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Microcystis aeruginosa의 성장억제를 위한 초음파 조사조건 도출
Abstract
Objectives
The optimal ultrasonic irradiation conditions were derived through laboratory-scale experiments to evaluate growth inhibition effect of Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa), which is the main specie of Cyanobacterial Harmful Algal Blooms (CyanoHABs) in Republic of Korea.
Methods
The experiment was conducted by changing ultrasonic frequency, intensity, and initial cell concentration to observe the growth inhibition effect of M. aerginosa. The experiment was performed using shielded acrylic reactor [20 cm (W) × 20 cm (L) × 30 cm (H)]. Experiments were conducted using large volume (7.2 L) of water samples with high concentrations of M. aeruginosa, and the ultrasonic irradiation time was fixed at 3 hours.
Results and Discussion
In all experiments, pictorial view of M. aeruginosa samples, chlorophyll-a (Chl-a) and cell number of M. aerginosa were observed. As a result of ultrasonic irradiation on M. aeruginosa, the decrease in both Chl-a concentration and cell number of M. aeruginosa was monitored after sonication compared to the decrease during sonication. In addition, the rebound growth was confirmed after certain period of growth inhibition of M. aeruginosa. The optimal ultrasonic irradiation conditions for the growth inhibition of M. aeruginosa were obtained at the lower frequency and the higher intensity. Whereas algal growth inhibition was observed with high concentration (4.5 × 106 cells mL-1) of M. aeruginosa, algal growth inhibition was not monitored with low concentration (1.1 × 106 cells mL-1) of M. aeruginosa.
Conclusion
Through this study, the algal growth inhibition by ultrasonic was effective. Although the growth inhibition effect persisted for a certain period of time, subsequent regrowth was observed. Therefore, periodic ultrasonic irradiation is necessary for long-term growth inhibition of algal in field applications.
Key words: ultrasonic, algal growth inhibition, Microcystis aeruginosa, irradiation condition, regrowth
요약
목적
초음파에 의한 조류 성장억제 효과를 검증하였으며, 녹조현상의 주요 원인종이며 유해남조류인 Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa)의 성장억제를 위한 최적의 초음파 조사조건을 실내실험을 통해 도출하였다.
방법
초음파 조사조건에 따른 조류 성장억제 효과를 관찰하기 위해 초음파 주파수(frequency), 출력(intensity), 적용 조류농도(initial cell concentration)로 구분하여 실험을 진행하였다. 실험은 20 cm (W) × 20 cm (L) × 30 cm (H) 규격의 차광된 아크릴 반응조(acrylic reactor)에서 대용량의 M. aeruginosa 시료를 조류대발생 농도 조건으로 조절하였으며, 초음파 조사시간(irradiation time)은 3시간으로 동일하게 실험에 적용하였다.
결과 및 토의
모든 실험에서 시료의 육안상 변화, Chlorophyll-a (Chl-a) 그리고 M. aeruginosa의 개체수(cell number) 변화를 관찰하였을 때, 초음파 조사 종료 이후 조류 성장억제가 관찰되었으며 일정기간 조류 성장억제가 지속된 후 M. aeruginosa의 재성장을 확인하였다. 최적의 초음파 조사조건을 도출한 결과, 고주파보다 저주파일수록, 출력이 클수록 조류 성장억제 효과가 우수한 것으로 조사되었다. 또한 고농도(4.5 × 106 cells mL-1)의 M. aeruginosa 시료에서는 조류 성장억제 효과가 관찰된 반면 저농도(1.1 × 106 cells mL-1) 시료에서는 관찰되지 않아 저농도 시료에서는 조류 성장억제 효과가 미미한 것으로 판단된다.
결론
본 연구를 통해 초음파 기반 조류 성장억제 기법이 M. aeruginosa의 성장억제에 효과적임이 확인되었으나, 일정기간 동안 효과가 지속된 이후 재성장이 관측되어 장기적인 조류 성장억제를 위해서는 주기적인 초음파의 조사가 필요한 것으로 사료된다.
주제어: 초음파, 조류 성장억제, Microcystis aeruginosa, 조사조건, 재성장
1. 서 론
최근 기후위기에 따른 수온 상승, 도시화･산업화에 의한 오염물질 배출량 증가에 따른 영양염류의 유입 증가 및 수계 설치된 구조물에 의한 정체수역 증가 등의 복합 요인으로 조류가 과다 증식하여 녹조현상(algal bloom)의 발생빈도 및 심각성 증가가 사회적 문제로 대두되고 있다[ 1]. 국내에 서식하는 대부분의 담수조류는 부유성 미세조류인 규조류, 남조류, 녹조류, 기타조류이며, 녹조현상을 유발하는 주요 조류종은 유해남조류(CyanoHABs)로 보고되어진다[ 2, 3]. 유해남조류는 Microcystis, Anabaena, Oscillatoria, Aphanizomenon 등으로 알려져 있으며, 선행연구에서는 Microcystis sp. 중 Microcystis aeruginosa ( M. aeruginosa)가 녹조현상을 일으키는 대표종으로 보고하였다[ 4, 5]. M. aeruginosa는 지오스민(geosmin) 및 메틸이소보르네올(2-MIB)를 생성하여 수계 내 흙냄새와 곰팡이 냄새를 유발하며, 간독소인 마이크로시스틴(microcystin) 생성으로 인해 수계 내 독성물질 유출 및 수생태계 위해성 유발 등의 문제의 원인물질로 알려져 있다[ 6- 8]. 유해남조류의 저감을 위한 기법은 적용 원리에 따라 물리적(physical), 화학적(chemical), 생물학적(biological), 융복합(complex) 저감공법 등으로 구분되어 연구되어지고 있으며[ 9], 각 공법은 다음과 같은 장단점을 가지고 있다. 물리적 공법은 비교적 단기간에 가시적으로 저감 효과의 확인이 가능하고 수생태계 위해성이 낮은 반면 기계 장치의 구성이 요구되며, 이에 따라 기계의 유지 관리비가 소요된다는 단점이 있다. 화학적 공법은 다른 기법 대비 즉각적인 조류 저감 효과가 나타나지만 화학적 약품을 사용하기 때문에 수생태계에 직･간접적인 영향 및 2차 오염이 우려되며 환경조건에 따라 저감 효율에 영향을 미칠 수 있다. 그리고 생물학적 공법은 환경친화적으로 수생태계에 미치는 영향이 가장 적은 장점이 있는 반면 현장의 환경조건에 따라 조류 저감 효율에 큰 영향을 미친다는 단점이 있다. 하지만 이러한 대부분의 기술이 효과가 미비하거나 장기적으로 넓은 면적을 대응할 수 없으며, 수생태계에 위해성을 미치는 등의 이유로 인해 현장 적용이 어려운 실정이다[ 10]. 따라서 본 연구에서는 수생태계 위해성이 낮은 물리적 공법 중 초음파를 활용해 조류의 성장을 억제하는 기법을 활용한 조류 저감효율을 조사하였다. 초음파를 활용한 조류 저감은 초음파의 공동현상(cavitation)으로 조류 세포 내 기낭(gas vesicle)의 파괴 및 분포를 감소시켜 부력조절 능력을 상실한 조류가 호소 바닥으로 가라앉아 광합성이 차단되는 원리로 이루어진다[ 11- 15]. 고주파 초음파의 경우 저주파에 비해 조류성장 억제 효율이 낮고 수생태계에 부정적인 영향을 미치는 반면 저주파 초음파를 이용한 기법은 조류성장 억제 효율이 우수하고 수생태계 위해성이 비교적 낮으며[ 16- 17], 독성물질(microcystin-LR)의 분해에 효과가 있다고 보고되어진다[ 10, 19- 21]. 또한 주파수(frequency), 출력(intensity) 등의 조사조건에 따라 유해남조류를 선택적으로 성장억제 할 수 있다고 보고된다[ 13, 21, 22]. 선행연구에 따르면, Rajasekhar et al. (2012)은 20 kHz의 동일한 초음파 조사조건에서 조류종별로 다른 조류 성장억제 효율( Anabaena circinalis > Microcystis aeruginosa > Chorella sp.)을 나타냈으며[ 23], Lee et al. (2018)는 조류의 농도가 높을수록 제거 효율이 높게 도출된다고 보고하였다[ 24]. 그리고 Sim et al. (2006)과 Zhang et al. (2006)은 초음파의 출력이 높고 조사시간이 길수록 조류 성장억제 효율이 높은 것을 관찰하였다[ 25, 26]. 하지만 이러한 연구 결과는 비교적 적은 시료의 용량(< 1.5 L)에서 진행되었으며 일시적인 조류 성장억제(growth inhibition) 효과를 관찰하여 대규모 수체에서의 장기적 효과를 위한 초음파 조사조건을 도출하기에 한계가 있다고 판단된다. 이러한 선행연구 대비 Jang et al. (2021)은 대용량의 고농도 시료에서의 저주파, 고주파 초음파의 조류 성장억제 효과를 비교하였으며, 저주파 초음파에서 조류 성장억제 효과가 우수함을 검증하였다[ 15]. 현재 초음파에 관한 연구 및 적용은 국외에서는 초음파를 활용한 조류 제어 장치가 상용화되어 현장 적용이 이루어지는 반면 국내에서는 정체수역 일부 적용 사례만 보고되고 있다[ 9, 27]. 본 연구에서는 조류 성장억제를 위한 최적의 초음파의 주파수, 출력, 적용 조류농도를 실험실규모(lab-scale) 실험을 통해 도출하였으며, 녹조현상의 주요 원인종인 M. aeruginosa 단일종의 시료를 기존 연구 대비 대용량(7.2 L)으로 적용하여 실험을 실시하였다. 초음파의 조류 성장억제 효과를 검증하고 초음파 조사 종료 후 조류의 재성장 주기(regrowth period)를 도출하기 위해 (1) 시료의 육안상 변화 관찰, (2) Chlorophyll-a (Chl-a)와 M. aeruginosa 개체수 변화, (3) M. aeruginosa 개체수를 이용한 비성장속도(μ) 및 일차분해속도(κ) 도출을 진행하였다. 이러한 연구 결과를 종합하여 고농도의 M. aeruginosa 대용량 시료를 활용한 실험실규모 실험에서의 최적의 초음파 조사조건을 도출하여, 초음파를 활용한 조류의 성장억제 효율(efficiency)과 효과의 지속성(durability)을 확인하였다.
2. 재료 및 방법
2.1. M. aeruginosa 배양방법
본 실험에서 사용된 M. aeruginosa는 W저수지로부터 채수하여 실험실에서 동정 분리하였다. 모든 배양은 표면적 182.5 cm 2, 부피 600 mL의 cell culture 플라스크(VWR, Co., America)에서 이루어졌으며, 일정량의 M. aeruginosa에 pH 9로 조정한 CB배지를 접종하여 진탕배양기에서 배양하였다. 배양조건은 온도는 27±1℃, 광량은 12 μmol-photons m -1 s -1, 명암주기는 12 hr (light):12 hr (dark) cycle그리고 회전속도는 28±1 rpm으로 약 18일간 배양하여 실험에 사용하였다. M. aeruginosa 배양에 사용된 CB배지의 구체적인 조성은 Jang et al. (2021)에 제시되었다[ 15].
2.2. 초음파 발생장치
초음파 조사조건 변화에 따른 M. aeruginosa의 성장억제에 미치는 영향의 비교 및 분석을 위해 초음파 구동회로를 제작하였다(AD Sonic, Co., Korea). 초음파 발생장치 중 23 kHz는 Hainertec, Co. (China) 그리고 50 kHz와 100 kHz는 Ginpertec, Co. (China)의 상용화된 제품을 구매하여 활용하였으며, 출력은 전원공급장치를 통해 조절하여 실험에 적용하였다( Fig. 1).
2.3. 초음파를 활용한 M. aeruginosa 성장억제 실험방법
본 연구의 모든 실험은 20 cm (W) × 20 cm (L) × 30 cm (H) 규격의 차광된 아크릴 반응조(acrylic reactor)에서 진행하였으며( Fig. 2), 기존 선행연구는 대부분 1.5 L 미만의 적은 용량에서 연구된 반면 본 연구에서는 대용량(7.2 L)의 시료를 실험에 적용하였다. 반응조 내의 정량화된 값을 측정하기 위해 시료 채취 시 시료를 충분히 교반한 후 채취하여 일정 침전 시간(10 min) 이후 표층수로부터 2 cm 미만의 상등액의 Chlorophyll-a (Chl- a) 및 세포수를 측정하였다. 또한 선행연구에서 초기의 조류 농도가 높을수록 초음파에 의한 조류 성장 억제 효과가 명확하게 확인되는 것으로 보고되어[ 24], 본 연구의 초기 M. aeruginosa의 농도를 조류경보제 발령 기준 중 조류대발생 남조류 농도(1 × 10 6 cells mL -1) 보다 높은 조류 농도(4.5 × 10 6 ~ 4.9 × 10 6 cells mL -1)를 실험에 적용하였다. 초음파 조사조건은 선행연구 대비 큰 실험용량과 높은 M. aeruginosa의 초기 조류 농도를 고려하여 단위 부피당 누적에너지량(J L -1)을 기존 연구(100~53,000 J L -1)보다 비교적 큰 누적에너지량(13,000~360,000 J L -1)조사를 위해 3시간 동안 조사하였다. 대용량(7.2 L)의 시료를 고려해 각 실험 조건별로 1회 초음파 조사 실험을 실시하여 초음파 조사조건별 조류성장 억제 효율을 도출하였으며, 초음파 조사 이후 M. aeruginosa 개체수가 초음파 조사 전 초기농도까지 회복되는 시간 및 시료의 변화를 관찰하였다. 각 실험의 실험조건은 Table 1에 요약하였다.
2.4. M. aeruginosa 개체수 분석
초음파 조사가 M. aeruginosa에 미치는 영향을 관찰하기 위해 혈구계수법(hemocytometry)을 이용하여 개체수(cell number) 분석을 진행하였다. 시료를 취수한 직후 루골용액(lugol’s solution)으로 셀을 고정한 후 암실 보관하여 혈구계수기(Marienfeld, Germany)와 광학현미경(DN-10A, Samwon Scientific Industries, Ltd., Korea)을 통해 분석하였다. 또한 시간에 따른 개체수의 변화율과 Eq. 1과 Eq. 2를 이용하여 M. aeruginosa의 성장률(growth rate)및 일차분해속도(first order decay rate)를 도출하였다. μ는 비성장속도(hr -1), κ는 일차분해속도(hr -1), N 0와 N t는 실험 초기와 일정 시간( t) 경과후의 M. aeruginosa의 개체수(cells mL -1), 그리고 t는 경과시간(hr)을 나타낸다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 주파수별 비교 실험
초음파 주파수가 M. aeruginosa에 미치는 영향을 관찰하기 위해 초음파 조사조건을 23 kHz (Hz_B), 50 kHz (Hz_C), 100 kHz (Hz_D)로 나누어 22일간 M. aeruginosa의 변화를 비교 및 분석하였다. 시료의 육안상 변화를 관찰하였을 때( Fig. 3), 대조군(Hz_A)은 관찰기간( t < 22 day) 동안 조류 특유의 녹색과 부유성이 지속적으로 증가하는 것을 확인하였다. 초음파 조사 시 실험군(Hz_B, Hz_C, Hz_D)은 대조군 대비 초음파에 의해 즉각적으로 M. aeruginosa가 바닥으로 가라앉아 초음파 조사 종료 이후부터 8일까지 M. aeruginosa의 침전으로 인한 투명도가 증가하였으나 이후 재성장이 확인되었다. 초음파 주파수에 따른 영향을 비교하였을 때, 실험군 Hz_B > 실험군 Hz_C > 실험군 Hz_D 순서로 조류 성장억제 효과가 빠르게 관찰되었으며 재성장은 역순으로 빠르게 관찰되어 조류 성장 억제에 가장 효과적인 주파수는 23 kHz로 판단된다. Chl- a와 M. aeruginosa의 개체수 변화를 관찰한 결과( Fig. 4), 대조군은 관찰기간 동안 Chl- a와 개체수의 증가가 관찰되어 조류 성장억제 요인은 없는 것으로 판단된다. 실험군은 초음파 조사 기간( t < 3 hr) 동안 Chl- a 및 개체수의 저감이 관찰되지 않았으나 초음파 조사 종료 이후 Chl- a 및 개체수가 저감되어 8일까지 조류 성장억제가 지속되었으며 이후 재성장을 확인하였다. 각 실험군의 최대 조류 성장억제 효율을 도출하였을 때, 실험군 Hz_B는 94%, 실험군 Hz_C는 93%, 그리고 실험군 Hz_D는 70%로 나타나 저주파 초음파 조사가 고주파보다 M. aeruginosa 성장억제에 효과적인 것(23 kHz > 50 kHz > 100 kHz)으로 판단된다. 이러한 M. aeruginosa와 저주파수의 관계는 Wu et al. (2012), Huang et al. (2021) 그리고 Jang et al. (2021)에서 동일하게 도출되었으나, Wu et al. (2012)와 Huang et al. (2021)에서는 즉각적인 조류 성장억제가 관찰되었으며 이는 작은 실험용량(≤0.5 L)에 의해 단위부피당 영향을 받는 조류의 개체수가 많기 때문인 것으로 판단된다[ 15, 28, 29].
M. aeruginosa 개체수 변화를 통해 비성장속도( μ)와 일차분해속도( κ)를 도출한 결과( Table 2, Fig. 5), 관찰기간 동안 대조군은 비성장속도가 2.6 × 10 -3 ~ 3.4 × 10 -3 hr -1로 도출되어 조류의 상대적으로 높은 성장을 확인하였다. 실험군은 모든 시료에서 성장률 대비 높은 일차분해속도(κ Hz_B = 13.0 × 10 -3 hr -1, κ Hz_C = 13.2 × 10 -3 hr -1 그리고 κ Hz_D = 4.9 × 10 -3 hr -1)이 도출되었으며, 초음파 조사 종료 8일 이후에는 재성장(μ Hz_B = 7.6 × 10 -3 hr -1, μ Hz_C = 8.3 × 10 -3 hr -1, μ Hz_D = 5.9 × 10 -3 hr -1)이 관측되었다. 종합적으로 검토하였을 때, 조류 성장억제를 위한 가장 효과적인 초음파 주파수는 23 kHz로 판단된다. 또한 재성장 기간( t > 8 day)을 살펴보면 대조군 대비 모든 실험군에서 높은 비성장 속도가 도출된 것을 확인할 수 있었다. 이는 대조군의 경우 M. aeruginosa의 과다성장으로 단위부피당 개체수가 많은 반면 실험군에서는 조류 성장억제 기간 동안 M. aeruginosa 개체수의 저감으로 단위부피당 개체수가 상대적으로 낮아 지수 성장되어 임계농도 대비 낮은 저농도의 조류에서 재성장이 빠르게 증가하는 것으로 사료된다.
3.2. 출력별 비교 실험
초음파 출력이 M. aeruginosa에 미치는 영향을 관찰하기 위해 초음파 조사조건을 4.17 W L -1 (W_B), 6.94 W L -1 (W_C), 11.11 W L -1 (W_D)로 적용하여 24일간 M. aeruginosa의 변화를 비교 및 분석하였다. 시료의 육안상 변화를 관찰하였을 때( Fig. 6), 대조군(W_A)은 관찰기간( t < 24 day) 동안 조류 특유의 녹색과 부유성이 지속적으로 증가하는 것을 확인하였으며, 실험군(W_B, W_C, W_D)은 주파수별 실험과 동일하게 대조군 대비 M. aeruginosa의 즉각적인 침전으로 인한 투명도의 증가가 지속적으로 관찰되었다. 또한 실험군 W_B의 경우 초음파 조사 종료 1.25일 후, 실험군 W_C와 W_D는 6일 후 M. aeruginosa의 재성장이 확인되었다. 위의 결과를 토대로 장기적인 M. aeruginosa의 성장억제를 위해서는 6.94 W L -1이상의 출력이 요구되는 것으로 사료된다. Chl- a와 M. aeruginosa의 개체수 변화를 관찰한 결과( Fig. 7), 대조군은 관찰기간 동안 Chl- a와 개체수의 증가가 관찰되어 조류 성장억제 요인은 없는 것으로 판단된다. 실험군은 초음파 조사 기간( t < 3 hr) 동안 Chl- a 및 개체수의 변화는 미미하였으나 초음파 조사 종료 이후 저감이 관찰되었으며, 실험군 W_B는 초음파 조사 종료 이후 1.25일 후, W_C와 W_D의 경우 약 6일 이후 재성장을 확인하였다. 실험군의 최대 저감율을 도출하였을 때, 실험군 W_B는 58%, 실험군 W_C는 78% 그리고 실험군 W_D는 90%로 나타나 출력이 높을수록 M. aeruginosa 성장억제에 효과적인 것으로 판단된다. 이러한 결과는 Zhang et al. (2006), Huang et al. (2020)의 결과와 동일하게 초음파의 출력이 높을수록 조류 성장억제에 효과적인 것으로 판단된다[ 30, 31].
M. aeruginosa 개체수 변화를 통해 비성장속도( μ)와 일차분해속도( κ)를 도출한 결과( Table 3, Fig. 8), 관찰기간 동안 대조군은 비성장속도가 2.1 × 10 -3 ~ 4.6 × 10 -3 hr -1로 도출되어 조류의 성장을 확인하였다. 실험군은 각각의 조류 성장억제 기간 동안(W_B: t < 1.25 day, W_C: t < 6 day, W_B: t < 6 day) 성장률 대비 높은 일차분해속도(κ W_B = 19.1 × 10 -3 hr -1, κ W_C = 12.7 × 10 -3 hr -1 그리고 κ W_D = 15.7 × 10 -3 hr -1)가 도출되었으며, 이후 재성장( μW_B = 4.1 × 10 -3 hr -1, μW_C = 4.3 × 10 -3 hr -1, μW_D = 5.0 × 10 -3 hr -1)이 관측되었다. 비성장속도와 일차분해속도의 변화를 근거로 출력이 높을수록 조류 성장억제 효과가 우수하며, 장기적인 조류 성장억제를 위한 출력의 임계값은 6.94 W L -1인 것으로 판단된다. Zhang et al. (2006)에서도 동일하게 초음파의 출력이 높을수록 조류 성장억제에 효과적인 것으로 보고되었으나[ 30], 초음파에 의한 일차분해속도는 0.42~1.38 hr -1로 본 연구보다 높게 도출되었다. 이는 실험용량이 본 실험 대비 30배 이상 작아 초음파에 의한 M. aeruginosa의 성장억제 효율이 크게 나타난 것으로 사료된다.
3.3. 조류농도별 비교 실험
초기 조류 농도에 따른 초음파의 영향을 관찰하기 위해 조류 농도를 1.1 × 10 6 cells mL -1(저농도)와 4.5 × 10 6 cells mL -1 (고농도)로 실험에 적용하여 M. aeruginosa의 변화를 비교 및 분석하였다. 실험과정 중 초음파 조사 이후 이전 실험들과 동일하게 실험군의 반응조에서 M. aeruginosa의 즉각적인 침전이 관찰되었으나, 저농도의 실험군의 경우 고농도 실험군에 비해 빠르게 M. aeruginosa의 부유성이 회복되는 것이 확인되었다. 저농도 시료의 Chl- a와 M. aeruginosa의 개체수 변화를 관찰한 결과( Fig. 9), 대조군(C_A)과 실험군(C_B) 모두 관찰 기간 동안( t < 8 day) Chl- a 농도와 개체수가 지속적으로 증가하였다. 따라서 초음파는 M. aeruginosa 단일종의 저농도 시료에 조류 성장억제 효과를 미치지 못하는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 유사한 실험조건에서 실험을 진행한 선행연구와 다른 결과를 나타냈으며[ 24, 31], 이는 선행연구 대비 본 실험의 반응조의 용량이 매우 커 유효범위 내 초음파 진동을 회피하고자한 낮은 개체수의 조류의 수직이동이 활발해 초음파에 영향을 받는 개체수가 적어 성장억제를 위한 충분한 에너지 전달이 되지 않아 유의미한 M. aeruginosa의 개체수 변화가 관측되지 않은 것으로 사료된다. 고농도 시료의 Chl- a와 M. aeruginosa의 개체수 변화를 관찰한 결과( Fig. 10), 대조군(C_C)은 관찰기간 동안 Chl- a와 개체수가 비교적 균일하게 유지되는 것을 확인하여 조류 성장억제 요인은 없는 것으로 판단된다. 실험군(C_D)은 초음파 조사 기간( t < 3 hr) 동안의 변화는 미미하였으나 Chl- a는 초음파 조사 종료 5일 이후, 개체수는 점진적으로 감소하는 것을 확인하였다. 본 연구결과와 유사하게 Lee et al. (2018)에서 Microcystis sp.의 농도별 실험을 실시한 결과, 저농도 시료보다 고농도의 시료에서 조류 성장억제 효과가 우수한 것으로 관측되었다[ 24]. 이는 고농도의 경우 저농도 조건에 비해 단위면적당 초음파에 노출되는 세포수가 많아 세포 손상 빈도가 높을 뿐만 아니라 정체기에서 성장속도가 둔화되어서 나타난 결과로 사료된다.
4. 결 론
1. 주파수별 비교 실험 결과, 모든 실험군에서 대조군 대비 조류 성장이 억제된 것을 확인하였으며 저주파일수록 조류 성장억제 효과가 우수함을 확인하였다(23 kHz > 50 kHz > 100 kHz). 또한 모든 실험군에서 초음파 조사 종료 8일간 조류 성장억제가 유지되었으며, 이후 M. aeruginosa의 재성장이 관측되었다.
2. 출력별 비교 실험 결과, 모든 실험군에서 대조군 대비 조류 성장이 억제된 것을 확인하였으며 출력이 높을수록 조류 성장억제 효과가 우수함을 확인하였다(4.17 W L-1 < 6.94 W L-1 < 11.11 W L-1). 조류 성장억제 기간을 검토한 결과, 4.17 W L-1는 1.25일간, 6.94 W L-1와 11.11 W L-1에서는 6일간 조류 성장억제가 지속되었으며 이후 재성장이 관측되어 효과적인 조류 성장억제를 위한 출력의 임계값은 6.94 W L-1로 사료된다.
3. 조류농도별 비교 실험 결과, 저농도(1.1 × 106 cells mL-1)의 M. aeruginosa 시료에서 초음파에 의한 조류 성장억제 효과는 관찰되지 않았으나 고농도(4.5 × 106 cells mL-1) 시료에서는 조류 성장억제 효과가 관측되었다. 따라서 저농도의 M. aeruginosa 시료에서는 조류 성장억제 효과가 미미한 것으로 판단된다.
4. 조류 성장억제를 위한 최적의 초음파 조사 조건은 주파수 23 kHz, 출력 6.94 W L-1 이상이며, 초음파 조사종료 이후 조류 성장이 억제되는 것을 확인하였다. Chl-a와 M. aeruginosa 개체수를 관찰한 결과, 초음파 조사는 M. aeruginosa의 성장억제에 효과적이나 개체수 대비 Chl-a의 저감에 미치는 영향이 상대적으로 낮은 것으로 판단된다. 또한 초음파 조사에 의한 조류 성장억제 기간은 초음파 주파수별, 출력별 실험에서 6~8일로 유사하게 도출되어 추후 조류 제어를 위한 초음파의 현장적용 시 조류의 재성장 주기의 고려가 필요할 것으로 사료된다.
5. M. aeruginosa(단일종)의 저농도 시료에서 조류 성장억제 효과가 관찰되지 않아 추가적인 실험을 통해 초음파가 현장시료(복합종)에서 미치는 영향의 관찰이 요구된다. 또한 초음파 조사에 따른 조류 성장억제 이후 조류의 재성장이 확인되어 장기적인 조류 성장억제 효과를 위해서는 주기적인 초음파의 조사가 요구되는 것으로 판단된다.
Acknowledgments
본 연구는 2022년도 중소벤처기업부의 기술개발사업 지원에 의한 연구[G21S302588802]이며, 이에 대해 감사드립니다.
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.
Fig. 1.
Pictorial view of the ultrasonic generator and power supply. 
Fig. 2.
Schematic diagram and pictorial view of ultrasonic reactors used in this study. 
Fig. 3.
Pictorial view of M. aeruginosa in cell culture flask with time in experiments determining the optimal frequency. 
Fig. 4.
. Effect of ultrasonic frequency on Chl-a and cell number of M. aeruginosa with time in experiments determining the optimal frequency. 
Fig. 5.
Change in growth rate (μ) and first order decay constant (κ ) of cell number for M. aeruginosa in experiments determining the optimal frequency. 
Fig. 6.
Pictorial view of M. aeruginosa in cell culture flask with time in experiments determining the optimal intensity. 
Fig. 7.
Effect of ultrasonic intensity on Chl-a and cell number of M. aeruginosa with time in experiments determining the optimal intensity. 
Fig. 8.
Change in growth rate (μ) and first order decay constant (κ ) of cell number for M. aeruginosa in experiments determining the optimal intensity. 
Fig. 9.
Changes in Chl-a and cell number of M. aeruginosa using relatively low initial concentration of M. aeruginosa. 
Fig. 10.
Changes in Chl-a and cell number of M. aeruginosa using relatively high initial concentration of M. aeruginosa. 
Table 1.
Experimental conditions for algal growth inhibition by ultrasonic irradiation.
|
Factor |
Concentration of M. aeruginosa (× 106 cells mL-1) |
Frequency (kHz) |
Intensity (W L-1) |
|
Frequency (Hz) |
Hz_A |
4.90 |
0 |
0 |
|
Hz_B |
23 |
6.94 |
|
Hz_C |
50 |
|
Hz_D |
100 |
|
Intensity (W L-1) |
W_A |
4.64 |
0 |
0 |
|
W_B |
23 |
4.17 |
|
W_C |
6.94 |
|
W_D |
11.11 |
|
initial concentration (C0) |
C_A |
1.10 |
0 |
0 |
|
C_B |
1.10 |
23 |
6.94 |
|
C_C |
4.50 |
0 |
0 |
|
C_D |
4.50 |
23 |
6.94 |
Table 2.
Summary of growth rate (μ) and first order decay constant (κ) of M. aeruginosa in experiments determining the optimal frequency.
|
Growth inhibition period (t < 8 day)
|
Regrowth period (8 day < t < 22 day)
|
|
Hz_A (Control) |
Hz_B (23 kHz) |
Hz_C (50 kHz) |
Hz_D (100 kHz) |
Hz_A (Control) |
Hz_B (23 kHz) |
Hz_C (50 kHz) |
Hz_D (100 kHz) |
|
μ (×10-3 hr-1) |
2.6 |
- |
- |
- |
3.4 |
7.6 |
8.3 |
5.9 |
|
κ (×10-3 hr-1) |
- |
13.0 |
13.2 |
4.9 |
- |
- |
- |
- |
|
R2
|
0.953 |
0.924 |
0.932 |
0.974 |
0.823 |
0.949 |
0.992 |
0.931 |
Table 3.
Summary of growth rate (μ) and first order decay constant (κ) of M. aeruginosa in intensity experiments.
|
Growth inhibition period
|
Regrowth period (t < 24 day)
|
t < 6 day
|
t < 1.25 day
|
t < 6 day
|
t < 6 day
|
t > 6 day
|
t > 1.25 day
|
t > 6 day
|
t > 6 day
|
|
W_A (Control) |
W_B (4.17 W L-1) |
W_C (6.94 W L-1) |
W_D (11.11 W L-1) |
W_A (Control) |
W_B (4.17 W L-1) |
W_C (6.94 W L-1) |
W_D (11.11 W L-1) |
|
μ (×10-3 hr-1) |
2.1 |
- |
- |
- |
4.6 |
4.1 |
4.3 |
5.0 |
|
κ (×10-3 hr-1) |
- |
19.1 |
12.7 |
15.7 |
- |
- |
- |
- |
|
R2
|
0.993 |
0.999 |
0.996 |
0.975 |
0.991 |
0.885 |
0.924 |
0.985 |
References
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