[논문]국내 담수역 남조류 원격탐사를 위한 피코시아닌 추출법 비교 연구

하림; 신현주; 남기범; 박상현; 강태구; 송현오; 이혁

doi:10.15681/kswe.2016.32.6.520

국내 담수역 남조류 원격탐사를 위한 피코시아닌 추출법 비교 연구
A Study on Comparison of Phycocyanin Extraction Methods for Hyperspectral Remote Sensing of Cyanobacteria in Turbid Inland Waters 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.32 no.6, 2016년, pp.520 - 527

하림 (국립환경과학원 물환경평가연구과) , 신현주 (국립환경과학원 물환경평가연구과) , 남기범 (국립환경과학원 물환경평가연구과) , 박상현 (국립환경과학원 물환경평가연구과) , 강태구 (국립환경과학원 영산강물환경연구소) , 송현오 (국립환경과학원 물환경평가연구과) , 이혁 (국립환경과학원 물환경평가연구과)

Abstract ▼ AI-Helper

Phycocyanin (PC) is one of the water-soluble accessory pigments of cyanobacteria species, and its concentration is used to estimate the presence and relative abundance of cyanobacteria. In laboratory experiments, PC content of field data were determined using Sarada's freeze-thaw method in algal bloom season. The effectiveness of three selected extraction methods (repeated freeze-thaw method, homogenization, power control) for PC were determined. The extraction efficiency of phycocyanin was the highest (of the methods compared) when a single freezing-thawing cycle was followed by pre-sonication. Applying this optimized method to surface water of Korean inland waters, the average concentration distribution was estimated at $2.9{\sim}51.9mg/m^3$. It has been shown that the optimized pre-sonication method is suitable to measure cyanobacteria PC content for the characterization of inland waters. The approach and results of this study indicates the potential of effective methods for remote monitoring and management of water quality in turbid inland waters using hyperspectral remote sensing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

한편, Matthews(2011)가 발표한 조사 연구에 따르면 현재까지 PC 농도 추정 관련 연구 사례는 다양하나, 이에 사용되는 기법들 통일성을 찾기 힘들다고 발표한 바 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 담수역을 대상으로 다양한 조건 비교 실험을 통해 찾은 적절한 PC 추출 기법을 통해 조류 원격탐사 결과의 평가 기준을 제시하고자 한다.
지금까지의 실험을 통해 동결 및 해동 이후의 파쇄는 손실을 야기할 수도 있으며, 여지의 사용이 흡광도 측정에 오차를 가져올 수 있다고 판단하였다. 따라서 세 번째 실험에서는 여지를 사용하지 않고 농축 시료 원액 상태로 사전 균질화 과정만으로도 결과에 어느 정도 영향을 미치는지 확인하고자 하였다. 시료는 2015년 8월 3일 낙동강 강정고령보에서 획득하였으며, 초음파파쇄 시간은 사전 균질화 의미로 짧게 5 초간 3회, 6회, 12회, 18회, 24회, 30회로 6가지 비교 실험을 실시하였다(Table 4).
그러나 이후 실험에서는 강도를 높일수록 오히려 농도가 감소되는 경향을 보여 동결 및 해동 이후의 파쇄는 손실을 야기할 수도 있다고 판단되었다. 따라서 손실을 최소화하기 위한 실험을 추가 수행하였다.
본 연구는 수질관리(보건, 위생) 측면에서 큰 문제가 되고 있는 남조류 대발생을 주기적으로 모니터링하고 신속히 대응하기 위한 기초연구로써, 국내 담수역에 적합한 PC의 추출 기법을 통해 원격탐사를 이용한 남조류 모니터링의 적용성 및 평가 기준을 제시하고자 하였다.
현재까지 국내에서는 PC 색소 추출을 위한 규정된 시험법이 없으므로, 본 연구에서 다양한 실험분석을 통해 최적의 추출 기법을 제시하고자 하였다.

제안 방법

6월부터 8월까지 4회차 시료는 비교 테스트를 위해 활용되었으며, 이를 제외하고 9월 이후 11회 추가 획득한 시료에 대해 최적화 기법을 적용하여 PC를 추출하였다. 그 결과 평균 2.
네 번째로 사전 균질화 시간 두 가지 경우(5초간 3회, 6회)를 기준으로 동결 및 해동 횟수(1회, 2회, 3회, 4회, 5회)에 따른 결과를 비교해 보았다(Table 5). 시료는 2015년 8월 9일 북한강 공지천 유입부에서 채수하였으며, 각 방법별 2회씩 흡광도를 측정하고, 각 시료량은 처음 50 mL 사전 균질화 이후 5 mL 씩 나눠 담아 동결 및 해동을 실시하였다.
두 번째로 동결 및 해동 중간과정 초음파파쇄에서 오는 손실 체크를 위해 위 실험과 동일하게 수행하되, 여지는 사용하지 않고 초음파 파쇄 강도만 바꾸어 추가 실험을 실시하였다. 그 결과 동결 및 해동 1회, 파쇄는 200W로 5초씩 6회(총 1분) 수행 시 흡광도가 가장 높게 나타났다(Table 3).
국내에서는 남조류 발생을 주기적으로 모니터링하고, 발생 정도에 따라 신속히 대응하는 수질예보제 및 조류경보제를 실시하여 선제적으로 조류 저감 대책을 수립하여 왔다. 수질예보제는 국내 4대강 16개 보 및 북한강 삼봉리 등 총 17개 지점을 대상으로 기상 수질 유량 등을 분석하여 클로로필-a (Chlorophyll-a, Chl-a) 예측 농도와 남조류 세포수를 기준으로 발령하며, 조류경보제는 주요 상수원(팔당호, 대청호, 충주호, 주암호 등 22개 호소 및 낙동강 3개보 구간)을 대상으로 기준에 따라 발령하였다. 그러나 종종 유해남조류 세포수는 기준(5,000 cell/mL)을 초과하여 경보발령상황이었음에도 불구하고 클로로필-a (Chlorophyll-a, Chl-a) 농도는 기준(25 mg/m³) 미만으로 경보가 발령되지 않은 사례가 발생하였다.
2) 5 mL를 추가하여 -20 °C에서 24시간 동결하였다. 시료의 해동 및 원심분리 과정을 거친 후, 분광광도계(spectrophotometer)를 이용하여 620 nm와 652 nm에서의 흡광도를 측정하였다.
시료는 2015년 8월 3일 낙동강 강정고령보에서 획득하였으며, 초음파파쇄 시간은 사전 균질화 의미로 짧게 5 초간 3회, 6회, 12회, 18회, 24회, 30회로 6가지 비교 실험을 실시하였다(Table 4). 오차를 줄이기 위해 각 방법별 동일 시료는 3회씩 연속 측정하여 평균하였다. 실험결과, 사전균질화 단계에서도 과하게 세포벽이 파쇄 되었을 경우, Chl-a 색소가 추출되어 670 nm 근처 및 620 nm 까지 영향을 미치는 것을 확인하였다.
채수와 동일한 지점에서 350~2,500 nm 파장대(VIS/NIR) 영역을 1 nm 간격으로 측정하는 휴대용 분광복사계(Fieldspec4, ASD inc., USA)를 이용하여 수체에서 일어나는 원격반사도(Remote sensing reflectance, Rrs)를 측정하였다.
첫 번째로 여과지의 사용 여부를 결정하기 위해 GF/F에 여과한 시료와 여과하지 않은 농축시료를 이용하였으며, 동결과 해동 반복 횟수 증가 및 세포벽 파쇄를 위한 초음파 파쇄 강도 단계에 따른 비교 실험을 수행하였다. 본 분석에는 2015년 7월 1일 한강 행주대교에서 채수한 시료를 사용하였으며, 결과는 Table 2와 같이 시료를 여과하지 않은 상태로 동결 및 해동 후 세포벽 파쇄 단계로 이어지는 과정이 더 높은 농도를 추출할 수 있었다.

대상 데이터

남조류 농도 분석을 위한 PC 추출용 현장 시료는 2015년 6월 17일부터 10월 7일까지 한강하류, 북한강 및 낙동강 유역을 대상으로 총 15회 채수 시료를 이용하였으며, 시료는 현장 녹조 발생 정도에 따라 10 ~ 50 L의 표층수를 식물플랑크톤 네트를 이용하여 농축한 후(Fig. 1), 100 mL 광구 병에 담아 냉 암소 조건하에 운반하였다.
첫 번째로 여과지의 사용 여부를 결정하기 위해 GF/F에 여과한 시료와 여과하지 않은 농축시료를 이용하였으며, 동결과 해동 반복 횟수 증가 및 세포벽 파쇄를 위한 초음파 파쇄 강도 단계에 따른 비교 실험을 수행하였다. 본 분석에는 2015년 7월 1일 한강 행주대교에서 채수한 시료를 사용하였으며, 결과는 Table 2와 같이 시료를 여과하지 않은 상태로 동결 및 해동 후 세포벽 파쇄 단계로 이어지는 과정이 더 높은 농도를 추출할 수 있었다.
분석에는 2015년 6월 17일 북한강 의암호에서 채수한 20지점 농축 시료를 사용하였으며, 20 mL를 분취하여 15mL 원심관에 담아 초음파파쇄기로 30초씩 5번 균질화시킨 후, 1차로 원심분리(25,000 ×g, 4 °C, 20 분)하였다.
따라서 세 번째 실험에서는 여지를 사용하지 않고 농축 시료 원액 상태로 사전 균질화 과정만으로도 결과에 어느 정도 영향을 미치는지 확인하고자 하였다. 시료는 2015년 8월 3일 낙동강 강정고령보에서 획득하였으며, 초음파파쇄 시간은 사전 균질화 의미로 짧게 5 초간 3회, 6회, 12회, 18회, 24회, 30회로 6가지 비교 실험을 실시하였다(Table 4). 오차를 줄이기 위해 각 방법별 동일 시료는 3회씩 연속 측정하여 평균하였다.
네 번째로 사전 균질화 시간 두 가지 경우(5초간 3회, 6회)를 기준으로 동결 및 해동 횟수(1회, 2회, 3회, 4회, 5회)에 따른 결과를 비교해 보았다(Table 5). 시료는 2015년 8월 9일 북한강 공지천 유입부에서 채수하였으며, 각 방법별 2회씩 흡광도를 측정하고, 각 시료량은 처음 50 mL 사전 균질화 이후 5 mL 씩 나눠 담아 동결 및 해동을 실시하였다. 그 결과, 동결 및 해동 2회 시행 값이 가장 높았으며, 그 이후 다시 감소하는 경향을 보였다.
추출 기법별 비교 및 최적화를 위해 2015년 6월부터 8월까지 총 4개 시료를 이용하였으며, Simis et al. (2005)이 제안한 기법을 기초로 예비 실험을 수행하였다.

이론/모형

PC 농도 추정은 Sarada et al.(1999)이 제안한 기법을 주로 따르며, 이는 동결 및 해동 기법을 기초로 한다. 추출된 PC 농도는 색소에 반응하는 고유분광특성을 이용하여 Simis et al.

성능/효과

2015년 8월 9일 북한강 공지천 유입부 시료를 이용하여 사전 균질화 테스트 결과, 670 nm 파장 근처에서 Chl-a 색소가 같이 추출됨에 따라 PC 농도 값에 오차를 주는 것으로 사료되었다. 따라서 Chl-a 색소 영향을 최소로 하는 초음파파쇄 시간은 5초간 3회로 수행하는 것이 가장 효율적인 것으로 나타났다.
PC 추출을 위한 다양한 조건 비교 결과, 동결 및 해동은 1~2회 만으로도 충분한 결과를 얻을 수 있었다. 2015년 7월 1일 한강 행주대교시료를 이용하여 동결과 해동 1회를 기준으로 초음파파쇄 강도 테스트 결과, 5초씩 9회(총 1.
4 + EDTA)에 따른 PC 추출 농도(㎍/mL) 비교 값을 제시하였다. 그 결과 sodium phosphate buffer룰 사용했을 때 가장 높게 추출되었으며, 몰 농도는 50 mM일 때 가장 효과적인 것으로 나타났다.
두 번째로 동결 및 해동 중간과정 초음파파쇄에서 오는 손실 체크를 위해 위 실험과 동일하게 수행하되, 여지는 사용하지 않고 초음파 파쇄 강도만 바꾸어 추가 실험을 실시하였다. 그 결과 동결 및 해동 1회, 파쇄는 200W로 5초씩 6회(총 1분) 수행 시 흡광도가 가장 높게 나타났다(Table 3).
6월부터 8월까지 4회차 시료는 비교 테스트를 위해 활용되었으며, 이를 제외하고 9월 이후 11회 추가 획득한 시료에 대해 최적화 기법을 적용하여 PC를 추출하였다. 그 결과 평균 2.9 ~ 51.9 mg/m³ 분포를 나타냈으며, 북한강 수계의암호에서 낮은 농도를, 한강하류에서 281.9 mg/m³로 높은 값을 보였다. PC 추출 결과를 Simis et al.
시료는 2015년 8월 9일 북한강 공지천 유입부에서 채수하였으며, 각 방법별 2회씩 흡광도를 측정하고, 각 시료량은 처음 50 mL 사전 균질화 이후 5 mL 씩 나눠 담아 동결 및 해동을 실시하였다. 그 결과, 동결 및 해동 2회 시행 값이 가장 높았으며, 그 이후 다시 감소하는 경향을 보였다. 전체적으로 동결 및 해동 1 ~2회 만으로도 충분한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
2015년 8월 9일 북한강 공지천 유입부 시료를 이용하여 사전 균질화 테스트 결과, 670 nm 파장 근처에서 Chl-a 색소가 같이 추출됨에 따라 PC 농도 값에 오차를 주는 것으로 사료되었다. 따라서 Chl-a 색소 영향을 최소로 하는 초음파파쇄 시간은 5초간 3회로 수행하는 것이 가장 효율적인 것으로 나타났다.
61로 유의한 수준임을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 PC 추출 기법은 현장 시료를 대상으로 적절히 추출된 것으로 사료된다. 향후 추출 PC 농도를 기반으로 현장 측정 원격반사도와의 상관성을 높이는 연구가 추가로 진행되어야 하며, 다양한 시기 및 수계별 자료를 지속적으로 수집하고 개선된 원격탐사 알고리즘을 적용하면 정확도를 더 높일 수 있을 것이라 예상된다.
본 실험에서 초음파파쇄 시 시료의 온도가 40 °C ~ 50 °C 까지 상승하는 것을 확인하였으며, 이미 파괴된 PC 단백질 단량체가 2회차 초음파파쇄 과정 중에 상승한 온도에 의해 변성을 일으킨 것으로 사료된다.
비교 실험 결과 PC가 가장 안정적으로 추출되는 기법은 동결 해동 기법을 기반으로, 초음파 파쇄기(200 W)를 이용하여 30 mL 시료를 50 mL 원심관에 담은 후, 5 초간 3회(총 30 초) 동안 시료를 사전 균질화 하는 것으로 판단되었다. 이후, 원심분리(4,000 rpm, 5 °C, 15 분)를 시켜 상등액은 따라 버리고 남은 pellet에 5 mL 완충용 phosphate buffer(pH 7.
오차를 줄이기 위해 각 방법별 동일 시료는 3회씩 연속 측정하여 평균하였다. 실험결과, 사전균질화 단계에서도 과하게 세포벽이 파쇄 되었을 경우, Chl-a 색소가 추출되어 670 nm 근처 및 620 nm 까지 영향을 미치는 것을 확인하였다. Chl-a 색소에 의한 흡광도 영향을 최소화하고자 670 nm 파장 근처에서 Chl-a 간섭을 최소화 할 수 있는 적절한 균질화 시간은 30 초 내지 1 분으로 판단되었다(Fig.
9 mg/m³ 분포를 나타냈으며, 주로 북한강 수계의암호에서 낮은 농도를 보였다. 전반적으로 한강하류에서 높은 값을 보였으며, 특히 10월 7일에 281.9 mg/m³로 최대값을 보였다. 현장에서 시료 채수와 동시에 측정된 Rrs는 수계별로 유사한 반사 스펙트럼을 보였으며, 공통적으로 620 nm 파장에서 PC에 의한 흡수 피크와 675 nm 파장에서 Chl-a에 의한 흡수 피크가 관찰되었다(Fig.
그 결과, 동결 및 해동 2회 시행 값이 가장 높았으며, 그 이후 다시 감소하는 경향을 보였다. 전체적으로 동결 및 해동 1 ~2회 만으로도 충분한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
추출법을 통한 결과를 원격반사도 Rrs를 이용하여 Simis et al. (2007)의 알고리즘에 의해 계산된 PC 농도와 비교한 결과, R²가 0.61로 유사한 정확도를 보였다(Fig. 9). 한강하류에서 실측한 지점 중 PC 농도가 매우 높았던 일부 지점을 제외하고는 즉각적으로 현장 PC 농도를 파악하기 위한 Rrs의 활용은 적절한 것으로 사료되었다.
9). 한강하류에서 실측한 지점 중 PC 농도가 매우 높았던 일부 지점을 제외하고는 즉각적으로 현장 PC 농도를 파악하기 위한 Rrs의 활용은 적절한 것으로 사료되었다. 다만, 수체 내 남조류가 가진 총 PC 색소의 회수율이 100 %는 아니므로 추출 순도를 평가하기에는 무리가 있으나, 유해한 조류의 대발생과 동시 수체 현황을 즉각적으로 파악하는 원격탐사 기법에는 활용도가 높을 것으로 기대된다.
9 mg/m³로 최대값을 보였다. 현장에서 시료 채수와 동시에 측정된 Rrs는 수계별로 유사한 반사 스펙트럼을 보였으며, 공통적으로 620 nm 파장에서 PC에 의한 흡수 피크와 675 nm 파장에서 Chl-a에 의한 흡수 피크가 관찰되었다(Fig. 8).

후속연구

한강하류에서 실측한 지점 중 PC 농도가 매우 높았던 일부 지점을 제외하고는 즉각적으로 현장 PC 농도를 파악하기 위한 Rrs의 활용은 적절한 것으로 사료되었다. 다만, 수체 내 남조류가 가진 총 PC 색소의 회수율이 100 %는 아니므로 추출 순도를 평가하기에는 무리가 있으나, 유해한 조류의 대발생과 동시 수체 현황을 즉각적으로 파악하는 원격탐사 기법에는 활용도가 높을 것으로 기대된다.
향후 추출 PC 농도를 기반으로 현장 측정 원격반사도와의 상관성을 높이는 연구가 추가로 진행되어야 하며, 다양한 시기 및 수계별 자료를 지속적으로 수집하고 개선된 원격탐사 알고리즘을 적용하면 정확도를 더 높일 수 있을 것이라 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	남조류 발생에 대한 국내 대책은?	국내에서는 남조류 발생을 주기적으로 모니터링하고, 발생 정도에 따라 신속히 대응하는 수질예보제 및 조류경보제를 실시하여 선제적으로 조류 저감 대책을 수립하여 왔다. 수질예보제는 국내 4대강 16개 보 및 북한강 삼봉리 등 총 17개 지점을 대상으로 기상 수질 유량 등을 분석하여 클로로필-a (Chlorophyll-a, Chl-a) 예측 농도와 남조류 세포수를 기준으로 발령하며, 조류경보제는 주요 상수원(팔당호, 대청호, 충주호, 주암호 등 22개 호소 및 낙동강 3개보 구간)을 대상으로 기준에 따라 발령하였다.
	최근 기후변화가 수질관리에 끼친 영향은?	최근 기후변화로 인해 여름철 수온이 급증함에 따라 남조류가 크게 발생하고 있으며, 특히 독소를 생성하는 유해 남조류(Microcystis sp., Anabaena sp., Aphanizomenon sp., Oscillatoria sp., 등)종으로 인한 오염은 수질관리(보건, 위생) 측면에서 큰 문제가 되고 있다. 이를 다르게 유해조류 대발생(Harmful Algal Bloom, HAB)으로도 표현하여 관련 연구도 꾸준히 이루어지고 있다.
	피코시아닌 농도추정에 사용되는 기법은?	또한 세포수만 정확히 계수 한다 해도 세포수와 남조류가 가진 유해물질 농도가 비례하지 않을 수 있기 때문에, 남조류가 가진 고유 색소 피코시아닌(Phycocyanin, PC)으로부터 농도를 추정하여 수질을 원격모니터링 하는 연구가 다수 발표되었다. PC 농도 추정은 Sarada et al.(1999)이 제안한 기법을 주로 따르며, 이는 동결 및 해동 기법을 기초로 한다. 추출된 PC 농도는 색소에 반응하는 고유분광특성을 이용하여 Simis et al.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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