2005 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 밸러스트수처리기술개발 Ⅲ ( 전해수농도에따른해양생물체제거율 Ⅱ) 윤범상 ( 울산대학교 ), 노준혁, 오준헌 ( 세호코리아 ), 김광일, 김흥락 (( 재 ) 포항산업과학연구원 ), 정해진 ( 서울대학교 ) Development of Ballast Water Treatment Technology Ⅲ (Sodium Hypochlorite as a Ballast Water Biocide Ⅱ) B.S.Yoon(University of Ulsan), J.H.Rho, J.H.Oh(SEHO Korea), K.I.Kim, H.R.Kim(Rist), H.J.Jeong(Seoul National University) ABSTRACT 본연구에서는차아염소산나트륨을이용한밸러스트수처리기술을개발하기위한연속적인연구로서, 차아염소산나트륨의농도에따른저서동물유생, 저서동물성체, 해조류포자등의치사율 ( 또는생존율 ) 에대한실험적인연구를수행하였다. 차아염소산나트륨의농도에따른이들생물의치사율에대한기초적인자료를활용하여, 밸러스트수에포함된생물종들을효율적으로제거하기위한최적의차아염소산나트륨농도를도출하고, 이로부터차아염소산나트륨을이용한밸러스트수처리시스템의최적운용조건을도출하기위한연구를수행하였다. Key Words : Ballast Water( 밸러스트수 ), Sodium Hypochlorite( 차아염소산나트륨 ), Biocide ( 살균제 ), Bentos larvae( 저서동물유생 ), Bentos adult( 저서동물성체 ), Algae( 해조류 ) 1. 서론 밸러스트수는선박의항해안전성을확보하는유일한수단임에도불구하고, 해양환경및토착생태계에미치는악영향으로인하여세계적인문제점으로대두되고있는실정이다. 특히, 미국에서그피해사례가많이알려졌는데, 오대호에얼룩무니홍합 (Zebra mussels) 의유입으로 1989년부터 2000년까지 7.5~10억달러이상의경제적인피해를입혔고, 북샌프란시스코만에들어온아시아대합조개에의하여연간처리비용으로 10억달러의경제적인피해를입고있다고보고되어지고있다. 또한, 수중식물인검정말 (Hydrilla) 이번성하여수로를방해하고있으며, 플로리다주에서만연 140억달러의제거비용이소요되고있는실정이다. 그밖에여러나라에서밸러스트수에의한피해사례가밝혀지고있으며, 이에따른생태계파괴및교란이심각하게발생하고있는현실이다.[1,2] 이러한피해를경험한미국, 호주, 뉴질랜드등선진국에서는밸러스트수내에포함된외래생물및병원균에의한자국내분포및환경피해사례에관한폭넓은실태조사를수행하였으며, 이결과를기초로외래종의유입차단을위한밸러수트수관리법안을마련하여시행하거나준비중에있다. 또한, 국제해사기구 (IMO) 의주도하에밸러스트수배출규제국제협약을채택 발효할예정으로있으며, 이러한해양환경협약의채택및발효에대비한환경친화적이고독자적인밸러스트수배출규제대응기술의개발및확보가시급히요구되고있는실정이다.[3] 이에본저자들은차아염소산나트륨을이용한밸러스트수처리기술을개발하기위한연속적인연구로서, 차아염소산나트륨의농도에따른저서동물유생, 저서동물성체, 해조류포자등의치사율 ( 또는생존율 ) 에대한실험적인연구를수행하였다.[4] 차아염소산나트륨의농도에따른이들생물의치사율에대한기초적인자료를활용하여, 밸러스트수에포함된생물종들을효율적으로제거하기위한최적의차아염소산나트륨농도를도출하고, 이로부터차아염소산나트륨을이용한밸러스트수처리시스템의최적운용조건을도출하기위한연구를수행하였다. Korean Chem. Eng. Res., Vol. 43, No. 2, April, 2005
2. 연구의내용및방법 2.1 NaOCl 농도에따른저서동물유생의생존율 ( 치사율 ) 측정 본실험에서는대표적인저서동물유생인따개비 (Barnacle) 유생을대상생물로하였다. Barnacle 유생은군산-장항해역에서망구직경 20cm, 망목 202µm인표준네트를사용하여채집하였고채집후 2시간이내에실험실로옮겼다. 이생시료를 202µm Nitex mesh로걸러큰 Macrozooplankton을모은후여과해수로희석하여깨끗한상태로유지하였다. 하루뒤생시료를 Multiwell chamber에넣은뒤해부현미경하에서활발하게움직이는개체들을포획한뒤실험을실시하였다. 생시료를 Petridish에담고해부현미경하에서 Pasteur micropipette을이용, 유생을한개체씩뽑아여과해수가담긴 50ml Secimen cup에 10마리씩넣은뒤 9또는 10개의서로다른농도의 NaOCl(0, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50, 100ppm) 이담긴 50ml Polycarbonate flask 옮기고 ( 각농도당 3개 Well씩 Triplicate), 20 온 도, 50µE m 2 s 1 의연속광조건하에서배양후이들의상태를 5 분과 1 시간뒤에관찰하였다. 움직임이 없는개체는하루뒤사망여부를다시확인하였다. 2.2 NaOCl 농도에따른저서동물성체의생존율 ( 치사율 ) 바지락, 참굴 ( 이상패류 ), 바윗게 ( 갑각류 ) 를육안적으로볼때건강한상태로입수하여실험실에서 3~4일간순치시킨후실험에사용하였다. 전시험기간중수온은 22±2 로유지하였으며 Air pump로폭기하였다. 동물은 40 25 18cm의직사각형 Polycarbonate 투명수조에해수를 4l 정도채우고, 시험중피검물질의파괴를방지하기위하여광을차단하였다. 시험에사용한동물의중량 ( 패류의경우는패각을포함한습중량 ) 은굴의경우는 30~60g, 바지락은 6~15g, 바윗게는 3.5~6.5g이었다. 바지락의경우, 입출수공의노출, 굴에서수조를자극하였을때의나타나는폐각행동을생존의기준으로하였으며, 판단이어려운개체는시험종료후신선한해수로옮겨서동일반응을관찰하였다. 그래도판단하기어려운바지락은강제로개각을시도하여열리는가로판단하고, 참굴은패각을천공하여심장의박동을관찰하였다. 바윗게는막대기를사용한자극에대해자극하였을때움직이거나호흡활동을생사의기준으로하였다. 2.3 NaOCl 농도에따른해조류포자와체세포생존율 ( 치사율 ) 측정 실험해조류인모무늬돌김 (Porphyra seriata) 과구멍갈파래 (Ulva pertusa) 는경남남해군예계리조간대에서, 주로가시파래와납작파래로구성된파래류 (Enteromorpha spp.) 는경남하동군구노량항구방파제에서, 미역 (Undaria sp.) 은전남해남군토말리양식장에서채집하였다. 막상 (Membranous) 의엽상체 (Thallus) 인이들해조류는늦겨울에서초봄까지한국연안의중부조간대에서흔히우점하고대표적인식용해조류이다. 이들해조류는또한엽상체의주변부에서생식세포가형성되기시작하여엽상체전역으로확대유도되는공통의특징을가지고있다. 채집한해조류는가는붓으로깨끗이씻어서 VS5 Medium 에넣고 15 60~80µ molm 2 s 1 에서엽상 체전반에생식세포 ( 포자 ) 가형성될수있도록 3~7일간실험실배양하였다. 엽상체의성숙한부분을잘라모아멸균해수와함께 Vial에넣고가볍게 1~2시간정도흔들어주어포자를방출시켰다. 방출된포자 ( 김의경우과포자 ) 를적당한수로조절하여각 NaOCl 농도실험구에주입하였고 12시간후생존유무를판정하였다. 실험구는 Multiple cell wells(dia. 22mm) 에 NaOCl 농도 0( 대조구 ), 0.1, 0.3, 0.5, 0.75, 1.0, 1.5ppm의배양 용액을각각 5 ml에주입하였고, 12 시간동안 15 와 60µ mol m 2 s 1 의조건에서배양되었다. 포자의생존율은상대생존율 (Relative survival rate) 로나타내었는데, 12시간후정상적으로발아하는포자수를각 NaOCl 농도구와대조구간에비교하였다. 생존유무판정은 12시간후포자가발아하여성장하였거나, 발아하지못하였으나정상적인색소가함유되어있는세포를생존한포자로간주하였다. 이러한모든작업은 Inverted microscope하에서수행되었다. 성체의생존율측정을위하여채집된식물체를깨끗이씻어코르크보러를이용하여직경 5mm 정도의엽체절편을얻었고, 대조구와 6개의 NaOCl 농도구 (0.1, 0.3, 0.5, 0.75, 1.0, 1.5ppm) 에각각 9개의엽체절편을넣어배양하였다. 엽체를이용한체세포의사망률실험은배양 24시간후엽체절편에나타난죽은세포의면적
을각 NaOCl 농도구와대조구간에비교하여상대사망률 (Relative death rate) 로나타내었다. 죽은세포주변에는규칙적인세포배열이흐트러지거나죽은세포를중심으로주변세포가방추형배열을하기때문에광학현미경의저배율 (100X) 에서도쉽게계수할수있었다. 3. 결과및토의 3.1 NaOCl 농도에따른저서동물유생의생존율 ( 치사율 ) 따개비 Barnacle 유생의생존율은 NaOCl 투입후경과시간과농도의영향을받았다. 5분경과후 100ppm 이하에서는전혀영향을주지않았다. 1시간경과후에는 5ppm 이하에서는거의영향이없었으나 10ppm에서는평균 90% 가생존하였고, 50ppm에서는 77% 가생존하였다. 2시간경과후 5ppm 이하에서는큰영향이없었으나, 10ppm에서는평균 77% 가생존하였고, 50ppm에서는 63% 가생존하였다.( 그림 1) 3.2 NaOCl 농도에따른저서동물성체의생존율 ( 치사율 ) 패류인참굴 ( 그림 2) 과바지락 ( 그림 3) 모두에서최고 20ppm까지노출시켜도사망동물은관찰되지않았다. 바윗게도 100ppm 이하의 NaOCl 농도에서는최고 1시간노출에도육안적으로관찰시이상증상이관찰되지않았다. 3.3 NaOCl 농도에따른해조류포자및성체의생존율 ( 치사율 ) 파래류 (Enteromorpha spp.) 포자의생존율은 0.1ppm에서 68% 였고 0.3ppm에서 46% 였다.( 그림 4) 모무늬돌김 (Porphyra seriata) 포자의경우 0.1ppm에서 48% 의생존율을나타내었고, 0.3ppm에서 28% 의생존율을나타내었다 ( 그림 5). 미역 (Undaria sp.) 포자의경우 0.1ppm에서 73%, 0.3ppm에서 31% 의생존율을나타내었다.( 그림 6) 따라서, 김은파래에비해 NaOCl에대한효과가민감한것으로나타났다. 성체의생존율은모무늬돌김 ( 그림 7) 과갈파래 ( 그림 8) 모두 NaOCl 고농도 (1~1.5ppm) 에서도 90% 이상으로나타나 NaOCl에대한효과가크지않음을알수있다. 미약하지만김이갈파래에비해 NaOCl 처리효과가큰것으로나타났다. 후기 본, 원천기술확보는 ( 재 ) 포항산업과학연구원의연구비지원에의하여수행되었으며, 원천기술은특허권으로보호받고있음을밝혀둡니다. 참고문헌 [1] http://www.imo.org/ [2] http://globallast.imo.org/ [2] 김은찬, 정노택, 최진우, 노준혁, " 밸러스트수관리국제협약제정과처리기술개발, 한국해양환경공학회, 2004.5. [4] H.J.Jeong, H.R.Kim, "NaOCl produced by electrolysis of natural seawater as a potential method to control marinr red-tide dinoflagellates", Phycologia Vol.41(6), 2002.
그림 1 따개비 (Barnacle) 유생의 NaOCl 농도와투입후경과시간에다른생존율 그림 2 참굴의 NaOCl 농도에따른생존율 그림 3 반지락의 NaOCl 농도에따른생존율
그림 4 파래류 (Enteromorpha sp.) 포자의 NaOCl 농도에따른생존율 그림 5 모무늬돌김 (Porphyra seriata) 포자의 NaOCl 농도에따른생존율 그림 6 미역 (Undaria sp.) 포자의 NaOCl 농도에따른생존율
그림 7 모무늬돌김 (Porphyra serita) 성체의 NaOCl 농도에따른생존율 그림 8 갈파래성체의 NaOCl 농도에따른생존율