1.서 론

국내 하수처리장 대부분은 유기물 및 영양염류 제거에 목적을 둔 활성슬러지 공법으로 운전되고 있다. 활성슬 러지 공법은 박테리아에 의한 유기물 제거 효율이 약 90%로 높은 장점을 갖지만, 질소 및 인의 제거효율은 약 30%로 낮은 단점이 있다. 이와 같은 효율을 가진 공법 에 의해 처리된 처리수가 하천 및 호소로 방류되면 부영 양화 현상이 나타날 수 있고, 이로 인한 생태계 및 상수원 오염으로 정수처리 비용을 증가시킬 수 있다. 따라서 현재의 공법 보다 질소, 인 제거효율을 높일 수 있는 새로운 기술개발이 필요한 실정이다.

미세조류는 광합성을 이용하여 성장하는 단세포 생 물로써 가시광선 영역의 빛에너지를 ATP, NADPH₂와 같은 화학 에너지로 전환시키면서 생성된 에너지를 이용하여 성장한다. 또한, 성장을 위한 영양소로 질소 와 인을 필요로 하기 때문에 하폐수 내에 포함된 다 양한 영양염류의 효율적인 제거가 가능할 것으로 기 대된다. 이에 현재 미세조류를 적용한 하폐수처리에 대한 기초연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다 (Abinandan and Shanthakumar, 2015; Cai et al., 2013; Shen et al., 2015).

미세조류를 적용한 하폐수처리는 미세조류의 성장 및 대사과정을 통해 유기물 뿐만 아니라 활성슬러지 공법에서 낮은 효율로 제거되었던 질소와 인을 제거 할 수 있다. 또한, 미세조류는 세포 내에 박테리아에 비해 풍부한 지질, 단백질, 탄수화물 등을 함유하고 있기 때문에 잉여 미세조류를 이용하여 바이오 연료 등으로의 자원화가 가능하다(Chen et al., 2011; Milledge, 2011).

미세조류의 광합성은 빛에 의해 수행되는 광반응과 빛 에너지와는 상관없이 수행되는 광독립 반응에 의 해 완성된다. 광반응은 빛 에너지를 이용하여 ATP와 NADPH₂를 생성하며, 광독립 반응은 광반응에서 생성 된 ATP와 NADPH₂를 이용하여 CO₂를 환원시켜 탄수화 물을 생성한다. 탄소를 고정하는 광독립 반응은 광반응 의 대사산물인 NADPH₂와 ATP가 있어야만 진행되므로 미세조류 성장에 있어 빛은 필수적인 요소이다.

미세조류는 성장에 필요한 빛 에너지를 획득하기 위해 색소를 함유하고 있으며, 각 색소는 특정 파장만 을 흡수할 수 있다. 녹조류의 경우 광합성 색소로 chlorophyll-a, chlorophyll-b, carotenoid를 가지며, 주로 Blue(450~475nm) 또는 Red(630~675nm) 파장의 빛을 흡수한다. Blue와 Red 파장을 선택적으로 혼합하여 조 사할 경우, 성장량이 증가하며(Korbee et al., 2005), Blue 파장은 효소의 활성을 증대시키고(Ruyters, 1984), 손상된 세포를 조속히 회복시키는 역할도 한다고 보 고되고 있다(Shu et al., 2012).

또한, 미세조류는 세포 내의 chlorophyll-a 함량을 조 절하여 광조건 변화에 적응한다. 광합성에 필요한 빛 에너지가 과도한 경우에는 세포 내 chlorophyll-a 함량을 감소시켜 빛 에너지 획득효율을 감소시키지만, 부족한 경우에는 세포 내의 chlorophyll-a 함량을 증가시켜 빛 에너지 획득효율을 증가시킨다(Chen et al., 2011).

광 조사 조건 중 하나인 광 조사 간격은 light 구간과 dark 구간이 반복되는 단위시간을 나타내며, 광 조사 간격 에 따른 광합성 효율은 미세조류 종 마다 다르게 나타난다 (Chisti, 2007). 또한, 광 조건 변화에 따른 적응시간은 최소 10~40분이며, 이에 대응하기 위한 기작인 chlorophyll-a의 합성은 2시간 이후부터 나타난다(Pulz, 2001).

한편, 미세조류는 다양한 방법의 무성생식과 유성 생식을 통해 번식한다. 유성생식은 개체군의 유전적 변이성을 증대시켜 진화에 의하여 환경변화에 반응하 는 능력을 촉진시킨다. 이와는 달리 무성생식은 생장 에 적합한 조건에서 배우자를 만들고 짝을 찾을 필요 없이 스스로 복제하여 번식하므로 개체군 생장이 신 속하게 일어난다(Graham et al., 2009).

Chlorella vulgaris는 직경 2~10 μm의 구형으로, 담 수에 서식하는 녹조류로 성장이 빠르다고 알려져 있 다. 또한, 폐수 중의 질소와 인을 효과적으로 섭취하 며 지질함량이 30~40%(dry base)에 달하기 때문에 하 폐수처리와 바이오 연료생산에 관한 연구가 관련하여 다양하게 진행되었다.

이에 본 연구에서는 하폐수처리에 적용 가능성이 높 을 것으로 기대되는 C. vulgaris를 이용하여, 여러 가지 조건의 광 조사 간격에 따른 C. vulgaris의 성장과 질소 및 인 대사상의 특성에 대한 연구를 진행하였다.

2.연구 방법

2.1.사용균주 및 배지

본 연구에 사용한 미세조류는 KCTC(Korean collection for type culture)에서 분양받은 C. vulgaris를 사용하였 으며, 이 종주의 배양을 위해 사용한 배지는 BG11으로 구체적인 조성은 Table 1과 같다. 제조된 BG11 배지와 250 mL cell culture flask를 이용하여 온도 25±1˚C, 광도 100 PPFD(Photosynthetic Photon Flux Density)인 항온 광배양기(Multi-thermo chamber, HB-305M)에서 계대배 양을 실시하였다.

본 실험에 앞서 volume 2.5 L인 원통형 반응기에 2 L의 working volume으로 C. vulgaris를 배양하였다. pH 는 pH controller를 이용하여 황산 및 수산화나트륨 용액 을 자동주입하여 8±0.5로 유지시켰다. 광원은 태양광과 같은 혼합파장을 갖는 White LED를 사용하였고, 광 조 사 주기는 24:0(Light:Dark), 광량은 100 PPFD로 설정하 여 일 주일 간 배양 후 본 실험에서 사용하였다.

2.2.실험 방법

광 조사 간격에 따른 미세조류의 성장을 평가하기 위해 Light:Dark(L:D) 비율을 12:12(hr), 4:4(hr), 1:1(hr), 1:1(min)로 설정하여 조사해 주었다. 본 실험 역시 working volume 2 L로 하여 batch test로 진행하였다. 광원은 flexible LED를 사용하여 반응기를 감싸는 방 식으로 설치하여 광이 조사되도록 해 주었고, 광도는 200 PPFD가 되도록 출력을 조절해 주었다. 광 파장은 Blue와 Red를 1:1 비율로 혼합하여 조사해 주었으며, pH는 8.0±0.5, 온도는 25±3˚C가 되도록 유지시켰다. (Fig. 1 참조) 초기 C. vulgaris 식종 농도는 0.3 OD(Optical Density) 이었으며, 광합성에 필요한 무기 탄소원은 NaHCO₃를 이용하여 1 g-C/L가 되도록 조제하여 운전 초기에 주입해 주었다.

2.3.C. vulgaris 성장 및 영양염류 소비

C. vulgaris 성장량 파악을 위해 OD를 측정하였다. OD 측정은 UV spectrophotometer(Optizen POP, Mecasys)를 사 용하여 660 nm 파장에서 측정했다. 질소 및 인은 수질자 동분석기인 AA3(Auto Analtzer, BLTECH Co., KOREA) 를 이용하여 시료내의 NO₃-N 및 PO₄-P를 분석하였다.

3.결과 및 고찰

3.1.광 조사 간격에 따른 C. vulgaris 성장량

광 조사 간격이 C. vulgaris의 성장량에 미치는 영향 을 평가하기 위해, 광 조사 간격을 12 hr, 4 hr, 1 hr, 1 min 단위로 설정하여 얻어진 성장량 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 광 조사 간격에 따른 미세조류 성장량은 모든 조건에서 유사하게 나타났으며, 광 조사 간격들 에 대한 별다른 경향성도 나타나지 않았다. 따라서, C. vulgaris 성장량은 본 연구의 대상범위에 대해, 광 조 사 간격에 따른 영향이 없는 것으로 판단된다.

Choi (2015)의 연구에 의하면, 무성생식으로만 번식하 는 종과 유성생식 및 무성생식으로 번식하는 종을 대상으 로 실험한 결과, 무성생식으로만 번식하는 종은 광 조사 간격에 따른 성장량 차이를 나타내지 않은 반면, 유성생 식 및 무성생식으로 번식하는 종에서는 광 조사 간격에 따른 성장량 차이가 나타났다고 보고되었다. 이와 같은 결과로 미루어 보아, 본 연구에서 사용한 C. vulgaris는 무성생식만 하는 종이므로 광 조사 간격에 대한 영향을 거의 받지 않은 것으로 판단된다. (Jason B.K., 2014)

또한, Liu et al.,(2014)의 연구에서 무성생식으로만 번식하는 종인 Chlorella sp와 유성생식 및 무성생식으 로 번식하는 Scenedesmus obliquus 종을 혼합하여 실 험한 결과, 광 조사 간격이 짧아질수록 미세조류 성장 량이 감소하였다고 보고되고 있다. 이러한 결과는 무 성생식으로만 번식하는 종과 유성 및 무성생식으로 번식하는 종이 혼합되어 있기 때문에 유성생식에 의 한 미세조류의 성장량이 광 조사 간격이 짧아질수록 감소했기 때문으로 사료된다.

3.2.광 조사 간격에 따른 C. vulgaris의 영양염류 소비

광 조사 간격을 12 hr, 4 hr, 1 hr, 1 min 단위로 설정 하여 C. vulgaris를 배양하는 과정에서 얻어진 영양염 류 소비 결과를 Fig. 3 및 Fig. 4에 나타내었다.

광 조사 간격에 따른 배지 내 NO₃-N 및 PO₄-P 소비 는 성장량 결과와 마찬가지로 모든 조건에서 유의한 차 이가 나타나지 않았다. 일반적으로 미세조류는 광 조사 조건 기간에서 광 의존성 반응에 의해 생성된 ATP와 NADPH₂만으로 생체합성이 일어나며(Richmond, 2004), 이때 질소와 인이 소비되는 것으로 알려져 있는데, 본 연구에서는 모든 조건에서 광 조사 기간이 동일하 여 생성된 ATP와 NADPH₂의 양이 동일했을 것으로 추측되며, 이에 따라 각 조건에서 생체합성에 이용된 질소와 인의 양에 있어 유의한 차이가 없이 소비된 것으로 판단된다.

3.3.광 조사 간격에 따른 C. vulgaris의 chlorophyll-a 농도 및 함량

광 조사 간격에 따른 C. vulgaris의 chlorophyll-a 농 도 및 함량을 측정하고 분석한 결과를 Fig. 5에 나타 내었다.

Chlorophyll-a의 농도와 함량 모두 모든 조건에서 유의한 차이가 나타나지 않았으며, chlorophyll-a 농도 는 성장량 결과와 유사한 경향으로 나타났다. 미세조 류는 chlorophyll-a 함량을 조절하여 광도 변화에 적응 하지만(Chen et al., 2011), 본 연구에서는 광도를 200 PPFD로 고정하여 실험하였기 때문에 chlorophyll-a 함 량에 유의한 차이가 있지 않았을 것으로 판단된다. 또 한, 세포 내에 함유하고 있는 chlorophyll-a 함량이 모 든 조건에서 유사하기 때문에 chlorophyll-a 농도가 미 세조류 성장량 경향과 유사하게 나타난 것으로 판단 된다.

4.결 론

본 연구에서는 광 조사 간격이 미세조류의 대사에 미 치는 영향을 알아보기 위하여, C. vulgaris를 이용하여 광 조사 간격을 12 hr, 4 hr, 1 hr, 1 min 로 설정한 후 배양과정에서의 성장량 및 질소, 인 제거능을 평가하였다.

실험결과, 성장량 및 질소, 인 대사에 있어서 광 조 사 간격에 따른 유의한 차이가 나타나지 않았는데, 이 는 본 연구에서 사용한 C. vulgaris는 무성생식으로만 번식하기 때문에 광 조사 간격에 영향을 받지 않은 것으로 사료된다.

따라서, C. vulgaris를 적용한 하폐수처리에 있어서 광 조사 간격은 종의 성장 및 질소와 인의 제거에 미 치는 영향이 거의 없을 것으로 판단된다. 또한, 유성 생식을 하는 미세조류를 적용하여 하폐수처리 시스템 을 운영한다면, 광 조사 간격을 길게 설정하여 운전할 경우, 높은 성장량 및 질소, 인 제거효율을 기대할 수 있을 것으로 사료되는 바, 향후 이 부분에 대한 연구 가 요망된다.