KR100734477B1 - 독성평가장치 및 독성평가방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 독성평가장치 및 독성평가방법에 관한 것으로, 일정시간동안 배양된 조류 및 독성물질을 혼합시켜 인큐베이팅하고, 용존산소량을 일정량 이하로 유지하기 위해 질소를 공급하는 조류 저장조; 상기 조류 저장조로부터 혼합물이 투입되고, 일정한 양의 빛을 공급해서 혼합물이 광합성활동을 하여 산소를 발생하도록 하는 반응기; 상기 반응기의 온도를 유지시키도록 항온의 물을 반응기에 공급하는 항온 순환기; 및 상기 반응기 내부에 마그네틱바를 넣고, 상기 마그네틱바를 반응기 내에서 회전시켜 반응기를 교반시키는 마그네틱바 교반기;를 포함하여 조류의 광합성에 의한 산소의 발생량을 측정함으로써 독성을 평가하도록 하는 독성평가장치를 제공한다.
독성, 평가, 광합성, 산소, 조류
Description
도 1은 본 발명에 의한 독성평가장치의 개요도이다.
도 2는 도 1의 독성평가장치의 반응기의 정면도이다.
도 3은 도 2의 반응기의 측면도이다.
도 4는 빛의 양에 따른 산소발생량의 그래프도이다.
도 5는 독성량에 따른 산소발생량의 그래프도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: 반응기 2: 마그네틱바
3: 항온반응기4: 용존산소 측정전극
5: 항온물 유입구6: 항온물 유출구
7: 조류유입구8: 조류 유출구
9: 볼록렌즈10: 광 측정기
11: 사용된 조류 저장조12: 조명기
13: 항온순환기14: 유량펌프
15: 조류 저장조16: 용존산소량 측정기
18: 마그네틱바 교반기
본 발명은 독성평가장치 및 독성평가방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 녹조류의 광합성활성을 이용하여 시간에 따른 산소발생량을 측정하는 원리를 이용한 독성평가장치 및 독성평가방법에 관한 것이다.
지구상에는 수많은 화학물질들이 존재하며 우리나라에서만 5000여 가지 이상의 화학물질을 사용한다. 화학물질들은 산업사회에서 인위적으로 만들거나 산업 공정 과정 중 자연적으로 생성되기도 한다. 그러나 이러한 화학물질들은 환경에 어떠한 영향을 미치는 가를 제대로 측정되지 않고 방류되어 생태계나 인간에게 많은 영향을 미친다. 이러한 문제점을 미리 예측하거나 감지하기 위해서 인간은 다양한 독성 측정 방법으로 위해성 물질의 독성을 측정해 왔다. 또한 독성 방법에 의해 측정된 데이터를 바탕으로 위해성 물질에 대해 규제 량을 주어서 독성물질에 의한 인간과 자연의 피해가 최소화 시키려고 노력하고 있다. 그러나 이러한 독성을 측정하고 규제하기 위해서는 비용과 시간이 많이 소요된다는 문제점을 가지고 있다.
생물독성 측정법에는 여러 가지 종류가 있으며 생물체 마다 독성에 대한 반응정도나 민감도가 다르다. 그래서 환경 위해성을 측정하기 위해서는 다양한 유기체와 독성 측정 방법을 사용하여 데이터를 수집하는 것이 절대적으로 필요하다.
기존의 독성방법은 주로 물벼룩, 어류, 미세조류, 발광성 미생물, 조류, 활성슬러지 등을 이용하는 기술이 많이 사용되어 왔다.
물벼룩을 이용한 실험에서는, 물벼룩이 일정한 조건과 시간동안 번식 량의 정도를 파악하거나 생존의 정도를 이용한 측정하는 기술을 이용되어 독성의 정도를 측정하여 왔다. 환경 모니터링 측면에서는 물벼룩의 운동성(본능적으로 수면위로 뛰어 오르는 특성)을 관찰하여, 독성물질을 주입 했을 때, 운동량 감소하거나 증가하는 정도를 센서로 측정하는 방식이 환경모니터링 방식에 이용되어지고 있다. [공개특허 10-2005-0003750][등록특허 10-0407753]
어류는 성장정도나 생존정도를 측정하고 있다. 이들 또한 환경모니터링 측면에서 많이 이용되고 있다. 그 원리는 버들치와 같은 조그만 물고기를 이용하여 본능적으로 물을 거슬러 올라가려고 하는 특성을 이용, 독성물질을 유입됨에 따라 그러한 본능적 특성이 억제되는 정도를 센서로 측정하는 방법으로 환경모니터링 방법으로 사용되고 있다.
동결 건조 되어 공급되고 있는 발광성 미생물을 이용하여 측정되는 방법이 있다. 이 방법은 일정한 빛을 발광하는 미생물에게 독성물질을 공급하여 주면 발광하는 빛이 억제되는 정도를 측정한다. [등록특허 110-0461757]
미세조류(algae)의 증식 속도를 측정하여 독성의 정도를 측정되어지고 있다. 미세조류에는 Selenastrum capricornutum, Chlorella vulgaris 등이 이용되고 있다. 이 원리는 일정한 반응기 안에 조류와 각기 다른 농도의 독성물질을 첨가해주어서 시간에 따른 성장속도를 측정한 후, control 상태의 성장 속도와 비교하여 독성물질의 독성도를 측정하는 것이다.
미생물이나 활성슬러지의 호흡률을 측정하는 방법이 있다. 이 방법은 폐수처리장에서 주로 이용될 수 있는 방법으로 유입수중에 포함되어 있는 독성물질의 독성을 사전에 측정할 수 있는 방법이다. 위와 같은 원리는 독성물질이 활성슬러지나 미생물이 있는 곳에 주입되면 산소의 소비량이 줄어들거나 아예 없어지는 현상을 pH 미터나 용존산소 측정기를 이용하여 측정하는 방법이다. [공개특허 특2000-0001018] [공개특허 특2002-0017555]
그러나 이러한 방법들에도 문제점이 발견되고 있다. 물고기의 경우는 민감도가 약하며 그에 따른 반응시간이 길다. 배양 관리의 어려움이 클뿐더러 정량,표준화하기가 곤란하다. 또한 물고기를 이용한 모니터링을 설치한다면 물벼룩과 상호 보안 적으로 같이 설치해야하는 단점도 가지고 있다. 그러므로 이들 생물을 이용하여 실시간 연속 측정 및 원격 쌍방향 제어가 가능한 통합적 독성 측정 장치로서의 기능을 구현할 수 있도록 하는 것이 향후 해결되어야 할 과제로 남아있다.
물벼룩의 경우 Data base 축적이 어렵고 동일한 행동양상을 기대하기 어렵다. 별도의 배양실이 필요하여서 경제적으로 부담금이 크다.
발광 박테리아의 경우는 원핵성 생물로서 인간과 같은 진핵생물과는 동일 독성물질에 대해 구조적, 생리적 활성이 다르게 나타낼 수 있다. 또한 일부 해양성 박테리아의 경우 저온 보관 및 활성의 재기를 위한 온도를 일정하게 올려주는 등 별도의 온도조절 장치가 필요하여 관리에 어려움이 있으며, 이 조건을 유지하기 위해 장비가 대형이며 고가이다. 또한 발광 미생물은 해양미생물로써 현장의 담수독성물질에는 적합하지 않으며 장시간 배양시 안정성을 상실하여 연속자동측정에 한계를 갖는 것으로 나타났다. 최근 안정성을 높이기 위하여 유전자 조작된 조합 미생물을 도입하고 있으나 유전자 조작 미생물 역시 장기간 안정성이 낮으며 독성물질에 한번 노출되었을 때 독성물질이 제거되어도 원래의 발광수중을 회복할 수 없는 것으로 나타나 연속 측정에 다소 개선이 필요한 것으로 나타났다.
조류의 성장측정에 대한 실험은 조류가 독성물질에 대해서 민감하기 때문에 독성측정은 민감하게 측정할 수 있으나 시간과 노력이 많이 들어가야 한다는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 녹조류의 광합성활성을 이용하여 시간에 따른 산소 발생량을 측정하고, 이러한 원리를 이용하여 광합성 활성장치를 고안하여 하수나 폐수 및 화학 물질 등의 독성도를 민감하게 측정할 수 있도록 하는 독성평가장치 및 독성평가방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 저렴한 비용으로 구축 하고 기존의 독성 평가 장치들보다 다루기 쉽고 사용이 편리한 독성평가장치 및 독성평가방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 일정시간동안 배양된 조류 및 독성물질을 혼합시켜 인큐베이팅하고, 용존산소량을 일정량 이하로 유지하기 위해 질소를 공급하는 조류 저장조; 상기 조류 저장조로부터 혼합물이 투입되고, 일정한 양의 빛을 공급해서 혼합물이 광합성활동을 하여 산소를 발생하도록 하는 반응기; 상기 반응기의 온도를 유지시키도록 항온의 물을 반응기에 공급하는 항온 순환기; 및 상기 반응기 내부에 마그네틱바를 넣고, 상기 마그네틱바를 반응기 내에서 회전시켜 반응기를 교반시키는 마그네틱바 교반기;를 포함하여 조류의 광합성에 의한 산소의 발생량을 측정함으로써 독성을 평가하도록 하는 독성평가장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 반응기는 원하는 양의 빛을 공급하는 조명기 및 조명기로부터의 빛의 양을 측정하기 위하여 상기 조명기의 반대편에 설치되는 광 측정기를 포함한다. 또한 상기 조류 저장조의 용존산소량은 1.5 ppm 이하로 유지하도록 하며, 이때 질소 99% 및 이산화탄소 1% 의 혼합가스를 공급하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은, a. 일정시간동안 배양된 조류 및 독성물질을 혼합시켜 인큐베이팅하는 단계; b. 용존산소량을 일정량 이하로 유지하기 위해 상기 조류 및 독성물질의 혼합물에 질소를 공급하는 단계; c. 상기 혼합물을 반응기로 투입하는 단계; d. 반응기의 온도를 일정온도로 유지함과 동시에 일정한 양의 빛을 상기 반응기에 공급해서 혼합물이 광합성활동을 하여 산소를 발생하도록 하는 단계; 및 e. 발생하는 산소의 양을 용존산소 측정전극으로 측정하는 단계;를 포함하여 조류의 광합성에 의한 산소의 발생량을 측정함으로써 독성을 평가하도록 하는 독성평가방법을 제공한다.
바람직하게는 상기 d 단계에서, 상기 반응기 내부에 마그네틱바를 넣고 상기 마그네틱바를 마그네틱바 교반기를 통해 반응기 내에서 회전하도록 하여 반응기를 교반시킬 수 있다. 또한 바람직하게는, 상기 b 단계에서 질소 99% 및 이산화탄소 1% 의 혼합가스를 공급하여 상기 조류 저장조의 용존산소량을 1.5 ppm 이하로 유지하도록 한다.
본 발명에 의한 독성평가장치는 자연계의 일차 생산자인 조류를 이용한다. 조류는 광합성을 함으로써 대기 중의 이산화탄소를 고정시키고 유기물을 제거한다. 또한 이차 소비자 이상의 생물체들에게 영양분을 공급해주는 아주 중요한 미생물이다. 또한 먹이사슬 제일 밑 부분에 위치하고 있는 조류의 변화에 따라 수중 생태계는 많은 변화가 일어난다. 그러므로 이들을 독성 화학물질에 대한 생태독성 시험 생물로 선정, 이용하였다. 본 발명은 독성물질의 양에 따라 조류가 배출하는 용존산소량이 달라짐을 이용하여 독성을 평가하도록 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다. 도1은 광합성에 의해 생성되는 산소를 측정하는 본 발명에 따른 독성평가장치의 전면도를 나타낸다. 도2는 본 발명의 독성평가장치의 반응기를 중심으로 확대하여 표현한 정면도를 나타낸다. 도3은 도 2의 반응기를 자세히 설명하기 위하여 표현한 측면도이다.
본 발명에 의한 독성평가장치에서, 먼저 일정 시간동안 배양되어진 조류를 소량 채취하고 독성량과 혼합시켜 조류 저장조(15)에서 약 8~10분간 인큐베이터 시킨다.
인큐베이터 후 실험 샘플마다 함유하고 있는 DO(용존산소량)의 양이 많이 차이가 나게 된다. 그로인해 산소 발생량을 육안으로 비교하기 힘들기 때문에 질소를 공급해줘서 DO의 수준을 1.5ppm수준이하로 떨어뜨린다. 질소 공급 시, 수중의 이산화탄소 또한 거의 대부분이 날아가서 조류가 광합성 하는데 지장이 있으므로 질소99%와 이산화탄소가 1% 함유되어있는 혼합 가스를 천천히 주입해 주어야 한다(1~2분).
인큐베이터 시킨 조류를 펌프(14)를 이용하여 반응기(1) 안에 넣어준다. 반응기(1)에 조류를 투입할 때, 도 3의 조류 유입구(7)를 통하게 되고, 후에 조류를 뺄때는 조류 유출구(8)를 통하게 된다. 그 다음 조명기(12)로 빛을 비춰 주어서 볼록렌즈(9)로 빛을 모아 반응기(1) 안에 빛을 공급해준다. 그리하여 조류에 빛을 공급하여 광합성 하도록 유도한다. 조명기(12)를 이용하여 빛을 공급해줄 때, 빛의 양을 측정하기 위하여 반응기 뒤편에 광 측정기(10)를 설치한다. 실험 전, 원하는 빛의 양을 조명기(12)로 조정 할 수 있다.
조류와 독성의 혼합물이 반응기 안으로 들어가 빛에 의해 조류의 광합성이 유도 될 때, 온도의 영향을 받지 않도록 해야 한다. 따라서 온도를 유지 시켜줄 수 있는 항온순환기(13)를 섭씨25℃로 유지하여 반응기(1)의 항온 물 유입 구(5)로 항온 물을 공급하게 된다. 항온 물은 항온반응기(3)를 거친 다음, 항온 물 유출 구(6)로 나오게 된다.
반응기(1)에서는 일정시간동안 증가하는 DO의 양을 용존산소 측정전극(4)으로 측정하고, 측정된 수치를 용존산소량 측정기(16)로 읽게 한다. 그리고 용존 산소량측정기(16)를 컴퓨터(17)와 연결하여 실시간 측정된 산소 발생량을 컴퓨터(17)로 기록한다. 이와 같이 조류의 산소배출량을 검지하여 이를 독성의 유무 및 독성량에 대한 측정치로 사용하게 된다.
또한 조류가 반응기(1) 안에서 뭉치는 현상을 방지하고 원활한 교반을 시켜주기 위해서, 반응기(1) 안에 아주 작은 마그네틱 바(2)를 넣어주고, 마그네틱바 교반기(18)를 반응기 밑에 설치하여 마그네틱바(2)를 회전 시킨다.
반응이 끝난 후, 조류를 밖으로 배출하기 위해 펌프(14)을 통하여 공기를 주입 시키면서 조류를 반응된조류 저장조(11)로 배출하게 된다. 펌프를 이용하여 조류를 모두 빼낸 다음 깨끗한 물로 세척 시켜주어서 다른 샘플을 같은 방법으로 측정한다.
조류의 상태와 조건에 따라서 약간의 차이가 있는 행동양상을 보여주기 때문에 실험 시에는 반드시 컨트롤 상태(독성이 없는 상태)의 조건에서 실험을 실시한 후에 다른 조건과 비교 실험하는 것이 매우 바람직하다.
실시예 1
도 4는 빛의 양에 따른 산소발생량을 독성이 있는 경우와 없는 경우에 대하여 표현한 그래프이다. 빛의 양이 증가함에 따른 산소발생량을 측정하여 독성량에 따른 미생물의 반응(산소발생량)을 측정하도록 하였다.
먼저, 본 실시예에서 조류의 양은 0.095g/L를 사용하였다. 또한 독성량은 101.5uM (독성물질 : BMIM BF4 ;1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate)의 것을 사용하였다. 인큐베이팅은 독성물질과 조류를 혼합한 후 9분동안 실시하였고, 공급가스는 CO2 1% ± N2 99% 혼합 기체, 75 ± 10 ml/min (1분)의 조건으로 투입하였다. 또한 항온반응시 온도는 25℃ ± 5℃ 가 되도록 조절하였다.
여기서 부유물 상태의 조류 양을 정할 때는 사전에 DO 값과 조류의 무게에 관한 상관관계를 알아서 UV-spectrometer로 DO 값을 측정하여 무게를 알아내게 된다.
화학물질의 독성을 측정 시, 조류의 control의 산소 발생량을 기준으로 해서 inhibition%로 나타낸다. 때문에 사용자가 실험 시, 임의로 조류의 농도를 정하여 실험해도 무관하다. 단 너무 높은 농도나 너무 낮은 농도는 곤란하다. 높은 농도로 실험할 경우 조류에 의해 빛이 차단되어서 빛 공급에 문제가 생길 수 있기 때문이다.
도 4에서와 같이 독성이 있는 경우 독성이 없는 경우에 비해 광합성량(산소발생량)이 작아짐을 알 수 있다.
실시예 2
도 5는 독성량이 증가할 수록 광합성 활성이 억제되어 산소발생량이 줄어드는 것을 도시한 그래프이다.
여기서 조명량은 1000μmol/m2s, 조류의 양 : 0.095g/L , 항온반응 온도:25℃± 5℃ , 인큐베이팅 시간 : 독성물질과 조류 혼합후 9분, 가스 조건 :CO2 1% ± N2 99% 혼합 기체, 75± 10ml/min (1분)
이와 같은 방식으로 독성의 변화에 따른 산소발생량을 측정하여 보았다. 도 5에서와 같이 독성이 증가할수록 광합성 활성이 억제되어 산소발생량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 독성평가장치 및 독성평가방법은 녹조류의 광합성활성을 이용하여 시간에 따른 산소 발생량을 측정하고, 이를 통해 하수나 폐수 및 화학 물질 등의 독성도를 민감하게 측정할 수 있는 효과를 제공한다.
또한 본 발명의 독성평가장치는 저렴한 비용으로 구축할 수 있고, 기존의 독성 평가 장치들 보다 다루기 쉽고 사용이 편리한 장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
Claims (7)
- 일정시간동안 배양된 조류 및 독성물질을 혼합시켜 인큐베이팅하고, 용존산소량을 일정량 이하로 유지하기 위해 질소를 공급하는 조류 저장조;상기 조류 저장조로부터 혼합물이 투입되고, 일정한 양의 빛을 공급해서 혼합물이 광합성활동을 하여 산소를 발생하도록 하는 반응기;상기 반응기의 온도를 유지시키도록 항온의 물을 반응기에 공급하는 항온 순환기; 및상기 반응기 내부에 마그네틱바를 넣고, 상기 마그네틱바를 반응기 내에서 회전시켜 반응기를 교반시키는 마그네틱바 교반기;를 포함하여 조류의 광합성에 의한 산소의 발생량을 측정함으로써 독성을 평가하도록 하는 독성평가장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 반응기는 원하는 양의 빛을 공급하는 조명기 및 조명기로부터의 빛의 양을 측정하기 위하여 상기 조명기의 반대편에 설치되는 광 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 독성평가장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 조류 저장조의 용존산소량은 1.5 ppm 이하로 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 독성평가장치.
- 삭제
- a. 일정시간동안 배양된 조류 및 독성물질을 혼합시켜 인큐베이팅하는 단계;b. 용존산소량을 일정량 이하로 유지하기 위해 상기 조류 및 독성물질의 혼합물에 질소를 공급하는 단계;c. 상기 혼합물을 반응기로 투입하는 단계;d. 반응기의 온도를 일정온도로 유지함과 동시에 일정한 양의 빛을 상기 반응기에 공급해서 혼합물이 광합성활동을 하여 산소를 발생하도록 하는 단계; 및e. 발생하는 산소의 양을 용존산소 측정전극으로 측정하는 단계;를 포함하여 조류의 광합성에 의한 산소의 발생량을 측정함으로써 독성을 평가하도록 하는 독성평가방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 d 단계에서, 상기 반응기 내부에 마그네틱바를 넣고 상기 마그네틱바를 마그네틱바 교반기를 통해 반응기 내에서 회전하도록 하여 반응기를 교반시키는 것을 특징으로 하는 독성평가방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 b 단계에서, 질소 99% 및 이산화탄소 1% 의 혼합가스를 공급하여 상기 조류 저장조의 용존산소량을 1.5 ppm 이하로 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 독성평가방법.
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