서 론

우리나라를 포함한 많은 국가의 강, 인공호, 댐 및 저수지 등은 이미 대부분 부영양화되어 유기물 오염이 심각한 상황 이다. 유해조류 대발생 (HAB: harmful algal bloom)은 수중에 조류독소와 식수의 이·취미 발생의 원인으로 수자원으로서 가치 하락과 수중생태계를 교란시킨다. 또한, 정수장의 여과 지 폐쇄, 응집, 침전 등의 정수 처리 시설에 다량의 응집제가 소요되어 경제적 손실 초래 및 심미적 불쾌함을 유발시켜 관광 및 휴식처로서의 가치를 떨어뜨린다 (Lim et al. 2000; Lee et al. 2001; Han et al. 2002). 특히 규조 Stephanodiscus sp.는 유럽 (Sommer 1986; Leitao 1995), 아프리카 (Kilham et al. 1986), 아시아 (Kang et al. 2005; Jung et al. 2008, 2011; Kang et al. 2011) 등, 전 세계적으로 저수온기에 대발생이 보 고되고 있다. 우리나라의 경우, 낙동강 및 한강에서 저온 갈 수기에 장기간 발생하며, 강과 호소에서 번무하여 수질을 악 화시키는 주 원인으로 보고되고 있다 (Han et al. 2002; Ha et al. 2003). 특히 매년 낙동강에서 우점하여 현장 식물플랑크 톤의 95% 이상에 해당하는 밀도를 차지해 마치 단일 배양한 것처럼 갈색의 물띠를 형성하는 것으로 알려져 있다 (Cho et al. 1998; Jung et al. 2008).

이러한 문제를 야기시키는 원인 종인 Stephanodiscus sp. 에 의한 겨울철 녹조현상을 제어하기 위하여 생물유래 물질 인 naphthoquinone (NQ) 유도체의 치환기 (Rn) 변화를 통하여 다양한 물질을 합성하였고, 실험실 내 실험을 통하여 최적 물질 선정을 완료하였다 (Byun et al. 2015; Joo et al. 2016b). 또한, 최종 선정된 NQ 4-6 물질은 Stephanodiscus sp. 종에 대하여 높은 살조효과, 선택적 살조효과, 낮은 독성을 가질 뿐만 아니라 microcosm 실험을 통하여 비생물학적, 생물학 적 요인에 대한 영향이 없음이 확인되었다 (Byun et al. 2015; Joo et al. 2016a). 그러나, 개발된 NQ 4-6을 포함한 대부분의 녹조제어물질의 경우, 분말 또는 액상 형태의 물질로서 적용 수계의 규모와 수심 등의 환경적 특징에 따라 적용이 어려 운 경우가 많았으며, 현장 적용시 물질 희석에 의해서 효과 가 감소하는 경우가 빈번히 발생하였다. 게다가 적용 후 지 속적인 관리를 위한 전력, 노동력, 설비, 운영비 등의 부가적 인 비용이 발생하는 문제점도 있었다. 이러한 단점을 보완 하기 위한 기술로서, 담체화 (immobilization)는 취급과 조작 이 간단하고 지속적인 처리 및 수환경 개선이 가능한 안정 적인 방법으로 (Brodelius and Vandamme 1987) 하, 폐수 등 의 처리, 영양염류 및 유기화합물 제거 등 많은 응용분야에 서 연구되었다 (Bettmann and Rehm1984; Balfanz and Rehm 1991; Sahasrabudhe et al. 1991).

본 연구를 통해 NQ 4-6 물질의 담체화 기술로 개발하고자 하는 PLA (polylactide)는 카사바 (cassava), 타피오카 (tapioca), 옥수수와 같은 자원을 발효시켜 얻어진 lactic acid를 축합 중합 반응하여 얻어지는 물질이다 (Bae et al. 2015). PLA는 폐기 후 매립하게 되면 흙 속의 미생물 작용에 의해 탄산가 스와 물로 분해되어 자연 순환되는 물질이며, 탈석유 완전 자연 순환의 생태학적 수지로서 환경 친화적인 성분이다. 담 체화를 위한 다른 기질로서 한천 (agar)은 우뭇가사리과의 Gelidium amansii Lamouroux 등의 홍조류에 세포막 성분으 로서 존재하는 점성 물질이며, 그 용도가 다양하여 식품 부 형제, 음료의 청정제, 완화제 등의 용도로 사용되며, 미생물, 식물 조직, 동물 세포 등을 고정하여 배양하는 고형 배지로 도 사용되고 있다 (Cha et al. 2009). 이러한 agar의 고유 성 질을 이용하여 gel화된 agar에 개발된 NQ 4-6 물질을 담지 함으로써 환경 친화적인 담체를 개발하고자 하였다. 따라서, PLA와 agar을 이용한 담체에 기 개발된 NQ 4-6 물질을 담 지하여 10 ton 규모의 mesocosm 내 적용 후 현장에서의 살 조효과와 다양한 요인의 모니터링을 통하여 생태계 미치는 영향 평가를 통하여 현장에서 효율적으로 적용 가능한 기술 을 개발하고자 하였다.

재료 및 방 법

1.Naphthoquinone 4-6: 6-[(4-chlorobenzothiazol-2- ylamino)methyl]-5-8-dimethoxynaphthalene-1,4-dione

4-chloro-N-((1,4,5,8-tetramethoxynaphthalene-2-yl)methyl) benzo thiazol-2-amine 861.1 mg (1.95 mmol)과 acetone 20 mL을 넣고 실온에서 H₂SO₄ 164 μL (2.93 mmol), H₂O 4 mL, CrO₃ 203.2 mg (1.95 mmol) 넣는다. 이 혼합물을 실온에서 1 시간 교반시킨 뒤 methylene chloride와 물로 추출한 후에 methylene chloride층을 모아 무수 황산마그네슘으로 수분을 제거한 다음 감압건조 하였다. 화합물을 컬럼 크로마토그래 피 (hexanes : EtOAc=2 : 1)로 정제하여 목적 화합물을 얻었 다. 최종 합성된 NQ 4-6 물질의 기본 구조는 Fig. 1과 같다.

2.PLA (polylactide) 담체의 제조

PLA (polylactide)를 chloroform (CHCl₃)에 용해한 후, 염 화나트륨 (NaCl)을 침전시킨 슬러리 (slurry)를 제조하였다. 상기 제조된 슬러리를 원통형태의 틀에 부어 건조시켜 PLA 구조체를 제조하고, 이로부터 틀을 제거한 다음, 상기 PLA 구조체 내에 존재하는 염화나트륨을 물로 세척하여 제거하 여 다공성 PLA 구조체 (diameter: 15 cm, height: 6.5 cm)를 제조하였다. 상기 다공성 PLA 구조체에 조류 제어 물질인 NQ 4-6을 담지하기 위하여, 주사기에 넣어 주입하여 최종 농도 1 μM (최종 접종량: 4.14 g)의 NQ 4-6 물질이 담지된 유 해조류 제어용 다공성 PLA 구조체를 제작하였다.

3.한천 (agar) 담체의 제조

Agar 담체의 제조는 과립 (powder) 상태의 Agar을 증류수 (distilled water)와 혼합한 후 고온 (121℃)에서 15분간 고온 고압 멸균하며 동시에 과립상태의 agar을 용해시킨 후 액상 의 agar을 살조물질의 담체 형태로 제조하기 위해 원형의 틀 을 준비하였다. 원형 틀에 액상의 agar을 부어준 후 실온에 서 방냉하여 고형화 시켰다. 고형화 된 agar의 중앙에 직경 원통형 튜브를 고정시킨 후 튜브내부를 제외한 외부에 액상 의 agar를 부어 다시 실온에서 고형화 시켰다. 이후 튜브를 제거하여 원형 공간에 액상의 1 μM 농도의 NQ 4-6 물질 (최 종 접종량: 4.14 g)을 agar 담체에 주입하였다. 주입 완료된 살조물질의 상부에 액상의 한천을 부어 중앙의 공간을 채워 준 후 다시 실온에서 방냉하여 고형화시켜 살조물질이 담지 된 agar 담체 (diameter: 15 cm, height: 6.5 cm)를 제작하였다.

4.Mesocosm (10 ton) 내 PLA, agar 담체의 적용

실험실 내 실험에서 우수한 살조효과가 입증된 NQ 4-6 물 질의 효율적인 현장 적용을 위해 담체화하여 mesocosm 내 접종 후 현장에 존재하는 규조류 Stephanodiscus sp. 제어효 과를 검증하고자 하였다. Mesocosm의 경우, 매년 저수온기 에 규조류 Stephanodiscus sp. 종에 의한 녹조 대발생으로 문 제가 발생하는 낙동강 수변 (경상남도 김해시 대동면 지역: 35°14′25.62″N, 128°59′47.95″E)에 실험구를 설치하여 수 행하였다 (Fig. 2). 선정된 지역 내 부지에 미국 Pastel 사의 20 ton (6×7×1.5 m³) 규모의 직사각형 실험구 3개 (대조구, PLA 담체 처리구, agar 담체 처리구)를 설치 후 (Fig. 3), 낙동 강 내 규조류가 경보수준으로 존재하는 현장수를 수중 펌프 를 이용하여 각 실험구에 10 ton을 채웠다. 이후 3일간 실험 구를 안정화 기간을 거친 뒤 NQ 4-6 물질이 담지된 담체를 접종하였다. PLA와 agar를 이용하여 담체화된 NQ 4-6 물질 의 mesocosm 적용 후 수생태계에 미치는 영향을 평가하기 위해 매일 11:00~13:00의 동일한 시간에 채수하여 다양한 물리·화학적·생물 요인들을 분석하였다.

1)Mesocosm (10 ton) 내 비생물학적 요인

수온 (water temperature), pH, 용존산소 (dissolved oxygen: DO), 전기전도도 (conductivity), 탁도 (turbidity) 등은 U-10 수질측정기 (water quality meter) (HORIBA, Japan)를 이용 하여 측정하였으며, 용존산소의 경우 winkler titrator로 추가 검증하였다. 또한, mesocosm 실험은 샘플링에 앞서 각각의 실험구에 PVC pipe를 사용하여 수층을 잘 혼합시켜 바닥에 가라앉은 (bottom-dwelling) 미생물들을 부유시켜 주었다. 샘 플은 접종 당일부터 10일차까지 매일 각 실험구의 표층수에 서 1 L의 polyethylene bottle로 채수하였다. 염양염 (Nitrite: NO₂-N, Nitrate: NO₃-N, Ammonium: NH₄-N, Phosphate: PO₄-P, silicate: SiO₂-Si) 분석을 위해 매일 한 번씩 250 mL 을 실험구와 대조구에서 각각 채수하여 glass fiber filter (GF/ F) (Whatman International, Maidstone, UK)로 여과한 후 산 처리된 polyethylene bottle에 50 mL씩 나누어 - 70°C deep freezer에 보존하였다. 모든 영양염 분석은 APHA (2005)에 의거하여 각각 분석하였다.

2)Mesocosm (10 ton) 내 생물학적 요인

박테리아 (bacteria), 종속영양 미소편모류 (heterotrophic nanoflagellates: HNFs), 식물플랑크톤 (phytoplankton) 등의 세포수를 계수하기 위해 샘플 1 L를 채수하여 산처리된 300 mL의 polyethylene bottle에 담아 glutaraldehyde (final concentration 2%)로 고정하여 4℃에서 암소 보관하였다.

박테리아와 HNFs의 경우, 각각 2 mL, 10 mL을 분취하고 아래와 같은 방법으로 직접 계수해주었다 (Riemann et al. 1990). 각각의 샘플은 DAPI (5 μg mL^-1 final concentration) 로 5분간 염색된 후, black 0.2-μm-pore-size polycarbonate filters (poretics)하에서 포집하고 1,000 배율 (magnification)의 Zeiss Axioplan epifluorescence microscope 하에서 백색으로 발광하는 세포를 계수하였다. 대략, >200 cells filter^-1 (또는 >10 fields filter^-1)의 세포수를 계수하였다. Nanoflagellates 의 경우 flagellate 크기를 가진 세포이며 red chlorophyll fluorescence (visible chlorophyll)가 관찰되면 HNFs로 간주하였 다 (Round et al. 1990). HNFs와 protozooplankton (예: ciliates, amoebae)의 구별은 Patterson (2003)의 방법대로 접안렌즈 내의 calibrated ocular grid를 사용해 크기별로 group화하 여 분별해 주었다. 이 방법으로는 HNFs의 정확한 수를 계수 할 수는 없지만, 샘플들 사이의 세포수 변화 경향을 확인할 수 있는 좋은 방법이다. 개별 flagellate의 크기는 calibrated ocular grid를 사용해 측정하였다. 식물플랑크톤의 계수를 위 해 1 mL을 분취해 Sedgwick-Rafter counting chamber (Phyco- Tech Inc., USA)를 사용하여 200 magnification로 IX71 inverted microscope (Olympus, Japan) 하에서 계수하였다. 섬모 충 (ciliates)과 동물플랑크톤 (zooplankton)의 계수를 위해 각 각 1 L와 10 L를 농축한 샘플을 채수한 후 15 mL tube와 산 처리된 300 mL polyethylene bottle에 각각 담아 Lugol’s solution (final concentration 1%)과 formalin (final concentration 2%)으로 고정하였다 (Nakano et al. 1998). Zooplankton은 샘 플을 gridded slide 위에서 올린 후 적당한 배율 (40~400)의 IX71 inverted microscope 하에서 계수하였다.

5.데이터 분석

담체화된 살조물질에 의한 살조효과 또는 살조활성 (algicidal activity)은 다음 식으로 계산하였다.

Algicidal activity (%)=(1- Tt/Ct) × 100

이때 T (처리구)와 C (대조구)는 각각 NQ 4-6 물질이 담지된 PLA, agar 담체가 접종되었을 때와 접종되지 않았을 때의 조류 세포수이며, t는 처리 기간 (day)수를 의미한다.

결 과

1.담체화된 NQ 4-6 물질의 mesocosm 내 살조효과

낙동강 현장에서 10 ton 규모의 mesocosm 실험 결과, 대 조구에서는 대상 조류 Stephanodiscus hantzschii 세포수가 초기 세포밀도 1.0×10⁴ cells mL^-1에서 실험 종료 10일까지 지속적으로 성장하여 3.7×10⁴ cells mL^-1까지 세포수가 증 가하였다 (Fig. 4a). 반면, NQ 4-6 물질이 담지된 PLA 담체 의 경우, 실험 초기 1.0×10⁴ cells mL^-1에서 NQ 4-6 물질의 용출에 의하여 점진적으로 세포수가 감소하여 10일차 7.9× 10³ cells mL^-1으로 대조구 대비 78.8% 감소하였다 (Fig. 4b). 또한, NQ 4-6 물질이 담지된 agar 담체 역시 실험 초기 1.0× 10⁴ cells mL^-1에서 10일 후 8.6×10³ cells mL^-1으로 대조구 대비 77.1% 감소하였다 (Fig. 4c). 대조구와 PLA, agar 담체 처리구 모두 실험기간 동안 S. hantzschii 종이 90% 이상 지 속적으로 우점하였으며, S. hantzschii 이외에 Asterionella formosa, Fragilaria crotonensis, Nitzschia sp., Synedra acus 와 같은 규조류가 주로 출현하였다 (Fig. 4a-c).

Mesocosm 내 Chlorophyll-a 변화를 관찰한 결과, 대조구 는 실험 초기 17.0 μg L^-1의 농도에서 10일차 20.8 μg L^-1로 증가하였으나 (Fig. 4a), PLA, agar 담체 처리구의 경우 실험 초기 각각 18.9 μg L^-1, 20.4 μg L^-1에서 8일차 8.8 μg L^-1, 8.9 μg L^-1까지 감소하였다가 다시 증가하여 10일차 14.5 μg L^-1, 15.5 μg L^-1까지 증가하는 경향을 보였다 (Fig. 4b-c).

2.PLA, agar 담체 적용 후 생태계 모니터링

대상 조류 S. hantzschii에 대하여 살조효과가 입증된 NQ 4-6 물질의 PLA와 agar를 이용한 담체화 후 수생태계에 미 치는 영향을 평가하고자 mesocosm 내 실험을 통하여 비생 물학적 요인과 생물학적 요인을 모니터링하여 분석하였다.

1)비생물학적 요인의 변화

Mesocosom 수행기간 동안 환경요인을 분석한 결과, 수온 은 실험기간 내 대조구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 모두 4~10℃로 일정하게 측정되었으며, 대조구와 유사한 경향으 로 관찰되었다 (Fig. 5a). Mesocosm 내 용존산소 농도는 대조 구, PLA 그리고 agar 처리구 모두 실험 초기 11.4 mg L^-1에서 10일차 각 12.2 mg L^-1, 13.0 mg L^-1, 11.1 mg L^-1으로 관찰되 었으나, PLA 담체 처리구는 4일 이후, agar 담체 처리구는 2 일 이후부터 대조구 대비 다소 낮게 관찰되었다. 그러나, 실 험기간 동안 9.5~13.0 mg L^-1의 범위에서 모든 실험구에서 유사한 변화 경향이 관찰되었다 (Fig. 5b). pH의 경우 실험 초기부터 10일차까지 대조구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 에서 7.4~8.7 사이의 범위로 큰 변화 없이 유사한 경향을 보 였다 (Fig. 5c). 전기전도도는 대조구와 agar 담체 처리구에서 는 실험 초기 각 0.359 mS cm^-1 , 0.363 mS cm^-1 에서 10일차 0.363 mS cm^-1 , 0.365 mS cm^-1 으로 큰 변화 없이 유지되었다. 다만, PLA 담체 처리구에서는 실험 초기 0.362 mS cm^-1 에 서 3일 이후 0.397 mS cm^-1 으로 증가하여 10일까지 유지되 었다 (Fig. 5d). Mesocosm 내 탁도의 경우, 대조구는 실험 초 기 23.7 NTU에서 10일차 23.4 NTU으로 큰 변화 없이 유지 되었다. 그러나, PLA, agar 담체 처리구에서는 실험 초기 각 26.2, 25.7 NTU로 대조구와 유사하였으나, 7일 이후부터 감 소하여 19.6, 19.5 NTU로 낮게 측정되었으며 mesocosm 내 투명도가 개선되었다 (Fig. 5e).

환경요인과 더불어 mesocosm 내 영양염의 변화를 관찰 한 결과, 대조구 내의 인산염인 (PO₄-P)은 실험 초기 723.1± 7.8 μg L^-1에서 점진적으로 감소하여 10일차 405.5±3.9 μg L^-1까지 감소하였다 (Fig. 6a). PLA, agar 담체 처리구는 실 험 초기 각 668.2±23.5 μg L^-1, 676.1±39.2 μg L^-1에서 3일 차 448.2±31.3 μg L^-1, 393.7±7.8 μg L^-1까지 감소한 후 다 시 증가하는 경향이 관찰되었으며, 10일차 각 523.1±3.9 μg L^-1, 448.6±31.3 μg L^-1까지 증가하였다 (Fig. 6a). 규산 규소 (SiO₂-Si)의 경우, 대조구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 모 두 실험기간 동안 12.5~39.9 μg L^-1 범위에서 유동적이었으 며, 모든 실험구에서 유사한 경향이 관찰되었다 (Fig. 6b). 아 질산성 질소 (NO₂-N)는 실험 초기 대조구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 각 30.0±0.2 μg L^-1, 24.2±0.2 μg L^-1, 29.7± 0.2 μg L^-1으로 관찰되었다. 그러나, 10일차 대조구와 agar 담 체 처리구는 각 43.8±0.2 μg L^-1, 43.6±0 μg L^-1으로 유사하 였으나, PLA 담체 처리구에서는 다소 낮은 28.9±0 μg L^-1 이 관찰되었다 (Fig. 6c). 질산성 질소 (NO₃-N)의 경우, 실험 초기부터 종료시인 10일차까지 유사한 농도로 유지되었다 (Fig. 6d). 암모니아성 질소 (NH₄-N)의 경우, 대조구는 실험 초기 39.5±0 μg L^-1 농도에서 점진적으로 감소하여 10일차 11.1±1.2 μg L^-1으로 관찰되었다. 그러나, PLA, agar 담체의 처리구에서는 실험 초기 41.3±0 μg L^-1의 농도였으나 2일차 까지 소폭 증가한 후 감소하여 10일차 8.4±0 μg L^-1, 17.5± 18.1 μg L^-1으로 감소하였다 (Fig. 6e).

2)생물학적 요인의 변화

Mesocosm 내 박테리아의 개체수는 대조구, PLA, agar 담체 처리구 모두 실험기간 동안 5×10⁵ cells mL^-1에서 1.9×10⁶ cells mL^-1의 범위로 큰 변화 없이 모든 실험구에서 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 7a). HNFs의 경우, 박테리아 변화와 유사하게 모든 실험구에서 큰 차이 없이 실험기간 동안 791.6~2318.4 cells mL^-1 범위 내에서 관찰되었다 (Fig. 7b). 전체적인 식물플랑크톤 개체수는 대조 구 실험 초기 1.1×10⁵ cells mL^-1에서 점진적으로 증가하여 3.8×10⁵ cells mL^-1까지 증가하였다. 그러나, 초기 1.1×10⁵ cells mL^-1 세포 밀도였던 PLA, agar 담체 처리구에서는 우 점종인 S. hantzschii 종의 감소에 의한 전체 식물플랑크톤이 감소되었다 (10일차 PLA: 8.4×10³ cells mL^-1, agar: 9.2×10³ cells mL^-1) (Fig. 7c). Mesocosm 내 섬모충의 개체수는 대조 구, PLA 그리고 agar 담체 처리구 모두 실험 초기 4.4 cells mL^-1에서 10일차 약 4.0 cells mL^-1로 실험기간 동안 유사한 경향을 나타내었다 (Fig. 7d). 동물플랑크톤 역시 실험기간 동안 대조구와 PLA, agar 담체 처리구에서 큰 차이는 관찰 되지 않았다 (Fig. 7e).

고 찰

녹조현상을 제어하는 방법으로 기계적 수거, 초음파, 전 기분해 등의 물리학적 제어방법, 응집 및 침전제, 산화제 등 의 화학적 제어방법, 생물에 의한 유기물 산화에 의한 분해, 섭식하여 제거하는 미생물과 어패류를 인위적으로 투여하 여 제거하는 생물학적 제어방법이 있다 (Sigee et al. 1999; Gumbo et al. 2008; Foflonker 2009). 그러나, 다양한 기술 중 에 높은 살조효과, 빠른 제어효율, 편의성 등의 장점으로 살 조제, 응집제와 같은 화학적 제어방법이 현장 적용 가능성이 가장 높다고 평가되고 있다. 그러나, 일부 살조제는 현장에 서 희석효과에 의한 살조효과의 감소, 일시적으로 높은 살조 물질의 노출에 의한 독성현상을 발생시키는 등의 문제점이 발생할 가능성이 있다. 뿐만 아니라, 적용 수계의 지형적 특 성, 기후, 수심 등 다양한 환경조건에서의 적용시 동일한 효 과를 관찰하기 어려운 경우가 발생하였다. 또한, 조류제어제 만을 사용한 경우에는 유속이 존재하는 자연 환경에서의 유 실이 발생하게 되어 제어효과가 미미하다는 문제가 존재하 고, 일회성의 효과만을 보이기 때문에 지속적인 살포가 요구 되었다. 따라서, 앞선 문제를 보완 가능하며, 현장에서의 효 율적인 제어효과를 위해서 다양한 방법에서 접근하여 각각 의 단일 기술뿐만 아니라 융합적인 기술을 완성하고자 하였 다. 본 연구에서 접목하고자 한 담체화 기술은 이미 다양한 산업분야에서 성공적으로 적용되고 있으며, 생물제재에 대 한 고정화 연구 또한 하수처리 과정의 고도처리에 적용되 어 사용되고 있다 (Sawayama et al. 1998; Thakur et al. 1999; Tam et al. 2000). 또한, 최근에는 살조세균에 담체화 기술을 적용하여 효과적인 녹조제어가 가능하다고 보고되었다 (Kang et al. 2007; Kang et al. 2012; Jung et al. 2013). 기존 연구를 통해 저수온기 녹조현상을 제어하기 위해 개발된 NQ 4-6 물 질의 경우, 살조효과 및 수생태계에 미치는 영향도 평가되었 다 (Byun et al. 2015; Joo et al. 2016a). 그러나, NQ 4-6 물질 의 현장 적용시보다 경제적이며 효율적인 제어효과와 다양 한 환경조건의 적용을 위해서는 담체화 기술의 접목이 필요 하다고 판단하였다.

따라서, 두 종류의 기질을 이용하여 담체화 기술을 접목 하였다. 먼저, PLA는 빠른 시간에 자연적으로 분해될 수 있 는 식물유래 생분해성 고분자로서 친환경 청정소재로 주목 받고 있다 (Kim et al. 2000; Sang et al. 2004). 또한, 생명의 학 분야에서 많은 관심을 받고 있을 뿐만 아니라 이외에 많 은 분야에서 다양하게 활용되고 있다 (Drumright et al. 2000; Tang and Gibson 2007). 다음으로 agar는 식품안정제, 종이, 의약품, 화장품원료, 윤활제 등의 공업적 목적으로 현재까 지 사용되어 왔으며 최근에는 바이오 연료 자원으로 주목 받고 있는 다당류이다 (Cha et al. 2009). 상기 두 성분은 현 재 다양한 분야에서 사용되고 있으며 자연친화적인 기질로 서 사용이 가능할 것이라 판단하였다. 기존 연구를 바탕으로 적용하고자 하는 수계의 유량에 맞게 NQ 4-6 물질을 1 μM 로 PLA와 Agar에 담지하여 10 ton 규모의 mesocosm에 적 용한 결과, 실험실 내 실험과 동일한 결과로서 대상 규조류 S. hantzschii 종만을 제어하는 것을 확인하였다. 기존 연구결 과에 따르면 NQ 4-6 물질은 1 μM의 농도에서 S. hantzschii 종을 90% 이상 제거 가능하다고 보고되었다 (Byun et al. 2015; Joo et al. 2016a). 그러나, PLA와 agar에 NQ 4-6 물질 을 담지시킨 담체의 mesocosm 적용 실험에서는 10일 경과 78.8%, 77.1%의 살조효과가 관찰되었다 (Fig. 4). NQ 4-6 물 질만 접종하였을 때보다는 살조효과가 다소 낮게 관찰되었 지만 현장에서의 S. hantzschii 종에 대한 살조효과는 충분히 입증되었다고 판단된다. 담체 내 담지시키는 물질의 농도와 담체의 크기 등에 대한 연구가 추가적으로 수행된다면 살조 효과 역시 개선이 될 것이라 판단된다.

PLA, agar에 담체화된 NQ 4-6 물질의 10 ton 규모의 mesocosm 내 적용 후 수생태계에 미치는 영향을 평가하기 위하 여 다양한 요인의 변화를 모니터링한 결과, 박테리아, HNFs, 식물플랑크톤, 섬모충, 동물플랑크톤의 생물학적 요인은 대 조구 대비 큰 차이가 관찰되지 않았다 (Figs. 5-7). 환경요인 역시 용존산소, 탁도, 영양염 중 인산염 인 (PO₄-P)을 제외하 고 대조구와 PLA, agar 담체 처리구에서 모두 큰 차이 없이 유사한 경향이 관찰되었다. 용존산소의 경우, PLA, agar 담체 처리구에서 5일 이후 대조구 대비 낮은 농도가 유지되었다 (Fig. 5b). 이러한 결과는 우점했던 S. hantzschii 종이 담체로 부터 NQ 4-6 물질이 용출되어 사멸됨에 따라 발생하는 용존 유기물질 (dissolved organic matter)과 박테리아 활성에 따라 낮게 관찰된 것으로 판단된다 (Jung et al. 2008, 2009; Baek et al. 2013; Joo et al. 2016a). 탁도의 경우, 대조구에서는 실 험기간 동안 22 NTU 이상 유지되었으나, PLA, agar 담체 처 리구에서는 6일 이후 감소하였다 (Fig. 5e). 이러한 결과는 NQ 4-6 물질이 담지된 PLA, agar 담체에 의해 S. hantzschii 현존량이 급감하면서 낮은 mesocosm 내 탁도가 개선된 것 으로 사료된다. 또한, 영양염 중에 인산염 인 (PO₄-P)은 4일 이후 대조구 대비 PLA, agar 담체 처리구에서 높게 측정되 었다. 이는 NQ 4-6 물질에 의해 우점종이었던 대상 규조류 S. hantzschii 사멸에 의하여 세포로부터 용출되는 영양염에 의해 일시적으로 높은 농도가 측정된 것으로 판단되나 현장 에서의 변화 가능한 범위 내에서의 유동적인 변화로서 생 태계 미치는 영향은 없을 것이라 판단된다. 아질산성 질소 (NO₂-N), 질산성 질소 (NO₃-N), 암모니아성 질소 (NH₄-N), 규산 규소 (SiO₂-Si)의 경우 대조구와 처리구 모두 유사한 경 향이 관찰되었다. 이러한 결과는, 기존의 살조제, 응집제 등의 현장 적용 후 영양염 재 용출에 의한 부영양화 촉진의 문제 점이 (Hickey and Gibbs 2009) 발생하지 않는 물질로서 생태 계 교란을 최소화한 기술로 사용이 가능할 것으로 판단된다.

기존에 개발된 살조제, 응집제 등의 경우, 일시적 혹은 단 기간의 효과만 거둘 수 있고, 장기간 제어효과를 지속하기 어렵기 때문에 2차, 3차 추가적 살포로 인한 비경제성의 문 제가 발생하였다. 또한, 유해 조류가 대발생한 수계에 대한 제어 방안으로는 일정 단계까지 진행된 후 방제를 시작하는 것이 일반적이며, 매년 주기적으로 발생하는 지역에 예방을 위해서 적용하기 위한 기술은 전무한 실정이다. 이러한 방안 은 유해 조류가 일정 수준의 세포수가 되어야 하기 때문에 방제시 상대적으로 많은 비용과 시간이 필요하다. 따라서, 유해 조류 대발생의 제어가 가능한 물질을 매년 주기적으로 유해조류가 발생하는 수계에 시기에 맞게 투여함으로써 피 해를 사전 예방할 수 있는 기술에 대한 필요성이 절실히 요 구되고 있다. 더 나아가, 폐쇄 수역뿐 아니라 유속이 존재하 는 수계에 안정적으로 적용되어, 기존의 조류제어제의 효율 성을 높임으로써 물질 희석에 의한 효과 감소를 줄이고, 장 기적인 조류제어 효과를 달성하기 위한 기술개발이 요구되 고 있다. 특히, 일회성 조류 제어제 사용이 아닌, 수거 후 재 활용이 가능한 경제적이고 친환경적인 조류 제어제 담체화 기술이 요구되고 있다. 본 연구에서 사용한 NQ 4-6 물질도 조류 발생 후 방제의 목적으로 개발되었으며, 기존 연구를 통해 S. hantzschii 종에 대하여 높은 살조효과와 선택적인 제어, 낮은 독성 등의 기능으로 높은 현장 적용 가능성을 갖 는다고 보고되었다 (Joo et al. 2016a). 추가적으로 본 연구를 통해 개발된 PLA, agar 담체의 경우 일정 농도의 물질이 지 속적으로 수계 내 용출이 되는 방식의 기술이다. 즉, 조류가 발생하기 전의 시기에 살조물질이 담지된 PLA, agar 담체를 발생 예상 수계에 적용해 놓는다면 물질의 지속적인 용출에 의해 발생을 사전에 막을 수 있는 예방 기술로서 사용이 가 능할 것으로 판단된다. 더구나, PLA, agar 담체의 경우 유해 물질의 배출이 적고, 생분해가 가능한 물질이므로 2차 오염 의 위험성이 없고, 수생생물의 성분으로 자연친화적으로 사 용이 가능할 것이다.

결 론

겨울철 유해 조류 S. hantzschii 종의 발생에 의한 피해를 막고자 개발된 NQ 4-6 물질은 1 μM 농도에서 대상 종인 S. hantzschii에 대하여 >90%의 높은 살조효과를 나타냈다. NQ 4-6은 분말 또는 액상 형태의 물질로서 현장 적용시 수 계의 규모와 수심 등의 환경적 특징에 따른 적용의 어려움, 물질 희석에 의한 효과 감소를 사전에 해결하고자 담체화 기 술을 접목하였다. NQ 4-6 물질이 담지된 PLA, agar 담체를 이용한 10 ton 규모의 mesocosm 결과, 78.8% 77.1%의 높은 살조효과를 관찰할 수 있었다. 높은 살조효과 뿐만 아니라, 다른 물리·화학·생물학적 요인에 미치는 영향이 없음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구를 통해 개발된 NQ 4-6 물 질이 담지된 PLA, agar 담체는 다양한 조건의 현장에서 S. hantzschii 종에 대한 방제와 발생을 사전에 막을 수 있는 예 방 기술로서 사용이 가능할 것이다.