KR100466305B1 - 조류를 이용한 수질감시방법 - Google Patents

Abstract

이 발명은 조류, 특히 반달말(closterium ehrenbergii)을 이용하여 하천에서의 오염도를 감시할 수 있도록 한 조류를 이용한 수질감시방법에 관한 것이다.

이 발명에 따른 조류를 이용한 수질감시방법은, 수계로부터 원수를 취수하는 원수 취수단계와, 취수된 원수에 반달말(closterium ehrenbergii)이 배양된 배양수를 첨가하는 배양수 첨가단계와, 배양수가 첨가된 원수와 배양수 간의 형광량 값을 비교 측정하는 형광량 비교 측정단계와, 비교된 형광량 값을 분석하여 수질의 오염여부를 정량화하여 데이터로 출력하는 오염도 분석 및 데이터 출력단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 이 발명에 의하면 수질의 오염여부를 실시간으로 용이하게 측정 감시할 수 있고, 수질오염 수준의 정량분석이 가능하여 수질오염 수준의 수치화가 정밀하게 이루어질 수 있으며, 수질감시에 필요한 관련장비 및 인력소요도 획기적으로 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

조류를 이용한 수질감시방법 {WATER MONITORING METHOD USING ALGAE}

이 발명은 조류를 이용한 수질감시방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 녹조류 등과 같은 광합성을 하는 조류의 행동패턴을 관찰하여 물에 가해진 환경스트레스를 탐지해내는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하천 등지에서의 유해물질 누출사고를 감시하기 위하여 어패류 등의 생물을 이용하는 방법을 바이오 모니터링(bio monitoring)이라 한다. 1970년대 말 독일에서 물고기 또는 물벼룩을 이용하여 호수, 하천 등 수계의 독성물질 혼입여부를 판별하는 방법을 도입한 이래, 네덜란드, 벨기에, 프랑스, 스위스, 오스트리아, 영국 등 세계 각국에서 바이오 모니터링 시스템을 연구하기 시작하였으며, 현재까지 수계의 독성물질 혼입여부의 판별에 적합한 여러 가지 수중생물이 다각도로 조사 연구됨으로써 이들의 이상한 행동패턴이나 생물학적 특성을 분석함으로써 수질오염 여부를 감시하는 여러 방법들이 제시되기에 이르렀다.

물고기를 이용한 바이오 모니터링에서는 부유성, 회피성, 군집성, 확산성, 이동성 등과 같은 어류의 행동패턴을 연속적으로 관찰하고 분석한다. 그러다가 이러한 관찰대상 어류들이 이상한 행동패턴을 보일 경우 이를 독성물질의 혼입 등과 같은 수계의 오염을 나타내는 징조라고 판단한다.

그런데, 물고기의 행동패턴은 독성물질 등과 같은 환경적 요인 뿐만 아니라, 물고기의 건강상태나 기타의 본능적 욕구 등과 같은 내재적 요인에 의해서도 영향을 받는다. 즉, 어류의 행동패턴과 수질오염 사이의 인과율이 그다지 크지 않아 판단오류가 빈번하다는 문제가 있다.

또한, 수질오염이 물고기의 행동패턴에 영향을 주기 위해서는 그 오염물질의 농도가 일정한 정도 이상이어야 하며, 그 이하의 농도에서는 행동패턴에 변화가 없을 것이므로, 그 오염여부를 탐지해낼 수 없다. 또한, 수질이 그러한 한계치 이상으로 오염되었다고 할지라도, 물고기의 행동패턴이 즉각적으로 이상해지는 것은 아니며, 오염물질의 종류나 농도에 따라서는 상당한 시간지연이 있은 후에야 이상한 행동패턴이 나타날 것이다. 다시 말해서, 물고기는 수질오염에 대한 민감도가 그다지 크지 않다.

바이오 모니터링에 관한 연구에서 추구하는 주된 과제는 위와 같은 인과율과 민감도를 높이는 것이다.

물벼룩은 물고기에 비해 향상된 인과율과 민감도를 나타내고 있지만, 여전히 불충분하다.

최근에 채용되고 있는 것으로서 주목할 만한 것은 발광성 미생물을 이용하는 것이다.

대한민국 특허 10-0262681호, “환경손상인자의 고감도 검출법”, 이.아이.듀우판드네모아앤드캄파니; 10-0300445호, “발광미생물을 이용한 수계의 독성물질 연속감시방법 및 이를 위한 연속감시용 키트”, 오성근; 10-0305218호, “고정화 된 발광미생물을 이용한 수질독성 자동측정장치”, 오성근; 대한민국 공개특허 2000-0024847호, “고정화 된 발광미생물을 이용한 독성물질 측정방법 및 이를 위한 바이오센서키트”, 엘지산전주식회사; 2001-0086342호, “연속식 수질독성검사장치”, ㈜바니오니아 등은 발광성 미생물을 이용하여 환경오염을 탐지해내는 것에 관한 것이다.

발광성 미생물을 이용한 바이오 모니터링에서는 미생물의 발광량의 변화를 환경오염의 징조라고 판단하고 있다. 그러나, 발광성 미생물의 발광량도 환경적 요인에 의해서만 변하는 것으로 보이지는 않으며, 다양한 내재적 요인에 의해 변화하는 것으로 보인다. 다시 말해서, 발광성 미생물을 이용한 바이오 모니터링에서도 환경오염에 대한 인과율이 충분히 높지 못하다.

이 발명의 목적은, 환경스트레스에 대한 인과율과 민감도가 큰 환경감시방법을 제안하려는 것이다.

이 발명의 다른 목적은, 수계에 유입되는 독성물질에 민감하고, 유입된 독성물질의 수준을 정량화하여 분석하고 이를 수치로 나타낼 수 있으며, 수질의 오염여부를 실시간적으로 감시할 수 있고 수질오염 수준의 정량분석이 가능할 뿐만 아니라 수질감시에 필요한 관련장비 및 인력소요를 획기적으로 절감시킬 수 있는 조류를 이용한 수질감시방법을 제공함에 있다.

도 1은 이 발명에 따른 조류를 이용한 수질감시방법의 양호한 실시예를 설명하기 위한 순서도이고,

도 2는 도 1에 도시된 방법을 구현하는 과정에서 광합성을 위한 조광을 행하면서 형광량을 측정하도록 시험액 및 시험액과 시료의 혼합액을 팔레트에 떨어뜨리는 상태를 도시한 도면이다.

광합성을 규제하는 요인은 빛의 강약과 이산화탄소의 농도 및 온도가 있다. 즉, 건강한 광합성식물세포에서 행해지는 광합성량은 위와 같은 세포외적 규제인자에 의해서만 영향을 받으며, 세포의 건강상태를 제외한 다른 요인에 의한 영향이 거의 없다.

규제인자의 변화치에 따른 특정한 식물세포의 광합성량의 변화는 사전에 실험적으로 구할 수 있다. 한편, 세포수가 충분히 많다면, 환경상태별로 건강한 세포가 존재할 확률은 정규분포범위 내에 존재한다.

다시 말해서, 충분히 많은 수의 광합성식물세포에서 행해지는 광합성량은 앞서 언급한 규제인자에 따른 변화량을 보상해 준다면, 환경상태별로 거의 일정할 것으로 기대된다.

한편, 다세포식물에서 환경적 영향에 따라 건강상태가 변하는 데에는 상당한 시간이 소요되지만, 단세포식물은 환경상태에 따라 신진대사나 건강상태가 거의 즉각적으로 변하는 것으로 관측되고 있다.

이와 같은 사실들을 감안할 때, 충분한 개체수로 이루어진 단세포식물에서의 광합성량을 이용하면 환경스트레스에 대한 인과율과 민감도가 매우 큰 환경감시시스템을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

이 발명의 한 양태에 따르면, 광합성을 하는 조류의 광합성량을 관찰하여 환경스트레스를 탐지해내는 환경감시방법이 제공된다.

또다른 한편으로, 광합성 개체의 표면에 입사된 빛에너지의 흐름을 살펴보면, 일차적으로, 일부는 개체의 표면에서 반사되는 반사광의 에너지로 발산되며, 그 잔부만 체내로 흡수된다. 체내로 흡수된 에너지의 상당부분은 광합성에 사용되고, 일부는 열에너지로 변화되어 체외로 방출되며, 그 잔부는 광파로 변환되어 체외로 방사된다.

체내에 흡수되었다가 체외로 방사되는 광파는 입사광이나 반사광의 주파수에 무관하고 생물체별로 독특한 주파수를 갖는다. 여기에서는 이러한 광파를 형광이라고 지칭하기로 한다.

일반적인 발광미생물의 발광은 외부로부터의 입사광이 없어도 가시광선을 포함하는 주파수범위 내의 광파를 스스로 생성하여 방사함에 반해, 여기에서 언급하는 형광은 입사광이 소멸되자마자 즉시, 또는 상당히 짧은 시차를 두고 함께 소멸되며, 대부분의 경우에 가시광선범위 외의 파장을 갖는다.

실험에 의하면, 이러한 형광의 강도는 광합성량에 반비례하는 것으로 밝혀졌다. 다시 말해서, 개체가 광합성을 완성하게 할 때는 형광의 강도가 약해지고, 신진대사나 건강상태의 이상으로 인해 개체의 광합성활동이 미약해질 때는 형광의 강도가 강해진다.

그러므로, 이 발명에 따른 환경감시방법에서는 형광량의 측정을 통해 광합성량을 관찰함으로써 광합성조류가 겪는 환경스트레스를 탐지하는 것이 가능하다.

이 발명에 따른 환경감시방법은 수계의 수질오염을 탐지하기 위해 이용될 수 있다.

이러한 수질오염탐지방법은 오염여부를 탐지하고자 하는 수계로부터 시료로 사용될 물을 취수하는 시료채취단계와, 광합성조류를 포함하는 시험액을 준비하는 단계와, 시험액과 시료의 혼합액을 준비하는 단계와, 시험액과 혼합액에 빛을 비추는 조광단계와, 시험액과 혼합액으로부터 나오는 형광량을 측정하는 단계와, 시험액으로부터 측정된 형광량과 혼합액으로부터 측정된 형광량을 서로 비교하는 단계 및, 비교단계에서의 비교결과에 근거하여 수질오염정도를 평가하는 단계를 포함한다.

이 발명의 또다른 양태에 따르면, 위와 같이 탐지된 수질오염의 평가치를 이용하여 수계의 수질오염을 감시하기 위한 방법이 구현될 수 있다. 이 방법은 경보를 발해야 할 수질오염의 기준치를 준비하는 단계와, 상기 평가단계에서 얻어지는 평가치를 상기 기준치와 비교하는 단계 및, 상기 기준치와 상기 평가치의 비교결과에 따라 경보를 발하는 단계를 부가적으로 포함해야 한다.

양호하게는, 측정단계에서 측정된 측정치를 디지털값으로 변환하는 단계 및 그러한 디지털값을 데이터베이스에 저장하는 단계를 부가적으로 포함할 수 있고, 이 때, 평가단계에서는 데이터베이스에 저장된 디지털값으로부터 얻어지는 해당 수계에서 채취된 시료에 대한 측정이력을 감안하여 평가할 수 있다.

또한, 조광단계 후에, 시험액에 포함된 광합성조류의 행동패턴과 혼합액에 포함된 광합성조류의 행동패턴을 관측하는 단계를 부가적으로 포함하는 것이 양호하고, 이 때, 평가단계에서는 관측단계에서 관측된 광합성조류의 행동패턴에 근거하여 평가할 수 있다.

좀더 양호하게는, 조광단계 후에, 시험액에 포함된 광합성조류의 행동패턴과 혼합액에 포함된 광합성조류의 행동패턴을 촬영하는 단계 및 촬영단계에서 촬영된 영상을 화상표시장치로 출력하는 단계를 부가적으로 포함할 수 있고, 이 때, 관측단계에서는 화상표시장치에 출력된 영상으로부터 광합성조류의 행동패턴들을 관측할 수 있다.

이 발명의 상기 및 기타의 특징과 장점 및 양태는 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기재된 이 발명의 양호한 실시예에 대한 상세한 설명을 읽으면 좀더 명료해질 것이다.

이 실시예에는 녹조류의 일종인 반달말(closterium ehrenbergii)을 이용하여 수계의 수질오염여부를 감시하는 방법으로 구현된 것이다. 도 1에는 이 실시예에 따른 수질감시방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도가 도시되어 있다.

이 실시예에 따른 수질감시방법은, 도 1에 보이듯이, 기준치준비단계(S00)와시료채취단계(S10)와 시험액준비단계(S20)와 혼합단계(S30)와 조광단계(S40)와 형광량측정단계(S50)와 형광량비교단계(S60)와 수질오염정도평가단계(S70)와 평가치비교단계(S80) 및 경고단계(S90)를 포함한다.

기준치준비단계(S00)에서는 수계의 용도 및 오염물질의 종류에 따라 수질오염이 어느 정도일 때 경보를 발하여 관리자에게 알려야 할 지를 나타내는 기준치를 정해 둔다.

시료채취단계(S10)에서는 오염여부를 탐지하고자 하는 수계로부터 시료로 사용될 물을 취수하여 저수조에 저장해 둔다.

시험액준비단계(S20)에서는 수질오염을 탐지하기 위한 시험액으로서 사용될 반달말의 배양액을 준비한다. 이 때, 배양액 내에 생존하고 있는 반달말의 개체수는 적정한 오차한계 내에서 일정하게 유지되는 것이 양호하다. 그러나, 개체수의 변화에 따른 측정치의 보정수단을 구비하고 있다면, 개체수를 일정하게 유지하는 대신에, 생존하는 개체수가 계수된 배양액을 이용할 수도 있다. 준비된 배양액은 도 2에 보이듯이, 팔레트(10) 상의 두 곳에 방울방울 떨어뜨려 둔다. 이 실시예에서는 팔레트(10) 상의 제1 위치(11)에 약 1 ml의 배양액을 떨어뜨려 두고, 제2 위치(12)에는 시험액으로 이용되는 배양액을 약 2 ml 정도 떨어뜨려 둔다.

혼합단계(S30)에서는 팔레트(10) 상의 제1 위치(11)에 떨어뜨린 시험액 위에 시료로 채취한 물을 약 1 ml 정도 떨어뜨려서 혼합해 둔다.

조광단계(S40)에서는 팔레트(10) 상의 시험액과 혼합액에 반달말의 광합성에 이용될 수 있는 빛을 조광한다.

형광량측정단계(S50)에서는 팔레트(10) 상의 제1 위치(11)에 있는 혼합액으로부터 나오는 형광량과 제2 위치(12)에 있는 시험액으로부터 나오는 형광량을 측정한다. 이 때, 형광량은 시중에서 구입할 수 있는 형광측정기(fluorimeter)를 이용하여 측정될 수 있다.

형광량비교단계(S60)에서는 시험액으로부터 측정된 형광량과 혼합액으로부터 측정된 형광량을 서로 비교한다.

수질오염정도평가단계(S70)에서는 형광량비교단계(S60)에서의 비교결과에 근거하여 수질오염정도를 평가한다.

한편, 시료로 채취된 물에 반달말이 존재하지 않는다고 가정하면, 이 실시예에서의 혼합비율에 따라 혼합된 제1 위치(11)의 혼합액 속에 존재하는 반달말의 개체수는 제2 위치(12)의 시험액 속에 존재하는 반달말의 개체수의 약 절반일 것이며, 따라서, 형광량측정단계(S50)에서 측정되는 형광량도 약 절반일 것이다. 만일, 시료로 채취된 물에 반달말이 존재한다면, 반달말의 개체수의 비율이나 그에 따른 형광량의 비율도 증가할 것이다. 그러나, 사전에 동일한 수계에서 채취된 시료를 이용하여 시험한 결과치를 기록해 두고, 수질오염정도평가단계(S70)에서의 평가시에 그러한 시험결과치를 반영하여 평가한다면, 이러한 개체수의 차이는 문제시 되지 않는다.

평가치비교단계(S80)에서는 수질오염정도평가단계(S70)에서 얻어지는 평가치를 기준치준비단계(S00)에서 준비한 기준치와 비교한다.

경고단계(S90)에서는 기준치와 평가치의 비교결과에 따라 경보를 발하여 수계관리자에게 알린다.

이 실시예에서는 시험액으로서 반달말배양액을 이용하는 것으로 설명하고 있지만, 수계오염물질로 발견될 개연성이 큰 물질에 대해 더 양호한 시험액으로 사용될 수 있는 조류배양액이 있다면, 그 것을 시험액으로 사용할 수도 있으며, 필요하다면, 두 종류 이상의 조류배양액을 서로 혼합한 것을 시험액으로 사용할 수도 있다.

선택사양적으로는, 이 실시예에 따른 방법이 측정치디지털화단계(S51)와 측정치저장단계(S52)와 행동패턴촬영단계(S41)와 영상표시단계(S42) 및 행동패턴관측단계(S43)를 포함할 수도 있다.

측정치디지털화단계(S51)에서는 측정단계에서 측정된 측정치를 디지털값으로 변환시켜며, 측정치저장단계(S52)에서는 이렇게 변환된 디지털값을 데이터베이스에 저장한다. 이러한 경우에, 수질오염정도평가단계(S70)에서는 데이터베이스에 저장된 디지털값으로부터 얻어지는 해당 수계에서 채취된 시료에 대한 측정이력을 감안하여 수질오염정도를 평가할 수 있다.

상기 조광단계(S40) 후에 행해지는 행동패턴촬영단계(S41)에서는 시험액에 포함된 광합성조류의 행동패턴과 혼합액에 포함된 광합성조류의 행동패턴을 촬영하며, 영상표시단계(S42) 행동패턴촬영단계(S41)에서 촬영된 영상을 화상표시장치로 출력하며, 행동패턴관측단계(S43)에서는 화상표시장치에 출력된 영상으로부터 광합성조류의 행동패턴들을 관측한다. 이러한 경우에, 평가단계에서는 상기 관측단계에서 관측된 상기 광합성조류의 행동패턴에 근거하여 평가할 수 있다.

행동패턴관측단계(S43)에서는 시험액에 포함된 광합성조류의 행동패턴과 혼합액에 포함된 광합성조류의 행동패턴을 현미경이나 내시경 등을 이용하여 직접 관측할 수도 있다. 이 실시예에서 이용되는 반달말은 다른 조류에 비해 세포의 크기가 커서 개체별 행동패턴을 관측하기가 용이하다.

형광량측정단계(S50)에서 측정된 측정치는 정량적으로 수치화 할 수 있으며,저장해 두고 수질분석과 관련된 연구자료로 유용하게 활용할 수 있다.

이 실시예에 따른 방법을 구현한 수질감시시스템은 그 작동과정의 전부 또는 일부를 자동화 하여 컴퓨터로 제어할 수 있으며, 이 때, 측정치 분석 알고리즘 및 데이터관리알고리즘 등을 구현하기 위한 프로그램이 이용될 수 있지만, 이 발명에서는 상세하게 설명하지 아니 한다.

이상에서 이 발명을 양호한 실시예에 근거하여 설명하고 있지만, 이 것은 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 단지 예시적인 것일 뿐이다. 이 기술분야에 숙련된 자라면, 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이도 앞서 설명한 실시예로부터의 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 첨부된 특허청구의 범위에서는 그러한 변화예나 변경예 또는 조절예를 내포하고자 한다.

이 발명에 따른 방법을 이용하면, 앞서 설명한 데이터 출력단계와 화상출력단계가 연계되어 하나의 출력장치로 구현될 수 있으므로, 사용자의 입장에서는 연구실과 같은 지정된 한 장소에서 데이터 출력단계를 통해 수질오염 수준의 정량적인 데이터와 화상 출력단계를 통한 화상 정보를 함께 얻을 수 있어 수계에 대한 수질오염의 수준을 입체적으로 감시할 수 있게 된다. 또한, 이 발명에 따르면, 수계의 오염여부 판별에 필요한 장기간의 물리 화학적 측정방법을 요하지 않으므로 수질의 오염여부를 실시간으로 측정 감시할 수 있는 효과가 있고, 외부의 자극에 반응하는 조류의 형광량 측정으로 수질오염 수준의 정량분석이 가능하여 수질오염 수준의 수치화가 정밀하게 이루어질 수 있는 효과가 있으며, 수질측정에 있어서 수계로부터 샘플을 채취하여 형광측정기를 통해 조류의 형광량을 측정하는 간단하고도 간편한 과정만을 요하므로, 수질측정을 위한 대규모의 장비나 이에 수반되는 다수의 시설을 요하지 않아 수질감시에 필요한 관련장비 및 인력소요를 획기적으로 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 수질오염을 탐지하는 방법에 있어서,

   오염여부를 탐지하고자 하는 수계로부터 시료로 사용될 물을 취수하는 시료채취단계와,

   광합성조류를 포함하는 시험액을 준비하는 단계와,

   상기 시험액과 상기 시료의 혼합액을 준비하는 단계와,

   상기 시험액과 상기 혼합액에 빛을 비추는 조광단계와,

   상기 시험액과 상기 혼합액으로부터 나오는 형광량을 측정하는 단계와,

   상기 시험액으로부터 측정된 형광량과 상기 혼합액으로부터 측정된 형광량을 서로 비교하는 단계 및,

   상기 비교단계에서의 비교결과에 근거하여 수질오염정도를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   경보를 발해야 할 수질오염의 기준치를 준비하는 단계와,

   상기 평가단계에서 얻어지는 평가치를 상기 기준치와 비교하는 단계 및,

   상기 기준치와 상기 평가치의 비교결과에 따라 경보를 발하는 단계를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 측정단계에서 측정된 측정치를 디지털값으로 변환하는 단계 및,

   상기 디지털값을 데이터베이스에 저장하는 단계를 부가적으로 포함하고,

   상기 평가단계에서는 상기 데이터베이스에 저장된 디지털값으로부터 얻어지는 해당 수계에서 채취된 시료에 대한 측정이력을 감안하여 평가하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 조광단계 후에, 상기 시험액에 포함된 상기 광합성조류의 행동패턴과 상기 혼합액에 포함된 상기 광합성조류의 행동패턴을 관측하는 단계를 부가적으로 포함하고,

   상기 평가단계에서는 상기 관측단계에서 관측된 상기 광합성조류의 행동패턴에 근거하여 평가하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 조광단계 후에, 상기 시험액에 포함된 상기 광합성조류의 행동패턴과상기 혼합액에 포함된 상기 광합성조류의 행동패턴을 촬영하는 단계 및,

   상기 촬영단계에서 촬영된 영상을 화상표시장치로 출력하는 단계를 부가적으로 포함하고,

   상기 관측단계에서는 상기 화상표시장치에 출력된 상기 영상으로부터 상기 광합성조류의 행동패턴들을 관측하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 청구항 1 내지 5 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 광합성조류가 오염물질의 종류에 따라 각각 상이한 인과율 또는 민감도를 나타내는 적어도 2종 이상의 조류인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 청구항 1 내지 5 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 광합성조류가 반달말을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.