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문제 정의
- 본 연구는 영양염이 풍부한 하수처리수를 이용한 인공수로에서 사상성 부착조류의 성장에 미치는 요인들 (유속, 부착기질, 인 농도)을 평가하였다. 실험은 하수처리수를 이용한 현장 인공수로와 실내 순환수로에서 부착조류의 성장실험을 수행하였고, 서로 다른 인 농도에서의 사상성 부착조류 종간의 성장률과 인 흡수율을 비교하였다.
- 본 연구는 영양염이 풍부한 하수처리수에서 발달하는 사상성 부착조류의 성장과 이에 영향을 미치는 요인들을 평가하였다. 연구의 결과는 하수처리수가 방류되는 하천에서의 사상성 부착조류의 발달과 이에 미치는 영향을 평가하고 예측하는데 이용될 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 영양염 농도가 매우 높은 하수처리장 방류수를 도입한 인공수로에서 사상성 부착조류 성장과 유속과 기질과의 관계를 평가하였다. 또한 인 농도에 따른 사상성 부착조류의 성장에 미치는 영향은 실내배양 실험을 통해 평가하였다.
제안 방법
- 0 mg P L-1 로 조절된 배양액 (300 mL)에 첨가하여, 광도 158μmol m-2 s-1, 20℃로 조절된 배양기에서 배양하였다. 2일 간격으로 배양액 20 mL을 추출하여 엽록소 a 농도와 배양액 내의 용존성 무기인 농도를 측정하였다. 실험은 3반복으로 수행되었으며 부착조류의 성장률(Growth rate: μ)은 다음 식에 의해 계산하였다.
- 기질은 50cm 간격으로 유입구 쪽에서 자갈, 자연섬유망, 10mm 철망, 타일 순으로 배열하였다. 순환수로에서 실험수로 사용된 하수처리장 방류수는 실험실로 운반된 후 부유물질을 제거하기 위해 2일 동안 침전시킨 후 200㎛ 망으로 여과 한 후 사용하였다.
- 기질과의 관계를 평가하였다. 또한 인 농도에 따른 사상성 부착조류의 성장에 미치는 영향은 실내배양 실험을 통해 평가하였다.
- 엽록소 a 함량과 조체의 건중량 (dry weight: DW) 을 측정하였다. 분석에 앞서 채취된 조류를 증류수로 수회 세척하였고, 핀셋을 이용하여 조류 이외 다른 이물질을 제거하였다. 건중량은 70℃에서 72시간 건조시킨 후의 무게를 측정하였고 (APHA, 1995), 엽록소 a 농도는 습중량을 측정한 조체의 일부를 100% Methan이에 첨가하여 추출한 후 흡광도를 측정하여 Marker (1972)가 제시한 방법에 따라 계산하였다.
- 사상성 부착조류 성장에 대한 유속의 영향을 평가하기 위해 아크릴로 제작된 인공수로 (폭 20cm ×길이 5m × 높이 30cm, 3조)에 하수처리방류수를 유입시킨 후 유량조절밸브 (유입구)와 수위조절판 (유출구)을 이용하여 유속을 5, 10, 15cm s-1로 조절하였다. 실험에 사용된 기질은 망목이 각각 10 mm인 철망 (1mm wire mesh)을 사용하였고, 수로에 1 m 간격으로 수류에 직각으로 설치하였다 (Fig.
- 사상성 부착조류의 계절에 따른 성장을 비교하기 위하여, 기질에 따른 부착조류 생물량 실험과 함께 계절별로 각 1 회씩 실험을 수행하였다 (2001년 4. 7. 11월, 2002년 3월).
- 순환수로 내에서 사용된 기질은 10mm 철망, 자연섬유망, 타일 그리고 자갈이며, 10 mm 철망과 자연섬유망은 수류에 직각으로 설치하였고, 자갈과 타일은 수로 바닥에 설치하였다. 기질은 50cm 간격으로 유입구 쪽에서 자갈, 자연섬유망, 10mm 철망, 타일 순으로 배열하였다.
- 순환수로에서 실험수로 사용된 하수처리장 방류수는 실험실로 운반된 후 부유물질을 제거하기 위해 2일 동안 침전시킨 후 200㎛ 망으로 여과 한 후 사용하였다. 순환수로에서 사용한 부착조류는 하수처리장 방류구에서 채취한 Oedogonium foveolatum으로 실험에 사용하기 전 증류수로 수회 세척하고 1~3mm 정도로 자른 후 정지된 상태의 순환수로에 2시간동안 방치하여 기질에 자연적으로 부착하도록 하였다. 실험기간 동안 수온은 계속 25℃를 유지하였고, 실험기간 동안 1일 증발되는 시료 양 (약 20L)은 매일 보충해주었다.
- 부착기질, 인 농도)을 평가하였다. 실험은 하수처리수를 이용한 현장 인공수로와 실내 순환수로에서 부착조류의 성장실험을 수행하였고, 서로 다른 인 농도에서의 사상성 부착조류 종간의 성장률과 인 흡수율을 비교하였다. 조절된 유속조건 (5~15cm s-1)에서 사상성 부착조류의 순생산성은 유속이 빠를수록 높았으나 최대의 순생산성은 10cm s-1 유속에서 나타났다.
- 1a). 유입수내 부유물질의 혼입을 최소화하기 위해 방류수를 펌핑하는 유입구 부분에 T자형 PVC 파이프를 설치하고 구경 1 cm로 구멍을 뚫어서 만든 스크린 망을 설치하였다. 현장 인공수로 실험은 2001년 4월과 7월에 각각 14, 10일 동안 수행하였다.
- 인공수로 내 설치된 기질에 사상성 부착조류가 부착하도록 하기 위해서 기질을 설치한 후 하수처리방류수를 수로에 3시간 동안 정체시켰다.
- 자연하천에서 채집한 3종 (Spirogyra turfosa, Oedogonium foveolatum, Rhizoclonium riparium)의 사상성 부착조류를 대상으로 성장률과 인 흡수능을 비교하였다.
- 채집한 부착조류는 인을 제거한 STM 배지 (Table 1)에서 일주일 동안 배양한 후 짧게 잘라 동일한 양을 인 농도가 각각 0.05, 0.1, 0.5, 1.0 mg P L-1 로 조절된 배양액 (300 mL)에 첨가하여, 광도 158μmol m-2 s-1, 20℃로 조절된 배양기에서 배양하였다. 2일 간격으로 배양액 20 mL을 추출하여 엽록소 a 농도와 배양액 내의 용존성 무기인 농도를 측정하였다.
- 철망과 천연섬유망 망목의 2cm × 2cm (4cm2) 면적에 붙어 있는 사상성 부착조류를 가위와 핀셋으로 채취하였고 자갈과 타일은 칫솔을 이용하여 4cm2 면적을 긁어내어 엽록소 a 함량과 조체의 건중량 (dry weight: DW) 을 측정하였다. 분석에 앞서 채취된 조류를 증류수로 수회 세척하였고, 핀셋을 이용하여 조류 이외 다른 이물질을 제거하였다.
대상 데이터
- 기질에 따른 부착조류의 증가율 비교를 위한 실험은 인공수로와 실내에 설치된 아크릴로 제작한 순환수로 (폭 20cm × 길이 3m × 높이 30 cm.2조)(Fig. 1b)에서 수행하였다. 수로 내 유속을 모두 10cm s-1 을 유지하였고, 수로 내 수심을 인공수로는 평균 10~15cm, 순환수로에서는 10cm를 유지하였다.
- 인공수로에서 실험은 2001년 11월과 2002년 3월에 각각 11, 6일 동안 수행하였다. 실험에 사용된 기질은 망목이 각각 10 mm, 20 mm인 철망 (wire mesh)과, 하천수변 또는 절토면 복원에 일반적으로 이용하는 황마재질을 이용하여 제작한 자연섬유망 (natural fiber net: 망목 크기 20 mm) 이며 유속에 따른 생물량 실험과 동일한 방법으로 설치하였다.
- 로 조절하였다. 실험에 사용된 기질은 망목이 각각 10 mm인 철망 (1mm wire mesh)을 사용하였고, 수로에 1 m 간격으로 수류에 직각으로 설치하였다 (Fig. 1a). 유입수내 부유물질의 혼입을 최소화하기 위해 방류수를 펌핑하는 유입구 부분에 T자형 PVC 파이프를 설치하고 구경 1 cm로 구멍을 뚫어서 만든 스크린 망을 설치하였다.
- 현장 인공수로 실험은 2001년 4월과 7월에 각각 14, 10일 동안 수행하였다. 실험에 사용된 사상성 부착조류는 하수처리장 방류구에 서식하는 사상성 부착조류를 이용하였으며, 실험기간 동안 주요 우점종은 Oedogonium foveolatum이었다 (상대풍부도 90% 이상).
- 수로 내 유속을 모두 10cm s-1 을 유지하였고, 수로 내 수심을 인공수로는 평균 10~15cm, 순환수로에서는 10cm를 유지하였다. 인공수로에서 실험은 2001년 11월과 2002년 3월에 각각 11, 6일 동안 수행하였다. 실험에 사용된 기질은 망목이 각각 10 mm, 20 mm인 철망 (wire mesh)과, 하천수변 또는 절토면 복원에 일반적으로 이용하는 황마재질을 이용하여 제작한 자연섬유망 (natural fiber net: 망목 크기 20 mm) 이며 유속에 따른 생물량 실험과 동일한 방법으로 설치하였다.
- 유입수내 부유물질의 혼입을 최소화하기 위해 방류수를 펌핑하는 유입구 부분에 T자형 PVC 파이프를 설치하고 구경 1 cm로 구멍을 뚫어서 만든 스크린 망을 설치하였다. 현장 인공수로 실험은 2001년 4월과 7월에 각각 14, 10일 동안 수행하였다. 실험에 사용된 사상성 부착조류는 하수처리장 방류구에 서식하는 사상성 부착조류를 이용하였으며, 실험기간 동안 주요 우점종은 Oedogonium foveolatum이었다 (상대풍부도 90% 이상).
이론/모형
- 분석에 앞서 채취된 조류를 증류수로 수회 세척하였고, 핀셋을 이용하여 조류 이외 다른 이물질을 제거하였다. 건중량은 70℃에서 72시간 건조시킨 후의 무게를 측정하였고 (APHA, 1995), 엽록소 a 농도는 습중량을 측정한 조체의 일부를 100% Methan이에 첨가하여 추출한 후 흡광도를 측정하여 Marker (1972)가 제시한 방법에 따라 계산하였다. 건중량과 엽록소 a 농도는 시료가 채취된 단위면적과 분석에 사용된 양을 고려하여 단위면적당 함량으로 환산하였다.
- 방류수의 암모니아성 질소 (NH3-N)와 질산성질소의 농도 (NO3-N)는 Phenate 법과 카드뮴환원법으로 측정하였으며, 용존무기인(DIP: dissolved inorganic phosphorus)은 ascorbic acid법으로 분석하였다(APHA, 1995). 총인과 총질소는 각각 persulfate로 분해한 후 ascorbic acid법과 카드뮴환원법을 이용하여 측정하였다 (APHA, 1995).
- ascorbic acid법으로 분석하였다(APHA, 1995). 총인과 총질소는 각각 persulfate로 분해한 후 ascorbic acid법과 카드뮴환원법을 이용하여 측정하였다 (APHA, 1995).
성능/효과
- 부유물질이 충분히 제거되지 않았던 현장 인공수로 실험 에서는 망목이 20 mm인 철망에서, 실내순환수로 실험에서 사상성 부착조류의 성장은 자연섬유망에서 높게 나타났다. 0.05~1.0mg P L-1로 조절된 인 농도범위에서 3종의 사상성 부착조류 성장률은 인 농도가 높아짐에 따라 증가하였으나, 각 종들은 인 농도에서 따라 차별적인 성장을 나타냈다. 또한 영양염 농도가 매우 높은 환경에서 사상성 부착조류 생물량의 발달이 크면 클수록 높은 유속이 사상체의 탈리를 유발하여 조류의 성장을 감소시키는 제한요인으로 작용할 수 있음이 제시되었다.
- 2002년 3월에 모든 기질에서 생물량이 2001년 11월에 비해 높게 나타나 계절적인 차이를 보였으나, 사용된 기질 간의 비교에서는 20 mm 철망에서의 생물량이 다른 기질(10 mm 철망, 자연섬유망)에 비해 높게 나타났다 (Fig. 3, Table 4). 기질간의 건중량에 의한 부착조류의 순생산성은 생물량이 적은 시기(2001년 11월)에는 큰 차이가 없었으나 생물량이 많은 시기 (2002년 3월)에는 10 mm, 20 mm 철망이 자연섬유망에 비해 3배 이상 높았다.
- 반면 5cm s-1 의 유속조건에서는 다른 두 유속조건에 비해 순생산성이 2배 이상 낮게 나타났다. 20mm 철망을 사용한 조건에서는 건중량 및 엽록소 a 농도에 대한 단위면적당 순생산성은 모두 10cm s-1 조건의 인공수로에서 높게 나타났다 (Fig. 2b, Table 3). 시간에 따른 부착조류 생물량은 지속적인 성장량을 보인 앞선 실험과 달리 4일 동안의 지속적인 성장 이후 감소하였는데 이는 이 시기에 기질 내에서 관찰된 높은 밀도의 깔다구(ChironomuS) 유충의 섭식에 기인하였다.
- 4종류의 기질 (자연섬유망, 10mm 철망, 자갈, 타일)을 사용한 순환수로 실험에서는 부착조류의 건중량은 자연섬유망과 10mm 철망이 자갈과 타일에 비해 높았다 (Fig. 4). 사상성 부착조류 건중량은 자연섬유망에서 10.
- a-1 hr-1로 가장 높았다(Table 5). Rhizoclonium riparium의 인 흡수율은 인 농도가 높을수록 지속적으로 증가한 반면, Oedogonium foveolatum와 Spirogyra turfosa의 인 흡수율은 0.5mgP L-1 까지는 인 농도가 높을수록 증가하였으나 0.5 mgP L-1 이상의 농도에서는 감소하거나 약간 증가한 정도로 나타났다. 그러나 실제로 자연 하천생태계에서의 이들의 성장은 기질에 부착된 생물 매트에서 인을 흡수하는 정도에 따라 달라지기 때문에 (Borchardt, 1996), 수체와 접촉하는 조류의 접촉면적을 결정하는 물의 이동, 즉 유속이 매우 중요한 결정인자로 작용할 것으로 판단된다.
- 24day-1)로 가장 높았다. 각 종들이 최대 성장률을 보이는 인의 농도는 달랐으나 인 농도의 높고 낮음에 상관없이 최대성장률 간에는 유의한 차이는 나타나지 않았다.
- 4). 기질에 따른 부착조류의 평균 순생산성은 자연섬유망이 1.10g m-2 day-1 였으며, 철망 (0.95 g m-2 day-1)에 비해 2배, 자갈 (0.14 g m-2 day-1)과 타일 (0.11g m-2 day-1)과 비교해서는 20배 이상 높았다.
- 망목의 크기 10 mm인 철망을 기질로 이용하였을 때, 건 중량에 의한 부착조류의 순생산성은 유속 10cm s-1 조건에서 62.6gm-2day-1 로 가장 높았으나, 엽록소 a 농도에 의한 단위면적당 순생산성은 15cm s-1 유속조건에서 1.58gm-2 day-1 로 가장 높았고, 두 유속 간에 유의한 차이는 보이지 않았다. 반면 5cm s-1 의 유속조건에서는 다른 두 유속조건에 비해 순생산성이 2배 이상 낮게 나타났다.
- 본 연구에서 배양액 내 인 농도의 감소량을 토대로 계산된 인 흡수율은, 비교된 3종의 부착조류가 인 농도에 따라 성장률이 상이했던 것과는 달리, 모든 인 농도 조건에서 Spirogyra turfosa가 가장 높았다. 초기 인 농도 0.
- 본 연구에서 사상성 부착조류 순생산성 이 현장 인공수로에서는 철망 기질에서 높았고, 실내 순환수로에서는 자연섬유망에서 높게 나타난 것은 기질의 세밀함과 수중 내부유물질 함량 그리고 생물량의 차이에 기인한 것으로 판단된다. 현장 인공수로에서 이용한 하수처리수 내의 부유물질의 농도가 3.
- 본 연구에서 유속조건으로 조성된 범위 (5~15cm s-1)는 기 연구된 문헌에서 제시된 유속에 비해 느리므로 유속이 빠를수록 높은 성장률을 기대하였으나 사상성 부착조류의 성장률은 10cm s-1 유속에서 가장 높았다. 이는 영양염이 풍부한 조건에서는 사상성 부착조류의 성장이 매우 활발하여 그 결과 발달된 조체의 무게로 인해 15cm s-1 조건에서 부착조류가 탈리됨으로써 나타난 결과로 판단된다.
- 현장 인공수로와 실내순환수로 실험 간에 사상성부착조류의 최대성장은 기질에 따라 다르게 나타났다. 부유물질이 충분히 제거되지 않았던 현장 인공수로 실험 에서는 망목이 20 mm인 철망에서, 실내순환수로 실험에서 사상성 부착조류의 성장은 자연섬유망에서 높게 나타났다. 0.
- 4). 사상성 부착조류 건중량은 자연섬유망에서 10.13g m-2로, 10 mm 철망에 비해 1.5배, 자갈과 타일에 비해서는 10배 이상 높았다(Fig. 4). 기질에 따른 부착조류의 평균 순생산성은 자연섬유망이 1.
- 1b)에서 수행하였다. 수로 내 유속을 모두 10cm s-1 을 유지하였고, 수로 내 수심을 인공수로는 평균 10~15cm, 순환수로에서는 10cm를 유지하였다. 인공수로에서 실험은 2001년 11월과 2002년 3월에 각각 11, 6일 동안 수행하였다.
- 2b, Table 3). 시간에 따른 부착조류 생물량은 지속적인 성장량을 보인 앞선 실험과 달리 4일 동안의 지속적인 성장 이후 감소하였는데 이는 이 시기에 기질 내에서 관찰된 높은 밀도의 깔다구(ChironomuS) 유충의 섭식에 기인하였다.
- 실험에 사용된 3종의 사상성 부착조류 Rhizoclonium riparium, Oedogonium foveolatum, Spirogyra turfosa는 인 농도 조건에 따라 서로 다른 성장률의 차이를 보였다(Fig. 5, Table 5). 실험조건 중 가장 낮은 인 농도인 0.
- 5, Table 5). 실험조건 중 가장 낮은 인 농도인 0.05 mgP L-1에서는 Spirogyra turfbsa의 성장률(0.14 day-1)이 다른 두 종에 비해 높았고 0.5mgP L-1에서는 Rhizoclonium riparium (0.24 day-1), 0.1 mgP L-1에서는 Oedogonium foveolatum의 성장률(0.24day-1)로 가장 높았다. 각 종들이 최대 성장률을 보이는 인의 농도는 달랐으나 인 농도의 높고 낮음에 상관없이 최대성장률 간에는 유의한 차이는 나타나지 않았다.
- 유속에 따른 부착조류 생물량은 시간에 따라 증가하였고, 순생산성은 본 연구에서 조성된 유속 조건에서 유속이 빠를수록 증가하는 경향을 보였다 (Fig. 2a, Table 3).
- 이 결과로부터 영양염 이 풍부한 하천 조건에서는 빠른 유속은 부착조류의 생체량 발달에 도리어 제한 요인이 됨을 유추할 수 있으며, 본 연구의 결과로 볼 때 최대성 장률에 대한 유속의 threshold 조건이 10~15cm s-1로 나타났다.
- 조사기간 동안 인공수로에서 사상성 부착조류 성장에 이용한 하수처리장 방류수 내의 영양염의 농도는 매우 높게 나타났으며, 총질소와 총인은 각각 14.2~26.9mgN L-1 과 0.18~2.70mgP L-1 범위로 실험기간 동안 상당히 큰 변이를 보였다 (Table 2). 이는 시간에 따른 하수처리장 처리효율이 일정하지 못하였기 때문에 나타난 결과로 추정된다.
- 실험은 하수처리수를 이용한 현장 인공수로와 실내 순환수로에서 부착조류의 성장실험을 수행하였고, 서로 다른 인 농도에서의 사상성 부착조류 종간의 성장률과 인 흡수율을 비교하였다. 조절된 유속조건 (5~15cm s-1)에서 사상성 부착조류의 순생산성은 유속이 빠를수록 높았으나 최대의 순생산성은 10cm s-1 유속에서 나타났다. 현장 인공수로와 실내순환수로 실험 간에 사상성부착조류의 최대성장은 기질에 따라 다르게 나타났다.
- 인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉, 빠른 유속일수록 사상체가 보다 길게 성장하는 결과를 보였다. 4월 인공수로 실험 8일째 5cm s-1 유속에서 사상성 부착조류조체의 총 성장 길이는 15cm 정도로 나타났던 반면 10, 15cm s-1 유속에서는 거의 100 cm 정도로서 5cm s-1 유속의 수로에서보다 6배 이상 길었다.
- 판단된다. 현장 인공수로에서 이용한 하수처리수 내의 부유물질의 농도가 3.0~10.0 mg L-1로 나타나 여과된실험수가 사용된 실내 순환수로에 비해 상대적으로 높았고 생물량도 많았으며 또한 자연섬유망은 미세한 잔털이 있어 부유물질이나 부착조류의 부착 가능성이 높기 때문에 쉽게 폐색되어 생물량이 다른 기질에 비해 적었을 것으로 생각할 수 있다. (McIntire and Phinney, 1965; Horner et al.
후속연구
- , 1998), 수생 식물에 비해서는 단위면적당 최소한 수십-수천 배 이상 높아(황과 공 1999) 이들을 적절히 활용한다면 인제거를 통한 수질개선 효과를 도모할 수 있다(Vymazal, 1988; 공과 천, 1999, 농림부, 2003). 따라서 사사성 부착조류의 종 특이성을 고려한 수질개선의 효과를 증가시킬 수 있는 시스템 개발 및 2차 오염 방지 등의 세부적인 연구의 필요성이 제기된다.
- 0mg P L-1로 조절된 인 농도범위에서 3종의 사상성 부착조류 성장률은 인 농도가 높아짐에 따라 증가하였으나, 각 종들은 인 농도에서 따라 차별적인 성장을 나타냈다. 또한 영양염 농도가 매우 높은 환경에서 사상성 부착조류 생물량의 발달이 크면 클수록 높은 유속이 사상체의 탈리를 유발하여 조류의 성장을 감소시키는 제한요인으로 작용할 수 있음이 제시되었다. 탈리된 사상체는 연결된 하천, 저수지, 하류의 수질과 생태계를 악화시킬 수 있기 때문에 하천 수질관리에 있어 중요한 요인으로 고려할 필요성이 크다.
- 연구의 결과는 하수처리수가 방류되는 하천에서의 사상성 부착조류의 발달과 이에 미치는 영향을 평가하고 예측하는데 이용될 수 있을 것이다. 이러한 환경에서는 사상체의 발달이 매우 빠르며, 일단 발달되면 유속의 증가나 갑작스러운 변화에 의해 쉽게 탈리되고 다시 성장하여 탈리되는 반복적인 현상이 나타나게 된다.
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