중공유리구에 고정화된 광촉매를 이용한 Microcystis spp.의 증식억제

강민수·정익상·이동근·김성우*

경상대학교 대학원 환경보전학과, 경상대학교 환경보전연구소

*삼협자원개발(주)

Growth Inhibition of Microcystis spp. with Immobilized TiO2 on Hollow Glass Beads

Min-Su Kang·Ik-Sang Chung·Dong-Keun Lee·Sung-Woo Kim*

Department of Environmental Protection, Research Institute of Environmental Protection, Gyeongsang National Univ., *Samhyup Resource Development Co.

서론

Anatase 결정구조의 TiO2는 3.2eV의 bandgap에너지를 갖는 반도체로서 파장 385□이하의 빛을 받으면 여기되어지고 TiO2 표면에서 전자-정공이 생성된다. 전자-전공은 반응성이 매우 강한 활성산소종을 생성시킨다. 이 활성산소종은 촉매 표면에 흡착된 유기화합물질들을 산화분해 시킨다. 수중에 함유된 유기오염물질의 분해하기 위해 광촉매를 적용시키는 연구는 여러 분야에서 진행되어지고 있다.

산업화와 인구증가에 따라 수자원의 수요는 증대되고 있으나 수자원의 개발은 자연환경보호라는 장벽 때문에 한계상황에 이르고 있으며 확보된 수자원도 오염으로 인해 수질이 악화되어 이용가치가 하락되고 있다. 수자원의 개발이 어려우므로 기존에 확보되어 있는 수자원의 보호 및 수질관리가 주요 관심사로 부각되고 있다. 조류(藻類)는 최근 수자원 오염의 주요 원인으로 부영양화 호소에서 대량 증식하여 용존산소의 고갈, 이.취미 발생, 독성 물질 유출 등의 심각한 피해를 낳고 있다.

지금까지 조류의 제어에는 살조제로 황산동(CuSO4)을 이용한 방법이 많이 사용되어 왔으나, 조류가 대량 번식하기 전에 투여해야 효과가 있고, 황산동을 투여한 호소의 경우 구리이온이 저질토에서 용출되어 수중 오염을 가중시킨다는 보고가 있어 현재 황산동의 사용에 대해서는 많은 논란의 여지를 남기고 있다.

조류로 인한 피해로부터 수자원을 보호하기 위한 방안으로는 오염물질과 영양염의 유입 을 근본적으로 차단하는 것이 기본적인 방법이나 이러한 대책을 수립하고 시행하는데는 많은 시간과 경비를 필요로 하므로 처리 효율이 높고 경제적 타당성이 우수한 조류 증식억제시스템 개발의 필요성이 부각되고 있다.

광촉매 시스템을 이용한 미생물 등의 살균, 분해에 관한 연구가 활발해진 것은 최근의 일이며, 분말 TiO2에 자외선을 조사 하여(380nm 이하) E. coli의 살균에 관한 결과들이 보고되어졌다.

본 연구는 중공볼에 TiO2를 고정화하여 광촉매 박막을 제조하고, 고정화된 광촉매가 태양광의 근자외선을 조사할 때 조류의 세포에 미치는 특성을 조사하였다. 또한 배양기내에서 남조류인 Microcystis spp.를 배양하면서 TiO2가 고정화된 중공유리구를 부유시켜 조류의 증식에 미치는 광촉매의 영향을 고찰하였다.

실험

1.  TiO2박막의 제조

수면에 부유시할 수 있도록 고안된 중공유리구(직경 30□)의 사진을 Fig. 1에 도시하였다. 중공유리구의 재질은 pyrex glass를 이용하였다. TiO2 광촉매는 dip-coating법을 이용하여 유리구의 표면에 고정화하였다.

0.1 M titanium tetraisopropoxide [Ti(OCH(CH3)2)4] 와 HCl 2N 5.4□를 ethanol 200ml에 첨가하여 Sol을 제조하였다. 중공유리구는 Aceton용액에서 초음파세척하고 Sol에 diping 한 후 2□/min의 속도로 끌어올려 상온에서 15분간 건조하였다. 건조한 중공유리구는 전기로를 이용하여 673K에서 2시간동안 소성 하였다.

2. TiO2 박막의 분석

SEM(Phillips (XL30), 20KV)과 EDX를 이용하여 TiO2박막을 분석하였으며, XRD (Siemens D5000)를 이용하여 고정화된 TiO2 박막의 결정구조를 분석하였다.

3. 조류의 분석

조류의 분석은 현존량과 광합성대사 두가지를 분석하였다. 조류의 현존량 분석방법은 standard method에 준하여 Chlorophyll-a농도를 흡광광도법으로 분석하였다.

조류의 광합성 대사속도의 측정은 C14-method를 이용하였다. 반응 시간에 따라 시료를 채취하여 암병과 명병에 시료를 각각 250□씩 분취 하였다. 이 시료에 1ml NaH14CO3를 가하고, 2000lux, 25□조건의 배양기(HB-301S, 한백과학) 내에서 2시간 배양한 후 membrane 필터(0.45□)로 여과하였다. 여지는 곧바로 vial로 옮겨 담고, 여기에 Ethyl Acetate 1ml를 가해 여지를 용해한 후, 액체 scintillation 시약 10ml를 첨가하였다. 이처럼 전처리된 시료는 액체 scintillation counter(LS 6500, Beckman)를 통해 방사능을 측정하였다.

4. 조류의 분해 및 증식억제실험

본 실험에서 사용한 조류는 Microcystis aeruginosa(NIER-10010, 삽교호 수화시료)로서 국립환경연구원으로부터 분양받아 온도 25□, 조도2000Lux, 명암주기 14hrs light/10hrs dark에서 CB배지로 배양하였다. 배양은 시험관이나 삼각플라스크에서 실시하였다. 배양용기는 고압멸균기(autoclave)를 사용하여 멸균하였으며, Clean bench에서 접종(seeding)한 후에도 계속되는 외부의 오염으로부터 차단시켰다.

조류에 대한 광촉매의 증식억제성능을 검토하기 위하여 CB배지에 조류를 접종한 후 TiO2가 고정화된 중공유리구를 띄우고 광을 조사하였다(Fig.2). 광원은 black light lamp와 metal halide lamp(150W, sammyung Co., LTD)를 사용하였다. 광량은 Optronic Laboratories사의 OL 730C Radio/Photometer를 사용하여 측정하였다. 실험초기 조류의 량은 Chlorophyll-a농도로 150□/□로 조절한후 TiO2가 고정화된 중공유리구를 부유시켰다.

결과 및 고찰

1 TiO2 박막의 특성

종공유리구에 고정화된 TiO2박막을 SEM으로 분석한 결과 박막의 표면에 균열을 발견할수 있었다. 이러한 균열은 건조과정 중 변형과 수축에 의해 발생될 수 있으며, 또한 지지체와 박막의 열팽창계수가 다르기 때문에 소성과정 중에 발생되는 것으로 판단된다. 박막의 EDX분석으로 티타늄이 주요 구성물 중 하나임을 확인할 수 있었다. SEM을 이용하여 TiO2박막을 더 상세히 관찰한결과 TiO2박막의 표면이 다공성의 표면을 가지고 있음을 알 수 있었다. 중공유리구에 TiO2를 3회 코팅한 후 절단하여 단면을 SEM촬영한 결과 코팅박막의 두께는 약 0.3□인 것으로 나타났으며 X선 회절분석(XRD) 결과 대부분 anatase형태의 결정구조를 가진 박막이 형성되어있음을 알 수 있었다.

2. 조류의 증식억제

단기적인 관찰을 통하여 광촉매가 남조류인 Microcystis aeruginosa에 미치는 영향을 조사한 후 배양실험을 통하여 조류의 증식에 미치는 영향을 조사하였다. 증식억제 실험은 배양조건과 동일한 2000Lux, 25□, 14hrs light/10hrs dark의 조건에서 실시하였다. 또한 광촉매 반응을 일으키기 위해서 조도 2000Lux 가운데 태양광의 자외선과 유사하도록 UV-A를 5% 로 조절하였다. 수면위에 3cm크기의 중공유리구와 TiO2로 3회 코팅한 중공유리구를 각각 17개 씩(1EA/10□) 투여하였다.

Figure 3와 4은 증식실험 중 1∼2일 간격으로 시료를 채취하여 Chlorophyll-a와 C14-method 방법으로 조류를 분석한 결과이다.

Chlorophyll-a로 분석한 경우 2일부터 6일 사이에 대수증식이 활발히 일어났다. 반면, C14-method로 분석하였을 경우 5일째 최대 증식함을 관찰할 수 있었고, 6일째부터는 급격하게 광합성 활성능력이 떨어지는 것을 관찰할 수 있다. Chlorophyll-a(7day)로 분석한 경우는 32.6%, C14-method(6day) 측정방법으로는 54.7%의 생장억제를 보였다.

Chlorophyll-a와 C14-method를 통한 분석결과가 상이한 차이를 보이는 것은 조류세포가 분해되어 조류의 광합성 능력이 저해되거나 완전히 상실하여 사멸한 이후에도 Chlorophyll-a가 완전히 없어지는 것이 아니라 얼마간 시간이 흐른 후 서서히 없어지므로 이미 죽은 조류라 할지라도 Chlorophyll-a의 측정이 가능하기 때문이다. 반면 14C-assimilation의 경우 살아있는 조류만이 14C를 섭취하기 때문에 Chlorophyll-a측정치보다는 높은 증식억제 수치가 나온것으로 판단된다.

결론

TiO2 광촉매는 sol-gel method를 이용하여 중공유리구에 고정화하였으며 자외선과 TiO2 광촉매가 고정화된 중공유리구를 이용하여 조류의 증식억제을 수행하였다. TiO2는 유리구의 표면위에 고정화된 박막을 형성하였고 두께는 평균 0.3□로 측정되었다. 고정화된 TiO2 박막의 결정구조는 Anatase형이었으며, 표면은 다공성구조를 가지고 있었다. Microcystis aeruginosa를 이용하여 연속적인 배양을 통한 증식억제 실험에서 Chlorophyll-a로 분석한 경우는 대조군에 비해 32.6%, 14C-assimilation(6day) 측정방법으로는 54.7%의 생장억제를 보였다.

참고문헌

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