유해 남조류 녹조방제를 위한 생물유래 물질의 개발 및 현장 생태계 적용

Abstract

유해 남조류 제어를 위해 물리학적 (physical), 생물학적 (biological), 화학적 (chemical) 제어 기술 또는 복합적 제어 기술이 개발되었으나, 단시간 내 높은 제어 효과, 편의성으로 현장적용 가능성이 가장 큰 제어방법은 화학적 제어방법이다. 그러나, 적용 후 생태계 교란 및 수생생물에 대한 독성으로 인해 현장에서 안전하게 사용가능한 물질은 현재까지 없는 상태이다. 본 연구에서는 높은 제어효과 (high effectiveness), 낮은 생태 독성 (low toxicity), 편의성 (convenience) 뿐만 아니라 높은 경제 효율성 (economic feasibility)의 조건을 갖춘 새로운 살조물질의 개발을 위해 생물유래 물질 (biologically derived substances: BDSs)인 naphthoquinone (NQ) 기반의 살조물질을 개발하고자 하였다. 친환경적인 살조물질 개발을 위한 후보물질의 선정, 실험실 내 살조효과 입증 및 생태독성 평가, 현장 유사 생태계 (mesocosm), 현장 적용 실험 (test-bed)등의 실험을 거쳐 유해 남조류 제어용 살조물질을 개발하였다. 먼저, 유해 남조류 Microcystis와 Dolichospermum의 제어를 위해 NQ의 기본구조를 바탕으로 치환기 (Rn)를 변화시켜 1-a부터 54까지의 총 92종의 NQ 유도체를 합성하여 확보하였고, 대상 남조류 Microcystis와 Dolicho-spermum종에 대하여 1 μM에서 각각 99.6%과 100%의 높은 제어효과를 가진 NQ 40 물질을 최적 살조물질로 선정하였다. 선정된 NQ 40의 남조류 선택적 제어효과를 확인하기 위해 규조류 Stephanodiscus, Cyclotella와 와편모조류 Peridinium에 대하여 살조효과를 평가한 결과, NQ 40 (1 μM)은 대상 유해 남조류 Microcystis와 Dolichospermum종에만 선택적으로 작용하였다. 또한, NQ 40의 급성독성을 평가 결과, Selenastrum capricornutum, Daphnia magna 및 Danio rerio 종에 대하여 EC50/LC50 값이 각각 3.2, 14.5, 15.7 μM로 측정되었다. 더불어, D. magna를 이용한 만성독성 평가 결과, NQ 40의 최적 살조 농도인 1 μM에서 생존 (survival rate), 성장 (growth), 번식 (reproduction)에 대한 영향은 없었다. 이 후, NQ 40의 현장 적용 가능성 및 생태계 안정성 평가를 위해 50 ton 규모의 현장 유사 생태계 (mesocosm), 3000 ton 규모의 test-bed 적용 실험을 수행하였다. 그 결과, 모든 실험에서 대상 유해 남조류 Microcystis sp. 종은 접종 4일 안에 80 % 이상 제어되는 것을 확인하였다. 다른 조류의 성장에 영향 없이 대상 Microcystis sp. 종만 선택적으로 제어되었으며, 우점종인 Microcystis sp. 종이 제어됨에 수계 내 식물플랑크톤의 종 다양성이 증가하는 결과를 보였다. 더불어, microcystin 과 같은 조류 독성을 갖고 있는 남조류 감소에 의해 수계 유용한 먹이생물인 다양한 조류가 성장하면서 수계 내 풍부한 먹이원 공급이 가능하게 되어 동물플랑크톤이 증가하는 결과를 관찰하였다. 또한, NQ 40 접종 후 식물플랑크톤을 제외한 생물학적, 비생물학적 환경 요인에 대해서는 대조구와 처리구에서 유의적인 차이는 없었다. 즉, NQ 40 물질의 적용은 유해 남조류 제어뿐만 아니라, 수생생물의 서식처 및 먹이 공급을 원할하게 함으로써 전반적으로 건강한 수생태계를 형성하는데 큰 역할을 하고 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나 최적물질로 선정된 NQ 40은 대량생산시 경제적 효율성이 다소 떨어진다는 단점이 발생하였다. NQ 40의 현장 적용시 경제성을 확보하기 위하여, 기존의 NQ물질을 기반으로 상용화된 기초물질을 이용한 합성단계의 축소과정을 거쳐 추가적으로 31종 합성하였다. 개량 합성된 물질 중, NQ 2-0 물질은 1 μM의 농도에서 규조류 (bacillariophyceae)과 녹조류 (chlorophyceae) 에는 살조효과가 나타나지 않으며, 유해 남조류 D. smithii, M. aeruginosa, Aphanizomenon flos-aquae, Oscillatoria sp., Nostoc paludosum 대해서 선택적으로 높은 살조효과를 보였다. NQ 2-0의 급성, 만성 생태독성 평가 결과 역시 최적 적용 농도 1 μM에서는 독성이 관찰되지 않았다. 또한, NQ 2-0 물질은 현장수에서 약 3.2일의 반감기 (half-life)를 가지며, 10일 안에 대부분 자연분해 되어 수계 내에는 잔류하지 않는 것으로 관찰되었다. 개량된 NQ 2-0의 장점 분석을 위해 NQ 40과 국내에서 빈번히 사용되는 황토를 이용한 microcosm 실험을 수행한 결과, NQ 40, NQ 2-0 물질은 기존 결과와 동일하게 선택적으로 유해 남조류만을 제어했으며, 식물플랑크톤 종 다양성을 증진시켰다. 그러나, 황토를 처리한 실험구에서는 실험 초기에 일시적인 조류 억제를 보인 후 다시 증가하였으며, 유용조류를 포함한 모든 식물플랑크톤에게 적용되어 다른 조류의 성장은 이루어지지 않았다. 뿐만 아니라, NQ 를 처리한 처리구에서는 비생물학적, 생물학적요인 모두 영향을 미치지 않았으며, 대조구와 처리구에서 유사한 경향이 관찰되었다. 따라서, 최종적으로 개량된 유해 남조류 제어물질 NQ 2-0은 높은 살조효과, 선택적 제어 효과, 저독성, 자연분해에 의한 비잔류성 뿐만 아니라, 편의성 및 경제성까지 갖춘 새로운 살조물질로서 현재까지 개발된 살조물질보다 현장 생태계 적용에 가장 적합한 친환경 녹조제어 물질이라고 판단된다.