[논문]선박평형수처리장치 형식승인을 위한 식물플랑크톤 샘플링 방법 비교

장풍국; 현봉길; 이우진; 최근형

doi:10.5762/kais.2020.21.12.426

선박평형수처리장치 형식승인을 위한 식물플랑크톤 샘플링 방법 비교
Comparison of sampling method of phytoplankton for type approval of ballast water management system 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.12, 2020년, pp.426 - 433

장풍국 (한국해양과학기술원 선박평형수연구센터) , 현봉길 (한국해양과학기술원 선박평형수연구센터) , 이우진 (한국해양과학기술원 선박평형수연구센터) , 최근형 (충남대학교 해양환경과학과)

초록
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본 연구는 선박평형수처리시스템(BWMS) 형식승인을 위한 국제해사기구(IMO)와 미국해양경찰(USCG)의 시험방법 중 차이가 큰 식물플랑크톤의 전처리 방법을 비교하기 위해 배양종, 자연종, 그리고 BWMS의 육상시험에서 채취한 식물플랑크톤 샘플을 이용해 농축과 비농축에 대한 비교시험을 수행했다. 배양종과 자연종의 비교 시험은 농축하는 과정에서 네트 손실 및 손상이 있는 것으로 확인되었으며, 이는 대상종의 생리·형태적 특성에 따라 차이가 있음을 확인했다. BWMS 육상시험에서 생물 농도가 높은 대조수의 경우 비농축한 시료 개체수가 농축한 시료보다 2배 정도 높은 값을 보였고, 생물 개체수가 낮은 처리수는 두 방법 간의 뚜렷한 차이가 없었다. 이러한 결과는 미국형식승인 방법으로 육상시험을 수행하면 시험수 조건이 더 가혹하다는 것을 의미한다. 결과적으로 식물플랑크톤 샘플링 과정에서 농축과 비농축의 차이가 있음에도 불구하고, 농축 방법이 BWMS 성능을 평가하는 방법으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 처리수 내에서 살아있는 종이 샘플링의 농축 과정에서 네트 손실 및 손상이 있을 수 있기 때문에 대상종에 대한 평가방법을 개발할 필요성이 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to compare the pretreatment methods of phytoplankton for type approval of the Ballast Water Treatment System (BWMS). The International Maritime Organization (IMO) and the United States Maritime Police (USCG) use two different test methods for this purpose. To compare the two methods, a test for concentration and non-concentration was performed with cultured and natural phytoplankton, and samples from the land-based BWMS test. The extent of damages caused by the process of concentration varied between cultured and natural species, indicating differences depending on the physiological and morphological characteristics of the species. In the land-based test, in the control water with a high biological population, the number of non-concentrated samples was about twice as high as that of the concentrated samples. There was no distinct difference between the two methods in the treated water with a low biological population. Thus, although there is a difference between concentration and non-concentration for phytoplankton sampling, the concentration method can be applied as a method of evaluating BWMS performance. However, a method for evaluating whether live species in treated water may be lost or damaged during the concentration process of sampling should be developed and validated.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Minimum criteria for land-based test for a type approval test of ballast water management system
그림 Fig. 1. Comparison of net concentration with whole water sampling of monoclonal cultures for organisms ≥ 10 μm and ≤ 50 μm. three monoclonal phytoplankton cultures (≥ 10 μm and ≤ 50 μm in minimum dimension) of one dinoflagellate Prorocentrum minimum (~16 μm) and two chained diatoms Stephanopyxis turris (~20 μm) and Melosira nummuloides (13-20 μm).
그림 Fig. 2. Effects of the volume of filtered seawater on the abundance of three cultured plankton in the netting through 7 μm in mesh size.
표 Table 2. Comparison test between concentration and non-concentration in the process of taking a sample of phytoplankton that appeared in Puan Bay.
표 Table 3. Comparison test between concentration and non-concentration in the process of taking a sample of phytoplankton that appeared in Incheon Bay.
표 Table 4. Comparison test between concentration and non-concentration in the process of taking a sample of phytoplankton that appeared in treated water and control water during the land test

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 미국형식승인을 받은 BWMS을 평가하기 위해 IMO와 USCG 시험방법 중에서 가장 큰 차이를 나타내는 식물플랑크톤의 샘플링 전처리과정(농축/비농축)에 대한 비교 분석을 통해 미국형식승인 완화·면제를 평가하기 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

배출시 대조수와 처리수에서 연속 샘플한 시료 20 L를 이용해 비농축 시료 1L 시료와 10L을 1L로 농축한 시료를 확보하여 비교 시험을 수행하였다. 각각의 샘플에 대해 시험자의 시험 오차를 확인하기 위해 변동계수(coefficient of variation, CV %) 사용하였으며, CV 값이 20% 미만을 유지하였다. 두 시료(농축 값과 비농축)의 결과 값의 비교는 SPSS 19 통계프로그램을 시용하였다.
육상시험은 시험수 기준을 맞춘 500톤의 시험수를 BWMS를 통과한 처리수(250톤)와 BWMS를 통과하지 않은 대조수(250톤)를 48시간 후 배출하면서 표 1에 제시한 기준을 만족할 때 성공한 시험으로 인정된다. 배출시 대조수와 처리수에서 연속 샘플한 시료 20 L를 이용해 비농축 시료 1L 시료와 10L을 1L로 농축한 시료를 확보하여 비교 시험을 수행하였다. 각각의 샘플에 대해 시험자의 시험 오차를 확인하기 위해 변동계수(coefficient of variation, CV %) 사용하였으며, CV 값이 20% 미만을 유지하였다.
비농축 시료와 네트 농축 시료의 차이를 확인하기 위해 배양종, 자연종 그리고 형식승인을 위한 BWMS 육상시험에서 식물플랑크톤을 확보하여 비교분석을 하였다. 식물플랑크톤 단일 배양종 ( ≥10 µm 와 ≤50 µm크기) Melosira nummumloides, (~16 µm), Prorocentrum minimum, (~16 µm, KIOST clonal number: LIMS-PS-3045), Stephanopyxis turris (13-20 µm, KIOST clonal number : LIMS-PS-2171)를 사용하였으며, 자연종은 서해안의 부안만과 인천만에서 2019년 2월에 현장에서 시료를 채취하였다.

대상 데이터

배양종에 대한 농축/비농축 개체수 비교시험은 세 개의 단일 배양종을 사용하였다. 두 시험 방법에서 비농축시료의 평균 개체수가 단독형인 P.
하였다. 식물플랑크톤 단일 배양종 ( ≥10 µm 와 ≤50 µm크기) Melosira nummumloides, (~16 µm), Prorocentrum minimum, (~16 µm, KIOST clonal number: LIMS-PS-3045), Stephanopyxis turris (13-20 µm, KIOST clonal number : LIMS-PS-2171)를 사용하였으며, 자연종은 서해안의 부안만과 인천만에서 2019년 2월에 현장에서 시료를 채취하였다. 육상시험의 식물플랑크톤 시료는 한국해양과학기술원에 설치된 육상시험 설비에서 수행한 BWMS 형식승인 육상시험에서 시료를 획득하여 비교 분석하였다.
식물플랑크톤 단일 배양종 ( ≥10 µm 와 ≤50 µm크기) Melosira nummumloides, (~16 µm), Prorocentrum minimum, (~16 µm, KIOST clonal number: LIMS-PS-3045), Stephanopyxis turris (13-20 µm, KIOST clonal number : LIMS-PS-2171)를 사용하였으며, 자연종은 서해안의 부안만과 인천만에서 2019년 2월에 현장에서 시료를 채취하였다. 육상시험의 식물플랑크톤 시료는 한국해양과학기술원에 설치된 육상시험 설비에서 수행한 BWMS 형식승인 육상시험에서 시료를 획득하여 비교 분석하였다.

데이터처리

각각의 샘플에 대해 시험자의 시험 오차를 확인하기 위해 변동계수(coefficient of variation, CV %) 사용하였으며, CV 값이 20% 미만을 유지하였다. 두 시료(농축 값과 비농축)의 결과 값의 비교는 SPSS 19 통계프로그램을 시용하였다.

성능/효과

8배 높은 값을 나타냈다 (Table 2). 10-50 μm 크기 생물의 총 개체수는 비농축시료에서 6, 547 cells ml^-1인 반면 농축 시료는 992 cells ml^-1 개체수가 계수되어 비농축 시료가 농축 시료보다 6.6배 높은 값을 보였다(Table 2). 비농축 시료에서 단독형은 39.
많은 개체수를 나타내었다(Table 4). 1차 시험과 2차 시험에서는 10 L 농축한 시료의 생물양과 네트를 빠져나간 시료의 생물양이 유사한 개체수를 나타내었지만, 3차 시험에서는 네트에서 빠져 나간 생물이 약 1/3로 감소하였다. 3번의 시험 모두 체인형인 Cyclotella sp.
이는 BWMS로 시험수 내 생물을 살균처리하여 처리수 내 살아있는 생물의 수가 급격하게 감소하기 때문이다. BWMS 형식승인 시험에서 ≥10 µm & ≤50 µm 크기의 생물이 mL 당 10개체 미만으로 존재해야 시험을 통과하기 때문에 처리수 내 생물의 수는 극히 적으며, 본 시험에서도 mL 당 1 개체 미만으로 출현하여, 농축과 비농축의 차이를 나타내지 않은 것으로 생각된다.
결과적으로 생물의 양이 많은 경우 농축과 비농축의 개체수 차이가 크게 나타나 대조수를 농축하여 시료를 분석하는 것은 오히려 더 불리한 시험 조건이고, 처리수 내 생물의 농도가 극히 낮은 경우에는 농축과 비농축 시험이 시험결과에 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. (Table 3).
minimum 보다 네트에 대한 손실이 적은 것은 체인으로 형성된 종이 실질적으로 크기가 커지는 효과가 있어 단독형보다 네트에 대한 손실이 더 작았던 것으로 판단된다. 그리고 M. nummmuloides가 S. turris보다 네트 손실이 적었던 이유는 M. nummmuloides가 S. turris 보다 배양 상태가 좋아 체인이 잘 형성되고 결합력도 높았던 것으로 판단된다. 농축과 비농축 시료의 평균 개체수를 ANOVA로 분석해보면, M.
turris 보다 배양 상태가 좋아 체인이 잘 형성되고 결합력도 높았던 것으로 판단된다. 농축과 비농축 시료의 평균 개체수를 ANOVA로 분석해보면, M. nummmuloides는 유의한 차이를 나타내지 않는 반면, S turris와 P. minimume 유의한 차이를 나타내었다(p<0.05).
단일 배양종을 사용하였다. 두 시험 방법에서 비농축시료의 평균 개체수가 단독형인 P. minimum이 2.1배, 체인형인 M. nummmuloides와 S turris가 각각 1.1배, 1.5배 높은 값을 나타내었다(Fig. 1).
(Table 3). 따라서 BWMS 육상시험에서 ≥10 µm & ≤ 50 µm 크기의 생물을 10L 농축하거나, 농축하지 않고 살아있는 식물플랑크톤을 개수한다고 해서 처리수의 D-2 기준을 판정하는데 있어서 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
이러한 이유 때문에 식물플랑크톤 종마다 네트 손상 및 손실이 다르고 같은 종이라도 생리적인 건강 상태에 좌우되는 것으로 판단된다. 따라서 식물플랑크톤 평균 개체수를 확인하기 위한 시험 방법은 비농축 방법이 보다 더 정확한 개체수를 확인할 수 있는 방법으로 판단된다.
있다. 또한 3차 시험이 1차와 2차 시험 때보다 이종의 개체수가 절반 정도 낮아져 개체수 감소가 농축/비농축 비에도 영향을 줄 수 있음을 시사한다.
비농축 시료에서 단독형은 23%, 체인형은 77%를 차지했고, 농축시료에서는 각각 6%, 93%를 나타냈었다. 단독형은 비농축/농축 비가 1.
식물플랑크톤의 배양종, 자연종, BWMS 육상시험의 비농축/농축에 대한 시험결과를 종합해보면 식물플랑크톤의 전체 개체수, 형태적 특징, 생리적인 건강상태가 네트 손상 및 손실에 영향을 미치는 주요 요인으로 작용한다. 이러한 이유 때문에 식물플랑크톤 종마다 네트 손상 및 손실이 다르고 같은 종이라도 생리적인 건강 상태에 좌우되는 것으로 판단된다.
하지만, 인천만 평균 개체수는 부안만 시료보다 14배 낮은 값을 보였다. 식물플랑크톤의 총 개체수는 비농축시료에서 461 cells ml^-1인 반면 농축 시료에서는 70 cells ml^-1 개체수가 계수되어 비농축 시료가 농축 시료보다 약 6.6배 높은 값을 보였다.
여과 해수의 양만 증가시켜 네트 농축 양에 따른 개체수를 분석한 결과 P. minimum의 경우 최대 160L까지 농축해도 평균 개체수에 미치는 영향은 거의 없었다(Fig. 2). 하지만, M.
7로 나타나 단독형이 네트에 대한 손실 및 손상이 부안만에 비해 현저히 낮았다. 우점종인 Thalassiosira nordenskioeldii, Chaetoceros debilis, Paraia sulcata의 개체수는 각각 비농축/농축 비가 8.5, 7.9, 8.4로 높은 값을 보였다. 종들에 대해 다소 차이가 있지만, 전체 개체수에 대한 분산분석(ANOVA) 결과 유의한 차이를 보였다.
육상시험 대조수의 농축/비농축 시험 결과를 보면, 전체 개체수에 있어 비농축 시료가 농축시료보다 약 2배 정도 많은 개체수를 나타내었다(Table 4). 1차 시험과 2차 시험에서는 10 L 농축한 시료의 생물양과 네트를 빠져나간 시료의 생물양이 유사한 개체수를 나타내었지만, 3차 시험에서는 네트에서 빠져 나간 생물이 약 1/3로 감소하였다.
의 우점율이 높았고, 특히 1차와 2차 시험에서 이 종이 극우점하였다. 이 종에 대한 대조수의 평균 개체수의 농축/비농축 비를 보면, 1차, 2차, 3차 시험에서 각각 2.4, 1.7, 1.5로 시간이 지남에 따라 농축/비농축 비가 감소하는 경향을 나타내었다.
인천만에서 채집하여 농축한 자연종 시료는 규조류 25종과 와편모류 2종이 출현하였으며, 비농축 시료는 규조류 26종과 와편모류 1종이 나와 부안만과는 달리 두 시료 사이에 출현한 종의 두렷한 차이는 없었다(Table 3). 하지만, 인천만 평균 개체수는 부안만 시료보다 14배 낮은 값을 보였다.
1배로 나타났다. 전체적인 손실을 보면, 배양종은 비농축/농축 비가 1.5인 반면 자연종은 6.9을 나타내 배양종보다 자연종에서 네트에 의한 식물플랑크톤 손실 및 손상이 큰 것으로 파악된다. 특히, 가장 높은 개체수를 나타낸 P.
와 비교해서 체인을 길게 형성하고 있어 상대적으로 농축에 대한 손실이 작았던 것으로 판단된다. 종들에 대해 다소 차이가 있지만, 두 가지 방법에 대한 전체 개체수의 분산분석(ANOVA) 결과 통계적으로 유의한 차이를 보였다.
4로 높은 값을 보였다. 종들에 대해 다소 차이가 있지만, 전체 개체수에 대한 분산분석(ANOVA) 결과 유의한 차이를 보였다.
이러한 경향은 네트 양이 증가함에 따라 네트 과정에서 체인형인 식물플랑크톤 손실 및 손상이 더 커진 것으로 판단된다. 즉 농축 양이 증가할수록 M. nummmuloides의 체인이 끊어질 확률이 높아지고, P. minimum보다 세포막의 강도도 약하고, S. turris보다 세포의 크기가 상대적으로 작아 네트 손실 및 세포의 손상이 증가한 것으로 판단된다.

후속연구

하지만, 처리수 내 살아있는 개체의 특징이 농축에 의해서 네트 손실 및 손상을 지대하게 받는 종이라고 판단된다면, 비농축 시험을 통해서 검증해야만 한다. 따라서 외국형식승인 시험결과를 평가할 때 처리수 내 생존한 식물플랑크톤 종이 농축에 의해서 손실 및 손상을 받을 수 있는 종이라면 이에 대한 유효성 검증자료 제출을 요청해야 할 것이다.

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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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