[국내논문]다양한 환경에서의 효율적 녹조 저감을 위한 Naphthquinone 물질의 담체화 기술 개발 및 이에 따른 생태계 변화 모니터링 Development of Immobilized Naphthoquinone for Effective Algicidal Activity under Various Environmental Conditions and It's Ecological Changing Monitoring원문보기
Bloom of small centric diatom Stephanodiscus is quite occasional in winter season in temperate freshwater ecosystems. It often leads to degradation of water quality and affects the quality of supplied drinking water. In a previous study, we have found that naphthoquinone (NQ) 4-6 derivate is an effe...
Bloom of small centric diatom Stephanodiscus is quite occasional in winter season in temperate freshwater ecosystems. It often leads to degradation of water quality and affects the quality of supplied drinking water. In a previous study, we have found that naphthoquinone (NQ) 4-6 derivate is an effective tool for efficient mitigation of natural S. hantzschii blooms. In the present research, polylactide (PLA) and agar foam were used as immobilized agent for NQ 4-6 to improve the efficiency of NQ 4-6 compound releasing process for its application under various field conditions. Mesocosm experiments at 10 ton scale suggested that the abundance of S. hantzschii was continuously increased in the control and upon treatment of the mesocosm with immobilized NQ 4-6 from PLA and agar foam. Their algicidal activities were 78.8% and 77.1%, respectively, on S. hantzschii after 10 days. In the mesocosm experiments, the dynamics of biotic (bacteria, HNFs, ciliates, zooplankton) and abiotic (water temperature, dissolved oxygen, pH, conductivity, nutrients) factors remained unaffected. They exhibited similar trends in the control and treatment groups. Therefore, the immobilized NQ 4-6 from PLA and agar foam has potential to be used as an alternative algicidal substance to effectively mitigate natural S. hantzschii blooms under various field conditions. In addition, it not only can be used to control S. hantzschii, but also is an effective technique. The immobilized NQ 4-6 showed stable controlled release in desired system.
Bloom of small centric diatom Stephanodiscus is quite occasional in winter season in temperate freshwater ecosystems. It often leads to degradation of water quality and affects the quality of supplied drinking water. In a previous study, we have found that naphthoquinone (NQ) 4-6 derivate is an effective tool for efficient mitigation of natural S. hantzschii blooms. In the present research, polylactide (PLA) and agar foam were used as immobilized agent for NQ 4-6 to improve the efficiency of NQ 4-6 compound releasing process for its application under various field conditions. Mesocosm experiments at 10 ton scale suggested that the abundance of S. hantzschii was continuously increased in the control and upon treatment of the mesocosm with immobilized NQ 4-6 from PLA and agar foam. Their algicidal activities were 78.8% and 77.1%, respectively, on S. hantzschii after 10 days. In the mesocosm experiments, the dynamics of biotic (bacteria, HNFs, ciliates, zooplankton) and abiotic (water temperature, dissolved oxygen, pH, conductivity, nutrients) factors remained unaffected. They exhibited similar trends in the control and treatment groups. Therefore, the immobilized NQ 4-6 from PLA and agar foam has potential to be used as an alternative algicidal substance to effectively mitigate natural S. hantzschii blooms under various field conditions. In addition, it not only can be used to control S. hantzschii, but also is an effective technique. The immobilized NQ 4-6 showed stable controlled release in desired system.
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문제 정의
2009). 이러한 agar의 고유 성질을 이용하여 gel화된 agar에 개발된 NQ 4-6 물질을 담지함으로써 환경 친화적인 담체를 개발하고자 하였다. 따라서, PLA와 agar을 이용한 담체에 기 개발된 NQ 4-6 물질을 담지하여 10 ton 규모의 mesocosm 내 적용 후 현장에서의 살조효과와 다양한 요인의 모니터링을 통하여 생태계 미치는 영향 평가를 통하여 현장에서 효율적으로 적용 가능한 기술을 개발하고자 하였다.
이러한 agar의 고유 성질을 이용하여 gel화된 agar에 개발된 NQ 4-6 물질을 담지함으로써 환경 친화적인 담체를 개발하고자 하였다. 따라서, PLA와 agar을 이용한 담체에 기 개발된 NQ 4-6 물질을 담지하여 10 ton 규모의 mesocosm 내 적용 후 현장에서의 살조효과와 다양한 요인의 모니터링을 통하여 생태계 미치는 영향 평가를 통하여 현장에서 효율적으로 적용 가능한 기술을 개발하고자 하였다.
또한, 조류제어제만을 사용한 경우에는 유속이 존재하는 자연 환경에서의 유실이 발생하게 되어 제어효과가 미미하다는 문제가 존재하고, 일회성의 효과만을 보이기 때문에 지속적인 살포가 요구되었다. 따라서, 앞선 문제를 보완 가능하며, 현장에서의 효율적인 제어효과를 위해서 다양한 방법에서 접근하여 각각의 단일 기술뿐만 아니라 융합적인 기술을 완성하고자 하였다. 본 연구에서 접목하고자 한 담체화 기술은 이미 다양한 산업분야에서 성공적으로 적용되고 있으며, 생물제재에 대한 고정화 연구 또한 하수처리 과정의 고도처리에 적용되어 사용되고 있다(Sawayama et al.
제안 방법
이러한 문제를 야기시키는 원인 종인 Stephanodiscus sp.에 의한 겨울철 녹조현상을 제어하기 위하여 생물유래 물질인 naphthoquinone (NQ) 유도체의 치환기(Rn) 변화를 통하여 다양한 물질을 합성하였고, 실험실 내 실험을 통하여 최적 물질 선정을 완료하였다(Byun et al. 2015; Joo et al.
이후 3일간 실험구를 안정화 기간을 거친 뒤 NQ 4-6 물질이 담지된 담체를 접종하였다. PLA와 agar를 이용하여 담체화된 NQ 4-6 물질의 mesocosm 적용 후 수생태계에 미치는 영향을 평가하기 위해 매일 11:00~13:00의 동일한 시간에 채수하여 다양한 물리·화학적·생물 요인들을 분석하였다.
수온(water temperature), pH, 용존산소(dissolved oxygen: DO), 전기전도도 (conductivity), 탁도 (turbidity) 등은 U-10수질측정기 (water quality meter) (HORIBA, Japan)를 이용하여 측정하였으며, 용존산소의 경우 winkler titrator로 추가 검증하였다. 또한, mesocosm 실험은 샘플링에 앞서 각각의 실험구에 PVC pipe를 사용하여 수층을 잘 혼합시켜 바닥에 가라앉은(bottom-dwelling) 미생물들을 부유시켜 주었다.
대상 조류 S. hantzschii에 대하여 살조효과가 입증된 NQ 4-6 물질의 PLA와 agar를 이용한 담체화 후 수생태계에 미치는 영향을 평가하고자 mesocosm 내 실험을 통하여 비생물학적 요인과 생물학적 요인을 모니터링하여 분석하였다.
따라서, 두 종류의 기질을 이용하여 담체화 기술을 접목하였다. 먼저, PLA는 빠른 시간에 자연적으로 분해될 수 있는 식물유래 생분해성 고분자로서 친환경 청정소재로 주목 받고 있다(Kim et al.
hantzschii에 대하여 >90%의 높은 살조효과를 나타냈다. NQ 4-6은 분말 또는 액상 형태의 물질로서 현장 적용시 수계의 규모와 수심 등의 환경적 특징에 따른 적용의 어려움, 물질 희석에 의한 효과 감소를 사전에 해결하고자 담체화 기술을 접목하였다. NQ 4-6 물질이 담지된 PLA, agar 담체를 이용한 10 ton 규모의 mesocosm 결과, 78.
대상 데이터
Mesocosm의 경우, 매년 저수온기에 규조류 Stephanodiscus sp. 종에 의한 녹조 대발생으로 문제가 발생하는 낙동강 수변(경상남도 김해시 대동면 지역:35°14′25.62″N, 128°59′47.95″E)에 실험구를 설치하여 수행하였다(Fig. 2).
이론/모형
염양염(Nitrite: NO2-N, Nitrate: NO3-N, Ammonium: NH4-N, Phosphate: PO4-P, silicate: SiO2-Si) 분석을 위해 매일 한 번씩 250 mL 을 실험구와 대조구에서 각각 채수하여 glass fiber filter(GF/ F) (Whatman International, Maidstone, UK)로 여과한 후 산 처리된 polyethylene bottle에 50 mL씩 나누어 -70°C deep freezer에 보존하였다. 모든 영양염 분석은 APHA (2005)에 의거하여 각각 분석하였다.
1990). HNFs와 protozooplankton (예: ciliates, amoebae)의 구별은 Patterson (2003)의 방법대로 접안렌즈 내의 calibrated ocular grid를 사용해 크기별로 group화하여 분별해 주었다. 이 방법으로는 HNFs의 정확한 수를 계수할 수는 없지만, 샘플들 사이의 세포수 변화 경향을 확인할 수 있는 좋은 방법이다.
성능/효과
Mesocosom 수행기간 동안 환경요인을 분석한 결과, 수온은 실험기간 내 대조구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 모두 4~10℃로 일정하게 측정되었으며, 대조구와 유사한 경향으로 관찰되었다(Fig. 5a).
환경요인과 더불어 mesocosm 내 영양염의 변화를 관찰한 결과, 대조구 내의 인산염인(PO4-P)은 실험 초기 723.1±7.8 μg L-1에서 점진적으로 감소하여 10일차 405.5±3.9 μg L-1까지 감소하였다 (Fig. 6a).
Mesocosm 내 박테리아의 개체수는 대조구, PLA, agar 담체 처리구 모두 실험기간 동안 5 ×105 cells mL-1에서1.9×106 cells mLq의 범위로 큰 변화 없이 모든 실험구에서 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 7a).
PLA, agar에 담체화된 NQ 4-6 물질의 10 ton 규모의 mesocosm 내 적용 후 수생태계에 미치는 영향을 평가하기 위하여 다양한 요인의 변화를 모니터링한 결과, 박테리아, HNFs, 식물플랑크톤, 섬모충, 동물플랑크톤의 생물학적 요인은 대 조구 대비 큰 차이가 관찰되지 않았다(Figs. 5-7).
hantzschii 사멸에 의하여 세포로부터 용출되는 영양염에 의해 일시적으로 높은 농도가 측정된 것으로 판단되나 현장에서의 변화 가능한 범위 내에서의 유동적인 변화로서 생태계 미치는 영향은 없을 것이라 판단된다. 아질산성 질소 (NO2-N), 질산성 질소 (NO3-N), 암모니아성 질소 (NH4-N), 규산 규소(SiO2-Si)의 경우 대조구와 처리구 모두 유사한 경향이 관찰되었다. 이러한 결과는, 기존의 살조제, 응집제 등의 현장 적용 후 영양염 재용출에 의한 부영양화 촉진의 문제점이(Hickey and Gibbs 2009) 발생하지 않는 물질로서 생태계 교란을 최소화한 기술로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
아질산성 질소 (NO2-N), 질산성 질소 (NO3-N), 암모니아성 질소 (NH4-N), 규산 규소(SiO2-Si)의 경우 대조구와 처리구 모두 유사한 경향이 관찰되었다. 이러한 결과는, 기존의 살조제, 응집제 등의 현장 적용 후 영양염 재용출에 의한 부영양화 촉진의 문제점이(Hickey and Gibbs 2009) 발생하지 않는 물질로서 생태계 교란을 최소화한 기술로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
NQ 4-6은 분말 또는 액상 형태의 물질로서 현장 적용시 수계의 규모와 수심 등의 환경적 특징에 따른 적용의 어려움, 물질 희석에 의한 효과 감소를 사전에 해결하고자 담체화 기술을 접목하였다. NQ 4-6 물질이 담지된 PLA, agar 담체를 이용한 10 ton 규모의 mesocosm 결과, 78.8% 77.1%의 높은 살조효과를 관찰할 수 있었다. 높은 살조효과 뿐만 아니라, 다른 물리·화학·생물학적 요인에 미치는 영향이 없음을 확인할 수 있었다.
후속연구
hantzschii 종에 대한 살조효과는 충분히 입증되었다고 판단된다. 담체 내 담지시키는 물질의 농도와 담체의 크기 등에 대한 연구가 추가적으로 수행된다면 살조 효과 역시 개선이 될 것이라 판단된다.
2016a). 추가적으로 본 연구를 통해 개발된 PLA, agar 담체의 경우 일정 농도의 물질이 지속적으로 수계 내 용출이 되는 방식의 기술이다. 즉, 조류가 발생하기 전의 시기에 살조물질이 담지된 PLA, agar 담체를 발생 예상 수계에 적용해 놓는다면 물질의 지속적인 용출에 의해 발생을 사전에 막을 수 있는 예방 기술로서 사용이 가능할 것으로 판단된다.
추가적으로 본 연구를 통해 개발된 PLA, agar 담체의 경우 일정 농도의 물질이 지속적으로 수계 내 용출이 되는 방식의 기술이다. 즉, 조류가 발생하기 전의 시기에 살조물질이 담지된 PLA, agar 담체를 발생 예상 수계에 적용해 놓는다면 물질의 지속적인 용출에 의해 발생을 사전에 막을 수 있는 예방 기술로서 사용이 가능할 것으로 판단된다. 더구나, PLA, agar 담체의 경우 유해물질의 배출이 적고, 생분해가 가능한 물질이므로 2차 오염의 위험성이 없고, 수생생물의 성분으로 자연친화적으로 사용이 가능할 것이다.
즉, 조류가 발생하기 전의 시기에 살조물질이 담지된 PLA, agar 담체를 발생 예상 수계에 적용해 놓는다면 물질의 지속적인 용출에 의해 발생을 사전에 막을 수 있는 예방 기술로서 사용이 가능할 것으로 판단된다. 더구나, PLA, agar 담체의 경우 유해물질의 배출이 적고, 생분해가 가능한 물질이므로 2차 오염의 위험성이 없고, 수생생물의 성분으로 자연친화적으로 사용이 가능할 것이다.
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