[논문]미세조류 배양을 이용한 부영양호 내 수질 개선 기술 개발

김기현; 강성모; 조용희; 전상현; 김준호; 박한울; 이윤우; 정정호; 임상민; 이철균

doi:10.15433/ksmb.2018.10.2.091

Abstract ▼ AI-Helper

There are many eutrophic lakes by point and non-point pollution sources such as in dustrial waste water, domestic raw sewage, and mucks. The eutrophic lakes not only cause algal blooms but also destroy the ecosystem in the lakes due to high nutrient concentrations. The purpose of this study was to i...

There are many eutrophic lakes by point and non-point pollution sources such as in dustrial waste water, domestic raw sewage, and mucks. The eutrophic lakes not only cause algal blooms but also destroy the ecosystem in the lakes due to high nutrient concentrations. The purpose of this study was to improve water quality in eutrophic lakes by cultivating microalgae using photobioreactors (PBRs) with selectively permeable mesh (SPM), supplying nutrients in the lake and inhibiting cell leakage by diffusion and water permeability. Chlorella vulgaris, was cultivated using PBRs with SPM installed in Inkyung Lake located in Inha university, Incheon, Korea. When cultivating C. vulgaris, $8.3g/m^2/day$ of average biomass productivity was obtained at 3 days. Furthermore, concentrations of total nitrogen and phosphorus were reduced by 35.7% and 84.2%, respectively, compared to initial condition and water quality in eutrophic lake was improved to oligotrophic environment. These results suggest that microalgal cultivation using PBRs with SPM in the lake could produce microalgal biomass as well as improve water quality by decreasing nutrient concentrations.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. A cross sectional diagram of Inkyung Lake. Point A and B: Inflow of point pollution source; Point 1 and 2: Installation of photobioreactors; Point 3 ~ 6: Sampling point.
표 Table 1. Eutrophic criteria for water quality in lake.
그림 Figure 2. An assembly drawing of a floating structure in Inkyung Lake.
그림 Figure 3. Selectively permeable mesh photobioreactors (SPM-PBRs) installed in Inkyung lake.
표 Table 2. Meteorological data in Inchon.
표 Table 3. Composition of stock solutions for BG-11 liquid medium.
표 Table 4. Flow rate and water quality in point pollution source.
그림 Figure 4. Growth curve of Chlorella vulgaris cultivated in SPM-PBRs.
그림 Figure 6. Total nitrogen concentration of sampling points in Inkyung Lake.
그림 Figure 5. Nitrogen and phosphorus concentrations in SPM-PBRs.
그림 Figure 7. Total phosphorus concentration of sampling points in Inkyung Lake.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 이와 같은 광생물반응기의 장점을 활용하여 인하대학교 내 부영양호인 인경호에 반투과성막 장착 광생물반응기를 설치하여 호수 내 영양소 농도의 변화 및 수질 개선 가능성을 확인해보고자 하였다.
본 연구는 센터에서 개발한 반투과성막 장착 광생물반응기 (selectively permeable mesh photobioreactor,SPM-PBR)를 이용하여 인하대학교 내 위치한 인경호의 수질 개선을 목적으로 수행되었다. 연구센터에서 개발한 반투과성막 장착 광생물반응기는 반응기 내 생장하는 미세조류는 통과하지 못하고 투수 또는 확산에 의해 외부에 존재하는 영양소를 공급하여 미세조류를 보다 효율적으로 배양할 수 있는 반응기이다 [8-11].
본 연구에서는 부영양화인 호수로 유입되는 점오염원 내 영양소 및 호수 내 존재하는 영양소의 농도를 감소시켜 호수의 수질을 개선시키고자 하였고, 이에 대한 방법으로 반투과성막 장착 광생물반응기를 부영양호에 설치하여 미세조류를 배양하였다. 본연구의 결과로, 유입되는 점오염원을 배양액으로 이용하여 미세조류를 배양하였을 때, 점오염원 내 존재하는 영양소를 사용하여 평균 8.
이를 해결하기 위해 호수 내 영양소를 효율적이면서 효과적으로 제거할 수 있는 기술 또는 공정 개발이 필요하다. 본 연구에서는 연구센터에서 개발한 반투과성막 장착 광생물반응기를 이용하여 호수에 유입되는 점오염원의 영양소와 비점오염원을 통해 증가되는 호수 내 영양소를 이용해 미세조류 배양함으로써 호수 내 수질을 개선하고 이를 이용한 바이오매스를 생산하는 기술을 개발하고자 연구를 수행하였다. 그 결과, 부영양화에 큰 영향을 미치는 호수 내 질소와 인의 농도를 약 35.

제안 방법

광생물반응기 내 세포 농도를 측정하기 위해 건조 세포 중량을 분석하였다. 건조 세포 중량은 시료 1L를 채취하여 4,200 rpm으로 10분 원심분리 후 고형물을 회수하여 증류수로 1회 세척하였다.
광생물반응기를 이용하여 미세조류 배양 시 점오염원 및 호수 내 영양소의 변화를 확인하고자 인경호에 설치된 광생물반응기 2대에 A 위치에서 유입되는 점오염원을 이용하여 C. vulgaris를 배양하고 세포 농도 및 영양소의 변화를 확인하였다. 초기 접종 농도 0.
광생물반응기를 지지할 수 있는 HDPE (high den- sity polyethylene)으로 구성된 부유형 지지체를 Figure 2와 같이 설계하여 제작 및 설치하였다. 설치된 부유형 구조물에 PE (polyethylene)로 이루어진 반투과성막을 장착한 광생물반응기를 설치하였다. 광 생물반응기의 가로와 세로의 길이는 4 m이며, 최대액체 수용 부피는 7 kL로 제작되었다.
이와 더불어, 인경호 내 유입되는 점오염원과 호수 내 영양분을 제거하기 위해, 호수 내 반투과성막을 장착한 반응기를 설치한 후 미세조류를 배양하여 반응기 및 호수 내 영양분의 변화를 확인하였다.
호수 내 광생물반응기에 접종하기 위해, Chlorellavulgaris를 실험실 수준에서 종균 배양하였다. 배양에 사용된 배지는 BG-11 배지를 사용하였고, 배지의 조성은 Table 3과 같다 [12].
호수 및 호수에 설치된 광생물반응기 내 총질소와 총인의 농도를 확인하기 위해, point 1 ~ 6번 위치에서 시료 1 L를 채취하여 그 중 10 mL를 0.2 µm cellulose acetate syringe filter (Sartorius Minisart, Hannover,Germany)를 이용하여 여과 후, 자동수질분석기(Zellweger : LACHAT, QuikChem 8500 S2)를 사용하여 NH4+-N, NOx-N, PO43-P를 분석하였다.

대상 데이터

설치된 부유형 구조물에 PE (polyethylene)로 이루어진 반투과성막을 장착한 광생물반응기를 설치하였다. 광 생물반응기의 가로와 세로의 길이는 4 m이며, 최대액체 수용 부피는 7 kL로 제작되었다. 반응기 내 미세조류의 광합성 효율을 높이기 위해 반응기 내부에 일정 수준의 부력과 배양액 혼합을 위한 태양광 펌프를 설치하였다 (Figure 3).
광생물반응기를 지지할 수 있는 HDPE (high den- sity polyethylene)으로 구성된 부유형 지지체를 Figure 2와 같이 설계하여 제작 및 설치하였다. 설치된 부유형 구조물에 PE (polyethylene)로 이루어진 반투과성막을 장착한 광생물반응기를 설치하였다.
호수 내 광생물반응기에 접종하기 위해, Chlorellavulgaris를 실험실 수준에서 종균 배양하였다. 배양에 사용된 배지는 BG-11 배지를 사용하였고, 배지의 조성은 Table 3과 같다 [12]. C.

성능/효과

광생물반응기 내 미세조류 배양에 의해 인경호 내 수질 변화를 확인하기 위해, 3 ~ 6번 위치에서 시료를 채취하여 질소와 인의 농도를 확인해 본 결과(Figure 6, 7), 총질소의 농도는 초기 부영양화 수준인 0.84 mg/L에서 중영양화 수준의 0.54 mg/L로 감소하였으며, 총인의 농도는 0.038 mg/L에서 빈영양화 수준인 0.006 mg/L까지 감소하였다. 이는 반투과성막이 장착된 광생물반응기를 이용하여 미세조류 배양 시, 반응기 내 영양분을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 호수 내 존재하는 영양분까지 감소시킬 수 있다는 결과를 나타낸다.
본 연구에서는 연구센터에서 개발한 반투과성막 장착 광생물반응기를 이용하여 호수에 유입되는 점오염원의 영양소와 비점오염원을 통해 증가되는 호수 내 영양소를 이용해 미세조류 배양함으로써 호수 내 수질을 개선하고 이를 이용한 바이오매스를 생산하는 기술을 개발하고자 연구를 수행하였다. 그 결과, 부영양화에 큰 영향을 미치는 호수 내 질소와 인의 농도를 약 35.7%, 84.2% 감소시켜 초기 부영양화 수준에서 배양 후 빈영양화 수준까지 수질을 개선하였고, 그와 동시에 미세조류 배양을 통해 바이오매스를 생산할 수 있었다.
6 kL/day인 것을 확인하였다. 따라서, 호수 내 유입되는 점오염원 2곳 중 B 위치의 유입은 차단하고 A 위치에서 유입되는 점오염원을 평균 2.6kL/day로 호수로 공급한다면 인경호의 수위는 유지되며, 호수에 유입되는 영양소의 양을 줄일 수 있다.
본 연구에서는 부영양화인 호수로 유입되는 점오염원 내 영양소 및 호수 내 존재하는 영양소의 농도를 감소시켜 호수의 수질을 개선시키고자 하였고, 이에 대한 방법으로 반투과성막 장착 광생물반응기를 부영양호에 설치하여 미세조류를 배양하였다. 본연구의 결과로, 유입되는 점오염원을 배양액으로 이용하여 미세조류를 배양하였을 때, 점오염원 내 존재하는 영양소를 사용하여 평균 8.3 g/m²/day의 바이오매스 생산성을 나타내었고, 부영양화 수준인 질소 0.84 mg/L, 인 0.038 mg/L의 호수 내 영양소 농도를 각각 35.7%, 84.2% 감소시켜 빈영양호 수준까지 수질을 개선되었다. 본 연구 결과를 통해 호수 내 반투과성막 장착 광생물반응기를 이용한 미세조류 배양은 호수 내 유입되는 점오염원의 영양소를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 호수 내 존재하는 영양소 농도를 감소시켜 호수의 수질을 개선시키는 기술로 활용될 수 있을 것이라 기대된다.
호수의 수위는 강수량과 증발량에 의해서 결정되고, 앞서 언급한 바와 같이 점오염원은 호수 내 수위를 일정 수준으로 조절하기 위해 유입된다. 부영양화에 의한 녹조가 주로 발생하는 4 ~ 10월 동안 인천 지역의 3년간 강수량과 증발량을 확인한 결과, 강수량이 비교적 많은 7, 8월을 제외한 기간에는 강수량보다 증발량이 많은 것을 알 수 있었고 (Table 2), 호수의 면적에 따른 평균 증발량은 약 2.6 kL/day인 것을 확인하였다. 따라서, 호수 내 유입되는 점오염원 2곳 중 B 위치의 유입은 차단하고 A 위치에서 유입되는 점오염원을 평균 2.
위 결과에서 반투과성막 장착 광생물반응기 내외에 질소와 인의 농도 구배가 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 반응기 내 미세조류의 성장이 정체기(stationary phase)로 유지되며 사용되는 질소와 인의 소비속도가 광생물반응기 내로 유입되는 물질전달속도 (6.1±0.2×10-4 m/min)보다 높아 광생물반응기내 질소와 인의 농도가 호수 내 농도보다 낮은 수준으로 나타나는 것으로 사료된다.
vulgaris를 배양하고 세포 농도 및 영양소의 변화를 확인하였다. 초기 접종 농도 0.007 gDCW/L로 접종하였으며, 2대의 광생물반응기 모두 3일까지 생장하며 평균 0.12 gDCW/L의 농도까지 증가하였으며, 평균 8.4 g/m²/day의 바이오매스 생산성을 얻을 수 있었다 (Figure 4). 3일부터 7일까지 세포의 농도가 변함없이 유지된 이유는 반응기 내 질소와 인의 농도가 초기에 각각 3.

후속연구

본 연구 결과를 토대로 부영양화 호수 수중 내 영양소의 농도는 부영양화 기준보다 낮은 수준으로 감소시킬 수 있지만, 호수 내 녹조 발생을 억제하기 위해서는 지속적인 영양분 제거 및 관리가 필요하다. 호수 내 유입되는 유기물 혹은 퇴적물은 호수에 침적되고, 침적물 내 존재하는 영양염류는 수중 내 농도에 매우 큰 영향을 미치게 된다 [13].
2% 감소시켜 빈영양호 수준까지 수질을 개선되었다. 본 연구 결과를 통해 호수 내 반투과성막 장착 광생물반응기를 이용한 미세조류 배양은 호수 내 유입되는 점오염원의 영양소를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 호수 내 존재하는 영양소 농도를 감소시켜 호수의 수질을 개선시키는 기술로 활용될 수 있을 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연구센터에서 개발한 반투과성막 장착 광생물반응기는 어떤 방식으로 수질을 개선할 수 있을 거라 사료되는가?	연구센터에서 개발한 반투과성막 장착 광생물반응기는 반응기 내 생장하는 미세조류는 통과하지 못하고 투수 또는 확산에 의해 외부에 존재하는 영양소를 공급하여 미세조류를 보다 효율적으로 배양할 수 있는 반응기이다 [8-11]. 이 반응기는 호수 내 유입되는 점오염원으로 배양액으로 사용하여 점오염원 내 영양소를 효과적으로 제거할 수 있고, 비점오염원으로 증가된 호수 내 영양소를 반응기 내로의 투수 및 확산을 통해 미세조류 배양에 사용하며 영양소의 농도를 줄일 수 있을 것이라 사료된다.
	부영양화에 의한 조류의 과다한 번식은 어떤 문제를 일으키는가?	부영양화에 의한 조류의 과다한 번식은 호수 표면의 햇빛을 차단하여 해조류와 같은 수생식물의 생장을 방해하고, 조류의 산소소비량이 증가하여 호수 내 서식하는 동식물의 생존을 위협한다 [2]. 이와 더불어, 용존산소 부족으로 혐기성 세균에 의한 부패가 진행되고, 그로 인한 악취 및 독성물질이 생성되어 호수 수질을 악화시켜 큰 문제가 되고 있는 실정이다.
	호수의 부영양화란 어떤 현상인가?	국내 많은 호수들은 규모에 상관없이 시기에 따라 부영양화가 진행되고 있다. 호수의 부영양화란, 산업 폐수 및 생활하수, 가축의 배설물 등이 호수 내 수중생태계에 유입되면서 질소와 인과 같은 영양소가 증가하게 되어 조류가 급속하게 증식하는 현상을 말한다 [1]. 이러한 부영양화는 최근 들어 인간의 인위적인 활동으로 조류의 발생 및 증식이 더욱 가속되어 상수뿐만 아니라 산업, 공업용수의 수원으로도 어려움을 겪고 있는 실태이다.

참고문헌 (13)

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Eaton-Rye, J. J. 2004. The construction of gene knockouts in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Photosynth. Res. Protoc. 274, 309-324.
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