KR101874874B1

KR101874874B1 - 카페인을 이용한 유해조류 제거방법

Info

Publication number: KR101874874B1
Application number: KR1020160143088A
Authority: KR
Inventors: 최희정
Original assignee: 가톨릭관동대학교산학협력단
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2018-07-05
Also published as: KR20180047220A

Abstract

본 발명은 카페인을 용매 중에 투입하여 온도를 변화시키면서 카페인용액을 준비하는 단계; 유해조류가 포함된 처리대상용액을 준비하는 단계; 및 상기 카페인용액을 처리대상용액 중에 투입하여 교반하는 단계;를 포함하는 카페인을 이용한 유해조류 제거방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 친환경적이고 효과적으로 하천 등에 존재하는 유해조류를 제거할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

Description

카페인을 이용한 유해조류 제거방법{Method for controlling harmful algae using caffeine}

본 발명은 카페인을 이용한 유해조류 제거방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카페인을 이용하여 별도의 후처리없이 조류 대발생을 억제하고 2차 오염 및 생물독성이 없도록 고효율로 유해조류를 제거할 수 있는 방법에 관한 것이다.

하천의 부영양화와 녹조현상은 하천과 저수지의 수질을 크게 악화시키고 있다. 이러한 과잉 녹조현상은 주로 하·폐수, 비료와 축산폐수 등의 인위적인 오염원의 유입으로 발생하며, 특히 비점오염원의 대량유입으로 인한 호소의 과잉영양 상태가 원인이 된다. 수생환경에서 수생식물과 식물성 플랑크톤의 과도한 성장은 용존산소의 고갈 등의 문제를 일으키며, 그 결과로 생물의 다양성 저하, 자정기능 저하, 용존 산소의 감소 등의 현상이 나타나 생태계의 정상적인 기능을 방해한다. 특히 유해 녹조류의 과도한 증식은 유해 녹조류가 발생하는 독성으로 인하여 생태계에 악영향을 끼친다. 최근 우리나라에서도 여러 가지 요인으로 인하여 해마다 조류가 비정상적으로 증가하고 있으며, 이로 인하여 전국의 강과 하천에는 수질이 많이 악화되어 가고 있어, 생태계를 위협하고 있다. 국내에서 발생하는 조류는 계절별로 규조류 (가을~봄), 녹조류 (늦봄~초여름), 남조류 (여름~가을)가 우점을 이루고 있다. 그 중에서 남조류는 (Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon, Oscilatoria 등) 수온 25 °C 이상인 여름철에 주로 나타나며, 냄새와 맛을 유발하고 독소를 함유하고 있다. 특히 남조류인 미크로시스티스 (Microcystis)는 동물 실험에서 급성 간 손상 가능성 및 간암과 관련된 것으로 보고 된 마이크로시스틴 (Microsystin)을 생성한다. 1996년 2월 브라질에서 마이크로시스틴으로 오염된 물을 사용한 후 마이크로시스틴 독성으로 인한 중독 환자가 100-131명 발생했으며, 그 중에서 52명이 사망하였다. 이에 따라 세계보건기구 (World Health Organization, WHO)는 미크로시스티스로 인하여 발생하는 독성을 줄이고자 음용수의 마이크로시스틴 함량을 1 ㎍/L이하로 규정하였다. 이러한 독성을 함유하고 있는 남조류는 보편적으로 하천이나 호소 등 담수에서 사는 시아노박테리아 (Cyanobacterium)이며, 전 세계적으로 널리 분포되어 있어 반드시 제거해야 할 유해 독성 조류이다.

이러한 유해 조류를 제거하기 위해 물리적 (초음파, 원심분리, 그물을 이용한 제거, 흡착제 등), 화학적 (황산구리, 과산화수소 그리고 오존처리 등), 생물학적 (수생식물, 천적 플랑크톤 이용 등) 연구 들이 많이 진행되고 있다. 물리적인 처리방법은 막대한 에너지 비용을 필요로 하며, 특히 초음파를 이용한 녹조제거는 물속에서는 음파가 잘 전달되지 않기 때문에 녹조가 넓은 지역에 대규모로 발생했을 경우엔 활용도가 떨어진다. 화학적인 처리방법은 화학약품이 생태계에 미치는 독성과 내성 발생에 대한 문제점 등이 커다란 단점이며, 생물학적인 처리방법은 환경 친화적이기는 하지만 처리하는 기간이 오래 걸리고, 특히 천적을 이용하여 녹조를 제거하는 방법은 천적생물을 인위적으로 늘리는 것이기 때문에 녹조 포식 생물이 늘어났을 경우 발생할 수 있는 문제점 등을 사전에 파악해야 한다. 이는 장기간 주변 생태조사를 수행해야 하는 등 많은 시간을 필요로 한다. 국내에서 최근에 가장 많이 사용하는 방법은 황토를 살포하는 방법이다. 황토 입자 내에 존재하는 미세기공에 녹조를 유발시키는 영양물질과 미세조류 등을 흡착시켜 동시에 제거하는 원리다. 그러나 이러한 방법 또한 처리 효율이 낮고, 처리 비용이 많이 든다. 기존의 여러 가지 조류제거 기술 및 예방 대책으로는 대부분 처리효율이 낮고, 에너지 비용이 많이 소요되며, 예방 효과가 미미하여 효율적인 수질 관리 및 녹조 제어가 곤란한 실정이다.

카페인 (C₈H₁₀N₄O₂;1,3,7,-Trimethylpurine-2,6-dione)은 세계에서 가장 인기 있는 향정신성 물질로 연간 12만톤이 소비되고 있다. 카페인은 쓴맛을 가지고 있는 백색 결정의 알칼로이드 일종이며, 커피나무, 차, 과라나, 콜라나무 등의 식물들은 해충을 죽이기 위해 카페인을 사용한다. 선행연구에 의하면 카페인이 함유하고 있는 독성은 박테리아나 곰팡이 등의 미생물을 사멸시킬 수 있으며, 2.5 g/L 이상의 양에서는 조류의 성장을 억제할 수 있다고 보고하였다.

전술한 바와 같이, 카페인은 해충, 미생물 등을 제거할 수 있다는 연구가 진행된 바 있으나, 그 이상 다른 대상물에 대해서 카페인을 적용하는 연구는 아직 미비한 실정이다. 또한, 조류 대발생을 억제하고 2차 오염 및 생물독성이 없는 고효율의 조류제어제의 개발이 필요하다.

선행문헌

(1) 비특허문헌 : Chen, L., Chen, J., Zhang, X., and Xie, P. (2016). A review of reproductive toxicity of microcystins, Journal of Hazardous Materials, 301, pp. 381-399.

(2) 비특허문헌 : Paerl, H. (2009). Climate Change: A Catalyst for Global Expansion of Harmful Cyanobacterial Blooms, Environmental Microbiology Reports, 1, pp. 27-37.

본 발명의 목적은 카페인을 이용하여 유해조류룰 제거하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 강과 하천에 여름철 녹조 현상의 우점종을 차지하는 마이크로시스티스 에루기노사의 생장을 카페인을 이용하여 제어하는 방법을 제공하기 위함이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 카페인을 이용하여 마이크로시스티스 에루기노사에서 배출되는 마이크로시스틴 독성을 제거하는 방법을 제공하기 위함이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 (1) 카페인을 용매 중에 투입하여 온도를 변화시키면서 카페인용액을 준비하는 단계; (2) 유해조류가 포함된 처리대상용액을 준비하는 단계; 및 (3) 상기 카페인용액을 처리대상용액 중에 투입하여 교반하는 단계;를 포함하는 카페인을 이용한 유해조류 제거방법을 포함한다.

상기 유해조류는 마이크로시스티스 에루기노사 (Microcystis aeruginosa )일 수 있다.

상기 마이크로시스티스 에루기노사는 독성 물질인 마이크로시스틴 (Microcystin)을 발생하고, 상기 마이크로시스틴은 카페인에 의하여 분해되는 펩티드 결합을 포함할 수 있다.

단계(1)에서 상기 카페인은 90°C 내지 110°C의 온도에서 용해시킨 후, 20°C 내지 30°C의 온도로 냉각시킬 수 있다.

단계(1)에서 상기 카페인용액 중 카페인의 농도는 2.0/L 이상일 수 있다.

단계 (2)에서 상기 처리대상용액의 온도는 25°C 이상이고, pH는 7 내지 9일 수 있다.

단계 (3)에서 교반속도는 80 rpm 내지 100 rpm일 수 있다.

상기 교반속도는 100 rpm이고, 30분 동안 혼합하는 것일 수 있다.

상기 카페인용액의 용매와 상기 처리대상용액의 용매는 동일할 수 있으며, 바람직하게는 부영양화된 하천일 수 있다.

상기 카페인용액 중 카페인의 농도 2.02g/L이고, 교반시간이 1시간인 경우 상기 처리대상용액 중에 포함된 유해조류의 제거율은 80% 이상일 수 있다.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 카페인을 이용하여 유해조류룰 제거하는 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 강과 하천에 여름철 녹조 현상의 우점종을 차지하는 마이크로시스티스 에루기노사의 생장을 카페인을 이용하여 제어하는 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 카페인을 이용하여 마이크로시스티스 에루기노사에서 배출되는 마이크로시스틴 독성을 제거하는 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 카페인을 이용한 유해조류 제거방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 배양된 마이크로시스티스 에루기노사의 카페인 중에서의 비성장 속도 (μ)에 대한 pH 영향을 나타낸 그래프이다.
도 3은 다양한 온도에서의 마이크로시스티스 에루기노사의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 마이크로시스티스 에루기노사 제거율에 대한 교반속도의 효과를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 다양한 카페인의 농도에 따른 마이크로시스티스 에루기노사의 Chl-a의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 카페인의 농도와 마이크로시스티스 에루기노사의 제거율 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 카페인의 농도에 따른 마이크로시스티스 에루기노사의 생장률인 μ (h^-1)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 다양한 기재 제어 모델에 따른 비증식 속도를 나타낸 그래프이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 매체를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 카페인을 이용한 유해조류 제거방법을 나타낸 흐름도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 카페인을 이용한 유해조류 제거방법은 (1) 카페인을 용매 중에 투입하여 온도를 변화시키면서 카페인용액을 준비하는 단계 (S100); (2) 유해조류가 포함된 처리대상용액을 준비하는 단계 (S200); 및 (3) 상기 카페인용액을 처리대상용액 중에 투입하여 교반하는 단계 (S300);를 포함한다. 예컨대, 상기 유해조류는 마이크로시스티스 에루기노사 ( Microcystis aeruginosa )일 수 있다.

통상 유해조류는 초음파, 원심분리, 흡착제 등을 이용한 물리적 처리방법과, 화학적처리제, 오존 등을 이용한 화학적 처리방법, 및 천적 플랑크톤 등을 이용한 생물학적 처리방법에 의하여 제거하여 왔다. 반면, 이와 같은 물리적 처리방법의 경우는 대규모 처리가 어렵고 막대한 에너지 이용을 필요로 하며, 화학적 처리방법은 화학약품의 독성에 의하여 2차 오염을 유발하며, 생물학적 처리방법은 장기간이 소요되고 생태계 피라미드를 파괴하는 등의 문제를 유발할 수 있다.

반면, 본 실시예에 따른 카페인을 이용한 유해조류 제거방법은 하천 등에 포함되는 유해조류를 효율적으로 제거하는 방법으로, 전술한 물리적, 화학적, 및 생물학적 처리방법이 갖는 문제점을 해결한 것으로, 낮은 비용으로 넓은 지역의 처리가 가능하며 2차 오염이 발생하지 않고, 생태계에 영향을 주지 않는 친환경적이다. 또한, 본 실시예에 따른 카페인을 이용한 유해조류 제거방법은 조류 대발생을 억제하고 2차 오염 및 생물독성이 없는 고효율의 조류제어제를 이용하는 방법이다.

예컨대, 상기 유해조류는 마이크로시스티스 에루기노사일 수 있는데, 상기 마이크로시스티스 에루기노사는 독성을 함유하고 있으며 관리대상 독성 남조류의 일종이다. 본 실시예에 따른 카페인을 이용한 유해조류의 제거방법은 탄닌산과 천연 폴리페놀 화합물 성분을 많이 함유하고 있는 카페인을 이용하여 마이크로시스티스 에루기노사의 생장제어를 위한 최적 조건을 찾고, 현장적용 여부를 확인하였다. 이를 위하여 상기 카페인을 이용하여 다양한 범위의 pH, 온도, 교반속도, 혼합시간에 대한 다양한 실시예를 확인하였고, 상기 카페인의 양이 마이크로시스티스 에루기노사의 제거율에 미치는 영향을 실험하였으며, 다양한 제어모델을 이용하여 카페인을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사 제어를 분석 하였다.

또한, 상기 마이크로시스티스 에루기노사는 독성 물질인 마이크로시스틴 (Microcystin)을 발생할 수 있는데, 본 실시예에 따른 카페인을 이용한 유해조류 제거방법는 상기 마이크로시스틴도 함께 제거할 수 있다. 예컨대, 상기 마이크로시스틴은 카페인에 의하여 분해되는 펩티드 결합을 포함하고, 본 실시예에 따른 카페인을 이용한 유해조류 제거방법은 상기 마이크로시스티스 에루기노사를 제거함과 동시에 상기 마이크로시스티스 에루기노사에 의하여 발생한 마이크로시스틴을 함께 제거할 수 있으므로 하천 등에 상기 마이크로시스티스 에루기노사 그 자체 및 이에 의하여 발생한 독성물질을 일괄적으로 제거함으로써 하천 등의 유해조류에 의한 환경오염을 효율적으로 제어할 수 있다.

단계 (1)에서는 본 실시예에 따른 카페인을 준비할 수 있는데, 상기 카페인은 90°C 내지 110°C의 온도에서 용해시킨 후, 20°C 내지 30°C의 온도로 냉각시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 단계 (1)에서 상기 카페인은 100°C에서 용해시킨 후 상온인 25°C의 온도에서 12시간 방냉할 수 있다.

상기 용매는 물, 증류수 등일 수 있으며, 상기 카페인을 이용하여 처리하고자 하는 유해조류가 존재하는 하천 등과 같은 환경일 수 있다. 상기 카페인은 90°C 미만의 온도에서 용해시키는 경우 상기 카페인이 용매에 균일하게 용해되지 않고 고체상태로 잔존할 수 있으며, 110°C 초과의 온도에서 용해시키는 경우 110°C이면 본 연구에서는 카페인이 충분히 용해됨에도 불구하고 불필요한 에너지 낭비가 있을 수 있다.

상기 카페인을 용매 중에 용해시켜 준비한 카페인용액은 이어서 20°C 내지 30°C의 온도로 냉각시킬 수 있다. 상기 카페인용액은 고온에서 용해시킨 후 이어서 냉각시켜 이용할 수 있는데, 20°C 미만으로 냉각시키는 경우 용해된 카페인을 석출시킬 수 있어 유해조류의 처리속도를 감소시킨다. 반면, 30°C 초과인 경우 상기 카페인용액이 투입되는 유해조류를 포함하는 처리대상용액의 중에 포함된 단백질을 변화시키는 등의 생태계의 특성을 변화시킬 수 있다.

또한, 상기 단계(1)에서 상기 카페인용액 중 카페인의 농도는 2.0g/L 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 카페인용액 중 카페인의 농도는 2.0g/L 내지 5.0g/L일 수 있다. 상기 카페인의 농도가 2.0g/L 미만인 경우 처리대상용액 중에 포함된 유해조류의 제거효율이 낮아 문제가 되고, 5.0g/L 초과인 경우에는 더 이상 카페인에 의한 유해조류의 제거능이 증가되지 않아 불필요한 비용을 증가시키고 또한 카페인의 농도가 너무 높은 경우에는 처리대상용액 중 포함되는 유해조류뿐 아니라 그 외의 다른 물질에도 영향을 주어 문제가 된다.

별법으로, 상기 카페인용액은 카페인과 용매 이외로 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 니아신아미드 (niacinamide) 및 바닐린 (vanillin)일 수 있으며, 상기 첨가제는 카페인용액 중 포함되는 카페인의 중량에 대해서 0.1 내지 0.3 중량부로 포함될 수 있다.

상기 니아신아미드는 하기 화학식 1로 분자식 C₆H₆N₂O의 구조로 이루어질 수 있고, 바닐린은 하기 화학식 2로 C₈H₈O₃의 구조를 가질 수 있다.

[화학식 1]

[화학식 2]

상기 카페인은 상온에서 물에 대하여 약 2% 의 매우 낮은 용해도를 갖고, 저온에서 카페인이 석출될 위험이 있어 안정성이 매우 낮다는 문제가 있는데, 이에 본 발명은 일 실시예로서 조성물에 카페인을 상기 니아신아미드 및 바닐린과 함께 함유함으로써 카페인의 용해도를 현저히 상승시킬 수 있다.

상기 첨가제는 카페인의 함량에 대해서 0.1 내지 0.3 중량부로 포함될 수 있는데, 0.1 중량부 미만인 경우 카페인의 농도에 따라 카페인용액을 냉각시키는 과정에서 카페인의 일부가 석출될 수 있고, 0.3 중량부면 카페인용액을 안정적으로 유지하는데 충분하므로 0.3 중량부 초과인 경우 첨가제의 추가에 따른 불필요한 공정비용을 증가시킬 수 있다.

상기 단계 (1)에서 카페인용액이 준비된 후 단계 (2)에서는 유해조류를 포함하는 처리대상용액을 준비할 수 있다. 예컨대, 상기 처리대상용액의 온도는 25°C 이상이고, pH는 7 내지 9일 수 있으며, 바람직하게는 25°C 내지 35°C이고 pH는 8일 수 있다. 상기 처리대상용액의 온도가 25°C 미만이면 상기 처리대상용액 중에 첨가되는 카페인용액 중에 카페인의 활성이 저하되어 유해조류 제거능이 감소되고, 35°C 초과이면 상기 처리대상용액 중에 포함된 유해조류을 구성하는 성분이 변질되어 유해조류가 죽으므로 카페인에 의한 제거가 더 이상 불필요하다. 상기 pH가 7 미만인 경우 카페인에 의한 상기 유해조류의 제거능이 낮고, pH 9 초과인 경우 상기 유해조류가 생존하기 어려운 환경이므로 카페인에 의한 유해조류 처리가 불필요하다. 또한, 일반적으로 유해조류가 번식하는 하천 등의 환경은 약알칼리성으로 pH는 7 내지 9이며, 본 실시예에 따른 카페인을 이용한 유해조류 제거방법을 이용한 경우 실제 하천에서도 효과적으로 유해조류를 제거할 수 있다.

단계 (3)에서는 단계 (1)에서 준비한 카페인용액은 단계 (2)에서의 처리대상용액 중에 투입할 수 있는데, 이때 상기 카페인용액을 투입한 후에 교반할 수 있다. 상기 단계 (3)에서 교반속도는 80 rpm 내지 100 rpm일 수 있다. 상기 교반속도가 80 rpm 미만인 경우 카페인용액 중 포함된 카페인과 유해조류와의 접촉이 늦어 제거효율이 낮고, 100 rpm 이상에서는 제거효율이 크게 변화가 없기 때문에 100 rpm 초과로 교반하는 경우에는 불필요한 에너지 낭비의 원인이 된다. 바람직하게는, 상기 단계 (3)에서 교반속도는 100 rpm이고, 30분 동안 혼합할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 카페인용액의 용매와 상기 처리대상용액의 용매는 동일할 수 있다. 상기 카페인용액은 처리대상용액 중에 첨가되고, 카페인용액 중에 포함된 카페인은 처리대상용액 중의 유해조류를 제거할 수 있는데, 이때 상기 카페인용액의 용매와 처리대상용액의 용매를 동일하게 할 경우 불필요한 부반응을 방지하여 카페인에 의한 유해조류 제거를 효과적으로 수행할 수 있다. 바람직하게는, 상기 용매는 부영양화된 하천일 수 있다. 본 실시예에 따른 카페인을 이용한 유해조류 제거방법은 별도의 추가적인 시설 등의 처리없이도 실제 부영양화된 하천에 직접 적용할 수 있으며, 상기 부영양화된 하천 중에 포함된 유해조류, 예컨대 마이크로시스티스 에루기노사를 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 상기 하천 중에 포함된 마이크로시스티스 에루기노사에 의하여 발생한 마이크로시스틴도 함께 제거할 수 있어 하천을 효과적으로 정화할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 카페인을 이용한 유해조류 제거방법에서 상기 카페인용액 중 카페인의 농도 2.02g/L이고, 교반시간이 1시간인 경우 상기 처리대상용액 중에 포함된 유해조류의 제거율은 80% 이상일 수 있다.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.

[실시예 및 비교예 준비 및 실험]

1. 마이크로시스티스 에루기노사 (Microcystis aeruginosa) 배양

본 발명에서 우리나라 관리대상 남조류 4종 (Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria) 중에서 가장 광범위하게 우점종을 차지하고 있는 유해조류인 마이크로시스티스 에루기노사를 카페인을 이용하여 성장제어 및 제거 실험을 하였다. 마이크로시스티스 에루기노사 (KMMCC-973)은 JM배지를 이용하여 25 ± 1 °C 온도의 항온기에서 3일간 증식하여 사용하였다. 미세조류 배양을 위하여 배양기의 광원은 LED (Light Emitting Diode)를 사용하였고, LED에 공급되는 전원은 모델 FP-60-12 파워공급기 (AD & Lighting, Suwon, Kyonggi-Do, Korea)를 사용하였다. 모든 광원은 위에서 아래로 공급하였으며, LED는 white 색상, 조도는 3,000 lx, 광주기는 16L : 8D 그리고 pH 7에서 배양하였다. 구체적인 배양조건과 JM배지의 성분은 표 1 (배지 및 배양조건 (Culture medium and cultivation conditions))에 나타내었다.

유해조류 Microorganism	배양조건	배지
마이크로시스티스 에루기노사 (KMMCC-973)	20 °C, 72 h	JM
배지	조성물
JM medium	Ca(NO₃)2H₂O 4.0 g , KH₂PO₄ 2.48 g, MgSO₄7H₂O 10.0 g, NaHCO₃ 3.18 g, EDTAFeNa 0.45 g, EDTANa₂ 0.45 g, H₃BO₃ 0.496 g, MnCl₂ _·4H₂O 0.278 g, (NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O 0.20 g, Cyanocobalamin 0.008 g, thiamine HCl 0.008 g, biotin 0.008 g, NaNO₃ 16.0 g, and Na₂HPO₄·12H₂O 7.2 g in 200 mL deionized water.

2. 카페인용액 준비

카페인 (C₈H₁₀N₄O₂; 1,3,7,-Trimethylpurine-2,6-dione, milmass: 194.19g/mol)은 시그마-알드리치 (Sigma-Aldrich, Steinheim,Garmany)사의 순도 99% 이상의 제품을 사용하였다. 카페인은 상온 (25℃)에서 용해도가 2.17 g/100 mL로 낮아 100℃에서 증류수에 용해시킨 후 상온에서 12시간 방냉하여 사용하였고, 실험에 필요한 다양한 카페인의 농도는 증류수로 희석하여 다양한 농도의 카페인용액을 제조하여 사용하였다.

3. 카페인을 이용한 유해조류 제거

실험은 배치 (batch) 형식으로 실행하였으며, 다양한 농도에 따른 마이크로시스티스 에루기노사를 함유하는 처리대상용액 1 L에 카페인용액을 실험계획에 따라 다양한 농도 및 양을 (0 - 25 g/L) 투입하여 초반 5분간은 150 rpm 으로 교반한 후, 후반 10분간은 100 rpm으로 천천히 교반하였다. 카페인용액과 혼합한 마이크로시스티스 에루기노사 (남조류) 함유용액인 처리대상용액을 2500 rpm으로 20분간 원심분리한 후 상등액을 샘플링하여 남조류의 제거율을 측정하였다. pH는 3 - 10까지 0.5 mol의 NaOH와 HCl을 이용하여 조절하였으며, 온도는 마이크로시스티스 에루기노사가 주로 여름철에서 가을철에 우점을 차지하는 조류임을 감안하여 15°C 내지 35°C도 까지 조절하였으며, 모든 실험은 하나의 매개변수 측정을 위하여 나머지의 매개변수는 고정하였으며, 실험은 5번 반복하여 평균값을 사용하였다.

4. 카페인에 의한 유해조류 제거율 확인방법

클로로필-a (Chlorophyll-a, Chl-a)은 500 mL를 GF/F (φ 0.45 μm, Wattman) 필터로 일정한 압력 (100 mmHg)하에서 여과한 다음, 습기를 제거하고 90% 아세톤으로 암/냉장 하에서 12 시간 동안 색소를 추출하여, 형광분석기 (TD-700, Turner Designs)를 이용하여 흡광도를 측정한 후, Chl-a 값으로 환산하였다. Chl-a의 농도는 아래의 식 (1)을 이용하여 계산하였다.

C_chl.a = 13.95 X OD_{665 nm} - 6.88 X OD_649nm--- 식 (1)

마이크로시스티스 에루기노사의 제거율은 Chl-a 측정한 후 아래의 식(2)를 이용하여 계산하였다.

R = {(Chl-a₂Chl-a₁)/Chl-a₂} X 100% --- 식 (2)

여기서, Chl-a₁ 과 Chl-a₂ 는 각각 반응 전의 초기 농도와 반응 후의 농도이다. 미세조류의 생장률은 아래와 같이 계산하였다.

μ = In(X₁/X₀) / (t ₁ -t ₀ ) --- 식(3)

여기서, μ 는 생장률(1/h), X ₁ 및 X ₀ 는 초기 및 일정 배양 시간 후의 미세조류 농도 (g/L), 그리고 t는 배양시간 (h)를 나타낸다.

마이크로시스티스 에루기노사의 수확량은 (g dry-weight/ g substrate) 는 아래의 식을 이용하여 계산하였다.

Y _x/s = (X_M-X₀)/(S₀-S_M) --- 식 (4)

여기서, X_M _,X₀은 각각 최대와 초기 건조중량이며, S₀와 S_M은 각각 초기와 최대 카페인의 농도이다.

마이크로시스티스 에루기노사의 생장력을 설명할 수 있는 제어모델은 홀데인 (Haldane), 이중 지수 (Double exponential), 에드워즈 (Edwards), 루엉 (Luong), 웹 (Webb), 모저 (Moser) 그리고 테시에 (Teissier)의 모델을 이용하여 분석하였다. pH는 pH-meter (ISTEK, pH-20N)을 이용하여 측정하였다. 모든 실험은 5번 이상 반복 수행하여 평균 데이터를 사용하였다.

[실시예 및 비교예에 따른 결과확인]

1. pH에 따른 제거율

여름철에 강이나 하천에서 볼 수 있는 대표적인 남조류인 마이크로시스티스 에루기노사는 강한 독성물질을 발생하는 유해 녹조이다. 일반적으로 건강한 하천의 pH는 6.5-8.5 정도이나, 정체된 하천의 경우 pH가 상승하면서 녹조현상이 더욱 심해지고, 또한 녹조현상이 심해지면서 pH가 상승하는 악순환이 일어난다. 녹조현상이 일어나는 강이나 하천의 pH는 약 알칼리인 pH 7.7-9.4로 알려져 있다.

도 2는 배양된 마이크로시스티스 에루기노사의 카페인 중에서의 비성장 속도 (μ)에 대한 pH 효과이다 (카페인 농도 : 2.5 g/L, 교반속도 : 100 rpm, 교반시간 : 1시간, 온도 : 25°C).

도 2를 참조하면, 카페인을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사 제어에 pH가 미치는 영향을 알아보기 위하여 카페인 농도 2.5 g/L를 이용하여 실험하였다 이때 초기 Chl-a의 농도는 8 mg/m³ 였다. pH 3-4에서는 40% 이하의 낮은 제거율을 나타내었으나, pH 7-9까지에서는 70%이상의 높은 제거율을 나타내었으며, pH 8에서 가장 높은 제거율을 나타내었다. 즉, 산성영역인 낮은 pH보다 알칼리 영역인 높은 pH 에서 더 높은 제거율을 나타내었다. 이는 녹조현상을 수반하고 있는 하천이나 강 등의 pH가 7.7 이상인 점을 고려한다면 pH의 조정없이 하천과 강에 현장 적용이 가능하다. 하천이나 강의 현장에 pH를 조절한다는 것은 어려운 일이며 가능하다고 할지라도 막대한 약품 비용을 동반한다. 따라서 하천과 강의 pH와 같은 범위의 pH에서 높은 제거율을 나타내는 것은 pH조절 비용 감소뿐만 아니라 현장적용의 가능성을 알 수 있다.

2. 온도에 따른 제거율

카페인을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사 제어에서 온도가 미치는 영향은 pH와 마찬가지로 중요한 매개변수이다. 마이크로시스티스 에루기노사가 등장하는 시기가 일반적으로 여름철에서 가을철이며, 이는 하천이나 강의 수온이 25 °C 이상일 경우이다. 따라서 온도에 따른 제거율은 카페인을 이용한 녹조제어의 현장적용 가능 여부를 알 수 있는 중요한 매개변수이다. 실험은 여름철 하천과 강의 온도를 감안하여 15 °C에서 35 °C까지 변화를 주어 제어율을 측정하였다.

도 3은 다양한 온도에서의 마이크로시스티스 에루기노사의 제거율을 나타낸 그래프이다 (카페인 농도 : 2.5 g/L, 교반속도 : 100 rpm, 교반시간 : 1h, 마이크로시스티스 에루기노사 농도 :1.12 g dry-weight/L).

도 3을 참조하면, 실험결과 15 °C, 20 °C, 25 °C, 30 °C 그리고 35 °C에서 각각 23%, 46%, 78%, 80%, 81%를 나타내어 온도가 상승함에 따라 마이크로시스티스 에루기노사의 제거율이 상승하였다. 카페인은 저온보다는 상온에서 용해도가 높으며 분자의 활동이 활발해진다. 따라서 저온보다는 상온에서 마이크로시스티스 에루기노사의 제거율이 증가한 것으로 사료된다. 이러한 결과는 녹조가 가장 심한 8월과 9월의 강과 하천의 녹조에 우점종을 차지하고 있는 마이크로시스티스 에루기노사를 제어하기 위한 현장 적용에 유리하다. 녹조현상은 여러 가지 원인이 있지만 온도가 녹조에 미치는 환경적인 영향도 무시할 수는 없다. 일반적으로 온도가 상승함에 따라 녹조현상은 증가하기 때문에 상온에서 고효율의 녹조 제거율을 나타내는 카페인은 녹조제거에 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

3. 교반속도에 따른 제거율

교반시간과 교반속도의 최적화를 통해서 에너지 비용을 절약할 수 있다.

도 4는 마이크로시스티스 에루기노사 제거율에 대한 교반속도의 효과를 나타낸 그래프이다 (카페인 농도 : 0.5 g/L, 마이크로시스티스 에루기노사의 농도: 1.12 g dry-weight/L, pH: 8, 온도: 25 °C).

도 4를 참조하면, 다양한 교반시간과 교반속도에 따른 마이크로시스티스 에루기노사의 제거율을 나타내었다. 초기 20분의 교반시간까지 80 rpm 이하의 교반속도에서는 70-75%의 마이크로시스티스 에루기노사 제거율을 나타내어 91-92%의 제거율을 나타낸 100 rpm 이상의 교반속도와 제거율의 차이가 뚜렷하게 나타났다. 그러나 30분의 교반시간이 지나면 교반속도에 따른 제거율의 차이는 감소하여 교반속도에 관계없이 92-98%의 마이크로시스티스 에루기노사 제거율을 나타냈으며, 교반시간 1시간 후에는 80 rpm 이하가 97-98%의 마이크로시스티스 에루기노사 제거율을 나타냈고, 100 rpm이상에서는 100%의 마이크로시스티스 에루기노사 제거율을 나타내었다. 이는 초반에 저속의 교반속도에서는 카페인용액 중 포함된 카페인과 마이크로시스티스 에루기노사 함유 수용액인 처리대상용액의 혼합속도가 느려 반응속도가 늦어진 것으로 판단된다. 따라서 에너지 비용을 감안하면 카페인을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사 제거를 위한 교반속도는 100 rpm, 교반시간은 30분이 최적으로 사료된다.

4. 카페인의 양에 다른 제거율

도 5a는 다양한 카페인의 농도 (dose of caffeine)에 따른 마이크로시스티스 에루기노사의 Chl-a의 제거율을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 카페인의 농도와 마이크로시스티스 에루기노사의 제거율 사이의 관계를 나타낸 그래프이다 (교반속도 : 100 rpm, 교반시간 : 30 min, pH : 7, 온도 : 25 °C).

Chl-a는 미세조류의 광합성 시스템의 주요 색소이다. Chl-a의 농도를 통하여 마이크로시스티스 에루기노사의 바이오매스의 증감을 간접적으로 알 수 있다. 카페인의 농도에 따른 Chl-a의 감소율을 알아보기 위해 카페인의 농도를 0-5 g/L까지 조절을 하여, pH 8, 온도 25 °C에서 7시간동안 실험하였으며, 그 결과를 도 5a에 나타내였다.

이때 초기 Chl-a는 8 mg/m³였다. 0.5 g/L의 카페인 농도에서 Chl-a는 7시간 후에 2.5 % 증가하였으나, 1 g/L 이상의 카페인 농도에서는 카페인의 농도가 증가할수록 Chl-a가 점차 감소하기 시작하였다. 1 g/L의 카페인 농도에서는 8.75%, 2 g/L에서는 51.25%, 2.5 g/L에서는 72.50%의 Chl-a가 감소하였다. 이는 1 g/L이상의 카페인의 농도에서부터 마이크로시스티스 에루기노사에 대한 독성으로 작용하여 cell 성장을 저해하였음을 알 수 있다. 2.5 g/L 이상의 카페인 농도에서는 Chl-a의 감소가 둔화되어 5 g/L의 카페인 농도에서는 77.5%의 감소율을 나타내었다. 따라서 카페인을 이용하여 마이크로시스티스 에루기노사를 제거할 경우 2.5 g/L의 카페인 농도를 추천한다.

도 5b를 참조하면, 80%이상의 마이크로시스티스 에루기노사 제거율을 다양한 카페인의 농도에 따라 나타내었다. 마이크로시스티스 에루기노사의 농도가 증가할수록 카페인의 양도 증가하였다. 실험결과 약 1 g dry-weight/L 의 마이크로시스티스 에루기노사를 제거하는데 2.02 g/L의 카페인이 필요하였다.

본 발명의 일 실시예의 참고문헌으로, 스리바스트바 외 (참고 : Srivastva et al. (1971), Srivastava, B.S., Kumar, H.D., and Singh, H.N. (1971). The effect of Caffeine and Light on Killing of the Blue-green Alga Anabaena doliolum by Ultraviolet Radiation, Archives Microbiology., 78, pp. 139-144.)은 2 g/L의 카페인 농도에서 아나배나 돌리올룸 (Anabaena doliolum)을 사멸할 수 있다고 보고하였다. 또한 친환경적인 방법인 수생식물인 벗풀 (Sagittaria trifolia) 추출액 (참고 : Li, J., Liu, Y., Zhang, P., Zeng, G., Cai, X., Liu, S., Yin, Y., Hu, X., and Tan, X. (2016). Growth Inhibition and oxidative Damage of Microcystis aeruginosa induced by Crude Extract of Sagittaria trifolia Tubers, Journal of Environmental Sciences, 43, pp. 40-47.), 개구리밥 (Lemna japonica) (참고 : Jang, M.H., Ha, K., and Takamura, N. (2007). Reciprocal allelopathic responses between toxic cyanobacteria (Microcystis aeruginosa) and duckweed (Lemna japonica), Toxicon, 49(5), pp. 727-733.), 자라풀과 (Stratiotes aloides) (참고 : Mulderij, G., Mooij, W.M., Smolders, A.J.P., Donk, E.V. (2005). Allelopathic inhibition of phytoplankton by exudate from Stratiotes aloides, Aquatic Botany, 82(4), pp. 284-296.), 황기 뿌리 (Radix Astragali) 추출액 (참고 : Yan, R., Wu, Y., Ji, H., Fang, Y., Kerr, P.G., Yang, L. (2011). The decoction of Radix Astragali inhibit the growth of Microcystis aeruginosa, Ecotoxicology and Environmental Safety, 74(4), pp. 1006-1010.)등을 이용하여 마이크로시스티스 에루기노사를 제거한 결과 2.0-2.8 g/L의 농도에서 6-8일 동안에 80-90%의 제거율을 보고하였다. 본 연구결과 카페인을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사 제거는 2.02 g/L의 농도에서 1시간에 80% 이상의 마이크로시스티스 에루기노사를 제거할 수 있어 다른 친환경적인 방법과 비교하여 단기간에 고효율의 제거율을 나타내어, 여름철 녹조현상에 따른 신속한 대처가 가능하다.

5. 생장제어 모델

도 6은 카페인의 농도에 따른 마이크로시스티스 에루기노사의 생장률인 μ (h^-1)를 나타낸 그래프이다.

도 6을 참조하면, 실험결과 카페인의 농도 0.7 g/L까지는 μ 가 증가하였으며, 0.7 g/L 이상의 카페인 농도에서는 현저하게 감소하였음을 알 수 있다. μ 는 0.5 g/L에서 0.17 (h^-1), 0.7에서 0.18 (h^- ¹)을 나타내어 0.5와 0.7 g/L의 카페인 농도에서는 큰 차이가 없었다. 수용액에서 카페인을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사의 제거 실험에서 μ_max는 0.7 g/L의 카페인 농도에서 0.18을 나타내었다. 이후 μ (h^- ¹)는 카페인의 농도가 증가함에 따라 지속적으로 감소하여 10 g/L의 카페인 농도에서는 0.02를 나타내어 0에 가까운 미미한 수준이였다.

카페인이 마이크로시스티스 에루기노사의 성장제어에 미치는 영향을 알아보고자 다양한 제어 모델을 이용하여 실험 결과를 분석하였으며, 그 결과를 표 2 (다양한 기질 저해 모델의 추정 파라미터 (Estimated parameters of various substrate inhibition models))에 나타내었다.

Model	Equation	Parameters	R²
Moser	μ = μ _m S ⁿ /(K _s + S ⁿ )	n=0.6832, K _s =0.8145, μ _m =0.207	0.9633
Tessier	μ = μ _m [1-exp(-S/ K _s )]	K _s =0.5312, μ _m =0.172	0.9215
Webb	μ = {μ _m S[1+(S/K _i )]}/{K _s +S+(S ² /K _i )}	K _i =1.163, K _s =0.3281, μ _m =0.174	0.9452
Haldane	μ = μ _m S/[(K _s +S)+(1+S/ K _i )]	K _i =1.123, K _s =1.123, μ _m =0.176	0.8978
Edwards	μ = [μ _m S/(K _s +S)] exp^(- ^S/ ^Ki ⁾	K _i =3.327, K _s =0.8173, μ _m =0.185	0.9629
Double exponential	μ = μ _m [exp(-S/ K _i ) -exp(-S/Ks)]	K _i =4.618, K _s =0.687, μ _m =0.181	0.9053
Luong	μ = μ _m S/(Ks+S)(1-S/ S _m )ⁿ	S _m =18.75, K _s =0.7012, μ _m =0.182, n=2.052	0.9872

표 2에서 μ 및 μ _m 는 각각 비증식속도 (specific growth rate) 및 최대 비증식속도 (maximum specific growth rate)를 나타낸다. S, K _s 및 S _m 는 각각 생장이 관찰되지 않는 점에서의 제한된 기재 농도 (본 실시예에서 솔잎추출액 (Pine needle extracts)), 모노 반포화상수 (Monod half saturation constant) 및 최대 기재 생장제한농도 (maximum substrate inhibitory concentration)을 나타낸다. n은 μ 및 S 사이의 관계로 간주되는 상수를 나타낸다.

모저 (Moser), 테시에 (Teissier), 웹 (Webb), 홀데인 (Haldane), 에드워즈 (Edwards), 이중 지수 (Double exponential) 그리고 루엉 (Luong) 모델의 μ_max 는 0.172-0.207을 나타내었으며, 상관계수인 R²는 0.8978-0.9872를 나타내었다. 특히 홀데인은 다른 모델들과 비교하여 0.8978의 가장 낮은 상관계수를 나타내었으며, 루엉 모델은 0.9872의 가장 높은 상관계수를 나타내었다. 따라서 카페인을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사의 성장제어를 분석한 제어모델은 루엉 모델이 가장 적합하였다.

도 7은 다양한 기재 제어 모델에 따른 비증식 속도를 나타낸 그래프이다 (표준편차 변화 ±3%).

도 7을 참조하면, 테시에, 모저, 및 웹은 μ_max까지의 데이터를 이용하였으며_,홀데인, 에즈워즈, 이중 지수, 및 루엉 모델은 전체 데이터를 나타내었다. 모든 모델에서 1-1.5 g/L의 카페인의 농도에서 μ_max을 나타내었으며, 그 이상의 농도에서는 μ가 현저하게 감소하였음을 알 수 있다.

표 3에 다양한 방법을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사 제어방법 및 제어율을 나타내었다.

Microalgae	Materials	Conditions	Removal	Reference
Microcystis aeruginosa	UV-activated persulfate	2h, 1500 mg/L	98.2%	참고 1
Microcystis aeruginosa	Montmorillonite with Cu₂O	pH 7, 3h, 0.4 g/L	90.4%	참고 2
Microcystis aeruginosa	Chitosan	pH 7, 7.31 mg/L	46.45%	참고 3
Microcystis aeruginosa	KMnO₄-Fe(II)	KMnO₄:Fe(II)=1:3, 60μM	70%	참고 4
Microcystis aeruginosa	Saline extracts of Monringa Oleifera Lam seed	50 mg/L	78.9%	참고 5
Microcystis aeruginosa	Hydrodynamic cavitation	1.9 mg/min	61%	참고 6
Microcystis aeruginosa	Polyphenol	7.5 mg/L	61%	참고 7
Microcystis aeruginosa	Methyltert-butyl ether	100 mg/L	85%	참고 8
Microcystis aeruginosa.	Caffeine	2 g/L, pH 8,	82%	본 실시예

(참고 1 : Wang, Z., Chen, Y., Xie, P., Shang, R., and Ma, J. (2016). Removal of Microcystis aeruginosa by UV-activated Persulfate: Performance and Characteristics, Chemical Engineering Journal, 300, pp. 245-253.

참고 2 : Gu, N., Gao, J., Li, H., Wu, Y., Ma, Y., and Wang, K. (2016). Montmorillonite-supported with Cu₂O Nanoparticles for Damage and Removal of Microcystis aeruginosa under Visible Light, Applied Clay Science, In Press, Corrected Proof, Available online 2 July 2016.

참고 3 : Pei, H.Y., Ma, C.X., Hu, W.R., and Sun, F. (2014). The Behaviors of Microcystis aeruginosa Cells and Extracellular Microcystins during Chitosan Flocculation and Flocs Storage Processes, Bioresource Technology, 151, pp. 314-322.

참고 4 : Qi, J., Lan, H., Miao, S., Xu, Q., Liu, R., Liu, H., and Qu, J. (2016). KMnO₄-Fe(II) Pretreatment to enhance Microcystis aeruginosa Removal by Aluminum Coagulation: Does it Work after long Distance Transportation?, Water Research, 88, pp. 127-134.

참고 5 : Carvalho, M.S., Alves, B.R.R., Silva, M.F., Bergamasco, R., Coral, L.A., and Bassetti, F.J. (2016). CaCl₂ applied to the Extraction of Moringa oleifera Seeds and the Use for Microcystis aeruginosa Removal, Chemical Engineering Journal, 304, pp. 469-475.

참고 6 : Wu, Z., Shen, H., Ondruschka, B., Zhang, Y., Wang, W., and Bremner, D.H. (2012). Removal of Blue-green Algae using the hybrid Method of hydrodynamic Cavitation and Ozonation, Journal of Hazardous Materials, 235-236, pp. 152-158.

참고 7 : Nakai, S., Inoue, Y., Hosomi, M., and Murakami, A. (2000). Myriophyllum spicatum-released allelopathic Polyphenols Inhibiting Growth of Blue-green Algae Microcystis aeruginosa, Water Research, 34(11), pp. 3026-3032.

참고 8 : Chen, J., Ma, J., Cao,, W., Wang, P., Tong, S., and Sun, Y., (2009). Sensitivity of Green and Blue-green Algae to Methyl Tert-butyl Ether, Journal of Environmental Sciences, 21(4), pp. 514-519.)

표 3을 참조하면, 마이크로시스티스 (Microcystis )가 발생하는 독성 물질인 마이크로시스틴 (Microcystin)은 펩티드 결함을 가지고 있으며, 일반적인 구조는 cyclo-(-D-Ala-L-X-D-isoMeAsp-L-Z-Adda-D-isoGlu-Mdha이다. 여기에서 D-isoMeAsp는 D-erythro-β-methyl-aspartic acid이며, Mdha는 N-methyl-dehydro-alanine, Adda는 (2S, 3S, 8S, 9S)-3-amino-9-methoxy-2,6,8-trinethyl-10- phenyldeca-4E, 6E-dienoic acid, 그리고 X와 Z는 2개 또는 4개의 L-amino acids의 위치이다. 선행연구에 의하면 카페인은 마이크로시스틴 의 펩티드 결합에 작용하여 독성을 억제하는 효과가 있다. 즉, 카페인은 마이크로시스티스 에루기노사의 제거뿐만 아니라 이미 수중에 함유되어 있는 독성물질인 마이크로시스틴의 독성억제 작용도 동시에 할 수 있다는 것이다. 또한 마이크로시스틴은 사이클릭 헵타펩티드 사이노톡신 (cyclic heptapeptide cyanotoxins)의 종류이며, 구조가 화학적으로 매우 안정적이여서 자연하천에서 수개월 또는 1년여 동안 지속적으로 생존할 수 있다. 마이크로시스티스를 제거하기 위한 생물학적인 처리 방법은 물리적인 방법 (ultraviolet irradiation) 또는 화학적인 방법과 비교하여 상대적으로 비용이 저렴하며, 환경친화적이다. 특히 수생식물을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사의 제어 방법은 최근에 가장 많이 각광받고 있지만, 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 자연하천이나 저수지 및 호소의 마이크로시스티스를 물리적, 화학적 방법으로 처리할 경우에는 pH, 온도 등에 영향을 많이 받으며, 최적조건을 맞추기는 쉽지 않다.

본 실시예에서 사용한 카페인은 UV-활성 과황산염 (UV-activated persulfate), Cu₂O 이용 몬모릴로나이트 (Montmorillonite with Cu₂O) 및 메틸-tert-부틸 에테르 (Methyl-tert-butyl ether)와 비교하여 마이크로시스티스 에루기노사의 제거율이 낮지만, 카페인은 UV-활성 과황산염, Cu₂O 이용 몬모릴로나이트 및 메틸-tert-부틸 에테르와 비교하면 가격이 저렴하여 경제적이다. 그러나 아직까지 카페인을 사용하여 하천이나 호소의 마이크로시스티스 에루기노사을 제거할 경우 하천의 다른 미생물과 생태계에 미치는 영향은 조사되지 않았다. 따라서 현장적용을 위해서는 지속적인 연구 검토가 필요하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 카페인을 이용한 유해조류 제거방법에서는, 강과 하천에 여름철 녹조 현상의 우점종을 차지하고 있으며 마이크로시스틴 독성을 함유하고 있는 마이크로시스티스 에루기노사의 생장을 카페인을 이용하여 제어하고자 하였다. 이를 위하여 다양한 카페인의 농도와 다양한 매개변수를 이용하여 현장 적용 가능성과 현정 적용시의 최적조건을 찾고자 하였다. 카페인을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사의 생장제어는 25°C 이상, pH 8, 100 rpm 그리고 30분의 혼합시간에서 82%이상의 높은 제거율을 나타내었다. 또한 1 g dry-weight/L 의 마이크로시스티스 에루기노사를 제거하기 위해서는 약 2 g/L 카페인이 필요하였다. 최대 생장률은 0.7 g/L의 카페인 농도에서 0.18 (h^- ¹)을 나타내어 카페인 농도 0.7 g/L까지는 마이크로시스티스 에루기노사의 생장을 제어하지 못했으나, 0.7 g/L의 카페인 농도에서는 마이크로시스티스 에루기노사의 생장을 확실하게 제어할 수 있었다.

다양한 성장제어 모델은 루엉 모델이 0.9872의 가장 높은 상관계수를 나타내어 카페인을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사의 생장제어를 분석한 제어모델은 루엉 모델이 가장 적합하였다. 카페인을 이용한 마이크로시스티스 에루기노사의 생장제어는 강과 하천의 온도, pH 조절없이 현장적용을 할 수 있으며, 현장적용을 할 경우 짧은 시간에 효율적으로 마이크로시스티스 에루기노사의 생장을 제어할 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 카페인이 하천이나 호소의 다른 미생물과 생태계에 미치는 영향은 조사되지 않아서 현장적용을 위해서는 지속적인 연구 검토가 필요하다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

(1) 카페인을 용매 중에 투입하여 온도를 변화시키면서 카페인용액을 준비하는 단계;
(2) 유해조류가 포함된 처리대상용액을 준비하는 단계; 및
(3) 상기 카페인용액을 처리대상용액 중에 투입하여 교반하는 단계;를 포함하고,
상기 유해조류는 마이크로시스티스 에루기노사 (Microcystis aeruginosa)이고, 상기 마이크로시스티스 에루기노사는 독성 물질인 마이크로시스틴 (Microcystin)을 발생하고, 상기 마이크로시스티스 에루기노사와 마이크로시스틴을 함께 제거하며,
단계(1)에서 상기 카페인은 100℃의 온도에서 용해시킨 후, 상온에서 12시간 방냉하여 25℃의 온도로 냉각시키고, 상기 카페인용액은 증류수와 카페인으로 이루어지되 상기 카페인의 농도 2.02g/L이고, 상기 카페인에 대하여 0.1중량부 내지 0.3중량부의 첨가제를 더 포함하되, 상기 첨가제는 니아신아미드 (niacinamide) 또는 바닐린 (vanillin)이고,
단계 (2)에서 상기 처리대상용액의 온도는 25℃ 내지 35℃이고, pH는 8이며,
단계(3)에서 상기 교반속도는 100 rpm이고,
상기 카페인용액 중 카페인의 농도 2.02g/L이고, 교반시간이 1시간인 경우 상기 처리대상용액 중에 포함된 유해조류의 제거율은 80% 이상인 카페인을 이용한 유해조류 제거방법.
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제1항에 있어서,
상기 카페인용액의 용매와 상기 처리대상용액의 용매는 동일한 것인 카페인을 이용한 유해조류 제거방법.
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