KR102232719B1 - 바이오필름 및 이를 이용한 급이방법과 수질정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세조류를 포함하는 미생물이 포함된 바이오필름과 그 제조장치, 제조방법, 이를 이용한 급이방법과 수질정화방법에 관한 것이다. 미세조류를 포함하는 바이오필름이 수중에서 흩어지지 않고 최대한 함께 있어서 먹이로서의 효용성을 높이고, 미세조류와 미생물이 함께 포함되어 있는 바이오필름의 경우 서로가 주고받는 시너지 효과를 극대화하며 오염 물질 처리 효율을 높이고 회수를 용이하게 한다.

Description

바이오필름 및 이를 이용한 급이방법과 수질정화방법{Bio-film and feeding and water purification methods using thereof}

본 발명은 미세조류를 포함하는 미생물이 포함된 바이오필름과 그 제조장치, 제조방법, 이를 이용한 급이방법과 수질정화방법에 관한 것이다. 육안의 가시한계를 넘어선 0.1 mm 이하의 크기인 미세한 생물로　주로 단일세포 또는 균사로써 몸을 이루며, 생물로서 최소 생활단위를 영위한다. 조류(algae), 균류(bacteria), 원생동물류(protozoa), 사상균류(mold), 효모류(yeast)와 한계적 생물이라고 할 수 있는　바이러스(virus) 등이 이에 속한다(네이버 백과사전). 라이프사이언스에서 발행한 일반미생물학 책에 의하면 미생물은 원핵세포로 이루어진 박테리아와 같은 원핵 미생물과 곰팡이, 조류, 원생동물 등과 같이 진핵 세포로 이루어진 진핵미생물로 나눈다고 정의하고 있다(p. 386 / 일반미생물학 제5판). 따라서 상기의 정의를 볼 때 미생물은 눈에 보이지 않는 아주 작은 생물이다. 본 발명에서는 이러한 내용을 반영하여 미세조류가 미생물에 포함되는 것으로 정의한다.

미세조류는 물을 정화하는 특징과 함께 수계를 구성하는 먹이사슬의 중요한 역할도 수행하고 있다. 미세조류는 직접적으로 갑각류와 같은 작은 생명체의 먹이가 되기도 하며, 또한 특정 영양원을 생물 농축을 통해 상위 생명체에게 전달하는 역할도 수행하며 또한, 수계에서 광합성을 통해 질소와 인과 같은 부영양화를 제어하고, 중금속을 제거할 수 있다. 하지만 높은 농도의 중금속은 미세조류의 성장을 억제하는 효과를 나타내 미세조류가 효과적으로 수질을 정화할 수 없도록 한다. 수계에서 미생물은 미세조류와 연합하여 비타민과 유기물질을 주고 받는 것과 같은 상호작용을 진행하여 미세조류가 효과적으로 성장하도록 도와주며 또한, 특정한 오염환경에서 미세조류와 연합해 효과적으로 오염을 제거하는 것으로 알려져 있다.

수계에서 미세조류는 부유하며 성장하는 경우가 많으며, 환경에 열려있는 시스템에서 특정 미세조류와 미생물을 함께 배양하도록 유지하는 것은 어려움이 있다. 또한 수계에 미세조류를 방류할 경우 아주 작은 세포 크기로 인해서 이를 회수하는 것도 어려움이 많다.

미세조류와 미생물은 스트레스 환경에서 EPS(extracelluar polymeric substance)와 같은 점질성의 외부배양 물질을 방출하며 이러한 물질로 인해서 미세조류와 미생물은 덩어리 형태를 가지게 된다. 이러한 특징을 활용해 형체를 가지는 살아 있는 필름 형태로 미세조류와 미생물을 응집하게 되면, 중금속에 의해 오염된 수계에서 미세조류와 함께 배양될 때, 세포가 사멸하거나 성장률이 저해되지 않고 효과적으로 수질오염을 제거할 수 있다. 따라서 미생물을 이용하여 인공적인 살아있는 바이오필름 형태를 만드는 방법과 장치, 이를 응용한 수중의 중금속을 처리하는 장치가 요구된다.

본 발명의 바이오필름은 미세조류를 포함한다.

본 발명의 바이오필름에 있어서, 상기 미세조류는 헤마토코쿠스인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오필름은 미세조류와 미생물을 포함한다.

본 발명의 바이오필름에 있어서, 상기 미세조류는 클로렐라, 헤마토코쿠스, 세네데스무스, 코코믹사, 또는 나비큘라(Chlorella sp, Haematococcus sp, Scenedesmus sp, Coccomyxa sp, Navicula sp.) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오필름에 있어서, 상기 미생물은 Bacillus megaterium, Aeromonas sp, Chryseobacterium sp, Chromobacterium sp, 또는 Bacillus sp. 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오필름제조장치에서는, 도관; 상기 도관을 비추는 조명; 상기 도관을 따라 흐르는 배양액;과 상기 배양액 내의 미생물;을 포함하며, 상기 배양액의 층류에 의해 상기 도관의 벽에 상기 미생물이 포함된 바이오필름이 형성된다.

본 발명의 바이오필름제조장치에 있어서, 상기 도관이 하나 이상의 직선구간을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오필름제조장치에 있어서, 상기 도관이 투명하며, 상기 조명의 발열이 상기 배양액에 전달되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오필름제조장치에 있어서, 상기 조명이 상기 도관의 원주와 길이를 따라 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오필름제조장치에 있어서, 상기 도관의 내벽을 따라 설치되는 베이스를 더 포함하며, 상기 베이스에 바이오필름이 형성되며 상기 베이스를 도관에서 분리하여 바이오필름이 회수되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오필름제조장치에 있어서, 상기 미생물이 미세조류를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오필름의 제조방법은, 도관을 따라 미생물을 포함하는 배양액이 흐르는 단계;와 상기 미생물이 상기 도관의 내벽에 필름의 형태로 형성되는 단계;를 포함한다.

본 발명의 바이오필름의 제조방법에 있어서, 상기 미생물을 포함하는 배양액의 온도가 30℃이며, 질산염의 농도가 10ppm인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오필름의 제조방법에 있어서, 상기 미생물이 미세조류를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 급이방법에서는, 미세조류를 포함하는 바이오필름이 수중에서 풀어지지 않고 형태를 유지하며 먹이로 소모된다.

본 발명의 수질정화방법에서는, 미세조류와 미생물을 포함하는 바이오필름이 양식장의 수중에서 풀어지지 않고 형태를 유지하며 먹이로 소모되는 동시에 양식어류의 대사로 생겨난 영양염류를 감소시킨다.

미세조류를 포함하는 바이오필름이 수중에서 흩어지지 않고 최대한 함께 있어서 먹이로서의 효용성을 높이고, 미세조류와 미생물이 함께 포함되어 있는 바이오필름의 경우 서로가 주고 받는 시너지 효과를 극대화하며 오염 물질 처리 효율을 높이고 회수를 용이하게 한다.

도 1은 온도에 따른 바이오필름 형성 효과 비교
도 2는 질산염 농도에 따른 바이오필름 형성효과 비교
도 3은 직선도관을 포함하는 바이오필름의 제조장치의 전산모사
도 4는 유속 0.2m/s에서의 광량에 따른 바이오필름 형성 비교
도 5는 유속 0.3m/s에서의 광량에 따른 바이오필름 형성 비교
도 6은 유속 0.4m/s에서의 광량에 따른 바이오필름 형성 비교
도 7은 도관의 내부 구성
도 8은 도관을 포함하는 장치
도 9는 내부 필름에 형성된 바이오필름
도 10은 도관의 원주를 따라 배치된 조명
도 11은 미세조류와 미생물의 혼합결과 확인: 대조구(미생물없음)
도 12는 미세조류와 미생물의 혼합결과 확인: 미생물(액상)
도 13은 미세조류와 미생물의 혼합결과 확인: 미생물(필름)
도 14는 미세조류와 미생물의 혼합 상태 유지 및 그에 따른 효과(미생물:세척필름)
도 15는 미세조류와 미생물의 혼합 상태 유지 및 그에 따른 효과(미생물:세척액상)
도 16은 미세조류와 미생물의 혼합에 따른 세포성장률의 변화
도 17은 다양한 미세조류를 활용한 바이오필름 제작 결과
도 18은 다양한 미생물을 활용한 바이오필름 제작 결과
도 19은 미세조류(헤마토코쿠스) 바이오필름의 급이시 새우의 생존율 증가
도 20은 수중에서의 바이오필름 중량변화
도 21은 수중에서 형태를 유지하며 살아있는 바이오 필름

이하에서 본 발명의 특징, 구조, 효과 등을 본 발명의 실시예를 통하여 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 권리범위는 특허청구범위의 해석에 의하여 정해진다.

도 1에서는 바이오필름을 제작하는 방법으로서 온도에 따른 필름 형성 효과를 비교하였다. 온도가 미세조류 바이오필름 형성에 미치는 영향을 확인하기 위해 1L 비커에 100umol의 광량을 조사하고 OHM 배지에 Chlorella sp를 약 0.2g/L 수준으로 접종하여 배양을 진행하였다. 비커의 바닥에 형성되는 필름막의 중량을 mg/cm²의 수준으로 매일 측정하여 성장을 비교하여 보았다. 그 결과 낮은 15℃ 이하의 낮은 온도에서는 3일째부터 빠르게 필름이 형성되는 것을 확인하였지만 가장 높은 바이오필름 형성은 25℃ 이상에서 나타났다. 35℃ 이상에서는 빠르게 형성되던 바이오필름이 7일 이후로 감소하는 것으로 보아 이후 세포에 높은 스트레스로 사멸하는 것으로 생각된다. 따라서 가장 높은 12mg의 성장을 보인 30℃가 가장 최적의 온도로 확인되었다.

도 2에서는 바이오필름을 제작하는 방법으로서 질산염 농도에 따른 필름 형성 효과를 비교하였다. 영양염의 고갈은 미세조류 및 미생물에게 높은 스트레스를 유발할 수 있다. 핵심 영양원 중 하나인 질산염의 농도를 제어하여 바이오필름 형성을 확인하고자 하였다. 바이오필름은 1L 비커에 100umol의 광량을 조사하고 OHM 배지에 질산염의 농도를 각각 0, 5, 10, 20, 40, 60 ppm 수준으로 Chlorella sp를 약 0.2g/L 수준으로 접종하여 배양을 진행하였다. 비커의 바닥에 형성되는 필름막의 중량을 mg/cm²의 수준으로 매일 측정하여 성장을 비교하여 보았다. 그 결과 질산염이 20ppm 이하의 농도에서 바이오필름 형성이 가장 잘 되는 것으로 나타났다. 특히 10ppm 수준에서 가장 높은 형성이 확인되었는데, 이는 질산염의 완전 고갈 보다는 약간의 영양염의 공급이 생존율 측면에서 유리한 것으로 판단 된다.

도 3은 직선도관을 포함하는 바이오필름의 제조장치의 전사모사결과를 나타낸다. 일반적으로 중력은 물속에서 미세조류와 미생물을 눌러주는 역할을 수행할 수 있지만 필름을 고르고 얇게 형성하기 위해서는 제어할 수 있는 작용 힘이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 도관 내에서 펌프를 통해 물을 이송할 때 발생되는 층류를 이용해서 인공적으로 필름을 제작하는 연구를 수행하였다. 바이오필름을 효과적으로 생산하는 방법을 개발하기 위해 2m 길이의 연결된 도관에서 발생되는 층류를 이용했다. 유체흐름 시물레이션을 돌려본 결과 2m 이상의 긴 도관에 펌프로 물을 이동하면 도관과 물이 만나는 외곽 부분에서 도관과의 마찰로 인해 물의 유속이 안정되는 지점이 나타난다(녹색). 이때 유속이 안정되어 층류가 나타나는 지점은 도관의 내벽부터 시작해서 아주 얇기 때문에(그 지점의 층류의 두께는 아주 얇기 때문에) 이를 응용하여 얇은 막 형태의 바이오필름을 제작하였다. 따라서 이러한 방법을 사용한다면 도관의 길이와 펌프를 통한 유속 제어를 통해서, 다양한 종류의 미생물과 미세조류를 원하는 크기와 형태의 바이오필름으로 생산 할 수 있다.

도 4 내지 6에서는 유속 및 광량에 따른 바이오필름 형성 효과가 비교되어 있다. 미세조류는 광을 이용해서 성장하며 다양한 물질을 합성하는 것으로 알려져 있으며, 기존 연구에 의하면 점착성을 가지는 EPS가 광의 영향으로 나타났다는 내용도 알려져 있다. 때문에 광량이 바이오필름 형성에 미치는 영향을 확인하였다. 이전 연구에서 확인된 10ppm 질산염 OHM 배지를 사용하고 30℃의 온도에서 유속과 광량을 조절해서 바이오필름 형성의 최적 조건을 확인하는 연구를 수행 하였다. 실험결과 유속이 0.2m/s로 느린 경우 빠르게 바이오필름이 형성 되었지만 최대 20mg 수준으로 0.4m/s의 약 11mg 보다는 높지만 0.3m/s의 26mg 보다 낮은 최대 값이 나타났다. 유속이 0.2m/s인 경우 에서 빠르게 형성은 시작 되었지만 최적 값은 0.3m/s로 판단되며, 이는 일정량의 유속이 바이오필름 형성에 유리하다는 것을 의미한다. 특히 200~400umol 수준의 광량에서 가장 높은 바이오필름 무게가 나타나 200umol 이상의 높은 광량이 바이오필름 형성에 유리한 것으로 판단된다.

바이오필름 제작을 위한 장치로서, 도 7은 도관의 내부 구성을, 도 8은 도관을 포함하는 장치를 도시한다. 바이오필름을 효과적으로 제작하기 위해 기존에 쉽게 구할 수 있는 2m 도관을 펌프와 연결하여 층류를 유도하는 길게 연결된 장치를 개발 하였다. 또한 바이오필름 생성 이후 효과적으로 바이오필름을 회수하기 위해 도관과 도관이 연결되는 부분에 끝부분이 도관에 꽉 고정되도록 고무패드를 부착하여 투명 필름을 도관 내부에 도관 내벽을 따라서 넣어주었다. 투명한 필름은 도관 내부에서 도관의 벽면에 부착된 형태를 가지게 되며 바이오필름 형성(도 9는 내부 필름에 형성된 바이오필름을 도시) 이후 고무 패드와 함께 투명 필름을 회수하여 쉽게 바이오필름을 반응기로부터 분리할 수 있다.

도 10은 도관의 원주를 따라 배치된 조명의 예시이다. 30℃의 온도의 유지와 고른 광의 공급을 위해서 도관의 4면에 길이방향을 따라 길게 연장되는 다수의 광원(예시: LED) 을 십자 형태로 배치하여 광원에서 발생되는 열로 도관 내부의 온도를 높이고 광량이 고르게 공급되는 형태로 디자인하였다.

도 11 내지 13은 미세조류와 미생물을 혼합한 결과를 보여준다. 제작된 바이오필름이 목적하는 미생물과 함께 형성되었는지를 확인하기 위해서 먼저 수질 정화에 효과적인 Bacillus sp 균주를 혼합하여 Chlorella 바이오필름을 제작하여 보았다. 이후 수질 정화의 효율을 비교하여 미세조류와 미생물의 혼합을 비교하였다. 비교 결과 Bacillus sp 미생물을 액상으로 혼합하여 준 경우 카드뮴을 제외한 수중의 중금속 제거 시간이 약 5일로 없는 경우의 6일보다 빠르게 나타났는데 필름 형태로 제작한 경우 역시 5일로 나타났으며 특히 미생물이 없이 약 3ppm 수준으로 나타났던 잔류 카드뮴의 농도가 액상에서는 약 2ppm 수준 및 필름 형태에서는 1ppm 수준으로 낮게 나타나 카드뮴 제거 효율 또한 높아지는 것으로 나타났다.

도 14 내지 16은 미세조류와 미생물의 혼합 상태 유지 및 그에 따른 효과를 보여준다. 필름 형태로 제작 시 수계에서 미생물과 미세조류가 최대한 흩어지지 않고 혼합된 상태를 유지하는지를 추가로 확인하기 위해서 상기의 액상 미생물 혼합 샘플과 바이오필름 샘플을 각각 100배 규모의 수조로(1L 에서 100 L 수조로 이동) 이동하여 자연계에서 발생하게 될 세척 효과(자연계에서는 물이 지속적으로 이동하게 되어 미세조류 필름과 접촉하는데 이때 미세조류와 미생물이 씻겨 나가게 됨)를 일부 재현한 뒤 중금속의 처리 효율을 비교하여 보았다. 그 결과 상기 연구에서 필름과 액상 첨가 형태가 유사한 처리 효율을 보였던 것과는 달리 세척된 액상 형태에서 중금속의 처리 기간이 길어지는 것으로 나타났다. 특히 카드뮴의 경우 8일차 2ppm 수준이던 액상 처리가 3ppm 이상으로 높아지는 것으로 나타났으며, 필름 형태에서는 여전히 1ppm수준을 유지하는 것으로 나타나 필름 형태가 외부 희석과 같은 세척 효과에서도 여전히 미생물과 혼합 형태를 유지하는 것으로 판단 된다. 이러한 결과를 추가적으로 증명하기 위해서 미생물과 미세조류과 혼합되어 성장하게 되면 중금속 환경에서 성장률이 증가하게 되는 효과가 나타나는데 이것을 이용해서 미세조류와 미생물의 혼합을 다시 비교해 보았다. 비교 결과 철과 납을 제외한 중금속 5ppm 수준에서 미생물이 없는 대조구의 경우 세포의 사멸이 나타나는데 미생물과 함께 혼합된 경우 생존율이 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 특히 100배 희석되어 세척된 조건에서 액상과 필름 형태를 비교한 결과 생존율이 확연히 차이나는 것을 볼 수 있는데 이것은 필름 형태에서는 희석과 상관없이 미세조류의 생존율을 높여주는 미생물이 혼합되어 함께 하고 있는 것으로 판단 된다. 따라서 필름 형태로 가공시 원하는 미세조류와 미생물의 공생 형태를 좀더 흩어지지 않는 형태로 만들 수 있을 것으로 판단된다.

도 17은 다양한 미세조류(헤마토코쿠스(Haematococcus sp), 세네데스무스(Scenedesmus sp), 코코믹사(Coccomyxa sp), 나비큘라(Navicula sp.)) 를 활용한 바이오필름을 제작한 결과를 보여준다. 상기의 Chlorella sp 종 말고도 다른 미세조류를 활용하여 바이오필름을 제작할 수 있는지에 대한 연구를 수행 하였다. 선택한 미세조류는 크기, 모양, 부착성의 유무를 따라서 선택하였으며, 각각의 특징은 기본이 되는 클로렐라는 부유성을 가지며 약 3um 정도의 직경의 크기를 가졌으며, 똑같이 원형 형태를 가졌지만 세포의 크기가 최대 30um 이상으로 미세조류 중 큰 사이즈에 들어가는 헤마토코쿠스, 세포가 원형이 아닌 타원형의 형태를 가진 세네데스무스, 그리고 크기가 아주 작은 1um 이하 수준의 코코믹사와 타원형의 형태에 바닥을 기어 다니며, 부착성과 이동성을 가진 규조류인 나비큘라로 다양한 미세조류를 선택하여 바이오필름이 가능여부를 확인 하였다. 각 미세조류는 0.2g/L 수준으로 접종하였으며 미생물로는 Bacillus sp를 0.02g/L 수준으로 접종하였다. 가동 조건은 유속은 동일하게 0.3m/s 수준으로 하였으며, 광량은 200umol 수준으로 조사하고 질산염은 10ppm으로 제공하여 9일간 가동하였다. 이후 제작된 바이오필름을 증류수에 방치한 뒤 0.1vvm 수준으로 약하게 폭기 하여 바이오필름 형태가 얼마나 유지되는지 비교하는 실험을 진행하였다. 실험 결과 모든 미세조류 샘플에서 바이오필름이 효과적으로 형성되는 것을 확인 할 수 있었다. 특히 클로렐라와 헤마토코쿠스 그리고 세네데스무스는 20mg/cm2으로 비교적 높은 바이오필름 형성을 보였으며, 코코믹사와 나비큘라의 경우 이보다 낮은 17mg/cm2 수준의 필름 형성이 확인 되었다. 이는 최적 온도 및 광량에 따라서 바이오필름 형성의 수준이 조금씩 다른 것으로 생각된다. 또한 바이오필름의 형태가 유지되는 실험 역시 바이오필름이 잘 형성된 것과 비례해서 기간이 다른 것으로 확인 되었다.

도 18은 목적하는 다양한 미생물을 혼합하여 바이오필름을 제작한 결과를 보여준다. Bacillus 외에 다른 미생물과 함께 혼합된 바이오필름의 제조 가능성에 대해서도 연구를 수행하였다. 30℃의 온도에서 0.2g/L 수준의 Chlorella sp. 균체와 함께 0.02g/L 수준의 미생물을 함께 혼합하여 9일간 0.3m/s의 유속으로 가동한 뒤 100배 희석된 조건에서 미생물을 도말하여 우점 미생물이 나타나는지 확인하였다. 상기와 같은 조건에서 자연계에서 다양하게 서식하고 있는 미생물들을 채집하여 분류한 Bacillus megaterium, Aeromonas sp, Chryseobacterium sp, Chromobacterium sp, Bacillus sp. 와 같은 미생물과 함께 반응기를 가동하여 바이오필름을 제조한 결과 각각 20, 13, 22, 23 및 26mg/cm2의 바이오필름을 형성하는 것으로 나타났으며, 100배 세척 전과 세척 후의 16s rRNA 분석 결과 역시 목적하는 미생물이 나타나는 것으로 확인 되었다. 따라서 미생물의 종류와 상관없이 본 발명의 방법을 통해서 미세조류와 함께 바이오필름을 형성할 수 있다.

도 19는 미세조류(헤마토코쿠스)로 만들어진 바이오필름을 양식 생물의 먹이로 급이할 때의 새우의 생존율 증가를 보여준다. 양식새우의 치하와 같은 종묘를 생산하는 양식장에서는 부족한 영양염을 공급하기 위해서 미세조류를 사료 형태로 가공하여 이를 제공하지만 50% 이상의 사료를 양식어종에서 섭취되지 못하고 물속에서 흩어져 버려 물을 오염시키는 원인이 된다. 또한 이를 회피하기 위해 생먹이의 형태로 미생물과 미세조류를 제공하기도 하지만 이런 형태로 제공된 먹이는 아주 작은 크기를 가지고 있어 물속에서 쉽게 흩어져 양식 종묘에게 공급되지 못하고 외부로 손실되는 부분이 매우 많으며, 또한 아주 작은 크기로 흩어져 있기에 양식 생물이 쉽게 이를 섭취하기 어려운 단점이 있다. 하지만 본 발명에 의한 바이오필름 형태로 제작된 미세조류는 이러한 문제를 해결할 수 있다. 이러한 효과를 확실하게 판단하기 위해 크기가 2cm 이하로 작은 관상용 새우를 이용하여 실험을 진행하였다. 새우의 성장에 도움을 주는 것으로 알려진 아스타잔틴을 함유한 헤마토코쿠스로 만들어진 바이오필름을 선택해서 사용하였으며, 각각 10마리의 관상용 새우가 담긴 100L 수조에 매달 0.5g의 습중량으로 첨가해 주었다. 대조구는 건조된 미세조류 분말을 공급해 주었으며, 분말의 경우 공급시 새우의 섭취의 용이성에 따라 물의 오염에 영향을 주기 때문에 물이 오염되지 않는 범위에서 지속적으로 공급해 주었다(매달 약 0.2~0.5g 수준). 바이오필름은 수조 환경에서 관상용 새우가 다 섭취하기 까지 약 3주이상 흩어지지 않아 효과적으로 급이가 가능함을 확인 하였으며, 새우는 바이오필름으로 다가와서 쉽게 섭취함을 확인 하였다. 또한 급이 후 개체의 숫자가 증가하는 것을 비교한 결과 6개월 뒤 대조구는 평균 34마리에 불과했지만 헤마토코쿠스를 공급한 경우는 52마리로 늘어나 기존 대비 약 150% 정도 개체 수가 증가된 효과를 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 그 이유는 태어난 어린 새우는 수조 내 미생물 및 미세조류를 섭취하고 성장하는 것으로 알려져 있는데 기존에는 아주 작은 크기의 미세조류를 많이 공급해도 필름의 형태로 유지하고 있기에 물 내에서 흩어져 질산염 증가와 같은 수질 오염에 영향을 주지 않았으며, 또한 살아 있는 상태이기에 새우가 다 섭취하지 못해도 물을 오염시키지 않아 항상 수조 내부에 넉넉하게 공급할 수 있어 어린 새우가 쉽게 미세조류를 섭취할 수 있도록 도와주는 것으로 판단된다. 또한 동시에 사용한 미세조류 필름의 구성의 대부분을 아스타잔틴을 함유한 헤마토코쿠스를 사용하였기에 섭취한 아스타잔틴이 새우의 건강을 유지하는데 효과를 준 것으로 생각된다. 따라서 이러한 결과를 볼 때 미세조류를 직접적으로 섭취하는 전복 등과 같은 이매패류와 흰다리 새우와 같은 갑각류 및 색소 및 지방산과 같은 미세조류로 시작되는 특정 영양염의 공급을 위하는 다른 어종의 경우 역시 목적 어종의 생리 대사에 필요한 영양염을 가진 미세조류를 바이오필름을 통해 제작한 뒤 공급한다면, 사료로 영양을 공급하는 것과는 달리 수조 내 오염 발생의 우려 없이 건강한 먹이를 넉넉히 제공할 수 있어 양식장의 효율 증가에 도움을 줄 것으로 기대 한다.

도 20은 수중에서의 바이오필름의 중량변화를 보여준다. 수중에서 바이오필름(예시: 미세조류+미생물)의 형태를 얼마나 유지할 수 있는 지를 확인하기 위해서 물 속에 부직포 형태의 천에 바이오필름을 올리고 영양염을 충분히 공급한 조건에서 배양을 진행하여 보았다. 미세조류의 성장과 관련이 있을 것으로 판단해 각각 광이 있는 조건과 없는 조건으로 배치 하였다. 그 결과 빛이 존재하는 경우 바이오필름도 함께 성장했지만 3주 이후에는 그 형태가 무너지는 것으로 나타났으며 약 5주 이후에는 형태를 유지하지 못하는 것으로 나타났다. 다만 빛을 공급하지 않는 경우에는 5주가 지나도 그 형태를 그대로 유지하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 수질 정화에 적용할 때는 광을 공급하는 조건에서 사용되기에 3주 이내의 사용이 적합한 것으로 판단되지만, 이것은 영양염 공급을 최적으로 한 조건에서 미세조류의 이탈을 유도한 것이기에 질소, 인, 철, 구리 등과 같은 특정 영양염이 없거나 소량만 존재하는 하천과 호수와 같은 자연 상태에서는 미세조류에 가혹한 조건으로 더 오래 형태를 유지할 것으로 생각된다. 중금속이 없는 양식장과 같은 조건에서는 다양한 형태로 활용될 수 있는데 빛을 공급할 수 있는 상황에서는 양식어류의 대사로 생겨난 질소와 인과 같은 영양염류를 제거하여 수질 정화의 효과와, 수중의 질산염과 인산염을 활용해서 세포가 증식되어 동시에 먹이로 활용되는 역할을 수행하거나 또는 빛이 없는 조건에서 오래 세포가 사멸되지 않고 오염이 되지 않아 장기간 살아 있는 먹이로 사용될 수 있다. 도 21은 수중에서 형태를 유지하며 살아있는 바이오 필름을 보여준다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소의 변형과 응용에 관계된 차이점들은 본 발명의 청구 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 도관
2: 내부필름(투명)
3: 내부필름고정물(예시: 고무패드)

Claims (7)

1. 미세조류 및 미생물 배양액에 15 내지 35 ℃의 온도에서 200 내지 400 μmol의 광량으로 사방에서 광을 조사하는 단계; 및
   상기 배양액에 질산염을 10 내지 20ppm으로 제공하고, 미세조류를 접종하여 배양을 진행하는 단계;를 포함하고,
   상기의 광 조사하는 단계에서,
   중공 원통 형상의 복수의 도관의 외주면 사방에 길이방향을 따라서 길게 연장되도록 배치된 조명을 통해 상기 미세조류 및 미생물 배양액에 대한 광량 공급 및 일정한 온도 유지를 가능하게 하며, 상기 복수의 도관을 유동하는 배양액의 유속은 0.3m/s 이고, 상기 도관으로부터 미생물이 포함된 바이오필름을 회수하기 위해서 상기 복수의 도관이 연결되는 부분에서 그 끝부분이 도관에 고정되도록 배치된 패드를 설치하고,
   상기 미생물은 Aeromonas sp, Chryseobacterium sp, Chromobacterium sp, 또는 Bacillus sp. 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 수질정화용 바이오필름의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 배양액에 미생물을 접종하여 배양을 진행하는 단계를 추가적으로 포함하는 양식장의 수질정화용 바이오필름의 제조방법으로서,
   상기 배양액의 층류에 의해서 상기 바이오필름 상에 미세 조류를 포함한 미생물을 형성하게 하며, 상기 원통 형상의 도관 내벽에 부착된 바이오 필름을 형성함으로써 미세 조류를 지지체 없이 응집하게 만드는 것을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 바이오필름의 제조방법.
3. 제2항의 제조방법으로 제조하는 것을 특징으로 하는 바이오필름으로서,
   미세조류와 미생물을 포함하는 양식장의 수질정화용 바이오필름.
4. 제3항에 있어서,
   상기 미세조류는 크로렐라, 헤마토코쿠스, 세네데스무스, 코코믹사, 또는 나비큘라(Chlorella sp, Haematococcus sp, Scenedesmus sp, Coccomyxa sp, Navicula sp.) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오필름.
5. 제3항에 있어서,
   상기 미생물은 Aeromonas sp, Chryseobacterium sp, Chromobacterium sp, 또는 Bacillus sp. 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오필름.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 바이오필름은 수중에서 풀어지지 않고 형태를 유지하는 것을 특징으로 하는, 바이오필름.
   
7. 제3항에 있어서,
   상기 바이오필름은 양식장 수질정화용이고,
   상기 바이오필름은 수중에서 풀어지지 않고 형태를 유지하며 양식어류의 대사로 발생하는 영양염류를 감소시키는 것을 특징으로 하는, 바이오필름.

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