최희정
(Hee-Jeong Choi)
†
-
가톨릭관동대학교 보건환경학과
(Department of Health and Environment, Catholic Kwandong University)
© Korean Society on Water Environment. All rights reserved.
Key words
Algal blooms, Artemisia asiatica extracts, Cyanobacterium, Inhibition, Microcystis aeruginosa, Water Treatment
1. Introduction
공중 보건에 유해한 조류 번식 (Harmful Algal Blooms, HABs)과 HABs 관련 질병의 중요성에 대한 인식이 커지고 있다. 최근
들어 HABs 는 전 세계 해안지역에 급격하게 증가하고 있으며, 점점 등장하는 빈도 수가 증가하고 있고. 강도도 더 심해지고 있다 (Gilbert et al., 2005). 이러한 현 상에 대해 여러 연구자들은 지구온난화와 유해조류의 대 번식은 밀접한 관련이 있다고 보고하고 있으나, 이에 대한 이견도 다양하게 존재하고
있다 (Ralston et al., 2011). 그 러나 자연 환경 요인 (허리케인, 지진, 해일 및 태풍 등)과 인위적인 요인 (부영양화, 해양 운송 및 양식장의 증가) 및 기후 변화에 기인하여
HABs는 매우 빠르게 번식하여 수생 식물을 대량으로 폐사시키거나 수생태계를 파괴하는 독성 을 유발할 수 있다는 데에는 이견이 없다 (Badjeck et al., 2010). 따라서 HABs 관련 노출 및 질병에 대한 공중 보건 감시, 연구 및 홍보가 진행되지 않을 경우 HABs 관련 질 병의 사례 수가 향후 10
년간 계속 증가 할 것으로 예상된 다 (Grattan et al., 2016; Ralston et al., 2011).
최근 우리나라에서도 여러 가지 요인으로 인하여 해마다 조류가 비정상적으로 증가하고 있으며, 이로 인하여 전국의 강과 하천에는 수질이 많이 악화되어
가고 있어, 생태계를 위협하고 있다. 국내에서 발생하는 조류는 계절별로 가을부 터 봄까지는 규조류, 늦봄부터 초여름까지는 녹조류 그리고 여름부터 가을까지는
주로 남조류가 우점을 이루고 있다. 보 고에 의하면 한강은 Anabaena, 낙동강은 Microsystis가 우점 종을 이루고 있다 (Choi, 2016). 우리나라의 소양호와 대청 호에서 여름철에 빈번히 발생하는 Anabaena는 Filamentous Cyanobacteria로서 질소고정 능력을
가지고 있으며, Mosquiro fern 등의 식물과 공생하는 경우 신경계통의 독성물질을 생 산할 수 있으며, Geosmin 3-MIB를 생산한다
(Hallengraeff, 2010). 지오스민은 냄새가 강해 5 ppt의 농도에서도 냄새를 느낄 수 있어 수돗물의 쾌적성을 떨어뜨린다. 그러나 현재 까지 알려진 독성은 없고 휘발성이
강해, 물을 끓이면 쉽 게 제거된다. 반면, 남조류인 Microcystis 는 동물 실험에서 급성 간 손상 가능성 및 간암과 관련된 것으로 보고 된
Microsystin을 발생한다 (Paerl, 2012). Microsystin에 의한 피해는 1996년 브라질, 1931년 오하이오 그리고 남중국에 서 발생하였으며, 이에 따라 World Health
Organization (WHO)는 Microcystis로 인하여 발생하는 독성을 줄이고자 음용수의 Microcystin 함량을 1 μg/L 이하로
규정하였다 (Grattan et al., 2016; Ralston et al., 2011). 이러한 독성을 함유하고 있는 남조류는 보편적으로 하천이나 호소 등 담 수에서 사는 Cyanobacterium이며, 전 세계적으로 널리 분 포되어
있어 반드시 제거해야 할 유해 독성 조류이다.
이러한 유해 조류를 제거하기 위해 물리적, 화학적 그리 고 생물학적 방법의 연구 들이 많이 진행되고 있다 (Chen et al., 2012; Choi, 2017; Jin et al., 2017; Meullemiestre et al., 2016; Wu et al., 2012). 그러나 이러한 초음파와 원심 분리 등 물리적 방법과 황산구리, 과산화수소 그리고 오존 처리 등의 화학적 방법은 처리효율과 효용성이 떨어지며,
화학약품을 사용했을 경우 생태계에 미치는 독성과 내성 발생에 대한 문제점 등이 커다란 단점이 있다 (Pei et al., 2014). 국내에서 최근에 가장 많이 사용하는 방법은 점토광 물을 살포하는 방법이다. 그러나 이러한 방법 또한 처리 효율이 낮고, 처리 비용이 많이 든다
(Choi, 2016; Nakai, 2000; Sengco and Anderson, 2004). 최근에 A회사는 밤껍 질에서 추출한 탄닌과 제올라이트를 섞어 액체 조류 제거 제를 개발하여 현장에 투여하여 효과를 거두었으나, 조류제 거제 생산비용은
1t에 1,200만원이며, 작은 호수 여러 개가 있는 골프장 한 곳의 녹조제거를 위해서는 연간 1억원의 비용이 필요하다. 또한 넓은 면적의 하천이나
저수지, 큰 댐에 사용하기에는 엄청난 비용이 발생한다 (Kang, 2014). 따라서 생태계에 악영향을 미치지 않고 저비용, 고효율의 환경 친화적인 조류 제어제의 개발이 필요하다.
쑥 (Artemisia princeps var. orientalis)은 국화과 (Compositae) 에 속하는 다년생 초본으로 현재까지 보고된 400여 종의 Artemisia 속 식물 가운데 300 여종이 국내에 자생하 고 있다. 국내에서 자생하는 300여종의 쑥은 재배지역에 따라 구성 성분 및 효능에 차이를 보이고 있다
(Choi and Ha, 2014). Bora and Sharma (2011)은 Artemisia asiatica 잎의 추출물이 Bacillus subtilis의 성장을 억제한다고 하였 으며, Melguizo et al. (2014)는 Artemisia vulgaris가 함유하 고 있는 플라보노이드 성분이 항산화 활성 기능을 가지고 있다고 보고하였다. 따라서 본 연구는 생태계에 영향을 미 치지 않은 환경 친화적인
쑥 추출액(Artemisia asiatica extracts)을 이용하여 시아노박테리아의 일종이며 독성 유해 조류인 Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa)의 생장제어 실험을 하고자 하였으며, 이와 더불어 현장적용 가능성을 확인하고자 하였다.
2. Materials and Methods
2.1. Microcystis aeruginosa 배양
본 연구는 우리나라 관리대상 남조류 4종 (Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria) 중에서 가장 광범위 하게 우점종을 차지하고 있는 M. aeruginosa를 쑥 추출액을 이용하여 성장제어 및 제거 실험을 하였다. M. aeruginosa (KMMCC-973)은 JM배지를 이용하여 25 ± 1 °C 온도의 항 온기에서 5일간 증식하여 사용하였다. 미세조류 배양을 위 하여 배양기의 광원은
LED (Light Emitting Diode)를 사용 하였고, LED에 공급되는 전원은 모델 FP-60-12 파워 공급 기 (AD & Lighting,
Suwon, Kyonggi-Do, Korea)를 사용하 였다. 모든 광원은 위에서 아래로 공급하였으며, LED는 white 색상, 조도는 3,000
lx, 광주기는 16L:8D 그리고 pH 7에서 배양하였다. 구체적인 배양조건과 JM배지의 성분은 Table 1에 나타내었다.
Table 1. Culture medium and cultivation conditions
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Microorganism
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Cultivation conditions
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Culture medium
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Microcystis aeruginosa (KMMCC-973)
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25 °C, 120 h
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JM
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Culture mediums |
Composition |
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JM medium
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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.
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2.2. 쑥 추출액 (Artemisia asiatica extracts)
쑥 추출액은 건조하지 않은 10 g의 생 쑥을 50 % 에탄 올 200 mL에 넣고 실온에서 24시간 쉐이커로 교반을 시켜 추출 하였다. 추출한 추출물은
0.45 μm (Whatman)의 멤브 레인 필터로 여과한 후 회전 증발기 (EYELA N-1000, Rikakkai Co., Ltd. Japan)로
50 °C 이하에서 증발시켰다. 에탄올을 증발시킨 후, 쑥 추출물을 M. aeruginosa의 생장 제거 실험에 사용하였다. 선행연구에 의하면 50%의 에탄올 을 추출용매로 사용하여 쑥을 추출할 경우 수율이 가장 높 았으며, 이는 쑥잎에
함유된 소수성인 왁스(wax), 지방, 클 로로필은 물론 친수성의 배당체, 단백질, 탄수화물이 고루 추 출된 결과에 기인한 것으로 볼 수 있다 (Choi and Ha, 2012).
2.3. 실험방법
실험은 Batch 형식으로 실행하였으며, M. aeruginosa 배 양조건과 비슷하게 LED는 white 색상, 조도는 3,000 lx, 광 주기는 16L:8D로 하였다. 다양한 농도에 따른 M. aeruginosa 함유용액 1 L를 2 L 비이커에 넣고 쑥 추출액을 실험계획 에 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 추출하 여 2,500 rpm으로 20분간 원심분리한 후 상등액을 샘플링 하여 M. aeruginosa 의 제거율을 측정하였다. 시료 추출 후 에 쑥 추출액의 농도와 M. aeruginosa의 비율이 변화하지 않았으므로 M. aeruginosa 또는 쑥 추출액은 보충하지 않 았다. pH는 3 ~ 10까지 0.5 mol의 NaOH와 HCl을 이용하 여 조절하였으며, 온도는 M. aeruginosa가 주로 여름철에서 초가을에 우점을 차지하는 조류임을 감안하여 15 ~ 35 °C 도 까지 조절하였고, 실험 중 이산화탄소와 공기는 외부에 서 공급하지
않았다. 실험은 2016년 8월부터 12월까지 진 행하였으며, 총 5번 반복하여 평균 데이터를 사용하였다. 모든 실험은 하나의 매개변수 측정을 위하여
나머지의 매 개변수는 고정하여 실험하였다.
2.4. 분석방법
쑥 추출액에 함유되어 있는 무기 성분의 질적 양적 분석 은 X-ray diffraction (XRD)는 (XRF-1500, Shimadzu, Japan)
을 사용하여 분석하였다. 물속의 식물 플랑크톤 세포에 가 장 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 압 력 (100 mmHg) 하에서 여과한 다음, 습기를 제거하고 90%
아세톤으로 암/냉장 하에서 12시간 동안 색소를 추출 하여, 형광분석기 (TD-700, Turner Designs)를 이용하여 흡 광도를 측정한 후,
Chla 값으로 환산하였다. Chla의 농도는 아래의 식 (1)을 이용하여 계산하였다.
M. aeruginosa의 제거율은 Chla 측정한 후 아래의 식 (2) 를 이용하여 계산하였다.
여기서 Chla1과 Chla2는 각각 반응 전의 초기 농도와 반응 후의 농도이다. M. aeruginosa의 생장률은 아래와 같이 계 산하였다.
μ는 생장률 (1/h), X1 및 X0는 초기 및 일정 배양 시간 후의 M. aeruginosa 농도 (g/L), 그리고 t는 배양시간 (h)를 나타낸다.
M. aeruginosa의 생장력을 설명할 수 있는 제어모델은 Haldane, Double exponential, Edwards, Luong, Webb, Moser 그리고
Teissier의 모델 (Debasmita and Rajasimman, 2013; Halmi et al., 2014; Owhondah et al., 2016)을 이용 하여 분석하였다. pH는 pH-meter (ISTEK, pH-20N)을 이용 하여 측정하였다. 모든 실험은 5번 이상 반복 수행하여 평
균 데이터를 사용하였다.
3. Results and Discussion
3.1. 쑥 추출액의 특징
쑥 (Artemisia asiatica)의 주요 유기성분으로는 thujone, cineol, camphor, limonene, mycene, terpineol 등이 있으며, 기타 정유성분과
그 외 비타민 A, B1, B2, C와 철분 (Fe), 칼륨 (K), 칼슘 (Ca), 인 (P) 등 다양한 성분이 함유되어 있다 (Ryu, 2011). 특히 쑥의 정유성분에는 세균이나 바이 러스균에 저항력이 있으며 인체내에서 항균, 항당뇨, 항염 증 및 항암작용 등이 있으며, 기타 비타민류와
미네랄성분 은 빈혈, 용통, 신경통 등에 효능이 있는 것으로 보고되고 있다 (Jeong et al., 2014). Melguizo et al. (2014)는 천연 쑥 (Artemisia asiatica)에서 추출한 정유성분이 미생물에 antibacterial activity를 보고하였으며, 쑥의 메탄올 추출물을 인체 암세포에 투여한 다른 임상실험
결과 암예방에 효과 가 있는 것으로 보고되었다 (Choi and Ha, 2014). 실험에 사용된 쑥 추출액의 성분을 분석한 결과를 Table 2에 나타 내었다. 쑥 추출액에는 다양한 미네랄 성분이 함유되어 있 지만 폴리페놀 성분이 313.13 mg 그리고 플라보노이드 성 분이 367.69
mg이 함유되어 있음을 알 수 있다.
Table 2. A composition of Artemisia asiatica extracts (per 100 g)
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Composition
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Energy
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Moisture
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Protein
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Carbohydrate
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Dietary Fiber
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Ca
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P
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Fe
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Na
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Content
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71 kcal
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72.8 g
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5.1 g
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21.2 g
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8.9g
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213.2 mg
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62.7 mg
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3.9 mg
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10.6 mg
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Compositions
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K
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Mg
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Vitamin A
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Vitamin B1
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Vitamin B2
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Niacin
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Vitamin C
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Polyphenol
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Flavonoid
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Content
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982.6 mg
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25.7 mg
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3012.5 μg
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0.18 mg
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0.28 mg
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078 mg
|
28 mg
|
312.13 mg
|
367.69 mg
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폴리페놀(polyphenol)은 식물에서 발견되는 화학물질의 일종 으로서 분자 하나에 페놀 그룹이 두 개 이상 있는 것이 특 징이며, 페놀은 벤젠의
수소원자 하나가 히드록시기로 치환 된 것이며, 폴리페놀은 두 개 이상의 히드록시기로 치환된 것이다. 폴리페놀의 종류는 수천 가지가 넘는데 녹차에 들어
있는 카테킨, 포도주의 레스베라트롤, 사과 및 양파의 쿼세 틴 등이 있다. 과일에 많은 플라보노이드와 콩에 많은 이소 플라본도 폴리페놀의 일종이다.
폴리페놀은 강력한 항산화작 용과 항염작용을 하는 것으로 알려져 있다 (Melguizo et al., 2014). 따라서 쑥 추출액에 함유되어 있는 폴리페놀 성분은 M. aeruginosa의 제어작용에 도움이 될 것으로 예상된다.
3.2. 다양한 매개변수가 미치는 영향
3.2.1. pH
여름철에 강이나 하천에서 볼 수 있는 대표적인 남조류 인 M. aeruginosa는 강한 독성물질을 발생하는 유해 녹조 이다. 일반적으로 건강한 하천의 pH는 6.5 ~ 8.5 정도이나 (Paerl, 2009), 정체된 하천의 경우 pH가 상승하면서 녹조 현상이 더욱 심해지고, 또한 녹조현상이 심해지면서 pH가 상승하는 악 순환이 일어난다. 녹조현상이
일어나는 강이나 하천의 pH는 약 알칼리인 pH 7.7 ~ 9.4로 알려져 있다 (Choi, 2016). 쑥 추출액의 pH는 8.23로 측정되어 약 알칼리를 나 타내었다. 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
농도는 0 ~ 1 mg/m3는 극빈영양, 1 ~ 2.5 mg/m3는 빈영양, 2.5 ~ 8 mg/m3는 중영양, 8 ~ 25 mg/m3는 부영양 그리고 25 mg/m3 이상은 과영양으로 구분하고 있다 (Gilbert et al., 2005). 따 라서 본 실험은 물의 녹조현상이 나타나는 부영양의 기준 치에 맞추어 Chl-a의 초기 농도를 8 mg/m3로 하였다. 실험 결과 pH 3 ~ 4에서는 35% 이하의 낮은 제거율을 나타내었 으나, pH 7 ~ 9의 범위에서는 70-88%의 높은 제거율을
나 타내었다. 특히, pH 8과 9에서는 각각 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 7.7 이 상인 점을 고려한다면 pH의 조절 없이 하천과 강에 현장
적용이 가능하여 쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa 제거에 커다란 장점으로 작용할 것으로 사료된다. Fig. 1.
Fig. 1. The effect of pH level onArtemisia asiaticacultured withM. aeruginosa(Artemisia asiaticaconcentration: 3.0 g/L, concentration of Chl-a: 8 mg/m3, mixing rate: 100 rpm, mixing time: 3 hour, T: 25 °C)
3.2.2. 온도에 따른 제거율
쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa 제어에서 온도가 미 치는 영향은 pH와 마찬가지로 중요한 매개변수이다. M. aruginosa가 등장하는 시기가 일반적으로 여름철에서 가을 철이며, 이는 하천이나 강의 수온이 최소 22 °C 이상일 경 우이다 (Choi, 2016). 따라서 온도에 따른 제거율은 쑥 추 출액을 이용한 녹조제어의 현장적용 가능 여부를 알 수 있 는 중요한 매개변수이다. 실험은 여름철 하천과 강의
온도 를 감안하여 15 °C에서 35 °C까지 변화를 주어 제어율을 측정하였다. 실험결과 15 °C, 20 °C, 25 °C, 30 °C 그리고 35
°C에서 각각 52 %, 80 %, 88 %, 90 % 그리고 91%를 나 타내어 온도가 상승함에 따라 M. aruginosa의 제거율이 상 승하였다. 이는 쑥 추출액이 저온보다는 상온에서 분자 활 동이 활발해짐에 따라 저온보다는 상온에서 M. aruginosa 의 제거율이 증가한 것으로 사료된다. 이러한 결과는 녹조 가 가장 심한 8월과 9월의 강과 하천의 온도가 일반적으로 22 °C 이상인 점을 감안한다면
녹조에 우점종을 차지하고 있는 M. aruginosa를 제어하기 위한 현장 적용에 유리하다. 일반적으로 온도가 상승함에 따라 녹조현상은 증가하기 때 문에 상온에서 고효율의 녹조 제거율을 나타내는 쑥
추출 액은 녹조제거에 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. Fig. 2.
Fig. 2. The removal ofMicrocystis aeruginosaat different temperatures (Artemisia asiaticaconcentration: 3.0 g/L, mixing rate: 100 rpm, mixing time: 3 hours, concentration of Chl-a: 8 mg/m3)
3.2.3. 쑥 추출액의 양에 따른 제거율
쑥 추출액의 농도를 최적화하는 것은 현장 적용시에 비 용을 절감할 수 있고, M. aruginosa의 처리효율을 향상 시 킬 수 있어 매우 중요한 매개 변수이다. Fig. 3에 8 0% 이 상의 M. aruginosa 제거율을 다양한 쑥 추출액의 농도에 따라 나타내었다. 실험결과 M. aruginosa 제거율과 쑥 추출 액의 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/L 의 M. aruginosa를 제거하는데 2.24 g/L의 쑥 추출액이 필 요하였다. 선행연구에 의하면 Choi (2016)은 카페인 농도 2.02 g/L에서 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 필 요로 하나 쑥 추출액은 카페인과 비교하여 생태계이 미치 는 독성 영향이 낮아 환경 친화적이다. 또한
Chen et al. (2012)는 친환경적인 방법인 수생식물인 Sagittaria trifolia (벗풀) 추출액, Lemna japonica (개구리밥), Stratiotes aloides (자라풀과) 그리고 Radix Astragali (황기 뿌리) 추출액 등 을 이용하여 M. aruginosa를 제거한 결과 6 ~ 8일 동안에 80 ~ 90%의 제거율을 보고하였다. 수생생물을 이용하여 M. aruginosa를 제거할 경우 생태계에 미치는 독성 영향은 낮 으나 기간이 오래 걸리며 천적 수생생물의 생장을 위한 환 경적 요인을 맞추기가 어려운 단점이 있다.
그러나 쑥 추 출액을 이용하여 M. aruginosa를 생장제어할 경우 다른 친 환경적인 방법과 비교하여 단기간에 고효율의 제거율을 나 타내어, 생태계에 미치는 독성이 없이 여름철 녹조현상에 따른 신속한
대처가 가능하다.
Fig. 3. The relationship between Chl-a concentration and a dose ofArtemisia asiaticaextract (mixing speed: 100 rpm, mixing time: 3 hour, pH: 7, T: 25 °C, Standard deviation varying ± 3 %).
3.3. 생장제어 모델
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 다 양한 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. 즉, Luong 모델은 단일 제한 기질로 세포 성장의 기질 저 해 동역학을 기술하였으며, Haldane 방정식은
억제 기질의 기질 저해 역학 및 생분해를 설명하기 위해 널리 사용되 었고, Moser는 Monod의 모델을 매개 변수 (일반적으로)로 업그레이드하여
미생물 채택의 효과를 돌연변이에 의한 고 정된 프로세스에 통합했다 (Halmi et al., 2014). 따라서 본 실험에서 다양한 제어모델을 이용하여 실험결과를 비교 분 석한 이유는 실험데이터를 현장적용을 하기 위하여 보다 신 뢰성 있는 데이터를
얻기 위함이다. 이러한 제어모델들을 이용하여 비교분석하는 것은 M. aruginosa 성장률 데이터를 이용하여 동역학 모델의 매개변수의 초기 값을 지정하는데 매우 유용하기 때문이다.
Fig. 4에 쑥 추출액의 농도에 따른 M. aruginosa의 비증 식속도 μ (h-1)를 나타내었다. 실험결과 쑥 추출액의 농도 2 g/L까지는 μ가 증가하였으며, 2 g/L 이상의 쑥 추출액 농 도에서는 현저하게 감소하였음을 알 수 있다. μ는 1 g/L에 서 0.16 (h-1), 1.5에서 0.17 (h-1) 그리고 2 g/L 에서 0.18을 나타내어 1 ~ 2 g/L의 쑥 추출액 농도에서 증식속도가 현저 하게 둔화되었음을 알 수 있었다. 수용액에서
쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa의 제거 실험에서 μmax는 2 g/L의 쑥 추츨액 농도에서 0.18을 나타내었다. 이후 μ (h-1)는 쑥 추 출액의 농도가 증가함에 따라 지속적으로 감소하여 10 g/L 의 쑥 추출액 농도에서는 0.02 (h-1)로 감소하였으며 20 g/L 에서는 0.01 (h-1)로 감소하여 거의 사멸하였다. 낮은 농도 의 쑥 추출액에서 M. aruginosa의 증식이 일어나는 이유는 쑥 추출액에 풀리페놀 이외에 탄수화물, 인, 철, 칼륨, 마그 네슘 등의 미네랄이 다량으로 함유되어 있어 폴리페놀의 함량이
낮은 농도에서는 M. aruginosa의 증식을 제어하지 못한 것으로 사료된다. 이론적으로 계산해보면 폴리페놀의 함량이 약 6 mg/L 이상에서 M. aruginosa의 생장제어가 나 타나기 시작했다.
Fig. 4. The effect ofArtemisia asiaticaextracts concentration on specific growth rates (mixing speed: 100 rpm, mixing time: 3 hour, pH: 7, T: 25 °C, Standard deviation varying ± 3 %).
쑥 추출액이 M. aruginosa의 성장제어에 미치는 영향을 알아보고자 다양한 제어 모델을 이용하여 실험 결과를 분 석하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다. Moser, Tessier, Webb, Haldane, Edwards, Double exponential 그리 고 Luong 모델의
μmax는 0.167 ~ 0.181을 나타내었으며, 상 관계수인 R2는 0.8997 ~ 0.9916를 나타내었다. 특히 Haldane 는 다른 모델들과 비교하여 0.8997의 가장 낮은 상관계수 를 나타내었으며, Luong모델은
0.9916의 가장 높은 상관계 수를 나타내었다. 따라서 쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa 의 성장제어를 분석한 제어모델은 Luong모델이 가장 적합 하였다. 다양한 제어모델을 이용하여 분석한 결과를 Fig. 5. 에 나타내었다. Tessier, Moser 그리고 Webb은 μmax까지의 데이터를 이용하였으며, Haldane, Edwards, Double exponential 그리고 Luong 모델은 전체 데이터를 나타내었다.
모든 모 델에서 2 ~ 2.5 g/L의 쑥 추출액의 농도에서 μmax을 나타내 었으며, 그 이상의 농도에서는 M. aruginosa의 비증식속도 가 현저하게 감소하였음을 알 수 있다. 이러한 결과에 의 거하여 실험 데이터를 현장 적용 시에 Luong 모델의 매개 변수를 중심으로
수정, 보완할 예정이다.
Table 3. Estimated parameters of various substrate inhibition models
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Model
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Equation
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Parameters
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R2 |
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Moser
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μ = μmSn/(Ks +
Sn)
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n = 0.6732, Ks = 0.8245, μm = 0.176
|
0.9613
|
|
Tessier
|
μ = μm[1 - exp(-S/Ks)]
|
Ks = 0.5425, μm = 0.172
|
0.9245
|
|
Webb
|
μ = {μmS[1 + (S/Ki)]}/{Ks +
S + (S2/Ki)}
|
Ki = 1.168, Ks = 0.3315, μm = 0.169
|
0.9357
|
|
Haldane
|
μ = μmS/[(Ks +
S) + (1 + S/Ki)]
|
Ki = 1.131, Ks = 1.123, μm = 0.167
|
0.8997
|
|
Edwards
|
μ = [μmS/(Ks +
S)] exp(-S/Ki) |
Ki = 4.314, Ks = 0.8173, μm = 0.174
|
0.9586
|
|
Double exponential
|
μ = μm[exp( - S/Ki) - exp(-S/Ks)]
|
Ki = 4.576, Ks = 0.24, μm = 0.179
|
0.9542
|
|
Luong
|
μ = μmS/(Ks +
S)(1 - S/Sm)n |
Sm = 19.84, Ks = 0.7108, μm = 0.181,
n = 2.657
|
0.9916
|
Fig. 5. Specific growth rate by various substrate inhibition models (Standard deviation varying ± 3 %).
Table 4에 다양한 방법을 이용한 M. aruginosa 제어 방법 및 제어율을 나타내었다. Microcystis가 발생하는 독 성 물질인 Microcystin은 펩티드 결합을 가지고 있으며, 일 반적으로
M. aruginosa 사멸시에도 세포밖으로 용출된다 (Chen et al., 2016). 따라서 M. aruginosa 제거시에는 Microcystin이 세포밖으로 용출되지 않도록 주의를 해야 한 다. 선행연구에 의하면 쑥 추출액은 Microcystin의 펩티드 결합에
작용하여 독성을 억제하는 효과가 있다고 한다 (Corrêa-Ferreira et al., 2014; Jeong et al., 2014). 즉, 쑥 추 출액은 M. aruginosa 제거 뿐만 아니라 이미 수중에 함유 되어 있는 독성물질인 Microcystin의 독성억제 작용도 동시에 할 수 있다는 것이다. M. aruginosa를 제거하기 위한 생물 학적인 처리 방법은 물리적인 방법 또는 화학적인 방법과 비교하여 상대적으로 비용이 저렴하며, 환경 친화적이다 (Chen et al., 2016). 특히 수생식물을 이용한 M. aruginosa 의 제어 방법은 최근에 가장 많이 각광받고 있지만, 시간 이 오래 걸리는 단점이 있다. 자연하천이나 저수지 및 호 소의 M. aruginosa를 물리적, 화학적 방법으로 처리할 경 우에는 pH와 온도 등에 영향을 많이 받으며, 최적조건을 맞추기는 쉽지 않다. 본 연구에서 사용한 쑥 추출액은
UVactivated persulfate과 Pine needle exracts와 비교하여 M. aruginosa의 제거율이 낮지만, 쑥은 우리나라 전역에 어디 서나 쉽게 구할 수 있고 가격도 매우 저렴하여 경제적이다. 그러나 아직까지 쑥 추출액을 대량 사용하여
M. aruginosa 을 제거할 경우 하천이나 호소의 다른 미생물과 생태계에 미치는 영향은 조사되지 않았다. 따라서 현장적용을 위해서 는 지속적인 연구 검토가 필요하다.
Table 4. Comparison ofMicrocystis aeruginosaremoval by various materials
|
Materials
|
Conditions
|
Removal
|
Water soluble
|
Biodegradable
|
Cost (USD/g)
|
Disadvantage
|
Reference
|
|
|
UV-activated persulfate
|
2 h, 1500 mg/L
|
98.2%
|
Yes
|
No
|
0.82 ~ 1.13
|
Toxic to aquatic species
High cost
|
Wang et al., 2016 |
|
Montmorillonite with Cu2O
|
pH 7, 3 h, 0.4 g/L
|
90.4%
|
No
|
No
|
0.16 ~ 0.62
|
Metal toxicity
|
Gu et al., 2016 |
|
Chitosan
|
pH 7, 7.31 mg/L
|
46.45%
|
No
|
Yes
|
0.11 ~ 0.34
|
insoluble in water
|
Pei et al., 2014 |
|
Saline extracts of Monringa Oleifera Lam seed
|
pH 7, 50 mg/L
|
78.9%
|
Yes
|
Yes
|
0.06 ~ 0.15
|
Long time
Low removal rate
|
Carvalho et al., 2016 |
|
Polyphenol
|
pH 7, 7.5 mg/L
|
61%
|
Yes
|
Yes
|
0.18 ~ 0.24
|
High cost
Low removal rate
|
Nakai et al., 2000 |
|
Methyltert-butyl ether
|
pH 6, 100 mg/L
|
85%
|
Yes
|
No
|
0.5 ~ 0.9
|
Toxic to aquatic species
Damage cell intensity
|
Chen et al., 2009 |
|
Caffeine
|
pH 8, 2 g/L,
|
82%
|
Yes
|
Yes
|
0.07 ~ 0.13
|
Toxic to aquatic species
|
Choi, 2016 |
|
Pine needle extracts
|
pH 7, 2 g/L,
|
98%
|
Yes
|
Yes
|
0.01 ~ 0.05
|
-
|
Choi, 2017 |
|
Artemisa asiatica extracts
|
pH 7 ~ 8, 3 g/L,
|
91%
|
Yes
|
Yes
|
0.01 ~ 0.03
|
-
|
Present study
|
4. Conclusion
강과 하천에 여름철 녹조 현상의 우점종을 차지하고 있 으며 Microsystin 독성을 함유하고 있는 M. aruginosa의 생 장을 쑥 추출액을 이용하여 제어하고자 하였다. 이를 위하 여 다양한 쑥 추출액의 농도와 다양한 매개변수를 이용하 여 현장 적용 가능성과 현정
적용시의 최적조건을 찾고자 하였다. 쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa의 생장제어는 25 °C 이상, pH 8에서 88 % 이상의 높은 제거율을 나타내 었다. 또한 1 g dryweight/L의 M. aruginosa를 제거하기 위 해서는 약 2.24 g/L 쑥 추출액이 필요하였다. 최대 비증식속 도는 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. aruginosa 의 생장을 확실하게 제어할 수 있었다. 다양한 생장제어 모델은 Luong모델이 0.9916의 가장 높은 상관계수를 나타 내어 쑥 추출액을 이용한
M. aruginosa의 생장제어를 분 석한 제어모델은 Luong모델이 가장 적합하였다. 실험결과 를 종합해 보면 쑥 추출액을 이용한 M. aruginosa의 생장 제어는 강과 하천의 온도와 pH 조절없이 현장적용을 할 수 있으며, 현장적용을 할 경우 짧은 시간에 효율적으로 M. aruginosa의 생장을 제어할 수 있을 것으로 사료된다. 그러 나 쑥 추출액이 대량으로 살포될 경우 하천이나 호소의 다 른 미생물과 생태계에 미치는 역학관계는
아직 조사되지 않 아서 현장적용을 위해서는 지속적인 연구 검토가 필요하다.
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).
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