KR100925988B1 - 은나노를 이용한 조류억제를 최적화시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 녹조현상을 일으키는 조류의 억제방법에 관한 것으로, 특히 은나노를 이용한 조류억제를 보다 효과적으로 최적화시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 은나노에 의한 조류억제에 영향을 주는 다양한 인자를 규명하고, 이를 토대로 은나노를 이용한 최적화된 조류억제 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 은나노를 최소한으로 사용하면서도 담수에서 녹조를 발생시키는 조류 및 녹조현상을 효과적으로 제어할 수 있다.

은, 나노, 콜로이드, 은 나노 수용액, 조류 억제, 남조류, 담수

Description

은나노를 이용한 조류억제를 최적화시키는 방법 {Optimization method for the algae growth inhibition using nano-silver}

본 발명은 녹조현상을 일으키는 조류의 억제방법에 관한 것으로, 특히 은나노를 이용한 조류억제를 보다 효과적으로 최적화시키는 방법에 관한 것이다.

녹조현상은 하천이나 호소 등 담수에서 서식하고 있는 미세조류들이 대량으로 번식하게 되면서 물색을 녹색 및 청록색으로 띠게 하는 현상을 말한다. 이러한 녹조 대발생은 수자원 이용에 어려움을 줄 뿐만 아니라 정수처리의 비용 증가와 수질 저하를 초래하여 외관상은 물론 양질의 정수를 제공하는데 어려움을 준다.

호소의 부영양화 진행은 필연적으로 조류증식을 낳고 수화현상으로 진행된다. 담수에서 녹조현상의 주요 원인이 되는 주된 조류는 남조류(cyanobacteria, blue-green algae)로 불리는 것으로, 남조류는 단세포 또는 다세포이며 현장에서는 여러 세포들이 서로 뭉쳐있는 경우가 대부분이다. 이러한 남조류의 번식은 이취미의 발생이나 수표면에 착색을 일으키는 물꽃현상과 정수처리의 문제, 특히 독소생산의 가능성이 있다. 녹조현상을 일으키는 남조류의 대표적인 종으로는 마이크로시스티스(Microcystis), 아나바에나(Anabaena) 등이 있다. 이런 남조류가 대발생 을 하게 되면 물고기의 집단폐사 및 양식장의 피해 등 엄청난 재산피해와 경제적 가치를 상실하게 된다.

우리나라에서 저수지 내 부영양화 방지 및 조류 제어를 위한 방안으로 연구 또는 적용된 방법으로는 수중폭기 이용(예:대청댐), 황토 살포(예:대청호, 팔당호), 준설, 응집제 및 미세기포를 투여해 유기물의 화학적 침전 및 부상을 유도하여 제거하는 가압부상법(예:대청호, 팔당호), 조류펜스의 이용(예:서낙동강) 등이 있다. 외국의 경우(미국, 독일, 스웨덴 등)는 일반적으로 유역 내 오폐수 처리의 기본 방침을 질소와 인과 같은 영양물질을 거의 완전하게 제거하는 3차 처리를 기본으로 설정하여 호소 내 부영양화 및 조류제어를 방지하고 있다. 호소 내의 부영양화 방지 및 조류제어를 위한 물리ㆍ화학적 방법으로는 수중폭기, 준설, 저질의 안정화, 인의 불활성화, 희석 등의 기술들이 적용된 사례가 있으며 이외에 호소 심층수의 제거, 살조제의 투여, 인위적 순환 등의 기술도 시행된 사례가 있다. 그러나 위에 열거한 조류제어 방법들은 대부분 복합적인 시스템 기술의 적용이 이루어지기보다는 개별기술의 이용 수준에 머무르고 있는 실정이다. 그에 따라 적용되는 방법들은 호소 내 부영양화 및 조류제어 효과가 미비하고, 2차적 오염을 발생시키는 문제가 수반되어 수질개선이나 양질의 정수를 공급함에 있어서 뚜렷한 기대 효과를 보지 못하고 있는 실정이다.

이밖에 종래에 알려져 있는 조류 제어방법으로, 항생제의 사용(대한민국 특허공개 10-1995-0702094), 초음파처리(대한민국 등록특허 제443266호, 제504452호), 응집처리(대한민국 등록특허 제571519호), 기타 복합처리(대한민국 등록특허 제 756282호) 등의 방법이 있는데, 대부분 효과 면에서 만족스럽지 않고, 수중 생태계 및 수질에 미치는 영향도 문제되고 있다. 현재 우리나라에서 수화의 제거를 위해 가장 많이 사용하는 방법은 응집제의 사용인데, 이는 응집제에 의해 수화를 수표면으로부터 침전시켜 제거하는 방법으로, 원인 종 제거의 근본적인 방법이 될 수 없고, 침전된 물질에 의한 2차 오염문제를 낳는다.

‘나노실버’로 불리는 은나노 기술은 인체에 해가 없고 강력한 살균 기능을 가진 은을 나노미터(10억분의 1 m)수준으로 입자화한 것으로, 이를 제품 표면에 코팅하거나 재료에 섞게 되면 세균이나 곰팡이 서식을 막아주는 뛰어난 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 특히 은나노 입자와 은이온의 미생물(세균)에 대한 살균력은, 병원성 세균에 대하여 상당히 많은 연구가 진행되어 있으며, 세균에 대한 살균기작에 대한 연구도 꾸준히 이루어지고 있다. 그러나 은나노가 미세조류에 대해 갖는 살균 효과나 살균 기작에 대해서는 제대로 연구가 이루어지지 않고 있었다.

이에 본 발명자들은 또 다른 발명을 통해 은나노가 미세조류에 대해 갖는 살균 효과를 규명하고, 은나노를 이용하여 담수에서 남조류에 의해 발생하는 녹조현상을 억제하는 방법을 개발한 바 있다. 그러나 은은 대부분의 미생물에 독소로 작용하므로, 녹조제어를 위해 적용할 때 타 생물에 미치는 영향을 최소화하는 범위에서 사용농도를 정해야 할 필요가 있고, 또한 은에 대한 수질 기준을 만족할 수 있는 범위 내에서 사용하여야 한다. 따라서 은나노를 최소로 사용하면서도 조류억제에 대한 효과를 극대화할 수 있는 방법이 요구된다. 본 발명은 은나노에 의한 조류억제에 영향을 주는 다양한 인자를 규명하고, 이를 토대로 은나노를 이용한 최적화된 조류억제 방법을 제공하고자 하는 것이다.

기타 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 더 잘 알게 될 것이다.

본 발명에서는, 은나노를 사용하여 담수에서 녹조현상을 일으키는 조류를 억제하는 방법으로서, 녹조가 발생되기 전에 간헐적으로 은나노 0.005∼0.1 ppm을 처리하는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법이 제공된다.

또한 본 발명에서는, 은나노를 사용하여 담수에서 녹조현상을 일으키는 조류를 억제하는 방법으로서, 은나노를 0.5∼5 ppm 처리하여 발생된 녹조를 억제시키는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법이 제공된다.

또한 본 발명에서는, 은나노를 사용하여 담수에서 녹조현상을 일으키는 조류를 억제하는 방법으로서, 녹조발생 주의보가 발생되는 단계에서 0.005∼0.03 ppm의 범위를 유지할 수 있도록 은나노를 지속적으로 처리하는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 은나노를 최소한으로 사용하면서도 담수에서 녹조를 발생시키는 조류 및 녹조현상을 효과적으로 제어할 수 있다.

은나노

본 발명에서 은나노는, 바람직하게는 은나노 콜로이드 수용액의 형태로 물에 투입된다. 콜로이드 형태의 은나노는 은 원자가 클러스터 상태로 수용액에 분산되어 존재하는 것으로서 그 직경이 대략 수 nm에서 120 nm 정도이다. 이러한 은 콜로이드 용액은 다양한 유해 세균 및 곰팡이류에 대해 강한 살균력이 있는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 은나노로, 은나노 콜로이드 수용액(이하, “은나노 수용액”과 “은나노 콜로이드 수용액”은 같은 의미로 사용된다)을 사용한다. 은나노 수용액은 전기분해 방식으로 제조할 수 있다. 즉, 일정량의 물이 투입된 반응조 내에서 은 전극에 전원이 인가되면 전기분해가 이루어지면서 전극으로부터 은 이온이 용출되도록 하는 방식이 종래에 알려져 있다. 또한 본 발명자들은 저수지나 호소 등에서 발생한 조류를 제거하기 위하여 필요한 대량의 은나노 수용액을 제조할 수 있도록 또 다른 발명인 “수류식 은나노 수용액 제조장치”를 개발한 바 있다. 본 발명에서 사용되는 은나노 수용액은 종래의 제조방법 또는 본 발명자들의 또 다른 발명인 수류식 은나노 수용액 제조장치를 이용하여 제조할 수 있다.

은나노 수용액의 항균성은 은나노 이온에 의한 SH-라디칼의 조해(潮解)에 의한 살균작용과 은나노 입자의 촉매작용으로 생성되는 활성산소에 의한 살균작용에 기인하는 것으로 알려져 있다. 이 중에서 은나노 입자에 의한 SH-라디칼의 조해(潮解)에 의한 살균작용은 은나노 수용액 제조장치에 전원을 공급하여 주면, 은 전극이 설치된 전해조에서 전기분해가 이루어져 은 전극에서 미량의 은이온이 방출되어 강력한 살균 및 항균성이 있는 은나노 수용액이 만들어지는 것으로, 유해성 세균이나 박테리아, 그리고 무수한 균체에 처리하여 주면 처리된 균체의 세포막 등의 단백질에 은이온이나 은입자가 흡착이 되어 세포막의 단백질 내의 SH-라디칼을 파괴하거나 혹은 단백질 중의 -S- 가교결합을 파괴하여 신진대사 및 에너지대사 등 생리활성에 필요한 요소를 어렵게 하거나 중단시킴으로써 균을 사멸시키거나 높은 항균성을 지속시켜 주는 것으로 설명될 수 있다. 또, 은나노 입자의 촉매작용으로 생성되는 활성산소에 의한 살균작용은, 은나노 입자는 공기 중의 산소와 반응하여 촉매작용을 일으키며 이러한 촉매작용이 이루어지면서 은입자 표면의 산소는 부분적으로 활성산소(Active oxygen)로 전환이 일어나게 되며, 이렇게 생성된 활성산소는 오존이나 과산화수소와 같이 강력한 살균 및 항균작용을 하게 되는 것으로 설명된다.

은나노의 조류성장 억제 효과

본 발명에서는 다음과 같은 실험을 통해 은나노의 조류제어 효과를 확인한다.

1. 조류 종의 선정 및 배양

은나노 수용액을 이용하여 담수에서 수화를 일으키는 남조류을 제어하기 위하여 은나노 수용액의 농도와 처리 시간을 알아보기 위한 실험을 실시하였다. 또한 녹조류와 규조류에 대한 은나노 수용액의 영향을 알아보기 위한 실험도 병행하여 실시하였다. 본 실험을 위하여 남조류는 Microcystis, Anabaena , Oscillatoria를, 녹조류는 Chlorella , Scenedesmus를, 규조류는 Navicula , Thalassiosira를 선정하였다.

미세조류의 배양은 남조류와 녹조류는 Allen 배지를 사용하였고, 규조류는 담수종인 Navicula는 Csi 배지를, 해수산 규조류인 Thalassiosira는 f/2 배지를 사용하였다. 또한 현장에서 동태를 알아보기 위하여 대청호의 물을 0.22 ㎛ membrane filter를 사용하여 세균을 제거한 여과액을 사용하여 실험에 이용하였다. 실험을 위하여 선정한 남조류와 녹조류는 Allen 배지를 이용하여 7일간 종균 배양을 실시하여 사용하였으며, 규조류는 Csi 배지와 f/2 배지에 21일간 종균 배양하여 실험에 사용하였다. 이때 배양 정도는 in vivo fluorescence를 측정하여 실험 전에 동일한 농도가 되도록 희석하여 실험하였다.

2. 조류의 현존량 및 이화학적 수질조사

2006년 녹조현상이 발생한 8월∼10월 사이의 남조류와 다른 미세조류의 현존량과 이화학적 수질에 대한 결과를 알아보았다. 2006년 8월에 1개월 동안 추소리 현장의 수온은 28∼34℃를 나타내었다. 추소리의 경우 수심이 얕아서 상당히 수온이 높게 유지된 것으로 판단된다. pH는 8∼9를 나타내었다. 9월의 경우 수온은 28∼22℃로 낮아졌으며, pH도 7.8∼8.2로 비교적 낮은 상태를 유지하였다.

남조류의 제거를 위한 은나노 수용액의 적정 농도를 알아보기 위하여 선정된 남조류에 대하여 은나노 수용액을 농도별로 처리하여 사멸률을 구하였다. 또한 녹조류와 규조류의 은나노 수용액 내성을 알아보기 위하여 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.

3. 미세조류 제어효과를 증진시키기 위한 처리효과 분석

온도에 대한 처리 효과를 보기 위하여 은나노 수용액을 처리한 후 각각 20, 25 및 30℃에서 배양하면서 실험하였다. 20℃에서 은나노 수용액의 처리효율이 가장 좋았으며 온도가 높을수록 은나노 수용액에 대한 내성이 증가하는 경향을 보였다. 30℃의 경우 은나노 수용액 0.1 ppm으로 처리한 경우 3일 후에 성장이 일어나는 결과를 보였다.

4. 현장시료(대청호 Microcystis)에 대한 은나노 수용액의 처리 효과 분석

이상의 배양종에 대한 실험 결과를 가지고 현장에서 수화가 일어난 시료를 대상으로 은나노 수용액에 대한 평가를 실시하였다. 실험은 수화가 발생하여 스컴을 형성하고 있는 고농도 시료와 수심 10 cm에서 채집한 저농도 시료를 대상으로 은나노 수용액에 대한 평가를 수행하였다. 실험 결과 고농도 시료(chl-a 1,500∼ 1,900㎍/ℓ)에서는 한 시간 간격으로 24시간 동안 측정한 결과 은나노 수용액 3.0 ppm 이상을 사용해야 40%의 사멸률을 보였다. 따라서 수화가 발생한 시점에 은나 노 수용액을 처리하는 것은 무리가 있을 것으로 판단된다. 저농도 시료(chl-a 110∼190 ㎍/ℓ)의 경우 은나노 수용액 1.0 ppm을 처리하면 1일 만에 사멸하는 결과를 얻었다. 그러나 은의 음용수 기준이 0.1 ppm인 점을 감안한다면 현장에 직접 적용하는 것은 문제가 있다고 판단된다. 배양종에 비하여 현장시료에서 높은 은나노 수용액에 대한 내성을 가지는 것은 배양 종의 경우 장기간의 계대 배양을 통하여 점질층이 없어지고 단세포로 생존하게 된다. 따라서 점질층으로 큰 군체를 형성하고 있는 현장시료의 경우 은이온의 공격을 회피하기에 유리하여 은나노 수용액에 대한 내성이 커지는 결과라고 사료된다. 낙동강(물금)의 경우 겨울에 규조류의 증식이 발생하는 지역이다. 규조류에 대한 은나노 수용액의 평가를 위하여 낙동강 시료를 11월 24일에 채집하여 실험하였다. 실험결과 은나노 수용액을 처리하지 않은 대조구에서는 규조류, 녹조류, 남조류의 종이 다양해지는 결과를 보였으나, 은나노 수용액 0.01 ppm을 처리한 실험구에서는 규조류와 녹조류는 종이 다양해졌지만 남조류의 경우 다양성이 증가하지 않았다. 은나노 수용액 0.05 ppm 이상으로 처리한 경우 규조류의 종 다양성에는 크게 변화가 없었지만 녹조류의 경우 종이 단순해지는 경향을 보였다. 따라서 이와 같은 실험 결과에서도 은나노 수용액 0.01 ppm은 남조류의 제어에 좋을 것으로 판단되고 0.05 ppm 이상은 규조류의 종 다양성에는 영향을 미치지 않지만 녹조류에는 상당한 종 단순화가 발생하므로 은나노 수용액을 현장에 적용한다면 0.01 ppm 이하에서 사용하는 것이 바람직하다고 판단된다.

은나노를 이용한 최적화된 조류억제 방법

상기와 같은 실험을 토대로 본 발명에서는 은나노를 이용한 최적화된 조류억제 방법을 제공한다. 본 발명에서 “억제”는 조류를 사멸시키거나 조류의 성장과 증식을 억제시켜 녹조의 발생을 방지하는 것, 이미 발생된 녹조의 증가 억제, 감소, 소멸을 모두 포함하는 의미이다. 본 발명에서 “제어”는 상기 억제와 동일한 의미로 사용된다.

온도에 따른 은나노 수용액의 처리효율을 실험한 결과, 온도가 높을수록 은나노 수용액에 대한 내성이 증가하여 처리효율이 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 본 발명의 조류 억제방법은, 바람직하게는 상기 범위 내에서 은나노의 농도를 수온과 비례하여 높이는 것이 바람직하다. 즉, 수온이 높을 때는 은나노를 상대적으로 고농도로 사용하고 수온이 낮을 때는 저농도로 사용하는 것이 처리효율을 최적화할 수 있다.

본 발명에서 확인되는 바와 같이, 이미 발생한 녹조를 억제하기 위해서는 은나노를 보다 고농도로 적용시켜야 한다. 본 발명의 조류제어 방법은 이미 발생된 녹조를 제어하기 위해 바람직하게는 은나노를 0.5∼5 ppm의 농도로 사용한다.

본 발명에서 사용되는 은나노는, 바람직하게는 은나노 콜로이드 수용액의 형태로 물에 투입된다.

본 발명에서 확인되는 바와 같이 은나노 수용액의 살균효과는 시간이 지남에 따라 감소한다. 또 자연수를 사용하여 제조된 은나노 수용액의 경우, 증류수를 사용하여 제조한 은나노 수용액 보다 은이온 농도의 안정성이 크게 떨어진다. 따라 서 생태계 안전성 확보를 위해 연속적 사용보다는 간헐적 사용법을 택하는 것이 좋다. 본 발명의 실험결과를 종합하면, 은나노 수용액을 처리하는 시기는 녹조가 발생하기 전에 저농도로 간헐적으로 처리하는 것이 바람직하며, 녹조 발생시기에는 저농도로 수시로 처리하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 은나노 수용액의 효과를 극대화하기 위해서는 조류 예보제와 연계하여 활용하는 것이 바람직하다. 국내에서 발생하는 녹조는 미생물인 남조류의 대량증식에 의한 것으로, 현재 발생정도에 따라 주의보, 경보 대발생의 3단계로 조류 발생이 예보되고 있다. 또한, 대청호의 경우 하절기 집중 강우 후 4∼5일이 경과하면서 녹조(수화)가 대량으로 발생한다는 연구보고가 있다(오희목, 김도한, "대청호의 남조류 수화발생에 대한 단기적 예측", 한국육수학회지, 28: 127∼135. 1995.). 따라서 미생물의 생장특성을 고려하여 발생이 예상되는 초기단계에 은나노 수용액을 저농도(0.01 ㎎/ℓ)로 집중적(지속적)으로 처리하면 처리효과를 높일 수 있다. 본 발명의 조류제어 방법은, 바람직하게는 녹조발생 주의보가 발생되는 단계에서 0.005∼0.03 ppm 범위를 유지할 수 있도록 은나노를 지속적으로 처리한다.

이하 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 다음의 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 물론이다.

조류 제어를 위한 은나노 수용액의 효과 분석

1. 미세조류 선정 및 배양

가. 미세조류 선정

국내의 수계에서 수화를 일으키는 대표적인 남조류인 마이크로시스티스(Microcystis), 오실라토리아(Oscillatoria) 및 아나바에나(Anabaena)를 대상 종으로 선정하여 전기 분해장치로 제조한 은나노 수용액에 의한 처리 효과를 조사하였다. Microcystis는 대청호의 유입구 및 상수용 취수탑 근처에서 해마다 수화를 일으키는 대표적인 종이다. Anabaena와 Oscillatoria는 대청호에서 수심이 깊은 댐의 근처에서 녹조현상을 일으키는 종으로 대청호의 수질이나 수온에 따라 해마다 우점하는 종에 차이를 보이고 있다.

한편, 은나노 수용액을 사용하여 남조류를 제어할 때 다른 미세조류에 미치는 영향을 알아보기 위하여 국내의 수계에서 가장 흔하게 보이는 녹조류인 클로렐라(Chlorella)와 Scenedesmus, 그리고 규조류는 담수산 Navicula와 해수산 Thalassiosira를 선정하여 은나노 수용액에 대한 내성을 평가하였다. 실험에 사용한 남조류와 미세조류의 목록은 다음 표 1과 같다.

나. 미세조류 배양

(1) 배양배지

남조류와 녹조류는 Allen 배지를 사용하여 배양하였으며, 규조류의 배양시 Navicula는 Csi 배지를 Thalassiosira는 f/2 배지를 사용하였다. 각 배지의 성분은 표 2 내지 4에 나타내었다. 표 5 내지 7은 각각 표 2의 성분 중 ^*Micro-element, 표 3의 ^*PIV metals, 표 4의 ^*f/2 metals를 분석한 결과이다. 또한 현장에서 동태를 알아보기 위하여 대청호의 물을 0.22 ㎛ 멤브레인 필터를 사용하여 세균을 제거한 여과액을 사용하여 실험에 이용하였다.

(2) 배양조건

실험을 위하여 선정한 남조류와 녹조류는 Allen 배지를 이용하여 7일간 종균 배양을 실시하여 사용하였으며, 규조류는 Csi 배지와 f/2 배지에 21 일간 종균 배양하여 사용하였다. 이때 배양 정도는 in vivo fluorescence를 측정하여 실험 전에 동일한 농도가 되도록 희석하여 사용하였다.

현장시료의 채집은 수화가 일어난 2006년 8월 25일과 9월 3일에 두 번 충북 옥천군 추소리(대청호 수역)에서 채집하였다. 채집 시 깨끗한 시료를 얻기 위하여 배를 타고 나가 수화가 심하게 발생한 지역에서 채집하였다. 수화에 의해 두꺼운 층을 형성한 스컴을 채집하기 위하여 비이커를 사용하여 표층부분만을 채집하였으며, 수층에서 10 cm 깊이의 시료를 채집하기 위해서는 Van Don 채수기를 사용하여 채집하였다.

실험에 사용한 은나노 수용액의 최종 농도는 약 30 ppm이었다. 따라서 본 실험에서는 고농도의 실험은 culture tube(13×100 ㎜, Corning)를 사용하였다. Culture tube에 종균 배양한 배양액 시료를 적당한 농도로 맞추어 2 ㎖를 접종하고, 은나노 수용액의 농도가 3.0∼10.0 ppm이 되도록 일정량씩 첨가하여 실험을 실시하였다. 남조류와 미세조류의 생존률을 알아보기 위하여 은나노 수용액을 처리한 후 1분 간격으로 5분간 in vivo fluorescence를 측정하였다. 저농도 실험은 125 ㎖ 삼각플라스크를 사용하여 종균 배양한 시료를 50 ㎖를 넣고 은나노 수용액의 농도가 0.01∼1.0 ppm이 되도록 적당히 희석하여 동일량을 첨가하여 실험하였다.

다. 분석방법

(1) 생장곡선

1) In vivo fluorescence

남조류와 미세조류는 chl-a를 함유하고 있기 때문에 UV를 쪼여주면 형광을 발하는데 형광 수치를 읽어서 나타내는 장치인 fluorometer(Turner Design)를 사용하였다. 배양액 2 ㎖를 취하여 형광 측정용 cell에 담아서 gain을 10으로 고정하고 나타나는 수치를 읽었다. 이때 나온 값은 chl-a (㎍/ℓ) = FD × R × v/V 의 식으로 계산하였다. FD는 door의 계수, R은 gain을 10으로 놓고 측정한 값, v는 사용한 chloroform의 양(ml), V는 GF/C filter에 여과한 시료의 양(ℓ)이다.

2) Chl-a 측정

Chl-a의 측정 방법: 메탄올과 클로로포름을 1:2 비율로 만든 용매를 사용한다. 시료를 GF/C filter를 이용하여 1 ㎖를 여과하여 남조류를 GF/C filter 위에 모은다. GF/C filter를 15 ㎖의 corning tube에 넣는다. 용매 6 ㎖를 GF/C filter가 들어 있는 corning tube에 가하여 vortexer로 GF/C filter가 완전히 잠기도록 한다. Chl-a는 햇빛에 의해 분해되므로 호일로 Corning tube를 감싸서 4℃ 저온실에 5시간동안 방치하여 chl-a가 용매에 충분히 용출되도록 한다. 5시간 후 물을 5.4 ㎖ 첨가 후 vortexer를 이용하여 혼합해주어 반응을 정지시키고 다시 저온실에서 16 시간동안 정치시킨다. Corning tube의 액이 클로로포름과 물과 메탄올이 섞인 층으로 나뉜다. 아래층에 있는 클로로포름을 pasteur pipette을 사용하여 조심스럽게 취하고 fluorometer를 이용하여 형광을 측정한다. 이때 gain의 값은 10으로 고정하여 실험하였으며, 수치가 높게 나온 시료는 클로로포름을 사용하여 희석한 후 측정하였다.

2. 미세조류 제어효과를 증가시키기 위한 실험

가. 온도별 제어효과

2006년 8월 추소리 현장의 수온은 28∼34℃를 나타내었다. 추소리의 경우 수심이 얕아서 상당히 수온이 높게 유지된 것으로 판단된다. pH는 8.0∼9.0을 나타내었다. 9월의 경우 수온은 28∼22℃로 9월 초에 높았다가 월말에 낮아지는 경향을 보였으며, pH도 7.8∼8.2로 8월에 비하여 비교적 낮은 상태를 유지하였다. 그러나 대청댐은 8월에 28.3∼31.9℃ 범위에서 변하였으며, 9월에는 수온이 낮아져 23.7℃를 보였다. pH는 8월에 8.2∼9.5로 추소리보다 약간 높았으나, 9월에는 pH가 낮아져 2주 이후에는 pH 7.5 이후를 보였다. 이는 9월 이후에 대청댐의 수온이 낮아지면서 미세조류의 증식이 둔화되어 생긴 현상이라고 판단된다. 대청댐의 8월과 9월의 chl-a의 변화는 2.5∼15.0 ㎍/ℓ로 상당히 변화의 폭이 컸으며 매우 불규칙하였다. 대체적으로 8월에 비하여 9월에 상대적으로 chl-a의 농도가 낮았는데 이는 2005년의 대청호의 결과와는 상반되는 결과이다. chl-a는 8월 3째 주에 가장 낮은 값을 보였는데 이는 대청호 방류에 따른 일시적인 현상이라고 사료된다.

수화가 일어나는 한여름의 수온이 거의 30℃ 이상을 유지하고 있다. 따라서 온도 변화에 따른 은나노 수용액이 남조류에 미치는 영향을 알아보기 위하여 20, 25, 30℃의 조건에서 실험을 수행하였다. 실험 수행 방법은 저농도 실험과 동일하게 실시하였다. 온도에 따른 은나노 수용액의 영향 실험 결과 온도에 따라 상당히 유의한 결과를 얻었다(도 1∼3). 은나노 수용액 0.01 ppm의 경우 20℃에서는 대조구에 비하여 75% 정도의 생존률을 보인 반면 25℃와 30℃에서는 거의 비슷한 수준으로 성장하였다. 0.05 ppm의 경우 온도가 높아짐에 따라 은나노 수용액에 대한 내성이 높아져서 생존률이 상승하였다. 특히 25℃ 와 30℃에서는 0.1 ppm으로 처리한 실험구에서도 3일 후에 다시 생존하는 양상을 보였다. 그러나 은나노 수용액 0.5 ppm을 사용한 경우 모든 온도에서 사멸하는 결과를 보였다. 높은 온도에서 은나노 수용액에 대한 내성이 증가하는 것은 Microcystis의 성장과 관련이 깊을 것으로 판단된다.

따라서 8월 이후에 남조류를 제어하기 위해서는 상당히 고농도의 은나노 수용액을 처리해야 하는 문제점이 발생할 것으로 사료된다. 도 4는 다양한 은나노 수용액을 처리하고 5일 동안 각각의 온도에서 배양 후 배양 시료의 사진을 보여 주고 있다. 사진에서도 in vivo fluorescence의 결과와 동일한 양상을 보였다. 온도가 높아질수록 은나노 수용액에 대한 내성이 커지는 결과를 보여주고 있다. 결론적으로 높은 온도에서 은나노 수용액에 대한 내성이 증가하는 결과를 보였다.

현장시료에 의한 은나노 수용액의 미세조류 제어효과 분석

실험실에서 배양하는 Microcystis의 경우 장기간 계대 배양을 하다보면 군체를 형성하지 않고 단일 세포로 존재하는 등 형태적인 변형이 일어난다. 따라서 현장에 존재하는 Microcystis를 대상으로 은나노 수용액의 농도에 따른 제어 효과를 분석하였다. 도 5는 2006년 8월 추소리에서 수화가 발생한 사진과 그때 수중에 존재하는 다양한 형태로 존재하는 Microcystis의 현미경 사진이다. 사진에 보이는 바와 같이 현장에서는 점액질 층으로 둘러싸여 군체를 형성하여 존재한다.

1. 현장시료 chl - a 의 농도별 제어효과(대청호)

수화가 발생하게 되면 수중에 있던 Microcystis가 수표면으로 이동하게 되어 대량 증식하게 되면 녹색의 띠를 형성하고, 바람에 따라 이동하여 지표와 맞닿는 곳에 두꺼운 층을 형성하여 스컴을 이루게 된다. 추소리 현장에서 수화가 발생하여 두꺼운 층을 이루는 시료를 대상으로 은나노 수용액의 사멸효과에 대해서 알아보기 위하여 다음과 같은 조건에서 실험을 실시하였다. 추소리의 수화가 발생했을 때 수중에 존재하는 Microcystis의 chl-a의 농도인 150 ㎍/ℓ의 농도와 수층에 스컴을 이루는 농도인 1,600 ㎍/ℓ의 농도에서 은나노 수용액을 이용한 제거 효과를 측정하였다.

가. 고농도 현장시료

(1) 사멸률 측정

수화가 발생한 표층에 존재하는 Microcystis를 대상으로 은나노 수용액을 농도별로 처리하여 Microcystis의 생존률을 보았다. 실험 방법은 삼각플라스크를 이용한 이전의 방법과 동일하다. 초기의 접종량은 chl-a로 약 1,500∼1,900 ㎍/ℓ가 되도록 현장 시료를 삼각플라스크에 준비하였다. 이때 chl-a가 오차가 심한 것은 층을 이루고 있어서 균질하게 접종이 용이하지 않았기 때문이다. 은나노 수용액을 첨가하고 초기에는 1 시간 간격으로 측정하였으며, 4시간 이후에 12시간과 24시간 경과 후에 측정하였다. 고농도로 처리한 실험 구간에서 급격한 변화가 있을 것으로 기대하고 짧은 간격으로 실험하였으나 생각보다는 변화가 심하지 않았다. 고농도의 Microcystis에 대한 은나노 수용액 처리 실험 결과 은나노 수용액 0.05 ppm 까지는 대조구와 동일한 생존률을 보여 낮은 농도의 은나노 수용액은 고농도의 Microcystis에는 제어효과가 미비한 것으로 판단된다(도 6).

은나노 수용액 0.5와 1.0 ppm의 경우에는 4시간까지는 감소 이후에 24시간까지 비슷한 수준을 유지하는 결과로 미루어 이후에는 재성장이 일어날 것으로 예측되며 1.0 ppm의 경우에도 lag time만 길어지는 효과를 보였다. 그러나 3.0 ppm 이상에서는 현격하게 줄어드는 경향을 보여 24시간에는 대조구에 비하여 60%의 생존률을 보였으며 계속 감소하는 추세를 보여 현장의 수화 발생으로 형성된 스컴을 제거하기 위해서는 고농도(3.0 ppm 이상)의 은나노 수용액을 사용해야 할 것으로 판단된다. 은나노 수용액 5.0 ppm을 사용한 경우에는 24시간에 40%의 생존률을 보였으며, 계속 감소하는 경향을 보였다. 은나노 수용액을 3.0 ppm과 5.0 ppm으로 처리한 경우 시간이 지남에 따라 급격하게 감소되는 양상을 보여, 수화가 발생한 후 남조류의 사멸을 위해서는 초기의 은이온의 농도가 3.0 ppm 이상은 되어야 한다고 판단된다. 단, 수화가 이미 발생한 경우 은나노 수용액의 처리는 은이온의 처리 농도가 너무 높아 환경에 영향을 미칠 수 있다.

(2) 전자 현미경 관찰

은나노 수용액을 처리한 후 세포의 형태 변화 및 은나노 수용액의 부착 위치를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(Scanning electron microscope: SEM)과 투과전자현미경(Transmission electron microscope: TEM)을 통하여 세포 표면과 세포 단면에 대하여 관찰하였다.

실험은 1.5-ml Eppendrof tube를 사용하여 고농도의 Microcystis를 50 ㎕ 넣고 은나노 수용액의 농도를 10.0 ppm이 되도록 첨가하고 10, 20, 30 60분 간격으로 고정액으로 고정시켜 냉장 보관 후 SEM과 TEM의 시료 전처리 과정을 한국생명공학연구원내에 있는 전자현미경실에서 실시하여 SEM은 KAIST 내에 있는 전자현미경실에서 촬영하였고, TEM은 한국생명공학연구원내에 있는 전자현미경실에서 촬영하였다. 도 7 및 8은 주사전자현미경을 사용하여 은나노 수용액 10 ㎎/ℓ을 처리한 후 시간에 따른 세포의 표면 변화를 관찰한 사진이다. 시간 경과에 따라 세포의 형체가 심하게 일그러진 것을 관찰할 수 있었다. 처리시간에 따라 세포 표면의 분해 정도가 점점 심하게 변하는 양상을 볼 수 있었다. 처리 후 10분 만에 이미 대부분의 세균들이 홀이 생기는 현상도 관찰되었다. 이러한 입자 형태의 변화는 은나노 수용액에 의하여 야기된 것으로 판단되며, 은이온이 단백질의 SH기에 결합하여 호흡, 효소활성, 전자 이동 등을 방해함으로써 세균을 괴사시킨 결과라고 판단된다.

도 9는 투과전자현미경을 이용하여 현장시료에 대한 은나노 수용액의 영향을 살펴 본 것이다. 은나노 수용액을 처리한 후 10 ,20, 30, 60분 간격으로 비교해 본 결과 초기에는 Microcystis의 세포막 구조가 확실하게 3 층으로 구분되었으나 시간이 경과함에 따라 형태가 심하게 일그러지는 현상을 관찰하였으며, 60분의 세포 모양은 초기에 둥그런 모양에서 한쪽이 심하게 함몰되는 현상을 관찰하였다(도 9의 C). 이와 같은 기작은 은이온이 positive charge를 띠고 있으므로 세포막의 negative charge를 띠고 있는 부분과 결합하여 세포막의 에너지 균형을 붕괴시켜 세포막의 파손을 야기시킨 결과로 판단된다. 그러나 세포막이 느슨해진 정도에 비하여 세포 내부의 소기관의 유출이 없었는데 이는 은나노 수용액으로 처리한 후 정치시킨 것의 영향으로 판단된다. 그리고 남조류의 세포내에 검정 작은 알갱이가 보이는데 이것은 세포 안으로 침투한 은나노 입자로 판단된다. 은나노 입자의 침투는 은나노 수용액을 처리 한 10분 후부터 관찰되는 것으로 미루어 처리 초기부터 세포내로 들어가는 것으로 판단된다. 이렇게 침투한 은나노 입자는 이전에 밝혀진 것과 같이 단백질이 만들어지는 리보솜의 합성을 방해하는 것으로 여겨진다. SH^- 기를 가진 단백질과 결합하는 특성을 가지고 있다. 물론 모든 SH^-기를 가진 단백질과 결합하는 것은 아니고, 특정 단백질과만 결합한다. 특히, 잘 알려진 NADH dehydrogenase와 결합한다. 그러나 DNA와 결합한다는 보고는 아직까지는 없다. 따라서 은이온은 단백질과 결합하여 작용하는 것으로 추정된다.

나. 저농도(0.01∼1.0 ppm) 장기간 처리

(1) 사멸률 측정

저농도 chl-a(110∼190 ㎍/ℓ)의 현장시료에 대하여 은나노 수용액을 7일 동안 처리한 결과 극명한 결과를 보였다(도33). 은나노 수용액 1 ppm 이상의 비교적 높은 은이온 농도에서는 처리 후 1일 사이에 사멸하는 양상을 보였으나, 0.1 ppm 이하에서는 내성을 가지는 양상을 보였다. 은나노 수용액 0.05 ppm으로 처리한 경우 7일 동안 은나노 수용액을 처리하지 않은 대조구에 비하여 80%의 성장을 보여 사멸 효과가 비교적 적음을 나타냈다.

은나노 수용액 0.1 ppm을 처리한 처리구는 1일 후의 값이 대조구와 비슷한 수준을 보였으나 이는 초기에 접종된 남조류의 양이 대조구에 비하여 상대적으로 많았기 때문이라고 판단되며, 시간이 지남에 따라 0.05 ppm보다 더 성장에 저해를 받아 7일 후에는 70%이었다. 현장 시료의 경우, 배양 종에 비하여 은나노 수용액의 저해 효과가 감소한 가장 큰 원인은 배양종의 경우 단세포로 독립적으로 떨어져 있을 뿐만 아니라 서로 뭉치기 위한 다당류인 점질층이 없기 때문이라고 판단된다.

다. 현미경 관찰

현장 시료를 은나노 수용액 3 ppm으로 처리 한 후 30초 간격으로 시간에 따른 변화 양상을 형광현미경을 통하여 관찰하였다(도 11). 은나노 수용액을 처리 후 30초에는 점질층의 가장자리에 있는 Microcystis부터 색이 옅어지기 시작하였으며, 1분 30초 후에는 전체적으로 탈색되는 결과를 보였다. 시간이 경과됨에 따라 Microcystis의 엽록소가 없어지는 현상을 관찰하여 은나노 수용액에 대한 사멸임을 확인하였다.

Pilot - scale 미세조류 제어효과(배양 시료)

현장시료에 대한 지속적인 연구를 위하여 200-L 광배양기를 이용하여 120 ℓ를 배양하면서 은나노 수용액의 농도에 따른 경시적인 변화를 관찰하였다. 이전에 삼각플라스크의 실험을 바탕으로 얻어진 결과인 은나노 수용액 0.1 ppm을 120 ℓ 광배양기에 적용하는 실험을 수행하였다. 실험 결과 대조구로 은나노 수용액을 처리하지 않고 Allen 배지에서 배양한 결과 초기의 in vivo fluorescence를 4(chl-a, 약 50 ㎍/ℓ)로 맞추어 접종하여 10일 동안 배양한 결과 in vivo fluorescence가 28(chl-a, 약 500 ㎍/ℓ)까지 성장하였다(도 12). 5일 배양 후에 상당히 녹색이 진해졌다. 초기의 농도를 대조구와 같게 접종하고 은나노 수용액을 음용수 기준인 0.1 ppm으로 처리한 실험에서는 in vivo fluorescence가 1일에 1정도씩 감소하는 경향을 보여 5일 후에는 in vivo fluorescence 수치가 거의 0이 되었고, 이는 생장을 못하고 사멸하는 것으로 관찰되었다.

본 발명의 은나노를 이용한 최적화된 조류억제 방법은 하천, 호소, 댐, 저수지 등의 수질개선에 활용될 수 있으며, 이외에도 양식장의 수질 개선, 공업용수 및 농업용수의 수질 개선, 하수종말처리장 방류수의 수질 개선 등에 활용될 수 있다.

도 1 내지 3은 다양한 농도의 은나노 수용액 처리시 온도에 따른 Microcystis의 생장을 그래프로 나타낸 것으로, 도 1(A)은 20℃, 도 2(B)는 25℃, 도 3(C)은 30℃에서의 생장곡선이다.

도 4는 다양한 온도 조건에서 5일 배양 후 Microcystis의 생장변화를 보여주는 배양 시료의 사진이다.

도 5는 추소리 현장 시료사진이다.

도 6은 고농도의 현장시료(Microcystis)에 대한 다양한 은나노 수용액 농도에 따른 생장변화 곡선(Microcystis의 초기 접종 농도 Chl-a: 1,500∼1,900 ㎍/ℓ)이다.

도 7은 현장시료(Microcystis)의 은나노 수용액 10 ppm 처리 후 SEM 사진촬영(× 10.0K) 결과이다.

도 8은 현장시료(Microcystis)의 은나노 수용액 10 ppm 처리 후 SEM 사진촬영(× 20.0K) 결과이다.

도 9는 현장시료(Microcystis)의 은나노 수용액 10 ppm 처리 후 TEM 사진(윗줄: × 10.0K, 아래 줄: × 20.0K) (A, D: 10min, B, E: 20min, C, F: 1hrs)이다.

도 10은 저농도의 현장시료(Microcystis)에 대한 다양한 은나노 수용액 농도에 따른 생장변화 곡선(Microcystis의 초기 접종 농도 Chl-a: 110∼190 ㎍/ℓ)이다.

도 11은 현장시료에 은나노 수용액을 처리한 후 시간에 따른 변화(3 ppm)를 현미경으로 관찰한 것이다.

도 12는 추소리 현장시료(Microcystis)의 대량 배양 시료에서의 생장 변화 곡선이다.

Claims (9)

1. 은나노를 사용하여 담수에서 녹조현상을 일으키는 조류를 억제하는 방법으로서, 녹조가 발생되기 전에 간헐적으로 은나노를 0.005∼0.1 ppm의 범위로 처리하는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 은나노는 상기 범위 내에서 수온과 비례하여 수온이 높을 때 고농도로 처리되는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 은나노는 은나노 콜로이드 수용액의 형태로 물에 투입되는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법.
4. 은나노를 사용하여 담수에서 녹조현상을 일으키는 조류를 억제하는 방법으로서, 은나노를 0.5∼5 ppm의 범위로 처리하여 발생된 녹조를 억제시키는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 은나노는 상기 범위 내에서 수온과 비례하여 수온이 높을 때 고농도로 처리되는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 은나노는 은나노 콜로이드 수용액의 형태 로 물에 투입되는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법.
7. 은나노를 사용하여 담수에서 녹조현상을 일으키는 조류를 억제하는 방법으로서, 녹조발생 주의보가 발생되는 단계에서 0.005∼0.03 ppm의 범위를 유지할 수 있도록 은나노를 지속적으로 처리하는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 은나노는 상기 범위 내에서 수온과 비례하여 수온이 높을 때 고농도로 처리되는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 은나노는 은나노 콜로이드 수용액의 형태로 물에 투입되는 것을 특징으로 하는 조류의 억제방법.

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