Cochlodinium polykrikoides 적조생물은 우리나라 연안에서 가장 빈번하게 적조를 유발하는 생물이다. 적조는 식물플랑크톤의 급격한 번식(algal bloom)으로 발생하기 때문에 적조를 유발하는 적조생물에 대한 최적의 성장조건 정보가 가용하다면 정확한 적조성장 모형 구성이 가능하며, 적조 발생예측에도 활용할 수 있다. 그러나 적조 성장에 영향을 미치는 인자가 빛, 수온, 염분, 영양염류 농도 등으로 다양하고, 적조성장을 제어하는 함수형태가 다양하기 때문에 실험조건의 최적 성장조건에 대한 연구 성과를 활용하여 적조 수치모형에서 활용할 수 있는 최적 성장모형을 구성한 연구는 매우 미흡한 수준이다. 본 연구에서는 우리나라의 대표적인 적조생물에 해당하는 Cochlodinium polykrikoides 적조생물의 최적 성장조건에 관한 연구 자료를 이용하여 다양한 함수형태에 따른 최적 매개변수 추정 및 오차비교 분석과정을 거쳐 적조 모형에서 바로 활용할 수 있는 최적 성장모형을 개발 제시하였다. 개발된 성장모형은 실험조건에서 추정된 최적 성장모형이기 때문에 현장자료를 이용한 모형의 보정 및 검정과정에서 본 연구결과로 제시된 최적 함수형태, 최적 매개변수 및 보정 매개변수의 범위 등을 기본 정보로 활용할 수 있으며, 실험조건과 현장조건의 차이 평가에도 활용할 수 있다.
Cochlodinium polykrikoides 적조생물은 우리나라 연안에서 가장 빈번하게 적조를 유발하는 생물이다. 적조는 식물플랑크톤의 급격한 번식(algal bloom)으로 발생하기 때문에 적조를 유발하는 적조생물에 대한 최적의 성장조건 정보가 가용하다면 정확한 적조성장 모형 구성이 가능하며, 적조 발생예측에도 활용할 수 있다. 그러나 적조 성장에 영향을 미치는 인자가 빛, 수온, 염분, 영양염류 농도 등으로 다양하고, 적조성장을 제어하는 함수형태가 다양하기 때문에 실험조건의 최적 성장조건에 대한 연구 성과를 활용하여 적조 수치모형에서 활용할 수 있는 최적 성장모형을 구성한 연구는 매우 미흡한 수준이다. 본 연구에서는 우리나라의 대표적인 적조생물에 해당하는 Cochlodinium polykrikoides 적조생물의 최적 성장조건에 관한 연구 자료를 이용하여 다양한 함수형태에 따른 최적 매개변수 추정 및 오차비교 분석과정을 거쳐 적조 모형에서 바로 활용할 수 있는 최적 성장모형을 개발 제시하였다. 개발된 성장모형은 실험조건에서 추정된 최적 성장모형이기 때문에 현장자료를 이용한 모형의 보정 및 검정과정에서 본 연구결과로 제시된 최적 함수형태, 최적 매개변수 및 보정 매개변수의 범위 등을 기본 정보로 활용할 수 있으며, 실험조건과 현장조건의 차이 평가에도 활용할 수 있다.
Cochlodinium polykrikoides is a typical harmful algal species which generates the red-tide in the coastal zone, southern Korea. Accurate algal growth model can be established and then the prediction of the red-tide occurrence using this model is possible if the information on the optimal growth mode...
Cochlodinium polykrikoides is a typical harmful algal species which generates the red-tide in the coastal zone, southern Korea. Accurate algal growth model can be established and then the prediction of the red-tide occurrence using this model is possible if the information on the optimal growth model parameters are available because it is directly related between the red-tide occurrence and the rapid algal bloom. However, the limitation factors on the algal growth, such as light intensity, water temperature, salinity, and nutrient concentrations, are so diverse and also the limitation function types are diverse. Thus, the study on the algal growth model development using the available laboratory data set on the growth rate change due to the limitation factors are relatively very poor in the perspective of the model. In this study, the growth model on the C. polykrikoides are developed and suggested as the optimal model which can be used as the element model in the red-tide or ecological models. The optimal parameter estimation and an error analysis are carried out using the available previous research results and data sets. This model can be used for the difference analysis between the lab. condition and in-situ state because it is an optimal model for the lab. condition. The parameter values and ranges also can be used for the model calibration and validation using the in-situ monitoring environmental and algal bloom data sets.
Cochlodinium polykrikoides is a typical harmful algal species which generates the red-tide in the coastal zone, southern Korea. Accurate algal growth model can be established and then the prediction of the red-tide occurrence using this model is possible if the information on the optimal growth model parameters are available because it is directly related between the red-tide occurrence and the rapid algal bloom. However, the limitation factors on the algal growth, such as light intensity, water temperature, salinity, and nutrient concentrations, are so diverse and also the limitation function types are diverse. Thus, the study on the algal growth model development using the available laboratory data set on the growth rate change due to the limitation factors are relatively very poor in the perspective of the model. In this study, the growth model on the C. polykrikoides are developed and suggested as the optimal model which can be used as the element model in the red-tide or ecological models. The optimal parameter estimation and an error analysis are carried out using the available previous research results and data sets. This model can be used for the difference analysis between the lab. condition and in-situ state because it is an optimal model for the lab. condition. The parameter values and ranges also can be used for the model calibration and validation using the in-situ monitoring environmental and algal bloom data sets.
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문제 정의
특히 수온 및 광도는 최적조건이 존재하는 경우가 있어 현실적인 변화범위에서 최적조건을 찾아내는 연구가 활발한 실정이다. 본 연구에서는 C. polykrikoides 적조생물에 대한 환경조건과 성장률 관련 문헌(Table 1 참조)을 모두 수집하여 성장모형 구성을 위한 자료를 그림에서 독취하거나 제시된 수치자료를 추출하였다. 수집된 연구 자료는 환경인자도 다양하고, 변화범위도 다양하기 때문에 자료에 따라 성장모형을 구성하는 매개변수의 추정 결과에도 차이가 발생할 수 있다.
본 연구에서는 우리나라에서 최근 가장 빈번하게 적조를 유발하는 생물로 지목되는 Cochlodinium polykrikoides (이하 C. polykrikoides) 적조생물(Lee et al., 2013)에 대한 성장모형을 개발하는 것을 목적으로 한다. C.
제안 방법
가용한 환경조건과 C. polykrikoides 성장속도 변화에 대한 자료를 이용하여 최적의 함수와 매개변수를 추정하여 C. polykrikoides 성장모형을 구성하였으며, 최적 추정된 성장모형은 다음 식 (7)로 표현되며, 식에 포함된 매개변수 및 함수형태는 Table 8에 제시하였다. 최적 성장조건은 수온, 염분 및 암모니아 농도에서 나타났으며, 각각 23.
각각의 함수는 반포화광도, 최적 광도에 해당하는 매개변수 추정이 필요하다. 본 연구에서는 광도에 따른 C. polykrikoides 성장률 변화곡선으로 약간 변형된 형태의 Michaelis-Menten 함수와 광저해 효과를 표현하는 함수를 이용하여 매개변수와 RMS 오차를 추정하였다(Table 3 참조). 추정결과 C.
영양염류 농도는 다시 암모니아, 질산염, 인산염으로 세분할 수 있으며, 각각 유사한 형태의 성장함수로 표현할 수 있다. 본 연구에서는 다양한 함수를 이용하여 비선형최적화 기법을 이용하여 각각의 자료와 전체 자료를 이용하여 최적 매개변수와 RMS(rootmean squared) 오차를 추정하였으며, 최적 성장모형으로는 RMS 오차가 가장 작은 함수모형을 선택하였다. 최적 매개변수 추정을 위한 목적함수는 관측 자료와 모형추정 자료의 차이의 제곱합(sum of squares)으로 결정하였으며, MATLAB 프로그램에서 제시하는 ‘lsqcurvefit’ 함수를 이용하여 최적 매개변수를 추정하였다.
염분변화에 따른 성장률변화도 수온변화 양상을 표현하기 위하여 사용한 함수형태와 동일함 형태의 함수를 사용하였다. 염분 변화에 따른 성장인자 제한함수는 다른 인자에 비하여 제시되는 형태가 많지 않으나, 전체적인 성장률 변화양상이 최적 조건이 포함된 함수형태와 유사하여(Fig.
1 (b) 참조). 추정된 최적 수온은 23.1-23.7oC 정도이며, 최적조건에서 벗어나는 함수의 감소정도를 조정할 수 있는 일반적인 형태의 지수함수(간단한 조건을 개선)를 이용하여 매개변수를 추정하였다.
1에 제시하였다. 한편 본 논문에서 제시한 최적 매개변수 추정결과는 각각의 문헌 자료를 이용한 경우는 동일한 형태의 함수를 이용하는 경우와 당연히 일치하지만, 대부분의 문헌에서 자료만을 제시한 경우가 많고, 본 연구에서는 전체자료를 이용한 검토도 수행하였기 때문에 기존 연구결과에서 제시하는 수치와의 비교검토는 생략하였다.
데이터처리
최적 매개변수 추정을 위한 목적함수는 관측 자료와 모형추정 자료의 차이의 제곱합(sum of squares)으로 결정하였으며, MATLAB 프로그램에서 제시하는 ‘lsqcurvefit’ 함수를 이용하여 최적 매개변수를 추정하였다.
다양한 환경조건에서 수행된 각각의 자료를 이용하여 Table 2에 제시된 함수의 최적 매개변수를 추정하였다. 추정결과 함수의 형태가 자료의 변동양상을 크게 벗어나는 함수는 분석에서 제외하였으며, 전체적인 변동양상이 유사한 함수를 대상으로 최적 매개변수를 추정하였으며, 각각에 대한 매개변수 추정결과 및 RMS 오차를 Table 4-7에 제시하였으며, 실험 자료와 모형 자료의 비교 그림은 전체자료를 이용한 경우와 가장 작은 RMS 오차를 제시하는 자료를 비교하여 Fig. 1에 제시하였다. 한편 본 논문에서 제시한 최적 매개변수 추정결과는 각각의 문헌 자료를 이용한 경우는 동일한 형태의 함수를 이용하는 경우와 당연히 일치하지만, 대부분의 문헌에서 자료만을 제시한 경우가 많고, 본 연구에서는 전체자료를 이용한 검토도 수행하였기 때문에 기존 연구결과에서 제시하는 수치와의 비교검토는 생략하였다.
성능/효과
광도와는 달리 수온에서는 최적 조건이 명확하게 나타나고 있다. C. polykrikoides 성장은 광도 증가에 따라 전체적으로 성장하는 양상을 보이는 반면, 수온의 경우에는 최적 수온에서 벗어날수록 성장률은 급격화게 감소하는 양상을 뚜렷하게 보이며, 여러 연구자의 자료의 편차도 매우 적게 나타나고 있다(Fig. 1 (b) 참조).
polykrikoides 성장률 변화곡선으로 약간 변형된 형태의 Michaelis-Menten 함수와 광저해 효과를 표현하는 함수를 이용하여 매개변수와 RMS 오차를 추정하였다(Table 3 참조). 추정결과 C. polykrikoides 적조생물은 실험구간 내에서의 광도에서는 광저해 효과가 미약하여 수정된 Michaelis-Menten 함수로 보다 적절하게 표현되고 있는 것으로 파악되었다. 그러나 연구자에 따라 실험에 사용한 광도범위가 크게 차이나고, 자료의 변동 범위도 크게 차이가 나고 있음을 알 수 있다(Fig.
후속연구
그러나 염분 변화 범위가 하구를 제외한 연안 해역에서는 크지 않고, 염분 변화에 따른 성장률 변화 구배가 수온에 비하여 미미하기 때문에 독립적으로 취급하여도 그 오차는 미미한 수준으로 파악되었다. 그러나 특정 수온 조건에서는 염분에 따른 성장률 구배가 크기 때문에 보다 적절한 염분 조건에서의 성장률을 수온의 함수로 표현하는 종속적인 형태의 함수를 검토할 필요가 있을 것으로 사료된다. 그러나 제시된 성장함수는 다항함수 형태이며, 수온과 염분 각각에 대한 다항함수 형태로 인수분해를 하면 각각의 영향인자를 독립적으로 표현한 본 연구 방식과 동일하게 된다.
본 연구에서 사용한 환경인자와 적조성장속도에 관한 자료는 실험실 조건에서 수행되었기 때문에 현장에서는 어느 정도의 차이가 발생할 수 있다. 따라서 구성된 C. polykrikoides 모형을 이용하여 가용한 현장자료를 이용한 모형의 검정이 필요할 것으로 판단된다. 환경 인자를 제어할 수 있는 실험 자료와는 달리 현장에서는 모든 환경인자가 상호 영향을 미치며 시간적·공간적으로 변화하기 때문에 C.
ploykrikoides 성장률도 시간적·공간적으로 변화하게 되며, 최대 조류 성장률만이 특정 해역에서 일정한 값을 가지는 상수로 취급된다. 따라서 이러한 가정을 포함하고 있는 환경 인자가 모형 검정을 통하여 현장과 실험 자료의 정량적인 차이 또는 구조적인 차이를 파악할 수 있다면 보다 실용적인 적조 성장모형 구성이 가능할 것으로 판단된다. 또한 C.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
적조생물의 시간에 따른 번식 및 소멸은 어떤 특성 등이 지배하는가?
일반적으로 적조생물은 유영능력이 없는 생물로 간주되기 때문에 이동양상은 정확한 흐름모의를 통하여 예측이 가능하다. 그러나 적조생물의 시간에 따른 번식·소멸은 흐름과 더불어 광도(light intensity), 수온, 염분, 영양염류 농도와 같은 환경조건과 적조의 생리적인 특성 등이 지배하기 때문에 환경조건 및 생태학적인 특성 등을 반영하여 적조의 규모변화를 예측하여 영향범위를 제시하여야 한다(Seoul National University, 2014). 그러나 적조의 성장조건은 적조생물에 따라 서로 다르기 때문에 하나의 성장모형을 이용하여 적조의 규모를 예측하는 경우 상당한 오차가 발생하게 된다.
적조생물의 정확한 흐름모의를 통해 예측이 가능한 이유는 무엇인가?
적조는 연안의 어떤 특정 지점에서 발생한다 할지라도 흐름을 따라 이동하거나 환경조건에 따라 증식 또는 소멸되는 양상을 보이기 때문에 현장 관측 자료를 이용하거나 모형을 이용하여 적조의 이동경로 및 적조의 성장·소멸에 의한 규모변화 또는 영향범위를 예상하여 대책을 수립하는 것이 바람직하다. 일반적으로 적조생물은 유영능력이 없는 생물로 간주되기 때문에 이동양상은 정확한 흐름모의를 통하여 예측이 가능하다. 그러나 적조생물의 시간에 따른 번식·소멸은 흐름과 더불어 광도(light intensity), 수온, 염분, 영양염류 농도와 같은 환경조건과 적조의 생리적인 특성 등이 지배하기 때문에 환경조건 및 생태학적인 특성 등을 반영하여 적조의 규모변화를 예측하여 영향범위를 제시하여야 한다(Seoul National University, 2014).
해양수산부에서 적조에 의한 수산피해방지를 위한 훈령은 어떤 내용을 포함하고 있는가?
해양수산부에서는 적조에 의한 수산피해방지를 위한 대책수립에 필요한 사항을 결정하고, 효과적으로 대책업무의 효과적인 추진을 위한 훈령을 제시하고 있다(Ministry of Oceans and Fisheries, 2014). 이 훈령은 적조 예찰·예보 및 피해방지에 대한 요령을 제시하고 있으며, 신속한 적조예찰, 적조특보 발령 및 적조대책본부를 구성하여 운영하는 내용을 포함하고 있다. 적조는 연안의 어떤 특정 지점에서 발생한다 할지라도 흐름을 따라 이동하거나 환경조건에 따라 증식 또는 소멸되는 양상을 보이기 때문에 현장 관측 자료를 이용하거나 모형을 이용하여 적조의 이동경로 및 적조의 성장·소멸에 의한 규모변화 또는 영향범위를 예상하여 대책을 수립하는 것이 바람직하다.
참고문헌 (19)
Bowie, G.L., Mills, W.B., Porcella, D.B., Campbell, C.L., Pagenkopf, J.R., Rupp, G.L., Johnson, K.M., Chan, P.W.H., Gherini, S.A., Chamberlin, C.E., and Barnwell, B.O. 1985. Rates, Constants, and Kinetics Formulations in Surface Water Quality Modeling, Second Edition, Environmental Research Lab., EPA/ 600/3-85/040. US. EPA.
Gobler, C.J., Burson, A., Koch, F., Tang, Y and Mulholland, M.R. 2012. The role of nitrogenous nutrients in the occurrence of harmful algal blooms caused by Cochlodinium polykrikoides in New York estuaries (USA). Harmful Algae, 17:64-74
Jeong, H.J., Yoo, Y.D., Kim, J.S., Kim, T.H., Kim, J.H., Kang, N.S. and Yih, W.H., 2004. Mixotrophy in the phototrophic harmful alga Cochlodinium polykrikoides (Dinophycean): prey species, the effects of prey concentration and grazing impact, J. of Eukaryotic Microbiology, 52, 563-369.
Jeong, H.J., Yoo, Y.D., Kim, J.S., Seong, K.A., Kang, N.S., and Kim, T.H. 2010. Growth, feeding, and ecological roles of the mixotrophic and heterotrophic dinoflagellates in marine planktonic food webs, Ocean Science Journal, 45, 65-91.
Jorgensen, S.E. and Bendoricchio, G. 2001. Fundamentals of Ecological Modeling, Third Edition, Chap. 7, Elsevier.
Kim DI, Matsuyama Y, Nagasoe S, Yamagughi M, Yoon YH, Oshima Y, Imada N, Honjo T, 2004. Effects of temperature, salinity and irradiance on the growth of the harmful red tide dinoflagellate Cochlodinium polykrikoides Margalef (Dinophyceae), J. Plankton Research, 26(1):61-66
Kim HC, Lee CK, Lee SG, Kim HG, Park CK, 2001. Physico-Chemical Factors on the Growth of Cochlodinium polykrikoides and Nutrient Utilization, J. Kor Fish Aquat Sci. 34(5):445-456
Lee CK, Kim HC, Lee SG, Jung CS, Kim HG, Lim WA, 2001. Abundance of Harmful Algae, Cochlodinium polykrikoides, Gyrodinium impudicum and Gymnodinium catenatum in the Coastal Area of South Sea of Korea and Their Effects of Temperature, Salinity, Irradiance and Nutrient on the Growth in Culture, J. Kor Fish Aquat Sci. 34(5):536-544
Lee, C.K, Park, T.G., Park, Y.T., and Lim, W.A. 2013. Monitoring and trends in harmful algal blooms and red tides in Korean coastal waters, with emphasis on Cochlodinium polykrikoides, Harmful Algae, 30S, S3-S14.
Lim, W.-A. 2004. Studies on the Initiation of Cochlodinium ploykrikoides Bloom in the Southern Waters of Korea. Ph. D. Thesis, Pusan National University (in Korean).
Meyer-Arendt, J.R., 1968. Radiometry and photometry: Units and conversion factors, Applied Optics, 7(10), 2081-2084.
Ministry of Oceans and Fisheries, 2014. Methods on the red-tide monitoring in advance, forecasting, and potential damage prevention, MOF Instruction, No. 163. (2014. 3. 18. in Korean)
Murphy, Jr., T.W., 2012. Maximum spectral luminous efficacy of white light, J. of Applied Physics, 111, 104909:1-6.
Oh SJ, Kim CH, Kwon HK, Yang HS, 2010. Effects of Water Temperature, Salinity and Irradiance on the Growth of Harmful Dinoflagellate Cochlodinium polykrikoides Margelef isolated from South Sea of Korea in 2008. J. Kor Fish Aquat Sci. 43(6):715-722
Oh SJ, Yoon YH, Kim DI, Shimasaki Y, Oshima Y, Honjo T, 2006. Effects of Light Quantity and Quality on the Growth of the Harmful Dinoflagellate, Cochlodinium polykrikoides Margalef (Dinophyceae), Algae, 21(3):311-316.
Seoul National University, 2014. Planning Research on the Harmful Cochlodinium polykrikoides Bloom mechanism and Warning System Establishment, Ministry of Science, ICT and Future Planning (in Korean).
Shim, J.H. 2003. Plankton Ecology, Chap. 2, Seoul National University.
Thimijan, R.W. and Heins, R.D., 1983. Photometric, radiometric, and quantum light units of measure: A review of procedures for inter-conversion, HortScience, 18(6), 818-822.
Yamatogi T, Sakaguti M, Takagi N, Iwataki M, Matsuoka K, 2005. Effects of temperature, salinity and light intensity on the growth of a harmful dinoflagellate Cochlodinium polykrikoides Margalef occurring in coastal waters of West Kyushu, Japan. Bull. Plankton Soc. Japan 52(1):4-10 (in Japanese)
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