발광다이오드(LED)를 이용한 저서미세조류의 성장촉진에 의한 오염해역 저질환경개선 1. 저서규조류 Nitzschia sp. 성장에 영향을 미치는 광량과 파장 Bioremediation on the Benthic Layer in Polluted Inner Bay by Promotion of Microphytobenthos Growth Using Light Emitting Diode (LED) 1. Effects of irradiance and wavelength on the growth of benthic diatom, Nitzschia sp.원문보기
오염된 연안 저서환경의 생물학적 정화를 목적으로 발광 다이오드(LED)를 이용하여 저서미세조류 Nitzschia sp.(일본 Hakozaki만에서 분리)의 성장에 미치는 광량과 파장의 영향을 조사하였다. Nitzschia sp.는 청색 LED(450 nm), 황색 LED(590 nm), 적색 LED(650 nm) 및 형광램프(복수파장)에서 배양하였다. 온도 $25^{\circ}C$ 그리고 염분 30 psu에서 배양한 Nitzschia sp.는 청색파장에서 $20\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$ 그리고 형광램프는 $40\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$에서 최대 상대성장속도를 보였으나, 이보다 높은 광량에서는 광 저해현상이 나타났다. 하지만, 황색 파장과 적색 파장의 최대광량에서 ($350\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$) 광 저해현상은 관찰되지 않았다. 광량-성장곡선에서 청색 LED는 ${\mu}=-0.46{\exp}(1-I/6.32)+0.46-0.00043I,\;(r^2=0.98)$, 황색 LED는 ${\mu}=0.42(I+7.87)/(I+58.9),\;(r^2=0.99)$, 적색 LED는 ${\mu}=0.39(I+3.39)/(I+21.6),\;(r^2=0.94)$ 그리고 형광램프는 ${\mu}=-0.38{\exp}(1-I/7.23)+0.38-0.00016I,\;(r^2=0.96)$로 나타났다. 청색 LED, 황색 LED, 적색 LED와 형광램프의 최대성장률은 각각 $0.44\;day^{-1},\;0.42\;day^{-1},\;0.39\;day^{-1}$ 그리고 $0.37\;day^{-1}$이었다. Nitzschia sp.의 최대흡수계수는 472 nm($0.0224\;m^2\;mg\;chi.\;{\alpha}^{-1}$)와 663 nm($0.0179\;m^2\;mg\;chi.\;{\alpha}^{-1}$)에서 보였지만, 모든 파장에서(400 nm-700 nm) 거의 유사한 흡수계수를 보였다. 따라서 가을과 겨울동안에는 청색파장을 조사하여 미세조류 성장을 촉진시키고, 봄과 여름동안에는 황색파장을 조사하여 유해조류의 성장억제와 함께 저서미세조류의 성장시켜 오염된 연안 저서환경 개선에 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다.
오염된 연안 저서환경의 생물학적 정화를 목적으로 발광 다이오드(LED)를 이용하여 저서미세조류 Nitzschia sp.(일본 Hakozaki만에서 분리)의 성장에 미치는 광량과 파장의 영향을 조사하였다. Nitzschia sp.는 청색 LED(450 nm), 황색 LED(590 nm), 적색 LED(650 nm) 및 형광램프(복수파장)에서 배양하였다. 온도 $25^{\circ}C$ 그리고 염분 30 psu에서 배양한 Nitzschia sp.는 청색파장에서 $20\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$ 그리고 형광램프는 $40\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$에서 최대 상대성장속도를 보였으나, 이보다 높은 광량에서는 광 저해현상이 나타났다. 하지만, 황색 파장과 적색 파장의 최대광량에서 ($350\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$) 광 저해현상은 관찰되지 않았다. 광량-성장곡선에서 청색 LED는 ${\mu}=-0.46{\exp}(1-I/6.32)+0.46-0.00043I,\;(r^2=0.98)$, 황색 LED는 ${\mu}=0.42(I+7.87)/(I+58.9),\;(r^2=0.99)$, 적색 LED는 ${\mu}=0.39(I+3.39)/(I+21.6),\;(r^2=0.94)$ 그리고 형광램프는 ${\mu}=-0.38{\exp}(1-I/7.23)+0.38-0.00016I,\;(r^2=0.96)$로 나타났다. 청색 LED, 황색 LED, 적색 LED와 형광램프의 최대성장률은 각각 $0.44\;day^{-1},\;0.42\;day^{-1},\;0.39\;day^{-1}$ 그리고 $0.37\;day^{-1}$이었다. Nitzschia sp.의 최대흡수계수는 472 nm($0.0224\;m^2\;mg\;chi.\;{\alpha}^{-1}$)와 663 nm($0.0179\;m^2\;mg\;chi.\;{\alpha}^{-1}$)에서 보였지만, 모든 파장에서(400 nm-700 nm) 거의 유사한 흡수계수를 보였다. 따라서 가을과 겨울동안에는 청색파장을 조사하여 미세조류 성장을 촉진시키고, 봄과 여름동안에는 황색파장을 조사하여 유해조류의 성장억제와 함께 저서미세조류의 성장시켜 오염된 연안 저서환경 개선에 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다.
In order for bioremediate the benthic layer in polluted inner Bay, the effects of irradiance and wave-length irradiated from light emission diode (LED) on the growth of benthic diatom Nitzschia sp. (Hakozaki Bay strain of Japan) were investigated. The Nitzschia sp. was cultured under blue LED (450 n...
In order for bioremediate the benthic layer in polluted inner Bay, the effects of irradiance and wave-length irradiated from light emission diode (LED) on the growth of benthic diatom Nitzschia sp. (Hakozaki Bay strain of Japan) were investigated. The Nitzschia sp. was cultured under blue LED (450 nm), yellow LED (590 nm), red LED (650 nm) and fluorescent lamp (mixed wavelengths). At $25^{\circ}C$ and 30 psu, the growth of Nitzschia sp. showed its peak at $20\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$ (blue LED) and $40\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$ (fluorescent lamp), and was inhibited at the irradiance higher than that irradiance. Nitzschia sp. in yellow LED and red LED is fitted by a rectangular hyperbolic curve because no photoinhibition was observed under maximum irradiance used in this study. The irradiance-growth curves were described as ${\mu}=-0.46{\exp}(1-I/6.32)+0.46-0.00043I,\;(r^2=0.98)$ under blue LED, ${\mu}=0.42(I+7.87)/(I+58.9),\;(r^2=0.99)$ under yellow LED, ${\mu}=0.39(I+3.39)/(I+21.6),\;(r^2=0.94)$ under red LED, ${\mu}=-0.38{\exp}(1-I/7.23)+0.38-0.00016I,\;(r^2=0.96)$ under fluorescent lamp. Maximum specific growth rate of blue LED, yellow LED, red LED and fluorescent lamp was $0.44\;day^{-1},\;0.42\;day^{-1},\;0.39\;day^{-1}$ and $0.37\;day^{-1}$, respectively. The absorption coefficient ($a_{ph}$) of Nitzschia sp. was similar under all the wavelengths (400 nm-700 nm), although maximum $a_{ph}$ was $0.0224\;m^2\;mg\;chi.\;{\alpha}^{-1}$ in 472 nm and $0.0179\;m^2\;mg\;chi.\;{\alpha}^{-1}$) in 663 nm. The results may indicate the possibility of environmental improvement around the benthic layer in polluted coastal area because microphytobenthos growth is stimulated by means of irradiated blue LED at the benthic boundary layer during both autumn and winter, and yellow LED, which might have been suppressed growth of harmful algae, at the layer during both spring and summer.
In order for bioremediate the benthic layer in polluted inner Bay, the effects of irradiance and wave-length irradiated from light emission diode (LED) on the growth of benthic diatom Nitzschia sp. (Hakozaki Bay strain of Japan) were investigated. The Nitzschia sp. was cultured under blue LED (450 nm), yellow LED (590 nm), red LED (650 nm) and fluorescent lamp (mixed wavelengths). At $25^{\circ}C$ and 30 psu, the growth of Nitzschia sp. showed its peak at $20\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$ (blue LED) and $40\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$ (fluorescent lamp), and was inhibited at the irradiance higher than that irradiance. Nitzschia sp. in yellow LED and red LED is fitted by a rectangular hyperbolic curve because no photoinhibition was observed under maximum irradiance used in this study. The irradiance-growth curves were described as ${\mu}=-0.46{\exp}(1-I/6.32)+0.46-0.00043I,\;(r^2=0.98)$ under blue LED, ${\mu}=0.42(I+7.87)/(I+58.9),\;(r^2=0.99)$ under yellow LED, ${\mu}=0.39(I+3.39)/(I+21.6),\;(r^2=0.94)$ under red LED, ${\mu}=-0.38{\exp}(1-I/7.23)+0.38-0.00016I,\;(r^2=0.96)$ under fluorescent lamp. Maximum specific growth rate of blue LED, yellow LED, red LED and fluorescent lamp was $0.44\;day^{-1},\;0.42\;day^{-1},\;0.39\;day^{-1}$ and $0.37\;day^{-1}$, respectively. The absorption coefficient ($a_{ph}$) of Nitzschia sp. was similar under all the wavelengths (400 nm-700 nm), although maximum $a_{ph}$ was $0.0224\;m^2\;mg\;chi.\;{\alpha}^{-1}$ in 472 nm and $0.0179\;m^2\;mg\;chi.\;{\alpha}^{-1}$) in 663 nm. The results may indicate the possibility of environmental improvement around the benthic layer in polluted coastal area because microphytobenthos growth is stimulated by means of irradiated blue LED at the benthic boundary layer during both autumn and winter, and yellow LED, which might have been suppressed growth of harmful algae, at the layer during both spring and summer.
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문제 정의
하지만, 해양에서는 아직 미세조류나 해조류 등 광합성 식물에 LED의 기술은 이용되고 있지 않으며, 연구개념 조차 제시되지 않은 실정이다. 따라서 본 연구는 저서규조류 성장에 영향을 미치는 조도와 파장의 영향을 실내배양실험에서 고찰하여, LED를 이용한 저서 미세조류의 성장촉진에 의한 오염해역의 표층퇴적환경의 생물복원 가능성을 살펴보았다.
제안 방법
이들 파장은 LED를 이용하였으며, 광량은 가시광선 차단필름을 이용하여 청색 LED는 10, 25, 50, 75, 100, 200,350 gmol photons m-2s4(QSL-2100, Biospherical Instrument Inc., CA USA)로, 황색 LED는 10, 20, 60, 75, 100, 188, 350 pmol photons m%-1 로, 적색 LED는 10, 16, 45, 75, 100, 190, 350 μmol photons m。"로, 복수파장은 10, 25, 40, 70, 100, 160, 350 μmol photons m*로 각각 7단계로 조절하였다. 매일 1회 오전 10시에 형광 광도계 (Model 10-AU, Turner Designs, CA US A)로 in vivo chlorophyll 형광을 측정하였다.
2. Curvilinear fitting of Steele (1962) equation and devised new equation from this study in order to the photoinhibition of Nitzschia sp as a function of light intensities.
광조건 실험은 triplicates 수행하였으며, 성장속도는 이들의 평균값으로 나타내었다(단, triplicate 중 명백히 오류로 판명된 값은 평균시 제외함). 성장속도와 광량의 관계는 광저해 현상(photoinhibition) 이 없을 경우는 Lederman and Tett [1981]의 모델를 개량한 다음식 (2)을 이용하여 계산하였다.
의 광흡수계수는 QFT법 (Quantitative Filter TechniqueX 이용하였다(Sosik [1999]). 대수증식 후기의 세포를 유리섬유여과지(8 25, GF/F, Whatman)로 여과하여(세포 손상을 막기 위해 100 mmHg 이하), 분광광도계(U-2001 Hitachi, Japan)를 이용하여 가시광선대인 400-750 nm까지 2 nm 간격으로 흡광도를 측정하였다. 흡광도는 여과지에 포획된 현탁 입자에 의한 후방산란(반사)의 영향을 보정하기 위해 750 nm의 흡광도를 공제한 값을 이용하였다.
흡광도는 여과지에 포획된 현탁 입자에 의한 후방산란(반사)의 영향을 보정하기 위해 750 nm의 흡광도를 공제한 값을 이용하였다. 또, 정확한 흡광도 측정을 위해 99.5% 에탄올(Harimoto et al. [1999])로, 식물플랑크톤 색소를 추출하여 상기 방법으로 세포 잔사의 흡광도를 측정하였다. 아세톤 추출에 의해 chlorophyll a농도를 측정한 후(UNESCO [1966]), 광 흡수계수는 m2 mg chi"1로 표기하였다.
, CA USA)로, 황색 LED는 10, 20, 60, 75, 100, 188, 350 pmol photons m%-1 로, 적색 LED는 10, 16, 45, 75, 100, 190, 350 μmol photons m。"로, 복수파장은 10, 25, 40, 70, 100, 160, 350 μmol photons m*로 각각 7단계로 조절하였다. 매일 1회 오전 10시에 형광 광도계 (Model 10-AU, Turner Designs, CA US A)로 in vivo chlorophyll 형광을 측정하였다. 성장속도는 지수성장(exponential growth)을 보이는 기간 동안의 세포수를 이용하여 다음 식 (1) 에의해 계산하였다.
Nitzschia sp.에 대한 무균화 처리는 하지 않았지만, 2차 생물학적 오염을 막기 위해 모든 실험기구는 autoclave(202 kpa, 20 min) 또는 건조멸균(185℃, 1 hr) 하여사용하였으며 , 모든 실험은 clean bench에서 수행하였다.
대상 데이터
sp.(Fig. 1)를 일본 Fukuoka현의 Hakozaki만 입구에서 채취한 저증퇴적물(수심 3 m)에서 pasteur pipette(ca. 0 50-100 pm) 를 이용하여 분리하였다(33。37, 11'N[ 130。24, 51N. 분리된 종은 여과 해수(0.
이론/모형
그래서 식 (2), (3), (4-2)의 각각의 변수는 비선형 최소자승법 (nslinear regression analysis)을 이용하여 매개변수를 구하였다.
제외함). 성장속도와 광량의 관계는 광저해 현상(photoinhibition) 이 없을 경우는 Lederman and Tett [1981]의 모델를 개량한 다음식 (2)을 이용하여 계산하였다.
규조류 Nitzschia sp.의 광흡수계수는 QFT법 (Quantitative Filter TechniqueX 이용하였다(Sosik [1999]). 대수증식 후기의 세포를 유리섬유여과지(8 25, GF/F, Whatman)로 여과하여(세포 손상을 막기 위해 100 mmHg 이하), 분광광도계(U-2001 Hitachi, Japan)를 이용하여 가시광선대인 400-750 nm까지 2 nm 간격으로 흡광도를 측정하였다.
성능/효과
QFT 방법을 이용해 Nitzschia sp에 의한 광흡수계수를 측정한 결과, 최대 흡수계수는 chlorophyll의 흡수밴드가 있는 472 nm와 674 nm에서 0.0224 m2 mg chl.a4와 0.0179 n? mg chl.a4로 높은 값을 나타내었다.
4). 따라서 청색파장에서 최대 상대성장속도는 0.44 day1, 황색파장에서는 0.42 day1, 적색파장에서는 0.39 day」그리고 복수 파장에서는 0.37 day」로 나타났다. 청색파장과 복수파장에서 최대 상대성장속도가 보인 광량은 각각 49.
본 연구의 대상종인 Nitzschia sp.의 광 흡수스펙트럼에서도 부유성 미세조류와는 달리 거의 모든 가시광선 대를 효율적으로 흡수할 수 있었으며, 성장속도에서도 청색파장은 성장을 촉진시켰고, 유해 와편모조류의 성장을 억제하는 황색 파장에서도 성장하였다.
저서미세조류를 이용한 환경개선은 廣島縣環境保建協會[2002]가 저서미세조류를 이용한 표층 퇴적층 환경개선 방안을 제시하였으며, 廣島縣環境保建協會 [2003]은 저서 규조류의 Niztschia sp.의 영양염 동력학 실험을 통해서 부유 성미 세조류보다 영양염 요구량이 크게 높은 것을 밝혀 저서 규조류를 이용한 부영양화 해역의 정화에 이용 가능성을 제시하였다. 그러나 오염된 내만해역의 저층은 부유물질 농도가 높아 표층의 입사된 빛이 산란되어 거의 도달하지 못한다.
후속연구
그리고 LED의 전원공급은 주간에 태양에너지를 이용하고 야간에는 전력을 이용할 수 있을 것으로 판단된다. 앞으로 이러한 환경개선방법을 실용화하기 위해서는 파장별 적조 원인종의 휴면포자 발아율, 저서미세조류의 파장별 영양염 흡수율 둥 미세조류의 생리학적 지식이 필요할 것으로 보이며, 더욱이 LED 사용에 따른 여타 저서 생물/무생물 환경인자들의 영향과 같은 자료구축을 바탕으로 실용화 가능성을 심도 있게 검토해야 할 것으로 판단된다.
응용은 봄과 여름에 저서 미세조류는 성장이 가능하지만, 유해 식물플랑크톤의 휴면포자 발아할 수 없는 황색 LED를 저층에 24시간 빛을 조사하며, 봄과 여름에는 청색파장을 조사하여 저서미세조류 성장을 촉진시킨다. 이렇게 성장된 저서미세조류는 광합성에 의해 산소가 방출되고, 영양염의 흡수에 따라 저층 빈산소와 부영양화 해소에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 그리고 LED의 전원공급은 주간에 태양에너지를 이용하고 야간에는 전력을 이용할 수 있을 것으로 판단된다.
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