KR20150004665A - 그물말 속 조류를 이용한 생물학적 수질 정화방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그물말 속 조류 또는 활성화된 그물말 속 조류를 이용한 생물학적 수질정화 방법 또는 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 조류는 생장이 빠르고 취급 및 수집하기가 용이하여 종래의 방법보다 경제적이고 진환경적으로 총질소/총인을 제거시킬 수 있을 뿐 아니라 전처리 또는 다른 종류의 조류종과 혼합배양을 통해 여러 가지 형태의(평면배양조, 순환배양조, 망사배양, 기타 시스템) 수질정화 시스템에 활용할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 조류 배양시 폐 이산화탄소를 공급하여 키울 수도 있어 폐기물 처리비용 등의 사회적 간접비용 절감에 기여할 수 있을 뿐 아니라, 수질처리 이후에 생산된 바이오매스는 바이오화학산업체의 원료물질 공급원으로 사용되어 경제적 이익을 창출할 수 있다. 따라서, 본 발명은 수처리 시장, CDM사업, 바이오매스 시장, 발효원료 시장, 바이오연료, 바이오플라스틱과 같은 재생 화학물질 시장등으로의 진출에 직간접적으로 기여함으로서 환경/자원고갈/산업발전이 종합적으로 고려된 진정한 의미의 녹색성장기술 확립의 초석이 될 것이다.

Description

그물말 속 조류를 이용한 생물학적 수질 정화방법{Methods for Purifying Water in a Biological Manner Using Freshwater Alga Genus Hydrodictyon}
본 발명은 그물말 속 조류(Genus Hydrodictyon)를 활용하여 수질 내 총질소(TN) 및/또는 총인(TP)을 제거하는 방법에 관한 것이다.
산업활동이 활발해 짐에 따라 발생되는 부수적인 문제들 중의 하나는 각종 폐기물의 증가로 인한 환경오염 문제이다. 또한, 선진국화 될수록 삶의 질적 수준 향상을 원하기 때문에 각종 환경오염 규제가 강화되면서 이에 부응하는 신기술의 개발이 지속적으로 요구되고 있다.
최근 환경부는 하천 수질을 개선하기 위해 '수질 및 수생태계보전에 관한 법률' 시행규칙을 개정공포하면서 특히 총인, BOD 및 COD의 규제농도를 대폭 강화하였다(법률 제11690호, 2013년 3월 23일 개정, 환경부(물환경정책과)). 나아가, 조만간에 총질소의 규제농도도 더욱 강화시킬 전망이다. 따라서, 총질소(TN), 총인(TP), 용존 유기물 등을 효과적으로 제거할 수 있도록 하·폐수 처리 공정의 효율을 시급히 제고하여야 한다.
과거 우리나라에서 주로 이용되고 있는 하·폐수 처리공정인 표준활성 슬러지법은 미생물을 이용하여 하수 속의 유기물을 제거시켜 하수를 처리하는 공법이다. 하지만, 표준활성 슬러지 공법으로 하수를 처리하는 우리나라의 대부분의 하수종말처리장의 설계는 유기물 제거만이 고려되어 있고 질소, 인 등과 같은 영양염 제거는 제한적으로만 고려되어 있어 실제 영양염의 제거율은 낮은 실정이었다. 이로 인해, 하천과 호소에 유입되는 질소, 인은 하천의 용존산소 고갈, 호소의 부영양화(eutrophication)를 초래하여 여러 문제를 야기시키고 있기 때문에 국내 하수실정에 맞는 TN, TP 처리 공법 개발이 절실히 필요하다(참고: 코오롱글로벌(주), '하폐수 고도처리 및 핵심요소 기술 보고서'의 서론 부분(2013)).
총질소 및 총인을 제거하는 방법으로는 크게 물리적 방법, 화학적 방법, 생물학적 방법이 있고 이들의 적당한 조합을 통해 수처리 공정을 개발하고 있다. 대표적인 물리적인 방법으로는 막여과(membrane filtration) 방법이 있으나 이는 높은 비용이 요구된다. 화학적인 방법으로는 여러 응집제를 처리하여 활용하는 것인데 비용이 낮게 소요되는 장점이 있으나 제거능력의 한계가 있어 저농도의 질소(10 ppm 이하) 또는 인산(1 ppm 이하) 제거에는 적합하지 못하다. 생물학적인 방법으로는 미생물을 활용하는 것으로서 주로 용존 유기물을 제거하는데 좋은 효과를 거두고 있다. 그런데, 질소 제거를 위해 미생물을 이용하는 경우(질산화(nitrification) 작용과 탈질(denitrification) 작용을 통해 제거하는 방법) 미생물의 활성화를 위해 탄소원으로서 메탄올 또는 아세트산 등을 추가로 공급하여야 하기 때문에 처리비용이 높게 소요될 뿐만 아니라 처리효율도 그다지 높지 못한 실정이다. 한편, 생물학적인 방법으로서 조류(algae)를 이용하는 방법이 검토되어 왔다. 조류는 물속의 영양염(특히 질소, 인산)을 섭취하여 독립영양생장을 주로하기 때문에 햇빛이 충분하면 매우 저렴하게 고효율로 총질소(1 ppm 이하) 및 인산(0.05 ppm 이하)을 제거할 수 있는 장점을 가진다. 아울러, 응집제와 같은 다른 화합물을 사용하지 않기 때문에 친환경적이다. 그러나, 조류를 이용한 수질정화방법이 현장에서 활발히 적용되지 못했던 이유는 몇 가지 단점이 있어왔다. 즉, 조류재배에 상대적으로 높은 부지면적이 요구되고, 단세포성 미세조류를 사용하는 경우 이를 수집하기가 어려워 비용이 많이 들며, 조류의 활발한 생장을 유도하기 위해서는 광이 필요한데 이를 위한 광조사 설비가 필요하여 비용이 높게 소요된다는 점 등이다. 그런데, 수질 규제기준이 강화되면 될수록 조류를 활용한 수질고도처리 기술이 선택될 수 밖에 없는데 그 이유는 물리적, 화학적 방법의 기술적 한계 때문이다. 따라서, 조류 기능의 장점을 최대한 이용하고 아울러 단점을 해결할 수 있는 방안을 강구하여 수질정화기술에 적극 활용토록 하는 방안이 향후 지속적으로 검토되어야 한다.
이를 위한 접근의 하나로서 생장이 빠르고 수집 및 취급이 용이한 조류종(예컨대, 사상조류)을 선택하여 수처리를 하고 이 과정중에 생장된 조류 바이오매스의 재활용도를 높이는 방안이다. 이렇게 하면 수처리 비용을 절감하는데 상당히 기여할 수 있어 실용화를 촉진시킬 수 있고 아울러 조류 생물체 부패로 인한 2차 오염 문제도 해결할 수 있다. 이를 구현하기 위해 본 발명에서는 그물말 속 조류(대표종으로서 그물말)를 선발하여 사용하였다. 그물말(Hydrodictyon reticulatum, HR)은 사상조류에 속하며 독특한 생장 특성을 보유하고 있다(Rohan D. S. Wells and John S. Clayton, New Zealand Journal of Ecology, 25(2): 55-63(2001)). 수질정화 활용 측면에서 무엇보다 장점은 비교적 낮은 영양분 함량조건에서 살면서 생장이 매우 빠르기 때문에 저농도 TN 또는 TP도 용이하게 제거할 수 있고, 세포가 비교적 크기 때문에 배양 후 수집하기가 매우 용이하여 수질정화에 많이 검토되고 있는 단세포성 미세조류(클로렐라, 세네데스무스 등)에 비해 저비용으로 관리할 수 있으며 취급하기 용이하기 때문에 수질정화하는데 여러 가지 방법으로 이를 활용할 수 있는 특징을 가진다.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
본 발명자들은 상술한 종래기술의 문제점 및 당업계의 기술적 요구를 달성하기 위하여, 예의연구 노력하였다. 본 발명은 석유자원의 고갈을 대비한 산업바이오자원의 안정적 확보를 위한 것으로, 간편하고 안정적으로 배양/수득된 그물말 속 조류인 히드로딕티온 레티큘라툼(Hydrodictyon reticulatum, HR) 씨드가 타겟 수(target water; 예컨대, 하폐수, 방류수, 등) 내 영양염(예컨대, 총질소, 총인, 등)의 양을 효과적으로 제거할 수 있을 뿐 아니라, HR 바이오매스의 생산성 증대에 기여할 수 있다는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류(algae)를 이용한 생물학적 수질정화 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 활성화된(activated) 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류(algae)를 이용한 생물학적 수질정화 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 그물말속(Hydrodictyon) 조류(algae)와 단세포성 미세조류(예 클로렐라, 세네데스무스)를 혼합배양하여 효율이 향상된 수질정화방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 타겟 수 내 중금속 제거방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류(algae)를 이용한 생물학적 수질정화 방법을 제공한다:
(a) 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류의 씨드를 유도시키는 단계;
(b) 상기 단계 (a)에서 유도된 그물말 속 조류와 타겟 수(water of interest)를 혼합시켜 배양하는 단계; 및
(c) 상기 단계 (b)의 타겟 수 내 영양염의 양을 측정하는 단계로, 상기 영양염의 양이 원래의 타겟 수 내 영양염의 양과 비교하여 65% 이상 감소하는 것을 특징으로 하는 생물학적 수질정화 방법.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 활성화된(activated) 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류(algae)를 이용한 생물학적 수질정화 방법을 제공한다:
(a) 활성화된 그물말 속 조류(AHR)를 제조하는 단계로, 상기 AHR은 0.5-10 cm 길이의 그물말 속 조류 네트를 수온 15-25℃ 및 광도 10-500 μmolm-2s-1 조건 하에서 탈기된 물 또는 질소와 인산 원소가 함유되지 않은 배지에서 배양하여 제조되고;
(b) 상기 활성화된 그물말 속 조류와 타겟 수(water of interest)를 혼합시켜 배양하는 단계; 및
(c) 상기 단계 (b)의 타겟 수 내 영양염의 양을 측정하는 단계로, 상기 영양염의 양이 원래의 타겟 수 내 영양염의 양과 비교하여 65% 이상 감소하는 것을 특징으로 하는 생물학적 수질정화 방법.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 활성화된(activated) 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류(algae)의 제조방법을 제공한다:
(a) 그물말 속 조류를 배양하여 네트를 형성시키는 단계로, 상기 네트의 길이는 0.5-10.0 cm이고;
(b) 상기 네트를 수온 15-25℃ 및 광도 10-500 μmolm-2s-1 조건에서 배지에 저장시키는 단계.
본 발명자들은 상술한 종래기술의 문제점 및 당업계의 기술적 요구를 달성하기 위하여, 예의연구 노력하였다. 본 발명은 석유자원의 고갈을 대비한 산업바이오자원의 안정적 확보를 위한 것으로, 간편하고 안정적으로 배양/수득된 그물말 속 조류인 히드로딕티온 레티큘라툼(HR) 씨드가 타겟 수(target water; 예컨대, 하폐수, 방류수, 등) 내 영양염(예컨대, 총질소, 총인, 등)의 양을 효과적으로 제거할 수 있을 뿐 아니라, HR 바이오매스의 생산성 증대에 기여할 수 있다는 것을 확인하였다.
워터 네트라고 불리는 그물말 속(Genus Hydrodictyon)은 히드로딕티아세애(Hydrodictyaceae) 과의 녹조류의 한 분류군으로, 원통 모양의 단세포이고 보통 5-6개의 세포가 5각형(pentagonal) 또는 6각형(hexagonal) 모양으로 결합하고 이들이 서로 연결되어 네트(net)을 이루면서 군체 생활 및 부유 생활을 한다.
구체적으로는, 본 발명의 방법은 그물말 속 조류를 배양하면서 수질내 영양염을 효율적으로 제거하기 위한 방법을 제공하고, 각각의 단계 별로 상세하게 설명하면 다음과 같다:
단계 (a): HR 씨드를 제조하는 단계
본 발명의 첫 번째 단계는 수질정화에 활용할 그물말 속 조류의 씨드를 제조하는 단계로서, 상기 그물말 씨드는 네트(net) 해체가 적고 원형 또는 긴 원통형의 형태학적 특성을 갖는 그물말 속 조류 세포군이다.
그물말 속 조류의 씨드는 다단계 배양 과정을 통해 제조될 수 있다.
우선, 그물말 속 조류를 배지가 함유된 제1차 배양조에서 배양하여 그물말 속 제1차 조류 네트(net)를 제조한다.
제1차 배양조에서의 배양은 고밀도 생장을 위한 배양이다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 상기 그물말 속 조류(예컨대, 그물말 속 조류의 소형 씨드)의 적합한 개수(예컨대, 10-1,000개 등)를 배지(예컨대, mDM 배지)를 포함하는 제1차 배양조(하기의 제2차 및 제3차 배양조보다 적은 부피 및 평면 넓이를 가지는 데, 예를 들어 10 L 부피의 0.1 ㎡ 평면 넓이)에 치상하여 1-5일 동안 배양한다. 제1차 배양조 배양에서 이용되는 초기 접종되는 개체는, 구체적으로는 0.5-1.0 cm 크기의 개체이다. 상기 제1차 배양조에서 배양에 의해 제1차 조류 네트를 얻는다. 통상적으로, 0.5-1.5 cm의 매우 작은 그물말 속 조류는 3일 정도 배양하였을 때 약 3-4 cm 크기를 갖는다.
본 명세서에서 제1차 배양을 언급하면서 사용되는 용어 "고밀도"는 배양조 0.1 ㎡ 평면 넓이를 기준으로 하여, 50-200개 네트, 바람직하게는 60-150개 네트, 보다 바람직하게는 70-130개 네트, 가장 바람직하게는 90-110개 네트를 치상하여 배양하는 것을 의미한다.
이어, 배지가 함유된 제2차 배양조에 상기 제1차 조류 네트를 치상하여 조류 네트를 저밀도로 성장시켜 제2차 조류 네트를 제조한다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 상기 제1차 조류 네트의 적합한 개수(예컨대, 60-150개, 70-130개, 90-110개, 등)를 배지(예컨대, 50-350 ppm의 소듐 바이카보네이트 포함하는 mDM 배지)를 포함하는 제2차 배양조(예를 들어 100 L 부피의 1.5 ㎡ 평면 넓이)에 치상하여 2-4일 동안 배양한다.
제2차 배양조에서의 배양은, 적정배지에서 그물말 속 조류를 저밀도로 신속히 성장시켜 건실한 씨드를 형성하기 위한 배양 과정이다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 제2차 배양조 배양에서 이용되는 적정배지는 SBC(sodium bicarbonate)가 보충된 mDM를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명에서 보충되는 SBC의 양은 10-400 ppm, 보다 구체적으로는 30-380 ppm, 보다 더 구체적으로는 50-350 ppm이다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 상기 제1차 조류 네트의 적합한 개수(예컨대, 10-100개)를 배지(예컨대, 50 ppm의 소듐 바이카보네이트 포함하는 mDM 배지)를 포함하는 제2차 배양조(예를 들어 100 L 부피의 1.5 ㎡ 평면 넓이)에 치상하여 2-5일 동안 배양한다.
제2차 배양조에서의 배양은 조류 네트를 저밀도로 성장시켜 실시된다. 본 명세서에서 제2차 배양을 언급하면서 사용되는 용어 "저밀도"는 배양조 1.5 ㎡ 평면 넓이를 기준으로 하여, 10-100개 네트, 구체적으로는 20-80개, 보다 구체적으로는 30-70개, 보다 더 구체적으로는 40-50개 네트를 치상하여 배양하는 것을 의미한다. 배양 시의 조류 네트 수는 네트 크기가 다름에 따라 선택적으로 결정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상술한 제2차 배양조에서의 배양에 의해 제2차 조류 네트를 얻으며, 보다 구체적으로는 제2차 조류 네트는 통상적으로 약 10-20 cm 크기를 갖는다.
이후, 배지가 함유된 제3차 배양조에 상기 제2차 조류 네트 또는 야외에서 수집한 비슷한 크기의 그물말 속 조류를 치상하여 조류 네트를 저밀도로 성장시켜 그물말 속 조류의 씨드를 유도하여 수득한다. 본 명세서에서 제3차 배양을 언급하면서 사용되는 용어 "저밀도"는 배양조 1.5 ㎡ 평면 넓이를 기준으로 하여 약 10-20 cm 크기의 조류를 배양할 때 5-60개 네트, 보다 구체적으로는 5-50개 네트, 보다 더 구체적으로는 20-40개 네트를 치상하여 배양하는 것을 의미한다. 또한, 배양시의 조류 네트 수는 네트 크기가 다름에 따라 당업자에 의해 자유롭게 조정될 수 있음은 자명하다.
제3차 배양조의 배양은 적절한 배지(예컨대, mDM)에서 추가적으로 배양하여 정상 씨드(normal seed)를 유도하기 위한 배양이다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 상기 제2차 조류 네트의 적합한 개수(예컨대, 5-50개, 10-50개, 10-30개, 등)를 배지(예컨대, mDM 배지)를 포함하는 제3차 배양조(예를 들어 100 L 부피의 1.5 ㎡ 평면 넓이)에 치상하여 3-5일 동안 배양하여 씨드를 수득한다.
한편, 교반 배양을 이용하는 순환배양조(예를 들어, 100 L 부피의 0.65 ㎡ 평면 넓이, 물 깊이 15 cm)의 경우 약 10-20 cm 크기의 조류 네트 5-50개를 접종하여 씨드를 유도할 수 있다. 또한, 배양액의 부피 또는 조류 네트 접종 수는 상황에 따라 선택적으로 조정될 수 있다.
일반적으로 상술한 세 단계 과정을 통하여 그물말 속 조류의 씨드를 수득하지만 야외에서 성장이 진행된 개체는 두 단계 또는 한 단계 배양을 통해서도 씨드를 수득할 수 있다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 방법을 통해 얻어진 HR 씨드는 개체(네트) 단위로 0.1-2.5 cm의 길이를 가지고, 보다 구체적으로는 0.3-2.0 cm의 길이를 가지며, 보다 더 구체적으로는 0.5-1.5 cm의 길이를 가진다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 그물말 속 씨드는 15℃ 이하의 저온에 보관되며, 보다 구체적으로는 4-15℃의 저온에 보관된다.
또한, 상기 얻어진 그물말 속 조류의 씨드 또는 씨드가 성장하여 1-10 cm 네트길이가 된 개체를 이용하여 활성화된(activated) 그물말 속 조류를 얻을 수 있다. 본 발명의 활성화된 그물말 속 조류는 상술한 단계 배양(예컨대, 제1단계, 제2단계 또는 제3단계)을 통해 얻어진 그물말 속 조류 씨드나 이들 씨드가 성장하여 1-10 cm 네트 길이가 된 개체들을 탈기한 수돗물 또는 질소와 인산과 같은 일부 영양분이 결핍된 배지에 적정 밀도(2 L에 탈수생체중 기준으로 3-20 g)로 접종하여 수온 15-25℃, 6-18시간 광주기 및 10-500 μmol m-2s-1의 광도 조건에서 2일 내지 30일 동안 배양하여 저장시킴으로써 제조될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어 "활성화된 그물말 조류(Activated HR, AHR)"는 그물말 속 조류를 특수한 조건에 전처리함으로써 보다 빠른 속도로 TN 또는 TP를 체내에 흡수토록 하는 기능이 부여된 그물말 조류로서 수질을 보다 신속히 정화시키는 효과를 나타낸다.
단계 (b): 접종 및 배양하는 단계
이어, 상기 그물말 속 조류의 씨드 또는 활성화된 그물말 조류를 배지에 접종 및 배양한다.
단계 (a)에서 얻어진 그물말 속 조류를 이용하여 실제적으로 수질을 정화하는 단계로서 수질정화 효율을 높이기 위해 여러 기술이 동원된다.
본 발명에 따르면, 그물말 속 조류의 배양은 여러 모양의 수조에 상기 단계 (a)의 배지를 1회 이상 공급하면서 특별한 용액 교반장치 없이도 배양할 수 있으나, 평면 타입의 배양조(예를 들어, 바닥에 열선을 깔아 저온시 수온을 높여주는 장치를 포함하는 배양조) 또는 순환배양조에 낮은 속도로 용액을 교반하면서 배양한다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 상기 그물말 속 조류를 교반장치를 설치한 배양조에 배양하는 경우 약 35% 증가된 탈수생체중을 나타낸다. 이는 교반처리로 인해 양분 이용의 효율이 더 높거나 수중 환경조건이 더 좋아졌기 때문으로 추측된다(참고: 표 13)
본 명세서에서 사용되는 용어 "탈수생체중"은 본 발명의 방법에 따라 배양한 그물말 속 조류를 수득하여 탈수한 그물말 속 조류의 무게를 의미한다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 수질정화를 위한 그물말 속 조류의 적정 접종밀도는 0.5-15 g/0.1 ㎡ 탈수생체중이고, 보다 구체적으로는, 1-10 g/0.1 ㎡ 탈수생체중이고, 보다 더 구체적으로는, 2-7 g/0.1 ㎡ 탈수생체중이다(참고: 표 2, 표 11, 표 12 또는 표 13).
본 발명의 그물말 속 조류의 배양은 배지 온도, pH, 광주기, 질소원 함량, 탄소원 함량 및 인산 함량을 조절하여 실시할 수 있다.
구체적으로는, 본 발명의 그물말 속 조류를 배지에 접종 및 배양하는 경우 10-40℃ 온도 범위에서 실시한다. 본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명에서의 배양은 15-38℃ 온도 범위에서 실시하고, 보다 바람직하게는, 25-30℃ 온도범위에서 실시한다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 그물말속 조류를 배지에 접종 및 배양하는 경우, 주간 또는 야간 배양온도는 20℃ 이상이 적절하며, 보다 더 구체적으로는, 상기 주간 배양온도는 25-40℃ 범위이고, 상기 야간 배양온도는 20-35℃ 범위이다. 가장 구체적으로는, 상기 주간 배양온도는 25-35℃ 범위이고, 상기 야간 배양 온도는 20-30℃이다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 그물말속 조류를 배지에 접종 및 배양하는 경우, 배지의 pH는 pH 7.0 내지 pH 12.0이 적합하며, 보다 구체적으로는 pH 8.0 내지 11.0이 적합하고, 가장 구체적으로는, pH 9.0 내지 pH 10.5이다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 그물말 속 조류를 pH가 다른 배지에 접종했을 때, TP 제거가 매우 신속하게 진행되었는데 pH 10.5과 pH 7.5 처리간의 차이가 크지 않았지만 TN 제거율과 생장량은 pH 7.5에서보다 pH 10.5 배양에서 현저히 높았다(참고: 도 5 및 표 12).
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 그물말속 조류의 우량 씨드를 배지에 접종 및 배양하는 경우, 상기 배양의 광주기는 연속 명조건을 제외할 경우 광주기 시간이 길수록 생장량이 증가한다. 보다 구체적으로는 상기 배양은 6-20시간의 광주기 조건이고, 보다 더 구체적으로는, 6-18시간의 광주기 조건이다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 방법은 영양염 제거 효율을 증진시키기 위한 전처리 단계(pre-b 단계)를 추가적으로 포함할 수 있다.
예를 들어, 폐수 내 탄소원이 부족할 경우엔 그물말 속 조류의 생장속도가 너무 느려져 TN 및 TP의 제거효율이 떨어질 수 있는 데, 이때 탄소원을 추가적으로 첨가한다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 단계 (b)는 탄소원으로서 바이카보네이트(소듐 또는 포타슘), 카보네이트(소듐 또는 포타슘) 또는 카본 다이옥사이드를 추가적으로 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명에서 이용될 수 있는 탄소원의 농도는 1-500 ppm 농도 범위이고, 보다 구체적으로는 10-450 ppm 농도 범위이며, 보다 더 구체적으로는 30-400 ppm 농도 범위이고, 보다 더욱 더 구체적으로는 50-350 ppm 농도 범위이다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 14시간 광주기 조건 하에 소듐 바이카보네이트를 100 ppm 또는 300 ppm 추가적으로 배지 내에 첨가한 경우, 동일한 조건에서 소듐 바이카보네이트를 추가적으로 첨가하지 않은 경우(또는 400 ppm을 첨가한 경우)와 비교하여, 생장량이 증가할 뿐 아니라 TN 또는 TP 함량이 90% 이상 감소하였다(참고: 표 14).
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 그물말 속 조류를 배지에 접종 및 배양하는 경우, 상기 배양은 10-1,500 μmolm-2s-1 광도 조건하에서 실시하며, 보다 구체적으로는, 30-1,000 μmolm-2s-1 광도 조건 하에서 실시하고, 보다 더 구체적으로는 50-800 μmolm-2s-1 광도 조건 하에서 실시한다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 방법에서 이용될 수 있는 그물말 속 조류는 히드로딕티온 레티큘라툼(Hydrodictyon reticulatum), 히드로딕티온 아프리카눔(Hydrodictyon africanum) 및 히드로딕티온 파테내포르메(Hydrodictyon patenaeforme)로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 조류를 포함하고, 보다 구체적으로는 히드로딕티온 레티큘라툼을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 배양 중에 조류의 밀도가 지나치게 높으면 생장이 억제되면서 TN 및 TP의 소모능력이 낮아진다. 또한, 지나치게 밀도가 낮으면 타 미생물 또는 미세조류가 번무하여 원하는 처리효과를 거둘 수 없다. 따라서, 2-4일 간격으로 과밀도의 그물말을 건지개 등으로 건지거나, 부족할 경우엔 그물말 씨드를 접종하여 배양조의 그물말 밀도가 5 L에 1-20 g을 유지하도록(보다 구체적으로는, 5 L에 2-5 g) 관리한다. 이를 위한 적절한 장치를 배양조에 설치하여 운용함으로써, 연속처리도 가능하다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 단계 (b)는 그물말 속 조류 또는 활성화된 그물말 속 조류의 밀도 조절을 통해 반복적으로 실시할 수 있다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 그물말 속 조류의 배양은 그물망을 이용하여 실시한다.
본 발명의 그물말 속 조류는 통상적으로 탄소원 및 질소원을 포함하는 배지에서 배양한다. 상기 배지는 녹조류 배양에 자주 쓰이는 알렌 배지(Allens medium), BG11, Waris-H, BBM(Bolds Basal Medium), CM(Modified Closterium Medium, Watanabe 등, 2000, NIES Collection List of Strains. Sixth Edition. 2000. Microalgae and Protozoa), DM(Diatom Medium), 변형 DM(modified DM; mDM), HR-v1 또는 AW-v1를 이용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 배지는 mDM을 이용하고, 상기 배지는 증류수, 탈기한 수돗물 이외에 빗물, 지하수, 방류수, 하천수, 인공하수, 하폐수 등으로부터 선택되는 1종 이상의 물을 이용하여 조제될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 그물말을 이용한 수질정화 실험 시 적합한 타겟 수는 TN 및 TP가 각각 20 ppm 및 5 ppm 이하의 수질을 가진 물이 바람직하지만 그 이상 농도의 폐수는 저농도 영양염의 물로 희석한 후 처리할 수 있다.
또한, 수질정화 시 적용할 수 있는 장소는 여러 크기의 수조, 평면배양조, 수로형(raceway) 순환배양조, 평면배양조(tray), 웅덩이 및 호소 등에서 실시할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 그물말 속 조류 또는 이와 미세조류와의 혼합 조류의 밀도는 670 nm에서 0.005-0.2 OD(optical density) 범위이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 배양은 5-20 rpm/min의 속도로 교반하는 순환기를 이용하여 배양한다.
본 발명의 그물말 속 조류의 배지는 규소 및 비타민을 필수적으로 포함하지 않는다.
본 발명의 그물말 속 조류는 알카리성 용액에서 더 잘 자라는 특성이 있으므로 배지의 알카리성을 조절해주기 위해 NaOH 이외에 KOH 또는 메타규산 나트륨(Sodium metasilicate)를 적정량 추가하여 배양하는 것이 바람직하다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 그물말 속 조류는 타겟 수 내 영양염(예컨대, 총질소 또는 총인)의 농도를 현저하게 감소시키고, 보다 구체적으로는 비처리군과 비교하여 65% 이상 감소시킨다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 그물말 속 조류 또는 활성화된 그물말 속 조류는 상기 조류와 공존 가능한 미세조류인 클로렐라(Chlorella) 또는 세네데스무스(Scenedesmus)와 혼합하여 배양함으로써 그물말 속 조류 또는 활성화된 그물말 속 조류의 효과(예컨대, 총질소 및 총인의 감소, 조류 성장의 증대를 통한 글루코오스 함량 증가, 등)를 더욱 증진시킬 수 있다. 미세조류를 혼합하는 방법은 당업계에 알려진 어떠한 방법도 이용 가능하며, 예를 들어 단세포를 배양액에 부유시켜 접종하거나, 미세조류를 칼슘 알기네이트(calcium alginate)에 고정(immobilization) 시켜서 혼합배양할 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 미세조류를 이용하여 수질정화를 실시하면 TN 및 TP가 거의 90%이상 제거되어 여러 용도의 물로 재활용될 수 있는데, 그물말 속 조류 씨드 생산을 위해서도 상기와 같이 처리된 물을 사용할 수 있다. 하지만, 때에 따라 수처리 과정중에 스트레스가 부여되는 환경조건에서는 조류에서 유기물 분비가 많아져 TOC값이 낮아지지 않는 사례가 생기는데 이 경우에는 미세조류 정화 배출수에 UV 또는 NaClO 등을 처리하여 잔존 유기물을 산화시키는 공정을 접목하여 수처리하도록 한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류(algae) 건조체를 이용한 타겟 수(water of interest) 내 중금속 제거방법을 제공한다:
(a) 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류의 씨드를 유도시키는 단계;
(b) 상기 단계 (a)에서 유도된 그물말 속 조류의 씨드를 세척하여 건조체를 제조하는 단계로, 상기 세척은 산 용액 또는 알카리 용액, 그리고 증류수를 이용하여 실시하고; 및
(c) 상기 단계 (b)에서 제조된 조류 건조체를 타겟 수와 혼합시키는 단계로, 상기 타겟 수 내 중금속의 양이 원래의 타겟 수 내 중금속의 양과 비교하여 90% 이상 감소하는 것을 특징으로 하는 타겟 수 내 중금속 제거방법.
본 발명의 중금속 제거방법은 '그물말 속 조류 또는 활성화된 그물말 속 조류의 씨드'를 이용하기 때문에, 본 명세서의 불필요한 반복 기재에 의한 과도한 복잡성을 피하기 위하여 공통 사항은 그 기재를 생략한다.
상술한 그물말 속 조류 바이오매스는 산 또는 알카리 용액에 세척한 다음 건조시키고 필요에 따라 분말화시킨다. 그물말 건조체 또는 이의 분말을 처리하고자 하는 타겟 수(예컨대, 하폐수)에 일정 시간 동안 담궜다 꺼내면 그물말 바이오매스에 중금속이 흡착되어 폐수정화 효과를 거둘 수 있다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 그물말 속 조류의 건조체는 활성화된 그물말 속 조류의 건조체일 수 있으며, 상기 건조체는 상기 조류와 공존 가능한 미세조류인 클로렐라 또는 세네데스무스와 혼합하여 배양물의 건조체일 수 있다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 타겟 수는 하폐수, 인공하수, 지하수, 방류수, 하천수, 수돗물 및 빗물을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 어떤 구현예에 따르면, 본 발명의 방법에 의해 제거될 수 있는 중금속은 구리, 코발트, 납, 아연, 카드뮴, 크롬, 수은 및 납을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(a) 본 발명은 그물말 속 조류 또는 활성화된 그물말 속 조류를 이용한 생물학적 수질정화 방법 또는 이의 제조방법에 관한 것이다.
(b) 본 발명의 조류는 생장이 빠르고 취급 및 수집하기가 용이하여 종래의 방법보다 경제적이고 진환경적으로 총질소/총인을 제거시킬 수 있을 뿐 아니라 전처리 또는 다른 종류의 조류종과 혼합배양을 통해 여러 가지 형태의(평면배양조, 순환배양조, 망사배양, 기타 시스템) 수질정화 시스템에 활용할 수 있다.
(c) 또한, 본 발명의 방법은 조류 배양시 폐 이산화탄소를 공급하여 키울 수도 있어 폐기물 처리비용 등의 사회적 간접비용 절감에 기여할 수 있을 뿐 아니라, 수질처리 이후에 생산된 바이오매스는 바이오화학산업체의 원료물질 공급원으로 사용되어 경제적 이익을 창출할 수 있다.
(d) 따라서, 본 발명은 수처리 시장, CDM사업, 바이오매스 시장, 발효원료 시장, 바이오연료, 바이오플라스틱과 같은 재생 화학물질 시장등으로의 진출에 직간접적으로 기여함으로서 환경/자원고갈/산업발전이 종합적으로 고려된 진정한 의미의 녹색성장기술 확립의 초석이 될 것이다.
도 1은 인공하수에서 배양된 중형 HR의 초기밀도에 따른 TN 감소 차이를 보여주는 도면이다.
도 2는 인공하수에서 배양된 중형 HR의 초기밀도에 따른 TP 감소 차이를 보여주는 도면이다.
도 3은 인공하수에서 배양된 대형 HR의 초기밀도에 따른 TN 감소 차이를 보여주는 도면이다.
도 4는 인공하수에서 배양된 대형 HR의 초기밀도에 따른 TP 감소 차이를 보여주는 도면이다.
도 5는 pH에 따른 HR의 성장 및 TN/TP 제거 효과 차이를 보여주는 도면이다.
도 6은 교반 배양에 따른 HR의 성장 및 TN/TP 제거 효과 차이를 보여주는 도면이다.
도 7은 그물망 배양에 따른 TN/TP 제거 효과 차이를 보여주는 도면이다.
도 8은 AHR와 NHR 배양간의 TN/TP 제거효과를 보여주는 도면이다.
도 9는 AHR의 초기 배양밀도에 따른 TN 감소차이를 보여주는 도면이다.
도 10은 AHR의 초기 배양밀도에 따른 TP 감소차이를 보여주는 도면이다.
도 11은 여러 배지조성하에 15℃/14일 저장을 통해 제조된 AHR의 TN/TP 제거효과를 보여주는 도면이다.
도 12는 여러 배지조성하에 25℃/3일 저장을(10 g/2 L) 통해 제조된 AHR의 TN/TP 제거효과를 보여주는 도면이다.
도 13은 여러 배지조성하에 25℃/3일 저장을(3 g/2 L) 통해 제조된 AHR의 TN/TP 제거효과를 보여주는 도면이다.
도 14는 N/P 처리를 통한 AHR 제조시의 접종밀도가 수질정화 과정중의 TN, TP 제거효과를 보여주는 도면이다.
도 15는 고농도 미세조류(SceMx 또는 Chl)와 HR의 혼합배양에 따른 TN 제거효과를 보여주는 도면이다.
도 16은 고농도 미세조류(SceMx 또는 Chl)와 HR의 혼합배양에 따른 TP 제거효과를 보여주는 도면이다.
도 17은 저농도 Chl와 HR의 혼합배양에 따른 TN/TP 제거효과를 보여주는 도면이다.
도 18은 저농도 SceMx와 HR 1g의 혼합배양에 따른 TN/TP 제거효과를 보여주는 도면이다.
도 19는 저농도 SceMx(OD 0.02) 와 HR 3g의 혼합배양에 따른 TP 제거효과를 보여주는 도면이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
실시예 1: 그물말 속(Hydrodictyon) 조류의 씨드(seed) 대량생산방법
그물말 조류(HR)의 경우 한개의 세포가 생장을 하여 성장하면 그 후 딸세포 수십-수만개가 모여 네트로 이루어진 씨드가 성장세포로부터 형성되는데 그 작은 네트의 모양이 원형부터 원통형에 이르기까지 여러 가지로 존재한다. 그런데, 씨드 생산시 개체밀도가 높거나 생장환경이 불량하며 배지의 영양분 수준이 적정하지 않을 경우 씨드 자체가 만들어지지 않기 때문에 HR(hydrodictyon reticulatum)을 수질정화에 활용코자 할 경우엔 우선 사용될 씨드의 대량생산 기술이 먼저 확보되어야 한다. 따라서, 본 실험에서는 그물말 속 조류의 씨드를 대량으로 생산하기 위한 적정 방법을 확립하고자 하였다.
1-1. 평면 배양조에서의 다단계 배양에 따른 HR 씨드 유도
하폐수의 총질소 및 총인을 제거하기 위한 수질정화는 비멸균 조건에서 수행하기 때문에 다른 생물(예컨대, 혼입 미세조류, 박테리아, 해충, 등)의 간섭을 최소화시키기 위해 일정 정도 이상의 HR 밀도를 유지시키는 것이 바람직하기 때문에 외부에서 새로운 씨드를 공급하는 방안이 필요하다. 한편, 씨드 유도시에도 비멸균 조건의 수돗물, 빗물, 하폐수, 등을 이용하기 때문에 타 생물의 혼입 및 간섭을 최대한 막아야 한다. 이를 위해서는 한 번의 배지공급으로 단일 배양조에서 씨드를 일괄적으로 유도하기보다는 단계를 나누어 순차적으로 배양하면서 씨드를 유도하는 방안이 더욱 바람직하였다.
보다 큰 규모로 HR 씨드를 생산하기 위하여 두 단계(two-step) 배양을 실시하였다. 먼저, 탈기(deaeration)한 수돗물로 제조한 1X mDM+SBC50(대한민국 특허출원 10-2012-0091973) 배지를 자체 제작한 소형 트레이(1.5 m2/100L)에 담고 2-3 cm 크기의 HR을 다량 접종하여 3일 동안 배양시켰다(1차 배양 단계). 소형 트레이에서 3일 동안 생장한 HR(약 5-7 cm 길이)을 탈기한 수돗물로 제조한 1X mDM+SBC50 배지가 담긴 대형 트레이(자체 제작, 6.48 m2/500L)에 100개씩 옮겨 배양하였다. 그 결과, 초기 접종 후 7일째 30%, 9일째 90-95%의 씨드 유도가 이루어 졌으며 11일째에 수집하기에 적당한 크기로(약 0.5-1.5 cm) 생장하였다. 한 개의 대형 트레이로부터 탈수생체중(fresh weight) 기준으로 약 600 g의 HR 씨드를 얻을 수 있었다.
한편, 아주 작은 씨드로부터 양호한 생장조건을 제공하여 우량씨드를 보다 효율적으로 유도하기 위해서는 3단계 배양이 바람직할 것으로 생각되었는바, 이를 입증하기 위해 세 단계(three-step) 배양으로 HR 씨드 유도를 실시하였다. 실험에 사용한 HR은 크기가 0.5-1.0 cm로서 아주 어린 것을 사용하였다. 각 단계에 사용된 배지 종류와 배양기간은 아래 결과 표 1에 나타낸 바와 같다. 그 결과, 예측된바와 같이 초기 접종 후 10일 만에 보다 효율적으로 HR 씨드를 생산할 수 있었다(표 1). 즉, 1단계에서는 HR 씨드를 고밀도로 2-3일 동안 생장시켜(HR seed 2-4 cm) 형태적으로 우수한 개체를 선발하도록 하고, 2단계에서는 적정배지에 가능한 한 저밀도 배양을 3-4일 동안 지속하면서 HR을 신속히 성장시켜 우량개체를 선발하고, 3차 배양에서는 이들을 3일 내외 배양하면서 정상 씨드를 유도하도록 하는 전략이 바람직하였다.
평면 배양조에서의 다단계 배양에 따른 HR 씨드 유도.
배양단계 접종후 일자
(DAI) 		HR 생장 및 seed 유도율 1)
1st step,
100 ea/10 L		 0 0.5-1.0 cm
3 3.0-4.0 cm
2nd step,
40 ea/100 L		 0 3.0-4.0 cm
3 15±2 cm, 0% seed induction
3rd step,
40 ea/100 L		 0 15±2 cm, 0% seed induction
2 85% seed induction, Normal type
3 100% seed induction, Normal type
4 탈수생체중 기준으로 약 400 g의 우량 seed 수확(seed 길이는 0.5-1.5 cm)
1) 사용한 배지가 1, 2, 3 단계배양시 각각 1x mDMV, 1x mDM+SBC 50, 1x mDM이었다.
한편, 야외에서 자라 네트 길이가 15-20 cm 이상되는 것들은 탈기된 수돗물로 조제된 1x mDM+SBC 50 배지를 이용하였을 때, 한번의 배양으로도 우수한 씨드가 유도되었다. 따라서, 아주 어린 개체를 이용하여 씨드를 유도하고자 할 경우엔 2-3단계 배양을 통해서, 이미 상당히 성장한 개체를 이용할 경우에는 1단계 배양을 통해서 씨드를 대량생산할 수 있으며 특히 일정 면적 내 HR 배양 개체수가 적을 경우 원통형의 우량 씨드가 만들어지지만 밀도가 상대적으로 높으면 원형의 작은 씨드가 만들어지는 경향을 관찰하였다. 그렇기 때문에 배양조건을 조절함으로서 씨드 형태와 생산성을 가감하면서 활용 목적에 부합되는 HR 씨드를 생산할 수 있을 것이다.
1-2. 순환 배양조에서의 HR 씨드 유도
현재 미세조류를 이용한 영얌염 제거에 주로 활용되고 있는 시스템은 하폐수를 순환시키면서 조류로 하여금 영양분을 섭취하도록 하는 방법(raceway pond)을 시행하고 있다. 따라서, 본 발명자들은 본 발명의 시스템에서 HR 씨드를 유도시킬 수 있는 신규한 방안을 개발하고자 하였다.
어린 HR 네트(net; 0.5-1.5 cm)를 1x mDM+SBC50 배지가 10 L 포함된 투명 플라스틱박스에 접종하여 온실에서 3일 동안 키웠다(HR 길이 5-8 cm). 이를 1x mDM+SBC50 배지 100 L가 담긴 소형트레이에 옮겨 4일 동안 2차 배양하였다(HR 길이 10-15 cm). 이차 배양한 HR 개체를 모아 15℃에 보관하면서 씨드 유도용으로 사용하였다. 표면적이 0.643 m2인 소형 순환배양조(세종하이테크, 대전)에 1x mDM+SBC50 배지 200 L를 공급하고 상기와 같이 15℃에서 9일 동안 보관된 HR을 50개 투여하고 온실조건(25-28℃, 14시간 광주기, 7.5 rpm/min)에서 배양하였다. 그 결과, 접종후 2일째 씨드가 유도되기 시작하였으며 4일째 95% 이상 씨드가 유도되었고 네트 길이는 0.5-1.0 cm 정도되었으며 탈수생체중으로 90 g 정도 생산되었다. 씨드 형태는 원형 및 원통형이 혼재해 있었으며 평면배양조에 비해 분균일한 특징을 나타내었다. 따라서, 본 시스템을 가지고 HR을 활용하여 수질정화를 꾀하고자 할 때에는 씨드 생산용 소형장치를 주 반응조에 부착시켜 사용하는 것이 가능하였다.
한편, HR의 경우 수집 및 재접종 작업이 용이하기 때문에 주 반응조에서 씨드 생산과정과 배양 및 수질정화 과정이 번갈아 진행되도록 하는 방법도 추진할 수 있다. 이를 검토하기 위해, 대량 배양조에서 약 10일 키워 바이오매스 수확용으로 최종 확보했던 HR 개체(HR-d46; HR 길이 4-8 cm) 25 g과 15 g(탈수생체중 기준)을 준비한 후 이를 1x mDM+SBC50 배지 100 L가 담긴 소형 순환배양조에 접종하여 온실배양하였다(25-28℃, 14시간 광주기, 7.5 rpm/min). 그 결과, 접종 3일째 두 배양조 모두에서 구형의 씨드가 유도되었으며 접종 4일째 씨드 길이가 A(25 g 처리구) 0.5-1.5 mm, B(15 g 처리구) 0.5-2.5 mm로서 B가 더 큰 것들이 많고 모양도 B에서 장원통형의 것이 상대적으로 많았다. 이는 밀도가 낮음으로 인해 양분 이용효율이 높아 더 빨리 생장했기 때문일 것이다. 접종 4일째 2x mDM(-H)+SBC200이 되도록 양분을 추가 공급하고, 접종 7일후에는 물 6 L 추가한 다음 SBC100을 첨가하여 배양하였다. 접종 9일째 생장한 HR을 모두 수확하여 생체중, 건물중, HR 바이오매스로부터 글루코오스 생산성 등을 평가한 결과 표 2에서와 같이 생산성 및 바이오매스내 탄수화물 축적도 양호한 결과를 보여주었다. 이는 수질내 영양분의 제거가 매우 양호하게 이루어졌음을 의미한다.
순환 배양조에서 HR 씨드 유도와 유도된 씨드로부터 HR 성장.
배양배지
깊이/용량 		초기 생체중
(FW g/0.643 m 2 ) 		HR 성장(g/0.643 m 2 ) 글루코오스
(g/100 g DM)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
15.6 cm/100 L 25 g 327 g 40.88 g 12.50 40.110.47
15.6 cm/100 L 15 g 295 g 34.03 g 11.54 39.232.38
실시예 2: 그물말 속 조류를 이용한 하폐수의 수질정화
1) 인공하수를 이용한 실험
1-1. 실험내용
인공하수와 1x mDM+SBC50 배지간의 HR 생장 및 TN/TP 소모 차이: (1) 배양 초기밀도에 따른 HR 생장과 TN/TP 제거효과; (2) 배양 초기밀도에 따른 HR 생장과 TN/TP 제거효과; 및 (3) 배양 초기밀도에 따른 HR 생장과 TN/TP 제거효과.
하폐수 처리장 방류수 수질과 비슷한 조건의 인공하수를 제조한 다음 이를 이용하여 HR의 생장과 TN/TP 제거능을 여러 조건별로 조사함으로서, HR을 활용한 하폐수 정화 최적기술 개발에 필요한 제반 요인을 설정하고자 실험하였다.
수돗물을 가지고 하기 표 3에서와 같은 조성으로 인공하수를 조제하고 1N NaOH를 이용하여 pH를 9.4로 맞추어 실험에 사용하였다.
인공하수(SWW) 조성 및 농도.
화합물 농도(mg/L, ppm) 화합물 농도(mg/L, ppm)
Glucose(C6H12O6) 6.54 mg/L CaCl22H2O 0.184 mg/L
NH4Cl 22.9 mg/L MgCl26H2O 0.001 mg/L
KH2PO4 4.38 mg/L FeCl36H2O 0.12 mg/L
NaHCO3 100 mg/L ZnCl22H2O 0.001 mg/L
KNO3 43.29 mg/L CuCl22H2O 0.003 mg/L
HR 씨드를 온실조건에서 키워 개체 길이가 0.5-6 cm 되는 것을 직접 사용하거나 또는 일정 크기의 조류를 모아 15℃에 저장하면서(낮은 온도로 인해 생장속도가 매우 낮은 상태) 필요한 시기에 꺼내어 사용하였다. 상기 HR은 다음과 같이 배양하여 사용하였다. 리빙박스에 5 L 배지를 채운 다음 HR을 접종하고 이를 25℃ 항온, 14시간 광주기 및 50-130 μmol m-2s-1 조건의 생육실에서 5-7일 동안 배양하였다.
TN/TP 분석: HR을 인공하수에 배양을 하면서 경시적으로 채취한 배양액 50 mL를 GF/F 필터(Whatman사, 영국)로 여과한 다음 TN/TP 어세이 키트((주)미성 S&I, 대전)를 이용하여 정량하였다.
HR 생장조사: 배양 종료 후 미라클로스(miracloth; Calbiochem사, 독일) 1겹을 이용하여 HR을 수거, 탈수기를 이용하여 탈수시킨 다음 생체중(탈수생체중, FW)을 측정하고 이를 45℃에 2일동안 건조시켜 건조중을 측정하였다.
1-2. 실험결과 및 고찰
① 인공하수와 1x mDM 배지 간의 HR 생장 및 TN/TP 소모 차이:
인공하수(SWW)와 1x mDM+SBC50(DS50) 배지에 HR 씨드를 1 g, 3 g 또는 5 g/0.1 m2 수준으로 접종하고 생육실에서 5일 동안 배양한 후, HR 생장 및 TN/TP 소모 차이를 비교해 보았다. 그 결과, 전반적으로 DS50 배지에서보다 SWW 배지에서 생장이 높은 경향을 나타냈다(표 4). HR 접종 이후 생육증가량의 경우, 본 실험조건에서 초기 접종밀도에 따른 차이가 거의 없었다.
인공하수와 1x mDM+SBC50 배지간의 HR 생장 차이.
배지 빛 강도
(μmolm-2s-1)		 5일 배양 후 HR 성장율1), DW(FW) g/0.1 m2
L2) M2) H2)
SWW-1
SWW-2		 70-110
80-130		 1.16(9.11)
1.22(9.27)		 1.75(12.60)
1.78(13.43)		 1.69(12.00)
1.97(15.00)
DS50-1
DS50-2		 70-110
80-130		 1.18(7.00)
1.18(7.65)		 1.53(9.68)
1.65(10.39)		 1.74(12.04)
1.79(14.21)
1)25℃ 및 14시간 광주기(백색광) 하에서 5일 동안 배양.
2)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: L, 1.0 g; M, 3.0 g; 및 H, 5.0 g.
TN 소모정도의 결과를 보면, 광도가 약간 높은 곳에서 자란 경우 TN 제거율이 높은 경향이었다. SWW에서 배양한 실험의 경우, HR 초기 접종량이 1 g FW일 경우 5일 배양 동안 57-69% TN 제거율을 나타내었는데 초기 접종량이 3 g FW일 경우엔 TN 제거율이 약간 높아져 79-82%의 제거효율을 보였다. 그러나, HR 초기 접종량이 5 g FW일 경우는 3 g FW 접종과 거의 비슷한 TN 제거율을 나타냈다. 따라서, 일정 배양기간 동안의 TN제거율은 조류 초기농도와 밀접한 관련이 있으며 본 실험조건의 경우, HR 초기 접종량이 3 g FW일 때 포화점에 이르는 것으로 확인되었다. DS50에서 배양한 실험의 경우, HR 초기 접종량이 1 g FW일 경우 5일 배양 동안 81.6%의 TN 제거율을 나타내었는데 초기 접종량이 3 g 및 5 g FW일 경우엔 TN 제거율이 각각 65.8-82% 및 68.4-73.7%의 제거효율을 보였다(표 5). 따라서, 상대적으로 질소 함량이 적은 DS배지에서는 HR 초기 접종량이 1 g FW에서도 5일 배양 동안 거의 모든 질소를 소모하는 경향을 나타냈다.
인공하수와 1x mDM+SBC50 배지간의 HR의 TN 제거율.
배지 빛 강도
(μmolm-2s-1)		 5일 배양 후 TN1)(μg/mL; 제거율, %)
비처리 L2) M2) H2)
SWW-1
SWW-2		 70-110
80-130		 12.3(0)
12.3(0)		 5.2(57.7)
3.8(69.1)		 2.6(78.9)
2.2(82.1)		 2.8(77.2)
1.9(84.5)
DS50-1
DS50-2		 70-110
80-130		 3.8(0)
3.8(0)		 0.7(81.6)
0.7(81.6)		 1.3(65.8)
0.7(81.6)		 1.2(68.4)
1.0(73.7)
1)25℃ 및 14시간 광주기(백색광) 하에서 5일 동안 배양.
2)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: L, 1.0 g; M, 3.0 g; 및 H, 5.0 g.
TP 소모정도의 결과를 보면, 광도가 약간 높은 곳에서 자란 경우 TP 제거율이 높은 경향이었다. SWW에서 배양한 실험의 경우, 모든 처리구에서 TP 제거율이 87.4% 이상을 나타내었지만 처리구간에 차이는 없는 경향이었다. DS50에서 배양한 실험의 경우, HR 초기 접종량이 1 g FW일 경우 5일 배양 동안 85.9-90.2% TP 제거율을 나타내었는데 초기 접종량이 3 g 및 5 g FW일 경우엔 TP 제거율이 각각 88.3-91.4% 및 92.0-93.2%의 제거효율을 보였다(표 6). HR 초기밀도가 높을수록 그리고 광도가 높은 곳에서 배양될수록 TP 제거율이 상승하는 경향을 보였다.
인공하수와 1x mDM+SBC50 배지간의 HR의 TP 제거율.
배지 빛 강도
(μmolm-2s-1)		 5일 배양 후 TP1)(μg/mL; 제거율, %)
비처리 L2) M2) H2)
SWW-1
SWW-2		 70-110
80-130		 0.87(0)
0.87(0)		 0.11(87.4)
0.09(89.7)		 0.11(87.4)
0.00(100)		 0.11(87.4)
0.11(87.4)
DS50-1
DS50-2		 70-110
80-130		 1.63(0)
1.63(0)		 0.23(85.9)
0.16(90.2)		 0.19(88.3)
0.14(91.4)		 0.11(93.2)
0.13(92.0)
1)25℃ 및 14시간 광주기(백색광) 하에서 5일 동안 배양.
2)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: L, 1.0 g; M, 3.0 g; 및 H, 5.0 g.
② 배양 초기밀도에 따른 HR 생장과 TN/TP 제거효과(1):
어린 생육단계의 소형 HR 씨드(1-2 cm)를 대상으로 인공하수 내에서 HR 배양 초기밀도에 따른 TN/TP의 감소경향과 바이오매스(biomass) 생산성을 조사하였다. 15℃에 보관된 HR 씨드(1-2 cm)를 다양한 중량으로 준비한 다음 인공하수 5 L가 함유된 리빙박스에 투입하고 생육실(25℃ 항온, 12시간 광주기, 80-130 μmol m-2s-1)에서 7일 동안 배양하였다.
그 결과, 초기 투입된 소형 HR 생체 1, 3, 5 및 10 g으로부터 7일 동안 순수하게 증가된 각각 처리구의 생체중량은 10.22, 9.69, 11.95 및 11.76 g으로서 처리구간에 큰 차이가 없었다. 그러나, 초기 투입된 HR 생체 20, 30 및 40 g으로부터 7일 동안 순수하게 증가된 각각 처리구의 생체중량은 5.26, 7.58 및 7.77 g으로서 저밀도 처리보다는 적게 생장되었다(표 7). 이는 20 g 이상의 고밀도에서는 광투입이 불량하여 생장에 장애가 일어났기 때문일 수 있다. 생체중 대비 건물 비율은 초기 투입된 HR 생체량이 3 g 이상에서부터 초기 생체량이 증가될수록 낮아지는 경향이었다.
인공하수에서 배양된 소형(small) HR의 초기 밀도에 따른 생장차이.
배지 초기 생체중
(g/0.1 m2)1) 		HR 성장 (g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
SWW 1(SL) 11.220.91 1.440.18 12.8
SWW 3(SM) 12.690.50 1.780.06 14.0
SWW 5(SH) 16.951.29 2.240.08 13.2
SWW 10 21.760.00 2.870.00 13.2
SWW 20 25.260.00 3.240.00 12.8
SWW 30 37.580.00 4.370.00 11.6
SWW 40 47.770.00 5.320.00 11.1
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: SL, 1 g; SM, 3 g; 및 SH, 5 g.
2)25℃ 및 12시간 광주기(백색광, 80-130 μmol m-2s-1) 하에서 5일 동안 배양.
TN 소모정도의 결과를 보면, 일정 배양기간(초기 5일) 동안의 TN제거율은 조류 초기농도와 밀접한 관련이 있어 조류 초기농도가 높을 경우 제거율이 높았지만 5일 이후는 TN의 지속적 감소가 관찰되지 않았다(표 8). 소형 HR은 중대형 HR보다 TN 제거 속도가 늦은 경향이었다.
인공하수에서 배양된 small HR의 초기밀도에 따른 TN 감소 차이.
SWW 배지 내 초기 생체중 (g/0.1 m2)1) 배양 후 TN 함량(μg/mL; 제거율, %)
0d 1d 2d 3d 4d 5d 6d 7d
0 12.70 11.95 11.25 11.85 12.00 12.70 11.90 11.70
1(SL) 10.60
(11.3%)		 8.25
(26.7%)		 7.65
(35.4%)		 5.12
(57.3%)		 3.95
(68.9%)		 2.93
(75.4%)		 1.58
(86.5%)
3(SM) 8.80
(26.4%)		 6.80
(39.6%)		 5.36
(54.8%)		 4.39
(63.5%)		 3.76
(70.4%)		 2.66
(77.7%)		 1.86
(84.2%)
5(SH) 7.45
(37.7%)		 6.35
(43.6%)		 4.40
(62.9%)		 3.43
(71.5%)		 2.15
(83.1%)		 1.26
(89.5%)		 1.07
(90.9%)
10 7.5
(37.2%)		 6.3
(44.0%)		 4.31
(63.6%)		 2.86
(76.2%)		 2.10
(83.5%)		 1.49
(87.5%)		 1.22
(89.6%)
20 7.2
(39.8%)		 5.8
(48.4%)		 4.15
(65.0%)		 3.98
(66.8%)		 2.57
(79.8%)		 2.12
(82.2%)		 1.70
(85.5%)
30 6.5
(45.6%)		 4.3
(61.8%)		 2.80
(76.4%)		 2.66
(77.8%)		 2.03
(84.0%)		 1.86
(84.4%)		 2.04
(82.6%)
40 6.1
(49.0%)		 4.0
(64.4%)		 2.95
(75.1%)		 2.86
(76.2%)		 2.49
(80.4%)		 1.96
(83.5%)		 2.06
(82.4%)
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: SL, 1 g; SM, 3 g; 및 SH, 5 g.
2)25℃ 및 12시간 광주기(백색광, 80-130 μmol m-2s-1) 하에서 7일 동안 배양.
TP 소모정도의 결과를 보면, TN과는 달리 조류 초기농도와 일정한 관련이 관찰되지 않았다(표 9). 20 g 이상의 고밀도 배양보다 1 g의 저밀도 배양에서 TP 제거효과가 더 우수한 경향을 보였다. 1-5 g 밀도 배양시 배양 3-4일 이후 TP의 최저점에 이르렀다.
인공하수에서 배양된 소형 HR의 초기밀도에 따른 TP 감소 차이.
SWW 배지 내 초기 생체중(g/0.1m2)1) 배양 후 TP 함량(μg/mL; 제거율, %)
0d 1d 2d 3d 4d 5d 6d 7d
0 0.97 1.04 1.02 1.07 1.16 1.09 1.17 1.14
1(SL) 0.82
(21.3%)		 0.40
(60.6%)		 0.13
(87.8%)		 0.09
(92.2%)		 0.11
(89.9%)		 0.07
(94.4%)		 0.11
(90.4%)
3(SM) 0.58
(44.0%)		 0.39
(61.6%)		 0.33
(69.5%)		 0.19
(83.6%)		 0.19
(82.5%)		 0.22
(81.6%)		 0.22
(80.7%)
5(SH) 0.47
(55.1%)		 0.31
(70.0%)		 0.18
(83.6%)		 0.20
(82.8%)		 0.18
(83.4%)		 0.24
(79.5%)		 0.19
(83.8%)
10 0.56
(45.9%)		 0.31
(69.5%)		 0.28
(73.7%)		 0.20
(82.8%)		 0.17
(84.3%)		 0.31
(73.5%)		 0.37
(67.5%)
20 0.77
(25.6%)		 0.49
(51.7%)		 0.28
(73.7%)		 0.26
(77.6%)		 0.36
(66.8%)		 0.55
(53.0%)		 0.48
(57.9%)
30 0.64
(38.2%)		 0.46
(54.7%)		 0.24
(77.5%)		 0.26
(77.6%)		 0.30
(72.4%)		 0.51
(56.4%)		 0.27
(76.3%)
40 0.98
(5.3%)		 0.54
(46.8%)		 0.29
(72.8%)		 0.30
(74.1%)		 0.50
(53.9%)		 0.67
(42.7%)		 0.46
(59.7%)
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: SL, 1 g; SM, 3 g; 및 SH, 5 g.
2)25℃ 및 12시간 광주기(백색광, 80-130 μmol m-2s-1) 하에서 7일 동안 배양.
③ 배양 초기밀도에 따른 HR 생장과 TN/TP 제거효과(2):
중형 HR 씨드(2-4 cm)를 대상으로 인공하수 내에서 HR 배양 초기밀도에 따른 TN/TP의 감소경향과 바이오매스 생산성을 조사하였다. 15℃에 보관된 HR 씨드(2-4 cm)를 여러 무게로 준비한 다음 인공하수 5 L가 함유된 리빙박스에 투입하고 생육실(25℃ 항온, 12시간 광주기, 80-130 μmol m-2s-1)에서 7일 동안 배양하였다.
그 결과, 초기 투입된 중형 HR 생체 1, 3 및 5 g으로부터 7일 동안 순수하게 증가된 각각 처리구의 생체중량은 11.3, 14.2 및 14.1 g으로서 초기 처리 투입된 량이 3-5 g일 때가 1 g 투입될 때보다 높은 경향이었다. 생체중 대비 건물 비율은 초기 투입된 HR 생체량이 증가될수록 낮아지는 경향이었다(표 10). 소형 HR보다는 생장량이 높았다.
인공하수에서 배양된 중형 HR의 초기밀도에 따른 생장차이.
배지 초기 생체중
(g/0.1 m2)1) 		HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
SWW 1(ML) 12.32±0.20 1.61±0.03 13.1
SWW 3(MM) 17.15±0.06 2.06±0.06 12.0
SWW 5(MH) 19.13±0.78 2.26±0.01 11.8
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: ML, 1.0 g; MM, 3.0 g; 및 MH, 5.0 g.
2)25℃ 및 12시간 광주기(백색광, 80-130 μmol m-2s-1) 하에서 7일 동안 배양.
TN 소모정도의 결과를 보면, HR 초기 접종량이 1 g FW일 경우 5일 배양 동안 63.2% TN 제거율을 나타내었는데 초기 접종량이 3 g FW일 경우엔 TN 제거율이 약간 높아져 84.8%의 제거효율을 보였다. HR 초기 접종량이 5 g FW일 경우는 3 g FW 접종과 거의 비슷한 TN 제거율을 나타내었지만 그후 6일 배양까지도 계속 제거되어 92.6%의 제거율을 나타내었다. 따라서, 일정 배양기간 동안의 TN제거율은 조류 초기농도와 밀접한 관련이 있었다(도 1). 또한, 배양기간 동안 TN 감소율이 일정하게 유지되는 경향을 나타내었다.
TP 소모정도의 결과를 보면, TN과는 달리 TP 제거율이 배양초기에 더 높은 경향이었다. HR 초기 접종량이 1 g FW일 경우 5일 배양 동안 81.3% TP 제거율을 나타내었는데 7일 배양에서는 92.3%의 TP 제거율을 나타내었다. 초기 접종량이 3 g 및 5 g FW일 경우엔 초기 3일까지는 TP 제거율이 뚜렷히 증가하다가 그 이후 거의 정체되는 경향을 보였으며 제거율은 7일 배양후 각각 87.5 및 85.9%를 보였다(도 2).
④ 배양 초기밀도에 따른 HR 생장과 TN/TP 제거효과(3):
대형 HR 씨드(5-8 cm)를 대상으로 인공하수 내에서 HR 배양 초기밀도에 따른 TN/TP의 감소경향과 바이오매스 생산성을 조사하였다. 15℃에 보관된 HR 씨드(5-8 cm)를 여러 무게로 준비한 다음 인공하수 5 L가 함유된 리빙박스에 투입하고 생육실(25℃ 항온, 12시간 광주기, 80-130 μmol m-2s-1)에서 7일 동안 배양하였다.
그 결과, 초기 투입된 대형 HR 생체 10, 15 및 20 g으로부터 7일 동안 순수하게 증가된 각각 처리구의 생체중량은 11.8, 11.4 및 10.4 g로서 초기 처리 투입된 량이 증가될수록 낮은 경향이나 처리구간에 큰 차이가 없었다. 그런데, 초기 투입된 HR 생체 50 g 처리구에서는 전혀 생장 증가가 일어나지 않았다(표 11). 이는 일정부피의 공간에서 생장할 수 있는 최대치를 나타내는 것일 수 있다. 생체중 대비 건물 비율은 초기 투입된 HR 생체량이 증가될수록 낮아지는 경향이었다.
인공하수에서 배양된 대형 HR의 초기밀도에 따른 생장 차이.
배지 초기 생체중 (g/0.1 m2)1) HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
SWW 10(HL) 21.75±0.17 2.88±0.07 13.2
SWW 15(HM) 26.39±0.47 3.38±0.02 12.8
SWW 20(HH) 30.44±0.76 3.85±0.14 12.6
SWW 50 49.36±0.00 4.53±0.00 9.2
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: HL, 10 g; HM, 15 g; 및 HH, 20 g.
2)25℃ 및 12시간 광주기(백색광, 80-130 μmol m-2s-1) 하에서 7일 동안 배양.
TN 소모 정도의 결과를 보면, 일정 배양기간 동안의 TN제거율은 조류 초기농도와 밀접한 관련이 있었다. TN이 1.0 μg/mL 이하로 내려가는 시기는 HL에서는 5일째, HM 및 HH의 경우에는 4일째였다(도 3).
TP 소모 정도의 결과를 보면, 배양 2일째 만에 TP 제거가 완료되는 경향을 보였다. 이는 고밀도 처리때문인 것으로 판단된다. 전반적으로 TN 보다 TP 제거율이 낮은 경향이었고 초기접종 밀도처리간의 TP 제거는 차이가 거의 없었다(도 4). 이러한 경향은 소형 HR을 이용한 고밀도 배양에서도 확인되고 있는 결과이다.
⑤ 배양액 pH에 따른 HR 생장과 TN/TP 제거효과:
보통 크기의 HR 씨드(2-4 cm)를 대상으로 인공하수 내에서 HR 배양액 pH 차이에 따른 TN/TP의 감소경향과 바이오매스 생산성을 조사하였다. 15℃에 보관된 HR 씨드(2-4 cm)를 탈수생체중 기준으로 60 g 준비한 다음 인공하수 100 L가 함유된 순환배양조(0.643 m2)에 투입하고, 배양 전기간 동안 배양액 pH가 7.5와 10.5로 자동조절되도록 하면서 교반배양(7.5 rpm/min)하였다. 온실조건에서(27℃ 항온, 14시간 광주기, 80-500 μmol m-2s-1) 7일 동안 배양하면서 증발된 량은 매일 수돗물로 보충해 주었고, 경시적으로 배양액내 TN, TP함량을 조사하였다. 배양 종료 후에는 HR을 수집, 생체중과 건물중을 측정한 후 보고된 방법에 따라(김 등, 한잡초지 32: 85-97, 2012) 당 축적 정도를 조사하였다.
그 결과, TN 제거율은 pH 7.5에서보다 pH 10.5 배양에서 현저히 높았다. TP 제거의 경우, 치상후 1일째의 TP 감소가 pH 10.5에서 보다 높았으나 그 이후의 경우엔 pH 10.5과 pH 7.5 처리간의 차이가 크지 않았다(도 5). 최종 HR 생장량의 경우는 pH 7.5보다 pH 10.5 배양에서 약 3배 정도의 건물중 증가가 있었고 바이오매스로부터의 글루코오스 생산량도 pH 10.5에서 배양된 것이 더 높았다(표 12). 따라서, HR을 활용한 TN 또는 TP 제거시 그 효율을 높이기 위해서는 pH 10.5 정도의 알카리 조건으로 운전하는 것이 바람직한 것으로 판단되었다.
인공하수에서 배양된 대형 HR의 초기밀도에 따른 생장 차이.
pH/부피 7일 배양 후 HR 성장(g/0.643 m2) 글루코오스
(g/100 g DM)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
7.5/100 L 149.75 11.54 7.71 22.56±0.17
10.5/100 L 355.47 33.53 9.43 24.01±0.94
℃
⑥ 배양액 교반여부 따른 HR 생장과 TN/TP 제거효과:
보통 크기의 HR 씨드(2-4 cm)를 대상으로 인공하수 내에서 HR 배양액 교반유무에 따른 TN/TP의 감소경향과 바이오매스 생산성을 조사하였다. 15℃에 보관된 HR 씨드(2-4 cm)를 탈수생체중 기준으로 36 g 준비한 다음 인공하수 6 0L가 함유된 순환배양조(0.643 m2)에 투입하고, 교반배양(7.5 rpm/min) 또는 무교반 배양하였다. 온실조건(밤 20-25℃/낮 25-30℃, 14시간 광주기, 자연광 90-500 μmolm-2s-1)에 두면서 배양하면서 증발된 량은 매일 수돗물로 보충해 주었고, 경시적으로 배양액내 TN, TP함량을 조사하였다. 배양 종료후에는 HR을 수집, 생체중과 건물중을 측정하고 보고된 방법에 따라(김 등, 한잡초지 32: 85-97, 2012) 글루코오스 생산성을 조사하였다.
그 결과, TN/TP의 감소는 교반배양에서 약간 높은 경향을 보였고(도 6), 7일 배양후의 건물중 및 글루코오스 생산성도 배양액 교반에서 보다 높았다(표 13). 이는 교반으로 인해 양분이 골고루 희석되었을 뿐만 아니라 HR 개체간의 밀도경쟁이 완화되었기 때문으로 판단된다. 보통 HR은 무교반 배양시 부유로 인해 수표면에 밀집되어 생장한다.
순환배양조에서의 배양액 교반여부 따른 HR 생장과 탄수화물 축적 차이.
배지 교반 유무 HR 성장(g/90 L/0.64 m2)1) 글루코오스
(g/100 g DM)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
교반(7.5 rpm) 122.99 18.67 15.18 27.3±1.14
정체 129.14 13.84 10.72 22.1±0.32
1)13시간 광주기(천연광, 90-130 μmol m-2s-1)의 온실에서 7일 동안 배양.
⑦ SBC 처리농도에 따른 HR 생장과 TN/TP 제거효과:
보통 크기의 HR 씨드(2-4 cm)를 대상으로 1.5x mDM 배지에서 소듐 바이카보네이트(sodium bicarbonate) (SigmaAldrich사, 미국) 처리농도에 따른 바이오매스 생산성과 TN/TP 제거효율을 조사하였다. 온실에서 유도된 HR 씨드(2-4 cm)를 탈수생체중 기준으로 45 g 준비한 다음 배양액 100 L가 함유된 순환배양조(0.643 m2)에 투입하고, 교반배양(7.5 rpm/min)하였다. 온실 조건(밤 20-25℃/낮 25-30℃, 14시간 광주기, 자연광 90-500 μmolm-2s-1)에 배양하면서 증발된 량은 매일 수돗물로 보충해 주었고, 배양 종료 후 HR을 수집, 생체중과 건물중을 측정하고 아울러 배양액 내의 TN 및 TP 함량을 조사하였다.
그 결과, HR의 생장은 SBC 처리농도에 의존하여 400 ppm까지 높아질수록 증가되었다(표 14). 이때 배양액내의 TN 잔존함량은 SBC 처리농도가 증가될수록 낮았고 제거율은 83.9% 이상이었다. TP의 경우에는 SBC 처리농도간에 큰 차이가 없이 모두 90% 이상 감소되었다(표 15).
순환배양조에서 SBC 처리농도에 따른 HR 생장 차이.
SBC 농도
(ppm)		 HR 성장(g/100 L/0.64 m2)1)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
100 255.4 25.41 9.95
200 286.6 28.53 9.95
300 294.3 32.28 10.97
400 309.6 36.13 11.67
1)14시간 광주기(자연광, 90-500 μmol m-2s-1)의 온실에서 6일 동안 배양.
순환배양조에서 SBC 처리농도에 따른 TN/TP 제거효과.
SBC 농도
(ppm)		 HR 접종 당시 배양액 내의 TN, TP 함량 HR 6일 배양후 배양액 내의 TN, TP 함량
TN(mg/L) TP(mg/L) TN(mg/L), 제거율 TP(mg/L), 제거율
100 5.87±0.12 3.02±0.03 0.95±0.22, 83.9% 0.28±0.02, 90.7%
200 0.89±0.09, 84.8% 0.27±0.02, 91.1%
300 0.83±0.03, 85.9% 0.30±0.04, 90.1%
400 0.80±0.28, 86.4% 0.28±0.01, 90.7%
2) 하수처리장 방류수를 이용한 실험
2-1. 실험내용
실제 하수처리장 방류수를 가지고 실시하였을 때, HR의 생장과 TN/TP 제거능이 어떠한지를 알아보고자 실험하였다. 안산 하수처리장 방류수(ASW)를 채취하여 실험에 사용하였다. 대조구로 인공합성하수(SWW)를 이용하였다. HR을 온실조건에서 키워 개체길이가 2-3 cm 되는 것을 배양후 직접 사용하거나 또는 일정 크기의 조류를 모아 15℃에 저장하면서(낮은 온도로 인해 생장속도가 매우 낮은 상태) 필요한 시기에 꺼내어 사용하였다. 리빙박스에 5 L 배지를 채운 다음 HR을 접종하고 이를 현장에 보다 가까운 온실조건에서(낮 25-30℃/밤 20-25℃ 변온, 13-14시간 광주기, 90-500 μmol m-2s-1) 7일 동안 배양하였다. 증발을 막기 위하여 투명필름으로 덮개를 하였다.
TN/TP 분석: HR을 인공하수에 배양을 하면서 오후 4시에 경시적으로 채취한 배양액 30mL를 GF/F 필터로 여과한 다음 TN/TP 어세이 키트를 이용하여 정량하였다.
HR 생장조사: 배양 종료후 미라클로스 1겹을 이용하여 HR을 수거, 탈수기를 이용하여 탈수시키 다음 생체중(탈수생체중, FW)을 측정하고 이를 45℃에 2일간 건조시켜 건조중을 측정하였다.
2-2. 실험결과 및 고찰
① HR 생장:
생체중의 경우, 방류수와 인공하수 배양 간에 비슷한 생장성을 나타내었다. 그러나, 건물중의 경우는 방류수보다는 인공하수에서 배양된 것이 약간 높은 경향을 나타냈다(표 16). 이는 질소, 인산과 같은 영양분이 방류수가 좀 더 낮았기 때문으로 여겨진다. 그러나, 방류수 자체의 영양성분만으로도 5일 동안 9-10 g FW/0.1 m2의 생장량 증진이 있었다.
하수처리장 방류수(ASW)와 인공하수(SWW)에서의 HR 생장.
배지 초기 생체중
(g/0.1 m2)1) 		HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
ASW 1 10.61±1.074 1.32±0.051 12.47
ASW 3 13.34±1.757 1.87±0.115 14.05
SWW 1 9.43±0.831 1.43±0.049 15.24
SWW 3 13.34±2.148 2.02±0.015 15.19
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: 1.0 g 또는 3.0 g.
2)13시간 광주기(자연광, 90-500 μmol m-2s-1)의 온실에서 7일 동안 배양.
② TN 감소:
전배양기간 동안 폐수내의 TN이 서서히 감소되었으며 셍체량 1 g 보다는 3 g 배양에서 TN의 감소정도가 높았다. 초기농도 대비 TN 제거율은 SWW보다는 ASW에서 높았다. 배양 7일째에는 모든 처리구에서 70% 이상의 TP 제거율을 나타내었다(표 17).
하수처리장 방류수(ASW)와 인공하수(SWW)에서의 HR 배양에 따른 TN 감소정도.
처리1) 배양 후 TN 함량2)(g/mL)
0d 1.0d 2.0d 3.0d 5.0d 7.0d
ASW1 13.0 8.5±0.33 6.2±0.44 6.3±0.31 5.3±1.27 3.0±0.02
ASW3 13.0 7.1±0.35 4.9±0.49 6.4±0.51 3.6±0.85 1.3±0.30
SWW1 12.3 10.6±0.66 7.9±0.47 7.9±0.26 6.6±0.30 3.7±1.90
SWW3 12.3 8.8±1.05 6.8±0.06 6.4±0.46 3.5±0.21 1.0±0.20
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: 1.0 g 또는 3.0 g.
2)낮20-25℃/밤25-35℃, 13시간 광주기(자연광, 90-500 μmol m-2s-1)의 온실에서 7일 동안 배양.
③ TP 감소:
생체량 1 g 보다는 3 g 배양에서 TP의 제거 속도가 높았다. 즉, ASW의 초기 TP는 1.06 ppm이었는데 배양 1일째 ASW1 및 ASW3에서의 TP는 각각 0.69 및 0.17 ppm이었다. 한편, SWW의 초기 TP는 1.33 ppm이었는데 배양 2일째 SWW1 및 SWW3에서의 TP는 각각 0.29 및 0.25 ppm이었다. 배양 7일째에는 모든 처리구에서 85%이상의 TP 제거율을 나타내었고 폐수내 잔존 TP농도는 0.2 ppm 이하였다(표 18).
하수처리장 방류수(ASW)와 인공하수(SWW)에서의 HR 배양에 따른 TP 감소정도.
처리1) 배양 후 TP 함량2)(g/mL)
0d 1.0d 2.0d 3.0d 5.0d 7.0d
ASW1 1.060.16 0.690.02 0.160.06 0.260.02 0.180.04 0.110.04
ASW3 1.060.16 0.170.01 0.130.03 0.360.15 0.140.03 0.160.03
SWW1 1.330.11 1.120.18 0.290.03 0.240.02 0.160.04 0.190.18
SWW3 1.330.11 0.440.02 0.250.06 0.180.04 0.150.03 0.100.01
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: 1.0 g 또는 3.0 g.
2)낮20-25℃/밤25-35℃, 13시간 광주기(자연광, 90-500 μmol m-2s-1)의 온실에서 7일 동안 배양.
상술한 결과들을 종합해 보면, 본 발명의 HR은 하수처리장 방류수의 TN/TP 제거에 매우 효율적이었고 원수의 경우도 처리 가능할 것으로 보인다.
실시예 3: 그물말의 그물배양을 통한 TN/TP 제거
소규모 수조 또는 인공적인 연못(pond)에서 HR을 활용하여 과잉의 TN 또는 TP를 제거할 필요성이 있을 경우, 보다 효율적인 HR 배양방법이 검토되어야 한다. 즉, HR을 제거 장소에 그냥 투입하여 배양하는 것보다는 여러 개의 그물망 속에 HR을 넣고 부유시키면서 배양할 경우엔 수확이 보다 용이하여 경제적일 것이다. 상기 가능성을 알아보기 위하여 본 실험을 수행하였다.
온실에 설치된 0.8 m2 크기의 사각 트레이에 배양액 (1x mDM+SBC200) 100 L를 담고 탈수생체중 기준으로 HR 30 g을 접종하여 배양하였다. 그물망 배양(net culture)의 경우는 시중에서 구입한 세탁망(50x50x10cm) 2개에 HR을 분산시켜 담아 배양액에 띄워 배양하였고, 배양기간 동안 수족관 산소공급기를 이용하여 낮에 주기적으로 폭기(aeration)시켜주었다.
그 결과, HR 생장기간 동안의 TN 또는 TP 제거 효율은 두 방법 간에 차이가 거의 없었다(도 7). 그리고, 생장의 측면에서 일반배양에 비해 그물망 배양에서 8.9% 정도의 미미한 생장감소가 있었고, 얻어진 바이오매스로부터 생산된 글루코오스의 경우는 그물망 배양에서 3.5%의 미미한 감소만 관찰되었다(표 19). 따라서, 그물망 배양에 의한 HR 생장량 및 바이오매스 품질의 감소는 작업의 수월성과 비교해 볼 때 미미한 것이기 때문에 HR 그물망 배양은 수조 또는 인공적인 연못에서 과잉의 TN 또는 TP를 제거할 때 유용하게 적용될 수 있는 기술이라 판단되었다.
그물망 배양에서의 HR 생장과 탄수화물 축적 정도
배양 탈수생체중
(g/0.8 m2)		 건물중
(45℃, 2.0d)		 건물비율
(%)		 글루코오스
(g/100 g DM)
그물망 배양 191.08+1.0 g 24.18 g 12.59 43.49±0.67
일반 배양 188.13+1.5 g 26.54 g 14.00 45.05±2.54
실시예 4: TN/TP 제거능력 향상을 위한 활성화된 HR (Activated HR, AHR) 제조
1) AHR의 TN/TP 제거능력 향상 여부 조사
4-1. 1차 실험:
중형 HR 씨드(2-4 cm)를 대상으로 인공하수 내에서 배양할 때, 정상 HR(NHR)과 활성화된 HR(AHR) 간의 TN/TP의 감소경향을 알아보고자 실험하였다. AHR은 실시예 1에서와 같은 방법으로 얻어진 HR 씨드를 1x mDM 10 L가 담긴 투명 플라스틱 박스(0.1 m2)에 담고, 이를 15로 조정된 생육실(15℃, 20 μmolm-2s-1, 12h 광주기)에 약 30일 보관되어 탈색이 진전된 것을 사용하였다(이하 AHR이라고 지칭함). NHR과 AHR을 인공하수 5 L가 함유된 리빙박스에 3 g FW 수준으로 투입하고 생육실(25℃ 항온, 12시간 광주기, 80-130 μmolm-2s-1)에서 7일 동안 배양하였다. 그 결과, TN 감소의 경우, 배양 3일까지는 AHR3과 NHR3 처리 간에 TN 제거율 차이가 뚜렷하지 않았으나 4일 이후엔 AHR3보다 NHR3에서 TN 제거율이 높았다(도 8). 이는 AHR3의 생장 지연과 관련이 있는 것 같다.
한편, TP 감소의 경우, 배양 4일까지는 AHR3과 NHR3 처리 간에 큰 차이가 있어 AHR3가 NHR3보다 인산제거율이 높았으나 5일 이후엔 비슷하였다. AHR3에서 배양 2일만에 TP가 0.2 ppm 이하를 나타내었다(도 8). 이는 AHR3에서 배양초기의 인산흡수가 왕성히 일어남을 의미한다.
4-2. 2차실험:
상기 결과를 재확인하기 위하여 중형 HR 씨드(2-4 cm)를 대상으로 인공하수 내에서 배양할 때, AHR 초기배양밀도 간의 TN/TP 감소 경향을 조사하였다. 15℃에 보관된 HR 씨드(2-4 cm)로부터 조제된 AHR를 인공하수 5 L가 함유된 리빙박스에 여러 밀도 수준으로 투입하고 생육실(25℃ 항온, 12시간 광주기, 80-130 μmolm-2s-1)에서 7일 동안 배양하였다.
배양기간 동안 순수하게 증가된 생체중량은 10-15 g으로서 처리구간에 큰 차이없이 비슷한 경향을 나타내었다. 그런데 건물비율은 초기투입 생체량이 많을수록 낮아지는 경향이었다(표 20).
인공합성하수내에서의 AHR 초기배양밀도간 TN/TP 감소경향.
배지 초기 생체중
(g/0.1m2)1) 		HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
SWW AHR 3 11.55 1.71 14.81
SWW AHR 5 18.20 2.54 13.96
SWW AHR 10 25.12 3.44 13.69
SWW AHR 20 34.66 4.63 13.36
SWW AHR 30 42.54 5.53 13.00
SWW AHR 40 53.69 6.87 12.80
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: AHR, 활성화된 HR.
2)25℃, 12시간 광주기(백색광, 80-130 μmol m-2s-1) 하에서 7일 동안 배양.
AHR 배양에 따른 TN 감소의 경우, 초기 생체 투입량이 많을수록 빠르게 일어나 10 g 이상 처리할 경우 2일 만에 TP가 1.69 ppm 이하로 떨어졌다(도 9).
한편 AHR 배양에 따른 TP 감소도 매우 빠르게 진행되었는데 그 정도는 투입 생체량이 많을수록 현저하였다. 즉, 배양개시 8시간째에 무처리구의 TP는 1.02 ppm이었으나 10, 20 및 30 g AHR 생체량 처리에서는 각각 0.31, 0.19 및 0.13 ppm로서 인산제거율이 매우 높게 나타났다. AHR3 및 AHR5의 경우도 배양 1.33일 만에 각각 TP가 0.22 ppm 및 0.14 ppm으로서 TP 제거효율이 매우 우수하였다(도 10). 이는 활성화된(Activated) HR이 인산 제거에 보다 효과적이며 초기 생체투입량에 따라 체류시간을 조절할 수 있기 때문에 그 활용도가 매우 좋을 것으로 판단되었다.
2) AHR 제조의 적정 조건 확립
상기 실험은 15℃에서 30일 이상의 장기간 보관으로 HR을 활성화 시켰는데 본 기술을 실용화시키기 위해서는 보다 효율적인 AHR 유도방법이 강구되어야 했기 때문에 본 실험에서는 배지조성, 저장온도, 저장기간 등을 보다 구체적으로 설정하여 AHR을 유도하고 이들의 TN 및 TP 제거능력 향상 여부를 알아보고자 실시하였다.
- 재료: HR 씨드가 유도되어 1X mDM에 보관하기 시작한 HR 재료(1.0-2.0 cm).
- AHR 유도를 위한 처리: 하기의 배양액 조성을 15℃ 저장의 경우 7일마다 교체해 주었고, 25℃ 저장의 경우는 3일마다 처리용액을 교체해 주었다.
- 처리용액: 증류수로 하기 표 21 배지조성과 같이 조제하여 플라스틱 5 L 병에 FW 20 g/2 L(15℃), 10 g/2 L(25℃) 또는 3 g/2 L(25) 수준으로 투여하였다.
AHR 제조에 사용된 배지 조성.
처리 특성 배지 조성 (증류수)1)
A B C D E F H
1 CK o o o o o o o
3 P o - o o o o o
4 N/P - - o o o o o
5 Minor o o o o - - o
6 All - - - - - - -
1) A: Ca(NO3)2·H2O 20 mg/L, B: K2HPO4 12.4 mg/L, C: MgSO4·7H2O 25 mg/L, D: NaHCO3 16 mg/L, E: EDTAFeNa 2.25 mg/L, F: EDTANa2 2.25 mg/L + H3BO3 2.48 mg/L + MnCl2·4H2O 1.39 mg/L + (NH4)6Mo7O24·4H2O 1.0 mg/L, H: NaSiO39H2O 57 mg/L
- 효능 평가: 각각의 온도조건에서 정해진 기간 동안 처리된 AHR 시료를 취하여 탈수시켰다. 일부는 TN/TP 제거 능력을 평가하기 위하여, 일부는 바이오매스 내 C, N 또는 P 비율을 조사하기 위한 시료로 사용하였다. TN/TP 제거 능력 실험의 경우, 인공하수를 준비하여 투명 플라스틱 박스(0.1 m2) 에 5 L 주입하고 이어서 AHR 시료(FW 3 g)를 투입한 다음, 7일 동안 실내배양(25℃, 14시간 광주기, 100-150 μmolm-2s-1)하면서 배양액 내의 TN/TP 소모 정도를 평가하였다. 제반 분석방법은 실시예 2에서와 같았다.
실험결과 및 추가논의사항
1) 15℃, 14일 저장 처리된 AHR(20 g/2 L)
① 생장:
미량원소가 제외된 배지에서 조제한 AHR(Minor)에서 건물중 기준으로 보았을 때 생장이 가장 저조하였고, 기타 처리구에서는 대조구와 큰 차이가 관찰되지 않았다(표 22). 이는 대량원소가 충분하면서(N, P, Mg, 등) 어느 특정 미량원소가 결핍되었을 때, 회복하기 어려울 정도의 대사능력 저하가 일어나고 있음을 나타내며 이러한 처리는 AHR 유도에 바람직하지 못한 처리가 될 것이다.
여러 배지조성하에 15℃/14일 저장을 통해 제조된 AHR의 생장능력 차이.
배지 초기 생체중 (g/0.1 m2)1) 7일 배양 후 HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
CK 3g 12.87±1.110 1.77±0.057 13.76
P 3g 12.88±0.368 1.76±0.021 13.63
N/P 3g 13.36±1.697 1.84±0.049 13.74
Minor 3g 10.11±0.191 1.24±0.007 12.22
All 3g 15.54±2.298 1.86±0.078 11.94
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: 3 g.
2)25℃, 14시간 광주기, 100-150 μmolm-2s-1)하에서 7일 동안 배양.
② TN 및 TP 제거능력:
접종 후 3일 이내 TN 및 TP 제거 정도를 비교해 보았을 때, TN의 경우 P와 N/P 처리구에서 보다 빠르게 제거가 일어났으며 특히 N/P 처리구에서 더욱 뚜렷하였다. TP의 경우는 P와 N/P 처리구에서 보다 빠른 제거가 일어났으며 특히 P 처리구에서 더욱 뚜렷하였다(도 11). 이와 같은 경향이 나타나는 원인을 알아보기 위해, 활성화 처리된 직후의 AHR 시료 내의 원소분석을 실시해 본 결과 P 처리구에서는 시료 내 인산함량이 낮았고(표 23), 이에 따라 배지 내 TP의 AHR로의 신속한 흡수가 일어나 TP 제거속도가 빨랐던 것으로 추정된다. 한편 N/P 처리구에서는 시료 내 질소와 인산함량이 낮았고(표 23), 이에 따라 배지 내 TN, TP의 AHR로의 신속한 흡수가 일어나 상대적으로 TN/TP 제거속도가 높았던 것으로 추정된다. 흥미로운 현상은 Minor 처리구이다. 이는 TN 제거능력은 오히려 대조구보다 떨어졌으나 TP 제거능력은 대조구보다 약간 향상되었거나 비슷한 정도를 나타냈고 최종 생장정도는 가장 미약했다. 이는 본 처리로 인해 가장 스트레스를 받았기 때문으로 여겨진다. 즉, 생장에는 그다지 영향을 주지 않지만 배양액에 투입 시 TN 및 TP를 보다 신속히 제거시킬 수 있는 상태, 소위 활성화된 상태와는 생리학적으로 구별되는 현상으로 간주된다. 따라서, AHR 유도 시 Minor 처리는 바람직하지 않으며, N/P 처리를 함으로서 보다 신속히 TN/TP를 제거시킬 수 있는 것으로 판단되었다.
여러 배지조성하에 15℃/14일 저장을 통해 제조된 AHR의 원소함량 차이.
CK P N/P Minor All
Nitrogen 3.28±0.01 3.34±0.03 2.77±0.02 3.26±0.03 3.19±0.03
Carbon 40.76±0.07 41.64±0.26 41.04±0.23 41.12±0.08 40.55±0.33
Hydrogen 6.07±0.03 6.15±0.03 6.13±0.05 6.17±0.02 5.93±0.06
Sulphur 1.17±0.12 0.89±0.27 1.07±0.06 0.56±0.09 1.16±0.14
Phosphor
(wt %)		 1.07 0.70 0.82 1.04 0.89
2) 25℃, 3일 저장 처리된 AHR(10 g/2 L)
① 생장:
건물중 기준으로 보았을 때 P, N/P 또는 Minor 처리구에서 상대적으로 생장이 낮았고 기타 처리구에서는 대조구와 큰 차이가 관찰되지 않았다(표 24).
여러 배지조성하에 25℃/3일 저장을(10 g/2 L) 통해 제조된 AHR의 생장능력 차이.
배지 초기 생체중
(g/0.1 m2)1) 		7일 배양 후 HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
CK 3g 12.73±0.064 1.74±0.049 13.70
P 3g 11.89±0.474 1.66±0.078 14.00
N/P 3g 12.85±0.771 1.69±0.071 13.15
Minor 3g 12.63±0.035 1.66±0.085 13.14
All 3g 12.22±0.049 1.72±0.035 14.11
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: 3 g.
2)25℃, 14시간 광주기, 100-150 μmolm-2s-1)하에서 7일 동안 배양.
② TN 및 TP 제거능력:
접종 후 3일 이내 TN 또는 TP 제거 정도를 비교해 보았을 때, TN의 경우 P와 N/P 처리구에서 보다 빠른 제거가 일어났으며 특히 N/P 처리구에서 보다 뚜렷하였다. TP의 경우는 모든 처리구에서 대조구 보다 많이 제거되는 경향이었으나 특히 N/P 처리구에서 보다 뚜렷하였다(도 12). 이와 같은 경향이 나타나는 원인을 알아보기 위해 활성화 처리된 직후의 AHR 시료 내의 원소분석을 실시해 본 결과 N/P 처리구에서는 시료내 질소 및 인산함량이 낮았고(표 25), 이에 따라 배지내 TN, TP의 AHR로의 신속한 흡수가 일어나 상대적으로 TN/TP 제거속도가 높았던 것으로 추정된다. 흥미로운 현상은 Minor 처리구이다. 이는 TN 제거능력과 최종 생장은 오히려 대조구보다 떨어졌으나 TP 제거능력은 대조구보다 약간 향상되어 다른 처리구와는 다른 생리현상을 보인다는 것이다. 즉, 생장에는 그다지 큰 영향을 미치지는 않지만 배양액에 투입시 TN, TP를 보다 신속히 제거시킬 수 있는 상태, 소위 활성화된 상태와는 생리학적으로 구별되는 현상으로 간주된다. 이는 본 처리로 인해 스트레스를 많이 받았기 때문으로 여겨진다. 따라서, AHR 유도시 Minor처리는 바람직하지 않으며, N/P 처리를 함으로서 보다 신속히 TN/TP를 제거시킬 수 있는 것으로 판단되었다.
여러 배지조성하에 25℃/3일 저장을(10 g/2 L) 통해 제조된 AHR의 원소함량 차이.
CK P N/P Minor All
Nitrogen 3.27±0.02 3.43±0.03 2.85±0.02 3.39±0.02 3.12±0.04
Carbon 37.82±0.09 38.94±0.04 38.53±0.21 38.18±0.12 39.14±0.30
Hydrogen 5.60±0.04 5.75±0.04 5.74±0.03 5.63±0.05 5.76±0.04
Sulphur 1.75±0.02 1.02±0.17 1.68±0.04 0.80±0.16 0.87±0.14
Phosphor (wt %) 1.12 0.88 0.66 1.11 0.68
3) 25℃, 3일 저장 처리된 AHR(3 g/2 L)
① 생장:
건물중 기준으로 보았을 때 CK > P > N/P > All > Minor 처리구 순위로 생장량을 보여 모든 처리구에서 대조구보다 생장이 감소되는 것으로 나타났다. 이는 실온조건에서의 양분 불균형 처리가 어떤 식으로든 생장에 어느 정도의 영향을 미치고 있음을 의미하며 특히 Minor 처리구에서가 다른 실험에서처럼 가장 낮은 생장량을 보였다(표 26).
여러 배지조성하에 25℃/3일 저장을(3 g/2 L) 통해 제조된 AHR의 생장능력 차이.
배지 초기 생체중
(g/0.1 m2)1) 		7일 배양 후 HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
CK 3g 17.14±1.23 1.85±0.092 10.79
P 3g 17.72±2.88 1.75±0.241 9.86
N/P 3g 15.48±1.58 1.58±0.163 10.23
Minor 3g 7.94±0.87 0.87±0.157 11.00
All 3g 12.61±1.33 1.33±0.147 10.57
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: 3 g.
2)25℃, 14시간 광주기, 100-150 μmolm-2s-1)하에서 7일 동안 배양.
② TN 또는 TP 제거능력:
접종 후 3일 이내 TN 또는 TP 제거 정도를 비교해 보았을 때, 위의 실험과는 다른 양상을 보였다. 즉, TN의 경우 전반적으로 CK에서 가장 많이 제거되었고, Minor 처리구에서 가장 낮은 경향을 나타냈다. P와 N/P 처리구 간의 비교에서는 N/P 처리구에서 TN 소모가 보다 높았다(도 13). TP의 경우는 Minor 처리구를 제외한 모든 처리구에서 TP 소모가 CK보다 높은 경향이며 그중에 N/P 처리구에서 초기배양의 TP 소모정도가 가장 높았다(도 13). 이는 25/3일(10 g/2 L) 처리에서도 동일하게 확인되는 현상이다. 그러나, 15/14일(20 g/2 L) 처리에서는 P 처리구가 NP 처리구 보다 TP 소모가 더 빨라 처리온도 간에도 차이가 약간 있는 것으로 보여진다. 한편, Minor 처리구에서는 접종후 3일까지 CK보다 TP 소모가 오히려 저조하였다. 이는 TN 제거능력과 최종 생장은 오히려 대조구보다 떨어졌으나 TP 제거능력은 대조구보다 약간 향상되었던 타실험에서(HR 10 g/2 L)와는 다른 반응으로서 이러한 현상은 HR 저밀도 하에서 양분결핍 처리를 함으로서 보다 강한 스트레스를 받았기 때문으로 여겨진다.
상기의 결과가 나타나는 원인을 알아보기 위해 활성화 처리된 직후의 AHR 시료의 원소분석을 실시해 본 결과, N/P 처리구에서는 시료 내 질소 및 인산함량 모두가 낮았고 P 처리구는 인산함량이 가장 낮았다(표 27). 따라서 배지내 TN, TP의 AHR로의 신속한 흡수가 일어나 상대적으로 TN/TP 제거속도가 높았던 것으로 추정된다. 그러나 단순히 체내 특성요소 결핍만으로는 충분한 설명을 할 수 없었다. 왜냐하면 All 처리구는 N/P 처리구에서와 같이 질소 및 인산 함량이 모두 낮았지만 해당 HR의 TN, TP 제거율은 N/P 처리구보다 떨어지는 경향을 보였기 때문이다. 이는 All 처리에 의해서 특정 요소 결핍이라는 단순한 현상보다는 양분흡수와 같은 다른 생리기능이 장해를 받았기 때문일 것이다.
여러 배지조성하에 25℃/3일 저장을(3 g/2 L) 통해 제조된 AHR의 원소함량 차이.
CK P N/P Minor All
Nitrogen 3.34±0.18 2.44±0.18 1.55±0.05 2.10±0.12 1.45±0.16
Carbon 37.18±0.26 37.30±0.09 36.95±0.02 35.66±0.17 39.04±0.14
Hydrogen 5.46±0.05 5.45±0.03 5.44±0.02 5.31±0.00 5.65±0.04
Sulphur 2.28±0.06 2.28±0.04 2.33±0.03 2.50±0.03 2.33±0.05
Phosphor (wt %) 1.02 0.50 0.53 0.98 0.60
결론적으로, 생장에는 그다지 큰 영향을 미치지 않는 범위에서 배양액에 투입시 TN 및 TP를 보다 신속히 제거시킬 수 있는 상태, 소위 활성화된 상태를 만들어 주기 위해서는 적어도 10 g/2 L 이상의 밀도에서 N/P 처리를 하되 15℃ 처리의 경우에는 14-21일, 25℃ 처리의 경우에는 3일 정도가 바람직한 것으로 판단되었다.
4) 실용화 수준에서의 AHR 제조 적정조건 확립
상기 실험에서 AHR 제조에 가장 적합한 조건은 N/P 처리이며 처리 시 HR 밀도, 처리온도 및 기간 등이 중요함을 알았다. 그런데 실용화를 위해서는 AHR 제조에 낮은 경비와 노력이 소요되어야 하는 바, 증류수보다는 수돗물, 15℃보다는 25℃ 처리, HR 저밀도보다는 고밀도, 장기간 처리보다는 단기간 처리가 바람직할 것이다. 따라서, 본 실험은 실용화 수준에서의 AHR 제조 적정 조건을 확립하기 위해서 실시하였다.
실험재료 및 실험방법
식물재료:
HR 씨드가 유도되어 온실조건에서 1x mDM + SBC50에 3일 동안 생장시켜 네트 길이가 1.0-3.0 cm가 되는 HR 재료(이하 'New'라고 함)와 HR 씨드를 1x mDM 배지에 담고 15℃에 22일간 저장해 두었던 네트 길이가 1.0-2.5 cm가 되는 HR 재료(이하 'Old'라고 함)를 실험 식물재료로 사용하였다.
AHR 유도를 위한 처리:
탈기한 수돗물로 실시예 4의 2) 실험에서처럼 N/P용액을 제조하여 플라스틱 5 L 병에 FW 10 g/2 L 또는 20 g/2 L 수준으로 투여한 후 생육실에서 3일 동안 두었다. 생육실의 환경조건은 25℃ 항온, 14시간 광주기, 형광등의 광도는 100-150 μmolm-2s-1이었다.
효능 평가실험방법:
상기와 같이 처리된 AHR 시료를 취하여 탈수시킨 다음, TN/TP의 제거능력을 조사하였으며 제반 실험 방법은 실시예 4의 2) 실험에서와 같았다.
실험결과 및 고찰
① 생장:
건물중 기준으로 보았을 때 10 g/2 L 처리밀도에서는 CK와 NP처리구간의 생장차이는 거의 없었으나 20 g/2 L 처리밀도에서는 CK보다 NP처리구에서 건물중이 약간 낮았다. 이는 고밀도에서의 NP처리가 생장기능을 감소시킬 수 있음을 나타내주는 것으로서 실온상태에서 AHR을 제조하기 위해서는 20 g/2 L 처리밀도 이하에서 실시하는 것이 바람직할 것으로 여겨졌다(표 28).
AHR 제조시의 접종밀도가 수질정화 과정중의 생육에 미치는 영향.
처리 초기 생체중
(g/0.1 m2)1) 		7일 배양 후 HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
NEW CK 10 g 3 g 14.25±3.66 1.89±0.02 13.23
CK 20 g 3 g 16.03±0.59 1.89±0.02 11.76
NP 10 g 3 g 18.33±0.70 1.87±0.04 10.18
NP 20 g 3 g 14.94±0.55 1.67±0.00 11.18
OLD CK 10 g 3 g 16.47±0.37 2.18±0.04 13.21
CK 20 g 3 g 17.17±1.42 2.10±0.00 12.23
NP 10 g 3 g 18.25±1.41 2.17±0.04 11.86
NP 20 g 3 g 17.12±0.90 2.07±0.01 12.09
1)HR(FW g/0.1 m2)의 초기 밀도: 3 g.
2)25℃, 14시간 광주기, 100-150 μmolm-2s-1 하에서 7일 동안 배양.
② TN 또는 TP 제거능력:
TN 제거의 경우 New HR 보다 Old HR에서 더 높았으며 CK와 NP처리구간에는 큰 차이가 관찰되지 않았다(도 14). TP 제거의 경우는 모든 처리에서 CK보다 NP처리구에서 더 높은 효율을 나타내었다. 그런데 그 차이는 처리밀도에 따라 약간씩 다른데 1일째의 경우 20 g/2 L 처리가 10 g/2 L 처리에서보다 더 높은 차이를 나타내었다. 이는 20 g/2 L에서 처리중 P결핍 정도를 더 느꼈기 때문일 것이다. 그러나 2일째의 경우는 10 g/2 L 처리가 20 g/2 L 처리에서보다 더 높은 차이를 나타내었다(도 14). 이는 10 g/2 L 처리가 보다 활력이 유지되고 있기 때문인 것 같다. TN에서의 결과와는 달리 Old HR 보다 New HR에서 TP의 감소속도가 더 높았다. 따라서, 단순히 TP 제거효율을 높이고자 할 때는 20 g/2 L의 처리밀도로도 무방하지만 수질정화 처리 이후의 바이오매스 생산량까지도 염두해 둔다면 10 g/2 L의 처리밀도가 바람직할 것으로 여겨졌다.
한편 다른 실험에서 처리밀도를 10 g/2 L로 고정하고 NP처리기간을 12일까지 연장하여(3일마다 용액 교체) 제조한 AHR을 온실에서 배양했을 때, 접종초기 1일째의 TN 감소가 CK보다 높았으나 그 이후는 오히려 CK보다 낮았으며, 7일 배양후의 최종 생장량도 CK보다 낮았다. 그러나 TP의 제거는 NP처리구가 CK보다 빠르게 진행되었으며 접종후 9-24시간째에 CK보다 20% 이상의 TP 제거 효율성을 나타냈다.
이들의 결과를 종합해 볼 때, 실온(25℃)에서 AHR을 제조하고자 할 경우에는 수돗물에 NP처리 조건의 배양액을 조제한 다음 HR 개체를 5-10 g/2 L(탈수생체중 기준)의 밀도로 3-10일 처리하되 3일 이상 처리할 경우엔 3일 마다 용액을 교체해 주는 것이 적당할 것으로 판단되었다.
실시예 5: TN/TP 제거능력 향상을 위한 타 미세조류와 혼합처리
영양원에 오염된 수질 내에서는 과량의 TN, TP으로 인해 유해 남조류 같은 생물들이 급속히 증식되어 심한 환경생태계 피해를 유발할 수 있는데 이러한 환경조건에서는 가능한 한 TN 및 TP 제거가 신속히 이루어지도록 하여야 한다. 또한, 하폐수의 짧은 정치시간 동안 신속히 영양원을 제거시킬 필요가 있는 경우 이에 부합되는 기술이 필요하다. 특히, 생물학적으로 수질정화에 조류(algae)를 활용할 경우에는 조류 종마다 성장능 차이가 있고 영양원 농도에 대한 내성정도가 다르며, 생육경합특성 등에 차이가 있기 때문에 이들의 특성을 잘 활용하여 상호보완적 특성을 가진 조류종의 혼합하여 접종하면 단독으로 처리할 때에 비해 TN 및 TP의 제거능력을 향상시킬 수 있는 기술개발이 가능할 것이다.
따라서, 본 연구는 HR과 클로렐라 또는 HR과 세네데스무스를 함께 접종하여 보다 효율적인 TN 및 TP 제거 기술을 확립하기 위하여 수행하였다.
실험재료 및 실험방법
조류:
저온 생장실 (15℃, 약광)에서 약 20일 저장 중인 HR 씨드(네트 길이, 2-4 cm)를 온실 조건의 1x mDM 배지 하에서 1일 동안 전-배양된 것을, 클로렐라(Chlorella vulgaris; Chl)와 세네데스무스(Senedesmus spp.; SceMx, 2종 이상이 혼합된 세네데스무스 혼합물)는 배양 후 농축해 둔 것을 꺼내어 온실조건의 알렌 배지(Allens medium)에서 1주일 동안 전-배양된 것을 사용하였다.
혼합배양시의 배양액 조성:
실시예 4에서 사용된 인공하수 조성표에 따라 탈기한 수돗물을 가지고 조제한 배양액(pH 9.3)을 사용하였다.
혼합배양:
반투명 플라스틱 박스(0.1 m2)에 인공하수 5 L를 채운 다음, 상기 HR 재료를 탈수시켜 1 g 또는 3 g 접종하였다. 이후, 농축된 클로렐라와 세네데스무스를 최종농도가 A670 nm에서 하기 표에서와 같이 되도록 주입하였다(표 29). 그리고, 이들을 생육실(25℃ 항온, 12시간 광주기, 80-130 μmolm-2s-1)에 옮겨 7일 동안 배양하면서 경시적으로 조류 생장량과 배양액 내의 TN 또는 TP 함량 변화를 조사하였다. 한편, 배양 종료 후 얻어진 일부 HR 바이오매스로부터 생성되는 글루코오스 함량도 보고된 방법(김 등, 한잡초지 32: 85-97, 2012)에 따라 조사하였다.
HR과 미세조류 혼합배양 실험에서 각 조류의 초기 접종밀도.
실험 세트 혼합배양시 조류의 초기밀도(0.1 m2, 5 L)
HR(FW g) 클로렐라(A670 nm에서의 OD) 세네데스무스(A670 nm에서의 OD)
세트 1 3 - -
3 - 0.1
3 - 0.2
3 0.1 -
3 0.2 -
세트 2 1 - -
3 - -
- 0.005 -
- 0.02 -
1 0.005 -
1 0.02 -
3 0.005 -
3 0.02 -
세트 3 1 - -
3 - -
- - 0.005
- - 0.02
1 - 0.005
1 - 0.02
3 - 0.02
생장량, TN/TP, 글로코오스 정량:
클로렐라와 세네데스무스의 생장량은 분광광도계(DU800 spectrophotometer, Beckman Coulter사, 미국)를 이용하여 흡광도값(A670 nm)을 측정하고 흡광도-건물중 상관관계식을 통해 건물중으로 환산하였으며, HR 생장은 배양 종료 후 미라클로스 1겹을 이용하여 여과된 것을 모아 45℃에 2일 동안 건조시킨 다음 건조중을 측정하였다. TN 및 TP 분석은 배양액 시료를 GF/F 필터로 여과한 후 표준방법에 따라 TN/TP 어세이 키트를 이용하여 정량하였다. HR 바이오매스로부터의 글루코오스 생성량은 효소가수분해를 통해 보고된 방법에 따라(김 등, 한잡초지 32: 85-97, 2012) 실시하여 정량하였다.
5-1. 세트 1 실험결과:
1) 인공하수에 SceMx 또는 Chl과 혼합 배양된 HR의 생장특성:
HR 단독보다 SceMx 또는 Chl과의 혼합배양 시 HR의 생장이 둔화되었는데 그 정도는 HR+SceMx 혼합보다 HR+Chl 혼합에서 약했다. 배양된 HR의 건물비율은 SceMx 또는 Chl과의 혼합배양 시 보다 상승되는 경향이었다(표 30).
HR과 고농도 미세조류(SceMx 또는 Chl) 혼합배양시의 HR 성장.
조류 혼합배양에서의 초기 밀도1) 7일 배양 후 HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
HR 3g 17.32±0.00 1.92±0.00 (100.0) 11.09
HR 3g + Scenedesmus OD 0.1 10.09±1.08 1.30±0.13 (67.7) 13.08
HR 3g + Scenedesmus OD 0.2 9.59±0.08 1.33±0.02 (69.3) 13.92
HR 3g + Chlorella OD 0.1 14.03±0.17 1.93±0.03 (100.5) 13.76
HR 3g + Chlorella OD 0.2 12.13±0.92 1.81±0.11 (94.3) 14.96
1)HR(FW g/0.1 m2) + 670 nm에서의 SceMx 또는 Chl OD값.
2)25℃, 12시간 광주기(백색광, 80-130 μmolm-2s-1)에서 7일 동안 배양.
2) 인공하수에 HR과 혼합 배양된 SceMx 또는 Chl의 생장특성:
전반적으로 미세조류는 HR과의 생장경합에서 낮은 생장성을 보였는데(표 32), 이는 HR이 저농도 양분 조건에서 양분 친화력이 높아 생장을 더 잘하는 반면, 다른 미세조류는 양분 친화력이 낮아 상대적으로 양분 이용 경쟁력이 떨어졌기 때문으로 추정된다. HR과의 혼합배양에서 SceMx는 생장 증가가 미약하였으나, Chl은 약간의 생장 증가가 있었다(표 31). 이는 HR+Chl 조제할 때에 농축 Chl 공급 시의 추가된 양분 때문으로 보인다. 아니면 두 조합에서 상호 공존 가능성이 보다 높을 수 있음을 시사해 준다.
HR과 고농도 미세조류(SceMx 또는 Chl) 혼합배양시의 각 미세조류 성장정도.
혼합된 조류 배양에서의 초기 밀도1) 7일 배양 후 미세조류 성장(DW mg/L)2)
시작(A) 끝(B) B-A
Scenedesmus OD 0.1 43.8±0.00 586.0±18.4 542.2 (100)
Scenedesmus OD 0.2 97.8±0.00 970.1±30.2 872.3 (100)
HR 3g + Scenedesmus OD 0.1 54.5±7.6 83.8±2.8 29.3 (5.4)
HR 3g + Scenedesmus OD 0.2 103.22±15.1 106.5±16.9 3.3 (0.4)
Chlorella OD 0.1 24.8±0.00 363.4±10.7 338.6 (100)
Chlorella OD 0.2 91.9±0.00 451.8±6.7 359.9 (100)
HR 3g + Chlorella OD 0.1 25.7±1.3 59.6±2.7 33.9 (10.0)
HR 3g + Chlorella OD 0.2 97.0±6.3 170.1±16.6 73.1 (20.3)
1)HR(FW g/0.1 m2) + 670 nm에서의 SceMx 또는 Chl OD값.
2)25℃, 12시간 광주기(백색광, 80-130 μmolm-2s-1)에서 7일 동안 배양.
3) 혼합배양에서 TN, TP 제거 효율:
배양액의 TN 제거의 경우 HR, SceMx, Chl 단독처리구보다 HR+SceMx, HR+Chl 혼합배양에서 TN 제거율이 더 높아졌는데 특히 배양 후 2일째 가장 뚜렷한 차이를 나타내었다. HR+SceMx와 HR+Chl 간의 비교 있어서는 SceMx보다 Chl 혼합에서 TN 제거효율이 약간 높은 경향이나 큰 차이는 보이지 않았다(도 15).
배양액내의 TP 제거의 경우 HR, SceMx, Chl 단독처리구보다 HR+SceMx, HR+Chl 혼합배양에서 TP 제거율이 더 높아졌는데 특히 배양후 1-3일째 가장 뚜렷한 차이를 나타내었다(도 16). 배양 1일째부터도 0.2 ppm 이하로 신속히 제거시킬 수 있었으며 이는 신규 인처리 시스템 개발로의 활용 가능성이 높음을 시사해 준다.
4) 혼합배양으로 얻어진 HR 바이오매스의 글루코오스 생산성:
상기와 같이 혼합 배양 후 얻어진 HR 바이오매스의 경우, 단독으로 배양된 것에 비해 탄수화물 축적량이 높아 건조중 당 글루코오스 생산성이 전반적으로 높았다. 특히, HR+Chl 0.1에서의 HR 총생장량은 HR 단독 배양 시와 같았으나 글루코오스 생산성은 HR+Chl 0.1에서 더 우수하였다(표 32). 이는 혼합배양으로 인해 TN, TP가 신속히 제거되면서 이로 인해 탄수화물 축적 정도가 증가되었기 때문으로 판단된다. 따라서, 이러한 혼합배양 처리는 수질정화를 보다 빠르게 수행할 뿐만 아니라 그 후 얻어지는 HR 바이오매스도 바이오화학 원료로서의 활용가치를 높이는 소위 일거양득의 효과를 거둘 수 있는 기술로 제공될 수 있다.
HR과 고농도 미세조류(SceMx 또는 Chl) 혼합배양에서 수확된 HR의 글루코오스 생산성.
시료 HR 가수분해후 생산된 글루코오스 함량(g/100 g DM)
HR 26.93±0.14
HR+SceMx 0.1 32.16±0.97
HR+SceMx 0.2 29.14±1.01
HR+Chl 0.1 35.07±1.15
HR+Chl 0.2 35.62±1.90
5-2 세트 2 실험결과(HR + Chl)
1) 인공하수에 Chl과 혼합 배양된 HR의 생장특성:
HR 단독보다 Chl과의 혼합 배양 시 HR의 생장이 둔화되었는데 그 정도는 Chl 처리 농도가 낮을수록 약했다. 배양된 HR의 건물비율은 HR 투입 초기밀도가 낮은구에서 더 낮은 경향을 보였다(표 33). HR 생장에 큰 영향을 미치지 않은 범위에서 혼합처리할 경우에는 HR 3 g + Chl 0.005가 바람직하였다.
HR + 저농도 Chl 혼합배양시의 HR 성장.
혼합된 조류 배양에서의 초기 밀도1) 7일 배양 후 HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
HR 1g 14.46±1.11 1.49±0.09 (100) 10.27
HR 3g 19.25±0.58 2.01±0.04 (100) 10.44
HR 1g + Chlorella OD 0.005 11.94±0.75 1.14±0.02 (76.5) 9.51
HR 1g + Chlorella OD 0.02 10.54±0.08 1.03±0.02 (69.1) 9.77
HR 3g + Chlorella OD 0.005 18.66±0.31 1.90±0.03 (94.5) 10.16
HR 3g + Chlorella OD 0.02 17.33±1.97 1.79±0.14 (89.1) 10.33
1)HR(FW g/0.1 m2) + 670 nm에서의 Chl OD값.
2)25℃, 12시간 광주기(백색광, 80-130 μmolm-2s-1)에서 7일 동안 배양.
2) 인공하수에 HR과 혼합 배양된 Chl의 생장특성:
전반적으로 미세조류는 HR과의 생장경합에서 낮은 생장성을 보였는데, 이는 HR이 저농도 양분조건에서 양분친화력이 높아 생장을 더 잘하는 반면, 다른 미세조류는 양분친화력이 낮아 상대적으로 양분 이용 경쟁력이 떨어졌기 때문으로 추정된다.
3) 혼합배양에서 TN, TP 제거 효율:
배양액의 TN 제거의 경우 HR, Chl 단독처리구보다 HR+Chl 혼합배양에서 TN 제거율이 더 높아졌는데 특히 배양 후 2일부터 5일 때 까지가 가장 뚜렷한 차이를 나타내었다(도 17). HR 3 g 처리가 HR 1 g 처리에서보다 약간 빠르게 TN 제거가 있었지만 HR 초기밀도 조정 노력을 감안하면 HR 1 g 처리가 실용적인 차원에서 더 바람직 할 것으로 여겨졌다.
배양액 내의 TP 제거의 경우 HR, Chl 단독처리구보다 HR+Chl 혼합배양에서 TP 제거율이 더 높아졌는데 특히 배양 후 1-3일째 가장 뚜렷한 차이를 나타내었다. HR 3 g 처리가 HR 1 g 처리에서보다 약간 빠르게 TP 제거가 있었지만 그 차이는 TN에서 보다 현저하지는 않았다(도 17). 이는 생장중의 pH 증가로 인한 물리적 침전이 병행되어 일어나기 때문으로 여겨지며 HR 초기밀도 조정 노력을 감안하면 HR 1 g 처리가 실용적인 차원에서 더 바람직할 것으로 여겨졌다.
HR 단독처리에서보다 TN, TP를 보다 빠르게 제거시키고자 할 경우 HR 1 g + Chl (680 nm에서의 OD가 0.005-0.02가 되는 수준) 처리구가 바람직하였다.
5-3. 세트 3 실험결과 (HR + SceMx)
1) 인공하수에 SceMx와 혼합 배양된 HR의 생장특성:
HR 단독보다 SceMx와의 혼합 배양 시 HR의 생장이 둔화되었는데 그 정도는 SceMx 처리 농도가 높을수록 높았다(표 34). Chl 혼합처리에 비해서 SceMx에 의한 HR 생장저해가 더 높은 경향을 보였다. 이는 HR과의 공존 가능성이 Chl보다 SceMx가 상대적으로 더 낮을 수 있음을 의미하기 때문에 이를 고려하여 혼합처리해야할 것이다. HR 생장에 큰 영향을 미치지 않은 범위에서 혼합처리 하려면 HR 3g + SceMx 0.005가 바람직하였다.
HR + 저농도 SceMx 혼합배양시의 HR 성장.
혼합된 조류 배양에서의 초기 밀도1) 7일 배양 후 HR 성장(g/0.1 m2)2)
생체중(A) 건물중(B) B/A(%)
HR 1g 12.86±0.25 1.20±0.01(100) 9.33
HR 3g 20.03±0.50 2.00±0.03(100) 9.96
HR 1g + Scenedesmus OD 0.005 9.91±0.14 1.00±0.00(83.3) 10.10
HR 1g + Scenedesmus OD 0.02 7.15±0.26 0.72±0.01(60.0) 10.08
HR 3g + Scenedesmus OD 0.005 18.98±0.82 1.82±0.08(91.0) 9.59
HR 3g + Scenedesmus OD 0.02 13.72±0.20 1.38±0.03(69.0) 10.03
1)HR(FW g/0.1 m2) + 670 nm에서의 SceMx OD값.
2)25℃, 12시간 광주기(백색광, 80-130 μmolm-2s-1)에서 7일 동안 배양.
2) 인공하수에 HR과 혼합 배양된 SceMx의 생장특성:
전반적으로 미세조류 SceMx는 특히 HR 3 g과의 생장경합에서 낮은 생장성을 보였는데, 이는 HR이 저농도 양분조건에서 양분친화력이 높아 생장을 더 잘하는 반면, SceMx는 양분친화력이 상대적으로 낮아 경합에서 밀리기 때문으로 추정된다.
3) 혼합배양에서 TN, TP 제거 효율:
배양액의 TN 제거의 경우 HR, SceMx 단독처리구보다 HR+SceMx 혼합배양에서 TN 제거율이 더 높아졌는데 특히 배양 후 2일부터 7일 때 까지가 가장 뚜렷한 차이를 나타내었다(도 18). HR 1 g + SceMx 0.02 처리가 가장 효과가 좋았다.
배양액내의 TP 제거의 경우 HR, SceMx 단독처리구보다 HR+SceMx 혼합배양에서 TP 제거율이 더 높아졌는데 특히 배양 후 1-3일째 가장 뚜렷한 차이를 나타내었다. HR 3 g 처리가 HR 1 g 처리에서보다 약간 빠르게 TP 제거가 있었다(도 18, 도 19). 이는 생장중의 pH 증가로 인한 물리적 침전이 병행되어 일어나기 때문으로 여겨지며 HR 초기밀도 조정 노력을 감안하면 HR 1 g 처리가 실용적인 차원에서 더 바람직할 것으로 여겨졌다.
HR 단독처리에서보다 TN, TP를 보다 빠르게 제거시키고자 할 경우 HR 1 g + SceMx (680 nm에서의 OD가 0.005-0.02가 되는 수준) 처리구가 바람직하였다.
실시예 6: HR 바이오매스를 이용한 수중 중금속 제거
그물말 속 조류 바이오매스를 모아 건조하면 다른 조류에 비해 보다 강한 전기적 성질을 나타내고 있음을 발견하였다. 그렇기 때문에 이를 적당량 물속에 담그면 수중의 금속이온이 바이오매스 표면에 흡착될 수 있을 것이며 이의 원리를 응용하면 중금속 오염 제거 등에 본 HR 바이오매스를 잘 활용할 수 있을 것이다. 따라서, 본 실시예에서는 수집한 그물말의 세척과정을 통해 보다 강한 전기적 성질을 부여함과 동시에 표면적 확대 처리를 병행하여 중금속 제거 효율성이 보다 높은 바이오매스를 제조하고 이를 이용한 수중 중금속 제거방법에 관한 기술을 확립하고자 실시하였다.
수집한 그물말 생체 또는 건조체를 직경 10 cm의 유리컬 럼에 충진하고 산 용액으로서는 0.01-2.0N 염산 또는 황산 용액을, 알카리 용액으로서는 0.01-2.0N NaOH 또는 KOH 용액을 공급하면서 2-3회 세척하고 최종적으로는 증류수를 가지고 다시 세척하였다. 세척된 HR 바이오매스는 탈수시킨 다음 45℃ 열풍건조기에 2일 두어 건조시키고 이를 분쇄하여 분말화 하였다. 이때 입자크기가 1 μm 이상인 것을 모아 실험재료로 사용하였다. 중금속 제거효율을 조사하기 위해서는 대표적인 중금속으로서 구리와 코발트를 선정하여 증류수로 조제된 10 ppm 용액을 가지고 실험하였다. 즉, 중금속 용액 1 L당 HR 바이오매스 건조체 또는 건조분말의 경우 0.1-1 g, 생체의 경우 1-10 g을 넣고 실온에서 0.5-48시간 두었다. 그후 경시적으로 시료를 취하여 원심분리 또는 GF/F 필터 여과를 통해 HR 바이오매스를 회수하고 남은 용액을 가지고 잔존 중금속 이온의 농도를 결정하였다. 실험결과 구리와 코발트 처리구 모두 HR 바이오매스에 의해 양호하게 제거되었다. 제거 효율은 HR 바이오매스 투입량과 침지 온도 및 기간에 따라 약간씩 차이가 있었지만 건조체 0.2 g/1 L 이상, 실온에서 1.0시간 이내 침지에서 90%의 제거효율을 나타냈다. 특히, 구리는 산-처리된 HR 바이오매스에서 매우 높은 제거효율을 나타내었다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 일 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 다음의 단계를 포함하는 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류(algae)를 이용한 생물학적 수질정화 방법:
    (a) 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류의 씨드를 유도시키는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)에서 유도된 그물말 속 조류와 타겟 수(water of interest)를 혼합시켜 배양하는 단계; 및
    (c) 상기 단계 (b)의 타겟 수 내 영양염의 양을 측정하는 단계로, 상기 영양염의 양이 원래의 타겟 수 내 영양염의 양과 비교하여 65% 이상 감소하는 것을 특징으로 하는 생물학적 수질정화 방법.
  2. 다음의 단계를 포함하는 활성화된(activated) 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류(algae)를 이용한 생물학적 수질정화 방법:
    (a) 활성화된 그물말 속 조류(AHR)를 제조하는 단계로, 상기 AHR은 0.5-10 cm 길이의 그물말 속 조류 네트를 수온 15-25℃ 및 광도 10-500 μmolm-2s-1 조건 하에서 탈기된 물 또는 질소와 인산 원소가 함유되지 않은 배지에서 배양하여 제조되고;
    (b) 상기 활성화된 그물말 속 조류와 타겟 수(water of interest)를 혼합시켜 배양하는 단계; 및
    (c) 상기 단계 (b)의 타겟 수 내 영양염의 양을 측정하는 단계로, 상기 영양염의 양이 원래의 타겟 수 내 영양염의 양과 비교하여 65% 이상 감소하는 것을 특징으로 하는 생물학적 수질정화 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 단계 (a)의 그물말 속 조류는 히드로딕티온 레티큘라툼(Hydrodictyon reticulatum), 히드로딕티온 아프리카눔(Hydrodictyon africanum) 및 히드로딕티온 파테내포르메(Hydrodictyon patenaeforme)로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 조류인 것을 특징으로 하는 생물학적 수질정화 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 단계 (b)의 배양은 탄소원으로서 바이카보네이트(소듐 또는 포타슘), 카보네이트(소듐 또는 포타슘) 또는 카본 다이옥사이드를 추가적으로 첨가하는 것을 특징으로 하는 생물학적 수질정화 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 상기 그물말 속 조류 또는 활성화된 그물말 속 조류와 공존 가능한 미세조류인 클로렐라(Chlorella) 또는 세네데스무스(Scenedesmus)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 수질정화 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 그물말 속 조류 또는 활성화된 그물말 속 조류와 혼합된 미세조류인 클로렐라(Chlorella) 또는 세네데스무스(Scenedesmus)로 이루어진 혼합된 조류의 밀도는 670 nm에서 0.005-0.2 OD(optical density) 범위인 것을 특징으로 하는 생물학적 수질정화 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 그물말 속 조류의 밀도 조절을 통해 반복적으로 실시할 수 있는 것을 특징으로 하는 생물학적 수질정화 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 단계 (c)의 영양염은 총질소 또는 총인인 것을 특징으로 하는 생물학적 수질정화 방법.
  9. 다음의 단계를 포함하는 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류(algae) 건조체를 이용한 타겟 수(water of interest) 내 중금속 제거방법:
    (a) 그물말 속(Genus Hydrodictyon) 조류의 씨드를 유도시키는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)에서 유도된 그물말 속 조류의 씨드를 세척하여 건조체를 제조하는 단계로, 상기 세척은 산 용액 또는 알카리 용액, 그리고 증류수를 이용하여 실시하고; 및
    (c) 상기 단계 (b)에서 제조된 조류 건조체를 타겟 수와 혼합시키는 단계로, 상기 타겟 수 내 중금속의 양이 원래의 타겟 수 내 중금속의 양과 비교하여 90% 이상 감소하는 것을 특징으로 하는 타겟 수 내 중금속 제거방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 중금속은 구리, 코발트, 납, 아연, 카드뮴, 크롬, 수은 도는 납인 것을 특징으로 하는 중금속 제거방법.
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