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문제 정의
- 강과 하천에 여름철 녹조 현상의 우점종을 차지하고 있으며 Microsystin 독성을 함유하고 있는 M. aruginosa의 생장을 쑥 추출액을 이용하여 제어하고자 하였다. 이를 위하여 다양한 쑥 추출액의 농도와 다양한 매개변수를 이용하여 현장 적용 가능성과 현정 적용시의 최적조건을 찾고자 하였다.
- , 2014). 따라서 본 실험에서 다양한 제어모델을 이용하여 실험결과를 비교 분석한 이유는 실험데이터를 현장적용을 하기 위하여 보다 신뢰성 있는 데이터를 얻기 위함이다. 이러한 제어모델들을 이용하여 비교분석하는 것은 M.
- (2014)는 Artemisia vulgaris가 함유하고 있는 플라보노이드 성분이 항산화 활성 기능을 가지고 있다고 보고하였다. 따라서 본 연구는 생태계에 영향을 미치지 않은 환경 친화적인 쑥 추출액(Artemisia asiatica extracts)을 이용하여 시아노박테리아의 일종이며 독성 유해조류인 Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa)의 생장제어 실험을 하고자 하였으며, 이와 더불어 현장적용 가능성을 확인하고자 하였다.
- aruginosa의 생장을 쑥 추출액을 이용하여 제어하고자 하였다. 이를 위하여 다양한 쑥 추출액의 농도와 다양한 매개변수를 이용하여 현장 적용 가능성과 현정 적용시의 최적조건을 찾고자 하였다. 쑥 추출액을 이용한 M.
제안 방법
- M. aruginosa의 생장제어에 작용하는 쑥 추출액의 최대 농도를 알아보고자 여러 가지 생장모델을 이용하여 비교 분석하였다. 본 연구에서는 Moser, Tessier, Webb, Haldane, Edwards, Double exponential 그리고 Luong 모델과 같은 다양한 모델을 이용하여 쑥 추출액이 M.
- aeruginosa 배양조건과 비슷하게 LED는 white 색상, 조도는 3,000 lx, 광주기는 16L:8D로 하였다. 다양한 농도에 따른 M. aeruginosa 함유용액 1 L를 2 L 비이커에 넣고 쑥 추출액을 실험계획에 따라 다양한 양을 (0 ~ 25 g/L) 투입하여 마그네틱 바를 이용하여 교반하였다. 실험계획에 따라 쑥 추출액과 혼합한 M.
- , 2005). 따라서 본 실험은 물의 녹조현상이 나타나는 부영양의 기준치에 맞추어 Chl-a의 초기 농도를 8 mg/m3로 하였다. 실험 결과 pH 3~4에서는 35% 이하의 낮은 제거율을 나타내었으나, pH 7~9의 범위에서는 70-88%의 높은 제거율을 나타내었다.
- 물속의 식물 플랑크톤 세포에 가장 많고, 보편적으로 분포하는 색소이며, 질소와 인 등과 함께 물의 부영양화의 지표가 되는 Chlorophyll-a (Chla)은 500 mL를 GF/F (ø 0.45 µm, Whatman) 필터로 일정한 압력 (100 mmHg) 하에서 여과한 다음, 습기를 제거하고 90% 아세톤으로 암/냉장 하에서 12시간 동안 색소를 추출하여, 형광분석기 (TD-700, Turner Designs)를 이용하여 흡광도를 측정한 후, Chla 값으로 환산하였다.
- aruginosa의 생장제어에 작용하는 쑥 추출액의 최대 농도를 알아보고자 여러 가지 생장모델을 이용하여 비교 분석하였다. 본 연구에서는 Moser, Tessier, Webb, Haldane, Edwards, Double exponential 그리고 Luong 모델과 같은 다양한 모델을 이용하여 쑥 추출액이 M.aruginosa의 생장제어 미치는 영향을 분석하였다. 언급된 각각의 모델들은 수정된 Mond 방정식이며, 다양한 조건에 따라 경험식에 의해 매개 변수들을 업그레이드하여 Mond모델을 수정, 보완하였다.
- aeruginosa 함유용액 1 L를 2 L 비이커에 넣고 쑥 추출액을 실험계획에 따라 다양한 양을 (0 ~ 25 g/L) 투입하여 마그네틱 바를 이용하여 교반하였다. 실험계획에 따라 쑥 추출액과 혼합한 M. aeruginosa 함유 용액 10 mL를 정해진 시간에 추출하여 2,500 rpm으로 20분간 원심분리한 후 상등액을 샘플링하여 M. aeruginosa 의 제거율을 측정하였다. 시료 추출 후에 쑥 추출액의 농도와 M.
- 실험은 Batch 형식으로 실행하였으며, M. aeruginosa 배양조건과 비슷하게 LED는 white 색상, 조도는 3,000 lx, 광주기는 16L:8D로 하였다. 다양한 농도에 따른 M.
- 실험은 여름철 하천과 강의 온도를 감안하여 15°C에서 35°C까지 변화를 주어 제어율을 측정하였다.
- 쑥 추출액에 함유되어 있는 무기 성분의 질적 양적 분석은 X-ray diffraction (XRD)는 (XRF-1500, Shimadzu, Japan)을 사용하여 분석하였다. 물속의 식물 플랑크톤 세포에 가장 많고, 보편적으로 분포하는 색소이며, 질소와 인 등과 함께 물의 부영양화의 지표가 되는 Chlorophyll-a (Chla)은 500 mL를 GF/F (ø 0.
- 23로 측정되어 약 알칼리를 나타내었다. 쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa 제어에 pH가 미치는 영향을 알아보기 위하여 쑥 추출액 농도 3 g/L, 초기 Chl-a의 농도 8 mg/m3을 이용하여 실험하였다. 국제연합 (UN)과 경제협력개발기구 (OECD) 등 국제기구에서 정한 국제기준의 물의 부영양의 기준에 따르면 Chl-a의 농도는0~1 mg/m3는 극빈영양, 1~2.
- aruginosa의 생장제어 미치는 영향을 분석하였다. 언급된 각각의 모델들은 수정된 Mond 방정식이며, 다양한 조건에 따라 경험식에 의해 매개 변수들을 업그레이드하여 Mond모델을 수정, 보완하였다. 즉, Luong 모델은 단일 제한 기질로 세포 성장의 기질 저해 동역학을 기술하였으며, Haldane 방정식은 억제 기질의 기질 저해 역학 및 생분해를 설명하기 위해 널리 사용되었고, Moser는 Monod의 모델을 매개 변수 (일반적으로)로 업그레이드하여 미생물 채택의 효과를 돌연변이에 의한 고정된 프로세스에 통합했다 (Halmi et al.
대상 데이터
- M. aeruginosa(KMMCC-973)은 JM배지를 이용하여 25 ± 1 °C 온도의 항온기에서 5일간 증식하여 사용하였다.
- Tessier, Moser 그리고 Webb은 µmax까지의 데이터를 이용하였으며, Haldane, Edwards, Double exponential 그리고 Luong 모델은 전체 데이터를 나타내었다.
- 미세조류 배양을 위하여 배양기의 광원은 LED (Light Emitting Diode)를 사용하였고, LED에 공급되는 전원은 모델 FP-60-12 파워 공급기 (AD & Lighting, Suwon, Kyonggi-Do, Korea)를 사용하였다.
- 본 연구는 우리나라 관리대상 남조류 4종 (Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria) 중에서 가장 광범위하게 우점종을 차지하고 있는 M. aeruginosa를 쑥 추출액을 이용하여 성장제어 및 제거 실험을 하였다. M.
- aeruginosa가 주로 여름철에서 초가을에 우점을 차지하는 조류임을 감안하여 15 ~ 35 °C도 까지 조절하였고, 실험 중 이산화탄소와 공기는 외부에서 공급하지 않았다. 실험은 2016년 8월부터 12월까지 진행하였으며, 총 5번 반복하여 평균 데이터를 사용하였다. 모든 실험은 하나의 매개변수 측정을 위하여 나머지의 매개변수는 고정하여 실험하였다.
- Japan)로 50 °C 이하에서 증발시켰다. 에탄올을 증발시킨 후, 쑥 추출물을 M. aeruginosa의 생장 제거 실험에 사용하였다. 선행연구에 의하면 50%의 에탄올을 추출용매로 사용하여 쑥을 추출할 경우 수율이 가장 높았으며, 이는 쑥잎에 함유된 소수성인 왁스(wax), 지방, 클로로필은 물론 친수성의 배당체, 단백질, 탄수화물이 고루 추출된 결과에 기인한 것으로 볼 수 있다 (Choi and Ha, 2012).
데이터처리
- pH는 pH-meter (ISTEK, pH-20N)을 이용하여 측정하였다. 모든 실험은 5번 이상 반복 수행하여 평균 데이터를 사용하였다.
이론/모형
- M. aeruginosa의 생장력을 설명할 수 있는 제어모델은 Haldane, Double exponential, Edwards, Luong, Webb, Moser 그리고 Teissier의 모델 (Owhondah et al., 2016; Halmi et al., 2014; Debasmita and Rajasimman., 2013)을 이용하여 분석하였다. pH는 pH-meter (ISTEK, pH-20N)을 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- pH는 3 ~ 10까지 0.5 mol의 NaOH와 HCl을 이용하여 조절하였으며, 온도는 M. aeruginosa가 주로 여름철에서 초가을에 우점을 차지하는 조류임을 감안하여 15 ~ 35 °C도 까지 조절하였고, 실험 중 이산화탄소와 공기는 외부에서 공급하지 않았다.
- aruginosa의 생장을 확실하게 제어할 수 있었다. 다양한 생장제어 모델은 Luong모델이 0.9916의 가장 높은 상관계수를 나타내어 쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa의 생장제어를 분석한 제어모델은 Luong모델이 가장 적합하였다. 실험결과를 종합해 보면 쑥 추출액을 이용한 M.
- 9916의 가장 높은 상관계수를 나타내었다. 따라서 쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa의 성장제어를 분석한 제어모델은 Luong모델이 가장 적합하였다. 다양한 제어모델을 이용하여 분석한 결과를 Fig.
- 모든 모델에서 2 ~ 2.5 g/L의 쑥 추출액의 농도에서 µmax을 나타내었으며, 그 이상의 농도에서는 M. aruginosa의 비증식속도가 현저하게 감소하였음을 알 수 있다.
- aeruginosa를 물리적, 화학적 방법으로 처리할 경우에는 pH와 온도 등에 영향을 많이 받으며, 최적조건을 맞추기는 쉽지 않다. 본 연구에서 사용한 쑥 추출액은 UVactivated persulfate과 Pine needle exracts와 비교하여 M. aeruginosa의 제거율이 낮지만, 쑥은 우리나라 전역에 어디서나 쉽게 구할 수 있고 가격도 매우 저렴하여 경제적이다. 그러나 아직까지 쑥 추출액을 대량 사용하여 M.
- aruginosa의 생장제어를 확인하였다. 본 연구에서 사용한 쑥 추출액은 약 2.24 g/L의 농도에서 M. aruginosa의 생장을 제어할 수 있어 카페인을 이용한 M. aruginosa의 생장제어보다는 높은 농도의 쑥 추출액이 필요로 하나 쑥 추출액은 카페인과 비교하여 생태계이 미치는 독성 영향이 낮아 환경 친화적이다. 또한 Chen et al.
- 따라서 본 실험은 물의 녹조현상이 나타나는 부영양의 기준치에 맞추어 Chl-a의 초기 농도를 8 mg/m3로 하였다. 실험 결과 pH 3~4에서는 35% 이하의 낮은 제거율을 나타내었으나, pH 7~9의 범위에서는 70-88%의 높은 제거율을 나타내었다. 특히, pH 8과 9에서는각각 86와 88%의 가장 높은 제거율을 나타내어 산성영역인 낮은 pH보다 알칼리 영역인 높은 pH에서 더 높은 제거율을 나타내었다.
- 실험결과 15°C, 20°C, 25°C, 30°C 그리고 35°C에서 각각 52%, 80%, 88%, 90% 그리고 91%를 나타내어 온도가 상승함에 따라 M. aruginosa의 제거율이 상승하였다.
- aruginosa 제거율을 다양한 쑥 추출액의 농도에 따라 나타내었다. 실험결과 M. aruginosa 제거율과 쑥 추출액의 상관관계는 0.995으로 높은 상관관계를 나타내어 M. aruginosa의 농도가 증가할수록 M. aruginosa 제거를 위한 쑥 추출액의 양도 증가하였음을 알 수 있다. 약 1 g dryweight/L의 M.
- 실험결과 쑥 추출액의 농도 2 g/L까지는 µ가 증가하였으며, 2 g/L 이상의 쑥 추출액 농도에서는 현저하게 감소하였음을 알 수 있다.
- aruginosa의 생장제어를 분석한 제어모델은 Luong모델이 가장 적합하였다. 실험결과를 종합해 보면 쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa의 생장제어는 강과 하천의 온도와 pH 조절없이 현장적용을 할 수 있으며, 현장적용을 할 경우 짧은 시간에 효율적으로 M. aruginosa의 생장을 제어할 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 쑥 추출액이 대량으로 살포될 경우 하천이나 호소의 다른 미생물과 생태계에 미치는 역학관계는 아직 조사되지 않아서 현장적용을 위해서는 지속적인 연구 검토가 필요하다.
- 쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa의 생장제어는 25 °C 이상, pH 8에서 88 %이상의 높은 제거율을 나타내었다.
- 이러한 결과는 녹조가 가장 심한 8월과 9월의 강과 하천의 온도가 일반적으로 22°C 이상인 점을 감안한다면 녹조에 우점종을 차지하고 있는 M. aruginosa를 제어하기 위한 현장 적용에 유리하다.
- , 2014). 즉, 쑥 추출액은 M. aeruginosa 제거 뿐만 아니라 이미 수중에 함유되어 있는 독성물질인 Microcystin의 독성억제 작용도 동시에 할 수 있다는 것이다. M.
- 24 g/L 쑥 추출액이 필요하였다. 최대 비증식속도는 2 g/L의 쑥 추출액 농도에서 0.18 (h-1)을 나타내어 쑥 추출액 농도 2 g/L까지는 M. aruginosa의 생장을 제어하지 못했으나, 2 g/L 이상의 쑥 추출액농도에서는 M. aruginosa의 생장을 확실하게 제어할 수 있었다. 다양한 생장제어 모델은 Luong모델이 0.
- 실험 결과 pH 3~4에서는 35% 이하의 낮은 제거율을 나타내었으나, pH 7~9의 범위에서는 70-88%의 높은 제거율을 나타내었다. 특히, pH 8과 9에서는각각 86와 88%의 가장 높은 제거율을 나타내어 산성영역인 낮은 pH보다 알칼리 영역인 높은 pH에서 더 높은 제거율을 나타내었다. 이는 녹조현상을 수반하고 있는 하천이나 강 등의 pH가 7.
후속연구
- , 2014). 따라서 쑥 추출액에 함유되어 있는 폴리페놀 성분은 M. aeruginosa의 제어작용에 도움이 될 것으로 예상된다.
- aruginosa의 비증식속도가 현저하게 감소하였음을 알 수 있다. 이러한 결과에 의거하여 실험 데이터를 현장 적용 시에 Luong 모델의 매개변수를 중심으로 수정, 보완할 예정이다.
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