1. 우리나라의 녹조
 

지난해 경제협력 개발기구(OECD)가 발표한 ‘2050 환경전망’ 보고서에 따르면, 한국은 OECD 회원국 34개국 중 ‘물 스트레스’가 가장 높은 국가라고 보고했다. 

그 중, 하천 및 호소 내 부영양화(eutrophication)는 생활하수를 포함한 각종 산업 하·폐수와 같은 점오염원이나 강우와 같은 미처리된 불특정 비점오염원 등의 지속적인 유입으로 인한 수계 내 영양물질 축적에 의한 조류 대발생이 유발되는 현상으로, 21세기 전 세계적으로 가장 큰 환경문제중의 하나이다. 

국내에는 다양한 규모의 하천 및 호소가 있으며, 대부분의 수계가 심각한 부영양화 상태에 있다. 이로 인해 최근에는 하천이나 저수지내에서 미세조류의 대량 증식에 따른 물의 색과 냄새, 맛이 변하는 녹조현상이 빈번하게 발생해, 음용수를 포함한 수자원의 확보에 치명적인 문제점이 대두되었다. 

또한, 최근 상수원수인 북한강에서 동절기 남조류(Ana-baena spirodes) 발생과 대사산물 증가에 따라 이취미 물질인 Geosmin의 농도가 높아져 수돗물에서 악취가 발생했으며 이를 공급받은 주민이 몇 주 동안 극심한 고통을 받았다. 녹조대발생은 조류 이취미 및 독성에 의한 문제점 뿐 아니라 정수장의 침전사를 막히게 함으로써 정수과정에서 활성탄 처리에 의한 막대한 비용지출의 경제적 부담이 있다. 

2012년에는 지구온난화에 따른 장기간의 폭염으로 낙동강을 비롯한 남한강, 북한강 전체에서 녹조현상이 나타났으며, ‘녹차라떼’라는 신조어가 만들어질 정도로 녹조가 사회적으로 이슈가 됐다.
 

 

부영양 호수 및 하천에서 녹조 대발생으로 증가된 수중 내 유기오염물질을 제어하는 것은 수자원 문제해결의 가장 핵심적인 부분이며, 적용될 기술 역시 경제성이 높고 생태계 혼란이 가장 적은 친환경적인 기술이어야 한다. 따라서 악화된 하천수질의 개선과 녹조현상을 제어하기 위한 노력으로 수생태를 복원하고자 하는 기술개발이 요구되고 있다.

오늘날 부영양화된 수역의 수질을 개선하는 방법으로는 물리·화학·생물학적 방법 등 다방면에서 개발된 방법들이 알려져 있다(Ryding and Rast, 1989). 

그러나 기존의 녹조제어기술 중 물리, 화학적 방법(황토, 황산구리, 클로린 등의 화학물질을 수계에 직접 살포하는 방법이나 심층폭기, 강제순환, UV, 초음파 등)은 그 효과는 인정되지만 비용이 많이 소요되고 일시적이며 타생물에 대한 독성을 보이거나 화학물질에 의한 2차적 환경오염 등을 유발했다. 

생물먹이망을 이용한 Top-down control 및 Bottom-up control과 같은 생물학적 방법은 유해조류를 분해하거나 섭식하여 효과적으로 제어가 가능하나, 살조세균의 일부는 병원성 세균이며, 적용 수계의 규모와 환경적 특징에 따라 적용이 어려운 경우와 경제성 향상을 위한 기술개발이 요구됐다.

본 연구진은 현장적용의 어려움과 경제성의 문제점을 보완하기 위해 구조를 기반으로 구조의 골격 변화를 통하여 다양한 조류에 선택적으로 제어가 가능한 효과적인 녹조제어제를 개발했다. 

MEDI-TIDE를 이용한 녹조제어 기술은 유해조류의 광합성체계(photosynthetic system)의 Q-site에 작용하여 광합성을 선택적으로 저해하는 작용으로, 유해조류의 광합성 단계에서 광계 II의 반응중심 엽록소(P680)로부터 페오피틴이 두 개의 전자를 받고, 이후에 두 플라스토퀴논 복합체(QA, QB)가 전자전달계를 따라 이동하는 과정에서 MEDI-TIDE(미생물이 분비하거나, 식물체내에 존재하는 생물유래물질 퀴논을 모방한 naphthoquinone 유도체합성물질)가 광합성 과정 중의 퀴논의 흡수저해를 통하여 광합성 기작을 교란함으로써 미세조류의 사멸을 유도한다. 

기존의 비선택적인 녹조제어제와는 다른 선택적 제어가 가능하다는 차별성을 가지며, 유도체합성물질 기반으로  기존의 살포형 녹조제어제와 달리 0.2∼0.5μM의 낮은 농도에서 90% 이상의 높은 살조효과를 나타내는 기술이다.

 

 

 

 

3-1. 녹조제어 효과 

본 연구진이 개발한 녹조제어제 MEDI-TIDE은 실험실 수준에서 0.2~0.5μM에서도 유해 남조류를 90% 이상 제어 가능하며, Microcosm, Mesocosm, 100톤, 5천톤 Test-bed 적용 등을 통해 2년 동안 다양한 조건의 현장 적용 결과 유해 남조류를 80% 이상 제어가 가능하며 재현성이 높은 생태친화적 기술임을 증명했다.
 
더불어, 유해조류의 급감으로 인해 발생하는 유용조류 종의 일시적 성장을 동물플랑크톤의 생장도모를 통해 2차적 제어가 가능한 친환경적인 기술이다.

이런 녹조제어 기작은 녹조제어 효과를 장기간 지속될 수 있도록 유도하게 되며, 생태계 2차적 오염을 최소화하는 기술이라고 판단된다. 

3-2. 생태 독성 

생태독성 평가는 화학물질을 수생태계에 방출함에 있어서 화학물질 간 상호작용 및 먹이 연쇄에 따른 생물 축적의 잠재적 위험성 등을 파악하기 위해 필수적인 실험이다. 

본 MEDI-TIDE를 이용한 녹조제어 기법의 현장 적용을 위하여 OECD(Organization for Economic Cooperation and Development), U.S. EPA(U.S. Environmental Protection Agency)의 신뢰성 있는 표준 시험법에서 권장하는 생태독성 지표종인 미세조류(Selenastrum capricornutum), 동물플랑크톤(Daphnia magna), 어류(Danio rerio)를 이용한 급성 독성 평가를 진행한 결과, 녹조제어를 위한 최적 농도 0.2~0.5μM에서 실험에 사용된 모든 생물에서 급성독성은 없는 것으로 관찰됐다.

3-3. 종 다양성 보존 효과 

부영양화에 의한 녹조현상은 특정 미세조류의 대량증식에 의한 우점으로 수계 내 생물다양성이 감소하게 되는데, 기존의 녹조제어제로 사용되었던 황산동, 황토 및 제초제(Atrazube) 등을 이용한 방법은 2차적 오염과 수환경 내에 존재하는 대부분의 생물을 무차별적으로 제어하기 때문에 생물 다양성 감소를 유발하고 이로 인해 심각한 생태계 교란이 발생된다고 보고된바 있다. 

본 기술은 MEDI-TIDE에 의해서 선택적으로 유해 남조류만 완벽하게 제어된 수생태계는 유용 미세조류의 증진을 촉진시켜 수계내 다양한 미세조류를 존재하게 하는 결과를 나타내었다. 이는 수계내 종 다양성을 보존 및 증진시켜 건강한 수생태계를 만드는 결과라고 생각된다.

 

 

개발된 녹조제어 기술은 원천 기술로서 다양한 녹조제어 파생기술의 개발 및 확산이 가능하며, 친환경적인 방오제 개발의 기술로서 활용이 가능할 것이다.

또한, MEDI-TIDE를 이용한 녹조제어 기술은 폐쇄성 혹은 반 폐쇄성 오염수역(댐 및 저수지)의 환경 친화적인 수생태복원 및  수질정화기술로서 활용될 수 있다. 

또한 다양한 소규모의 수 환경복원(골프장, 위락시설, 양어장)의 생태복원 및 관리에 유용하게 활용될 것이다. 그밖에도 습지 및 유수성의 하천생태 복원 등에 활용할 수 있으며 기술의 진보 수준에 따라 연안 및 해양의 적조피해 예방 및 제어기술에도 활용될 수 있다.