미 육군엔지니어연구개발센터(ERDC)의 환경연구소(EL)는 살균 자외선(UV-C)을 사용해 화학물질을 사용하거나 목표에서 벗어난 생태학적 영향을 일으키지 않고 남세균 유해 조류 대번성(cyanoHABs)을 억제하고 근절했으며, 최근 매사추세츠와 코네티컷에서 현장 실험을 마쳤다.

유해 조류 대번성을 관리하기 위한 많은 전통적인 기술은 안전하지 않고, 적시에 구축하기 어려우며, 규모에 맞춰 확장하기 어렵다. 

이러한 한계를 해결하기 위해 ERDC-EL의 연구 환경 엔지니어이자 연구의 수석 조사관인 테일러 라이크로프트(Taylor Rycroft)는 EL, 한랭지역연구 및 공학연구소(Cold Regions Research and Engineering Laboratory, CRREL) 및 오크리지 과학교육 연구소(Oak Ridge Institute for Science and Education, ORISE)의 대표들로 구성된 팀과 협력했다. 

그들은 함께 CyanoSTunTM(자외선-빛-C 중화를 통한 남세균 억제) 선박을 설계했다.

라이크로프트는 “CyanoSTUN은TM  UV 처리 능력을 최적화하기 위한 폐수 등급 UV-C 반응기와 기타 수정이 장착된 작은 폰툰 보트(pontoon boat)”라고 말했다.

그는 “배가 시아노HAB로 오염된 물을 횡단할 때, 물 기둥의 상단 5~8인치에 있는 남세균과 시아노톡신은 남세균의 세포 DNA를 파괴하고 특정 독소를 분해할 수 있는 파장의 자외선을 통해 근절된다”라고 말했다.

CyanoSTUNTM 선박의 목표는 물 관리자들에게 어떤 화학물질도 사용하지 않고 조류의 개화를 빠르고 안전하게 장기간 중단시키거나 완전히 파괴할 수 있는 능력을 제공하는 것이다. 

실험실 결과에 따르면 UV-C는 남세균 내의 세포 내 과정을 방해해, 세포가 방사선에 노출되는 시간에 따라 가역적인 손상과 비가역적인 손상을 초래할 수 있다.

라이크로프트는 “UV-C는 생태계에 유익한 다른 미세 조류에 비해 독소를 생성하는 남조류에 불균형적으로 해를 끼치는 것으로 나타났다”고 말했다.

그는 “그런 점에서, 우리가 목표로 하는 UV-C 선박에서, CyanoSTUNTM는 유해조류에는 영향을 미치고, 유익한 조류에는 거의 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다”고 덧붙였다.

UV 채널 반응기는 폰툰 보트 바닥에 장착돼 있으며 스테인리스 스틸 크로스바로 고정돼 있다. 반응기는 10개의 87.5W UV-C 램프를 사용하며, 이는 선박의 갑판에 있는 해치 컷(hatch cut)을 들어 올려 접근할 수 있다.

램프 중 하나에 부착된 UV 센서는 반응기 내의 UV 강도를 실시간으로 측정하고 이 정보는 적절한 처리를 위해 보트의 적절한 속도를 알려주는 데 사용된다.

또한 라이크로프트와 그의 팀은 내부 스테인리스 스틸 벽에 UV254 반사율이 높은 폴리테트라플루오레틸렌 확산 반사판 시트를 라이닝(lining)해 반응기를 맞춤 제작했다.

라이크로프크는 “이 디자인은 벽 반사율을 약 25%에서 약 95%로 향상시키기 위해 구현됐다. 이러한 수정은 반응기 벽을 따라 흐르는 물의 흐름 경로가 램프와의 거리에도 불구하고 가능한 한 높은 UV 강도를 받도록 하는 데 도움이 된다“라 설명했다.

또한, CyanoSTUNTM에는 알루미늄 천공 시트로 제작된 맞춤형 활 장착 스크린이 있어 파편이 반응기에 들어가 램프를 손상시키는 것을 방지한다. 선박은 활에 장착된 전기 트롤링 모터로 구동된다.

라이크로프트는 “추진력과 방향 제어를 제공하는 것 외에도 트롤링 모터는 물이 반응기 안으로 들어갈 때 난류 흐름을 생성해 혼합을 개선하고 반응기 벽과 모서리 근처의 죽은 공간이나 층류 차선의 가능성을 줄인다“라고 말했다.

마지막으로 휴대용 발전기를 사용해 반응기 램프와 트롤링 모터 배터리에 전력을 공급한다.

CyanoSTUN은TM 목표시간 동안 UV-C를 사용해 남세균을 비활성화하고 오염된 물의 시아노톡신 농도를 낮춘다.

라이크로프트는 “이 과정은 채널 반응기 내에서 이뤄지는데, 이는 UV-C가 설계된 제어량을 초과해 방출되는 것을 방지헤 유해하고 목표를 벗어난 생태학적 영향의 위험을 제거한다“라고 말했다.

CyanoSTunTM에 의해 투여되는 살균성 UV-C의 선량은 반응기 내의 UV 강도와 반응기를 통과하는 남세균의 체류 시간에 따라 달라진다. 

UV 강도는 전적으로 지표수의 UV 투과율(UVT)에 의존하며, 이는 물에 부유 및 용해된 성분의 종류와 농도에 따라 변동된다. 높은 UVT(또는 낮은 흡광도)에서는 낮은 UVT보다 더 많은 UV254 방사선이 반응기의 표적 남세균에 도달하며, 이때 방출된 UV254 방사선 중 더 많은 방사선이 흡수되고 남세균 및 시아노톡신에 더 적게 작용한다. 

배의 속도를 조절하면 남세균의 체류 시간을 조절할 수 있다. 배가 더 빠르게 이동할수록 남조류가 반응기에 머무는 시간이 줄어들고, 그 반대의 경우도 마찬가지다.

이 선박은 현재 파도가 적은 잔잔한 담수 호수와 연못을 위해 설계됐지만, 라이크로프트와 그의 팀은 CyanoSTUNTM의 성능을 높여 더 강한 파도와, 더 큰 수역에서도 대응할 수 있도록 할 계획이다. 

“CyanoSTunTM은 크기가 3에이커 미만인 소규모 대번성과 싸우기 위해 고안됐다“라며 “이 크기를 넘어서면, 배가 더 넓은 표면적을 덮기 위해 최대 속도로 이동해야 하기 때문에 남세균 노출시간(UV 선량)이 손상될 것“이라고 말했다.

현장 실험의 초기 결과에 따르면 CyanoSTunTM UV-C의 투여 용량에 따라 강력한 시아노톡신인 마이크로시스틴의 농도를 30-50%까지 감소시켰다. 라이크로프의 팀은 CyanoSTunTM이 다양한 남세균과 조류 종에 걸쳐 세포 밀도와 군집 구성에 미치는 영향을 보여주는 분석 결과를 기다리고 있다. 

한편, ERDC는 올해 4월에 CyanoSTunTM 대한 특허 출원을 했다.

[원문보기]

ERDC researchers combat cyanobacterial harmful algal blooms

The U.S. Army Engineer Research and Development Center’s (ERDC) Environmental Laboratory (EL) recently completed field trials in Massachusetts and Connecticut, using germicidal ultraviolet light (UV-C) to sustainably suppress and potentially eradicate cyanobacterial harmful algal blooms (cyanoHABs) without using chemicals or causing off-target ecological effects.

Many of the conventional techniques for managing cyanoHABs are challenging to deploy in a safe and timely manner, as well as difficult to scale to size. To address these limitations, Taylor Rycroft, a research environmental engineer in ERDC-EL and principal investigator of the study, is working with a team consisting of representatives from EL, the Cold Regions Research and Engineering Laboratory and the Oak Ridge Institute for Science and Education. Together, they engineered the CyanoSTUNTM (Cyanobacterial Suppression Through Ultraviolet-Light-C Neutralization) vessel.

“The CyanoSTUNTM is a small pontoon boat fitted with a wastewater-grade UV-C reactor and other modifications to optimize UV treatment capability. As the vessel traverses the cyanoHAB-contaminated water, the cyanobacteria and cyanotoxins in the top five to eight inches of the water column are irradicated with UV light at a wavelength capable of disrupting the cellular DNA of the cyanobacteria and degrading certain toxins,” said Rycroft.

The goal of the CyanoSTUNTM vessel is to give water managers the ability to rapidly and safely suspend an algal bloom for an extended period of time, or destroy it entirely, without using any chemicals. Laboratory results show UV-C can disrupt intracellular processes within cyanobacteria, leading to both reversible and irreversible damage depending on the amount of time the cells are exposed to radiation.

“UV-C has been shown to disproportionately harm toxin-producing cyanobacteria compared to other microalgae that are beneficial to the ecosystem,” Rycroft said. “In that sense, at our targeted UV-C doses, the CyanoSTUNTM is expected to knock out the ‘bad guys’ and have little effect on the ‘good guys’.”

A UV channel reactor is mounted to the bottom of the pontoon boat and braced with stainless steel crossbars.  The reactor uses ten 87.5W UV-C lamps, which are accessible by lifting a hatch cut in the deck of the vessel. A UV sensor attached to one of the lamps provides a real-time measurement of UV intensity within the reactor, and that information is then used to inform the appropriate velocity of the boat for adequate treatment.

Rycroft and his team also customized the reactor by lining the interior stainless-steel walls with high-UV254-reflectance polytetrafluorethylene diffuse reflector sheeting.

“This design was implemented to improve wall reflectance from approximately 25% to approximately 95%. The modification helps ensure the water flow paths along the reactor wall receive the highest possible UV intensity despite their distance from the lamps,” Rycroft said.

Additionally, the CyanoSTUNTM has a custom bow-mounted screen made from aluminum perforated sheeting, which prevents debris from entering the reactor and damaging the lamps. The vessel is powered by a bow-mounted electric trolling motor.

“In addition to providing thrust and directional control, the trolling motor creates turbulent flow as the water enters the reactor, thereby improving mixing and reducing the potential for dead space or laminar flow lanes near the reactor walls and corners,” Rycroft said.

Finally, electrical power is supplied to the reactor lamps and trolling motor batteries using a portable generator.

The CyanoSTUNTM uses UV-C for a targeted amount of time to inactivate cyanobacteria and reduce the concentration of cyanotoxins in the contaminated water.

“The process takes place within the channel reactor which prevents UV-C from emitting beyond the designed control volume, thereby eliminating the risk of harmful, off-target ecological effects,” said Rycroft.

The dose of germicidal UV-C administered by the CyanoSTUNTM is dependent on the UV intensity within the reactor and the residence time of the cyanobacteria as they pass through the reactor. The UV intensity is entirely dependent on the UV transmittance (UVT) of the surface water which will fluctuate depending on the type and concentration of suspended and dissolved constituents in the water. At a high UVT (or low absorbance), more UV254 radiation will reach the target cyanobacteria in the reactor than at a low UVT, when more of the emitted UV254 radiation will be absorbed and less will be available to act upon the cyanobacteria and cyanotoxins. The residence time of the cyanobacteria is controlled by adjusting the speed of the boat. The faster the boat travels, the less time the cyanobacteria spend in the reactor, and vice versa.

The vessel is currently designed for calm freshwater lakes and ponds with low wave action, but Rycroft and his team have ambitions to enhance the CyanoSTUNTM to tackle larger blooms in larger waterbodies with more challenging wave and current conditions.

“The CyanoSTUNTM is designed to combat small-scale blooms that are less than 3 acres in size. Beyond this size, exposure time of cyanobacteria – and therefore UV dose – will be compromised because the boat will need to travel at the maximum speed to cover the larger surface area,” Rycroft stated.

Early results of the field trials have indicated that that the CyanoSTUNTM can reduce the concentration of microcystin, a potent cyanotoxin, by 30-50% depending on the administered dose of UV-C. Rycroft’s team is still awaiting analytical results showing the effect of the CyanoSTUNTM on cell density and community composition across various cyanobacteria and algal species. ERDC filed a patent application for the CyanoSTUNTM in April 2023.

[출처 = ERDC(https://www.erdc.usace.army.mil/Media/News-Stories/Article/3620420/erdc-researchers-combat-cyanobacterial-harmful-algal-blooms/) / 2023년 12월 18일]

[번역 = 박원희 기자]