유해 남조류 Microcystis와 Dolichospermum에 대하여 선택적 제어가 가능한 생물유래 살조물질 (Naphthoquinone 계열)

주재형,조훈,한명수,Joo, Jae-Hyoung,Cho, Hoon,Han, Myung-Soo 응용생태공학회 2016 Ecology and resilient infrastructure Vol.3 No.1

유해 남조류 Microcystis와 Dolichospermum의 친환경적인 제어를 위해 생물유래 물질을 기반으로 한 Naphthoquinone(NQ) 계열의 녹조제어 물질을 개발하였다. NQ의 기본구조를 바탕으로 치환기 ($R_n$)를 변화시켜 총 92종의 NQ 유도체를 합성 확보하였고, 대상 남조류 Microcystis와 Dolichospermum에 대하여 농도별 살조효과를 평가하여 $1{\mu}M$의 농도에서 80% 이상의 제어가 가능한 NQ 화합물을 각각 22종을 선정하였다. 그 중에서, NQ 40 물질은 최적 적용 농도인 $1{\mu}M$에서 Microcystis와 Dolichospermum 종에 각각 99.6%과 100%의 높은 제어효과가 관찰되었다. NQ 40 물질 ($1{\mu}M$)은 규조류 Stephanodiscus, Cyclotella와 와편모조류 Peridinium에는 살조효과가 없었으며, 대상 유해 남조류 Microcystis와 Dolichospermum에만 선택적으로 작용하였다. 또한, NQ 40 물질의 급성독성을 평가 결과, Selenastrum capricornutum, Daphnia magna 및 Danio rario 종에 대하여 $EC_{50}$/$LC_{50}$ 값이 각각 3.2, 14.5 및 $15.7{\mu}M$로 측정되었다. 더불어, D. magna를 이용한 만성독성 평가 결과, NQ 40 물질 $1{\mu}M$에서 생존, 성장, 번식에 대한 영향은 없었다. 따라서, 최종 선정된 NQ 40 물질을 현장에서 $1{\mu}M$로 적용한다면, 다른 수생생물에 미치는 영향 없이 대상 조류인 Microcystis와 Dolichospermum 종만 선택적으로 제어 가능한 친환경적인 살조물질로 사용될 것으로 판단된다. We developed a biologically-derived substance naphthoquinone (NQ) derivate for the eco-safe mitigation of harmful cyanobacteria blooms such as Microcystis and Dolichospermum. NQ was reacted with various substituents ($R_n$) to produce different NQ derivatives. We tested a total of 92 algicidal compounds based on the algicidal activity of Microcystis and Dolichospermum. 22 compounds of NQ were selected as candidates (algicidal activity >80% at $1{\mu}M$). Among them, NQ 40 compound showed the highest algicidal activity of 99.6% and 100% at the optimal concentration of $1{\mu}M$ on Microcystis and Dolichospermum, respectively. No algicidal effects of NQ 40 ($1{\mu}M$) were observed against non-target algae such as Stephanodiscus, Cyclotella and Peridinium. According to the results of acute eco-toxicity assessment, the $EC_{50}$ values of NQ 40 compound for Selenastrum capricornutum and Daphnia magna were 3.2 and $14.5{\mu}M$, respectively, and the $LC_{50}$ for Danio rerio was $15.7{\mu}M$. In addition, for D. magna chronic eco-toxicity assessment, no toxicity toward survival, growth and reproduction was observed. Therefore, we suggested the NQ 40 ($1{\mu}M$) compound as an alternative eco-safe algicidal substance to effectively mitigate harmful cyanobacteria blooms.

정오표 : 유해 남조류 제어를 위한 생물유래 살조물질 Naphthoquinone 유도체 (NQ 2-0)의 현장 적용 가능성

주재형,박종성,최혜정,이헌우,한명수,Joo, Jae-Hyoung,Park, Chong-Sung,Choi, Hye Jeong,Lee, Heon Woo,Han, Myung-Soo 응용생태공학회 2019 Ecology and resilient infrastructure Vol.6 No.1

Microcosm 실험을 이용한 생물유래 살조물질 Naphthoquinone 유도체의 유해 남조류 제어효과 및 기존물질과의 우수성 비교

주재형,박범수,김세희,한명수,Joo, Jae-Hyoung,Park, Bum Soo,Kim, Sae Hee,Han, Myung-Soo 한국환경생물학회 2020 환경생물 : 환경생물학회지 Vol.38 No.1

유해 남조류 Microcystis 종에 의한 녹조현상은 매년 빈번하게 일어나며, 이로 인한 수자원의 질적 변화와 먹는 물확보에 문제가 발생하고 있다. Microcystis 종에 의한 피해를 막고자 개발된 naphthoquinone (NQ) 유도체 물질의 장점 분석을 위해 국내에서 빈번히 사용되는 황토를 이용한 microcosm 실험을 하고자 하였다. 그 결과, NQ 40, NQ 2-0 물질은 선행 연구 결과와 동일하게 유해 남조류 Microcystis 종을 선택적으로 99.9%, 99.6% 제어했으며, 식물플랑크톤 종 다양성을 증진시켰다. 그러나, 황토를 처리한 실험구는 실험 초기 일시적인 조류 제어효과를 보인 후 다시 증가하였으며, 유용 조류를 포함한 모든 식물플랑크톤에게 적용되어 다른 조류의 성장은 이루어지지 않았다. 뿐만 아니라, NQ 물질을 처리한 처리구는 비생물학적, 생물학적요인 모두 영향을 미치지 않았으며, 대조구와 유사한 경향이 관찰되었다. 따라서, 최종적으로 개량된 유해 남조류 제어물질 NQ 2-0은 높은 살조효과, 선택적 제어효과, 저독성, 자연분해에 의한 비잔류성 뿐만 아니라, 편의성 및 경제성까지 갖춘 새로운 살조물질로서 현재까지 개발된 살조물질보다 현장 생태계 적용에 가장 적합한 친환경 녹조제어 물질이라고 판단된다. Bloom-forming toxic cyanobacteria Microcystis spp. are common in the summer season in temperate freshwater ecosystems. Often, it leads to the degradation of water quality and affects the quality of drinking water. In a previous study, NQ (naphthoquinone) compounds were shown to be effective, selective, and ecologically safe algicides for Microcystis spp. blooms. To analyze the superiority of developed NQ derivatives, we conducted a microcosm experiment using clay, which is frequently used in South Korea. Similar to previous studies, the NQ 40 and NQ 2-0 compounds showed high algicidal activities of 99.9% and 99.6%, respectively, on Microcystis spp. at low concentrations (≥1 μM) and enhanced phytoplankton species diversity. However, when treated with clay, a temporary algicidal effect was seen at the beginning of the experiment that gradually increased at the end. In addition, treatment with the NQ compounds did not affect either the abiotic or biological factors, and similar trends were observed with the control. These results showed that the NQ 2-0 compound was more effective, with no ecosystem disturbance, and more economical than the currently used clay. These results suggest that NQ 2-0 compound could be a selective, economically and ecologically safe algicide to mitigate harmful cyanobacterial blooms in the field.

생물유래 살조물질 Naphthoquinone 유도체의 규조 Stephanodiscus 제어 효과 및 생태계 변화 모니터링: A case study

주재형(Jae-Hyoung Joo),박범수(Bum Soo Park),김세희(Sae Hee Kim),한명수(Myung-Soo Han) 응용생태공학회 2020 Ecology and resilient infrastructure Vol.7 No.1

저온수기 규조 Stephanodiscus sp.에 의한 녹조 현상은 빈번하게 일어나며, 이로 인한 수자원의 질적 변화와 정수과정에 많은 경제적 손실을 주고 있다. 선행연구를 통해 Stephanodiscus sp. 종의 친환경적 제어를 위해 개발된 생물유래 물질인 naphthoquinone (NQ) 유도체의 현장조건에서 살조효과 입증을 위해 서낙동강 수변에 5 ton 규모 mesocosm을 설치하여 현장조건에서의 살조효과와 비생물학적, 생물학적 요인을 모니터링 하였다. NQ 4-6 물질을 처리한 결과, 대상 조류인 Stephanodiscus sp.의 세포밀도가 실험 초기 5 × 10³ cells mL¹에서 급격하게 감소하여 실험 종료시인 10일차에는 0.2 × 10³ cells mL¹으로 세포 대부분이 사멸되어, 81%의 높은 살조효과가 관찰되었다. 또한, NQ 4-6 물질 접종 후 식물플랑크톤을 제외한 물리・화학적요인 (수온, 용존 산소, pH, 전기전도도, 영양염)과 생물요인 (박테리아, HNFs, 섬모충, 동물플랑크톤)에 영향을 미치지 않았으며, 대조구와 처리구에서 유사한 경향이 관찰되었다. 즉, NQ 4-6 물질의 현장 적용은 규조 Stephanodiscus sp. 종의 선택적 제어뿐만 아니라, 수생 생물의 서식처와 먹이 공급을 원활하게 함으로써 건강한 수 생태계를 형성하는데 큰 역할을 할 것으로 판단된다. Blooms of the small centric diatom Stephanodiscus is quite occasional in winter season in temperate freshwater ecosystems. Often, it leads to degradation of water quality and affects quality of supplied drinking water. In previous studies, naphthoquinone (NQ) compounds have been shown to be effective and selective for controlling winter bloom species Stephanodiscus hantzschii. We conducted a 5 ton scale mesocosm experiment to investigate the effects of NQ on native Stephanodiscus sp. collected from Nakdonggang River in water. After treatment with NQ 4-6 compound (0.2 μM), the cell density of Stephanodiscus sp. was rapidly reduced from 5 × 10³ cells mL<SUP>-1</SUP> to 0.2 × 10³ cells mL<SUP>-1</SUP> for 10 days. Additionally, NQ 4-6 compound did not affect physicochemical factors (water temperature, dissolved oxygen, pH, conductivity, nutrients) and biological factors (bacteria, heterotrophic nanoflagellates, zooplankton). Therefore, these findings suggest that the NQ 4-6 compound has potential as an alternative algicidal substances to effectively mitigate natural Stephanodiscus sp. blooms, and the application of NQ 4-6 compound will restore the healthy aquatic ecosystems.

유해 남조류 제어를 위한 생물유래 살조물질 Naphthoquinone 유도체 (NQ 2-0)의 현장 적용 가능성

주재형(Jae-Hyoung Joo),박종성(Chong-Sung Park),최혜정(Hye Jeong Choi),이헌우(Heon Woo Lee),한명수(Myung-Soo Han) 응용생태공학회 2017 Ecology and resilient infrastructure Vol.4 No.3

유해 남조류를 친환경적으로 제어하기 위해 개발된 생물유래 물질인 naphthoquinone (NQ) 유도체의 현장 적용 가능성을 확인하고자 하였다. 기흥 저수지 수변에 30 ton 규모의 mesocosm을 설치하여 현장 조건에서의 살조효과와 비생물학적, 생물학적 요인을 모니터링하였다. NQ 2-0 물질을 처리한 결과, 대조구에서는 대상 조류인 Microcystis sp.의 세포밀도가 지속적으로 증가한 반면, 처리구에서는 실험 초기 7.9×10⁴ cells mL<SUP>-1</SUP>에서 접종 후 점진적으로 세포수가 감소하여 10일차 9.7×10² cells mL<SUP>-1</SUP>으로 대조구 대비 99.4% 감소하였다. 실험 종료시인 15일차에는 Microcystis sp. 세포수가 100% 제거되었다. 대상 조류인 Microcystis sp. 종만을 선택적으로 제어하였을 뿐만 아니라, 다른 식물플랑크톤의 성장과 식물플랑크톤 종 다양성 지수도 증진되었다. 또한, 식물플랑크톤을 제외하고 NQ 2-0 물질에 의하여 물리․ 화학적요인 (수온, 용존 산소, pH, 전기전도도, 영양염)과 생물요인 (박테리아, HNFs, 섬모충, 동물플랑크톤)에 영향을 미치지 않았으며, 대조구와 처리구에서 유사한 경향이 관찰되었다. We evaluated the field application feasibility that biologically derived substances (Naphthoquinone derivate: NQ 2-0) can be used for the eco-friendly mitigation of natural harmful cyanobacterial blooms in freshwater. We conducted a 30 ton scale mesocosm experiment to investigate the effects of NQ 2-0 on biotic and abiotic factors in water collected from Gi-heung reservoir. In the mesocosm experiments, the abundance of Microcystis sp. was continuously increased in the control. However, the Microcystis sp. cell density was sharply decreased on the 10<SUP>th</SUP> day. In the treatment, NQ 2-0 showed the strong and selective algicidal activity toward the target cyanobacteria (Microcystis sp.). Accordingly, the algicidal activity of NQ 2-0 compound increased gradually until 10<SUP>th</SUP>, 15<SUP>th</SUP> days and algal biomass was decreased to 99.4 and 100 %, respectively. NQ 2-0 compound was not only selective algicidal activity but also the growth of other phytoplankton and increased the Shannon-Wiener diversity index of phytoplankton. In the mesocosm experiments, the dynamics of biotic (bacteria, heterotrophic nanoflagellate, ciliates, zooplankton) and abiotic (water temperature, dissolved oxygen, pH, conductivity, nutrients) factors remained unaffected. These results suggest that NQ 2-0 could be a selective and ecologically safe algicide to mitigate harmful cyanobacterial blooms. In addition, it is believed that NQ 2-0 will play a major role in forming a healthy aquatic ecosystem by facilitating habitat and food supply of aquatic organisms.

Simultaneous treatment of domestic and livestock wastewater using indigenous microalgae, Chlorella sorokiniana JD1-1

Jae-Cheol Lee(이재철),Jae-Hyoung Joo(주재형),Kira Moon(문기라),Nakyeong Lee(이나경),Sung Moon Lee(이성문),Yun Ji Kim(김윤지),Seung Hui Song(송승희) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

유독 와편모조류 Pfiesteria Piscicida 탐지 및 정량 분석을 위한 EvaGreen 기반 Real-time PCR기법 개발과 현장 적용

박범수,주재형,김묘경,김주환,김진호,백승호,한명수,PARK, BUM SOO,JOO, JAE-HYOUNG,KIM, MYO-KYUNG,KIM, JOO-HWAN,KIM, JIN HO,BAEK, SEUNG HO,HAN, MYUNG-SOO 한국해양학회 2017 바다 Vol.22 No.1

Pfiesteria piscicida는 유독 종속영양 와편모조류로서, 크기가 작고 형태학적으로 유사한 Pfiesteria-like dinoflagellate (PLD) 종들로 인해, 광학 현미경 관찰만으로 정확하게 동정하는 것이 불가능하다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해 EvaGreen 기반의 정량적 real-time PCR기법을 개발하였으며, 한국 근해에서 P. piscicida의 분포와 시화호에서 개체군 변동 조사를 통해 현장에서 유용성을 검증하였다. 이를 위해, internal transcribed spacer 1 (ITS 1) 영역을 대상으로 종 특이적 프라이머를 제작하였으며, P. piscicida와 진화적 유연관계에 있는 다양한 미세조류에 대해 PCR을 수행하여 프라이머의 특이성을 검증하였다. 개발된 프라이머를 real-time PCR 기법에 적용한 결과, P. piscicida의 세포수와 $C_T$값 간의 유의한 표준 곡선($r^2{\geq}0.999$)과 하나의 융해곡선 피크($88^{\circ}C$)가 관찰되었다. 이는 본 연구에서 개발된 기법이 대상생물인 P. piscicida를 정확하게 정성 및 정량분석이 가능함을 의미한다. 개발된 real-time PCR 기법의 현장적용 결과, 광학 현미경상에서는 탐지할 수 없었던 P. piscicida를 서해(김제, 목포)와 동해(강릉) 시료에서 검출하였다. 또한, 시화호 시료를 이용한 P. piscicida개체군 동태 조사에서 다른 정점에 비해 염분도가 상대적으로 낮았던(${\leq}15psu$), St. 1에서 2007년 6, 7, 8월에 세포밀도의 피크가 관찰되었다. 본 연구에서 개발된 EvaGreen 기반 real-time PCR 기법은 현장에서 P. piscicida를 탐지 및 정량 분석 하는데 성공하였으며, 이는 향후 이들 종에 대한 다양한 생태학적 연구에 활용될 것으로 사료된다. Pfiesteria piscicida is one of heterotrophic dinoflagellate having toxic metaboliges, and it is difficult to detect and quantify this dinoflagellate via light microscope due to small size and morphological similarity with Pfiesteria-like dinoflagellate (PLD) species. Alternatively, we developed quantitative real-time PCR assay based on EvaGreen and determined field accessibility throughout the investigation of distribution in the entire Korean coastal waters and population dynamics in Shihwa Lake. The P. piscicida-specific primers based on internal transcribed spacer 1 (ITS 1) were designed and the specificity of primers was confirmed by PCR with other genomic DNAs which have genetic similarity with target species. Through real-time PCR assay, a standard curve which had a significant linear correlation between log cell number and $C_T$ value ($r^2{\geq}0.999$) and one informative melting peak ($88^{\circ}C$) were obtained. These results implies that developed real-time PCR can accurately detect and quantify P. piscicida. Throughout the field applications of real-time PCR assay, P. piscicida was distributed in western (Mokpo and Kimje) and easthern (Gangneng) Korean coastal water even though light microscopy failed to identify P. piscicida. In the investigation of population dynamics in Shihwa Lake, the density of P. piscicida was peaked in June, July and August 2007 at St. 1 where salinity (${\leq}15psu$) was lower than the other 2 sites. In this study, we successed to develop EvaGreen bassed real-time PCR for detection and quantification of P. piscicida in fields, so this developed assay will be useful for various ecological studies in the future.

겨울철 규조류 대발생 제어를 위한 Naphthoquinone 유도체 Nq 4-6의 적용 가능성

변정환,주재형,김백호,한명수,Byun, Jung-Hwan,Joo, Jae-Hyoung,Kim, Baik-Ho,Han, Myung-Soo 응용생태공학회 2015 Ecology and resilient infrastructure Vol.2 No.3

겨울철 한강과 낙동강에서 규조 Stephanodiscus hantzschii에 의한 조류발생이 빈번하게 일어나며, 이로 인한 수자원의 질적변화와 정수과정에 많은 경제적 손실을 주고 있다. 본 연구진은 조류대발생의 원인종인 S. hantzschii을 제어할 수 있는 naphthoquinone (Nq) 화합물을 개발하였다. 본 연구는 개발된 Nq 화합물 중 가장 친환경적인 화합물을 선정하기 위한 실험으로 물질의 살조범위 실험과 낙동강 현장수를 이용한 10 L 규모의 미소생태 실험을 수행하였다. 그 결과 Nq 4-6 화합물의 살조범위는 원반형 규조류에 특이적으로 나타났으며, 남조류 및 녹조류에 대해 살조 활성이 나타나지 않았다. 미소생태 실험 결과, 대조구에서 S. hantzschii가 지속적으로 세포밀도가 증가한 반면, Nq 4-6 화합물을 접종한 처리구에서는 처리 7일째 대조구 대비 S. hantzschii가 94.4% 감소하였으며, S. hantzschii를 제외한 나머지 규조류 및 녹조류에서는 Nq 4-6 화합물 처리 후 살조활성이 관찰되지 않았다. 식물플랑크톤 군집 분석 결과 대조구에 비해 처리구에서 우점도는 낮게 나타났으며, 다양도, 풍부도, 균등도 등은 처리구에서 높게 나타났다. 물리화학적요인 (용존산소, pH, 영양염) 및 미소생물 (heterotrophic nanoflagellates, 섬모충, 박테리아) 등에서도 Nq 4-6 화합물 처리 후 특이적인 변화는 나타나지 않았다. 따라서 본 연구에서 개발된 Nq 4-6 화합물은 생태독성이 낮고, 겨울철 국내 하천에서 매년 대발생을 일으키는 규조 S. hantzschii만을 특이적으로 제어함을 확인하였으며, 적용 시 식물플랑크톤 종 다양성을 증진시키는 친환경적인 조류제어제로 판단된다. We conducted the algicidal activity screening tests using 10 L microcosm to investigate the possibility of the field application of naphthoquinone derivative Nq 4-6 compound as an algicide. We determined its application range to assess its algicidal effects on the phytoplankton and to evaluate the response of the planktonic community and the water environment to this chemical. From results of the microcosm experiments, Nq 4-6 compound showed high algicidal activity on the centric diatoms such as Stephanodiscus hantzschii and Cyclotella meneghiniana, but it had no effect on other phytoplankton. The abundance of S. hantzschii continuously increased in the control, but its cell density decreased 1 day after the Nq 4-6 treatment. In particular, Nq 4-6 showed algicidal activity of 94.4% against S. hantzschii 7 days after the treatment. The dominance index of phytoplankton community was lower in the treatment than in the control. The diversity index, richness index and evenness index of phytoplankton community was higher in the treatment. Environmental factors and biological factors did not show specific changes after the Nq 4-6 compound treatment. Therefore, the results of this study demonstrates that Nq 4-6 is an effective agent for the control of S. hantzschii blooms, and that the microcosm tests play a crucial role when assessing field application.