유산균을 이용한 유해 조류의 살조 효과

Abstract

유해 조류의 대발생 (Harmful Algal Blooming, HAB)은 이들의 생육서식지에 따라 산업적으로 다양한 문제를 일으키고 있다. 우리나라와 같이 온대지방의 부영양화의 발생은 수생태계에서는 풍부한 영양분을 바탕으로 식물플랑크톤 같은 1차 생산자의 생장에 유리한 환경이 조성되면서 조류의 대발생이 폭발적으로 일어나고 있다. 호수, 하천, 저수지, 양어장 등지에서의 유해조류의 대발생은 산소공급 차단으로 수색생물의 폐사를 일으키고, 이취미(off-flavor)물질을 발생하고, 물의 착색 및 이상발포 형성 등 주로 일어나며, 마지막으로 상수처리과정 중의 여과지 폐쇄 및 응지 침전 저해 등으로 경제적 손실을 야기한다. 또한 하천 및 호수에서 발생하는 녹조 (algal blooming)는 주로 여름철의 남조류 (cyanobacteria), 봄과 겨울철의 규조류 (diatom)가 녹조현상의 주요 유해종이다. 따라서 유해 조류 원인 생물에 의한 현상을 제거 또는 완화시키기 위한 기술들이 개발로 본 실험에서는 생물학적 방법으로 살조세균을 선발 및 분리 연구를 하였다. 먼저, 우리나라에 우점하는 유해 조류 13종에 대한 제어 효과를 알아보기 위하여 Lactic acid Bacteria인 락토바실로스 (Lactobacillus)속과 락토코커스 (Lactococcus)속을 선택하여 살조능력을 평가하였다. 선택된 Lactic Acid Bacteria는 13종의 유해 조류 중에서 Microcystis aeruginisa NIES 298, Anabaena flos-aquae CCAP 1403/13B, Anabaena affinis NIES 23, Stephanodiscus hantzschii UTCC 267, Peridinium bipes HYJA0311-A2에 대해 살조활성을 나타냄을 확인하였다.M. aeruginisa의 경우 L. graminis, L. brevis 등이 107 cells/ml의 접종농도에서 숙주를 100% 제거 가능한 것을 확인할 수 있었으며, 저밀도에서도 우수한 살조효과가 있는 것으로 관찰되었다. A. affinis의 경우 L. garvieae가 107 cells/ml과 102 cells/ml의 접종 밀도에서 대조구 대비 44% 이상의 조류성장 저해효과를 가지는 것으로 나타났다. S. hantzschii에 대해서는 L. graminis, L. brevis 등이 저밀도에서 가장 우수한 살조활성을 나타내었다. 마지막으로 P. bipes에 대해서는 L. graminis, L. paracasei subsp. Tolerans, L, plantarum 등이 저밀도에서 가장 우수한 살조활성을 나타내었다. 결론적으로 본 실험에서 선택된 유산균 중 살조활성을 나타내는 세균들은 연못, 저수지, 호수, 호소, 하천 또는 강 등에 존재하는 다양한 종류의 유해조류 (녹조류, 남조류, 규조류, 유글레노이드류, 편모조류 및 황녹색조류)의 이상 증식을 억제할 수 있음을 확인하였고, 특히 녹조 제어에 우수한 효과를 나타낸다는 사실을 확인하였다. 독성이 있는 남조류인 A. flos-aquae에 대한 유산균의 살조능력을 농도별로 확인한 결과, L. plantarum와 L. paraplantarum가 A. flos-aquae에 강한 살조 능력을 보이며 각각의 초기 접종 밀도 ≥ 105 과 ≥104 cells/ml 에서 A. flos-aquae가 완전하게 제거되었고, 102 cells/ml로 접종된 경우에서도 살조효과가 우수하여 대조구 대비 77% 이상의 조류성장 저해효과가 있는 것을 확인 할 수 있다. L. plantarum와 L. paraplantarum가 A. flos-aquae를 제거하는 과정을 현미경으로 관찰한 결과, 유산균 접종 후 1시간이 지난 후에 A. flos-aquae 세포가 탈색되면서 팽창하고, 이 부위에는 유산균이 붙어 있는 것을 관찰 할 수 있었다. 시간이 지나면서 다수의 세포가 둥근형태로 변한 후 불규칙하게 합쳐지고 더 많이 팽창되었다. 결국 몇몇 세포는 터져서 세포액이 빠져나 오고 빠른 속도로 세포 파괴가 일어 나서 결국에는 완전히 제거 되는 것을 관찰하였다. 살조 현상을 나타내는 물질의 특성을 알아보기 위해 살조세균의 단일 배양여액 (mono-culture filtrate) 및 숙주와의 혼합 배양여액 (co-culture filtrate), 열처리한 혼합 배양여액, Proteinase-K를 처리한 혼합 배양여액 등을 이용하여 살조활성을 측정하였다. 단일 배양여액의 경우 조류제거효과가 거의 관찰되지 않았으나 혼합배양여액은 두 세균모두 농도구배에 따른 살조활성의 증가가 확연히 관찰되었다. 또한 L. plantarum의 혼합 배양여액을 열처리 (heat treatment)하고 농도 별로 접종한 경우에도 접종농도에 관계없이 살조활성이 70% 이상으로 관찰되었으나, L. paraplantarum의 경우에는 농도 구배별 살조활성의 증가하였다. 또한, proteinase-K와 열처리 과정을 순차적으로 처리한 혼합 배양여액을 접종한 경우에도 두 세균 모두에서 우수한 살조활성이 관찰되었다. 특히 L. paraplantarum의 경우 10-20%의 접종농도로 처리했을 때 열만 처리한 혼합배양여액을 접종한 경우보다도 살조활성이 높게 관찰되었다. 이러한 결과들로 볼 때 혼합 배양 시 L. plantarum 및 L. paraplantarum의 살조 활성이 증가하며, 살조활성을 나타내는 물질은 열에 강한 저분자 물질과 일부의 단백질 성분이 혼재되어 있음을 추측할 수 있다.|To evaluate whether LAB have the ability of algicidal bacteria, 15 strains of Lactic acid bacteria (LAB) including genus Lactobacillus and Latococcus were tested against 13 species of algae. Of them, Microcystis aeruginisa NIES 298, Anabaena flos-aquae CCAP 1403/13B, Anabaena affinis NIES 23, Stephanodiscus hantzschii UTCC 267 and Peridinium bipes HYJA0311-A2 were sensitive to many LAB. L. graminis showed algicidal activity against M. aeruginosa, S. hantzschii and P. bipes. L. brevis exhibited algicidal activity against M. aeruginosa and S. hantzschii. L. garvieae appeared active only against A. affinis. Both L. paracasei and L. plantarum exhibited algicidal activity on P. bipes. Especially, L. plantarum and L. paraplantarum possessed highest algicidal activity 105 and 104 cells/ml on cyanobacterium A. flos-aquae, respectively. Even at relatively low density of 102 cells/ml, moreover, two LAB showed high algicidal activity of 77% against A. flos-aquae. Biochemical assay of the culture filtrates revealed that the main algicidal substances from two LAB were likely to be heat-resistant extracellular substances with low molecular weight (< 3 kDa). These results indicate that many LAB are potential agents for the control of harmful algal blooms in eutrophic reservoir.; To evaluate whether LAB have the ability of algicidal bacteria, 15 strains of Lactic acid bacteria (LAB) including genus Lactobacillus and Latococcus were tested against 13 species of algae. Of them, Microcystis aeruginisa NIES 298, Anabaena flos-aquae CCAP 1403/13B, Anabaena affinis NIES 23, Stephanodiscus hantzschii UTCC 267 and Peridinium bipes HYJA0311-A2 were sensitive to many LAB. L. graminis showed algicidal activity against M. aeruginosa, S. hantzschii and P. bipes. L. brevis exhibited algicidal activity against M. aeruginosa and S. hantzschii. L. garvieae appeared active only against A. affinis. Both L. paracasei and L. plantarum exhibited algicidal activity on P. bipes. Especially, L. plantarum and L. paraplantarum possessed highest algicidal activity 105 and 104 cells/ml on cyanobacterium A. flos-aquae, respectively. Even at relatively low density of 102 cells/ml, moreover, two LAB showed high algicidal activity of 77% against A. flos-aquae. Biochemical assay of the culture filtrates revealed that the main algicidal substances from two LAB were likely to be heat-resistant extracellular substances with low molecular weight (< 3 kDa). These results indicate that many LAB are potential agents for the control of harmful algal blooms in eutrophic reservoir.