본 연구는 미세조류를 기반으로 한 가축분뇨 처리방안을 제시함과 동시에 가축분뇨 내의 잔류오염물질들 제거하여 환경생태계의 유해함을 생물학적으로 처리 방법을 설명한다. 연구의 전반적인 목표는 가축분뇨 내에서 고농도 질소와 인을 효율적으로 제거할 수 있는 미세조류 종을 선정 및 환경조건을 제안한다. 더 나아가 축산농가에서 가축의 질병 예방과 성장을 위하여 사용되는 항생제 제거까지 하는 것이다. 동시에 항생제의 잠재적인 독성 평가 및 제거하고 제거 메커니즘을 규명한다.
첫 번째로 가축분뇨를 농도를 다르게 원배, 두 배, 네 배 희석하여 미세조류를 종별 배양하고 대조군(BG-11)과 비교했다. 이를 통해 미세조류 종별 최적의 성장조건, 바이오매스 생성농도 및 질소?인 제거효율을 도출하는 실험 진행 후 최적의 미세조류 종을 선별하였다. 실험결과 Scenedesmus quadricauda (S. quadricauda), Scenedesmus obliquus (S. obliquus) 및 Chlorella sorokiniana (C. sorokiniana)의 바이오매스 농도와 비생장률을 대조군과 비교해봤을 때 가축분뇨로 대체 배양할 수 있음을 보여주었다. 특히 S. quadricaud는 최대 바이오매스농도 (2,700 mg DW/L)와 비생장률(0.43 d-1)이 다른 미세조류들에 비해 상대적으로 우수했다. 최대 총 질소와 총 인의 제거효율은 각각81%, 83% 였다. 초기농도가 약 125 mg/L, 2.2 mg/L로 고농도임을 고려하면 높은 제거효율을 가짐을 보였다. 이 때 질소와 인 비가 60 : 1였고 미세조류는 높은 효율로 질소 및 인을 소비했다. 따라서 가축분뇨를 통하여 미세조류를 배양할 시 인공배지로 실험한 대조군(BG-11)을 대체 가능할 수 있을 정도의 바이오매스 생성이 가능하며 동시에 질소와 인 제거효율 높음을 확인하였다. 미세조류 중 S. quadricauda가 가장 영양염류(질소와 인) 제거효율이 높았으며 가축분뇨 처리시에 적합하다고 나타났고 질소와 인 비율이 60 :1에서도 제거능력이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
두 번째, 선행연구를 통해 선정된 미세조류 종을 사용하여 가축분뇨 내의 항생제에 의한 미세조류 성장저해와 제거가능성을 파악했다. 항생제는 국내에서 사용량 및 판매량이 상위권에 속하며 시중에서 쉽게 구할 수 있는 Sulfonamides (SAs) 계열 항생제 중 Sulfamethazine (SMZ), Sulfathiazole (STZ) 과 Sulfamethoxazole (SMT)을 사용하였다. 실험은 항생제 농도를 20, 40, 100 mg/L로 하였고 광독립영양조건과 혼합영양조건으로 나눠서 진행하였다. 항생제는 Sigma-Aldrich에서 구입하였고, 액체크로마토그래피 질량분석기(6410 LC/MS/MS (QQQ))를 사용하여 항생제 저감 경향 및 효율을 분석하였다. 항생제 존재 아래 미세조류 C. sorokiniana 의 성장저해는 43%였고 S. quadricauda에서 85%로 C. sorokiniana가 가축분뇨 내 항생제에 더 낮은 성장저해를 나타났다. 항생제 제거효율은 S. quadricauda (SMZ : 83%, STZ : 95%, SMX : 20%)가 C. sorokiniana (SMZ : 50%, STZ : 10%, SMX: 14%)에 비해 항생제 제거효율이 상대적으로 우월함을 나타냈다. 이는 생물학적 처리를 통하여 고농도의 질소와 인만 제거하는 것이 아니라 잔류오염물질 중 하나인 항생제를 동시에 제거할 수 있음을 의미하고 다른 추가적인 장비 및 에너지 없이 미생물만으로 항생제 제거효율을 확보할 수 있었다.
세 번째, 미세조류로 처리한 가축분뇨 내의 잠재적 독성저감 평가는 Daphnia magna를 통한 급성독성 실험을 통해 알아보고 항생제제거 메커니즘을 규명했다. S. quadricauda를 사용하여 처리했을 때 초기 독성단위(TU)가 2.8였던 가축분뇨가 TU 값이 최대 0.4까지 감소된 것을 보였다. C. sorokiniana을 사용하여 처리했을 때 초기 TU 값이 1.4에서 0.7까지 감소하였다. 미세조류를 사용하여 가축분뇨를 처리했을 시 항생제를 제거하면서 독성도 1 미만(TU <1)으로 저감되는 것을 보였다. 이는 수생생물 및 생태환경에 유해했던 가축분뇨를 유해하지 않을 정도로 독성을 저감할 수 있음을 확인하였다. 항생제 제거와 독성저감을 확인한 후 제거 메커니즘 추정을 위해 이온크로마토그래피(IC)와 전계방사형주사전자현미경(FE-SEM)의 EDS를 사용했다. IC 분석은 0.2 μm PVDF를 사용해 여과된 샘플을 이용했으며 이는 미세조류로 인한 표적물질이 수용액 쪽으로 분해시키는 생물학적 분해(biodegradation)를 확인하였다. FE-SEM-EDS 분석은 가축분뇨를 처리한 미세조류를 원심분리기를 통해 분리한 후 동결건조를 하여 건조된 분말 형태로 바이오매스를 분석하였다. 이 분석은 미세조류 표면 및 내부의 축적된 양을 정성 및 정량분석하였다. 두 분석 모두 SAs의 S 변화량을 확인하였고 이때 IC분석은 ??SO?^(-2)?_4를 표적물질로 설정해 분석한 뒤 S를 계산하였고 FE-SEM-EDS 분석은 S를 표적물질로 설정한 뒤 초기 대비 증가량을 비교하여 biodegardation과 bioadsorption 및 bioaccumulation을 규명했다.
S. quadricauda은 초기 대비 마지막 날 IC 결과 표적물질 값이 양의 값으로 증가하였고 FE-SEM-EDS는 반대로 음의 값으로 증가하였다. 이러한 결과는 미세조류 표면 및 내부에 축적되는 것보다 수용액 쪽으로 분해된 것을 의미한다. 주요 항생제제거 메커니즘은biodegardation이 강하게 일어났으며 bioadsorption 및 bioaccumulation은 미약하게 일어났음을 나타냈다.
C. sorokiniana는 초기 대비 마지막 날 IC 결과 표적물질 값이 음의 값으로 증가하였고 FE-SEM-EDS는 반대로 양의 값으로 증가하였다. 이 결과는 미세조류로 의한 분해 메커니즘이 약하게 일어났으며 미세조류 표면 및 내부에 축적되었음을 의미한다. C. sorokiniana의 주요 항생제제거 메커니즘으로 bioadsorption 및 bioaccumulation 이 강하게 일어났으며 biodegardation은 미약하게 일어났음을 나타냈다.
본 연구 내용을 요약하자면 미세조류를 사용한 가축분뇨 처리는 고농도의 질소와 인을 제거할 수 있으며 동시에 환경과 인간에 유해할 수 있는 항생제를 제거 가능함을 보였다. 또한, Daphnia magna를 사용한 미세조류 처리 후 가축분뇨 내의 항생제 독성평가를 위한 급성독성 실험결과 초기 대비 실험 마지막 날 독성이 감소되는 것을 보였다. 이는 미세조류를 통하여 항생제 독성 역시 저감시킬 수 있음을 확인하였다. 더불어 미세조류 의해 제거된 항생제 제거메커니즘을 규명하였다. 궁극적으로 미세조류를 사용하여 가축분뇨 내의 영양염류 및 항생제 제거, 그리고 독성저감 후 미세조류의 수확은 수생 미생물과 생태환경을 생물학적으로 제어할 수 있음을 보여준다.

The livestock manure (LM) treatment using microalgae is an attractive option because it can consume nutrients with the source of biofuel simultaneously. To enhance the performance of photobioreactor, LM was applied with proper dilution. In this study, LM was diluted one, two, and four times and then compared with artificial growth medium (BG-11). The batch photobioreactors were designed using 500 mL media bottle with constant air supply, temperature, and light irradiation. The growth kinetics were also evaluated for three microalgae species, Scenedesmus quadricauda (S. quadricauda), Scenedesmus obliquus (S. obliquus), and Chlorella sorokiniana (C. sorokiniana). The results show that LM can successfully substitute for artificial medium. Especially, S. quadricauda species were most suitable for maximum microalgal growth (2,700 mg DW/L) and specific growth rate (0.43 d-1). The microalgae consumed nitrogen (N) and phosphorus (P) when N to P ratio was (60:1). In the case of no diluted LM, nitrogen was not well treated due to phosphorus limitation.
Microalgae is a useful method of removing sulfonamides (SAs) and nutrients from LM. In this study, 20, 40 and 100 mg/L of SAs sulfamethazine (SMZ), sulfathiazole (STZ) and sulfamethoxazole (SMX) were prepared based on LM. Microalgae growth kinetic was compared with an artificial growth medium (BG-11). Growth inhibition and kinetics were evaluated for two widely used microalgae species, S. quadricauda and C. sorokiniana for wastewater treatment. The experiment was carried out under both photoautotrophic and mixotrophic conditions, using a 1L square flask transparent batch reactor with constant temperature, air, and light irradiation. As a result, antibiotics in LM inhibited microalgal biomass production and growth. C. sorokiniana showed lower growth inhibition 43% in antibiotic manure and environmental conditions in LM than in S. quadricauda 85%. Similar to the results of microalgal growth inhibition, the antibiotic removal efficiency of S. quadricauda (SMZ: 83%, STZ: 95%, SMX: 20%) was better than C. sorokiniana (SMZ: 50%, STZ: 10%, SMX: 14%).
In addition, acute toxicity test using Daphnia magna was conducted to evaluate the toxicity reduction in LM containing antibiotics treated by microalgae. Subsequently, LM, with an initial toxicity unit (TU) of 2.8, showed a decrease of up to 0.4 when wastewater was treated with S. quadricauda. The wastewater treatment using C. sorokiniana on LM with an initial TU value of 1.4 reduced up to 0.7. Removal of SAs from LM using microalgae can reduce toxicity to such an extent that the TU is < 1, which is not harmful to aquatic life and ecological environment. However, SAs elimination efficiency and TU tended to be inhibited with increasing antibiotic concentration, resulting in lower elimination efficiency.
This study suggests optimal microalgal growth conditions suitable for biomass production and nutrient removal in LM. It also suggests that treatment of LM with microalgae is an efficient way to simultaneously remove nutrients (N, P) and antibiotics from LM. The higher concentration of antibiotics in LM was more inhibition effects of microalgae growth and the lower the N and P removal efficiency. Furthermore, this study has shown that microalgae can be used to eliminate antibiotics and toxicity. It also helps to estimate the mechanism of antibiotics removed by microalgal species.