TiO₂-embedded Expanded Polystyrene (TiEPS) balls을 활용한 유해 남조류 성장억제 효과 평가: 실험실 규모 실내 · 외 실험 = Evaluation on Growth Inhibition Effect of Harmful Blue Green Algae Using TiO₂-embedded Expanded Polystyrene (TiEPS) Balls: Lab-scale Indoor/Outdoor Experiments

국문 초록 (Abstract)

목적 : 개발된 TiO₂-embedded expanded polystyrene balls을 하천/호수의 수면에 현장적용 전에 Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa)의 성장 억제(growth inhibition) 효과를 다양한 조건이 적용된 실내 · 외 실험을 통해 적용 타당성을 검증하였다. 따라서, 셀 형태(cell morphology), 셀 개체수(cell number)와 chlorophyll-a (Chl-a), 비성장속도(μ)와 일차분해속도상수(k), microcystin-LR, RR의 변화를 비교 · 분석하여 TiEPS balls이 조류발생을 사전예방하고 지속가능하게 조류증식을 예방할 수 있는지에 대해 검증하였다.
방법 : 저비용이고 열적변형이 뛰어난 발포성 폴리스틸렌(expanded polystyrene, EPS) 소재의 수면 부유 지지체에 나노크기 TiO₂ 입자를 부착/내재시킬 수 있는 경제적이고 실용적인 TiO₂-embedded EPS balls (TiEPS balls) 고정화공법을 개발해 TiEPS balls을 대량생산하였다. 실내실험은 UV-C 조사하에 실외실험은 옥외의 자연광 하에서 진행되었으며, 적용된 반응조는 30 (H) × 20 (W) × 20 (L) cm 크기의 차광된 아크릴 반응조(acrylic reactor)를 사용하였으며, 설정된 초기 셀 개체수(initial cell number)의 단일 배양된 M. aeruginosa를 접종하여 진행하였다.
결과 및 토의 : 셀 형태(cell morphology) 분석결과, 실내 · 외 실험 중 TiEPS balls을 적용한 시험군 모두 세포 밖으로 세포액이 용출되고 세포막의 형태가 불균일하게 파괴되는 형태를 나타내었으며, 이러한 결과는 세포막의 일부가 하이드록시 라디칼(OH･)과 슈퍼 옥사이드 음이온(O₂-)의 공격으로 인해 일부 분해되어 내부기관이 용출된 것으로 판단된다. 셀 개체수(cell number)와 chlorophyll-a (Chl-a)의 분석결과, 실내 · 외 실험 결과 TiEPS balls을 적용 시 지속적으로 조류성장을 억제하였으며, 이러한 조류의 증식억제는 TiEPS balls 적용 초기에는 광분해, 장기적으로 광분해와 차광에 의한 상승효과가 주된 조류성장 억제 요인으로 판단된다. 비성장속도(μ)과 일차분해속도상수(k) 의 분석결과, 실내 · 외 실험에서 성장률 대비 높은 분해율을 나타냈으며, 실외실험의 경우 TiEPS balls의 수면적 도포비율 증가에 따라 조류성장 억제효과가 크게 증대되는 것으로 조사되었다. microcystin-LR, RR 분석 결과, 대조군 제외 모든 실험군에서 형태와 무관하게 microcystin이 검출한계 미만으로 제거되며, TiEPS balls을 활용한 광촉매 분해로 인해 M. aeruginosa의 증식저해 및 세포막 파괴로부터 용출되는 독성물질 또한 분해되는 것으로 확인되었다.
결론 : 본 연구에서 개발된 TiEPS balls을 적용 시 초기의 광분해와 시간이 경과 후 광분해와 차광의 시너지 효과를 통해 조류성장 억제효과를 나타내며, 현장적용 시 유해조류가 과다 번성하는 우심 구간에 TiEPS balls을 상시 부유시켜 유해조류의 과다성장을 예방할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Objectives : Prior to the application of the developed TiO₂-embedded expanded polystyrene balls (TiEPS balls) to water surface of rivers/lakes, the feasibility of TiEPS balls to prevent harmful algal blooms and to sustain the algal growth inhibition was evaluated. Thus, the changes in cell morphology and number, chlorophyll-a (Chl-a), specific growth rate (μ) and first order decay constant (k) of Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa) were investigated through various indoor and outdoor growth inhibition experiments using TiEPS balls.
Methods : TiO₂-embedded expanded polystyrene balls (TiEPS balls) were developed by using an cost-effective and practical immobilization method to attach/embed the nanoscale TiO₂ particles on the surface of low-cost and thermally-deformable expanded polystyrene (EPS) buoyant, and were massively produced. The experiment was conducted indoors by irradiating the UV-C lamp, and outdoors under natural sunlight using reaction tanks [30 (H) × 20 (W) × 20 (L) cm] after inoculating the target initial numbers of pure cultures of M. aeruginosa.
Results and Discussion : Based on the results of cell morphology analysis, the cell solution was eluted out of the cell and the shape of the cell membrane was unevenly disrupted due to the attack of hydroxy radical (OH･) and super oxide anion (O₂-) during the indoor and outdoor experiments using TiEPS balls. As a result of cell number and chlorophyll-a (Chl-a) analysis, algal growth was sustainably inhibited by applying TiEPS balls, and was mainly attributted to the photocatalytic degradation in the early stages of application, and synergistic effects from photocatalytic degradation and shading over the long term. Based on the analysis of specific growth rate (μ) and first order decay constant (k), greater degradation rate compared to growth rate for C (UV + TiEPS balls) was observed, and the effect of algae growth inhibition significantly increased as the shading area in water surface using TiEPS balls for outdoor experiments increased. Microcystin-LR and RR analysis revealed that microcystin was removed below the detection limit in all experimental groups, indicating that photocatalytic degradation using TiEPS balls degraded toxic substances eluted from the cell membrane disruption.
Conclusions : TiEPS balls can inhibit the algal growth through the photocatalytic degradation in the early stages of application and synergistic effects from photocatalytic degradation and shading over the long term. Thus, TiEPS balls can be applied to prevent harmful algal blooms in rivers/lakes.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론
• 2. 재료 및 방법
• 3. 결과 및 고찰
• 4. 결론
• References