담수 녹조 대발생 제어를 위한 살조세균 및 살조물질에 관한 연구

Abstract

유해조류 (harmful algal species)에 의한 조류대발생 (algal bloom)을 효과적으로 제어하기 위해 살조세균 (algicidal bacteria) 및 살조물질 (algicidal substance)에 대한 연구를 수행하였다. 우선, 규조 (diatom) Stephanodiscus hantzschii에 효과적인 살조세균 Pseudomonas fluorescens HYK02010-SK09와 남조 (cyanobacteria) Microcystis aeruginosa에 효과적인 살조세균 (algicidal bacteria) Ps. aeruginosa UCBPP-PA14을 선별하여 연구를 수행하였다. 살조세균 SK09는 5 × 106 cells ml-1의 초기 접종밀도 (initial inoculation density)에서 조류 주의보 (algal warning)와 경보 (algal alarm)수준의 S. hantzschii 세포수를 100% 제거할 수 있었다. SK09는 S. hantzschii를 포함한 원통형 규조 (centric diatoms)에 선택적인 (selective) 살조범위 (algicidal range)를 보였으며, 대상조류 (target)가 존재할 때 체외로 살조물질 (algicidal substance)을 분비해 제어하는 기작 (mechanism)을 보였다. 살조세균 PA14의 경우에는 1 × 105 cells ml-1 이상의 초기 접종밀도에서 조류 주의보와 경보수준의 M. aeruginosa 세포수를 100% 제거할 수 있었다. Scenedesmus actus에도 우수한 살조효과를 보였으나 M. aeruginosa strain들 위주의 선택적인 살조범위를 보였고, 대상조류가 존재할 때 생물막 (biofilm)을 형성한 후 1 × 105 cells ml-1의 밀도까지 증가하게 되면 transcriptional regulator인 LasR에 의해 과발현된 살조물질 AprA (Alkaline proteinase)를 체외로 분비해 제어하는 기작을 보였다. 이후, 두 살조세균을 mesocosm과 microcosm 내에 적용한 결과 수온 (water temperature)과 섭식 (predation)에 따른 살조활성 (algicidal activity)의 변화, 영양염 (nutrient) 증가, 종천이 (algal species-shift)와 새로운 종의 우점 (dominance) 등의 문제점이 발생했으나, 살조세균 SK09는 낮은 수온에서도 효과적인 S. hantzschii 제어가 가능하였고, 또 다른 살조세균 PA14의 경우에는 보다 낮은 접종밀도에서 보다 빠르고 효과적인 살조효과와 함께 조류독소 (algal toxin)인 microcystins까지 제어가 가능하여 향후 현장 생태계 내에 적용시 효과적인 biorestoration이 가능할 것으로 판단하였다. 그러나 분명 해결해야할 문제점은 존재한다. 따라서 살조세균 SK09를 positive-charged cellulose sponge에 담체화 (immobilization)하여 microcosm 내 적용을 통해 녹조제어 효과와 문제해결능력 유무를 평가하였다. 낮은 수온 (WT = 5°C)의 microcosm 실험에서 담체화된 SK09 (CIS) 처리구에서 생균 (FSC)에 비해 높은 Stephanodiscus 제거효과를 관찰할 수 있었으나 FSC에 비해 여타 조류 (Chlamydomonas)의 밀도변화는 최소화되었다. 게다가, CIS는 낮은 수온과 종속영양생물들 (heterotrophs)로부터 SK09의 밀도를 보호할 수 있었으며, SRP와 nitrate의 농도증가를 억제할 수 있었다. 이러한 결과는 cellulose sponge에 담체화 된 살조세균이 현장 녹조 발생시 FSC 처리에 대한 효과적인 대안으로 사용할 수 있다는 것을 나타낸다. 그러나 녹조발생초기에 제어가 실패하거나 조류 대발생 수준까지 녹조가 발생한다면 경제성이 보장된 화학적 조절기법의 사용이 필요하게 된다. 따라서 naphthoquinone 구조를 기반으로 58 종의 유도체 (derivatives)를 합성 (synthesis)하고 IC50 값이 0.5 µ M 이하인 유도체 4 종 (01-6, 01-2, 06-6, 06-2)을 우수 살조물질로 선별하였다. 특히 06-2의 경우 0.5 µ M의 접종농도에서 조류 대발생 수준의 M. aeruginosa를 100%의 제어가능하였고 01-series에 비해 독성이 거의 없으며, 대상조류만 선택적으로 제어가능한 것으로 확인되었다. 따라서 가장 우수한 살조물질로서 06-2 유도체, 2-[(6-methanesulfonyl-benzothiazol-2-ylamino)-methyl]-5,8-dimethoxy-[1,4]naphthoquinone 을 최종 선정하였다. 상기의 결과를 바탕으로 녹조발생 초기 (initial)와 발전 (development)단계에서 환경친화적인 장점의 살조세균을 적용하고 조류대발생 단계에는 NQ 06-2를 적용한다면 현장에서 발생하는 녹조제어에 효과적인 연계기술로서 사용될 수 있을 것으로 사료된다.