일 속에서 뚜렷한 식별 형질의 차이를 보이지 않는 종은 미동정종 (sp.)으로 처리하였다.

    5. 식물플랑크톤의 종 다양성 변화

    NQ 2-0, NQ 40, 황토 적용 후 물질에 의한 식물플랑크 톤 군집변화를 관찰하기 위해 종 다양성 지수 (diversity index)를 대조구와 비교 분석하였다. 다양도 지수의 경 우 Margalef (1958)의 정보이론에 의해 유도된 Shannon- Wiever의 식 (Pielou 1969)을 이용하여 산출하였다.

    H ′ = − ∑ i = 1 n P i ln P i
    (Eq. 1)

    상기 식에서 Hʹ: 다양도, N: 전체 종수 및 Pi: i 번째에 속하 는 개체수의 비율을 말하며 (ni/N)으로 계산 (N: 군집 내의 전체 현존량, ni: 각 종의 현존량)하는 것을 의미한다.

    6. 데이터 분석

    NQ 2-0, NQ 40, 황토 살조물질에 의한 살조효과 또는 살조활성 (algicidal activity)은 다음 식으로 계산하였다.

    Algicidal activity (%)= ( 1 − T t C t ) × 100
    (Eq. 2)

    이때 T (처리구)와 C (대조구)는 각각 물질이 접종되었을 때와 접종되지 않았을 때의 조류 세포수이며, t는 처리 기 간 (day)을 의미한다.

    결 과

    1. NQ 2-0, NQ 40, 황토 적용 후 선택적 남조류 제어효과

    기존에 개발된 NQ 40, 개량된 NQ 2-0 물질, 황토의 살 조효과를 비교하기 위하여 현장수를 이용한 75 L 규모 의 microcosm 실험을 수행한 결과, 대조구 내 대상 조류 Microcystis spp.의 경우 실험 초기 1.0×105 cells mL-1에서 10일차까지 점진적으로 증가하여 3.0×105 cells mL-1까 지 증가하였다. 이후 점차 감소하여 실험 종료시인 20일 차에는 실험 시작 밀도와 유사한 2.1×105 cells mL-1까지 감소하였다 (Fig. 3). 그러나, NQ 40, NQ 2-0 물질을 접종 한 처리구는 접종 당일 9.6×104 cells mL-1, 9.7×104 cells mL-1에서 점진적으로 감소하여 실험 종료시인 20일차 에는 5.0×102 cells mL-1, 1.4×102 cells mL-1까지 감소하 였다 (Fig. 3). 그러나, 황토를 접종한 처리구는 접종 직후 6.9×104 cells mL-1로 대조구 대비 세포수가 34.7% 감소 하였다. 일시적인 개체수 감소 후 2.0×104 cells mL-1에서 6.6×104 cells mL-1를 유지하다가 9일 이후 1.0×105 cells mL-1까지 재증가하였다. 실험 종료시인 20일차 NQ 2-0, NQ 40 물질은 대조구 대비 99.9%, 99.6% 살조효과를 관찰 하였으며, 황토는 대조구 대비 53.8% 살조효과를 나타내 었다 (Fig. 3).

    식물플랑크톤 생물량 변화 관찰을 위해 Chlorophyll-a 분석 결과, 대조구는 접종 당일 150.1±5.6 μg L-1에서 5 일차 190.3±6.2 μg L-1까지 증가하였다. 이후 점진적으 로 20일차 74.5±8.4 μg L-1까지 감소하였다. NQ 40, NQ 2-0 물질을 접종한 처리구는 유사한 경향으로 접종 당일 143.8±1.7 μg L-1, 153.5±7.0 μg L-1으로 측정되었으나, 이 후 지속적으로 감소하여 NQ 40 처리구는 10일차 10.8± 0.9 μg L-1, NQ 2-0 처리구는 9일차 2.6±6.0 μg L-1까지 감 소하였다. 황토를 접종한 처리구는 접종 직후 120.8±21.1 μg L-1, 1일차 29.4±12.1 μg L-1까지 감소한 후 다시 증가하 는 경향을 보였으며, 20일차 68.9±24.1 μg L-1까지 재증가 하였다 (Fig. 4).

    2. 살조물질 적용 후 생태계 모니터링

    대상 조류 Microcystis spp.에 대하여 살조효과가 입증된 NQ 40, NQ 2-0, 황토 물질의 수 생태계 미치는 영향을 평 가하고자 microcosm 내 실험을 통하여 비생물학적 요인과 생물학적 요인을 모니터링하여 분석하였다.

    1) 비생물학적 요인에 대한 영향

    Microcosm 내 NQ 40, NQ 2-0, 황토 접종 후 수온 변화 를 관찰한 결과, 모든 실험구에서 실험 초기부터 종료시까 지 19.8°C에서 22.0°C를 유지하였으며, 실험구별 차이는 없었다 (Fig. 5a). 용존산소의 경우, 대조구 실험초기 7.7± 0.2 mg L-1에서 점진적으로 증가하여 12일차까지 9.3± 0.3 mg L-1을 유지하였으나, 이후 감소하여 종료시인 20일 차에는 5.6±0.04 mg L-1까지 감소하였다. NQ 40, NQ 2-0 물질을 접종한 처리구는 초기 각 7.0±0.2 mg L-1, 7.0±0.1 mg L-1의 농도에서 점진적으로 감소하여 NQ 40 처리구 10일차 4.7±0.04 mg L-1, NQ 2-0 처리구 14일차 4.4±0.4 mg L-1까지 감소 후 소폭 증가하였다. 황토 처리구는 실험 초기 7.5±0.6 mg L-1에서 큰 변화없이 유지되었으며, 20일 차 6.2±0.5 mg L-1으로 소폭 감소하였다 (Fig. 5b). pH의 경 우, 실험기간 동안 대조구는 8.2±0.1에서 9.6±0.1 사이로 유지되었으나, NQ 40, NQ 2-0 물질을 접종한 처리구는 실 험초기 각각 9.0±0.07, 9.2±0.06에서 접종 1일차 이후부 터 감소하여 20일차 7.9±0.07, 7.7±0.02로 낮게 유지되었 다. 황토를 접종한 처리구의 경우, 접종 당일 대조구보다 다소 낮은 8.7±0.06에서 실험기간 동안 큰 변화없이 유 지되었으며 종료시 7.9±0.06으로 관찰되었다 (Fig. 5c). 전 기전도도는 실험기간 동안 모든 실험구에서 0.379±0.007 ms cm-1에서 0.385±0.007 ms cm-1 사이로 큰 변화없 이 유지되었다 (Fig. 5d). 탁도의 경우 대조구는 실험 초 기 68.5±0.14 NTU에서 17일까지 지속적으로 증가하여 115.5±3.5 NTU까지 증가한 후 20일차 소폭 감소하여 93.7±5.3 NTU이 관찰되었다. 그러나, NQ 40, NQ 2-0 물 질을 처리한 처리구는 실험 초기 각각 76.4±0.4, 69.1±2.8 NTU가 관찰되었으나 NQ 40 처리구는 9일, NQ 2-0 처리 구는 10일 이후 탁도가 측정되지 않았다. 반면 황토 처리 구는 접종 당일 황토에 의해 845±11.3 NTU까지 측정되 었으나 점진적으로 감소하여 20일차에는 82.4±7.21 NTU 이 관찰되었다 (Fig. 5e).

    Microcosm 실험구 내 영양염 변화를 관찰한 결과, 대조 구 내 인산염인 (PO4-P) 농도는 실험초기 7.0±0 μg L-1에 서 종료시인 20일차까지 큰 변화없이 5.5±0 μg L-1로 관찰 되었다. NQ 40 물질을 접종한 처리구는 초기 대조구와 유 사하게 6.0±0 μg L-1에서 점차 감소하여 20일차 3.5±0.7 μg L-1으로 초기보다 낮게 관찰되었다. NQ 2-0 물질을 접 종한 처리구는 초기 대조구와 동일하게 7.0±0 μg L-1였으 나, 점진적으로 증가하여 20일차 14.0±1.4 μg L-1까지 증 가하였다. 다만, 황토를 접종한 처리구는 접종 직후 3.0± 0 μg L-1에서 종료시인 20일차까지 유사한 농도로 유지되 었다 (Fig. 6a). 아질산성 질소 (NO2-N)의 경우, 대조구는 실험 초기 50.0±0 μg L-1에서 점진적으로 감소하여 종료 시인 20일차에는 1.5±0.7 μg L-1까지 감소하였다. 그러나, NQ 40, NQ 2-0 물질을 접종한 처리구는 38.0±1.4 μg L-1, 39.0±1.4 μg L-1에서 점진적으로 증가하여 20일차 75.5± 2.1 μg L-1, 89.5±30.4 μg L-1까지 증가하였다. 황토를 접종 한 처리구는 초기 48.0±1.4 μg L-1에서 점진적으로 감소 하여 20일차 15.0±0 μg L-1까지 감소하였다 (Fig. 6b). 질 산성 질소 (NO3-N)의 경우, 대조구는 초기 1,113.0±97.5 μg L-1의 농도에서 급격히 감소하여 8일차 이후에는 검출 되지 않았다. NQ 40, NQ 2-0 물질을 접종한 처리구는 실 험 초기 각각 884.0±50.9 μg L-1, 1,045.0±120.2 μg L-1 농 도에서 실험기간 동안 유지되어 20일차 929±42.4 μg L-1, 1,306.0±114.5 μg L-1으로 큰 변화가 관찰되지 않았다. 황 토를 접종한 처리구는 대조구와 유사한 경향이 관찰되었 다. 초기 1,169.5±19.0 μg L-1에서 점진적으로 감소하여 20 일차 185.0±0 μg L-1까지 감소하였다 (Fig. 6c). 암모니아 성 질소 (NH4-N)의 경우, 대조구와 황토를 접종한 처리구 는 유사한 경향으로 실험초기 44.0±4.2 μg L-1, 64.5±4.9 μg L-1로 각각 측정되었으며, 20일차 40.5±10.6 μg L-1, 59.5±12.0 μg L-1 농도로 큰 변화없이 유지되었다. 그러나, NQ 40, NQ 2-0 물질을 접종한 처리구는 실험 초기 45.5± 0.7 μg L-1, 11.5±2.1 μg L-1에서 점진적으로 증가하여 NQ 40 처리구는 10일차 305.5±14.8 μg L-1, NQ 2-0 처리구는 17일차 417.5±106.7 μg L-1까지 증가 후 다시 감소하는 경 향이 관찰되었다 (Fig. 6d). 실험기간 동안 전반적으로 대조 구와 황토를 접종한 처리구에서 NQ 2-0, NQ 40 처리구보 다 낮은 영양염이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.

    2) 생물학적 요인에 대한 영향

    NQ 40, NQ 2-0, 황토 접종 후 생태계 미치는 영향을 평 가하기 위해 생물학적 요인으로 박테리아, HNFs 식물플랑 크톤, 섬모충 변화를 분석하였다. 대조구 내 박테리아의 경 우, 실험 초기 1.4×106 cells mL-1에서 소폭 감소하여 실험 종료시인 20일차 5.4×105 cells mL-1까지 감소하였다 (Fig. 7). NQ 40, NQ 2-0을 접종한 처리구는 유사한 경향으로 실험 초기 각각 1.3×106 cells mL-1, 1.5×106 cells mL-1 밀 도에서 2일차 4.1×105 cells mL-1, 3.2×105 cells mL-1로 감 소한 후 20일차에는 4.9×105 cells mL-1, 5.2×105 cells mL-1 의 밀도로 유지되었다. 반면, 황토를 접종한 처리구는 접 종 당일 2.5×105 cells mL-1 밀도로 대조구 대비 낮게 관찰 되었으며 이후 실험기간 동안 계속 낮게 유지되었다 (20일 차 4.5×105 cells mL-1) (Fig. 7). HNFs의 경우, 접종 당일 대 조구, NQ 40, NQ 2-0 물질을 접종한 처리구는 각각 (1.4± 0.1)×104 cells mL-1, (1.1±0.2)×104 cells mL-1, (1.3± 0)×104 cells mL-1으로 유사하였으나, 황토를 접종한 처리 구는 (0.2±0)×104 cells mL-1으로 낮게 관찰되었다. 그러 나, 이후 2일차부터 실험 종료시인 20일차까지 1.0×104 cells mL-1에서 1.6×104 cells mL-1 사이의 밀도로 큰 변화 없이 유지되었다 (Fig. 7).

    식물플랑크톤 종조성 변화를 관찰한 결과, 대조구는 Microcystis spp.가 실험 종료시인 20일차까지 99% 이상 지 속적으로 우점하였다. 반면, NQ 40, NQ 2-0 물질을 접종 한 처리구는 우점종이었던 Microcystis spp. 개체수가 1일부 터 감소하기 시작하여 20일차 NQ 40 처리구는 Nitzschia palea (44.1%), Scenedesmus quadricauda (12.2%)이 우점하 였으며, NQ 2-0 처리구는 Nitzschia palea (26.8%), Fragilaria crotonensis (24.8%), Scenedesmus quadricauda (29.5%) 종이 우점하였다. 황토를 접종한 처리구 역시 대조구와 유사 하게 Microcystis spp.가 실험 종료시인 20일차까지 99% 이 상 지속적으로 우점하였다 (Fig. 8). 종조성 결과를 바탕으 로 종다양성 지수 (Shannon-Wiener index)를 산출한 결과, 대조구는 Microcystis spp.가 지속적으로 우점함에 따라 실 험기간 동안 지속적으로 낮게 관찰되었다 (0일: 0.012, 20 일: 0.009). 그러나, NQ 40, NQ 2-0 처리구는 접종 당일 각 각 0.012, 0.008 였던 종다양성 지수가 12일차 1.638, 0.982 까지 증가하였으며, 20일차에는 1.830, 1.731까지 증가하 였다. 황토를 처리한 실험구는 대조구와 유사하게 실험 기간 동안 지속적으로 낮게 관찰되었다 (0일: 0.002, 20일: 0.018) (Fig. 8).

    섬모충의 경우, 실험 초기 대조구는 12 cells mL-1 밀도에 서 종료시인 20일차에는 14 cells mL-1로 변화없이 유지되 었다. NQ 40, NQ 2-0 물질 처리구는 유사한 경향으로 NQ 40 처리구는 8일차 39 cells mL-1, NQ 2-0 처리구는 10일차 29 cells mL-1로 가장 높은 밀도를 나타내었으며 이후 다시 감소하는 경향으로 관찰되었다. 그러나, 황토를 접종한 처 리구는 다른 실험구와 비교했을 때 접종 당일부터 종료시 까지 다른 상대적으로 낮은 세포수가 관찰되었다. 종조성 의 경우, 대조구는 실험 초기 Halteria sp. 종이 우점하였으 나, 점차 Tachysoma sp. 종이 우점하였다. NQ 2-0, NQ 40 처 리구는 Tachysoma sp. 종이 우점하였으며 이후 전체적으로 감소하는 경향을 나타내었다 (Fig. 9).

    고 찰

    녹조현상을 제어하는 방법으로 기계적 수거, 초음파, 전기분해 등의 물리학적 제어방법, 응집 및 침전제, 산화 제 등의 화학적 제어방법, 생물에 의한 유기물 산화에 의 한 분해, 섭식하여 제거하는 미생물과 어패류를 인위적으 로 투여하여 제거하는 생물학적 제어방법이 있다 (Sigee et al. 1999;Gumbo et al. 2008;Foflonker 2009;Han et al. 2018). 그러나, 다양한 기술 중에 높은 살조효과, 빠른 제 어효율, 편의성 등의 장점으로 살조제, 응집제와 같은 화 학적 제어방법이 현장적용 가능성이 가장 높다고 평가되 고 있다. 그러나, 일부 살조제는 현장에서 희석효과에 의 한 살조효과의 감소, 일시적으로 높은 살조물질의 노출에 의한 독성현상을 발생시키는 등의 문제점이 발생할 가능 성이 있다. 뿐만 아니라, 적용 수계의 지형적 특성, 기후, 수 심 등 다양한 환경조건에서의 적용시 동일한 효과를 관찰 하기 어려운 경우가 발생하였다. 본 연구는 식물 (Diospyros ebenum, Impatiens balsamina etc.) 및 미생물 (Streptococcus faecalis etc.) 내 존재하는 천연물로서, 다양한 기능을 갖 고 있어 의약품 (medical supplies), 제초제 (herbicide), 살균 제 (antimicrobial agent) (O’Brien 1991;Monks et al. 1992;Schrader et al. 2003;Dong et al. 2009) 등으로 사용되고 있 는 물질인 Naphthoquinone 유도체를 개발하여 실험실 내 효능부터 test-bed 적용까지 완료하였다. 따라서, 본 연구 에서는 NQ 40으로부터 개량된 NQ 2-0과 황토와의 비교 분석하고자 하였다. 그 결과, 앞선 실험실 내 실험과 현장 에서의 실험결과와 동일하게 NQ 40, NQ 2-0 물질을 접 종한 처리구는 5일차 90% 이상의 높은 살조효과를 관찰 할 수 있었다 (Figs. 3, 7). 이러한 결과는 높은 살조효과의 재현성이 입증되는 결과로서, NQ를 이용한 녹조제어 기 술은 현장에서의 다양한 환경 조건에서도 동일한 결과 를 나타낼 수 있는 물질로 사용이 가능할 것이라 판단된 다. 또한, 개량화된 NQ 2-0 물질의 경우, 합성단계의 개량 후에도 NQ 40 물질과 동일한 효과를 나타냄으로써 경제 성이 개선된 물질로 현장에서 효율적으로 사용이 가능할 것이다. 현재 국내에서 가장 빈번하게 사용되고 있는 황 토와 비교해 보았을 때, 황토는 접종 당일 응집의 기능으 로 NQ 40, NQ 2-0에 비하여 빠른 살조효과가 관찰되었지 만 초기의 Microcystis spp. 제어 이후 재증가하는 경향을 보 였다 (Fig. 7). 비록 NQ 2-0, NQ 40 물질이 실험 초기 황토 에 비하여 낮은 살조효과를 보였을지 모르나, 황토와는 다 르게 NQ 2-0, NQ 40 물질을 접종한 처리구는 지속적으로 Microcystis spp. 종이 감소하여 완전히 제거되었다 (Fig. 7). 뿐만 아니라, 기존 연구와 동일하게 황토를 처리한 처리구 는 대상 조류인 Microcystis spp. 종을 포함한 모든 식물플랑 크톤에게 영향 (Koss and Syyder 2005;Gumbo et al. 2010) 을 주면서 실험 종료 시까지 다른 조류의 성장은 나타나지 않았다. 그러나, NQ 2-0, NQ 40 물질을 접종한 처리구는 Microcystis spp. 종만을 선택적으로 제어함에 따라 Nitzschia palea, Flagilaria crotonensis, Scenedesmus quadricauda와 같은 다른 조류의 성장이 관찰되었으며, 종 다양성 지수 또한 증가하였다 (Fig. 7). 앞선 연구 결과 ( Joo et al. 2016a)와 동 일한 결과로서, 유해 조류 Microcystis spp. 만을 선택적으로 제어함으로써 다양한 식물플랑크톤이 존재하는 수계에서 핵심종 (keystone species)였던 Microcystis spp. 종만을 제어 하여 식물플랑크톤의 종간경쟁 (interspecific competition) 에서 뒤쳐져 있던 다양한 식물플랑크톤이 성장이 가능 한 환경을 제공하였고, Scenedesmus sp., Stephanodiscus hantzschii 등의 다른 조류의 성장을 가능하게 하였다. 이러 한 다른 조류의 성장으로 인해 수 생태계 건강성 지표인 생물 종 다양성 지수 (Shannon-Wiener diversity index)도 높아짐을 확인하였다 (Fig. 7). 종 다양성 지수의 증진 결과 는 단순한 조류제어뿐만 아니라, 수 생태계의 건강성이 복 원 및 증진된 것을 확인할 수 있는 결과로서, NQ 2-0 물질 의 적용은 남조류 제어와 더불어 수계에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 사료된다.

    또한, NQ 40, NQ 2-0을 접종한 처리구는 생물학적, 비생 물학적 요인에 대하여 영향이 없었으나, 황토를 처리했을 때는 접종 당일 800 NTU 이상의 탁수로 변화되었으며, 이 후 지속적으로 높은 탁도가 관찰되었다. 뿐만 아니라, 섬 모충의 개체수가 실험기간 동안 대조구와 NQ 40, NQ 2-0 을 접종한 처리구보다 현저히 낮은 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 8). 이러한 결과는 기존에 보고된 황토의 다른 생물 에 대한 영향과 동일한 결과로서 본 실험에서도 황토가 모 든 수생생물에 영향을 미치는 것을 확인하였다 (Park et al. 2014). 또한, 인산염인 (PO4-P), 아질산성 질소 (NO2-N), 질 산성 질소 (NO3-N), 암모니아성 질소 (NH4-N)을 포함한 모든 영양염에서 황토를 접종한 처리구는 다른 실험구에 비해 낮게 유지되는 것을 관찰하였다. 이러한 결과는 기존 의 연구 결과와 유사한 결과로서 황토는 식물플랑크톤뿐 만 아니라 영양염을 흡착시키는 기능을 갖고 있어 이러한 결과가 관찰된 것으로 판단된다 (Ryoo and Choi 2012). 그 러나, NQ 40, NQ 2-0 물질을 접종한 처리구는 대조구, 황 토 처리구보다 높은 영얌염이 유지되는 것을 관찰되었다 (Fig. 6). 이 결과 역시, 선행 연구와 유사한 연구 결과로 높 은 밀도로 존재하던 Microcystis spp. 종이 NQ 2-0에 의해 사 멸함에 따라 영양염이 용출된 것으로 판단된다. 이는 NQ 물질에 의해 우점종이었던 대상 남조류 Microcystis spp. 사 멸에 의하여 세포로부터 용출되는 영양염에 의해 일시적 으로 높은 농도가 측정된 것으로 판단되나 현장에서의 변 화 가능한 범위 내에서의 유동적인 변화로서 생태계 미치 는 영향은 없을 것이라 판단된다. 기존의 살조제, 응집제 등의 현장 적용 후 영양염 재 용출에 의한 부영양화 촉진 의 문제점이 (Hickey and Gibbs 2009) 발생하지 않는 물질 로서 생태계 교란을 최소화한 기술로 사용이 가능할 것으 로 판단된다. 더구나, 황토는 일시적 혹은 단기간의 효과만 거둘 수 있고, 장기간 제어효과를 지속하기 어렵기 때문에 2차, 3차 추가적 살포로 인한 비경제성의 문제가 발생하였 다. 최종 선정된 NQ 2-0 물질은 경제적으로 적용이 가능하 며, 1회 적용으로 장기간 녹조제어가 가능한 물질로서 경 제적이며 효과적인 살조물질로 사용이 가능할 것이다.

    NQ계열 물질과 황토의 microcosm 실험을 통한 다양한 요인의 결과와 추가적으로 현재 다양한 국가에서 사용되 고 있는 Phoslock® 물질의 기존 연구를 바탕으로 비교 분 석한 결과, 유해 남조류에만 선택적으로 작용하는 NQ 40, NQ 2-0과 다르게 황토와 phoslock®은 모든 식물플랑크톤 의 성장에 영향을 미쳤으며, 90% 이상의 살조효과를 보인 NQ 2-0, NQ 40 물질이 비하여 황토와 phoslock®은 살조 효과가 30~60%, >70%로 상대적으로 낮았다 (Hickey and Gibbs 2009). 또한, 수 생태계 건강성을 표현할 수 있는 종 다양성 지수 측정결과 NQ 40, NQ 2-0 처리구는 Microcystis spp. 종이 감소함에 따라 식물플랑크톤의 종 다양성 지수 가 증진하였으나, 황토 처리구는 실험기간 동안 Microcystis spp. 종이 지속적으로 우점함에 따라 종 다양성 지수가 유 지되었다 (Fig. 7). 이러한 결과는 단순한 녹조제어 효과뿐 만 아니라 수 생태계 건강성이 증진된 것임을 알 수 있는 결과이다. 더불어, 황토와 phoslock® 물질은 녹조제어 시 현장에서 사용하는 농도에서 생태독성이 관찰될 가능성 이 높으며, 분해되지 않고 저질층에 축적 (sedimentation) 되었다. 이러한 저질층 내 농축은 수 생태계 2차 교란 혹 은 잠재적인 독성의 문제점을 유발할 가능성이 존재한다. 이와 같이 현재 사용되고 있는 녹조제어 물질과 비교했을 때, NQ를 이용한 녹조제어는 높은 살조효과, 저독성, 생태 계 교란 없이 적용이 가능한 물질이라고 판단된다. 무엇보 다도, 경제적인 측면에서 최종적으로 개량된 NQ 2-0은 가 장 저렴한 황토보다 더 경제적으로 적용이 가능하며, 상대 적으로 많은 양이 투입되는 황토, phoslock®와 비교했을 때 추가적으로 발생하는 수송비, 인건비 등을 고려하면 보 다 경제적으로 적용이 가능할 기술이라고 판단된다.

    본 연구 결과, 여름철 유해 남조류 Microcystis 종의 발생 에 의한 피해를 막고자 개발된 NQ 유도체 물질은 1 μM의 저농도에서도 현재 녹조 방제를 위해 사용 중인 황토에 비 해 >90%의 높은 살조효과를 나타냈다. 또한, 비 선택적 인 제어에 의해 생태계 교란의 문제점이 확인된 황토에 비 해 최종 선정된 NQ 물질은 선택적 제어효과가 관찰되었 으며, 다른 물리·화학·생물학적 요인에 미치는 영향이 적 음이 확인되었다. 더구나, 경제성 확보를 위해 합성 단계의 개량 후에도 동일한 제어효과를 보였으며, 분말 또는 액상 형태의 물질로서 현장적용 시 수계의 규모와 수심 등의 환 경적 특징에 따른 적용의 어려움 등의 문제점을 극복한 물 질로 친환경적으로 현장에서 사용이 가능할 것이라 판단 된다. 따라서, 본 연구를 통해 개발된 NQ 유도체 물질은 다양한 조건의 현장에서 Microcystis 종에 대한 방제와 발생 을 사전에 막을 수 있는 예방 기술로서 사용이 가능할 것 이다.

    적 요

    유해 남조류 Microcystis 종에 의한 녹조현상은 매년 빈번 하게 일어나며, 이로 인한 수자원의 질적 변화와 먹는 물 확보에 문제가 발생하고 있다. Microcystis 종에 의한 피해 를 막고자 개발된 naphthoquinone (NQ) 유도체 물질의 장 점 분석을 위해 국내에서 빈번히 사용되는 황토를 이용한 microcosm 실험을 하고자 하였다. 그 결과, NQ 40, NQ 2-0 물질은 선행 연구 결과와 동일하게 유해 남조류 Microcystis 종을 선택적으로 99.9%, 99.6% 제어했으며, 식물플랑크톤 종 다양성을 증진시켰다. 그러나, 황토를 처리한 실험구는 실험 초기 일시적인 조류 제어효과를 보인 후 다시 증가하 였으며, 유용 조류를 포함한 모든 식물플랑크톤에게 적용 되어 다른 조류의 성장은 이루어지지 않았다. 뿐만 아니라, NQ 물질을 처리한 처리구는 비생물학적, 생물학적요인 모두 영향을 미치지 않았으며, 대조구와 유사한 경향이 관 찰되었다. 따라서, 최종적으로 개량된 유해 남조류 제어물 질 NQ 2-0은 높은 살조효과, 선택적 제어효과, 저독성, 자 연분해에 의한 비잔류성 뿐만 아니라, 편의성 및 경제성까 지 갖춘 새로운 살조물질로서 현재까지 개발된 살조물질 보다 현장 생태계 적용에 가장 적합한 친환경 녹조제어 물 질이라고 판단된다.

    사 사

    본 연구는 한강수계관리위원회의 환경기초조사사업 (유 해 남조류의 Ecotype (생태형) 판별을 통한 녹조 발생의 근원지 규명 및 소멸 시기 예측 기법 연구)의 지원과 환경 부의 재원으로 국립낙동강생물자원관의 지원을 받아 수 행하였습니다 (NNIBR202001108). 본 연구에 사용된 NQ 2-0 물질을 합성해주신 한양대학교 화학과 조천규 교수님 과 NQ 40 물질을 합성해주신 조선대학교 응용화학소재공 학과 조훈 교수님께 깊은 감사의 뜻을 전합니다.

    Figure

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    Basic structure of the naphthoquinone derivate.

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    Schematic diagrams of the 75-L scale microcosm experiments.

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    Changes in the Microcystis spp. of the control, NQ 40, NQ 2-0, and clay treatments in the microcosm test.

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    Changes in the chlorophyll -a content of the control, NQ 40, NQ 2-0, and clay treatments in the microcosm test.

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    Changes in the environmental parameters, including (a) water temperature, (b) dissolved oxygen, (c) pH, (d) conductivity, and (e) turbidity of control and treatments in the microcosm experiments.

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    Changes in the nutrient parameters, including (a) phosphate: PO4 -P, (b) nitrite: NO2 -N, (c) nitrate: NO3 -N, and (d) ammonium: NH4 -N of the control and treatments in the microcosm experiments.

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    Abundance of bacteria and heterotrophic nanoflagellates in the control, NQ 40, NQ 2-0, and clay treatments in the microcosm experiments.

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    Abundance of total phytoplankton, Microcystis, and the Shannon-Wiener diversity index in the control, and NQ 40, NQ 2-0, and clay treatments in the 75-L scale microcosm experiment.

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    Abundance of total ciliates in the control, and NQ 40, NQ 2 -0, and clay treatments during the 75-L scale microcosm experiment.

    Table

    Reference

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    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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