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문제 정의
- 본 연구에서는 현재 적조 생물을 제거하기 위해 살포되는 황토에 대한 살조효율의 과학적 근거를 제시함과 더불어 새롭게 개발된 살조물질 TD49에 대한 선택적 살조효능 및 살조기작에 관여할 수 있는 광합성능을 평가하기 위하여 적조생물(유해종 3종과 비유해종 1종)을 대상으로 황토와 TD49물질 첨가 후 종별 살조효율 비교분석, 광합성 효율, 전자 전달율과 관련된 생물활성을 각각 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 TD49와 황토를 접종 후 4종에 대한 Chl. a와 활성엽록소(activity Chl. a)를 측정하였다[Fig. 2]. H.
- 각 생물에 대한 대조군을 포함한 살조물질과 황토 처리군에서 광곡선은 0∼1364 μmol photons m-2 s-1 범위의 11단계 광 구배를 설정하였고, 각 단계별로 10초간 광도(actinic light)에 노출한 후 포화광(saturation pulse)을 조사하여 유도된 형광 변화로부터 매게 변수들을 구하였다.
- 결과적으로 본 연구에서는 유해성 적조생물과 비유해성 적조생물의 살조여부를 파악하기 위해서, Phyto- PAM 장비를 이용하여 각 파장별(470nm, 520nm, 640nm, 665nm) 엽록소 형광을 측정함으로 활성 엽록소(Activity Chl. a), 광합성효율, 광합성 전자 전달율 및 생물량을 산출하여, 세포내 광계에 영향을 미치는 생물활성정도를 파악하였다. 아울러 TD49물질과 황토처리군의 살조효율 (%)은 활성엽록소(activity Chl.
- 살조물질에 대한 각 생물에 대한 영향을 파악하기 위해 TD49처리군의 물질농도는 0.5 μM, 황토는 0.8 g L-1의 농도로 맞추었고, 모든 실험은 3개 반복구(triplicate)로 평가하였다.
- 생물의 활성반응 정도를 파악하기 위해서 모든 실험군에서 1시간, 24시간, 48시간 후에 Phyto PAM(phytoplankton analyzer; PHYTO-ED, S/N EDEF0139, Germany)장비로 광량에 대한 양자수율 (quantum yield)과 전자전달율(electron transport rate), 이로부터 광합성 광곡선을 추정하여 상대적인 광합성 변수 (rETRmax' initial slope)는 송의 논문[10]에 근거하여 산출하였다.
- a), 광합성효율, 광합성 전자 전달율 및 생물량을 산출하여, 세포내 광계에 영향을 미치는 생물활성정도를 파악하였다. 아울러 TD49물질과 황토처리군의 살조효율 (%)은 활성엽록소(activity Chl. a)를 이용하여 (1-Tt/Ct) X100식에 대입하여 구하였다. 여기서 T 와 C는 각각 처리군과 대조군의 activity Chl.
- 일정기간 동안 고농도의 밀도가 유지 될 때까지 배양한 후, 뚜껑이 달린 70mL의 실험관(ø22 mm x 200 mm, PYREX) 에 4종의 생물을 균일하게 50mL씩 분주하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 미소생물은 선택적 살조유무를 파악하기 위해서 침편모조류 2종(Heterosigma akashiwo, Chattonella marina)과 와편모조류 1종(Heterocapsa circularisquama)을 포함한 유해조류 3종과 더불어 비유해성종 은편모조류 1종(Rhodomonas salina)을 선정하였다. H. akashiwo, C. marina 그리고 R. salina는 한국해양과학기술원 남해연구소에서 보유하고 있는 분리 배양주를 이용하였고, H. circularisquama는 일본 세토 수산과학원(National Research Institute of Fisheries and Environment of Inland Sea)에서 분양받았다. 적조생물 4종에 관한 높은 밀도의 개체수를 확보하기 위한 사전 배양은 F/2 배지조건하에서, 수온 20℃, 광량 60 μmol photons m-2 s-1, 광주기 12L:12D에서 수행하였다.
- 본 실험에 사용한 미소생물은 선택적 살조유무를 파악하기 위해서 침편모조류 2종(Heterosigma akashiwo, Chattonella marina)과 와편모조류 1종(Heterocapsa circularisquama)을 포함한 유해조류 3종과 더불어 비유해성종 은편모조류 1종(Rhodomonas salina)을 선정하였다. H.
- 우리나라에서 적조 발생 시 살포하는 황토와 살조물질 TD49에 대한 영향을 유해종 3종과 비유해종 1종을 대상으로 평가하였다. Figure 1에 제시한 사진은 대조군과 황토와 TD49물질을 첨가하고 1시간 경과 후의 세포 변화 양상이다.
- 화학적 합성물질 TD49 (Thiazolidinedione 유도체)는 조선대학교 조훈교수로부터 제공받았다. 제공받은 물질에 대한 구체적인 합성과정은 선행 연구에서 상세하게 언급이 되었다[9].
- 제공받은 물질에 대한 구체적인 합성과정은 선행 연구에서 상세하게 언급이 되었다[9]. 황토는 2013년 통영시에서 Cocholodinium polykrikoides 적조 발생 당시 유해적조생물을 구제하기 위하여 부두에 적재해 둔 황토를 이용하였다.
성능/효과
- C. marina 의 대조군과 황토 처리군은 H. akashiwo 의 대조군과 황토 처리군과 유사한 광합성 효율을 보였으나, TD49 처리군에서는 2종 모두 대조군과 보다 광합성 효율이 유의하게 낮게 나타났다(p<0.001).
- 반면 TD 49 처리군에서는 대조군과 황토 처리군보다 낮은 전자전달율이 관찰되었다. C. marina와 H. circularisquama 는 TD49 처리군의 전자전달율이 나타나지 않았고, 이는 광계Ⅱ에서 광합성을 할 수 있는 전자 전달과정에 치명적인 영향을 미쳐서 결과적으로 세포의 사멸로 이어지는 것으로 파악되었다. R.
- H. akashiwo 의 광합성 효율은 대조군과 황토 처리군에서 시간경과에 따른 유의한 차이는 나타나지 않았으나 (p>0.01), 시간 경과와 더불어 소폭 증가하는 경향을 보였다.
- H. circularisquama에서는 대조군 대비 TD49 처리군과 황토 처리군에서 광합성 효율이 유의하게 낮게 나타났다(p<0.001).
- circularisquama 는 TD49 처리군의 전자전달율이 나타나지 않았고, 이는 광계Ⅱ에서 광합성을 할 수 있는 전자 전달과정에 치명적인 영향을 미쳐서 결과적으로 세포의 사멸로 이어지는 것으로 파악되었다. R. salina는 전체 실험군의 전자 전달율 곡선이 대조군과 유사하게 나타났으며, TD49와 황토에 대한 영향은 관찰되지 않았다. 결과적으로 Fig.
- salina는 전체 실험군의 전자 전달율 곡선이 대조군과 유사하게 나타났으며, TD49와 황토에 대한 영향은 관찰되지 않았다. 결과적으로 Fig. 3에 제시한 광합성 효율(Fv/Fm)이 낮게 나타난 실험군에서 전자 전달율 또한 낮게 나타나는 것을 파악 할 수 있었고, 이는 살조물질의 투입 후 시간의 경과에 따라서 광합성을 하는 광계Ⅱ에 일차적으로 스트레스를 받아 생물사멸에 관여하는 직접적 영향일 가능성이 높다. 결과적으로 살조물질 TD49는 유해 적조생물의 광합성 능력을 저해시켜 세포를 사멸시킬 수 있는 선택적 제어 물질로서 우수한 기능을 발휘할 것으로 판단된다.
- 반면, 황토처리군의 광합성 효율 및 전자 전달율의 차이는 대조군과 큰 차이를 보이지 않아, 살조효과가 미미한 것으로 판단되었다. 결과적으로 TD49 물질은 적조 대상생물에 따라서 부분적으로 제어되는 선택적 살조능을 시사할 수 있었다. 반면, 황토는 유해종에 대한 살조 효과가 그다지 높지 않았으므로 황토를 계속적으로 현장에 적용해야 할 지 심각하게 고민해야할 것이다.
- 1 (d), (h), (l)]. 결과적으로 세포의 외형상 평가에서 유해종 3종은 명확하게 TD49 처리군에서 영향을 받았고, 황토 처리군에서는 그다지 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 반면 비유해종 은편모조류 R.
- salina에 대하여, 황토와 살조물질 TD49에 대하여 살조 효과를 살펴본 결과, TD49물질은 유해종에 대하여 광합성 효율 및 전자 전달율이 낮게 나타났고, 이는 광계 Ⅱ에서 광합성을 할 수 있는 전자 전달 과정에 치명적인 영향을 미쳐 결과적으로 살조 효과를 극대화 한 것으로 파악되었다. 반면 비유해 은편모조류에 속하는 R. salina는 TD49 물질에 대한 살조 효과를 보이지 않았고, 오히려 증식에 긍적적인 영향을 미친 것으로 파악되었다. 반면, 황토처리군의 광합성 효율 및 전자 전달율의 차이는 대조군과 큰 차이를 보이지 않아, 살조효과가 미미한 것으로 판단되었다.
- akashiwo 순으로 높게 나타났다. 반면, 황토 첨가군에서 살조 효율의 명확한 차이는 보이지 않았고, 30%이하로 낮게 관찰되는 것을 알 수 있었다(Table 1). 미세조류의 세포벽의 구성 성분은 각각 다르며, 섬유소의 독특한 각(theca)의 뚜껑으로 구성된 와편모조류와 무각인 침편모조류의 세포벽은 규조류와 같은 견고한 세포벽 보다 TD 물질이 세포내에 쉽게 침투되어, 선택적인 효과를 나타낸 것으로 판단된다[11].
- salina는 TD49 물질에 대한 살조 효과를 보이지 않았고, 오히려 증식에 긍적적인 영향을 미친 것으로 파악되었다. 반면, 황토처리군의 광합성 효율 및 전자 전달율의 차이는 대조군과 큰 차이를 보이지 않아, 살조효과가 미미한 것으로 판단되었다. 결과적으로 TD49 물질은 적조 대상생물에 따라서 부분적으로 제어되는 선택적 살조능을 시사할 수 있었다.
- 본 연구에서 조사한 4종에 대한 광합성 효율은 상대적으로 대조군과 황토 처리군에서 높게 나타났다[Fig. 3]. H.
- 살조 효율에서도 TD49 물질 첨가 후 유해조류 3종은 시간의 경과와 더불어 증가하는 양상을 보였고, 특히 이들 3종의 살조 효율은 H. circularisquama> C. marina> H. akashiwo 순으로 높게 나타났다.
- 유해조류 3종 H. circularisquama, C. marina, H. akashiwo 및 비유해종 1종 R. salina에 대하여, 황토와 살조물질 TD49에 대하여 살조 효과를 살펴본 결과, TD49물질은 유해종에 대하여 광합성 효율 및 전자 전달율이 낮게 나타났고, 이는 광계 Ⅱ에서 광합성을 할 수 있는 전자 전달 과정에 치명적인 영향을 미쳐 결과적으로 살조 효과를 극대화 한 것으로 파악되었다. 반면 비유해 은편모조류에 속하는 R.
- Figure 1에 제시한 사진은 대조군과 황토와 TD49물질을 첨가하고 1시간 경과 후의 세포 변화 양상이다. 침편모조류 H. akashiwo와 C. marina, 와편모조류 H. circularisquama 는 TD49 처리군에서 명확하게 세포가 파괴되는 것을 알 수 있었다[Fig. 1 (e), (f), (g)].
후속연구
- 3에 제시한 광합성 효율(Fv/Fm)이 낮게 나타난 실험군에서 전자 전달율 또한 낮게 나타나는 것을 파악 할 수 있었고, 이는 살조물질의 투입 후 시간의 경과에 따라서 광합성을 하는 광계Ⅱ에 일차적으로 스트레스를 받아 생물사멸에 관여하는 직접적 영향일 가능성이 높다. 결과적으로 살조물질 TD49는 유해 적조생물의 광합성 능력을 저해시켜 세포를 사멸시킬 수 있는 선택적 제어 물질로서 우수한 기능을 발휘할 것으로 판단된다.
- 일부 지방자치단체에서는 황토살포에 의한 적조구제 효율은 낮은 반면 친환경적이지 않다는 이유로 사용을 금지하고 있는 실정이고, 실제 피해를 본 어민들 사이에서도 황토의 구제효율에 대한 의구심이 증폭되고 있다. 결과적으로 황토에 대한 구제효율에 관한 명확한 과학적 근거를 제시해 주는 것과 아울러 적조생물을 효과적으로 제거하면서 해양생태계에 미치는 2차 문제를 최소화하는 친환경적인 제어방법을 개발하는 것이 무엇보다 시급하다고 하겠다.
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