Derivation of Ultrasonic Irradiation Condition to Inhibit the Growth of Microcystis aeruginosa

Abstract

Objectives : The optimal ultrasonic irradiation conditions were derived through laboratory-scale experiments to evaluate growth inhibition effect of Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa), which is the main specie of Cyanobacterial Harmful Algal Blooms (CyanoHABs) in Republic of Korea.Methods : The experiment was conducted by changing ultrasonic frequency, intensity, and initial cell concentration to observe the growth inhibition effect of M. aerginosa. The experiment was performed using shielded acrylic reactor [20 cm (W) × 20 cm (L) × 30 cm (H)]. Experiments were conducted using large volume (7.2 L) of water samples with high concentrations of M. aeruginosa, and the ultrasonic irradiation time was fixed at 3 hours.Results and Discussion : In all experiments, pictorial view of M. aeruginosa samples, chlorophyll-a (Chl-a) and cell number of M. aerginosa were observed. As a result of ultrasonic irradiation on M. aeruginosa, the decrease in both Chl-a concentration and cell number of M. aeruginosa was monitored after sonication compared to the decrease during sonication. In addition, the rebound growth was confirmed after certain period of growth inhibition of M. aeruginosa. The optimal ultrasonic irradiation conditions for the growth inhibition of M. aeruginosa were obtained at the lower frequency and the higher intensity. Whereas algal growth inhibition was observed with high concentration (4.5 × 106 cells mL-1) of M. aeruginosa, algal growth inhibition was not monitored with low concentration (1.1 × 106 cells mL-1) of M. aeruginosa.Conclusion : Through this study, the algal growth inhibition by ultrasonic was effective. Although the growth inhibition effect persisted for a certain period of time, subsequent regrowth was observed. Therefore, periodic ultrasonic irradiation is necessary for long-term growth inhibition of algal in field applications.

Analysis of Growth Inhibition for Microcystis aeruginosa with Periodic Ultrasonic Irradiations

“…[1][2][3] 최근 도시화･산업화로 인한 담수 자정능력을 초과하는 과도한 영양염류의 유입과 수계 내 다양한 인공구조물에 의한 정체수역 증가 및 전 세계적인 기후변화에 의한 수온 상승 등 다양한 요인들의 복합적 영향으로 유해조류의 과다 증식은 더욱 빈번하 며, 그 발생강도 또한 점점 증가하는 추세이다. [4][5][6][7][8] 조류는 종류와 생체량이 서로 균형을 이뤘을 때는 과도한 문제가 발생되지 않으나, 단일종 특히 유해남조류의 대발생 (Cyanobacterial Harmful Algal Blooms, CyanoHABs) 시 환경 적, 경제적, 공중보건 측면에서 심각한 문제를 야기한다. 9) 국 내에서 녹조현상을 일으키는 대표종으로 알려진 남조류 Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa)는 지오스민(geosmin) 과 메틸이소보르네올(2-methylisoborneol)을 생성하여 수계 내 흙 냄새와 곰팡이 냄새 등 취기 물질을 생성하고 간 독소인 마이크로시스틴(microcystin)을 배출하여 수생태계에 위해성 을 끼쳐 지속적인 사회 문제로서 대두되고 있다.…”

“…[15][16][17][18] 최근 연구되고 있는 다양한 HABs 저감 공법 중 물리적 공법인 초음파(ultrasonic)를 이용 한 처리기술은 초음파의 공동현상(cavitation)으로 조류 세포 내 기낭을 파괴하여 부력조절 능력을 상실시켜 조류를 호소 바닥으로 가라앉게 하고, 광합성을 차단하여 조류의 성장을 억제하는 기술이다. [19][20][21][22][23][24][25] 이러한 초음파 처리 기술은 남조류의 세포분열을 억제하여 조류의 대발생을 예방하고 M. aeruginosa 로부터 생성되는 강한 독성을 지닌 microcystin-LR 분해에 효 과가 있다고 보고되며, 수체 내 화학약품의 주입 없이 조류 저감이 가능하여 수생태계의 위해성이 낮은 기술이다. [26][27][28] 기존 선행 연구에 따르면, Rajasekhar et al (2012)은 동일한 초음파 주파수(20 kHz)를 적용하였을 때 조류종별 성장억제 효율(Anabaena circinalis > Microcystis aeruginosa > Chorella sp.…”

“…5, Table 2), 관찰기간 동안(t ≦ 24 day) 대조군은 비성장속도가 2.4×10 -3 ~ 4.5×10 -3 hr -1 로 도출 되어 지속적인 조류 성장을 확인하였고, 기존 연구에서 도출 한 비성장속도(2.1×10 -3 ~ 5.9×10 -3 hr -1 )와 유사한 것으로 확인 되어 대조군 내 성장을 저해하는 억제 요인은 없는 것으로 판단된다. 25) 각 실험군은 모두 조류 성장억제 기간 동안 성장률 대비 높 은 일차분해속도(k B = 23.0×10 -3 hr -1 , k C = 21.0×10 -3 hr -1 , k D = 24.0×10 -3 hr -1 , k E = 25.0×10 -3 hr -1 )가 도출되었으며, 이는 선행 연구 Jang et al (2022)에서도 동일하게 초음파를 조사한 실험 군에서 성장률 대비 높은 일차분해속도가 확인되었다. 25) 초음파 조사에 따른 성장억제 기간 이후, 조류의 재성장(µ B = 3.6×10 -3 hr -1 , µ C = 2.8×10 -3 hr -1 , µ D = 2.5×10 -3 hr -1 , µ E = 2.4×10 -3 hr -1 )이 관측되었으며, 초음파 1차 조사만 적용한 실 험군(B) 대비 2차 조사를 적용한 실험군(C, D, E)은 상대적으 로 낮은 성장률을 보였다(Fig.…”

“…. 초음파 조사 조건은 이전 연구)에서 도출된 최적의 초음파 조사조건(주파수 23 kHz, 출 력 6.94 W L -1 )을 기반으로 실험을 진행하였으며25) , 초음파 2 차 조사의 경우 1차 조사 이후 조류의 재성장이 관측되는 시 점(7 day)에 초음파 재조사를 진행하였다.…”