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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.50 No.4 pp.363-373
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2017.50.4.363

Geosmin Production Potential of a Cyanobacterium, Anabaena circinalis Isolated from Lake Paldang, Korea.

Hye-Jin Park, Myung-Hwan Park*, Yeon-Bo Sim1, Jong-Kwon Im1, Soon-Jin Hwang*
Department of Environmental Health Science, Konkuk University, 120, Neungdong-ro, Gwangjin-gu, Seoul 05029, Republic of Korea
1Han River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research, Yangpyeong 12585, Republic of Korea
Corresponding author : +82-2-450-3748, +82-2-456-5062, sjhwang@konkuk.ac.kr+82-2-452-3749, +82-2-456-5062, parkmh96@konkuk.ac.kr
20171016 20171214 20171214

Abstract

This study was conducted to evaluate the characteristics of geosmin production of Anabaena circinalis under different environmental condition. The test cyanobacterium was isolated from Lake Paldang. The growth rate and geosmin production of A. circinalis were examined with different variables including temperature (10, 15, 20, 25°C), light intensity (60, 120, 240 μmol photons m-2 s-1), and phosphorus concentration (0.01, 0.05, 0.25, 0.50, 1.00 mg L-1). The highest growth rate and chlorophyll-a (Chl-a) concentration appeared at 25°C, 60 μmol photons m-2 s-1 and 1.00 mgP L-1 for temperature, light intensity, and P concentration, respectively. Total geosmin production was highest at the optimal growth condition of each variable, while chlorophyll-specific geosmin production (the ratio of geosmin to Chl-a) was higher at the less favorable growth condition, indicating high potential of the off-flavor problem during low temperature period, e.g., late fall and early winter. Our results demonstrated that geosmin production of A. circinalis was directly related to chlorophyll synthesis and varied with cellular growth condition.


팔당호에서 분리한 남조 Anabaena circinalis의 지오스민 생산 잠재성

박 혜진, 박 명환*, 심 연보1, 임 종권1, 황 순진*
건국대학교 환경보건과학과
1국립환경과학원 한강물환경연구소

초록


    서 론

    세계적으로 다양한 담수생태계에서 남조류의 대발생이 지속적으로 보고되고 있으며 (Huisman et al., 2005; Paerl and Fulton, 2006), 이는 대부분의 나라에서 물관리의 중요한 문제로 자리잡고 있다. 조류의 성장은 여러 환경요인이 복합적으로 관련되어 있다 (Hutchinson, 1957; Carpenter and Kitchell, 1993; Sterner and Grover, 1998; Brian et al., 2003). 특히 남조류는 높은 수온과 광조건을 선호하며 (Sommer et al., 1986; Tryfon and Moustaka-Gouni, 1997), 종에 따라 질소를 고정하거나 부력을 조절하기 때문에 (Brookes et al., 1999; Herrero et al., 2001; Huisman et al., 2005; Paerl and Fulton, 2006; Chu et al., 2007) 환경 변화에 적응력이 높아 대발생할 가능성이 높다 (Huisman et al., 2005; Paerl and Fulton, 2006). 남조류의 대발생은 수중의 탁도를 증가시키고 분해시 용존산소를 소비하여 다른 생 물과 수생태계에 부정적인 영향을 미친다 (Scheffer, 1998). 인간에게까지 심미적, 보건적인 악영향을 줄 수 있는데, 이 들에 의해 발생되는 지오스민 (geosmin), 2-MIB 등 이취 미 물질은 특히 상수원에서 음용수의 관리와 이용에 많은 어려움을 준다 (Slater and Blok, 1983; Hosaka et al., 1995; Young et al., 1999; Baker et al., 2001; Vilalta et al., 2004). 또한 microcystin, anatoxin 등 다양한 독소를 생산함으로 써 공중 보건상 위험성을 내재하고 있다 (Scheffer, 1998; Paerl and Huisman, 2009).

    지오스민은 Gerber and Lechevalier (1965)에 의하여 방 선균 (actinomycetes)에서 처음으로 분리되었다. Safferman et al. (1967)은 남조류 Anabaena sp.에서 지오스민을 발 견하였고, 또한 Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria, Microcystis 등 약 50여 종 이상의 남조류에서 이취미 물질 이 생산된다고 알려져 있다 (Gerber and Lechevalier, 1965; Safferman et al., 1967; Henley, 1970; Paerl and Millie, 1996; Watson, 2003). 지오스민은 독성은 없으나 냄새로 인한 심미적 불쾌감을 야기하여 국내에서는 먹는물 수질 감시항목으로 지정하여 20 ng L-1 이하로 관리하고 있다 (MOE, 2011).

    2011년 11~12월에 북한강 수계에서 남조류 Anabaena circinalis가 대발생 하였고 이로 인해 팔당호에서 지오스 민 농도가 최고 1,640 ng L-1까지 검출되었으며, 수도권 주 민들의 식수이용에 큰 불편을 야기한 바 있다 (You et al., 2013). 2000년대까지 북한강 수계에서 주로 출현한 남조 류 중 상대적으로 높은 밀도를 보인 우점종은 AnabaenaMicrocystis였으나, 최근에는 Microcystis보다 Anabaena (특 히 Anabaena circinalis)가 더욱 우점하며 출현하는 경향을 나타내었다 (HRWMC, 2015). 향후에도 북한강 수계에서 2011년과 같은 Anabaena의 대발생에 따라 수체 내 지오 스민 농도가 크게 증가할 가능성이 있기 때문에 Anabaena 의 성장 및 지오스민 생산과 관련된 기초 정보의 필요성이 크게 요구된다. 2011년 팔당 상수원에서 지오스민으로 인 한 문제 이후에 Anabaena를 대상으로 최근 여러 연구가 이루어졌다. 그러나 선행 연구에서 보고된 자료는 분류적 특성 (Li et al., 2013; Kim et al., 2014), 휴면포자 발아 특성 및 조류성장잠재력 (Park et al., 2014, 2015), 현장의 환경생 태적 특성과 관련한 내용 (Park and Jheong, 2003; Kim et al., 2009; You et al., 2013; Byun et al., 2014, 2015)이 대부 분이었고, 아직까지 국내에서는 A. circinalis의 성장에 따 른 geosmin 생산 특성에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 본 연구는 북한강 및 한강 수계에서 지오스민 원인종으로 주목 받은 A. circinalis를 현장에서 분리하여 여러 가지 다 른 환경조건 (온도, 광도, 영양염) 에서의 성장과 지오스민 생산 특성을 조사하였다.

    재료 및 방 법

    1.실험대상 조류

    남조 Anabaena circinalis는 팔당호에서 2012년 8월 에 채집하여, Guillard (1973)의 방법에 따라 분리한 후 배 양하였다. 채집한 조류 시료는 도립현미경 (Axiovert A1, ZEISS, Germany)의 200배 배율 하에서 micropipette으로 조류세포 사슬을 분리하여 hole slide에 옮기고 이를 다시 증류수로 3~4회 세척하였다. 세척된 최종 사슬은 CB 배지 (Watanabe and Kasai, 1985)가 담긴 96 well plate에 접종 하였으며, 그 후 세포가 성장하면 24 well plate → 12 well plate → 50 mL 시험관의 순서로 단계적으로 옮겨서 접종 하여 배양하였고, 마지막에는 250 mL 삼각플라스크에 옮 겨 배양하였다. 최종적으로 분리된 균주를 CB 배지에 접 종한 후 온도 25℃, 광도 60 μmol photons m-2 s-1 (light : dark=14 : 10)에서 배양 및 유지하였다.

    2.환경 조건별 배양 실험

    온도와 광도 구배별 실험은 CB 배지를 사용하였고, 초기 접종 세포밀도는 약 105 cells mL-1로 하였다. 온도 구배별 실험은 배양기 (VS-1203P4S, Vision Scientific Co., Korea) 내의 온도를 10, 15, 20, 25℃로 조절하고, 광도는 60 μmol photons m-2 s-1 (light : dark=14 : 10)로 유지하였다. 광도 구배별 실험은 배양기 내의 온도를 25℃로 유지하고 광도 는 60, 120, 240 μmol photons m-2 s-1 (light : dark=14 : 10) 로 조절하였다. 각 배양 조건에서 고정한 온도 (25℃)와 광 도 (60 μmol photons m-2 s-1) 및 광주기 (light : dark=14 : 10)는 선행연구 (HRWMC, 2012)에서 파악한 가장 적합한 성장조건으로 결정되었다.

    영양염 구배별 실험은 과거 20년간 팔당호의 영양염 (총 용존질소, 총용존인) 평균 농도 (DTN: 1.73 mg L-1; DTP: 0.01 mg L-1)를 바탕으로 질소 농도를 2.00 mgN L-1로 고 정한 후 인 농도는 0.01 mgP L-1를 기준으로 하여 5, 25, 50, 100배 (0.05, 0.25, 0.50, 1.00 mgP L-1)로 조절하여 이 용하였다. 조류는 질소와 인 성분이 없는 배지에서 3~5일 간 배양하여 세포 내 질소와 인을 소모시킨 후 약 105 cells mL-1의 밀도로 접종하였다. 조류는 온도 25℃, 광도 60 μmol photons m-2 s-1 (light : dark=14 : 10)에서 배양하였으 며 하루에 수 차례 손으로 흔들어 혼합하였다. 모든 실험 은 A. circinalis 성장이 정체기 (stationary phase)에 도달할 때까지 약 2주 동안 진행되었다.

    3.조류 성장률 측정

    성장률 측정을 위하여 매일 배양용기로부터 1 mL 샘플 을 추출하여 Sedgewick-Rafter Counting Chamber에 옮긴 후 광학현미경 (Axiostarplus, ZEISS, Germany) 하에서 세 포수를 계수하였다. 계수된 세포수를 바탕으로 아래의 식 에 근거하여 배양액을 매일 샘플링 한 후 성장률 (μ)을 각 각 계산하여 평균값을 산정하였다 (APHA, 2005).

    μ ( d -1 ) =ln ( X 2 /X 1 ) ( T 2 -T 1 )

    • X1: 배양실험의 최초 세포수 (cells mL-1)

    • X2: 배양일별 각각 샘플링 한 시간의 세포수 (cells mL-1)

    • (T2 -T1): 최초 배양일 (T1)과 각각의 샘플링 (T2) 간 시간 간격 (day)

    실험 종료일에 Chlorophyll-a (Chl-a)를 분석하였다. 시 료를 GF/F 여과지 (Whatman International Ltd., England) 로 여과한 후 90% 아세톤이 담긴 시험관 넣고 24시간 동 안 4℃의 암상태에 두었다. 이후 2,000 rpm에서 20분간 원 심분리 (VS-5000I, Vision Scientific Co., Korea)하고 상등 액을 분광광도계를 이용하여 흡광도를 측정한 후 Standard method (APHA, 2005)에 따라 Chl-a 농도를 계산하였다.

    4.지오스민 정량분석

    실험 종료 후 HS-SPME (Head Space-Solid Phase Micro- Extraction)법 (MOE, 2012)에 따라 지오스민을 분석하였 다. 본 연구에서 사용한 지오스민의 분석을 위한 실험조건 은 Table 1과 같다. 분석 전 시료 전처리를 위해 화이버를 270℃에서 1시간 이상 헬륨가스를 1 mL min-1로 흘려 활 성화하고 20 mL vial에 시료 10 mL와 정제된 염화나트륨 (NaCl) 3 g을 넣어 70℃, 400 rpm으로 교반하면서 SPME 화이버에 30분간 흡착시켰다. 전처리를 통해 흡착시킨 시 료를 270℃, 4분간 탈착시켜 가스크로마토그래프/질량분 석기 (GC/MS) (450-GC, 320-MS, BRUKER)로 분석하였 다. 크로마토그램에서 각 분석성분의 정체시간에 해당하 는 위치의 봉우리들로부터 봉우리 면적을 구한 후, 절대 검정곡선법을 적용하여 지오스민 농도를 계산하였다. 절 대검정곡선은 정제수 10 mL에 표준혼합용액 (47525-U, SUPELCO)을 0.005~0.2 μg L-1까지 단계적으로 첨가하여 각 분석화합물의 농도 (μg L-1)와 각 분석화합물에 해당하 는 봉우리 면적을 통해 작성하였다.

    5.통계분석

    각 환경조건에 따른 남조류 세포의 성장의 차이를 확인 하기 위하여 세포밀도를 이용하여 일원배치분산분석 (oneway ANOVA)을 실시하였으며, 세포밀도와 지오스민 농도 간의 연관성을 파악하기 위하여 상관분석을 실시하였다 (SPSS Inc., v.18.0.0). 통계적 유의성은 유의확률 p<0.05 에서 결정하였다.

    결과 및 고 찰

    1.온도 구배별 Anabaena 성장 및 지오스민 생산

    세 가지 온도 구배에서 시간에 따른 세포 성장을 분 석한 결과, A. circinalis는 25℃에서 가장 높은 성장률 (μ=0.235±0.079 d-1)을 보였다 (Fig. 1a; Table 2). 반면, 10℃에서 가장 낮은 성장률을 보였으며 (μ=0.058±0.070 d-1), 저온 (10~15℃)과 고온 (25℃) 간에 서로 유의한 차 이가 나타났다 (p=0.000, F=15.561; Table 2). 마찬가지로, Chl-a 농도는 10℃에 비교하여 20℃에서 약 4배 높았으며 25℃에서 7배 높았다 (Fig. 1b).

    온도 증가는 A. circinalis의 높은 성장을 유도하였고, 이 에 따라 총 지오스민 농도는 조류성장과 함께 유의하게 증 가하는 것으로 나타났다 (r=0.998, p=0.000). 총 지오스민 농도는 10℃ (6.8 μg L-1)와 15℃ (6.6 μg L-1)에서는 서로 비슷하게 나타났으나, 20℃ (19.5 μg L-1)에서는 10℃에 비 하여 약 3배, 25℃ (30.0 μg L-1)에서는 약 4배 높았다 (Fig. 1b). 한편, Chl-a 당 생산되는 지오스민의 농도 (geosmin/ Chl-a)는 성장률이 낮았던 10℃ (0.159 μg μg-1)와 15℃ (0.201 μg μg-1)에서 상대적으로 높았으며 최적성장 온도 조건으로 나타난 25℃ (0.096 μg μg-1)에서 가장 낮았다 (Fig. 1c).

    본 연구에서 A. circinalis의 최적 성장 온도로 나타난 25℃는 같은 종으로 실험한 다른 연구에서도 동일하게 나 타났다. 그 외에도 남조류들도 (Lyngbya, Phormidium) 세 포 성장을 위해 대체적으로 20~25℃ 조건을 선호하는 것 으로 나타났다 (Table 3). 남조류는 일반적으로 25℃ 이상 의 비교적 높은 온도에서 최적의 성장률을 보인다 (Robarts and Zohary, 1987; Coles and Jones, 2000). 남조류는 이러 한 높은 온도에서 규조류, 녹조류, 와편모조류 등을 포함하 는 다른 일차 생산자와의 경쟁에서 가장 효과적으로 우점 한다 (Paerl and Huisman, 2009). 실제로 최근까지 북한강 수계에서 여름철 (25℃ 이상의 수온)에 주로 우점한 조류 는 남조류 AnabaenaMicrocystis인 것으로 보고되었다 (Byun et al., 2014, 2015; HRWMC, 2015). 특히 본 연구의 온도에 따른 성장실험 결과와 유사하게 북한강 수계에서 고수온기에 A. circinalis가 과다증식 함으로써 수중의 총 지오스민 농도도 증가하는 양상을 보였다. 따라서 남조류 성장에 적합한 25℃ 이상의 수온은 현장에서 A. circinalis 의 증식을 촉진하는 요소로 작용할 수 있으며, 이에 따른 2 차 대사산물인 지오스민의 수체내 증가가 수반된다.

    한편, 지오스민 생산은 남조류 종의 특이성과 성장 조 건에 따라 차이가 있는 것으로 보인다 (Table 3). Li et al. (2012)A. circinalis, Phormidium amoenum, Phorimidium sp.의 18℃와 25℃에서 배양을 통해 Chl-a와 총 지오스민 농도가 25℃에서 상대적으로 좀 더 높게 나타났으나 18℃ 에서와 비교할 때 별다른 차이는 없었음을 보여주었다. 그 러나 온도범위 (10~30℃)를 좀 더 확장한 Saadoun et al. (2001) 연구에서 Anabaena sp.의 Chl-a 농도는 25℃에서 최대로 나타난 반면, 지오스민 농도는 20℃에서 가장 높 았고 온도에 따라 Chl-a와 지오스민 간의 일정한 상관성 을 보이지 않았다. Zhang et al. (2009)의 연구 결과에서는 Lyngbya kuetzingii의 지오스민 생산량이 매우 낮아 성장과 지오스민 농도 간 관계를 논하기에 어려움이 있었다.

    본 연구 결과, A. circinalis의 지오스민 총생산량은 가장 높은 생물량 (Chl-a)이 나타난 온도에서 가장 높았다 (Fig. 1b). 그러나 지오스민 잠재생산력 (geosmin/Chl-a)은 이와 반대의 경향을 보였다 (Fig. 1c). 이러한 양상은 Saadoun et al. (2001)의 연구에서도 유사한 결과를 보여주었다 (Table 3). 즉, 상대적으로 성장이 느린 온도 조건 (10~15℃)에 서는 낮은 Chl-a 농도에도 불구하고 성장이 빠르고 높은 Chl-a가 생산된 고온 (20~25℃) 조건에 비해 지오스민 잠 재생산력이 더 높게 나타났다. 조류의 성장에 불리한 온도 조건에서는 적절한 온도조건보다 광합성을 통한 조류성장 이 느리기 때문에, 이러한 온도조건을 포함한 불리한 환경 조건에서 isoprenoid 전구체가 Chl-a의 합성보다 이취미 물질 합성으로 유도한 것으로 사료된다 (Nase et al., 1985, 1988; Wu and Jüttner, 1988; Saadoun et al., 2001; Jüttner and Watson, 2007; Giglio et al., 2008, 2011).

    2.광도 구배별 Anabaena 성장 및 지오스민 생산

    세 가지 광도 구배에서 시간에 따른 세포 성장을 분석 한 결과, A. circinalis의 세포성장은 60 μmol photons m-2 s-1에서 가장 높게 나타났고 (Fig. 2a), 성장률도 가장 높 게 나타났다 (μ=0.224±0.034 d-1; Table 2). 그러나 온도 의 영향과는 달리 모든 실험 광도조건에서 비슷한 성장패 턴을 보이며 광도 조건 간에 성장률 차이는 유의하지 않았 다 (p=0.630, F=0.584; Table 2). 이 결과는 모든 광도 조 건에서 온도를 최적 조건 (25℃)으로 동일하게 부여하였기 때문으로 사료된다. 즉, 본 연구에서 제공한 광도범위 내에 서는 온도가 광도 자체보다 A. circinalis 성장에 더 큰 영향 을 미친 결과로 판단되었다. 다만 최대성장에 도달한 시점 은 상대적으로 높은 광도 (120, 240 μmol photons m-2 s-1) 에서 좀 더 일찍 나타났다 (Fig. 2a). Chl-a 농도는 상대적으 로 낮은 광도 (60 μmol photons m-2 s-1)와 높은 광도 (120, 240 μmol photons m-2 s-1) 간에 차이를 보였다 (Fig. 2b).

    광도의 증가와는 별개로 총 지오스민 발생량은 Chl-a 농 도의 증가에 따라 증가하였다 (r=0.998, p=0.000). 실험 광도 조건 중 Chl-a 농도가 낮게 나타난 120 μmol photons m-2 s-1 (3.7 μg L-1)와 240 μmol photons m-2 s-1 (4.0 μg L-1) 에서 유사하게 낮은 수준으로 나타났으며, 이에 비하여 60 μmol photons m-2 s-1 (5.5 μg L-1)에서는 약 1.5배 높았다 (Fig. 2b). 한편, Chl-a 당 지오스민 생산량 (geosmin/Chl-a) 은 120 μmol photons m-2 s-1에서 최대값 (0.055 μg μg-1), 성장이 높았던 60 μmol photons m-2 s-1에서 최소값 (0.020 μg μg-1)을 나타냈다 (Fig. 2c).

    본 연구에서 A. circinalis는 비교적 낮은 광도인 60 μmol photons m-2 s-1에서 높은 Chl-a 농도를 보였다. 이러한 결 과는 실내에서 배양되어 낮은 광도 (60 μmol photons m-2 s-1)에서 적응하였을 가능성이 있다. 실제로 실내 배양 연 구를 진행한 많은 선행연구에서도 낮은 광도에서 성장이 높았던 것으로 보고되었다 (Naes et al., 1985; Saadoun et al., 2001; Table 4). 본 연구에서 geosmin 잠재생산력 즉, 단 위 Chl-a 당 지오스민 발생량은 성장률과 Chl-a 생산량이 낮았던 120~240 μmol photons m-2 s-1 광도조건에서 높 게 나타났다. Saadoun et al. (2001)의 연구에서도 17 μmol photons m-2 s-1에서 Chl-a와 총 지오스민은 가장 높았으 나 성장이 가장 낮았던 42 μmol photons m-2 s-1에서 지오 스민 잠재 생산력이 가장 높았다 (Table 4). Anabaena를 대 상으로 한 다른 연구에서도 Chl-a와 지오스민의 관계는 유 사한 경향을 나타냈다 (Bowmer et al., 1992; Li et al., 2012; Table 4). 하지만 일부 연구에서 광도조건 간에 지오스민 발생량이나 성장에 확연한 차이를 보이지 않는 경우에는 광도에 따른 성장과 지오스민 발생량 간에 상관성이 나타 나지 않았다 (Naes et al., 1985; Zhang et al., 2009; Table 4).

    지오스민은 남조류 세포내 엽록체에서 광합성색소 (carotenoids, Chl-a)가 합성되는 isoprenoid 경로를 통해 합 성된다고 보고되었다 (Bentley and Meganathan, 1981; Wu and Jüttner, 1988; Bafford et al., 1993; Zimba et al., 1999). 그러므로 광합성과 이취미 물질 합성이 생리적으로 연관 되어 있을 가능성이 높으며, 많은 연구결과들이 광합성이 불리한 환경 조건에서 isoprenoid 전구체가 Chl-a의 합성 보다 이취미 물질 합성으로 유도된다고 보고하였다 (Nase et al., 1985, 1988; Wu and Jüttner, 1988; Saadoun et al., 2001; Jüttner and Watson, 2007; Giglio et al., 2008, 2011).

    총 지오스민 생산량과 지오스민 생산 잠재력 (Chl-a 농 도에 대한 지오스민 생산 비율) 간의 음의 상관관계는 본 연구뿐만 아니라 다른 연구에서도 증명되었다. Bowmer et al. (1992)A. circinalis를 대상으로 Chl-a는 총 지오 스민과는 양의 관계를 보였으나 geosmin/Chl-a 비와는 음 의 관계에 있다고 보고하였다 (Table 4). Naes et al. (1988) 은 isoprenoid 경로에 특정 방해자를 사용하여 실험한 결 과, 지오스민이 isoprenoid 경로의 산물이라는 것을 밝히고 조류의 색소 합성이 감소하면 isoprenoid 전구체가 지오스 민 생산으로 향하기 때문에 색소와 이취미 물질 생산은 음 의 관계가 있다고 보고하였다. Wu and Jüttner (1988)의 연 구에서도 Oscillatoria tenuis에서 광합성이 일어나는 틸라 코이드와 세포막에 지오스민이 다량 분포하는 것을 발견 하여 지오스민과 Chl-a의 관계를 뒷받침하였다.

    3.P·N 영양염 농도 구배별 Anabaena 성장 및 지오스민 생산

    질소 농도를 2 mg L-1로 고정한 다섯 가지 인 농도 구배 에서 시간에 따른 세포 성장을 분석한 결과, A. circinalis의 세포성장은 1.00 mgP L-1에서 가장 높았으며 (Fig. 3a), 성 장률도 가장 높게 나타났다 (μ=0.131±0.011 d-1; Table 2). P 농도 0.01~0.25 mgP L-1의 범위에서는 Anabaena 세포 성장은 비슷한 수준이었으나 그 이상 농도에서는 인 농도 가 높을수록 증가하였다. 인 농도 0.25 mgP L-1 이하와 1.00 mgP L-1 간에 Anabaena 세포 성장은 유의한 차이를 보였 다 (p=0.000, F=6.923; Table 2). 마찬가지로 Chl-a 농도도 같은 경향을 보였으며, 인 농도 0.01 mgP L-1 조건 (86.5 μg L-1)에 비하여 1.00 mgP L-1 (271.2 μg L-1)에서 약 3배 높 았다 (Fig. 3b).

    영양염 농도 조건하에서 총 지오스민 농도는 Chl-a 농 도와 유사한 변화경향을 보이며 0.25 mgP L-1부터 인 농 도 증가에 따라 유의하게 증가하는 것으로 나타났다 (r=0.980, p=0.003). 총 geosmin 농도는 인 농도 0.01 mgP L-1 (13.7 μg L-1) 조건에 비하여 0.50 mgP L-1 (20.5 μg L-1)와 1.00 mgP L-1 (31.9 μg L-1)에서 1.5~2.3배 높았다. 다른 조건의 실험결과와 마찬가지로 Chl-a 당 지오스민 생 산 (geosmin/Chl-a)은 Chl-a 변화와 반대 경향을 보이며 0.50 mgP L-1에서 최대값 (0.167 μg μg-1), 성장이 가장 높 았던 1.00 mgP L-1에서 최소값 (0.118 μg μg-1)을 나타냈다 (Fig. 3c).

    A. circinalis는 일정 농도 이상에서 인 농도가 높아질수 록 성장이 촉진되었으며 이를 통해 인의 제한 영양염 역 할을 확인하였다. 총 지오스민 농도는 성장에 따라 유의 하게 증가하는 것으로 나타났으나 Chl-a 당 지오스민 농 도는 성장과 음의 관계를 보였다. Anabaena, Oscillatoria, Phormidium을 대상으로 한 선행연구들에서도 인 농도 증가에 따른 성장 촉진 및 총 지오스민 농도 증가를 확 인할 수 있었다 (Table 5). Naes et al. (1988)의 연구 결과 Oscillatoria brevis는 가장 높은 질소 농도 (84.89 mgN L-1) 에서 성장과 총 지오스민 농도가 가장 높았으며, 인 농도 (4.43 mgP L-1)에 대해서도 이와 일치하는 결과를 보였다. Park et al. (2000)의 연구 결과에서도 Phormidium sp.가 질 소 농도와 인 농도가 증가할 때 성장과 총 geosmin 발생이 양의 관계를 보였으나, Chl-a 당 지오스민 농도는 감소하 는 양상을 보였다. 또한 Saadoun et al. (2001)Anabaena sp.를 대상으로 P가 0.118 mg L-1 보다 높은 농도에서부터 생물량이 증가하며 총 지오스민이 증가한다고 보고하였 다.

    인 뿐만 아니라 질소도 남조류 성장과 지오스민 생산에 영향을 미치는 것으로 나타났다 (Table 6). Naes et al. (1988) 는 질소 제한 상태에서 Oscillatoria brevis에 의해 phytol 과 β-carotene의 생성이 감소하고 지오스민의 합성이 증가 하는 것을 발견하였다. Wu and Jüttner (1988)와 Wu et al. (1991)은 질소원에 따라 성장과 이취미 발생에 차이가 있 을 것이라는 가설 아래 NH3-N와 NO3-N를 구분하여 실 험한 결과, 암모니아가 질소원일 때 성장은 감소하나 지 오스민은 증가하여 지오스민 생산량과 세포 성장률 간 에 음의 상관관계가 있다고 밝혔다. Saadoun et al. (2001)Anabaena sp.를 대상으로 분석한 결과, NO3-N이 감소 할 때 phytol 요구가 감소하고 isoprenoid 전구체가 지오스 민 합성으로 전환하며, 높은 NO3-N 농도는 지오스민 생산 을 억제한다고 보고하였다. 특히 NH3-N 농도의 증가는 지 오스민의 증가를 유도하여 이들간 높은 상관성이 있음을 보여주었다. 이러한 결과는 질소의 농도뿐 만 아니라 질소 이온의 종류도 이취미 발생에 영향을 미칠 수 있음을 보여 준다.

    본 연구는 남조류 세포 내에서 합성되는 지오스민이 조 류의 성장과 밀접한 관계가 있기 때문에 온도, 광도, 영양 염 등 여러 환경요인들에 의한 남조류 성장 및 지오스민 발생에 대한 영향을 조사하였고, 다음과 같은 주요한 결론 을 도출하였다. 남조류 A. circinalis에 의한 지오스민 생산 은 세포성장에 영향을 미치는 환경조건에 따라 유의한 영 향을 받았으며, 그 결과는 Chl-a 농도의 변화에 직접적인 관련성을 나타냈다. 즉, 총 지오스민 농도는 Chl-a 농도에 따라 증가하였으나, Chl-a 농도에 대한 지오스민 생산 비율 (지오스민 생산잠재력)은 최적 성장 조건보다는 성장에 불 리한 조건에서 높게 나타났다. 또한 A. circinalis는 높은 수 온 (25℃), 낮은 광도 (60 μmol photons m-2 s-1), 높은 인 농 도 (>0.25 mg L-1) 조건에서 높은 세포성장 및 생물량 증 가와 함께 지오스민 농도의 유의한 증가를 보였다. 본 연 구의 결과를 통해 판단할 때, A. circinalis는 영양염 조건이 충족되었을 때 수온의 영향에 의해 대발생할 가능성이 크 며, 특히 현장 수온이 25℃ 정도를 나타내는 7월~9월 동 안 세포의 대증식과 함께 총 지오스민 농도가 증가하여 이 취미 문제를 일으킬 가능성이 높다. 한편으로 A. circinalis 는 낮은 수온 등 성장이 불리한 조건에서 지오스민 잠재 생산력이 높기 때문에 이러한 조건 (늦가을~동절기 초)에 서도 A. circinalis가 일시적으로 대발생한다면 세포 내에 지오스민의 생산력이 높아 이로 인한 이취미 문제가 유발 될 가능성도 있음을 시사한다.

    적 요

    본 연구는 온도, 광도, 인 등 서로 다른 환경 조건 하에 서 Anabaena circinalis의 지오스민 생산 특성을 평가하기 위해 수행되었다. 실험에 사용한 남조류는 팔당호에서 분 리되었다. 남조류 A. circinalis의 성장률과 지오스민 생산 은 온도 (10, 15, 20, 25℃), 광도 (60, 120, 240 μmol photons m-2 s-1), 인 농도 (0.01, 0.05, 0.25, 0.50, 1.00 mg L-1) 등 여 러 요인들을 통해서 조사하였다. 최고 성장률과 Chl-a 농 도는 온도 25℃, 광도 60 μmol photons m-2 s-1 및 인 농도 1.00 mgP L-1에서 각각 나타났다. 총 지오스민 생산량은 각 환경요인의 최적 성장 조건에서 가장 높았으며, 지오스 민 생산 잠재력 (Chl-a 농도에 대한 지오스민 생산 비율)은 늦가을 및 초겨울과 같은 저온 기간을 포함한 불리한 성장 조건에서 높았다. 본 연구 결과는 A. circinalis의 지오스민 생산이 엽록소 합성과 직접적인 관련이 있고 세포 성장 조 건에 따른 다양한 변화 가능성을 나타내었다.

    사 사

    본 연구는 환경기초조사사업 “한강수계 호소환경 및 생 태조사 (2017)” (한강수계관리위원회)에 의해 지원되었음.

    Figure

    KSL-50-363_F1.gif

    (a) Cell density change, (b) Chl-a and geosmin concentration, (c) Chl-a and Chl-a specific geosmin production by A. circinalis in the different temperatures.

    KSL-50-363_F2.gif

    (a) Cell density change, (b) Chl-a and geosmin concentration, (c) Chl-a and Chl-a specific geosmin production by A. circinalis in the different light intensities.

    KSL-50-363_F3.gif

    (a) Cell density change, (b) Chl-a and geosmin concentration, (c) Chl-a and Chl-a specific geosmin production by A. circinalis in the different phosphorus concentrations at 2.00 mgN L-1.

    Table

    Parameters of the gas chromatography-mass spectrometry for the analysis of geosmin.

    Growth rate (μ) of Anabaena circinalis in the different temperatures, light intensities and phosphorus concentrations.

    Comparison of chl-α and geosmin production of various cyanobacteria under the various temperatures.

    Comparison of chl-α and geosmin production of various cyanobacteria under the various light intensities.

    Comparison of chl-α and geosmin production of various cyanobacteria under the various phosphorus concentrations.

    Comparison of chl-α and geosmin production of various cyanobacteria under the various nitrogen concentrations.

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