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산호 구
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1 2009 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 5 월 28( 목 )~29 일 ( 금 ) 창원컨벤션센터 (CECO) 실해역환경에서생물부착에관한기초실험연구 정동호 *, 김아리, 문덕수, 이승원, 함윤호 한국해양연구원 / 해양시스템안전연구소 Preliminary experimental study on biofouling in real sea environment D.H. JUNG, A.R. Kim, D.S. MOON, S.W. LEE, Y.H. HAM Ocean Development System, MOERI/KORDI KEY WORDS: Biofouling, Real sea environment, Experimental study, Deep and surface seawater, Chlorophyll-a ABSTRACT: The aim of this study is to investigate of biofouling properties with seawater temperature for different materials used for ocean industries such as a steel pipe, a polyethylene pipe and a nylon net. Experiments in a real sea environment were performed to grasp the biofouling of a diatom attached on materials in quantitative and qualitative by measuring Chlorophyll-a concentration. Experimental samples were installed at five kinds of ocean environmental conditions and analyzed at a time every month for five months. It is shown that the biofouling of a diatom is strongly affected with seawater temperature for all experimental samples. It is also found that a diatom mainly adheres to a nylon net, on the other hand, a Serpulidae does a polyethylene, on the condition of surface seawater ocean environment. The biofouling for low temperature of a deep seawater shows rare and stable for the experimental periods. Therefore, the inner of pipe conveying deep seawater can be maintained to be clear without biofouling on the condition of a flow speed and low temperature. 1. 서론생물부착 ( 유기물에의한부착 ) 은미생물, 박테리아, 그리고해양생물등에의해발생한다. 일반적으로미생물혹은해양생물등이해양구조물에부착하면구조물의중량을증가시켜유효부력을감소시키며, 구조물의유효체적과단면적을증가시켜유체력이증가된다. 유체력증가는구조물의설계강도초과문제를야기시킬수있으므로, 생물부착을방지하기위해서계속적인유지관리가요구되어진다. 유체를이송하는파이프라인의경우에는내부에발생하는생물부착이큰문제가될수있다. 내부에발생하는생물부착은유체의내부유동저항으로작용하여파이프라인의기능저하를발생시킨다. 온도차발전을위해서는대량의해수를취수해야하는데, 취수용파이프라인내부와열교환기등에발생하는생물부착은발전효율저하는물론작동중지현상까지발생하는문제가발생할수있다. 특히해양심층수를취수하는경우에는해양심층수에포함된고영양염성분이해조류성장을촉진시킬수있기때문에생물부착속도를증진시킬수도있다. 따라서해양환경에서해양생물의부착에관한정량적및정성적평가가필요하며, 또한생물부착을방지하기위한기술도필요하다. 교신저자김선진 : 부산광역시남구용당동산 sjkim@pknu.ac.kr 해양구조물에관한생물부착이중요한설계인자임에도불구하고이에관한연구는크게부족한현실이다. 생물부착은주로발전소인입구혹은해수냉난방및온도차발전용취수구에서보다중요하기때문에, 주로취수구혹은열교환기에관한실험에관한연구가주를이루고있다. 이순길 (1987) 은발전소냉각계통시스템이동물저서생물에미치는영향을파악하기위하여발전소냉각시스템에서생물부착실험을수행하였다. 취수구, 배수구, 온배수배출구역에부착판을설치하여 1년간샘플분석을수행한결과해조류는수온에따라서부착정도가결정되었으며, 저서동물의경우는가을에가장많은군집에출현하였다. 반면에 Ciborowsky and Clifford (1984) 에서는여름철에출현종수의증가가크게나타나는것으로나타났다. 위종환등은 (2002) 해양규조의부착과성장을분석하기위하여실내수조에서파판을이용하여실험적연구를수행하였다. 그들은 20일동안규조의부착과성장을관찰하면서실험개시 10일까지는천이과정이며, 20일이경과하면서안정적인성장단계로들어선다는것을확인하였다. 본연구에서는해양환경에서생물부착의특성을파악하기위하여실해역실험을수행한다. 해양구조물의대표적인재질인폴리에틸렌파이프 (Polyethylene pipe), 강재파이프 (Steel pipe) 그리고나이론그물 (Nylon net) 을대상으로실험을수행하며, 생물성장의중요한환경인자인수온에따른생물부착특성을살펴본다. 6개월간심층수와표층수환경에서실험샘플을설치하면서 1개월씩변화를관찰하여재질및수온에따른생물부착특성을분석한다.

2 2. 실험개요및분석방법 2.1 클로로필 -a 측정에의한생물부착측정 식물플랑크톤은수계에존재하는기초생산자로서, 다양한생리활성물질을함유하고있을뿐만아니라 CO 2 를고정하는등해양생태계에서주요한역할을수행하고있다. 그러나식물플랑크톤의일종인부착규조류는해양구조물에부착된다면전술한바와같이외력증가및부식속도증가등과같이역효과를일으킨다. 해양구조물에부착되는생물의정성적 / 정량적측정은부착생물의종류에따라다른데, 가장지배적인부착생물인해조류를측정하기위해서는클로로필-a를측정하는방법이있다. 클로로필-a는모든식물플랑크톤에포함되어있으므로그양을측정함으로써식물플랑크톤의생체량을가장잘평가할수있다 ( 해양환경공정시험법, 2006). 이를통해부착규조류및그외의부착식물플랑크톤의밀도를유추할수있다. 따라서본연구에서는해양구조물재료에부착된해조류등의측정을위하여클로로필-a 농도를측정하여부착성식물플랑크톤의농도를유추하고자한다. 실험시편을해양환경에설치한후월별클로로필-a의변화를관찰및분석하였다. 2.2 실험방법실험은 2008년 8월 14일부터 2009년 1월 22일까지약 5 개월간에걸쳐수행되어졌다. 실험에이용된시료는폴리에틸렌파이프 (polyethylene pipe) (A), 강재파이프 (steel pipe) (B) 그리고나이론그물 (nylon net) (C) 로서, 각시료별생물부착특성을파악하고자하였다. 또한해양환경특성에따른부착특성을파악하고자각시료를서로다른 5 개의해양환경에설치하여월별변화를알아보았다. 실험환경은크게해양심층수와표층수환경으로나누어서수온의변화에따른생물부착의정도를살펴보고자하였다 (Table 1). Table 2에서는실험기간동안측정된평균수온을나타내고있다. St. 4는실험실내에서직접측정하여수온을알수있었지만, St. 5는실해역에서측정하는것이불가하여고성군오호리외해역수심 500m 지점에설치된표층부이자료를참고하였다. Table. 1 Experiment condition St. 1 DSW 1) of WD 300m No light St. 2 DSW of WD 500m No light St. 3 DSW of WD 300m On light St. 4 SSW 2) At Lab. St. 5 SSW At port 1) Deep Seawater 2) Surface Seawater 강원도고성군에위치한한국해양연구원해양심층수연구센터에서는수심 300m와 500m에서해양심층수를취수하고있으며, 이를이용하여저온환경을구축하였다. 또한연구센터앞모래밭을통하여표층수를취수에서실험실 내에서표층수환경을이용하였으며, 인근오호항수심 1m 지점실해역에시료를설치여표층수환경을구축하였다. 심층수를취수한후에는암냉저수조에보관하기때문에빛이투과되지않는환경을만들었으며, 더불어저온성을갖는해양심층수내에서빛의유무를통한식물플랑크톤증식을알아보기위해수심 300m 해양심층수에자연광을투과하는실험구 (St. 3) 를두었다. 또한표층수실험구역시빛을차단한모래여과한표층수실험구 (St. 4) 와실제해역에서수심 1m 지점에자연광을받는실험구 (St. 5) 를두어비교실험하였다. Table 2 Monthly temperature variation ( ) Sep. Oct. Nov. Dec. Jan. St St St St St. 5 (Assumption) 분석방법 클로로필-a 농도변화측정은식물플랑크톤의밀도를파악하기위한것으로서, 한달에한번각각의환경에서시료하나씩을채취하여해양환경공정시험법 (2006) 을응용하여측정하였다. 각각다른시료는초음파로부식물과식물플랑크톤등을분리하였으며, 분리된물질은 GF/F 여지에여과한후 90% 아세톤 (acetone) 에 20시간추출하였다. 추출된시료는원심분리기를이용하여불순물을제거하고상층액만분리하여분광광도계를이용하여 750nm, 665nm, 645 및 630nm를측정하였다. 측정값은아래의식에적용하여클로로필-a 농도를알아보았다. 클로로필-a = 11.6 A A A630 (1) (Parson's and Strickland s method) 3. 결과및분석 시료에따른월별클로로필-a 농도변화는 Fig. 2 4에나타내었다. 모든재질에서해양심층수조건에서는실험기간경과에상관없이클로로필-a 농도가크게변하지않는반면에, 표층수조건에서는계절에따라변동이크게나타나는것을알수있다. 이것은클로로필-a 농도가수온에밀접하게관계하며, 해조류부착또한수온에크게영향을받는다는것을알수있다. Fig. 1에서는 4개월이지난후각시료에서생물이부착된실제사진을보여주고있다. 강재파이프의경우해양심층수실험구인 St. 1과 St. 2 에서는클로로필-a의농도가 3.29 mg 이하로관찰되었다 (Fig. 2). 이것은영양염류가풍부한해양심층수일지라도식물플랑크톤의성장요인인수온이낮아, 식물플랑크톤의세포증식이이루어지기어려운것으로사료된다. 또한 St. 1 과 St. 2의경우클로로필-a의농도가낮지만일정하게측

정된것은해양심층수에존재하는식물플랑크톤중광합성대신화학합성을하는종이있는것으로추정된다. St. 3 조건에서는 St. 1과 St. 2 조건에비하여비교적높게나타나고계절별변화가나타나는현상을확인할수있다. 이것은빛에의해서광합성에의한영향으로판단된다. 표층수조건에서는실험개시 1개월후부터높은클로로필-a 농도가나타났다. St. 4의경우에는 2개월이지나면서클로로필-a 농도가약 3배정도증가하였으나, 3개월이지나면서다시감소하는현상을확인할수있다.

향후자세한자료에기초하여추가적인실험이요구된다. 폴리에틸렌파이프의월별클로로필-a 농도변화는 Fig. 3에서나타내었다. 폴리에틸렌파이프의경우해양심층수실험구인 St.1 3 조건에서는클로로필-a 농도가 5.66 mg 이하로안정된상태로유지되는것으로관찰되었다. 표층수조건인 St.

그러나이결과는강재파이프및나일론그물과는약간다른경향을나타내었다. 즉, 강재파이프와나이론그물에비하여생물부착이발생하는시간까지보다오랜시간이소요되었는데, 이것은폴리에틸렌파이프의표면조도가강재파이프와나이론그물에비하여낮기때문인것으로사료된다. 실험개시후 4개월이경과된후에는클로로필-a 농도가급격하게감소하는것을볼수있다. 실해역조건인 St.

3 정된것은해양심층수에존재하는식물플랑크톤중광합성대신화학합성을하는종이있는것으로추정된다. St. 3 조건에서는 St. 1과 St. 2 조건에비하여비교적높게나타나고계절별변화가나타나는현상을확인할수있다. 이것은빛에의해서광합성에의한영향으로판단된다. 표층수조건에서는실험개시 1개월후부터높은클로로필-a 농도가나타났다. St. 4의경우에는 2개월이지나면서클로로필-a 농도가약 3배정도증가하였으나, 3개월이지나면서다시감소하는현상을확인할수있다. 이것은수온저하로인하여식물플랑크톤및해조류증식이감소되기때문인것으로사료된다. 반면에실해역에서측정된 St. 5 의결과를살펴보면시간이경과되어 2개월이지난시점에서도클로로피-a 농도가약간감소한후, 계속감소하는현상을볼수있다. 이것은 St. 4 결과와약간상이한것인데, 실해역에설치한지점에관한정확한수온자료가없어서정확한분석이불가능하였다. 향후자세한자료에기초하여추가적인실험이요구된다. 폴리에틸렌파이프의월별클로로필-a 농도변화는 Fig. 3에서나타내었다. 폴리에틸렌파이프의경우해양심층수실험구인 St.1 3 조건에서는클로로필-a 농도가 5.66 mg 이하로안정된상태로유지되는것으로관찰되었다. 표층수조건인 St. 4의결과를살펴보면, 2개월경과때까지클로로필-a 농도가증가하다가 3개월이경과되면서다시감소한다. 그러나 4개월째다시약 2배이상증가하는현상을확인할수있다. Table 2의수온자료를보면 11월이넘어서면서수온이본격적으로하강하는것을알수있는데, 이것을볼때클로로필-a 농도는수온에직접적으로영향을받는것을알수있다. 따라서해조류부착도수온에직접적으로영향을받을것을예상할수있다. 그러나이결과는강재파이프및나일론그물과는약간다른경향을나타내었다. 즉, 강재파이프와나이론그물에비하여생물부착이발생하는시간까지보다오랜시간이소요되었는데, 이것은폴리에틸렌파이프의표면조도가강재파이프와나이론그물에비하여낮기때문인것으로사료된다. 실험개시후 4개월이경과된후에는클로로필-a 농도가급격하게감소하는것을볼수있다. 실해역조건인 St. 5 결과는강재파이프결과와마찬가지로 2개월이경과된후자료가 오차가오류가발생하는것으로보인다. 3개월후에는다른재질과유사한패턴을보여주고있다. 폴리에틸렌파이프는실해역조건인 St. 5에서 3개월이경과되면서석회질물질이부착된것이발견되었는데, 강관에서미소하게발견되었던현상으로정량적 / 정성적분석을수행하였다. 파이프내부에부착된물질은자포동물군에속하는석회관갯지렁이와해면동물이었는데, 석회관갯지렁이가주를이루었다. 석회관갯지렁이는석회질물질로주거처를형성하여내부에서서식하는것으로, 국내에서흔히볼수있는부착생물중의하나이다. 석회관갯지렁이가부착되면파이프의외경을증가시키기때문에중량과외경의증가가동반된다. 파이프내외부단면적의약 30% 이상면적에석회관갯지렁이가부착된것을알수있었다. 직경증가를정량적으로측정하기위하여파이프원형단면을 8등분한후 45도씩회전하면서버어니아캘리퍼스를이용하여외경을측정하였다. 원주방향으로 8회측정하였으며, 파이프길이방향으로 3회측정하여 ( 상단, 중앙단, 하단 ) 평균값을취하여생물부착에의한직경증가량을측정하였다. Table 3에서는직경증가분및증가율을계산한결과를보여준다. 전체평균을고려하면실험이시작된후 4개월후에는약 2% 의직경증가가발생한것을알수있다. 석회관갯지렁이의생물부착은실험기간이증가하면보다큰값이될것으로추정되며, 직경증가에의하여설계외력보다큰외력이유발될수있음을예측할수있다. Table 3. Outer dia. increasement on a polyethylene pipe Outer diameter, cm (increasement ratio) Time Top Middle Bottom Initial Nov Dec (1.6 %) (2.9 %) (1.4%) 나일론그물의월별클로로필-a 농도의변화는 Fig. 4에나타내었다. 나일론그물의경우, 다른재질에비하여표층수실험구와해양심층수실험구간의경향적인차이가확연하게나타났다. St. 1 3의경우 7.48 mg 이하로클로로필-a 농도가월간큰변화없이일정한경향을보였으나, (a)polyethylene pipe (b) Nylon net (c) Steel pipe Fig. 1 4th samples (Oct.)]

4 St. 4의경우 10월에최대 mg, 1월에최저 mg으로큰폭의변화를보였다. St. 5 역시 10월에최대 mg, 12월에최저 mg으로나타났다. 그러나 St. 5의경우실해역에설치한것으로파도및외부요인으로인해 12월분이후로유실되어측정하지못하였다. 나일론그물의경우실험기간에따른클로로필-a 농도변화는강관파이프의변화유형과유사하게나타났다. 나일론그물은강재파이프및폴리에틸렌파이프에서발견되었던갑각류해양생물은발견되지않았다. 그러나 St. 4와 St. 5 조건에서대형규조류가그물에부착되는것을목측으로확인할수있었으며, 3개월이지나면서실해역에설치한 St. 5에서해조류의성장을목측으로확인할수있었다. 각재질별생물부착특징을분석해보면강재파이프와폴리에틸렌파이프에서는석회관갯지렁이와해면동물로추정되는해양생물이부착되었으며, 특히폴리에틸렌파이프에서부착된양이매우높게나타났다. 나일론그물에서는석회관갯지렁이등의해양생물은부착되지않지만규조류와해조류가많이부착되는것을알수있었다. 이것은재질별표면조도에기인하는데, 표면조도가가장큰나이론그물에서는규조및해조류가부착하기용이하다는것을알수있다. 반면석회관갯지렁이와해면동물은일정이상의표면적을가지면서표면조도가낮은물질에잘부착하는것을알수있다. 따라서해양구조물재질별부착생물및부착경향은확연히다르게나타난다는사실을발견할수있었다. 본실험은늦여름에시작하여겨울까지수행되어졌는데, 향후사계절에걸친실험을수행하여재질과해양환경특성에따라서생물부착의특성을정량적 / 정성적으로분석할계획이다. 4. 결론 부착특성을파악하기위하여실험적연구를수행하였다. 각실험샘플은수온에따라서어떤생물부착특성이나타나는지를파악하기위하여해양심층수와표층수환경에설치하였다. 생물부착분석은월별클로로필-a 농도변화를통하여간접적분석으로이루어졌다. 1) 클로로필-a 농도는수온에크게영향을받기때문에생물부착요인중의하나인해조류의부착은수온에크게영향을받는다는사실을알수있었다. 2) 해양심층수환경에서는영양염이풍부할지라도식물플랑크톤의성장요인인수온저하로인하여클로로필-a의농도가낮으며, 비록낮은농도이지만화학합성에의하여클로로필-a농도가발견되었다. 이를통하여해양심층수취수관내부에는일정유속및수온이유지된다면생물부착은발생하지않을것임을추정할수있었다. 3) 각재질별생물부착특성을살펴본결과, 강재파이프와폴리에틸렌파이프에는석회관갯지렁이와해면동물이부착되며특히폴리에틸렌재질에잘부착한다는사실을알수있었다. 반면에나일론그물에는규조류와해조류가잘부착한다는사실을발견할수있었다. 재질별생물부착특징은재질의표면조도와깊이관계한다고추정된다. 본연구결과는해양구조물설계에서중요한요소가되는생물부착특성분석에관한기초적인자료를제공할수있을것으로기대되는바이며, 향후재실험및정량적 / 정성적분석을통하여자료를확보할계획이다. 사사본연구는 ' 해양심층수다목적이용개발 (9) 및 해역기초생산력증대를위한부유식인공용승시스템핵심기술연구 결과중일부임을밝히며, 연구비지원에감사드립니다. 본연구에서는해양구조물의대표적인재질인강재파이프, 폴리에틸렌파이프, 그리고나일론그물에대한생물 ,600 1,400 1,200 1, Sep Oct Nov Dec 0 Sep Oct Nov Dec Jan - Sep Oct Nov Dec Jan Fig. 2 Chlorophyll-a on steel pipe Fig. 3 Chlorophyll-a on PE pipe Fig. 4 Chlorophyll-a on nylon net

5 참고문헌 이순길, 1987, 화력발전소냉각계통이해양생물에미치는 영향, 한국수산학회, 20(5), 위종환, 김형신, 이승주, 정민민, 김태익, 김병학, 허영백, 2002, 실내수조에설치한파판에서의해양부착규조 의다니간천이및출현종, 대한수산학회, 35(5), 환경부, 2006, 해양환경공정시험법 Y. Ikegami and K. Urata, 2006, 'Antifouling technology for seawater intake pipes of OTEC using ozonation', Pro. of ISOPE, San Francisco, USA, May 28-June 2009 년 4 월 10 일원고접수 2009 년 5 월 15 일최종수정본채택

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Journal of Life Science 2011 Vol. 21. No. 8. 1120~1126 ISSN : 1225-9918 DOI : http://dx.doi.org/10.5352/jls.2011.21.8.1120 μ μ μ α β Journal of Life Science 2011, Vol. 21. No. 8 1121 μ μ 1122 생명과학회지 2011,