[논문]Ankistrodesmus bibraianus의 최적 배양조건 설정을 통한 수질오염물질 제거 및 축산 폐수 처리 적용

황인성; 박영민; 이예은; 김덕원; 박지수; 오은지; 유진; 정근욱

doi:10.11626/kjeb.2020.38.1.082

[국내논문] Ankistrodesmus bibraianus의 최적 배양조건 설정을 통한 수질오염물질 제거 및 축산 폐수 처리 적용
Removal of water pollutants and its application to swine wastewater treatment through the establishment of best optimal growth conditions of Ankistrodesmus bibraianus 원문보기

환경생물 = Korean journal of environmental biology, v.38 no.1, 2020년, pp.82 - 92

황인성 (충청북도 동물위생연구소 축산물검사과) , 박영민 (충북대학교 농업생명환경대학 환경생명화학과) , 이예은 (충북대학교 농업생명환경대학 환경생명화학과) , 김덕원 (충북대학교 농업생명환경대학 환경생명화학과) , 박지수 (충북대학교 농업생명환경대학 환경생명화학과) , 오은지 (충북대학교 농업생명환경대학 환경생명화학과) , 유진 (경기연구원 생태환경연구실) , 정근욱 (충북대학교 농업생명환경대학 환경생명화학과)

초록
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축산 폐수는 고농도의 영양염류와 중금속을 함유하고 있어, 배출될 때 수질을 악화시킨다. 기존 처리 기술과 비교하여 bioremediation은 축산 폐수 처리에 유능하다. 특히, 미세조류는 오염물질 제거에 잠재력을 가지고 있다. 본 연구에서는 Ankistrodesmus bibraianus를 이용하여 축산 폐수 내 영양염류(질소(N), 인(P))와 중금속(구리(Cu), 아연(Zn))의 제거 가능성을 평가하고, A. bibraianus의 최적 배양조건을 확립하였다. 연구결과, 최적 배양조건은 28℃, pH 7, 광주기는 14:10 h로 설정되었다. N과 P의 단일 처리구(500, 1,000, 5,000, 10,000mg L^-1)에서 제거효율은 각각 22.9~80.6%와 11.9~50.0%였다. 또한, N과 P의 복합 처리구에서 제거효율은 각각 16.4~58.3%와 7.80~49.8%였다. Cu와 Zn의 단일 처리구(10, 30, 50mg L^-1)에서 제거효율은 각각 15.5~81.5%와 6.28~34.3%였다. 유사하게, Cu와 Zn의 복합 처리구에서 제거효율은 각각 16.7~74.5%와 5.58~27.5%였다. 또한 영양염류(N 및 P)와 중금속(Cu 및 Zn)의 성장 및 제거효율을 축산 폐수에 적용할 수 있음을 나타냈다. 본 연구의 결과에 따르면 A. bibraianus는 축산 폐수 내 영양염류와 중금속 제거에 이용할 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since swine wastewater contains high concentrations of nutrients and heavy metals, it deteriorates water quality when discharged. Compared to conventional methods, bioremediation can be a promising method for its treatment. Specifically, microalgae have the potential to remove these pollutants. In this study, the removal of nutrients (nitrogen (N) and phosphorus (P)) and heavy metals (copper (Cu) and zinc (Zn)) from swine wastewater by Ankistrodesmus bibraianus was evaluated and the organism's optimal growth conditions were investigated. The optimal growth conditions were established at 28℃, pH 7, and light and dark cycles of 14:10 h. The removal efficiencies of N and P by a single treatment (500, 1,000, 5,000, and 10,000 mg L-1) ranged from 22.9 to 80.6% and from 11.9 to 50.0%, respectively. The removal efficiencies of N and P in the binary treatments ranged from 16.4 to 58.3% and from 7.80 to 49.8%, respectively. The removal efficiencies of Cu and Zn by a single treatment(10, 30, and 50 mg L-1) ranged from 15.5 to 81.5% and from 6.28 to 34.3%, respectively. Similarly, the removal efficiencies of Cu and Zn in the binary treatments ranged from 16.7 to 74.5% and from 5.58 to 27.5%, respectively. In addition, the study showed the optimal growth conditions for microalgae and the removal efficiency of nutrients (N and P) and heavy metals (Cu and Zn), which could be applied to swine wastewater. Based on the results in this study, it appears that Ankistrodesmus bibraianus could be used for the removal of nutrients and heavy metals present in swine wastewater.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 미세조류의 일종으로 Oocystaceae과에 속하는 녹조류인 Ankistrodesmus bibraianus의 최적 배양조건을 확립하기 위해 온도, pH, 광주기에 따른 성장률을 측정하고, 영양염류(N, P) 및 중금속(Cu, Zn)이 성장에 미치는 영향과 제거효율을 확인하고자 하였다. 또한, A.
따라서, 본 연구에서는 미세조류의 일종으로 Oocystaceae과에 속하는 녹조류인 Ankistrodesmus bibraianus의 최적 배양조건을 확립하기 위해 온도, pH, 광주기에 따른 성장률을 측정하고, 영양염류(N, P) 및 중금속(Cu, Zn)이 성장에 미치는 영향과 제거효율을 확인하고자 하였다. 또한, A. bibraianus를 실제 축산 폐수에 적용시켜 영양염류 및 중금속 처리 효율을 분석하고자 하였다.
영양염류(N, P)와 중금속(Cu, Zn) 합성 폐수의 연구결과를 토대로 A. bibraianus의 축산 폐수에 현장 적용 가능성을 확인하였으며, 실제 축산 폐수에서 영양염류와 중금속의 제거효율을 평가하고자 하였다. 본 연구결과, A.

제안 방법

BG-11 (Blue Green)을 사용하여 배양을 하였고(Ilavarasi 2011), 배지 조성은 Table 1과 같다. 배지에 전배양된 미세조류를 10%(v/v) 주입하여 14일 간격으로 계대 배양하였다. 배양 조건은 온도 28°C, pH 7, 광주기(light : dark cycle) 14:10 h로 설정하였다.
A. bibraianus의 최적 배양조건을 설정하기 위해 온도는 MOE (2014)와 MOE (2016)를 기준으로 15, 25, 28, 35°C로 설정하였고, pH는 산성, 중성, 염기성 조건인 pH 3, 5, 7, 10으로, 광주기(light : dark cycle)는 10:14, 12:12, 14:10 h로 설정하여 각 조건별로 성장을 비교하였다.
마쇄한 시료를 4°C 암 조건에서 하루 동안 방치하여 원심분리(500×g, 20분)하였다.
합성 폐수 내 영양염류(N, P)와 중금속(Cu, Zn) 농도에 따른 A. bibraianus의 성장과 제거효율을 확인하였다. 필요한 농도 설정은 실험에 사용된 축산 폐수인 Table 2와 국립환경 과학원의 가축 분뇨에 의한 환경오염 영향 시범 조사를 기준으로 하였다(NIER 2013).
영양염류 합성 폐수에서 질소원으로는 NaNO₃와 NH₄Cl을, 인원으로는 K₂HPO₄를 이용하였다. 단일 및 복합 합성 폐수의 농도는 500, 1,000, 5,000, 10,000mg L^-1 로 설정하였다.
중금속의 단일 및 복합 합성 폐수는 배지 내 EDTA를 제거하여 중금속 제거율에 영향을 받지 않도록 하였다. 농도는 Cu standard solution (1,000 mg L^-1 )과 Zn standard solution (1,000 mg L^-1 )을 이용하여 10, 30, 50 mg L^-1 로 설정하였다.
중금속의 단일 및 복합 합성 폐수는 배지 내 EDTA를 제거하여 중금속 제거율에 영향을 받지 않도록 하였다. 농도는 Cu standard solution (1,000 mg L^-1 )과 Zn standard solution (1,000 mg L^-1 )을 이용하여 10, 30, 50 mg L^-1 로 설정하였다.
총 3곳(A, B, C)의 축사시설에서 축산 폐수를 얻어 A. bibraianus의 현장 적용성을 평가하였다. 축산 폐수 A는 대규모 사업 단지로부터 공급받았고, B와 C는 소규모 축사시설에서 채취하였다.
마쇄한 시료를 4°C 암 조건에서 하루 동안 방치하여 원심분리(500×g, 20분)하였다. 분리된 상층액은 분광광도계 UV-VIS spectrophotometer(Model UV Mini 1240 Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 663 nm, 645 nm, 630 nm, 750 nm의 파장에서 측정하였다. 각 파장에서 측정된 흡광도 값을 다음과 같은 식에 대입하여 Chlorophyll-a를 계산하였다.
온도에 따른 A. bibraianus의 성장 특성을 확인하기 위해 15, 25, 28, 35°C의 조건으로 설정하였다.
또한, 상관분석을 통해 실험결과 간의 상관관계를 확인하였다. 신뢰 구간은 95% 수준으로 설정하였으며, 모든 실험은 3반복 실시하였다.
Ankistrodesmus bibraianus의 최적 배양조건을 확립하기 위해서 온도, pH, 광주기의 변화에 의한 성장을 측정하였다. 온도에 따른 A.
본 연구에서 A. bibraianus의 최적 배양조건을 28°C, pH7, 광주기 14:10 h로 확립하였고, 이와 같은 배양조건을 적용하여 이후의 실험을 진행하였다.
A. bibraianus의 영양염류에 대한 성장 및 제거효율을 확인하기 위해 질소와 인을 500, 1,000, 5,000, 10,000 mg L^-1농도로 설정한 단일 및 복합 합성 폐수에서 실험을 진행하였다. 본 연구결과, 질소와 인의 단일 및 복합 합성 폐수의 농도가 증가할수록 A.
N과 P의 단일 처리구에서 농도 변화와 A. bibraianus의 성장을 상관분석하였다[Figs. 8, 9]. 본 연구결과 N과 P의 농도 변화와 A.
A. bibraianus에 대한 단일 및 복합 중금속 제거 효과를 확인하기 위해 Cu와 Zn을 10, 30, 50mg L^-1 로 처리한 단일 및 복합 합성 폐수에서 A. bibraianus의 성장과 중금속 제거효율을 측정하였다. 본 연구결과, Cu와 Zn의 단일 및 복합 합성 폐수에서 농도가 증가할수록 A.
Cu과 Zn의 단일 처리구에서 농도 변화와 A. bibraianus의 성장을 상관분석하였다[Figs. 10, 11]. 본 연구결과 N과 P의 농도 변화와 A.

대상 데이터

본 연구에서는 KCTC에서 분양받은 미세조류 Ankistrodesmus bibraianus (KCTC AG20735)를 이용하였다. BG-11 (Blue Green)을 사용하여 배양을 하였고(Ilavarasi 2011), 배지 조성은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 KCTC에서 분양받은 미세조류 Ankistrodesmus bibraianus (KCTC AG20735)를 이용하였다. BG-11 (Blue Green)을 사용하여 배양을 하였고(Ilavarasi 2011), 배지 조성은 Table 1과 같다. 배지에 전배양된 미세조류를 10%(v/v) 주입하여 14일 간격으로 계대 배양하였다.
단일 영양염류 합성 폐수의 경우, 해당 영양염류의 농도만 달리 제조하였으며, 나머지 조성은 기존과 동일하게 첨가되었다. 영양염류 합성 폐수에서 질소원으로는 NaNO₃와 NH₄Cl을, 인원으로는 K₂HPO₄를 이용하였다. 단일 및 복합 합성 폐수의 농도는 500, 1,000, 5,000, 10,000mg L^-1 로 설정하였다.
bibraianus의 현장 적용성을 평가하였다. 축산 폐수 A는 대규모 사업 단지로부터 공급받았고, B와 C는 소규모 축사시설에서 채취하였다. 3농가 모두 배출되는 수로로부터 10m 떨어진 위치에서 채취하여, 4°C에서 보관하였다.

데이터처리

T-test, ANOVA(analysis of variance) 및 Tukey’s HSD (honest significant difference) test를 실시하여 실험 결과의 유의한 차이를 확인하였다.
실험 결과는 SAS package (statistical analysis system, version 9.1, SAS Institute, Inc.)를 이용하여 분석하였다. T-test, ANOVA(analysis of variance) 및 Tukey’s HSD (honest significant difference) test를 실시하여 실험 결과의 유의한 차이를 확인하였다.
T-test, ANOVA(analysis of variance) 및 Tukey’s HSD (honest significant difference) test를 실시하여 실험 결과의 유의한 차이를 확인하였다. 또한, 상관분석을 통해 실험결과 간의 상관관계를 확인하였다. 신뢰 구간은 95% 수준으로 설정하였으며, 모든 실험은 3반복 실시하였다.

이론/모형

bibraianus의 성장과 제거효율을 확인하였다. 필요한 농도 설정은 실험에 사용된 축산 폐수인 Table 2와 국립환경 과학원의 가축 분뇨에 의한 환경오염 영향 시범 조사를 기준으로 하였다(NIER 2013).
수질오염공정시험기준의 Chlorophyll-a (ES 04312.1a) 분석 방법을 이용하여 A. bibraianus의 성장을 측정하였다(MOE 2011). 유리섬유여과지(GF/C, 45 mm)로 시료를 여과한 다음 여과지를 넣은 조직 마쇄기에 아세톤과 증류수(9+1)를 넣고 마쇄하였다.
영양염류는 수질오염공정시험기분법에 따라 총 질소(T-N)와 총 인(T-P)을 측정하여 분석하였다(MOE 2011). T-N은 220 nm에서 자외선/가시선 분광법 중 산화법에 따라 분석하였으며, T-P는 자외선/가시선 분광법에 따라 880nm에서 측정하였다.
영양염류는 수질오염공정시험기분법에 따라 총 질소(T-N)와 총 인(T-P)을 측정하여 분석하였다(MOE 2011). T-N은 220 nm에서 자외선/가시선 분광법 중 산화법에 따라 분석하였으며, T-P는 자외선/가시선 분광법에 따라 880nm에서 측정하였다.
중금속 측정은 수질오염공정시험기준법에 의한 질산-황산을 이용한 전처리 방법을 사용하여 유도결합플라즈마 발광광도계(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer, Perkin Elmer)로 분석하였다(MOE 2011). ICP-OES의 분석 조건은 RF power 1,300 KW, Nebulizer seaspray, Plasma flow 15L min^-1, Auxiliary flow 0.

성능/효과

본 연구결과, A. bibraianus의 생장률은 28°C에서 가장 높았으며, 15°C에서 가장 낮게 나타났다[Fig. 1A].
pH에 따른 A. bibraianus의 성장 특성을 확인하기 위해 pH 3, 5, 7, 10의 조건으로 설정하였고, 본 연구결과 A. bibraianus는 pH 7에서 가장 좋은 성장이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다[Fig. 1B]. Baker et al.
또한, 질소와 인의 복합 합성 폐수에서는 각 농도별(500, 1,000, 5,000, 10,000 mg L-1 )로, 질소 58.3%, 28.1%, 21.1% 16.4%, 인 49.8%, 16.1%, 9.93%, 7.80%의 제거효율을 보였다(p<0.05).
질소와 인을 단일로 처리한 합성 폐수에서 각 농도별(500, 1,000, 5,000, 10,000 mg L-1 )로 질소는 80.6%, 72.3%, 22.9%, 24.9%, 인은 50.0%, 23.1%, 16.7%, 11.9%의 제거효율을 보였다(p<0.05).
광주기(light : dark cycle) 조건에 따른 A. bibraianus의 성장 특성은 광주기가 길어질수록 A. bibraianus의 성장률이 증가하였고, light intensity가 강한 14:10 h일 때 가장 높은 성장률을 보였다[Fig. 1C]. 이러한 결과는 광주기가 길어질수록 Chlorella vulgaris의 성장이 증가하였다는 이전 연구결과와 일치하였다(Oh et al.
bibraianus의 영양염류에 대한 성장 및 제거효율을 확인하기 위해 질소와 인을 500, 1,000, 5,000, 10,000 mg L^-1농도로 설정한 단일 및 복합 합성 폐수에서 실험을 진행하였다. 본 연구결과, 질소와 인의 단일 및 복합 합성 폐수의 농도가 증가할수록 A. bibraianus의 성장이 저해되었다[Fig. 2]. 본 연구결과는 A.
obliquus를 이용하였을 때, 질소 70%, 인 34%의 제거효율을 보였다. 본 연구에서 A. bibraianus는 질소 80.6%,인 50.0%로 S. obliquus보다 높은 영양염류 제거효율을 보였다. 또한, 질소와 인의 복합 합성 폐수에서는 각 농도별(500, 1,000, 5,000, 10,000 mg L^-1 )로, 질소 58.
05). 단일 및 복합 합성 폐수에서 500 mg L^-1조건일 때 제거효율이 가장 높았으며, 농도가 증가할수록 제거효율이 감소하였다. 그리고 단일 영양염류 처리구보다 복합 처리구에서 P 500 mg L^-1 을 제외하고 질소와 인의 제거효율이 감소하는 것으로 나타났다[Fig.
단일 및 복합 합성 폐수에서 500 mg L^-1조건일 때 제거효율이 가장 높았으며, 농도가 증가할수록 제거효율이 감소하였다. 그리고 단일 영양염류 처리구보다 복합 처리구에서 P 500 mg L^-1 을 제외하고 질소와 인의 제거효율이 감소하는 것으로 나타났다[Fig. 5]. Lee and Park (2011)은 활성슬러지와 Ankistodesmus gracili를 혼합 배양하여 질소와 인의 제거에 사용하였을 때, 활성슬러지를 단일로 사용한 경우보다 영양염류의 제거효율이 각각 10.
중금속 단일 합성 폐수에서 각 농도별(10, 30, 50 mg L-1 ) 제거효율은 Cu는 81.5%, 28.9%, 15.5%, Zn은 34.3%, 10.3%, 6.28%이었다(p<0.05).
중금속 복합 합성 폐수에서는 각 농도별(10, 30, 50mg L-1 )로 Cu는 74.5%, 20.7%, 16.7%, Zn은 27.5%, 11.9%, 5.58%의 제거효율을 보였다(p<0.05).
7% 향상되었다고 하였다. 본 연구와 이전의 연구결과를 통해 미세조류 A. bibraianus는 질소와 인 저감에 효과적임을 확인하였다.
8, 9]. 본 연구결과 N과 P의 농도 변화와 A. bibraianusd의 성장은 음의 상관관계를 보였다. Conley et al.
bibraianus의 성장과 중금속 제거효율을 측정하였다. 본 연구결과, Cu와 Zn의 단일 및 복합 합성 폐수에서 농도가 증가할수록 A. bibraianus의 초기 성장이 저해되었으며[Fig. 3], 제거되는 중금속의 양이 줄어들었다[Fig. 6]. 또한, 중금속에 대한 A.
6]. 또한, 중금속에 대한 A. bibraianus의 성장 저해 효과는 Zn이 Cu보다 높은 것으로 나타났다. 중금속 단일 합성 폐수에서 각 농도별(10, 30, 50 mg L^-1 ) 제거효율은 Cu는 81.
10, 11]. 본 연구결과 N과 P의 농도 변화와 A. bibraianus의 성장은 양의 상관관계를 보였다. 미세조류는 이온 교환, 물리적 흡착, 화학 흡착 등에 의하여 중금속을 세포 표면에 축적하며, 중금속의 축적은 수동적 흡수(passive uptake)와 능동적 흡수(active uptake)로 크게 두 가지 과정으로 나눈다(Bates et al.
bibraianus의 축산 폐수에 현장 적용 가능성을 확인하였으며, 실제 축산 폐수에서 영양염류와 중금속의 제거효율을 평가하고자 하였다. 본 연구결과, A. bibraianus의 성장은 실제 축산 폐수에서 합성 폐수보다 Lag phase가 더 길었다[Figs. 2~4]. 축산 폐수는 합성 폐수에 비하여 탁도가 높고, 오염물질이 고농도로 존재하기 때문에(Lim et al.
bibraianus의 성장 및 영양염류와 중금속 제거효율은 합성 폐수에서의 결과와 유사한 경향을 보였다. 따라서, 본 연구결과에 따르면 A. bibraianus는 축산 폐수의 영양염류와 중금속 제거를 위한 폐수 처리에 적용이 가능할 것으로 사료된다. 폐수 처리 시 미세조류는 광합성을 통해 대기 중의 이산화탄소 농도를 낮추고, 하수내 유기물과 질소, 인 성분을 기질로 사용하여 수질오염물질을 제거하고, 바이오 연료로 이용 가능한 biomass를 생산할 수 있다(Wilkie and Mulbry 2002; Ahn et al.
본 연구에서는 활동성이 있는 A. bibraianus를 이용하였으므로 수동·능동적 흡수가 모두 이루어졌으며, 성장이 감소하지만 세포 표면과 세포질에 금속 이온이 흡착 및 축적되어 중금속의 농도가 감소한 것으로 사료된다.
2019). 반면, 본 연구에서 동일한 조건에 A. bibraianus를 이용하였을 때, A. bibraianus의 중금속 제거효율은 Cu 81.5%, Zn 34.3%로 같은 녹조류인 C. vulgaris와 S. obliquus보다 높았다. 또한, Zn 처리구보다 Cu 처리구에서 A.
obliquus보다 높았다. 또한, Zn 처리구보다 Cu 처리구에서 A. bibraianus의 성장 및 중금속 제거효율이 더 높은 것으로 보아, Zn보다 Cu에 대한 내성이 더 높은 것으로 사료된다. 그리고 본 연구결과에서 Cu와 Zn의 단일 및 복합 합성 폐수에서 Cu 30mg L^-1 를 제외하고 A.
bibraianus의 성장 및 중금속 제거효율이 더 높은 것으로 보아, Zn보다 Cu에 대한 내성이 더 높은 것으로 사료된다. 그리고 본 연구결과에서 Cu와 Zn의 단일 및 복합 합성 폐수에서 Cu 30mg L^-1 를 제외하고 A. bibraianus의 중금속 제거효율은 통계적으로 유의한 차이를 보여주지 못했다[Fig. 6]. Engl and Kunz (1995)의 연구결과에 따르면, 중금속 흡착을 할 때 Cu와 Zn은 대부분 동일한 작용기에 경쟁을 하고 있으며, Zn은 Cu와 비교하여 안정성 상수가 작기 때문에 결합 부위에 적게 흡착된다고 하였다.

후속연구

2013). 따라서, 축산 폐수 처리에 미세조류를 이용할 경우 경제성 측면에서 상당한 이점을 가지고 있어, 폐수 처리 분야에서 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	축산 폐수의 특징은 무엇인가?	축산 폐수는 고농도의 영양염류와 중금속을 함유하고 있어, 배출될 때 수질을 악화시킨다. 기존 처리 기술과 비교하여 bioremediation은 축산 폐수 처리에 유능하다.
	미세조류는 무엇에 잠재력을 가지고 있는가?	기존 처리 기술과 비교하여 bioremediation은 축산 폐수 처리에 유능하다. 특히, 미세조류는 오염물질 제거에 잠재력을 가지고 있다. 본 연구에서는 Ankistrodesmus bibraianus를 이용하여 축산 폐수 내 영양염류(질소(N), 인(P))와 중금속(구리(Cu), 아연(Zn))의 제거 가능성을 평가하고, A.
	생물학적 처리 방법 중 미세조류의 특징은 무엇인가?	1995). 미세조류는 물, 빛, 이산화탄소로 광합성을 하는 식물플랑크톤으로 특정 토양과 수질을 가리지 않고 질소, 인 등의 무기염만 존재한다면 무한히 증식한다. 또한, 영양염류인 질소와 인 등을 흡수하여 증식하므로 수질개선을 위한 하수 및 폐수 처리 분야까지 이용 범위가 확장되고 있다(Kang et al. 2012; Kim et al.

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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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