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문제 정의
- 본 연구에서는 >50 ㎛에 해당되는 동물플랑크톤 군집에 관해서 자연생물군집 시료를 확보하여 BWTS 시험수로 활용 가능여부를 평가하고자 하였다.
- 이러한 문제점을 고려하여, 연중 생물의 서식환경이 좋지 않는 동계의 조건에서 >50㎛의 생물군이 USCG(U.S Coast Guard) phase II 형식승인에 대비한 기준을 충족하는지 알아보고자 하였다.
제안 방법
- >50 ㎛ 해양생물 채집(주로 동물플랑크톤)은 네트 막힘 현상이 나타나지 않고, 채집 효율을 높이기 위해 망목 200 ㎛의 네트(망구 60cm, 길이 3m) 가 두 개 장착된 Bongo 타입의 네트를 이용하여 채집하였다[Fig. 1].
- 각 실험군 동물플랑크톤 군집조성과 현존량 분석을 위해 35 µm 네트로 1톤 해수를 현장에서 농축한 후, Bogorove 계수판에 10 mL의 농축 시료를 분주하여 실체현미경 (Zeiss, SV11)으로 3회 반복 관찰하였다.
- 그 후 “테크로스” 업체에서 개발한 BWTS 장비를 가동시켜 실제로 대조군과 처리군에서 어떻게 처리되고 있는지 >50 µm 생물의 처리효율을 평가하였다.
- 그 후, 각 항차별 1톤으로 농축된 현장시료를 원수탱크의 용기에 넣고 프로펠러로 혼합(탱크의 내부에 장착됨)한 후 >50 ㎛ 생물 총개체수 밀도와 생물사멸 여부를 평가하였다.
- 네트작업(플랑크톤 네트로 예인)은 일괄적으로 약 5분 동안 수행하였고, 네트를 선상으로 올리기 전 해수로 네트를 깨끗하게 세척한 후 선상에서 네트 끝부분 cod-end를 분리하였다. 그 후 BWTS설비 평가에 비효율적인 크기의 생물군, 부유물 및 해파리를 제거할 수 있도록 플라스틱 여과망을 통과시킨 후 버켓에 모아 신속하게 1톤 탱크에 옮겼다.
- 이를 고려하기 위해 만약 50 ㎛ 망목 크기의 네트를 이용할 경우 일정량 생물농축이 되면 네트가 훼손될 가능성이 매우 높을 뿐만 아니라, 계속적인 네트 세척을 반복하여야 하는 번거로움과 함께 다양한 생물을 효율적으로 채집하기에는 적합하지 않을 것으로 판단되었다. 따라서 해수 여과효율 증대와 동시에 생물채집 횟수를 늘리는 것이 다양한 생물을 농축하기에 합리적인 방법이라 판단되어, 200 ㎛ 망목의 네트를 이용하였다.
- 아울러 채집 시 망목의 막힘 현상으로 네트의 파손을 방지하기 위해서 선박 항해 속도는 2노트 이하로 유지하였다. 또한 네트 입구에 유속계 (Hydro-Bios Kiel, Model 438115)를 부착하여 네트를 통하여 여과되는 해수의 량을 측정하여, 총 대량 농축된 생물량을 산출하였다. 특히 동계 생물밀도가 상대적으로 낮게 유지되는 시기에 대량 생물농축 정도를 평가하는 것은 실제 다른 계절에 BWTS 장비를 평가할 경우, 채집시간을 파악할 수 있는 기초자료로 활용 가능하다.
- 마지막으로 장목만 농축시료를 대상으로 BWTS처리 5일 경과 후 대조군과 처리군의 >50 µm 생물 생사여부 및 총 개체수 밀도를 파악하였다.
- 상기에서 언급된, >50 µm 생물 생사판별은 해부현미경하에서 뾰족한 침으로 자극하여 움직임이 없는 생물을 죽은 것(사망률)으로 간주하여 평가하였다[5].
- 그 후, 각 항차별 1톤으로 농축된 현장시료를 원수탱크의 용기에 넣고 프로펠러로 혼합(탱크의 내부에 장착됨)한 후 >50 ㎛ 생물 총개체수 밀도와 생물사멸 여부를 평가하였다. 아울러 500톤 원수탱크의 해수를 동시에 BWTS를 처리하지 않은 대조군(Control:250톤)과 BWTS를 처리한 후 처리군(Treatment:250톤) 탱크로 흘려보내 생물 개체수 밀도 및 생물 사멸여부를 2차적으로 평가하였다. 그 결과, 장목만에서 채집된 시료의 Test water에서 >50 µm 동물플랑크톤 총 개체수 밀도는 6.
- 협약의 주요 골자는 국제 기준에 맞게 선박평형수를 처리할 수 있는 선박평형수처리 장치(BWTS:Ballast Water Treatment System)를 개발하여 생물을 제거 및 사멸시킨 후 배출할 수 있도록 하는 것이다. 아울러 협약의 각 분야별 업무분장을 구분하여 G1-G14의 세부지침을 두었고, 그 중 G2의 평형수 시료 채취에 관한 지침의 세세부항목으로 D-2 regulation을 두어, 각 생물군 크기에 따른 배출기준을 제정하였다. 또한 이들 기준에 맞게 선박평형수 형식승인(G8) 기준을 정리하였다.
- 아울러, 육상시험설비 500 톤 탱크에 자연해수를 주입하고 난 후, 농축된 1톤 시료를 넣고, 시험수(Test water)내 >50 µm 동물플랑크톤 개체수, 종조성 및 생물 사망률을 산출하였다.
- 그 후 “테크로스” 업체에서 개발한 BWTS 장비를 가동시켜 실제로 대조군과 처리군에서 어떻게 처리되고 있는지 >50 µm 생물의 처리효율을 평가하였다. 특히 장목만에서 채집한 시료를 대상으로 BWTS처리 5일 경과 후 생물 생사판별 및 생물활성을 평가하였다. 각 실험군 동물플랑크톤 군집조성과 현존량 분석을 위해 35 µm 네트로 1톤 해수를 현장에서 농축한 후, Bogorove 계수판에 10 mL의 농축 시료를 분주하여 실체현미경 (Zeiss, SV11)으로 3회 반복 관찰하였다.
- 현장에서 농축한 생물을 1톤 용기에서 생물 생사판별 및 전체 개체수 밀도를 1차적으로 확인 후, 장목만 해수를 시간당 250-300톤을 처리할 수 있는 유속으로 배관을 통과시켜 원수탱크(Test water) 500톤에 채웠다. 그 후, 각 항차별 1톤으로 농축된 현장시료를 원수탱크의 용기에 넣고 프로펠러로 혼합(탱크의 내부에 장착됨)한 후 >50 ㎛ 생물 총개체수 밀도와 생물사멸 여부를 평가하였다.
- 현장조사 후 육상시험설비에서 시험수 조건에 부합되는지 평가하기 위해 장목만(1/15)과 마산만(1/22)해역에서 채집된 시료를 매 항차별 1톤 용기를 균일하게 혼합하여 >50 µm 자연생물 개체수 및 종조성을 실체 현미경(Zeiss, SV11, Germany)으로 1차적으로 관찰하였고, 총 개체수 및 생물사망 개체수를 산출하였다.
대상 데이터
- 2015년 1월 15일에 실시된 장목만 채집은 오전 10시부터 오후 4시 30분까지 총 25회 이루어졌으며, 네트를 통과한 여과된 해수의 총량은 2,629톤으로 나타났다[Table 1]. 아울러 마산만에서 수행된 채집 작업은 오전 10시 30분부터 오후 3시 30분까지 총 23회 수행되었고, 총 여과량은 2,978톤으로 장목만보다 조금 높게 나타났다.
- 1]. BWTS장비의 성능검사를 위한 채집은 망목 200 ㎛ 네트를 이용하였고, 200 ㎛ 이하의 생물은 채집되지 않는 단점이 있다. 이를 고려하기 위해 만약 50 ㎛ 망목 크기의 네트를 이용할 경우 일정량 생물농축이 되면 네트가 훼손될 가능성이 매우 높을 뿐만 아니라, 계속적인 네트 세척을 반복하여야 하는 번거로움과 함께 다양한 생물을 효율적으로 채집하기에는 적합하지 않을 것으로 판단되었다.
- 본 연구는 USCG Phase-II 형식시험 기준의 자연시료 확보 방안의 일환으로, 2015년 1월에 국가공인 육상시험설비와 인접한 장목만과 마산만에서 각각 2명의 조사인원이 참여하여 약 6-7시간 동안 50 µm이상의 자연시료를 채집하였다.
- S Coast Guard) phase-II 형식승인에 대비하여 적합한 BWTS장비의 성능검사를 위해서, >50 ㎛ 자연생물을 70% 이상 유지하는 것이 중요하다. 이들 50 ㎛ 해양생물 채집은 국가공인 육상시험설비가 위치한 한국해양과학기술원 남해연구소에 인접한 거제시 장목만과 부영양화 현상이 장기적으로 지속되는 수계이면서 부유생물 개체수 밀도가 매우 높은 창원시 마산만 내측에서 2015년 1월15일과 22일에 각각 수행하였다.
- 해양 자연생물 채집은 한국해양과학기술원 연구선 “장목1호”를 이용하였고, 조사는 오전 9시에서 오후 4-5시까지 수행되었다.
이론/모형
- 아울러 협약의 각 분야별 업무분장을 구분하여 G1-G14의 세부지침을 두었고, 그 중 G2의 평형수 시료 채취에 관한 지침의 세세부항목으로 D-2 regulation을 두어, 각 생물군 크기에 따른 배출기준을 제정하였다. 또한 이들 기준에 맞게 선박평형수 형식승인(G8) 기준을 정리하였다.
성능/효과
- >50µm 생물이 네트로 예인되면서 농축되는 과정에서 성체보다 미성숙체가 받는 스트레스가 크게 작용되었을 가능성이 높다, 특히, 1톤의 생물농축 탱크의 생물사멸률은 장목만(17.4%)과 마산만(19.9%)에서 크게 차이를 보이지 않았으나, 원수탱크에 넣는 과정에서 펌프를 이용하였고, 그 결과 두 해역간의 생물 사명률은 현저하게 차이를 보였다(t-test, p<0.001).
- 각 항차별 1톤 용기에서 농축한 생물량을 평가한 결과, 채집된 >50 ㎛ 자연시료에서 동물플랑크톤 종조성은 장목만에서 5문 15종이 출현하였고, 마산만에서 4문 11종이 출현하였다[Table 2].
- 특히 1톤 탱크에는 농축된 시료의 지속적인 생물 활성을 유지할 수 있도록 사전에 일정량의 해수를 채워, 에어펌프를 이용하여 공기를 공급하였다. 결과적으로 5분간 생물채집 후, 시료 처리, 다음 채집준비 등의 순서로 이루어진 일련의 채집과정을 수행하는데 소요되는 시간은 약 13-15분이 소요되었으며, 1시간 당 4-5회 채집이 가능하였다.
- 결과적으로 동계에 출현한 >50 µm 생물을 현장에서 농축 평가한 결과, 농축된 시료는 형식승인을 받을 수 있는 시험수 기준의 1/3수준에 머물렀으나, "테크로스"업체의 BWTS 장비를 통과한 생물은 처리당일에 전멸하여, 처리 5일 경과 후에도 동일한 결과를 보였고, 이와 같은 결과는 BWTS장비가 정상적으로 가동되어 생물처리 효능이 있다고 판단된다.
- 본 연구에서 수행한 동계 낮은 개체수밀도가 관찰되는 시기에 USCG phase II 형식승인 시험을 수행할 경우, 자연생물군집의 70% 이상 유지하기 위해서는 3척의 선박을 이용하여 1일(8시간)동안 수행하는 것이 필요할 것이다. 결과적으로 본 연구를 통하여 IMO G2의 D-2 규정에 근거하여 USCG phase-II 형식승인 시험수기준인 자연생물군집을 70% 이상 유지할 수 있는 가능성을 시사할 수 있었다. 이와 같은 결과는 산업체에서 추가적으로 USCG phase-II BWTS를 개발하여 평가할 수 있는 체계를 구축하는데 있어, 생물을 배양하거나 사육하지 않고, 시험수 조건을 충족할 수 있는 유익한 정보를 제공할 수 있었다.
- 이는 동일한 방법으로 생물을 주입하였음에도 불구하고 유의한 차이가 나타났다는 것은 누적되는 인위적인 스트레스가 Acartia 속의 미성숙체에 치명적인 영향을 미쳐, 마산만의 시료에서 높은 사명률로 이어졌을 가능성이 높다. 결과적으로 본 연구에서 관찰된 것과 같이 두 해역의 생물의 출현 및 농축효율이 비슷할 경우 가까운 장목만에서 생물을 농축하는 것이 유리할 것으로 판단되고, 미성숙체 개체수가 높은 밀도로 존재할 경우 농축된 1톤 시료를 크레인을 이용하여 원수탱크 위치로 올려 자연 낙하로 생물 스트레스를 최소화할 수 있는 방법론 개선으로 BWTS 설비를 평가하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
- 결과적으로 출현하는 종조성 관점에서는 장목만과 마산만 채집 시료에서 3문 5종 이상이 출현하여 IMO 및 USCG phase II의 기준의 시험수 조건을 충족할 수 있었다. 채집 및 농축한 >50 ㎛ 개체수 밀도는 장목만에서 1.
- 그 결과, 네트에 의한 고밀도 농축에서도 생물의 사멸률은 10% 전후로 낮게 관찰되어, >50 ㎛ 생물군보다 생물 사망률이 상대적으로 낮게 유지될 수 있었든 이유라 판단된다.
- 그 결과, 육상시험에 필요한 종조성 조건(3문 5종 이상)은 충족시켰으나, 생물의 개체수 밀도는 시험조건 10×104 inds.
- 그 결과, 장목만에서 채집된 시료의 Test water에서 >50 µm 동물플랑크톤 총 개체수 밀도는 6.0×104 ind. ton-1 로 나타났고.
- 그 중 절지동물에 속하는 요각류 Acartia omorii 개체수는 장목만과 마산만에서 각각 8.4×106 ind. ton-1과 11.8×106 ind. ton-1 로 극우점종으로 구분되었다.
- 따라서 본 연구를 통하여, >50㎛ 움직이는 생물군에 대한 자연시료를 확보할 경우, BWTS의 처리 전 단계에서 전체 15-20% 생물 사멸을 고려하여, 가능하면 산술적으로 예상된 밀도보다 높은 생물 농축을 수행하는 것이 BWTS처리수 생물기준을 만족시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 두 번째로는 농축된 생물 군집조성의 차이에서 기인된 것으로 판단할 수 있다. 마산만과 장목만에서 농축된 생물은 Acartia 속이 극우점 하였고, 그 중 마산만에서는 장목만보다 Acartia 속의 미성숙체가 장목만보다 약 30% 높게 나타난 것이 특이적 이였다. >50µm 생물이 네트로 예인되면서 농축되는 과정에서 성체보다 미성숙체가 받는 스트레스가 크게 작용되었을 가능성이 높다, 특히, 1톤의 생물농축 탱크의 생물사멸률은 장목만(17.
- 여기서 마산만 농축시료의 총 개체수는 장목만과 유사하게 나타났는데, 사망한 개체수의 비율이 장목만 보다 12%높은 전체 32%의 사망률이 관찰된 이유를 2가지로 유추해 볼 수 있다. 먼저, 장목만 시료는 BWTS육상시험 설비와 가까이 위치하고 있어 현장조사 완료 후 곧바로 설비로 이동이 가능한 반면, 마산만의 농축시료는 선박으로 1.5시간 이동하여, 고밀도로 농축된 시료에 스트레스를 주어 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 001). 반면, BWTS의 처리군에서는 장목만과 마산만 시료 모두 100%로 사멸되어 완벽하게 생물을 처리할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 현 등[4]의 선행된 10-50µm 크기의 생물군의 연구결과와 유사하였고, BWTS의 처리장치는 완벽하게 대상생물을 사멸된다는 것을 시사 할 수 있었다.
- 2015년 1월 15일에 실시된 장목만 채집은 오전 10시부터 오후 4시 30분까지 총 25회 이루어졌으며, 네트를 통과한 여과된 해수의 총량은 2,629톤으로 나타났다[Table 1]. 아울러 마산만에서 수행된 채집 작업은 오전 10시 30분부터 오후 3시 30분까지 총 23회 수행되었고, 총 여과량은 2,978톤으로 장목만보다 조금 높게 나타났다.
- 3]. 아울러, 처리 당일과 비교하여 5일 경과 후 전체 개체수 밀도가 35.5%로 감소하여 현저하게 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 동계에 출현한 >50 µm 생물을 현장에서 농축 평가한 결과, 농축된 시료는 형식승인을 받을 수 있는 시험수 기준의 1/3수준에 머물렀으나, "테크로스"업체의 BWTS 장비를 통과한 생물은 처리당일에 전멸하여, 처리 5일 경과 후에도 동일한 결과를 보였고, 이와 같은 결과는 BWTS장비가 정상적으로 가동되어 생물처리 효능이 있다고 판단된다.
- BWTS장비의 성능검사를 위한 채집은 망목 200 ㎛ 네트를 이용하였고, 200 ㎛ 이하의 생물은 채집되지 않는 단점이 있다. 이를 고려하기 위해 만약 50 ㎛ 망목 크기의 네트를 이용할 경우 일정량 생물농축이 되면 네트가 훼손될 가능성이 매우 높을 뿐만 아니라, 계속적인 네트 세척을 반복하여야 하는 번거로움과 함께 다양한 생물을 효율적으로 채집하기에는 적합하지 않을 것으로 판단되었다. 따라서 해수 여과효율 증대와 동시에 생물채집 횟수를 늘리는 것이 다양한 생물을 농축하기에 합리적인 방법이라 판단되어, 200 ㎛ 망목의 네트를 이용하였다.
- 결과적으로 본 연구를 통하여 IMO G2의 D-2 규정에 근거하여 USCG phase-II 형식승인 시험수기준인 자연생물군집을 70% 이상 유지할 수 있는 가능성을 시사할 수 있었다. 이와 같은 결과는 산업체에서 추가적으로 USCG phase-II BWTS를 개발하여 평가할 수 있는 체계를 구축하는데 있어, 생물을 배양하거나 사육하지 않고, 시험수 조건을 충족할 수 있는 유익한 정보를 제공할 수 있었다.
- 채집 및 농축한 >50 ㎛ 개체수 밀도는 장목만에서 1.8×107 ind. ton-1 로 관찰되었고, 마산만에서는 2.3×107 ind. ton-1 으로 장목만의 조사 보다 약간 높게 나타났다[Fig. 1a].
후속연구
- 본 연구에서도 산업체에서 개발하고 있는 선박평형수 처리설비의 글로벌리더로서 지속적 성장을 위해선 선박평형수 처리 장치 개발에 대한 품질 관리(QA/QC)를 뒷받침할 수 있는 과학적인 근거 자료의 축적이 중요하다고 할 수 있다. 결과적으로 BWTS의 장비에 대한 원천기술개발뿐만 아니라, 이를 평가할 수 있는 시험수 조건을 충족할 있도록 체계적으로 설비의 품질을 관리하고, 메뉴얼화하는 작업이 중요할 것으로 판단된다.
- ton-1의 약 1/3 수준에 머물렀다. 본 연구에서 수행한 동계 낮은 개체수밀도가 관찰되는 시기에 USCG phase II 형식승인 시험을 수행할 경우, 자연생물군집의 70% 이상 유지하기 위해서는 3척의 선박을 이용하여 1일(8시간)동안 수행하는 것이 필요할 것이다. 결과적으로 본 연구를 통하여 IMO G2의 D-2 규정에 근거하여 USCG phase-II 형식승인 시험수기준인 자연생물군집을 70% 이상 유지할 수 있는 가능성을 시사할 수 있었다.
- 아울러, 이와 같은 자료 산출은 >50 ㎛생물 농축효율을 체계적으로 관리하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
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