한국방사선산업학회

(1)

서

론

우리나라의 연안 해역에서 해마다 발생하는 적조현상 은 적조생물의 과잉증식에 따른 산소 고갈로 저서생물 의 서식을 불가능하게 하고, 특히 양식장이 밀집된 지역 에서는 1990년 이후 유해성 편모조류에 의한 적조 발생 으로 해양 어∙패류를 대량 폐사시키는 등 수산생물에 피해를 줌으로써 엄청난 어류자원의 손실을 가져오고 있다. 뿐만 아니라 발생기간의 장기화, 발생해역의 광역 화, 적조 원인생물의 고밀도 및 적조생물의 독성화 추세 가 심화되면서 어장환경과 수산생물에 막대한 피해를 일으켜 심각한 사회∙경제적인 문제를 야기시키고 있 다. 1995년 대규모로 발생한 유해성 적조원인 생물인 Cochlodinium polykrikoides종에 의한 적조는 남해안에서 동해안까지 광범위한 해역에서 거의 두 달 동안 장기간 지속적으로 발생하여 총 764억원에 달하는 막대한 수산 피해를 일으켰으며 그 이후 유해적조가 매년 대규모로 장기간 발생하여 최근에는 편모조류 적조가 연간 적조 발생 건수의 90% 이상을 차지하는 등 문제가 심화되고 ─ ─ 161 ──

전자선 조사에 의한 적조제어기술 개발 기초연구

강 호*∙임선애∙이면주1_∙김유리2_∙한범수2 충남대학교 환경공학과, 1_{한국원자력연구원,}2_{EB Tech(주)}

A Feasibility Study for Red Tide Control

by Electron Beam Irradiation

Ho Kang*, Seon Ae Lim, Myun Joo Lee1_{, Yu Ri Kim}2_{and Bum Soo Han}2 Department of Environmental Engineering, Chungnam National University,

Daejeon 305-764, Korea

1_{Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute,} Jeongeup 580-185, Korea

2_{EB Tech Co., Ltd., Daejeon 305-500, Korea}

Abstract -- This research was carried out to assess the feasibility of controlling marine algae by

us-ing electron beam irradiation. Dominant species of red tied observed in the coastal area of korean peninsula were tested; Prorocentrum minimum, Prorocentrum micans, Cochlodinium

polykrikoides, Heterosigma akashiwo. Results showed that approximately 45~~74% reduction of

chlorophyll-a concentration was obtained at the irradiation dose of 1~~2 kGy. A transmission

electron micro-scope examination revealed that a large amount of intracellular biopolymeric substances was leached out from the damaged algal cultures as a result of electron beam irradiation. It is likely that a low dose of electron beam irradiation (1~~2 kGy) is feasible to

control red tide observed in coastal water.

Key words : Electron beam, Red tides, Chlorophyll-a, Biopolymer

* Corresponding author: Ho Kang, Tel. +82-42-821-6675, Fax. +82-42-822-5610, E-mail. [email protected]

(2)

있다(최 등 1999; 류 등 2004). 현재 국내∙외에서 연구되고 있는 적조방제 방법은 적조회수처리선이나 적조방제막 및 초음파 등을 이용하 는 물리적 방법, CuSO4등과 같은 살조제 살포, 황토, 오 존 등을 이용한 화학적 방법, 천적 미생물을 이용한 생 물학적 방법 등이 있다 (최 등 1999; 박 2004). 그 중 경 제적이고 현장적용성이 뛰어난 황토흡착법은 황토의 콜 로이드 입자와 적조생물의 응집∙흡착반응을 통하여 적 조생물을 침전시키며 황토 중의 알루미늄 이온이 용출 되어 적조생물의 세포를 파괴시키는 성질을 이용한 방 법으로 연안어장의 적조제어를 위한 현장기술로서 가장 각광을 받고 있으나 미세한 황토입자는 동∙식물의 호 흡기나 신진대사를 방해할 수 있고 빛의 차단으로 식물 의 광합성을 방해하며, 적조유발 조류 중에서 C. poly-krikoides에는 현저한 효과를 나타내는 반면, 그 외의 일 부 조류에 대해서는 효과를 나타내지 못하고 있다 (심 2003; 류 등 2004; 박 등 2006). 따라서 적조제어에 효율 이 뛰어나고 2차 오염 등의 다른 부수적인 문제점이 없 으며 연안 유역에서 발생하고 있는 현장에서 직접 제어 하기 위한 현장응용 기술의 개발이 시급한 실정이다. 이에 본 연구는 전자선을 이용한 적조제어기술의 개 발을 위한 기초연구로서 전자선 조사에 따른 적조생물 의 사멸률 및 물리∙화학적인 변화를 평가하였다.

재료 및 방법

1. 실험대상 조류의 선정 본 연구에서 전자선 조사에 의한 적조의 사멸률을 평 가하기 위한 실험대상 조류는 국립수산과학원에 1995년 에서 2005년까지 접수된 동∙서∙남해안 연안의 10년 간 적조발생 자료를 토대로 우리나라 연안에서 주로 출 현하는 주요 적조생물을 선정하였으며 (이 등 2005), 선 정된 적조생물은 4종으로 1990년 이후 우리나라 남해안 에서 거의 매년 발생하고 있는 C. polykrikoides는 유해 성 편모조류로서 길이 30~40µm, 폭 20~30µm로 타원 형의 세포가 연결된 군체로 초여름에서 늦여름까지 우 리나라의 연안에 출현해 어류에 치명적인 영향을 주고 있어 가장 문제가 되고 있는 적조생물이다. Prorocentr-um micans는 길이 35~70µm, 폭 20~50µm의 편모조 류로서 독성이 없으며 무성생식을 하는 것으로 알려져 있고 우리나라 전 해안에 분포하며 여름철에 상습적인 적조를 일으킨다. 또한 Prorocentrum minimum은 15~3 µm 길이의 황갈색을 띠는 와편모조류로서 매년 늦봄에 서 가을까지 주로 내만에서 적조를 상습적으로 일으키 고 있는 대표적인 종이다. Heterosigma akashiwo는 연안 성 적조를 일으키는 종으로 우리나라에서는 봄, 가을철 에 고밀도 적조 (1,000~100,000 cells ml-1₎_{를 일으킨다} (김 2005). 실험대상 적조로 선정된 적조생물 중 P. minimum과 P. micans는 서울대 적조연구실에서 분양받았으며, H. akashiwo는 부경대 미세조류은행에서, C. polykrikoides는 국립수산과학원에서 각각 분양받아 실험실 내에서 일괄 배양하였다. 또한 실제 C. polykrikoides 적조가 발생한 경남 통영군 (2007. 8. 15)의 시료를 대상으로 실험하였 다. 2. 조류의 배양 적조의 배양은 실험실 내에서 이루어졌으며, 배양액은 GF/F로 2차 여과한 해수 1L당 f/2-si 배지를 첨가하여 105�C에서 30분 간 고압멸균하여 이용하였다. 수온 18 ~23�C와 염분 25~33 psu를 유지하면서 Light 20~100 µEm-2_s-1_{에 지속적으로 노출시켜 실내배양 하였으며} 배양된 조류가 일정농도에 도달하면 전자선을 조사하여 실험을 실시하였다. f/2-si 배지의 조성은 Table 2와 같다.

Table 1. Marine harmful algae for experiment on red tide

Marine

Cochlodinium polykrikoides

harmful Prorocentrum micans

algae Prorocentrum minimum

Heterosigma akashiwo

Table 2. Recipe of f/2-si media

f/2 medium (Guillard & Ryther 1962, Guillard 1975) Quantity Compound Stock Molar concentration

solution in final medium 1 ml NaNO3 75 g l-1H2O 8.83×10-4M 1 ml NaH2PO4∙H2O 5 g l-1H2O 3.63×10-5M 1 ml f/2 trace metal solution - -0.5 ml f/2 vitamin solution -

-f/2 trace metal solution (Guillard & Ryther 1962, Guillard 1975) 3.15 g FeCl3∙6H2O - 1×10-5M 4.36 g Na2EDTA∙2H2O - 1×10-5M 1 ml CuSO4∙5H2O 9.8 g l-1H2O 4×10-8M 1 ml Na2MoO4∙2H2O 6.3 g l-1H2O 3×10-8M 1 ml ZnSO4∙7H2O 22.0 g l-1H2O 8×10-8M 1 ml CoCl2∙6H2O 10.0 g l-1H2O 5×10-8M 1 ml MnCl2∙4H2O 180.0 g l-1H2O 9×10-7M f/2 vitamin solution (Guillard & Ryther 1962, Guillard 1975) 1 ml Vitamin B12 1.0 g l-1H2O 1×10-10M 10 ml Biotin 0.1 g l-1_H

2O 2×10-9M 200 ml Thiamine∙HCl - 3×10-7_M

(3)

3. 전자선 조사

사용된 전자선 가속기는 한국원자력연구원 2 MeV 상 전도 가속기와 EB Tech(주)의 2.5 MeV (ELV-4 Model)전 자선 가속기를 이용하여 실험실내에서 배양된 적조류에 전자선을 조사하였다. 전자선 조사는 Batch 시스템으로 한국원자력연구소의 2 MeV 상전도 가속기를 사용하여 폴리비닐백 6개에 적조시료를 150 ml씩 주입하여 판에 부착시킨 후 0~8 kGy 범위로 전자선을 조사하였고, EB

Tech(주)의 2.5 MeV 전자선 가속기를 이용하여 Pyrex 유

리로 제작된 35×33.5×5.6 cm의 덮개가 없는 반응조에 조류시료를 250 ml씩 넣어 전자선을 조사하였다. 4. 전자선 조사에 의한 적조류의 물리∙화학적 특성 변화 전자선 조사가 적조생물에 미치는 영향을 살펴보기 위해 전자선 조사 전∙후의 수용성 단백질과 수용성 탄 수화물 등의 생체고분자 생성량과 pH, 알칼리도 및 SCOD의 변화를 고찰하였으며, 적조의 사멸률을 알아보 는 방법으로 엽록소 감소율을 측정하여 적조의 사멸률 을 판단하였다. 클로로필 농도의 변화는 Standard Met-hods (1998)의 추출법을 이용하여 습식측정법과 기기분 석인 형광계 (TURNER, Model 450)의 형광도 변화 측정 으로 실험하였다. 그리고 전자선 조사 전∙후의 세포 파 괴도를 평가하기 위해 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscope; TEM, JEOL Ltd. JEM-1010 Medel) 을 이용하여 관찰하였다.

결과 및 논의

1. 전자선 조사 후 세포파괴도 전자선 조사에 의한 적조 세포의 파괴도를 평가하기 위하여 전자선 조사 전∙후의 적조세포를 투과전자현미 경 (TEM)을 이용하여 형태변화를 관찰하였다. Fig. 1에 서 보는 바와 같이 전자선을 조사하기 전의 P. minimum 의 모양은 타원형으로 세포 내 구성물질이 꽉 차있으나 8 kGy의 전자선을 조사한 P. minimum의 경우 세포모양 의 변형 및 세포벽의 손상된 부분이 발견되며 세포 내 물질이 용출되었음을 관찰할 수 있다. 이로써 전자선 조 사로 적조 세포벽의 파괴 및 손상을 유도하여 적조세포 를 사멸시킬 수 있으며, 또한 손상된 적조세포로부터 세 포 내 고분자 물질이 용출되어 해수 중 생체고분자물질 이 증가함을 알 수 있다. 2. 전자선 조사에 따른 물리∙화학적 특성 및 생 체고분자 물질 분비 특성 변화

실내 배양한 적조생물 P. minimum, P. micans, H. aka-shiwo, C. polykrikoides와 경남 통영의 현장시료인 C. polykrikoides를 대상으로 0 kGy (Control), 1 kGy, 2 kGy, 4

kGy, 8 kGy의 전자선을 조사한 결과 pH 및 알카리도의 변화는 Fig. 2와 같았다. 전자선을 조사하지 않은 초기의 적조는 pH 8.10~ 8.61 범위의 약알칼리성으로 나타났으나 P. minimum과 P. micans의 경우 전자선을 1 kGy 조사하였을 때 pH 8.23에서 pH 7.87로, pH 8.10에서 pH 7.93으로 감소하였 으며, H. akashiwo와 C. polykrikoides도 전자선을 조사함

Fig. 1. TEM observation of Prorocentrum minimum.

(4)

으로써 pH가 감소하는 경향이 나타났다. 그러나 그 차 이는 매우 작았으며, 이는 전자선을 조사하지 않은 적조 의 경우 광합성에 의한 CO2의 흡수 및 OH-의 생성으 로 약알칼리성을 띄나 전자선을 조사함에 따라 물의 방 사분해에 의한 H++ 의 영향 및 적조의 세포파괴로 인한 산 형태의 세포질 성분 용출에 기인한 것으로 사료된다 (강 등 2003). 한편 pH의 미비한 변화는 윤 등 (2003)의 황토살포에 의한 적조생물 제거 연구의 결과와 유사한 pH 감소율을 보임으로써 적조가 발생한 연안 해역 현장 에 전자선을 조사하였을 때 타 해양생태계에 미치는 영 향을 최소화할 수 있어 현장 적용에 가능성이 있다고 판단된다. 전자선 조사 시 적조 세포의 파괴여부를 평가하기 위 하여 전자선 조사 전∙후의 수용성 단백질과 수용성 탄 수화물의 농도를 측정하였다 (Figs. 3, 4). 그 결과 전자선 을 조사하지 않은 적조보다 전자선을 조사한 적조의 수 용성 단백질과 수용성 탄수화물의 농도가 증가하였음을 알 수 있었으며, 대체적으로 전자선 조사선량이 증가할 수록 수용성 단백질, 수용성 탄수화물의 농도 증가율이 높아지는 경향을 나타내었다. 수용성 단백질의 경우 전 자선을 조사하지 않은 P. minimum의 농도가 21.0 mg l-1 인데 비해 8 kGy의 전자선 조사 시 34.3 mg l-1_{의 농도} 를 보여 그 증가율이 약 64%에 달하는 가장 높은 증가 율을 나타내었으며, 8 kGy의 전자선을 조사했을 때 H. akashiwo와 C. polykrikoides는 각각 40%, 55%의 증가율 을 보였다. 또한 수용성 탄수화물의 경우 P. micans에 8 kGy의 전자선을 조사하였을 때 초기 5.4 mg l-1_에서 14.1 mg l-1_{까지 증가하여 약 160%에 해당하는 증가율을} 관찰할 수 있었으며, P. minimum과 C. polykrikoides의 경 우 4 kGy의 전자선을 조사하여 약 110%가 증가하였음 을 알 수 있었다. 이처럼 전자선을 조사하지 않은 적조 에 비해 전자선을 조사한 적조세포의 수용성 단백질과 탄수화물의 농도가 증가함을 통해 전자선조사로 적조세 포의 파괴 및 손상으로 인한 많은 양의 생체 내 고분자 물질이 용출되었음을 알 수 있다. 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 0 1 2 4 8

Irradiation dose (kGy)

pH 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 4 8

Alk. (mg l -1 as CaCO 3 ) H. akashiwo C. polykrikoides P. minimum P. micans 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 1 2 4 8

S-protein (mg l -1) H. akashiwo C. polykrikoides P. minimum P. micans 0 20 40 60 80 100 1 2 4 8

S-protein increase (%)

H. akashiwo C. polykrikoides P. minimum P. micans

Fig. 2. Variation of pH and alkalinity in red tides irradiated with electron beam.

(5)

3. 전자선 조사에 의한 적조류의 엽록소 a 감소율 및 형광도의 변화 적조생물은 식물성 플랑크톤으로서 엽록소를 가지고 있어 광합성을 할 수 있다는 점에서 일반 미생물과 구 별된다. 따라서 본 연구에서는 클로로필의 농도변화를 통해 전자선 조사에 의한 적조생물의 사멸률을 간접적 으로 평가하였다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이 Standard Methods 추출 방법 및 형광계를 이용한 형광도를 측정 한 결과 적조생물에 전자선을 조사함에 따라 엽록소 a 와 형광도가 감소하는 것을 알 수 있다. 전자선 1 kGy 조사 즉시 엽록소 a의 감소율은 H. akashiwo가 68%, C. polykrikoides는 50%, P. minimum 45%를 보였고, P. mic-ans의 경우 56%의 엽록소 a 감소율을 나타내었다. 이는 윤 등 (2003)의 황토를 이용한 연구 결과인 54%의 엽록 소 a 제거율과 유사한 결과이다. 전자선 조사선량이 8 kGy로 증가함에 C. polykrikoides와 P. micans는 65%, H. akashiwo와 P. minimum은 77%의 엽록소 a 감소율을 나 타내어 8 kGy로 전자선 조사선량이 증가하더라도 엽록 소 a 감소율이 크게 증가하지 않음을 알 수 있고, 이로 써 1~2 kGy의 낮은 선량에서도 적조를 제거하는데 충 분한 효과가 있음을 시사한다. 또한 엽록소 a의 감소 경 향을 신속하게 파악할 수 있는 형광도의 경우 H. akas-hiwo와 C. polykrikoides 모두 대체로 전자선 조사선량이 증가함에 따라 약 20~60%까지 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 이 등 (2006)의 Ca (OH)2및 고화슬러지를 첨 가한 C. polykrikoides의 제거율이 각각 82%, 75%를 나 타낸 연구와 비슷한 결과라고 할 수 있으며, 이 등 (2006)은 개체수를 계수함으로써 적조 제거율을 평가하 였음을 감안할 때 엽록소 a의 감소율로 적조제거율을 판단한 본 연구의 결과를 개체수에 의한 사멸률로 평가 한다면 더 높은 제거율을 보일 것으로 사료된다. 또한 기존에 연구된 전자선 조사에 의한 담수조류 (Micro-cystis sp., Chlorella sp.)의 엽록소 a의 감소율을 살펴보 면 10 kGy의 전자선을 조사하여 40%, 25%의 엽록소 a 0 20 40 60 80 100 0 1 2 4 8

Chl-a reduction (%) H. akashiwo C. polykrikoides P. minimum P. micans 0 20 40 60 80 100 0 1 2 4 8

Fluoroscent decrease (%) H. akashiwo C. polykrikoides P. minimum P. micans

Fig. 5. Variation of fluorescent and decrease of chlorophyll-a in red tides irradiated with electron beam.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 1 2 4 8

S-carbohydrate (mg l -1) H. akashiwo C. polykrikoides P. minimum P. micans 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 1 2 4 8

S-carbohydrate increase

(%)

H. akashiwo C. polykrikoides P. minimum P. micans

(6)

감소율을 보여 전자선 조사에 의한 적조의 사멸률이 더 높음을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 적조세포의 경우 세포가 매우 작고 얇은 세포 외피의 형태로 세포벽이 둘러싸여 있어 고에너지 전자선의 투과가 용이하기 때 문이다 (강 등 2003). 이상의 결과를 통해 전자선을 적조 세포에 조사함으로써 세포내 구성물질의 용출 증가에 의한 적조세포의 파괴 및 손상을 알 수 있으며, 엽록소 의 감소를 통해 적조의 광합성 능력 저하로 인한 사멸 률의 증가가 판단되어 본 연구의 전자선을 이용한 적조 제거기술의 개발은 타당성이 있음을 알 수 있다.

결

론

본 연구에서는 적조제어기술로서 전자선 조사에 의한 적조의 사멸률을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1) 전자선 (8 kGy)을 조사한 적조 세포 (P. minimum)를 투과전자현미경을 이용하여 관찰한 결과 형태 변형과 적조세포의 손상 및 세포구성물질의 용출을 살펴볼 수 있었다. 2) 전자선을 조사함에 따라 pH 8.1~8.9의 약알칼리성 에서 pH 7.8~8.4로 감소하였고, 알칼리도 또한 pH 감소 와 같은 추세로 감소함을 알 수 있었다. 3) 전자선 (8 kGy)을 조사함으로써 전자선을 조사하지 않은 적조보다 적조의 수용성 단백질과 수용성 탄수화 물의 농도가 각각 약 40~60%, 80~160%까지 증가하 여 적조세포의 손상으로 인한 생체고분자 물질의 용출 을 확인할 수 있었다. 4) 전자선 조사 직후 엽록소 a의 농도 측정결과 1~2 kGy에서 45~74%의 엽록소 a 제거율을 달성하여 낮은 선량에서도 효과적으로 적조를 사멸시킬 수 있음을 알 수 있었다.

사

본 연구는 과학기술부의 원자력연구기반확충사업의 지원에 의해 이루어진 것이며, 이에 감사를 드립니다.

참 고 문 헌

강 호, 나은경, 신경숙, 장제헌. 2003. 전자선조사를 이용한 부영양화 호수와 연안에서의 조류제어 가능성에 관한 연구. 대한환경공학회지, 25(11):1368-1374. 김학균. 2005. 해양적조. 다솜출판사. pp. 294-311. 류정곤, 황기형, 김귀영, 김숙양, 박영태. 2004. 적조방제용 황 토살포의 효과분석 및 개선방안에 관한 연구. 한국해양 수산개발원 기본연구보고서. 박치현. 2004. 황토살포가 연안 생태계에 미치는 영향과 적 조 방제제에 대한 연구. 울산대학교 박사학위논문. pp. 12-24 박치현. 2006. 적조 방제용 황토살포가 연안 저서생태계에 미치는 영향. 한국환경과학회지. 15(11):1035-1043 심재형. 2003. 플랑크톤 생태학. 서울대학교출판부. pp. 319-410. 윤종섭, 김승현, 윤조희. 2003. 황토살포에 의한 적조생물 제 거. 대한환경공학회지. 25(3):358-363. 이병대. 2006. 고화된 정수슬러지를 이용한 적조 제거. 대한 폐기물학회지. 23(2):91-96. 이창규, 이옥희, 이삼근. 2005. 한국연안에서 분리한 적조형 성 미세조류 10종의 성장에 미치는 온도, 염분, 광도의 영향. 한국해양학회지. 10(1):79-91. 최희구, 이필용, 윤성종, 이원찬, 배헌민. 1999. 황토와 점토류 에 의한 Cochlodinium polykrikoides 적조생물 제거 및 영양염 흡착. 국립수산진흥원연구보고. 57:105-110

Guillard, RRL and Ryther JH. 1962. Studies of marine plank-tonic diatoms. I. Cyclotella nana Hustedt and Detonula

confervacea Cleve. Can. J. Micobiol. 8:229-239.

Guillard, RRL. 1975. Culture of phytoplankton for feeding marine invertebrates. pp. 26-60. In: Smith, W.L. and Cha-nle,y M.H. (eds.) Culture of Marine Invertebrate Animals. Plenum Press, New York, USA.

Standard method for the examination of water and wastewater, 20th. ed. 1998 APHA, AWWA, and WEP.

Manuscript Received: November 7, 2007 Revision Accepted: December 13, 2007