최희정
(Hee-Jeong Choi)
†
-
가톨릭관동대학교 에너지환경융합학과
(Department of Energy and Environment Convergence, Catholic Kwandong University)
© Korean Society on Water Environment. All rights reserved.
Key words
Algal blooms, Cyanobacterium, Inhibition, M. aeruginosa, Pine needle extract, Water treatment
1. Introduction
조류(Algae)는 엽록소를 가지고 독립영양생활을 하는 수 생식물이며, 광합성을 하는 미소생물로써 빛, 영양 등 환경 적인 요인이 적합할 경우 폭발적인
증식률을 나타낸다 (Choi, 2015). 국내에서 발생하는 조류는 계절별로 가을부 터 봄까지는 규조류, 늦봄부터 초여름까지는 녹조류 그리고 여름에서 가을에는 남조류가 우점을 이루고 있다(Choi, 2016). 우리나라의 관리대상 남조류는 Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria 4종이며, 이 중에서 여름철 녹조를 일으키는 대표적인 남조류는 Microcystis 와 Anabaena 이다. 이들은 수온 25°C 이상에서 증식이 매우 활발하며, 특히, Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa)는 보편적으로 하천 이나 호소 등 담수에서 사는 Cyanobacterium이며, Microsystin과 삭시토신이라는 독성을 발생한다(Gu et al., 2016). 우리나라에서는 아직 마이크로시스틴의 독성에 대한 구체 적인 피해사례가 보고되고 있지 않지만, 1878년 호주에서 처음으로 녹조로 인해 동물이
폐사했다고 보고했으며, 이후 세계 각지에서 마이크로시스틴의 독소 때문에 가축이나 야 생동물의 피해가 발생한 적이 있다(Paerl, 2012). 또한 녹조 현상이 증가할수록 녹조류의 광합성 활동으로 인하여 수중 의 용존산소가 감소하며, 이로 인하여 물고기와 수중생물에 생장에 악영향을 미칠
수 있다(Pei et al., 2014). 따라서 M. aeruginosa 의 제어는 생태계의 건강한 보존을 위하여 반드 시 필요한 중요한 이슈이다.
선행연구에 의하면 독성물질을 발생하며, 녹조현상을 일 으키는 M. aeruginosa를 없애기 위해 다양한 방법들이 연 구되고 있다. 전기분해를 이용하여 물 분자(H2O)를 초미립 자(플라스마) 상태로 분해해 녹조를 없애는 방법(Paerl, 2012), 철염이나 알루미늄계열의 화학적 응집제를 이용해 녹조를 응집제거하는 방법(Chen et al., 2012; Qi et al., 2016) 그 리고 강력한 초음파를 이용하여 조류의 세포를 파괴함으로 써 녹조를 제거하는 초음파 이용방법(Meullemiestre et al., 2016) 등이 있다. 그러나 이러한 방법들은 많은 에너지 비 용이 소모되고, 화학적인 응집제가 생태계에 미치는 독성 문제, 응집제의 비용 그리고 넓은 지역에
따른 낮은 제거 율이 단점이다. 이러한 단점을 보완하고자 수생식물이나, 수중 생태계의 먹이사슬을 이용하여 Microcystis를 제거하 기 위한 친환경 처리 기술도 등장하였다(Chen et al., 2012). 녹조를 먹이로 삼는 녹조 포식성 생물의 숫자를 인위적으 로 늘려 녹조를 제거하는 방식은 녹조 발생을 사전에 차단 할 수 있다는 장점 때문에 장기적인
관점에서 가장 우수한 녹조 제거 및 예방 기술로 꼽히고 있다. 그러나 인위적으 로 녹조 포식 생물이 대량으로 증가할 경우 발생할 수 있 는 문제점
등을 사전에 파악하기 위한 생태조사를 장기적 으로 해야 하기 때문에 많은 시간과 비용을 필요로 한다.
국내에서 가장 많이 사용하는 방법은 황토 살포하여, 황 토 입자 내에 존재하는 미세기공에 녹조를 유발시키는 영 양물질과 미세조류 등을 흡착시켜 동시에
제거하는 방법이 다(Choi, 2015; Sengoco and Anderson, 2004). 그러나 점토 광물의 표면은 음전하를 띄고 있어 음전하를 띄고 있는 미 세조류의 제거효율이 낮고, 예방 효과가 미미하여 효율적인 수질 관리 및
녹조 제어가 곤란한 실정이다. 따라서 조류 대발생을 억제하고 2차 오염 및 생물독성이 없는 천연 조 류제어제의 개발이 필요하다.
따라서 본 연구는 솔잎추출액(Pine needle extract; PNE) 을 이용하여 M. aeruginosa 의 성장제어를 위한 최적 조건 을 찾고, 현장적용여부를 확인하고자 하였다. 이를 위하여 pH, 온도, 교반속도, 혼합시간, PNE의 양이 M. aeruginosa 의 제거율에 미치는 영향을 실험하였으며, 다양한 제어모델을 이용하여 PNE를 이용한 M. aeruginosa 제어를 분석하였다.
2. Materials and Methods
Microcystis aeruginosa 배양
2.1.
M. aeruginosa 는 한국해양과학 기술원에서 15 mL를 분 양받아 Jaworski's Medium (JM배지)를 이용하여 25 ± 1°C 온도의 항온기에 5일간
증식하여 사용하였다. 미세조류 배 양을 위하여 배양기의 광원은 LED (Light Emitting Diode) 를 사용하였고, LED에 공급되는 전원은
모델 FP-60-12 파 워 공급기(AD & Lighting, Suwon, Kyonggi-Do, Korea)를 사용하였다. 모든 광원은 위에서 아래로
공급하였으며, LED 는 white 색상, 조도는 120 μmol/m2S, 광주기는 16L:8D 그 리고 pH 7에서 배양하였다. 구체적인 배양조건과 JM배지 의 성분은 Table 1에 나타내었다.
Table 1. Culture medium and cultivation conditions
|
Microorganism
|
Cultivation conditions
|
Culture medium
|
|
M. aeruginosa |
20 °C, 72 h
|
JM
|
|
Culture mediums
|
Compositions
|
|
JM medium
|
Ca(NO3)2H2O 4.0 g, KH2PO4 2.48 g, MgSO47H2O 10.0 g, NaHCO3 3.18 g, EDTAFeNa 0.45 g, EDTANa2 0.45 g, H3BO3 0.496 g, MnCl2·4H2O 0.278 g, (NH4)6Mo7O24·4H2O 0.20 g, Cyanocobalamin 0.008 g, thiamine HCl 0.008 g, biotin 0.008 g, NaNO3 16.0 g, and Na2HPO4·12H2O 7.2 g in 200 mL deionized water
|
2.2. 솔잎 추출액
솔잎은 강원도 강릉시 소재 산악지역에 자생하는 소나무 의 솔잎을 채취하여 사용하였다. 채취한 솔잎은 오염물질 제거를 위하여 증류수로 수차례 세척한
후 약 2 cm 크기로 절단하여 105 °C의 건조기(SJP-125DO, 세종과학, Korea)에 서 8시간 건조한 뒤 분쇄하였다. 건조 분쇄한 솔잎
10 g을 100 mL의 80% 에탄올과 혼합한 후 초음파 추출액기를 (JYD-US01, Shenzhen Jiayuanda Technol. Co.,
Ltd, Guangdong, China) 이용하여 20-kHz로 120분 동안 추출하였다. 추출한 솔잎액은 0.45 μm (Whatman, USA)로
필터링하여 냉장 보관하여 실험에 사용하였다.
2.3. 실험 조건
실험은 Jar-test의 형식으로 실행하였으며, 다양한 농도 (0-4 dryweight g/L)의 M. aeruginosa 함유용액 500 mL와 다양한 양의 (0-25 g/L) PNE를 실험계획에 따라 혼합하여 유리비커(1 L)에 투입하여 교반속도(0-300 rpm)와
교반시 간(0-30 min)을 조절하여 반응을 시켰다. 반응이 끝난 용액 은 2500 rpm으로 20분간 원심분리한 후 상등액을 샘플링 하여 M. aeruginosa 의 제거율을 측정하였다. pH는 3-10까 지 0.5 mol의 NaOH와 HCl을 이용하여 조절하였으며, 온 도는 M. aeruginosa 가 주로 여름철에서 가을철에 우점을 차지하는 조류임을 감안하여 15-40 °C도까지 조절하였다. 모든 실험은 하나의 매개변수의 측정을 위하여 나머지의
매개변수는 고정하였다.
2.4. 분석방법
Chlorophyll-a (Chl-a)은 500 mL를 GF/F (0.45 μm, Whatman) 필터로 여과한 다음, 습기를 제거하고 90% 아세톤으로
암/ 냉장 하에서 12 시간 동안 색소를 추출하였다. 추출한 엽 록소는 형광분석기(TD-700, Turner Designs)를 이용하여 흡 광도를
측정한 후, Chl-a 값으로 환산하였다. Chl-a의 농도 는 아래의 식 (1)을 이용하여 계산하였다.
M. aeruginosa 의 제거율은 Chl-a 측정한 후 아래의 식 (2) 를 이용하여 계산하였다.
여기서 Chl-a1 과 Chl-a2 는 각각 반응 전의 초기 농도와 반 응 후의 농도이다. 미세조류의 생장률(μ)은 아래와 같이 계 산하였다.
μ 는 생장률(1/h), X1 및 X0 는 초기 및 일정 배양 시간 후의 미세조류 농도(g/L), 그리고 t는 배양시간(h)를 나타낸 다. M. aeruginosa 의 건 중량은 10 mL의 샘플을 GF/C (Wahtmann, 영국)로 여과한 후 105°C에서 24시간 건조한 후 그 질량을 측정하였다.
M. aeruginosa의 생장력을 설명할 수 있는 제어모델은 Haldane, Double exponential, Edwards, Luong, Webb, Moser 그리고
Teissier의 모델을 이용하여 분석하였다. PNE의 성 분분석은 Gas Chromatography (GC-2010AF, Shimadzu, Japan)
를 이용하여 분석하였으며, pH는 pH-meter (ISTEK, pH-20N) 을 이용하여 측정하였다. 모든 실험은 5번 이상 반복 수행 하여 평균
데이터를 사용하였다.
3. Results and Discussions
3.1. 솔잎추출액의 특징
솔잎 추출액의 성분을 분석한 결과 pH는 4.5-5.1 이였으며, α-pinene, β-pinene, camphene 등의 정유성분과 quercetin,
kaempferol 등 flavonoid류, 수지 그리고 수분 58.1%, 당질 19.6%, 섬유소 13.3%, 단백질 3.75%, 조 지방 2.93%
과 회분 0.6% 정도가 함유되어 있다(Table 2). 이러한 성분들 은 항균효과 및 미생물 성장억제 효과가 있다고 보고되어 있다. 그 외에 무기성분으로 칼륨이 534.50 mg%, 칼슘 329.01
mg%, 마그네슘은 88.65 mg%함유되어 있다. 피톤 치드의 주요 구성 성분은 α, β-pinene, β-myrcene, limonene, phellandrene,
및 bornylacetate 이며, 이외에 terpenoid, poly terpenoid, phenol류 등 수십 가지의 미량성분을 함유 하는 혼합물로서
이들 성분이 항균, 살충작용을 하며 세균 의 성장을 저해한다(Hwang et al., 1995; Lee et al., 2005). 솔잎의 정유 성분 함유량은 0.13-1.3%이며, 생장환경과 수 확시기에 따라 함유량에 차이가 있다. 정유의 주요 성분인 pinene는 미생물의
생장을 억제하며, terpinene, camphene와 limonene는 항바이러스, 항염작용을 하고, phellandrene는 강한 살충력 작용을
하고, bornylacetate는 항곰팡이, 항염작 용을 하는 것으로 알려져 있다(Zeng et al., 2012). 솔잎 추 출액을 이용하여 항균 실험을 한 선행연구에 의하면 솔잎 추출물이 그람양성 균(Bacillus subtilis, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus)과 그람음성균(Escherichia coli, Shigella sonnei, Salmonella typhimurium)에 대하여 항균 효 능이 있다고 보고하였다(Kim, 2012; Krishnaswamy and Orsat, 2015; Wu et al., 2015). 또한 Nakai et al. (2000)은 단지 폴리페놀 성분 7.5 mg/L을 이용하여 M. aeruginosa를 61% 제거하였다고 보고하였다. 솔잎에 함유되어 있는 폴리 페놀 함유량은 솔잎 정유 성분 100 g 중 1.305 g이 함유되 어 있으며, tannin은
ellagic acid와 catechin 등의 성분이 솔 잎 정유 성분 100 g 중 0.69 g (약 0.7%)이 존재하는데, 이 성분은 식물체의
미생물 방어와 세포의 성장을 억제하는 작용이 있는 것으로 알려져 있다(Choi, 2009). PNE에는 폴 리페놀 화합물이 많이 함유되어 있어 M. aeruginosa를 제 거하는데 효율적일 것으로 예상된다.
Table 2. Components of pine needle extract
|
Components
|
Content (%)
|
|
Moisture
|
58.1
|
|
Carbohydrate
|
19.6
|
|
Cellulose
|
13.3
|
|
Protein
|
3.75
|
|
Crude fat
|
2.93
|
|
Inorganic components
|
1.72
|
|
Crude ash
|
0.6
|
3.2. 다양한 매개변수가 미치는 영향
3.2.1. pH
pH가 M. aeruginosa 의 제거율에 미치는 영향을 알아보고 자 HCl와 NaOH를 이용하여 pH를 3부터 10까지 조절하여 M. aeruginosa 의 제거율을 실험하였다. pH 3에서는 30%의 낮은 제거율을 나타내었으나 pH가 상승함에 따라 제거율 도 상승하여 pH 7에서는 100%의 제거율을
나타내었다. pH 8에서는 98%의 제거율을 나타내었으나 pH가 8이상으 로 증가함에 따라 점차 제거율이 감소하여 pH 10에서는 51%의 제거율을
나타내었다(Fig. 1). 이로 인하여 PNE를 이용하여 M. aeruginosa 의 제거를 위한 최적의 pH는 7-8 임을 알 수 있었다. 일반적인 호소의 pH가 7.35-9.43의 약 알칼리인 점을 감안한다면 PNE를 사용하여
호소의 M. aeruginosa 를 제거할 경우 pH의 조절 없이 사용할 수 있 을 것으로 사료된다. 일반적으로 pH는 미세조류 증식의 환 경적인 면에 많은 영향을 미치는 주요
영향인자이다. 미세 조류 제어물질을 사용시에 pH 조절에 영향을 받지 않고 사용할 수 있다는 것은 현장적용이 가능하다는 것을 확인 할 수 있다. 호소의
pH조절은 어려운 부분이며, 설령 가능 하다고 할지라도 pH 조절을 위한 약품사용에 따른 경제적 인 부담 및 호소의 생태적인 환경에 미치는 영향을
고려해 야만 한다. 선행연구에 의하면 PNE에 함유되어 있는 폴리 페놀 화합물 성분은 중성의 pH에서 가장 활발하게 항균작 용을 하는 것으로 보고하였다(Kong et al., 1995). 본 실험 결과 PNE를 이용하여 M. aeruginosa 를 제거할 경우 PNE 에 함유되어 있는 주요 항균작용 물질인 α, β -pinene, β -myrcene, limonene, phellandrene 그리고 bornylacetate 등 은 산성 조건보다는 중성이나 약알칼리의 pH에서 반응이
활발하여, 중성의 pH에서 높은 제거율을 나타내었다.
Fig. 1. Effect of various levels of pH on the removal ofM. aeruginosain PNE (PNE concentration: 2 g/L;M. aeruginosaconcentration 1.852 dry weight g/L; mixing rate, 100 rpm; mixing time, 10 min; T: 25°C).
3.2.2. 온도
온도는 pH와 같이 M. aeruginosa의 제거율에 영향을 미 치는 중요한 인자 이다. 온도에 따른 M. aeruginosa 제거율 실험결과 15°C에서는 5분의 반응시간에 43%의 제거율을 나타내었으며 반응시간 60분에는 100%의 제거율을 나타내 어, M. aeruginosa 의 제거율은 다른 높은 온도와 비교하여 제거속도가 느렸다. 20°C에서는 30분의 반응시간에 93%의 제거율을 나타내었으나, 25°C에서는 10분의
반응시간에 99%의 제거율을 나타내었으며, 20분의 반응시간에 100%의 제거율을 나타내었다. 온도가 상승함에 따라 제거속도와 제 거율은 향상되었으나
30°C 이상에서는 거의 차이가 없어 반응시간 5분에 도달했을 때 99% 이상 제거되었음을 알 수 있었다(Fig. 2). 남조류가 등장하는 여름에 호소나 강의 온도가 25°C 전후인 것을 점을 감안한다면 10분의 반응시 간으로 M. aeruginosa 를 99%이상 제거할 수 있다. Choi (2016)은 카페인을 이용하여 M. aeruginosa를 제거한 결과 15°C, 20°C, 25°C, 30°C 그리고 35°C에서 각각 23%, 46%, 78%, 80%, 81%를 나타내어 온도가 상승함에
따라 M. aruginosa 의 제거율이 상승하였으나, 25°C와 30°C에서의 제거율에는 큰 차이가 없었다. 일반적으로 대부분의 미세조 류는 25°C 전 후의 온도에서 가장
활발하게 증식을 하며, 녹조현상을 일으키는 남조류 또한 여름철 기온이 25°C 이 상이였을 때 우점종을 차지하는 것으로 보고되어지고 있다 (Nakai et al., 2000). 따라서 PNE는 25°C에서 높은 제거율 을 나타내어, 여름철 남조류 중에서 독성을 함유하고 있는 M. aeruginosa 를 제거하는데 적합하며, 현장적용이 가능할 것으로 사료된다.
Fig. 2. Effect of temperature on the removal ofM. aeruginosaby PNE (PNE concentration: 2 g/L,M. aeruginosaconcentration 1.852 dryweight g/L, mixing rate: 100 rpm, mixing time: 10 min, pH: 7).
3.2.3. PNE의 양
pH와 온도의 최적화 실험은 현장적용의 가능성과 경제적 부분에서 중요한 영향인자라면, M. aeruginosa 의 제거를 위하여 PNE의 투여하는 양을 최소화시키는 것은 경제적인 면에서 매우 중요한 요인이다. Fig. 3에 PNE를 이용하여 M. aeruginosa 를 98%이상 제거한 데이터를 정리하였다. 위의 pH와 온도가 미치는 영향 실험결과를 참조하여 pH는 7, 온도는 25°C에 맞추어 실험하였다.
실험결과 M. aeruginosa 의 농도와 PNE의 양과의 상관관계는 0.9922를 나타내어 매우 높았으며, M. aeruginosa 의 농도가 높아질수록 PNE 의 양도 증가하였음을 알 수 있었다. 상관계수(R2)를 이용 하여 M. aeruginosa 제거에 필요한 PNE의 양을 계산한 결 과 1 g dryweight/L의 M. aeruginosa 를 98% 이상 제거하 는데 약 1 g/L의 PNE가 필요하였다. M. aeruginosa 의 생 태계 및 동식물에 미치는 독성은 이미 전 세계적으로 문제 가 되고 있으며, 이에 따라 다양한 제거 방식이 연구되고 있다. Li et al. (2016)은 수생식물인 Sagittaria trifolia 의 추 출물을 이용하여 M. aeruginosa 의 제어를 연구하여 6시간 에 90%의 제거율을 보고했으며, Chen et al. (2012)은 수생 식물을 이용하여 Microcystis를 제어한 결과 19일 동안에 75-82%의 제거율을 보고하였다. 또한 Sengoco and Anderson (2004)는 1000 mg/L의 점토광물을 이용하여 하천이나 호 소의 영양염류와 Microcystis 제거를 동시에 연구한 결과 22.9%의 낮은 제거율을 보고하였으나, Liu et al. (2010)은 낮은 점토광물의 Microcystis 제거율을 보완하고자 hexadecyl trimethyl ammonium bromide를 이용하여 점토광물을 개질 하였으며, 이를 이용하여 0.3
g/L의 양으로 92% 제거율을 보고하였다. PNE를 이용하여 M. aeruginosa 제거를 실험한 본 연구는 개질에 필요한 화학약품과 긴 시간이 필요로 하 지 않으며, 천연물질 그대로 사용할 수 있어 환경 친화적 이고, 선행논문과
비교하여 높은 제거율을 나타내었음을 알 수 있다.
Fig. 3. Relationship betweenM. aeruginosaconcentration and PNE dosage (mixing rate: 100 rpm, mixing time: 10 min, pH: 7, T: 25°C).
3.2.4. 교반시간과 교반속도
시료의 혼합시간과 교반속도의 최적 조건을 찾는 것은 M. aeruginosa 를 제거하는 실험에서 에너지 비용을 절약 할 수 있다는 점에서 시료의 양만큼이나 중요한 요인이다. Fig. 4에 시료와 PNE의 혼합시간에 따른 M. aeruginosa의 제거율을 구체적인 실험조건과 함께 나타내었다. 액상인 PNE은 수용액에서 쉽게 혼합되어 1 min의 혼합시간에 76% 의 M. aeruginosa 제거율을 나타내었으며 5 min 후에는 완 전히 혼합되어 100%의 제거율을 나타내었다. 혼합시간이 짧고 제거율이 높을수록 교반에 따른 에너지 비용은
절약 되며, 그에 따른 공정의 비용도 저감할 수 있다. PNE에 함 유되어 있는 주요 피톤치드 성분인 α,β-pinene, β-myrcene, limonene,
phellandrene 그리고 bornylacetate 등은 살균작용 이 강하여 빠른 반응속도를 나타내며, 그에 따른 제거율이 매우 높다.
Fig. 4. Effect of mixing time on theM. aeruginosaremoval using PNE (PNE concentration: 2 g/L,M. aeruginosaconcentration 1.852 dryweight g/L, mixing rate: 100 rpm, pH: 7, T: 25°C).
교반속도의 최적화 또한 혼합시간과 같이 에너지 비용을 절약할 수 있는 요인이 된다. Fig. 5에 교반 속도에 따른 M. aeruginosa 의 제거율을 나타내었다. 교반속도가 빠를수 록 짧은 시간에 높은 제거율을 나타내었다. 30 rpm 으로 교반했을 경우 10 분 후에 100% 제거율을
나타내었으나, 150 rpm 으로 교반했을 때에는 3분 후에 98%의 M. aeruginosa 제거율을 나타내었다. 100 rpm으로 3분 동안 교반했을 때 에는 95%이상의 제거율을 나타내었고 100 rpm 이상에서는 제거율이 거의 변화가
없이 비슷하였다. 따라서 PNE를 이 용하여 M. aeruginosa 를 제거할 경우 경제적인 부분을 감 안한다면 100 rpm 의 교반속도가 최적인 것으로 사료된다. PNE의 현장적용시에는 적용대상의 부피와 시료의
양에 따 라 Batch-test의 결과를 이용하여 최적화를 해야 한다.
Fig. 5. Effect of mixing speed on the specific growth rate in PNE culturedM. aeruginosa(PNE concentration: 2 g/L,M. aeruginosaconcentration 1.852 dryweight g/L, mixing time: 10 min, pH: 7, T: 25°C).
M. aeruginosa 성장제어 모델 분석
3.3.
PNE의 농도에 따른 비증식 속도 (μ)의 증가와 감소를 계 산하여 Fig. 6에 나타내었다. 0.5 g/L 까지는 μ 가 증가하였 으나 그 후에는 PNE의 농도가 증가함에 따라 점차 감소하 여 2 g/L에서는 0.08 (1/h)
그리고 10 g/L에서는 0.02 (1/h) 의 M. aeruginosa 의 비증식 속도를 나타내었다. 이는 PNE 농도 0.5 g/L까지는 M. aeruginosa 제어에 크게 영향을 미 치지 못한 것으로 보이며 0.5 g/L이상의 PNE농도에서는 점 차 M. aeruginosa 의 제어에 작용한 것으로 보인다. 실험결 과 μmax는 0.5 g/L의 PNE 농도에서 0.21 (1/h)를 나타내었다.
Fig. 6. Effect of PNE concentration on the specific grow rates ofM. aeruginosa(standard deviation varying ±3%).
PNE를 이용한 M. aeruginosa 성장제어를 Moser, Tessier, Webb, Haldane, Edwards, Double exponential 그리고 Luong models을
이용하여 분석하였으며 계산한 데이터를 Table 3 에 정리하였다. 실험데이터를 분석한 결과 Luong 모델은 R2 를 0.9761 나타내어 다른 모델보다 PNE를 이용하여 Microcystis sp.를 생장 실험에 더 적합하였다. μm 은 모든 분석 모델에서 0.174-0.231 (1/h)을 나타내었으며, Ks는 0.3394- 1.140을 나타내어 PNE의 농도 약 1 g/L에서는 Microcystis sp. 성장에 제어되었음을 확인할 수 있었다. Gokulakrishnan and Gummadi (2006)는 카페인을 이용하여 Pseudomonas sp. 의 제어를 실험한 결과 약 2.5 g/L 에서부터 카페인이 Pseudomonas sp.의 생장에 제어작용을 하는 것을 확인하였 으며, Kim et al. (2016)은 다양한 Glucose의 농도를 이용하 여 Klebsiella oxytoca의 성장제어를 실험한 결과 Glucose 농도 50 g/L 이상부터 Klebsiella oxytoca의 성장이 제어되 는 것을 확인하였다. 본 실험결과 PNE는 약 1 g/L에서 부터 M. aeruginosa 성장을 제어할 수 있어 카페인이나 Glucose 보다는 미세조류 성장제어에 효과적인 것으로 사료된다.
Table 3. Estimated parameters of various substrate inhibition models
|
Model
|
Equation
|
Parameters
|
R2
|
|
Moser
|
μ = μmSn / (Ks+Sn)
|
n = 0.6721, Ks = 0.8287, μm = 0.207
|
0.9612
|
|
Tessier
|
μ = μm[1-exp(-S/Ks)]
|
Ks = 0.5312, μm = 0.172
|
0.9248
|
|
Webb
|
μ = {μmS[1+(S/Ki)]} / {Ks+S+(S2/Ki)}
|
Ki = 1171, Ks = 0.3394, μm = 0.174
|
0.9321
|
|
Haldane
|
μ = μmS/[(Ks+S)+(1+S/Ki)]
|
Ki = 1.141, Ks = 1.140, μm = 0.203
|
0.8941
|
|
Edwards
|
μ = [μmS/(Ks+S)] exp(-S/Ki) |
Ki = 4.512, Ks = 0.9173, μm = 0.228
|
0.9547
|
|
Double exponential
|
μ = μm[exp(-S/Ki) -exp(-S/Ks)]
|
Ki = 5.623, Ks = 0.687, μm = 0.231
|
0.9532
|
|
Luong
|
μ = μmS/(Ks+S) (1-S/Sm)n |
Sm = 20.11, Ks = 0.6012, μm = 0.227,
n = 2.857
|
0.9761
|
M. aeruginosa 제거를 위해서 물리적, 화학적 등 많은 방 법이 연구되고 있으나, 물리학적인 방법은 많은 에너지와 시간이 소요되어 실용적이지 못하며, 화학적인 방법은
다량 의 화학약품의 사용으로 인하여 생태계에 악영향을 줄 수 있으며, 특히 식수로 사용할 수 있는 물에는 적합하지 못 하다. 따라서 최근에는 환경
친화적이고 경제적이며 생태계 에 무해한 천연제어제가 연구되고 있다. Xiao et al. (2010) 은 보리 짚이 M. aeruginosa 제어를 위한 물리적 또는 화 학적 처리의 유용한 대안이 될 수 있다고 보고하였으며, 침엽수와 활엽수의 추출액(Park et al., 2006), 감귤 껍질 및 난쟁이 바나나 껍질(Chen et al., 2004), 벼 껍질(Park et al., 2009) 등을 이용하여 M. aeruginosa 를 효율적으로 제 어 할 수 있다고 보고하였다. 이러한 식물의 부산물을 이 용한 M. aeruginosa의 성장억제는 주로 식물에 함유되어 있는 탄닌산을 포함한 폴리페놀화합물인 allelochemicals에 기인한다(Chen et al., 2004; Nakai et al., 2000; Park et al., 2006). 본 연구에서 사용한 PNE는 탄닌산을 포함한 폴리 페놀화합물이 벼 껍질이나 감귤의 껍질보다 많아 제거율이 높으며 솔잎은 계절에 관계없이 수확할
수 있어 다른 식물 의 부산물을 이용하는 것보다 활용도가 높다. PNE를 이용 한 M. aeruginosa 의 제거는 제거효율이 높고 환경 친화적 이며, 경제적이지만, 다른 물질과 비교하여 많은 양을 필요 로 하는 단점이 있으며, 아직까지 PNE를 사용하여
하천이 나 호소의 M. aeruginosa을 제거할 경우 하천의 다른 미생 물과 생태계에 미치는 영향은 조사되지 않았다. 따라서 현 장적용을 위해서는 지속적인 연구 검토가 필요하다.
4. Conclusion
PNE를 이용하여 M. aeruginosa 의 성장을 제어하기 위한 본 실험의 결과는 아래와 같다. PNE를 이용하여 M. aeruginosa 를 제거하기 위해서는 25°C, 교반속도 100 rpm, 혼합시간 10 min, pH 7이 최적 조건이였으며, 1 g dryweight/L 의 M. aeruginosa 를 제거하기 위해서는 약 1 g/L의 PNE가 필 요했다. μmax는 0.5 g/L의 PNE농도에서 0.21 (1/h)를 나타 내었으며, PNE를 이용한 M. aeruginosa 성장제어를 Moser, Tessier, Webb, Haldane, Edwards, Double exponential 그리 고 Luong models을
이용하여 분석한 결과 Luong 모델은 R2를 0.9761 나타내어 다른 모델보다 PNE를 이용하여 M. aeruginosa 를 생장 실험에 더 적합하였다. PNE는 탄닌산 을 포함한 폴리페놀화합물이 벼 껍질이나 감귤의 껍질보다 많아 제거율이 높으며 소나무의 잎은 계절에
관계없이 수 확할 수 있어 다른 식물의 부산물을 이용하는 것보다 활용 도가 높았으며, 현장적용 가능성을 확인하였다. PNE를 이 용한 M. aeruginosa 의 제거는 제거효율이 높고 환경 친화 적이며, 경제적이다.
Acknowledgments
This study was supported by the Basic Science Research Program through the National
Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education, Science and
Technology (2016005271) and supported by research fund by Catholic Kwandong University
(CKURF-201604310001).
References
Chen J.Z, Liu Z.L, Ren G.J, Li P.F, Jiang Y.W, 2004, Control of Microcystis aeruginosa
TH01109 by Batangas Mandarin Skin and Dwarf Banana Peel, Water S.A, Vol. 30, No. 2,
pp. 279-282
Chen J.Z, Zhang H.Y, Han Z.P, Ye J.Y, Liu Z, 2012, The Influence of Aquatic Macrophytes
on Microcystis aeruginosa Growth, Ecological Engineering, Vol. 42, pp. 130-133
Choi H.Y, 2009, Antioxidant Activity and Quality Characteristics of Pine Needle Cookies,
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition, Vol. 38, No. 1, pp. 1414-1421
Choi H.J, 2015, Optimization for Microalgae Harvesting using Mg-sericite Flocculant,
[Korean Literature], Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 31, No.
3, pp. 328-333
Choi H.J, 2016, Inhibition of the Growth of Harmful Cyanobacterial Blooms, Microcystis
Aeruginosa Using Caffeine, [Korean Literature], KSWST Journal of Water Treatment,
Vol. 24, No. 5, pp. 111-122
Gokulakrishnan S, Gummadi S.N, 2006, Kinetics of Cell Growth and Caffeine Utilization
by Pseudomonas sp. GSC 1182, Process Biochemistry, Vol. 41, pp. 1417-1421
Gu N, Gao J, Li H, Wu Y, Ma Y, Wang K, 2016, Montmorillonite-supported with Cu2O Nanoparticles
for Damage and Removal of Microcystis aeruginosa under Visible Light, Applied Clay
Science, Vol. 132-133, pp. 79-89
Hwang B.H, Zhao J, Kwon H.I, Song J.M, 1995, Tepene Components Analysis on Needle
and Pine Cone of Pinus thunbergii, Journal of Korea Foresty Energy, Vol. 15, No. 1,
pp. 23-26
Kim C.S, 2012, A Comparison Study of Antibacterial Effects of Pine Needle Extracts
on Human Skin Pathogens, [Korean Literature], Korean Journal of Aesthetic and Cosmetology,
Vol. 10, No. 1, pp. 25-30
Kim D.K, Park J.M, Song H.H, Chang Y.K, 2016, Kinetic Modeling of Substrate and Product
Inhibition for 2,3-Butanediol Production by Kiebsiella oxytoca, Biochemical Engineering
Journal, Vol. 114, pp. 94-100
Kong Z, Liu Z, Ding B, 1995, Study on the Antimutagenic Effect of Pine Needle Extract,
Mutation Research Letters, Vol. 347, No. 3-4, pp. 101-104
Krishnaswamy K, Orsat V, 2015, Insight into the Nanodielectric Properties of Gold
Nanoparticles Synthesized from Maple Leaf and Pine Needle Extracts, Industrial Crops
and Products, Vol. 66, pp. 131-136
Lee H.J, Choi S.P, Kim S.H, Ham Y.A, Lee D.S, Ham S.S, 2005, Quality Characteristics
of the vaporized Lipid of Water-boiled Pine Needle, Journal of Korean Society of Food
Preservation, Vol. 12, No. 2, pp. 107-111
Li J, Liu Y, Zhang P, Zeng G, Cai X, Liu S, Yin Y, Hu X, Tan X, 2016, Growth Inhibition
and oxidative Damage of Microcystis aeruginosa induced by Crude Extract of Sagittaria
trifolia Tubers, Journal of Environmental Sciences, Vol. 43, pp. 40-47
Liu G, Fan C, Zhong J, Zhang L, Ding S, Yan S, Han S, 2010, Using Hexadecyl Trimethyl
Ammonium Bromide (CTAB) modified Clays to clean the Microcystis aeruginosa Blooms
in Lake Taihu, China, Harmful Algae, Vol. 9, No. 4, pp. 413-418
Meullemiestre A, Petitcolas E, Maache-Rezzoug Z, Chemat F, Rezzoug S.A, 2016, Impact
of Ultrasound on solid-liquid Extraction of phenolic Compounds from Maritime Pine
Sawdust Waste. Kinetics, Optimization and Large Scale Experiments, Ultrasonics Sonochemistry,
Vol. 28, pp. 230-239
Nakai S, Inoue Y, Hosomi M, Murakami A, 2000, Myriophyllum spicatum-released allelopathic
Polyphenols Inhibiting Growth of Blue-green Algae Microcystis aeruginosa, Water Research,
Vol. 34, No. 11, pp. 3026-3032
Paerl P, 2012, Climate Change: Links to Global Expansion of Harmful Cyanobacteria,
Water Research, Vol. 46, pp. 1349-1363
Park M.H, Hwang S.J, Ahn C.Y, Kim B.H, Oh H.M, 2006, Screening of seventeen Oak Extracts
for the Growth Inhibition of the Cyanobacterium Microcystis aeruginosa Kütz. em. Elenkin,
Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, Vol. 77, pp. 9-14
Park M.H, Kim B.H, Chung I.M, Hwang S.J, 2009, Selective bactericidal Potential of
Rice (Oryza sativa L. var. japonica) Hull Extract on Microcystis strains in Comparison
with Green Algae and Zooplankton, Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology,
Vol. 83, pp. 97-101
Pei H.Y, Ma C.X, Hu W.R, Sun F, 2014, The Behaviors of Microcystis aeruginosa Cells
and Extracellular Microcystins during Chitosan Flocculation and Flocs Storage Processes,
Bioresource Technology, Vol. 151, pp. 314-322
Qi J, Lan H, Miao S, Xu Q, Liu R, Liu H, Qu J, 2016, KMnO4-Fe(II) Pretreatment to
enhance Microcystis aeruginosa Removal by Aluminum Coagulation: Does it Work after
long Distance Transportation?, Water Research, Vol. 88, pp. 127-134
Sengco M.R, Anderson D.M, 2004, Controlling harmful Algal Blooms through Clay Flocculation,
Journal of Eukaryotic Microbiology, Vol. 51, pp. 169-172
Wu Y.P, Liang X, Liu X.Y, Zhong K, Gao B, Huang Y.N, Gao H, 2015, Cedrus deodara Pine
Needle as a potential Source of natural Antioxidants: Bioactive constituents and Antioxidant
activities, Journal of Functional Foods, Vol. 14, pp. 605-612
Xiao X, Chen Y.X, Liang X.Q, Lou L.P, Tang X.J, 2010, Effects of Tibetan hulless barely
on Bloomfroming Cyanobacterium (Microcystis aeruginosa) measured by Different physiological
and morphologic Parameters, Chemosphere, Vol. 81, pp. 1118-1123
Zeng W.C, Zhang Z, Gao H, Jia L.R, He Q, 2012, Chemical Composition, Antioxidant and
Antimicrobial Activities of Essential Oil from Pine Needle (Cedrus deodara), Journal
of Food Science, Vol. 77, No. 7, pp. 824-829