STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(충청지역의 버려지는 밤 부산물을 이용한 녹조제거 방안 탐구)

2017. 11. 30.

세종과학예술영재학교

< 연구 결과요약서 >

과 제 명 충청지역의 버려지는 밤 부산물을 이용한 녹조제거 방안 탐구

연구목표 ○ 오로지 버려지는 밤의 부산물들만을 활용하여 가격이 매우 저렴한 공정 개발.

○ 가공 과정이 비교적 간단하고, 손쉽게 이용할 수 있는 공정을 개발.

○ 2차 생태계 피해를 유발하지 않는 공정을 개발.

연구내용

□연구방법

-학교 교과 수업에서 UV/Vis 분광광도계를 사용하여 천연물을 분석하는 방법을 학습하여 이를 적극 활용하여 학생 주도적으로 실험 설계 및 진행.

-주사전자현미경(SEM)의 경우 공주대학교에 시료와 함께 의뢰하여 촬영.

-타닌이 함유된 천연 조류억제제를 개발한 ‘MCE KOREA’사에 직접 전화를 드려 연구에 대한 조언을 구함.

-타닌 추출 및 UV/Vis를 활용한 정량과 밤 부산물의 탄화 처리 및 클로렐라 배양으로 나누어 진행.

□ 연구활동 및 과정

○ 연구 1. 밤 부산물의 다양한 추출 조건에서의 타닌 추출 및 정량

① 충청 공주에서 생산된 밤 10kg를 구매하였고, 수작업으로 밤을 각 부위별로 분리하였다

②pH4,7,11 , EtOH40%, 70%100%(증류수에 대한 부피 비), NaCl 0%, 10%, 20%의 조건에서 각각의 밤의 부위들을 0.5g씩 LabTech사의 LWB-111D 항온수조에서 70도로 유지한 상태에서 18시간동안 Conical tube에서 추출하였다.

③ 타닌산(Tanninc acid) 시약을 Sigma Aldrich사에서 구매한 후 이를 이용하여1 표준용액을 제작하였다.

④ SHIMADZU사의 UV-1280기^{ }  ×^{ }  ×^{ }  ×^{ }기 (UV/Vis Spectrophotometer)를 이용해 Absorbancespectrum을 얻어 흡광도가 최대인 파장, 를 확인하였고, 이 파장에서 흡광도를 측정한 것을 토대로 흡광도-농도 추세선 그래프 얻었다.

⑤추출액을 모두 100배 희석한 후 UV/Vis Spectrophotometer로 각각의 추출액을 에서 흡광도를 측정하고 추세선에 대입하여 각각의 농도를 정량화하였다.

○ 연구 2. 밤 부산물의 탄화 처리 실험 및 다공성 구조 분석

① 충청남도 공주시에 위치한 야산에서 일일이 밤의 바깥 껍질을 공수하였다.

②LAB HOUSE사의 DMF-4.5 산화로를 이용해 300도, 400도, 500도에서 밤의 바깥 껍질들을 세 시간동안 탄화시켰다.

③ 공주대학교에 의뢰하여 주사전자현미경(SEM)으로 각각의 표면 구조를 관찰하였다.

○ 연구 3. 클로렐라(Chlorella)의 배양 및 클로렐라 농도의 정량화

① 클로렐라를 구매하여 배양액을 제작해 직접 배양하였다.

②UV/Vis Spectrophotometer를 이용해 클로렐라 용액의 AbsorbtionSpectrum을 얻어 흡광도가 최대인 파장, 를 확인하였다. (Base 용액으로 원심 분리시킨 클로렐라 용액을 이용하였다.)

○ 연구 4. 탄화 처리된 밤 바깥껍질의 클로렐라 흡착 확인

①연구 3.에서 탄화 처리된 밤의 바깥 껍질 0.05g을 클로렐라 100mL에 각각 혼합하여 5분, 10분, 15분, 30분, 45분 동안 실험을 진행하여 실험 전 후의 흡광도 차이를 UV/Vis Spectrophotometer로 분석하였다.

○ 연구 5. 추출액에 따른 타닌 추출액의 클로렐라 살조 확인

①연구 1.에서 얻은 각각의 추출액 중 탄닌산의 농도가 가장 높게 정량된 ‘겉껍질 EtOH 40%’, ‘속껍질 EtOH 40%’,

‘겉껍질 pH11’ 추출액 5mL와 클로렐라 70mL를 각각 혼합하여 6시간 동안 실험을 진행한 후 실험 전 후의 흡광도 차이를 UV/Vis Spectrophotometer로 분석하였다.

○ 연구 6. 타닌 추출액과 탄화 처리한 밤 부산물의 클로렐라 살조 확인

①연구1.에서 얻은 탄닌산이 풍부한 세 가지 추출액 5mL와 클로렐라 70mL, 그리고 연구3.에서 제작한 탄화 처리된 밤의 바깥 껍질 0.05g을 각각 모두 혼합하여 6시간 동안 실험을 진행한 후 실험 전 후의 흡광도 차이를 UV/Vis Spectrophotometer로 분석하였다.

연구성과

□ 연구 결과

○연구 1. 밤 부산물의 다양한 추출 조건에서의 타닌 추출 및 정량

Fig. 탄닌산 ^{ }의 Absorbance Spectrum Fig. 탄닌산 흡광도-농도 그래프

-탄닌산 ^{ }의 _는 276.2nm임.

Tab. 각각의 추출 변인 및 부위에 따른 276.2nm에서의 흡광도

Tab. 각각의 추출 조건에 따른 부위의 탄닌산 농도

- 각각의 흡광도를 추세선에 대응시켜 각 추출액의 농도를 계산하였음.

- EtOH 40% 용매가 가장 타닌을 잘 추출함.

- 겉껍질 > 속껍질 > 과육 순으로 타닌을 많이 함유하고 있음.

○연구 2. 밤 부산물의 탄화 처리 실험 및 다공성 구조 분석

Fig. 300도 표면구조 Fig. 400도 표면구조 Fig. 500도 표면구조

- 300도에서 탄화시킨 바깥 껍질이 다공성 구조를 가장 잘 보유하고 있음.

- 300도에서 바깥 껍질 기공의 직경은 2~18μm이며 클로렐라를 비롯한 녹조는 보통 4~15μm의 크기를 보유하고 있기 때문에 뛰어난 흡착이 가능함.

○연구 3. 클로렐라(Chlorella)의 배양 및 클로렐라 농도의 정량화

- 685nm에서 흡광도가 0.3675로 최대 흡광도를 나타냄.

○연구 4. 탄화 처리된 밤 바깥껍질의 클로렐라 흡착 확인

- 실험 전 후 흡광도가 0.1 정도 감소한 것을 통해 다량의 녹조가 제거된 것을 알 수 있음.

- 5분, 10분, 15분, 30분, 그리고 45분이 경과해도 5분에서의 클로렐라의 농도와 유사하다는 사실을 통해 5분 이내에, 빠른 시간 동안 흡착 과정이 이루어진다 는 것을 알 수 있음

-

시간 흡광도(Abs)

실험 전 0.2668

5분 0.1653

10분 0.1657 15분 0.1663 30분 0.1631 45분 0.1632

연구성과

○연구 5. 추출액에 따른 타닌 추출액의 클로렐라 살조 확인

-연구1에서 타닌의 농도가 가장 높았던 세 추출액으로 살조 실험 진행.

-겉껍질_pH11추출액이 가장 녹조를 많이 제거한 결과를 통해 추출액의 타닌성분뿐만 아니라 pH11 조건의 용매 또한 녹조를 제거하는데 기여했다는 결론을 도출함.

○연구 6. 타닌 추출액과 탄화 처리한 밤 부산물의 클로렐라 살조 확인

-추출액만 사용했을 때보다 탄화시킨 밤 껍질을 함께 혼합하여 이용하였을 때 흡착 효과가 함께 생겨 녹조 제거에 훨씬 뛰어난 효과를 보임.

□ 시사점

- 실험에서 통제변인을 유지하는 것이 실험이 정밀하게 진행되는데 큰 도움이 된다는 것을 깨달음.

- 직접 실험을 해보면서 여러 번 시행착오를 거쳐야지만 원하는 결과가 나온다는 것을 느낌.

- 다양한 기기들을 각각의 목적에 알맞게 다뤄야하는 것의 중요성을 느낌.

- 생각하는 것과 실제로 이루어지는 것은 매우 다르다는 것을 직접 경험함.

- 변인이 다양할수록 더 의미 있는 결과가 나온다는 것을 깨달음.

□ 향후 계획

- 탄화시킨 밤 껍질에 의해 흡착된 부산물들을 채 등을 이용해 거르는 장치를 후속 연구로 진행하여 후속 처리까지 완벽한 공정을 개발할 것임.

- ‘클로렐라’만을 대상으로 실험실 조건에서 실험을 진행하였지만, 실제 녹조 현상이 발생한 강의 녹조를 채취하여 뛰어난 성능을 검증하고, 이를 실용화할 계획임.

추출액의 종류 흡광도

처음 0.3645

속껍질_EtOH 40% 0.3245 겉껍질_EtOH 40% 0.3494 겉껍질_pH11 0.3053

추출액의 종류 흡광도

처음 0.3645

속껍질_EtOH 40% 0.3123 겉껍질_EtOH 40% 0.3249 겉껍질_pH11 0.2815

주요어 (Key words)

밤껍질, 탄닌, 다공성물질, 녹조 제거

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

최근 전국 곳곳의 강에서 초여름부터 늦가을까지 장기간 녹조 현상이 발생하여 상수원 오염 등의 문제가 발생하고 있다. 녹조 현상이 발생할 경우 녹조가 수면을 덮게 되면서 햇빛이 차단되고, 물속에 사는 수생식물이 광합성을 하지 못해 산소가 부족한 환경이 조성된 다. 물 속 산소량의 부족으로 인한 동식물들의 폐사 가능성이 있으며, 수생생물간 먹이와 공간에 대한 경쟁이 심화되어 기형적인 생태계 구조가 나타나 수생 생태계가 소생 불가능한 수준으로 파괴되기도 한다. 이에 현재 존재하는 녹조 제거 방법으로는

① 황토를 사용하여 녹조를 흡착하는 방법

② 과산화수소를 사용하여 녹조를 살조하는 방법

③ 천연 조류억제제를 이용한 녹조 제거 방법

등을 사용하고 있다. 먼저 황토를 이용한 방법의 녹조 제거 효과는 확인되었으나, 침전 후 수중 산성도를 높여 오히려 2차 피해를 발생시킬 우려가 있다. 과산화수소를 사용하 여 녹조의 엽록소를 파괴하여 살조하는 방법은 효과가 탁월한 반면 특정 조류에만 한정 적으로 살조력을 보이기 때문에 실제 녹조 현상이 발생한 강 등에 직접적인 활용은 어 려울 것으로 판단된다. 마지막으로 천연 조류제거제는 2차 생태계 파괴가 발생한다는 문 제, 그리고 연못과 같은 소규모의 녹조 문제를 해결하는 데에는 탁월하지만 강이나 바다 등에 발생한 대규모의 녹조 현상을 해결하는 데에는 많은 비용과 인력이 요구된다는 문 제점을 가지고 있다. 더불어서 실제로 천연 조류제거제는 1t에 약 1,200만 원에 판매되고 있으며 골프장 1곳을 관리하는 데에만 1년에 약 1억 원의 비용이 지출된다고 한다.

이에 본 연구팀은 선행연구들을 기반으로 기존의 녹조 제거 방법이 가지고 있는 문제 점을 해결하고자 녹조제거의 효과가 있다고 알려진 밤 속 ‘타닌’ 성분과, 밤의 겉껍질을 탄 화시킴으로서 다공성 구조를 보유하게 하여 ‘흡착’이 가능하도록 제작하는 방법을 통해 친 환경 녹조 제거제를 개발하는 연구를 진행하고자 한다.

본 연구의 목적은 버려지는 밤 부산물을 활용하여 원자재 비용을 최소화 하고, 대량생 산이 가능하며, 가공 공정이 비교적 간단하고, 후속 작업이 불필요하며 친환경적인 녹조 제거 기술의 개발에 있다. 해외 선행 연구 사례를 살펴보면 버려지는 건초 더미(Barely Straw)등의 식물성 폐기물을 활용한 녹조 제거 방법이 연구되고 있는데, 이를 국내에 적 용하여 본교가 위치한 충청지역에서 쉽게 확보 가능한 밤 부산물을 활용하여 녹조 문제 를 해결할 수 있을 것이다. 밤 부산물에 함유되어 있는 타닌과 이를 탄화시킬 시 유해물질 의 흡착이 가능한 다공성 구조를 지니는 성질을 응용하여 타닌에 의해 살조된 녹조를 흡착

시키고 분해 반응 과정에서 위로 부상시켜 원활한 유기물의 분해를 유도할 수 있을 뿐더러, 더 나아가 과도한 조류의 생장을 유도하는 질소나 인 등의 영양물질을 흡착시켜 사전에 녹 조의 생장을 억제하는 억제제로도 응용이 가능할 것이다.

□ 연구범위

○ 본 연구는 화학적 지식을 기반으로 하여 환경과학 분야에 적용되는 기술이다. 진행 전반에 있어서 교과과정에서 학습한, 학교에 위치한 다양한 첨단기기들을 활용하여 정량적으 로 분석하였다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 1.1. 밤(Chestnut) 1.1.1.밤의 분류학적 위치

Figure 1. Chestnut (Castanea crenata)

쌍떡잎식물 참나무목에 속하는 밤나무(Castanea crenata Siebold & Zucc.)의 경우 높이 10~15m, 지름 30~40cm로 나무껍질은 세로로 갈라지며 작은가지는 자줏빛을 띤 붉은 갈색이 며 짧은 털이 나지만 나중에 없어진다. 잎은 어긋나고 곁가지에서는 2줄로 늘어서며, 타원형·

긴 타원형 또는 타원 모양의 바소꼴이다. 길이 10~20cm, 나비 4~6cm이고 물결 모양의 끝이 날카로운 톱니가 있다. 겉면은 짙은 녹색이며 윤이 나고, 뒷면은 성모가 나고 잎자루는 1~1.5cm이다. 꽃은 암수한그루로서 6월에 피며 수꽃은 꼬리모양의 긴 꽃 이삭에 달리고, 암꽃 은 그 밑에 2~3개가 달린다. 밤나무속 식물은 아시아·유럽·북아메리카·북아프리카 등의 온대 지역에 13종이 분포한다.

밤(Chesnut)은 밤나무의 열매로 지름 2.5~4cm로서 짙은 갈색으로 익는다. 한국에서 재배 하는 품종(Castanea crenata)은 재래종 가운데 우량종과 일본밤을 개량한 품종이다. 밤 100g 중에는 탄수화물이 34.5g, 단백질이 3.5g, 기타 지방, 칼슘, 비타민 A·B·C 등 다양한 영양 성분이 풍부하게 포함되어 있어 발육과 성장에 좋다고 알려져 있다. 비타민 C가 함유 되어 있어 피부 미용, 피로 회복, 감기 예방 등에 효과가 있다고 알려져 있다. 식용법은 주

로 날로 먹거나 삶아서 먹으며 꿀·설탕에 졸이거나 가루를 내어 죽·이유식을 만들어 먹는 다. 각종 과자와 빵 등의 재료로도 널리 사용된다.

1.1.2 국내 및 충청남도 지역의 밤 생산량

한국에서 생산되는 밤 생산량은 중국에 이어 세계 2위이며, 2009년도 기준 연간 73,000 톤이 생산되고 있다. 또한, 충청남도 지역의 밤 생산량은 부여, 공주를 포함한 충청지역이 전국 생산량의 20%를 차지하고 있다.

Figure 2. Chestnut Production Status (2009, 2010)

많은 생량과 홍보를 통해 전국에서 ‘밤’하면 ‘공주(정안)밤’이 대명사화 되어 있으며, 소 비자의 호감도가 가장 높은 편이다. 그러나 밤의 소비가 생산량에 미치지 못해, 다양한 소 비의 변화를 연구하고 있으며 과육 중에 버려지는 부분이 많아 이를 활용한 다양한 재활 용 방안이 연구되고 있다.

Figure 3. Chestnut Purchase Preferred Region

1.2 녹조 현상(Algal Bloom) 1.2.1 녹조 현상의 정의

녹조 현상(Algal Bloom)은 강이나 호수에 남조류가 과도하게 성장하여 물의 색깔이 짙은 녹색으로 변하는 현상을 말한다. 반대로 갈색을 띄는 규조류나 와편 모조류가 번성 하여 바다가 붉게 물드는 현상을 적조(Red Tide)라 하며, 녹조는 상수원으로 이용되는 강이나 호수에 발생하여 담수에 영향을 주는 반면에 적조는 해안가나 양식장 등에 발생 하여 피해를 끼친다는 차이가 있다. 담수조류의 일종으로서 옅은 녹색을 띠는 녹조(綠藻, Green Algae)와 구별하기 위해 통상적으로 녹조를 녹조현상이라고 한다.

Figure 4. Algal Bloom in Lake Erie (Taken in October 2011)

1.2.2 녹조 현상 발생의 원인

조류의 세포조직을 이루는 주요 원소는 탄소, 산소, 수소, 질소, 인 등이며 탄소와 산소, 수소는 공기와 물에서 충분히 공급받는 반면 질소와 인 등은 한정되어 있어 조류의 성장속 도를 결정하는 요소가 될 수 있다.

질소와 인 등의 영양물질이 과다하게 유입되어 부영양화를 일으킬 시 이는 조류의 과도 한 성장을 유발할 수 있다. 가정에서 배출되는 생활하수와 산업단지 및 공장에서 배출되는 산업폐수, 강수 시 빗물과 함께 흘러내리는 각종 쓰레기와 농경지의 비료와 퇴비에는 질소 와 인 등의 오염물질이 들어있어 강이나 호수로 유입 시 영양물질이 풍부해지는 ‘부영양화’

가 일어나며, 이는 녹조현상으로 이어질 수 있다.

녹조 현상은 수온과 일사량에도 영향을 받는데, 일사량은 조류의 광합성을 위한 필수적 인 요소이며 수온은 조류의 최적 성장을 좌우하는 요인으로 알려져 있다. 조류는 일반적으 로 20~30℃의 환경에서 가장 왕성하게 생장하며 햇빛을 많이 받을수록 잘 생장하나 너무 강한 햇빛은 오히려 생장을 방해하는 것으로 알려져 있다. 우리나라는 사계절이 뚜렷하여 계절에 따라 조류의 성장속도가 달라지나 수온과 일사량이 증가하는 여름철에는 조류가 성장하기 좋은 환경이 만들어진다.

또한, 물의 흐름이 약하거나 정체되어 있으면 조류가 아래로 쓸려 내려가지 않아 대량 으로 증식할 가능성이 있다. 수온이 높아 밀도가 낮은 수괴가 위에 놓이고 수온이 낮아 밀 도가 높은 수괴가 아래에 놓이는‘성층현상’이 발생할 시 두 층이 혼합되지 않아 수면의 온 도가 더욱 더 올라가게 되어 조류가 성장하기 더 좋은 여건이 만들어진다.

1.2.3 녹조 현상의 문제점

녹조 현상이 발생할 시 조류가 표면을 덮어 햇빛을 차단해 수생식물의 광합성이 저해되 며, 광합성을 하지 못하는 수생생물이 호흡을 할 시 물 속 산소 소비량이 많아져 산소가 부 족한 환경이 초래되어 동식물의 폐사가 일어나기도 하며, 먹이 경쟁이 심화되어 기형적인 생태계 구조가 나타나기도 한다. 폐사한 동식물들의 사체가 부패할 때 더 많은 산소가 소 비되어 생태계가 소생 불가능한 수준으로 파괴되기도 하며, 유기물이 부패할 경우 악취 등 이 발생하기도 한다.

Figure 5. A Dead Fish in Algal Bloom

1.2.4 녹조 제거 관련 선행연구 조사

1.2.4.1 식물성 폐기물을 활용한 친환경적인 녹조 제거

해외 선행 연구 사례를 살펴보면 건초 더미(Barley Straw)나 거머리말(Zostera marina) 잎 등을 활용한 친환경적인 녹조 제거 방법이 연구되고 있다. 건초 더미나 식물의 잎 등 식물 성분에 많이 포함되어 있는 타닌 중 갈산과 프로안토시아니딘은 모두 많은 수 의 수산화기를 지녀 단백질 등의 고분자 물질들과 가역적으로 반응하여 침전시키고, 금속 이온의 킬레이트 착화합물 형성 및 생물학적 항산화제 등 여러 기능을 지니는 것으로 알 려져 있다.

Figure 7. Barley Straw for Algae Control

1.2.4.2 타닌 성분을 함유한 천연 수질 개선제 ‘워터헬스’

타닌의 경우 녹조류의 세포막을 파괴하여 녹조를 살조하는 역할을 한다고 알려져 있다.

2012년 수행된 연구¹⁾에서는 타닌 성분이 조류를 살조하며 이때 녹조류의 세포막이 파괴되 면서 다량의 미세 기포가 발생하고, 응집력을 보유한 제오라이트 등 광물질이 수중 및 바 닥층의 유기슬러지를 응집하여 미세기포의 부력에 의하여 수표면으로 부상된다는 사실을 밝혀내었다. 실제로, 경복궁 경회루 연못의 녹조 현상을 해결함이 확인된 바 있으며, 동 기 술은 담수호(광역상수원, 저수지, 공원연못, 골프장 해저 등)와 유속이 있는 하천에 적용가 능하며, 광역상수원의 경우 취수탑 전단에서 조류제거를 통한 상수원수의 전처리의 효율을 높이고, 냄새유발물질을 사전에 제거하는 효과가 있으며, 조류제거선을 이용한 조류 발생 지역에서의 긴급 조류제거 등 그 활용범위가 넓다. 또한, 유속이 있는 하천의 경우 대상지 하류에 오탁방지막을 설치한 후 상류에 워터헬스를 살포할 경우 수중의 조류가 살조되고 바닥층의 유기물이 분해되며 하류로 흘러내려가게 되며 이때 하류에 미리 설치해둔 슬러 지펜스에 떠내려 온 슬러지를 채집하여 흡입용 펌프로 수체 밖으로 제거할 수 있다.

Figure 8. Algae Control Using Algicide ‘Water-Health’

1.2.5 선행 연구의 한계와 더 연구해야 할 점

2012년 진행된 연구의 경우 조류 제거제 생산비는 1t에 1200만원 정도이고 골프장 1곳의 녹조 제거에 연간 1억원 안팎의 비용이 들어가 면적이 넓은 낙동강이나 큰 댐에서 전면적 으로 사용하기에는 비용 부담이 크다는 문제점을 가지고 있었다.²⁾ 또한 연구 당시의 상황 과 달리 현재는 4대강 사업 이후 녹조 발생 범위가 전국적으로 확산되고, 녹조 피해는 해 마다 증가하는 추세이다. 또한 초봄부터 늦가을까지 장기적으로 녹조가 진행되는 상황이 다. 따라서 a) 폐기할 원자재를 재활용하여 원자재비용을 최소화 하고, b) 대량생산이 가능 하며, c) 가공 공정이 비교적 간단한 녹조 제거기술의 개발이 시급한 상황이다.

1.3 타닌(Tannin) 1.3.1 타닌의 명명

타닌(Tannin)은 원래 동물의 껍질을 가죽으로 만들 때 방부제로 쓰이는 물질을 지칭 하는 말이었으나, 1962년 Bate Smith가 500에서 3000 사이의 분자량을 지니는 물에 잘 용해되는 페놀 화합물로 정의하였다.³⁾그 후 Haslam이 1989년 폴리페놀(Polyphenol) 중 에서 단백질 뿐 만 아니라 Polysaccharides (막의 구성성분)와도 결합이 가능함을 발견함 으로써 다음의 성질을 지닌 폴리페놀 중 일부를 타닌이라 명명하였다.⁴⁾

1.3.2 타닌의 분류

갈산 (Gallic Acid) 엘라그산 (Ellagic Acid)

프로안토시아니딘 (Proanthocyanidin)

구조

특징

식물체 내의 미생물·포유동물에 대한

방어기작 관련 화합물

4개의 고리 폴리페놀 항산화·항바이러스·

항암기능을 지님

강력한 항산화 항알러지·항균성 지님 박테리아와 바이러스의

섬모를 녹여 배출 Table 1. Classification of Tannin

1.3.3 타닌의 성질

타닌은 아주 떫은맛을 내는 폴리페놀의 일종으로, 식물에서 합성되며 단백질과 결합하 여 응고 및 침전(Protein Precipitating)시킨다. 식물체 내에서 미생물, 곤충, 포유동물 등 에 대한 방어기능을 갖게 하는 화합물로, 많은 수의 수산화기(OH기)를 가지며 이들이 다 당류, 단백질, 알칼로이드 등의 거대 분자들과 가역적으로 결합할 수 있는 능력을 지닌다.

이 때, 타닌이 지니는 수많은 수산화기가 조류의 세포막과 반응하여 이를 파괴시키기 때문 에 녹조에 대한 살조력을 보유하게 된다.

□ 연구주제의 선정

본 연구팀은 최근 심화되고 있는 녹조 현상에 대한 심각성에 대한 인식으로부터 적절한 녹조 제거 방식을 탐구하는 과정에서 다음과 같은 연구주제를 선정하게 되었다. 특히 자료 수집 과정에서 현재 국내에서 녹조 제거 및 억제 방법으로 사용되고 있는 방법들은 (황토를 사용, 과산화수소를 사용, 타닌 성분 억제제를 이용) 2차 생태계 피해 및 제한적 효과 등 많은 한계점들을 보유하고 있다는 사실을 도출할 수 있었다. 이에 녹조에 대해 탁월한 살조력을 보유하는 타닌 성분을 함유하고 있으며, 충청 지역에서 매년 버려지고 있는 밤 부산물을 활용하 여 녹조를 제거하는 방법을 모색하게 되었다.

이 때, 본 연구를 통해 개발한 천연 녹조 제거제의 경우 버려지는 밤 부산물을 재활용 하여 원자재 가격이 매우 저렴하고, 타닌을 함유하여 녹조 제거 효과가 매우 탁월하며, 넓은 지역에 대해서 살포가 가능하고, 2차 생태계 파괴 및 오염을 발생시키지 않아 기존 의 녹조 제거 방법과는 달리 널리 상용화가 가능하여 대규모의 녹조 현상의 근본적인 해결책이 될 것으로 기대되기 때문에 다음과 같은 연구주제를 선정하게 되었다. 특히 밤 부산물에 함유되어 있는 타닌과 이를 탄화시킬 시 유해물질의 흡착이 가능한 다공성 구 조를 지니는 성질을 응용하여 타닌에 의해 살조된 녹조를 흡착시키고 분해 반응 과정에 서 위로 부상시켜 원활한 유기물의 분해를 유도할 수 있을 뿐더러, 더 나아가 과도한 조 류의 생장을 유도하는 질소나 인 등의 영양물질을 흡착시켜 사전에 녹조의 생장을 억제 하는 억제제로도 응용이 가능할 것이다.

또한, 앞서 설명했듯이 본 연구에서 사용하는 밤의 경우 해마다 10만 톤 이상 생산 되는 반면에 밤 가공수출공장에서 구매하는 밤의 50%만이 가공된 밤으로 출하되고 나 머지 50%는 껍질로 폐기되는 실정인데, 밤 껍질에 함유되어 있는 천연 유기화합물 중 녹조에 대한 살조력을 지닌 타닌을 분리해내어 친환경 녹조 제거제로 개발할 시 이 기 술의 부가가치, 그리고 가지는 용도 및 경제적 가치는 매우 높을 것이라 판단된다. 농산 가공부산물은 타 가공 제품들에 비해 그 양이 많이 발생하기 때문에 부산물을 회수하여 녹조 현상을 근본적으로 해결하는 기술로 개발할 시 회사의 생산성 향상 및 수지 개선

에 많은 도움이 될 것이다. 더 나아가, 기존에 녹조 방지 및 제거를 위해 사용되었던 비 용을 절감하는 효과 뿐 아니라 새로운 분야의 신사업으로 창출될 수 있는 여지가 풍부 하며, 폐기되는 식물성 폐기물의 처리와 동시에 해마다 증가하는 녹조 현상으로 인한 피해를 저렴한 비용으로 해결한다는 점에서 경제적 효율성도 지닌다. 이는 단기적인 자 연자원을 파괴하지 않으면서 장기적인 경제 성장을 이루어내는‘지속가능한 발전 (Sustainable Development)’개념과도 부합되며, 지속가능한 발전의 우수한 사례로 지정 하여 다른 나라에 본 사례를 수출함으로써 장기적인 관점에서 국익 증감에 직, 간접적 으로 기여할 수 있을 것이다.

□ 연구 방법

○ 문제 해결을 위한 실험, 기법, 전문가 자문 등에 대해 기술

본 연구는 다음과 같이 진행되어있으며, SEM 촬영은 ‘공주대학교’에 의뢰하여 진행하였으며 그 외의 모든 기기들은 본교, 세종과학예술영재학교에 존재하는 것들을 이용하였다.

□ 연구 활동 및 과정

총 6개의 실험으로 나누어서 밤의 각 부위의 타닌 농도 정량 및 최적의 추출조건 도 출, 클로렐라 농도의 정량화, 탄화처리한 밤 바깥껍질의 녹조(클로렐라) 흡착 효과, 밤 추출액의 녹조제거 효과, 그리고 이 두 가지를 혼합하였을 때의 녹조제거 효과를 정량 적으로 분석하였다.

2.1. 밤 부산물의 다양한 추출조건에서의 타닌 추출 및 정량

실험에 앞서서 충청남도 공주에서 생산된 밤 10kg를 구매하였고, Fig.3.과 같이 수작 업으로 밤을 각 부위별로 분리하여서 Fig.4.와 같이 실험에 필요한 밤 부산물을 준비하 였다.

이후 어느 용매에서 최적으로 추출되는 지 확인하기 위해 pH 4.0,7.0,11.0 (OCI Company Ltd, Buffer Solution), EtOH (DAEJUNG, Ethyl alcohol 94.5%)와 증류수에 대한 부피 비율로 40.0%, 70.0% 100.0%, NaCl 0%, 10.0%, 20.0%(무게 비)용액을 각각 500mL씩 제작하였다.

각각의 3가지 밤의 부위 0.5g과 9가지 추출용매 40mL를 혼합하여 Cornical tube (용 량 50mL)에 담아 총 27가지 시료를 LabTech사의 LWB-111D 항온수조에서 70도로 유 지한 상태에서 18시간동안 추출하였다.

각각의 3가지 밤의 부위 0.5g과 9가지 추출용매 40mL를 혼합하여 Cornical tube (용량 50mL)에 담아 총 27가지 시료를 LabTech사의 LWB-111D 항온수조에서 70도로 유지 한 상태에서 18시간동안 추출하였다.

그리고 1.0x10^-4M, 5.0x10^-5M, 2.5x10^-5M, 1.25x10^-5M 의 농도를 갖는 타닌산 (Sigma Aldrich, Tannic acid) 표준용액을 제작하였다.

UV/Vis Spectrophotometer (SHIMADZU, UV-1280)를 이용해 Absorbance spectrum 을 얻어 흡광도가 최대인 파장을 확인하였고, 이 파장에서 흡광도를 측정한 것을 토대 로 타닌산에 대한 흡광도-농도 추세선 그래프 얻었다.

추출 과정을 통해 얻은 추출액의 흡광도 값이 매우 높았기 때문에 이들을 모두 100 배 희석한 후 UV/Vis Spectrophotometer로 각각의 추출액을 최대 흡광 파장에서의 흡 광도를 측정하고 추세선에 대입하여 얻은 각각의 농도를 100배씩 곱하는 방식으로 각 시료에 대한 타닌의 농도를 정량화 하였다.

2.2 밤 바깥껍질의 탄화 처리 실험 및 다공성 구조 분석

충청남도 공주의 야산에서 밤 바깥껍질 약 1kg을 수집하였다.

탄화와 관련된 다양한 선행 연구 조사를 토대로 300℃, 400℃, 500℃에서 산화로 (LAB HOUSE, DMF-4.5)를 이용하여 3시간 동안 탄화 시켰다. 이때, 탄화 과정에서 산소가 최대한 차단되도록 산화로 내부를 밤의 바깥껍질로 꽉 채워 탄화를 진행하였다.

이후 탄화처리한 밤 바깥껍질을 주사전자현미경 (SEM)으로 각 표면구조를 촬영하여 직경의 크기 및 다공성 구조 여부 등을 분석하였다.

2.3 클로렐라(Chlorella)의 배양 및 농도의 정량화

포도당 0.025%, 요소 0.1%, MgSO4 0.05%, NH4HCO3 0.025%, KH2PO4 0.025%, FeSO4 0.0002% 조성의 배지를 제조하여 클로렐라(Chlorella)를 배양하였다. 배양은 1L 삼각 플라스크에서 이루어졌으며 교반기를 사용하여 교반해주어 균일한 배양이 이루어 지도록 하였다.

그리고 앞서 이용한 UV/Vis Spectrophotometer를 이용해 Absorbance Spectrum을 얻어 최대 흡광도를 보이는 파장을 측정하였다.

2.4 탄화처리한 밤 바깥껍질의 녹조(클로렐라) 흡착 분석

연구 2.에서 탄화 처리한 밤의 바깥 껍질 0.05g을 클로렐라 100mL에 각각 혼합하여 5분, 10분, 15분, 30분, 45분 동안 실험을 진행하여 실험 전 후의 흡광도 차이를 UV/Vis Spectrophotometer로 분석하였다. 이 때, 흡광도는 클로렐라의 Absorbance Spectrum에서 최대의 흡광도를 보인 685.2nm에서 측정하였다.

2.5 타닌 추출액의 녹조(클로렐라) 제거 효과 분석

연구 1.에서 얻은 각각의 추출액 중 타닌의 농도가 가장 높게 정량된 ‘겉껍질 EtOH 40.0%’, ‘속껍질 EtOH 40%’, ‘겉껍질 pH 11.0’ 추출액’ 5mL와 클로렐라 70mL를 각각 혼합하여 6시간 동안 실험을 진행한 후 실험 전 후의 685.2nm에서의 흡광도 차이를 UV/Vis Spectrophotometer로 분석하였다.

2.6 탄화처리한 밤 바깥껍질과 타닌 추출액 혼합 방법의 녹조(클로 렐라) 제거 효과 분석

연구 1.에서 얻은 타닌이 풍부한 세 가지 추출액 5mL와 클로렐라 70mL, 그리고 연 구 2.에서 제작한 탄화 처리된 밤의 바깥 껍질 0.05g을 각각 혼합하여 6시간 동안 실험 을 진행한 후 실험 전 후의 685.2nm에서의 흡광도 차이를 UV/Vis Spectrophotometer 로 분석하였다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

3.1. 밤 부산물의 다양한 추출조건에서의 타닌 추출 및 정량 3.1.1. 타닌 흡광도 곡선 및 추세선

UV/Vis Spectrophotometer를 이용해 200~500nm까지 1.0x10^-4M의 타닌산 표준용액 을 흡광도를 측정해 파장 별 흡광도 곡선을 얻어내었다. 문헌 값들과 일치하는 값인 276.2nm에서 최대 흡광도를 보인다는 결론을 도출하였다.

다음과 같은 농도의 타닌산 표준용액들을 최대 흡광도를 보이는 파장인 276.2nm에서 흡광도를 측정하여 다음과 같은 흡광도-농도 추세선을 얻었다.

3.1.2. 추출액들의 흡광도 측정 및 타닌 농도 계산

연구 2.1에서 추출한 27가지의 시료들을 100배 희석한 후 276.2nm에서 흡광도를 측 정한 결과는 다음과 같다.

그리고 각 흡광도 값을 추세선에 대입하여 농도를 계산하고, 100배씩 곱하면 각 시료 의 타닌의 농도가 다음 표와 같이 계산된다. 그리고 각 용매에 대해 타닌의 농도가 가 장 높은 것을 초록색, 가장 낮은 것을 파란색으로 표현하였다. 그리고 용매별 세 부위 의 타닌 함량의 합이 가장 높은 것을 보라색으로 표현하였다.

3.1.3. 추출 용매에 대한 분석

EtOH 40% 속껍질 조건에서 타닌이 가장 많이 추출되었다는 결론을 얻었다. 그리고 pH 조건에서는 pH 11 조건에서 가장 많이 추출되었다. 그리고 부위 중에서는 겉껍질 에서 타닌이 가장 많이 추출되었다. 이는 겉껍질의 성분이 과육이나 속껍질보다 pH에 더 민감한 구조를 가져 pH가 증가함에 따라 파괴되어 타닌 추출이 더 잘 이루어졌다 고 판단된다. NaCl 조건에서는 NaCl 0%, 즉 증류수 용매를 이용하였을 때 타닌이 가 장 많이 추출되었다. 이는 일반 용매 대신 NaCl 용매를 사용하는 삼투압 추출의 경우 타닌에 대한 추출효과가 증류수 용매에 비해서도 떨어진다는 것을 시사한다. 이는 타 닌이 일반적으로 물에 잘 용해되지 않는 폴리페놀 화합물이기 때문에 삼투 현상이 발 생하여 밤 부산물 내부의 수분이 외부로 빠져나갈 때 용해되지 않아 아무 효과가 없는 것으로 분석된다.

모든 용매들을 종합적으로 분석하였을 때 타닌 함유랑이 가장 많은 세 추출액은

‘EtOH 40% 속껍질’, ‘EtOH 40% 겉껍질’, ‘pH 11 겉껍질’이다. 또한 총 9가지의 용매조 건 중에 EtOH 40%가 타닌을 추출하는데 효과적인 용매라는 결론을 얻었다. 그리고 밤 부산물 중 겉껍질, 속껍질 , 과육순으로 타닌이 함유되었다는 결론도 도출하였다.

이 세 추출액을 이후 녹조제거 실험에 이용하였다.

3.2. 밤 바깥껍질의 탄화 처리 실험 및 다공성 구조 분석

탄화 처리한 밤 바깥껍질의 SEM(Tescan, MIRA3) 분석을 통해 300°C에서 탄화 처 리할 시 다공성 구조가 형성되나 400°C나 500°C에서 탄화 처리할 시에는 온도가 너무 높아 다공성 구조가 형성되지 못하고 오히려 구조가 파괴됨을 확인하였다.

또한, 300°C 에서 탄화 처리하여 형성된 다공성 구조 기공의 직경은 약 2~18µm 로 측 정되었으며, 클로렐라를 비롯한 녹조는 보통 크기가 4~15µm 정도이기 때문에 300°C 에 서 탄화 처리한 밤 바깥껍질의 경우 녹조에 대한 뛰어난 흡착이 가능할 것으로 생각되 었다.

3.3. 클로렐라(Chlorella)의 배양 및 농도의 정량화

UV/Vis 분광광도계를 사용하여 클로렐라의 파장별 흡광도를 측정한 결과 약 685.2nm의 파장대에서 흡광도가 최대로 관측됨을 확인하였다. 그리고 685.2 nm에서의 흡광도를 측정하여 미지의 클로렐라 용액의 농도를 비교하는데 사용하였다.

3.4. 탄화처리한 밤 바깥껍질의 녹조(클로렐라) 흡착 분석

탄화처리한 밤 바깥껍질을 녹조와 혼합하기 전, 후 흡광도를 측정 후 비교하였다. 혼 합한 후 흡광도가 38.3% 감소한 것을 통하여, 제거효과를 나타냈음을 알 수 있다. 또 한, 혼합 후 5분, 10분, 15분, 30분, 45분 시간이 경과함에 따라 흡광도가 변화하지 않 고 오히려 일정하게 측정되었는데, 이는 녹조와 탄화처리한 밤 바깥껍질의 흡착 반응 이 상당히 빠른 속도로 이루어지는 반응임을 의미하며 밤 부산물을 활용할 시 빠른 속 도로 이루어지는 녹조 흡착 공정의 개발이 가능함을 시사한다.

3.5. 타닌 추출액의 녹조(클로렐라) 제거 효과 분석

밤 부산물에 대하여 추출을 진행하여 얻은 타닌 추출액을 클로렐라와 혼합하여 전, 후 흡광도를 측정하여 비교하였다. 추출액과 클로렐라를 혼합한 후 흡광도가 10.4% 감 소함을 확인하였으며 추출액 속의 타닌이 클로렐라를 살조하여 제거하는데 효과가 있 음을 확인하였다. 또한 추출 조건에 따라 흡광도의 변화가 상당히 다르게 나타났는데, 이는 타닌 추출 효율에 있어서 타닌을 추출하는 조건이 상당히 중요한 요소로 작용함 을 시사한다.

3.6. 탄화처리한 밤 바깥껍질과 타닌 추출액 혼합 방법의 녹조(클 로렐라) 제거 효과 분석

탄화처리한 밤 바깥껍질과 밤 부산물에 대하여 추출을 진행하여 얻은 타닌 추출액을 함께 클로렐라와 혼합하여 흡광도 변화를 측정한 결과 약 41.4% 정도의 흡광도 변화 가 나타남을 확인하였다. 타닌 추출액만 혼합하였을 때에 비해 탄화처리한 밤 바깥껍 질을 함께 혼합하여 이용할 시 흡착 효과가 함께 생겨 녹조 제거에 훨씬 뛰어난 효과 를 보임을 확인하였다. 위 결과는 본 연구에서 최종적으로 개발하고자 하는 밤 부산물 을 활용한 녹조제거제가 녹조류에 대해 살조력과 흡착력을 지녀 실제 녹조 현상이 발 생한 수원에 적용하여 녹조 현상을 해결할 수 있음을 강력히 시사한다.

□ 시사점

본 연구에서 밤의 부위별 타닌 농도 정량화 및 최적의 추출방법에 대한 제시, 밤 바 깥껍질의 다공성 구조 보유를 위한 최적의 조건 제시, 그리고 밤 부산물의 녹조 제거 효과를 다양한 변인들과 반복 실험들을 통해 제안하였다.

먼저 본 연구의 가장 큰 장점은 주 원자재로 충청지역의 버려지는 밤 부산물을 활용 한다는 점에 있다. 기존의 녹조제거제는 녹조 제거를 목적으로 다양한 산물들을 생산 하여 이용하지만 본 제거제는 오로지 버려지는 밤 부산물을 원료로 하기 때문에 큰 비 용적 감소 효과를 가져올 수 있다. 그리고 이와 같은 부산물들을 이용하는 공정이지만, 기존의 녹조제거제와 비교하여 뛰어난 녹조제거 효과 또한 보유하고 있다.

더불어서 연구 과정에서 부산물을 살포하는 단계까지의 연구가 진행되었는데,탄화 처 리한 밤 부산물에 의해 흡착된 부산물들을 거르는 장치를 후속 연구로 개발하여 후속 처리까지 완벽한 녹조제거 공정을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

그리고 위 연구를 바탕으로 녹조제거 공정을 개발할 시 간단하면서도 2차 피해를 유 발하지 않아 대규모로 발생하고 있는 녹조 현상을 근본적으로 해결할 수 있는 방안으 로 충분히 활용이 가능할 것으로 기대된다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 논문집 게재, 홈페이지 게시, 후속연구 추진 등 연구성과의 확산 및 활용

5. 참고문헌

[1] 박창원, 은준기, "자연수계에서의 조류 저감기술-부상분리", 한국환경준설학회 학술대 회 논문집, pp.1-14, 2012.

[2] Welch, I. M., et al. "Barley straw as an inhibitor of algal growth I: studies in the Chesterfield Canal." Journal of applied Phycology2.3, 231-239 (1990)

[3] Krisper, P., et al. "The use of tannin from chestnut (Castanea vesca)."

Plant polyphenols

[4] Lin, Long-Ze, and James M. Harnly. "Quantitation of flavanols,

proanthocyanidins, isoflavones, flavanones, dihydrochalcones, stilbenes, benzoic acid derivatives using ultraviolet absorbance after identification by liquid

chromatography–mass spectrometry

." J ournal of agricultural and food chemistry

[5] Welch, I. M., et al. "Barley straw as an inhibitor of algal growth I: studies in the Chesterfield Canal."

J ournal of applied Phycology