$^{13}C$, $^{15}N$ 추적자 실험을 통한 부유 수생식물(Iris pseudoacorus)의 Cyanobacteria (Microcystis aeruginosa) 성장억제능력 평가 Control of Cyanobacteria (Microcystis aeruginosa) Blooms by Floating Aquatic Plant (Iris pseudoacorus): an in situ Mesocosm Experiment Using Stable ($^{13}C$, $^{15}N$) Isotope Tracers원문보기
생물조절기법(Biomanipulation)을 이용한 수질개선 방법으로서, 인공식물섬을 이용한 부유성 수생식물(I. pseudoacorus)은 그 표면적에 따라서 수층으로의 광량 투과를 제어함으로써 미세조류의 광합성 효율을 저해한다. 또한, 수층에서 영양염을 흡수하여, 미세조류의 성장을 억제함으로서 남조류(M. aeruginosa) 대량발생을 제어할 수 있다는 것을 $^{13}C$, $^{15}N$추적자 실험을 통하여 정량적으로 확인하였다. 이와 같이 부유수생식물을 이용하여 저수지내 남조류 번성을 억제함으로서 수질 개선에 중요한 역할을 하지만, 동물플랑크톤의 종 조성 변화를 야기할 수 있다는 것을 고려해야 할 것이다. 본 연구 결과는 향후 인공 식물섬을 사용한 남조류 제어 기법에 중요한 자료로 활용될 것으로 사료된다.
생물조절기법(Biomanipulation)을 이용한 수질개선 방법으로서, 인공식물섬을 이용한 부유성 수생식물(I. pseudoacorus)은 그 표면적에 따라서 수층으로의 광량 투과를 제어함으로써 미세조류의 광합성 효율을 저해한다. 또한, 수층에서 영양염을 흡수하여, 미세조류의 성장을 억제함으로서 남조류(M. aeruginosa) 대량발생을 제어할 수 있다는 것을 $^{13}C$, $^{15}N$ 추적자 실험을 통하여 정량적으로 확인하였다. 이와 같이 부유수생식물을 이용하여 저수지내 남조류 번성을 억제함으로서 수질 개선에 중요한 역할을 하지만, 동물플랑크톤의 종 조성 변화를 야기할 수 있다는 것을 고려해야 할 것이다. 본 연구 결과는 향후 인공 식물섬을 사용한 남조류 제어 기법에 중요한 자료로 활용될 것으로 사료된다.
Bottom-up approaches to control of Microcystis aeruginosa blooms were comparatively investigated through an in situ mesocosm experiment using aquatic plants (Iris pseudoacorus). In the mesocosm experiments, floating I. pseudoacorus, seemed to be effective in controlling massive M. aeruginosa blooms ...
Bottom-up approaches to control of Microcystis aeruginosa blooms were comparatively investigated through an in situ mesocosm experiment using aquatic plants (Iris pseudoacorus). In the mesocosm experiments, floating I. pseudoacorus, seemed to be effective in controlling massive M. aeruginosa blooms in an agricultural reservoir, exhibiting a close coupling with temporal variations in Chl-a and DO concentration. Shading by floating I. pseudoacorus resulted in a reduced phytoplankton abundance inhibiting light energy availability. Moreover, I. pseudoacorus may suppress phytoplankton growth through the excretion of chemical substances, likes a allelopathy, that inhibit phytoplankton photosynthetic activity. The $^{15}N$ atom % of I. pseudoacorus showed higher values than POM, suggesting that I. pseudoacorus assimilates DIN predominantly compared to phytoplankton, which was mostly M. aeruginosa. This result strongly suggests that the M. aeruginosa bloom should be regulated by aquatic plants, like I. pseudoacorus, this approach can affect zooplankton composition. This is the first study that has used stable isotope tracers to evaluate the biomanipulation efficiency through floating I. pseudoacorus.
Bottom-up approaches to control of Microcystis aeruginosa blooms were comparatively investigated through an in situ mesocosm experiment using aquatic plants (Iris pseudoacorus). In the mesocosm experiments, floating I. pseudoacorus, seemed to be effective in controlling massive M. aeruginosa blooms in an agricultural reservoir, exhibiting a close coupling with temporal variations in Chl-a and DO concentration. Shading by floating I. pseudoacorus resulted in a reduced phytoplankton abundance inhibiting light energy availability. Moreover, I. pseudoacorus may suppress phytoplankton growth through the excretion of chemical substances, likes a allelopathy, that inhibit phytoplankton photosynthetic activity. The $^{15}N$ atom % of I. pseudoacorus showed higher values than POM, suggesting that I. pseudoacorus assimilates DIN predominantly compared to phytoplankton, which was mostly M. aeruginosa. This result strongly suggests that the M. aeruginosa bloom should be regulated by aquatic plants, like I. pseudoacorus, this approach can affect zooplankton composition. This is the first study that has used stable isotope tracers to evaluate the biomanipulation efficiency through floating I. pseudoacorus.
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문제 정의
, 1989). 기존의 연구가 생물학적 수질개선 기법을 평가하기 위해 MC 농도 분석, 영양염 및 클로로필 농도 분석, 투명도 측정 등을 이용하였지만(Benndorf et al., 1990; Jeppesen et al., 1997; An et al., 2010), 본 연구는 남조류(Microcystis aeruginosa) 발생이 빈번한 신구저수지에서 수생식물(Iris. pseudoacorus)을 이용한 조류 제어를 평가하고자 13C, 15N 안정동위원소 추적자를 이용하여 메소코즘 실험을 실시하였다. 안정동위원소 추적자 실험은 라벨링된 무기태(H13CO3-, 15NH4+)를 사용하여 생태계내 에너지 흐름을 추적함으로써(Peterson et al.
제안 방법
기초적인 수질 자료(수온, 용존산소, 탁도)는 다항목 수질측정기(YSI Sonde 6600)를 이용하여 측정하였다. 엽록소 a의 농도는 시료수를 직경 47 mm, 구경 0.
조류 생물량은 100 mL 시료를 취하여 Lugol 용액으로 고정하고 균일하게 혼합한 후 Sedgwick-Rafter chamber를 이용하여 광학현미경(Axiostar plus, ZEISS, Germany)하에서 세포수를 계수하고 출현종을 동정하였다. 동물플랑크톤은 플랑크톤 네트로 수직 예인한 시료를 포르말린으로 고정한 후 해부현미경 하에서 동정 및 계수하였다.
pseudoacorus)은 그 표면적에 따라서 수층으로의 광량 투과를 제어함으로써 미세조류의 광합성 효율을 저해한다. 또한, 수층에서 영양염을 흡수하여, 미세조류의 성장을 억제함으로서 남조류(M. aeruginosa) 대량발생을 제어할 수 있다는 것을 13C, 15N 추적자 실험을 통하여 정량적으로 확인하였다. 이와 같이 부유수생식물을 이용하여 저수지내 남조류 번성을 억제함으로서 수질 개선에 중요한 역할을 하지만, 동물플랑크톤의 종 조성 변화를 야기할 수 있다는 것을 고려해야 할 것이다.
부영양화가 크게 진행되어 식물플랑크톤중에서 남조류(M. aeruginosa)가 90% 이상 차지하는 신구저수지에 테플론 재질의 격자형 메소코즘(1.2×1.2×2.0 m, 3,300 L)을 실험 개시 7일전에 설치하여 안정화 시간을 거쳐 현장의 자연 상태를 유지하도록 하였다(Fig. 1).
입자태 및 동물플랑크톤 시료는 1 N 염산을 이용하여 진공 데시케이터 안에서 24시간 증기처리를 통하여 무기태 탄소를 제거해 주었다. 수생식물 시료는 잎과 뿌리로 구분한 후 시료 분쇄기(FRITSCH-planetary mono mill, Pulverisette 6, Germany)를 사용하여 분말 형태로 갈아주었다. 후에 1 N 염산을 이용하여 무기탄소를 제거해 준 후 증류수를 이용하여 산을 제거하고 동결건조하였다.
엽록소 a의 농도는 시료수를 직경 47 mm, 구경 0.45 μm의 유리섬유 여과지(glass fiber filter paper, GF/F)에 여과한 후 90% 아세톤으로 추출하여 fluorescence spectrophotometer (Turner Design, 10R)를 사용하여 분석하였다.
동물플랑크톤 시료는 광학현미경(Axiostar plus, ZEISS, Germany)에서 핀셋을 이용하여 요각류 시료를 직접 채집하였다. 입자태 및 동물플랑크톤 시료는 1 N 염산을 이용하여 진공 데시케이터 안에서 24시간 증기처리를 통하여 무기태 탄소를 제거해 주었다. 수생식물 시료는 잎과 뿌리로 구분한 후 시료 분쇄기(FRITSCH-planetary mono mill, Pulverisette 6, Germany)를 사용하여 분말 형태로 갈아주었다.
입자태 시료(대부분 식물플랑크톤)는 플랑크톤 네트(20μm)를 이용하여 동물플랑크톤을 제거해 준 후, 남은 원수를 450℃, 24시간 동안 태워서 유기물을 제거해 준 GF/F 여과지(47mm, 0.45 μm)에 여과하였다.
, 1995). 입자태, 동물플랑크톤, 수생식물 시료의 탄소, 질소 안정동위원소비 측정은 한양대학교 공동기기센터에 있는 원소(Euro EA 3000-D, Italy)-질량 분석기(Isoprime; GV Instrument, U.K.)를 이용하여 분석하였다. 탄소는 VPDB(Vienna PeeDee Belemnite), 질소는 대기중 N2를 표준물질로 사용하였다.
1). 자연 상태를 유지한 메소코즘(실험군 Treatment, 대조군 Control)에 추적자(13C, 15N)를 첨가하여 안정화 기간을 거친 후 수생식물을 투입하여 3주 동안 총 10회에 걸쳐 대상 생물을 채집하였다(1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 14, 22일).
조류 생물량은 100 mL 시료를 취하여 Lugol 용액으로 고정하고 균일하게 혼합한 후 Sedgwick-Rafter chamber를 이용하여 광학현미경(Axiostar plus, ZEISS, Germany)하에서 세포수를 계수하고 출현종을 동정하였다. 동물플랑크톤은 플랑크톤 네트로 수직 예인한 시료를 포르말린으로 고정한 후 해부현미경 하에서 동정 및 계수하였다.
N 농도가 15%까지 증가되도록 투여하였다. 추적자를 첨가한 후 식물플랑크톤이 충분히 섭취하도록 안정화 시간을 거친 후 수생식물을 메소코즘에 첨가하여 생물조절 기법을 평가하였다.
대상 데이터
45 μm)에 여과하였다. 동물플랑크톤 시료는 광학현미경(Axiostar plus, ZEISS, Germany)에서 핀셋을 이용하여 요각류 시료를 직접 채집하였다. 입자태 및 동물플랑크톤 시료는 1 N 염산을 이용하여 진공 데시케이터 안에서 24시간 증기처리를 통하여 무기태 탄소를 제거해 주었다.
메소코즘에 투여한 수생식물은 (주)아썸에서 제작한 이중식재기반 인공식물섬 형태로서 코코넛 섬유(coconut fiber)로 구성된 기반재에 발포성 부력재(poly Ethylene Form)를 부착하고 HDPE (High Density Poly Ethylene)망체로 감싸서 제작하였으며 식물은 1년생 노랑꽃창포(I. pseudoacorus)를 식재하고 있으며 실험군 수층 표면적의 17.4%에 해당하는 0.25 m2 크기이다.
)를 이용하여 분석하였다. 탄소는 VPDB(Vienna PeeDee Belemnite), 질소는 대기중 N2를 표준물질로 사용하였다.
이론/모형
45 μm의 유리섬유 여과지(glass fiber filter paper, GF/F)에 여과한 후 90% 아세톤으로 추출하여 fluorescence spectrophotometer (Turner Design, 10R)를 사용하여 분석하였다. 총 무기태 질산염(NH4+, NO2-, NO3-) 및 총 무기태 인산염(PO4-)은 Strickland and Parsons (1072)의 방법에 의거하여 UV-Spectrophotometer (Cary 50, Varian)를 사용하여 분석하였다.
성능/효과
longispina)의 생물량이 급증하는 것이 관찰되고 있다. 결론적으로, M. aeruginosa와 같은 독성 남조류가 번성하는 환경에서 같은 종류의 지각류라고 할지라도 그 종의 차이에 따라서 반응하는 정도가 다른 것으로 사료된다.
(2010)는 부유수생식물이 번성하는 여름철에 그 표면적이 증가함으로써 수층으로의 빛의 투과가 감소하고 광합성 활동이 저해되어 수층 내 산소 농도가 감소하면서 동물플랑크톤의 생물량이 감소한다고 보고 하였다. 그러나 본 연구에서는 수층내 산소 농도가 감소하는 시기에 동물플랑크톤 전체의 생물량은 오히려 증가하는 경향을 보이고 있으며 윤충류가 감소하고 지각류가 증가하고 추세를 보이고 있다. 이는 산소 고갈보다는 지각류(B.
4). 대조군과 실험군에서 용존 산소 및 입자태 유기물의 13C, 15N atom % 차이가 1차 생산력의 차이로 여겨지며, 총 무기태 질소의 농도가 수층내에 아직 존재하고 있지만 엽록소 a의 농도는 큰 차이가 나타나는 것으로 보아 총 무기태 질소 외의 다른 인자로 인해 M. aeruginosa의 생물량 및 생산력에 영향을 미치는 것으로 여겨진다. 이러한 결과는 I.
5% 순으로 나타나고 있다(Table 2). 대조군에서는 동물 플랑크톤의 정성, 정량 변화가 뚜렷하게 보이지는 않지만 실험군에서는 지각류의 조성비가 3일(27%), 4일(71%), 6일(95%), 8일(82%)로 높은 함유율을 나타내다가 다시 10일(20%)로 감소하는 경향을 보이고 있다(Fig. 3). 실험군에서 위와 같은 변화는 수생식물에 의한 생물조절 기법으로 인하여 식물플랑크톤과 동물플랑크톤의 정량 및 정성 변화에 영향을 미치는 것으로 사료된다.
따라서 본 연구의 실험군에서 부유성 수생식물(I. pseudoacorus)로 인해 수층내의 총 무기태 질소의 농도가 감소하고 그 표면적으로 인해 광투과가 저해되어 수층내의 용존산소 농도가 감소하며(Fig. 2), 체외로 배출된 allelopathy 화합물 등으로 인해 우점종인 M. aeruginosa 종과 식물플랑크톤의 생물량이 감소하게 되는 것으로 사료된다. 반면에, 수생식물이 없는 대조군에서는 식물플랑크톤의 생물량이 유지되는 것을 보여주며(Fig.
2). 또한, 대조군에서 POM의 13C, 15N atom %가 실험개시 2일째부터 9.6, 16.0%의 높은 값을 보이지만 수생식물을 첨가한 실험군에서는 4.3, 9.6%으로 낮은 값을 나타내고 있다(Fig. 4). 대조군과 실험군에서 용존 산소 및 입자태 유기물의 13C, 15N atom % 차이가 1차 생산력의 차이로 여겨지며, 총 무기태 질소의 농도가 수층내에 아직 존재하고 있지만 엽록소 a의 농도는 큰 차이가 나타나는 것으로 보아 총 무기태 질소 외의 다른 인자로 인해 M.
4). 또한, 동물플랑크톤(Copepod)의 13C, 15N atom %도 실험군에서 1.07~3.34, 0.36~4.29의 범위를 보이고 있어 대조군보다(1.07~5.69, 0.37~9.72) 낮은 동화율을 나타내고 있다(Fig. 4) 이는 실험군에서 수생식물(I. pseudoacorus)에 의한 생물조절 기법이 식물플랑크톤의 광합성 능력을 저해하기 때문에 입자태 유기물내의 13C, 15N atom %가 낮아져서 동물플랑크톤 또한 낮은 값을 보이고 있는 것이다(Fig. 5). 한편 수생식물(I.
pseudoacorus에 의한 생물조절 기법의 영향으로 여겨진다. 또한, 총 무기태 질산염의 농도는 대조군에서 실험기간 동안 1.83 mg L-1에서 0.28 mg L-1로 지속적인 감소를 보이고 있으나 실험군에서는 약간의 감소가 나타나다가 14일부터 다시 증가하는 추세를 보이고 있어(Fig. 2), I. pseudoacorus의 수층내 무기태 질산염 흡수에 의한 영향으로 여겨진다. 총 무기태 인산염의 농도는 총 질소의 경향과는 다르게 실험군에서 지속적인 증가를 나타내다가 6일부터 감소하는 경향을 보이고 있으며 대조군에서는 조금씩 증가하는 경향을 보이고 있어, I.
4). 본 연구에서는 13C, 15N 추적자 실험을 통하여 부유성 수생식물(I. pseudoacorus)이 미세조류의 성장을 억제함으로서 생물조절 기법으로 큰 기여를 할 수 있다는 것을 밝혀내었다. 하지만 수생식물의 종의 차이와 그 표면적 및 생물량에 의해 미세조류 대량발생 제어 효과에 차이가 나는 것도 고려될 필요가 있다.
, 1984), Bosmina longirostris (Fulton, 1988)과 Moina macrocopa (Hanazato and Yasuno, 1984)과 같은 작은 지각류는 독성 남조류의 번성에도 잘 견딘다고 보고되었다. 본 연구에서는 Daphnia와 같은 크기가 큰 지각류들보다는 크기가 작은 Bosmina coregoni, Bosmina longispina 같은 지각류가 대부분을 차지하고 있으며, 실험군에서 독성물질(MCs)을 생성해내는 M. aeruginosa의 생물량이 감소하는 시기부터 크기가 작은 지각류(B. coregoni, B. longispina)의 생물량이 급증하는 것이 관찰되고 있다. 결론적으로, M.
또한, 수생식물에 의한 질산염 제어의 가능성 이외에도 부유수생식물 자체의 표면적에 의한 광량 투과의 제한성에 대한 가능성도 제시되고 있다. 실험군에 첨가된 인공물섬 형태의 수생식물(I. pseudoacorus)이 수층 표면적의 17.4%를 차지하고 있고, 이로 인해 수층으로의 광투과가 제한되어 미세조류의 광합성에 영향을 미칠 수 있다는 것을 고려해야 한다. 수층으로의 광투과의 저해로 인해 광합성 활동이 약해져서 용존산소가 감소할 수 있기 때문이다(Fig.
4). 실험군에서 부유성 수생식물(I. pseudoacorus)에 의해 M. aeruginosa의 생물량이 감소하고 있음에도 불구하고, 대조군과 비교해보았을때 섭식자인 Copepoda의 생물량 및 먹이 동화율에(13C, 15N atom %) 큰 영향을 미치지 않는 것으로 여겨진다.
aeruginosa의 생물량 및 생산력에 영향을 미치는 것으로 여겨진다. 이러한 결과는 I. pseudoacorus이 남조류인 M. aeruginosa의 성장을 저해한다는 것을 의미하여 생물조절 기법으로서 수생식물(I. pseudoacorus)이 녹조발생을 제어할 수 있다는 것을 제시하고 있다. 부유수생식물(Floating macrophytes)은 호소 환경에서 수층내의 영양염 제거를 통해 미세조류의 생물량을 억제하는(Balls et al.
pseudoacorus 체내의 15N atom %가 증가하는 것이다. 즉, 대조군과는 달리 실험군에서 I. pseudoacorus에 의해 총 무기태 질소 농도가 감소하면서 M. aeruginosa의 생산력이 제어되고 있음을 나타낸다. 하지만, 실험기간 동안 실험군에서 총 무기태 질소의 농도가 1.
pseudoacorus의 수층내 무기태 질산염 흡수에 의한 영향으로 여겨진다. 총 무기태 인산염의 농도는 총 질소의 경향과는 다르게 실험군에서 지속적인 증가를 나타내다가 6일부터 감소하는 경향을 보이고 있으며 대조군에서는 조금씩 증가하는 경향을 보이고 있어, I. pseudoacorus를 식재한 부유 식물섬에서 용출된 것으로 여겨진다(Fig. 2).
2). 탁도는 대조군에서 13NTU부터 1NTU로 급격한 감소를 보이고 있으며, 대조군에서는 8일째까지 증가하다가 이후 감소하고 있고(Fig. 2), 엽록소 a 및 용존산소의 농도와 비슷한 경향을 보이고 있어 I. pseudoacorus에 의한 생물조절 기법의 영향으로 여겨진다. 또한, 총 무기태 질산염의 농도는 대조군에서 실험기간 동안 1.
후속연구
이와 같이 부유수생식물을 이용하여 저수지내 남조류 번성을 억제함으로서 수질 개선에 중요한 역할을 하지만, 동물플랑크톤의 종 조성 변화를 야기할 수 있다는 것을 고려해야 할 것이다. 본 연구 결과는 향후 인공식물섬을 사용한 남조류 제어 기법에 중요한 자료로 활용될 것으로 사료된다.
, 1982). 본 연구에서 사용된 부유수생식물(I. pseudoacorus)의 allelopathy의 배출에 대해서는 보고된 사례가 없지만 실험기간 동안 감소된 M. aeruginosa의 생물량으로 미루어 보아 가능성이 있는 것으로 사료되며 향후 이에 대한 후속 연구가 요구된다.
aeruginosa) 대량발생을 제어할 수 있다는 것을 13C, 15N 추적자 실험을 통하여 정량적으로 확인하였다. 이와 같이 부유수생식물을 이용하여 저수지내 남조류 번성을 억제함으로서 수질 개선에 중요한 역할을 하지만, 동물플랑크톤의 종 조성 변화를 야기할 수 있다는 것을 고려해야 할 것이다. 본 연구 결과는 향후 인공식물섬을 사용한 남조류 제어 기법에 중요한 자료로 활용될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인공식물섬을 이용한 부유성 수생식물은 어떤 방법인가?
생물조절기법(Biomanipulation)을 이용한 수질개선 방법으로서, 인공식물섬을 이용한 부유성 수생식물(I. pseudoacorus)은 그 표면적에 따라서 수층으로의 광량 투과를 제어함으로써 미세조류의 광합성 효율을 저해한다.
호수, 저수지내의 지속적인 외부기원 영양염 유입은 무엇을 야기하고 일으키는가?
호수, 저수지내의 지속적인 외부기원 영양염 유입은 부영양화 현상을 야기하며, 긴 체류시간, 낮은 N:P비, 수온 및 광량의 증가로 인해 남조류(e.q. cyanobacteria) 등의 대발생을 일으킨다(Kononen et al., 1996; Beklioglu 1999).
수생태계 다양성 및 건강성을 악화시키는 예는 무엇이 있는가?
이러한 변화는 수생태계 먹이망에 악영향을 미치며, 그 결과 수생태계 다양성 및 건강성을 악화시킨다. 예를 들면, 대량 발생된 남조류들이 먹이 사슬을 통해 동물플랑크톤에서 새우류(Engstrom et al., 2000), 어류(Tester et al., 2000)로 MCs가 전달된다는 연구가 빈번하게 보고되고 있으며, 더 나아가 패류(Sipia et al., 2001), 식용어류로까지 그 독성이 전달되어 결국에는 최상위 섭식자인 인간에게까지 영향을 미치게 된다(Magalhaes et al., 2001).
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