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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 볼락의 지속적인 자원 관리와 양식에서의 생산성 향상에 기여할 목적으로, 차세대 광원으로 주목받고 있는 LED를 이용하여 암순응시 볼락의 ERG (electroretinogram)를 측정하고, 그 결과로부터 기존에 연구되지 않았던 볼락의 시각 스펙트럼 민감도 (visual spectral sensitivity)를 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서 광원으로 사용한 LED 패키지에 대하여 광학적 특성을 조사하였다. LED 패키지에 인가되는 전류를 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60 mA로 점차 증가시켰고, 이에 따른 스펙트럼 곡선의 변화를 관찰하였다.
제안 방법
- ERG wave는 광 자극의 강도, 안구와 자극 광 장치간의 거리, 망막의 명순응 및 암순응 상태 등의 영향을 받으며, 이에 본 연구에서는 다른 조건은 모두 일정하게 하고 광 파장과 강도만을 달리하여 ERG를 측정하였다.
- 볼락을 해수로부터 꺼낸 상태에서 ERG를 기록하였고, 해수 (18-20℃)를 볼락의 아가미에 인위적으로 공급하여 실험 동안에도 호흡을 가능하게 하였다. ERG 기록 전 볼락을 암실에 한 시간 넘게 두어 충분히 암순응 (dark adaption)을 시켰으며, 금속 프레임에 암막커튼을 덮어 씌워 실험 장치에서 나오는 미세한 빛을 완전히 차단하였다. 실험 동안에는 흐릿한 적색 손전등만을 사용하였다.
- ERG 신호는 수 μV수준으로 미약하므로, bioelectric amplifier (P400, PhysioLab, Korea)로 약 25,000배 증폭 하여 데이터로거 (DA20, RION, Japan)와 PC로 동시에 전송하였다 (Fig. 3).
- LED 자극 광의 강도에 따른 b-wave의 진폭 변화를 분석하였으며, 그 결과의 예는 Fig. 7, 8과 같다. Fig.
- 본 연구에서 광원으로 사용한 LED 패키지에 대하여 광학적 특성을 조사하였다. LED 패키지에 인가되는 전류를 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60 mA로 점차 증가시켰고, 이에 따른 스펙트럼 곡선의 변화를 관찰하였다. 그 결과, 전류가 증가함에 따라 광 강도 (W/m2)가 증가하였으며, 곡선의 피크 파장은 전류가 증가하여도 거의 변화하지 않고 일정하게 유지되었다 (Fig.
- 전류 제어에 사용한 8개의 고정 저항은 Table 2에 나타내었다. R1~R8 순으로 저항을 연결하여 광원에 흐르는 전류를 단계적으로 증가시켰고, 광 강도를 점차 높이는 방법으로 ERG를 측정하였다. 자동적인 광 강도 조절을 위해, 저항에 PLC (programmable logic controller, K7M-DR206, LS Industrial Systems, Korea)를 연결하여 R1~R8까지 타임 스위칭 되도록 조정하였다 (Fig.
- 5 mm)에 3×3 행렬로 배열 및 배선 한 후 접착시켜 사용하였다. 각 LED 광원들은 수동으로 조절하였으며, 에폭시 기판은 실험 어의 안구에서 약 17 cm 위쪽에 설치하여, LED 패키지로부터 방사되는 빛이 실험어의 동공 전체에 충분히 비추어 질 수 있도록 하였다.
- 2). 광 자극은 5 sec 간격으로 100 ms 동안 주었으며 8단계의 광 강도에 대하여 최소 5번 이상 ERG를 측정하였다.
- 4 ml)를 근육 내 주사하여 근육을 마비시켰다. 내장 기관에 손상을 주지 않기 위해 볼락의 등과 꼬리 부근으로 주사하였으며, gallamine triethiodide의 적정량을 2~3번에 걸쳐 나눠서 주사하였다. 마비에 소요된 시간은 개체마다 차이가 있었으나 약 10-15분 정도 소요되었다.
- 자극 광이 약하여 a-wave가 나타나지 않은 경우에는 baseline으로부터 b-wave의 진폭을 계산하였다. 민감도는 역치의 역수로 나타낼 수 있으므로, 각 파장에 해당하는 시각 역치를 역수로 하여 상대적인 스펙트럼 민감도를 구하였다.
- 본 실험에서는 ERG의 b-wave가 최소 진폭을 생성하는데 필요한 자극 광의 강도를 시각 역치로 하였다. b-wave의 진폭 (μ V)은 a-wave의 최저점과 b-wave의 최고점의 차이로 정의된다.
- 본 연구에서는 LED 광원 (405-660 nm)에 대한 암순응시 볼락의 망막전위도 (ERG)를 측정하여 시각 스펙트럼 민감도를 추정하였다.
- 어류는 일반적으로 인간이 보지 못하는 자외선 영역까지도 볼 수 있으며, 산란과 흡수라는 해양의 광 특성을 고려한다면 광 에너지를 나타내는 단위를 사용하는 것이 적합하다. 본 연구에서는광 에너지와 양의 선형 관계에 있는 광량을 측정하였으며 단위는 quanta/cm2/s로 표현하였다. 자극 광의 강도 (quanta/cm2/s)는 radiometer (QSL-2101, Biospherical Instruments Inc.
- 볼락이 근육의 마비로 인해 옆으로 기울어 유영하지 못하는 상태가 되었을 때 정육면체 금속 프레임 (L600× W600×H600 mm) 안에 두었다.
- 본 연구에서는광 에너지와 양의 선형 관계에 있는 광량을 측정하였으며 단위는 quanta/cm2/s로 표현하였다. 자극 광의 강도 (quanta/cm2/s)는 radiometer (QSL-2101, Biospherical Instruments Inc., USA)를 사용하여 실험어의 안구와 거의 동일한 위치에서 측정하였다.
- 자극광의 강도는 광원에 공급되는 전류를 제어함으로써 조절하였다. 전원은 직류-전력공급기 (DC power supply, GP-430TP, LG Precision co.
- R1~R8 순으로 저항을 연결하여 광원에 흐르는 전류를 단계적으로 증가시켰고, 광 강도를 점차 높이는 방법으로 ERG를 측정하였다. 자동적인 광 강도 조절을 위해, 저항에 PLC (programmable logic controller, K7M-DR206, LS Industrial Systems, Korea)를 연결하여 R1~R8까지 타임 스위칭 되도록 조정하였다 (Fig. 2). 광 자극은 5 sec 간격으로 100 ms 동안 주었으며 8단계의 광 강도에 대하여 최소 5번 이상 ERG를 측정하였다.
- 2개의 전극 중 기록 전극으로 사용한 것은 볼락의 각막에 접촉시켰고, 기준 전극은 아가미 움직임의 영향이 적은 안구 주변에 접촉시켰다. 전극으로 인해 눈에 상처가 생기지 않도록 전극의 끝 부분을 구부려 각막에 닿게 하였으며, 기록 전극 및 기준 전극은 3축 micromanipulator (MM3, Narishige Scientific Instrument Lab., Japan)를 사용하여 고정하였다. ERG 측정 장치들을 철망 cage 내에 설치하여 외부로부터 인가되는 전기적 잡음을 최대한 억제하였다.
- 자극광의 강도는 광원에 공급되는 전류를 제어함으로써 조절하였다. 전원은 직류-전력공급기 (DC power supply, GP-430TP, LG Precision co., Ltd., Korea)를 사용하여 공급하였고, 전류는 저항의 크기가 다른 8개의 고정 저항을 직렬로 연결하여 제어하였다. 전류 제어에 사용한 8개의 고정 저항은 Table 2에 나타내었다.
- 하나의 단일 광원으로 LED 패키지 (L5×W5×H1.5 mm) 1개를 사용하였고, 각 파장에 해당하는 9개의 LED 패키지를 에폭시 기판 (L80×W80×H1.5 mm)에 3×3 행렬로 배열 및 배선 한 후 접착시켜 사용하였다.
대상 데이터
- ERG 측정을 위해서 9개의 단일 LED 광원을 사용하였다. 각각의 광원은 서로 다른 피크 (peak) 파장을 가지며, 그 파장의 범위는 405~660 nm이었다 (Fig.
- ERG는 염화은으로 코팅 된 2개의 silver wire 전극 (540800, A-M systems, USA, Ø0.2×L11 mm)을 사용하여 기록하였다.
- 본 연구에서 실험어는 볼락 치어와 성어로 구분하여 각각 5마리씩, 총 10마리를 사용하였다. 볼락 치어는 경상남도수산자원연구소에서 2013년 1월 중순에 산출하여 자란 치어를 2013년 3월 30일에 부경대학교 LED ‒해양융합기술연구센터의 실험실 내 수조로 운반하여약 17개월 동안 사육 중이었던 것을 사용하였다.
- 본 연구에서 실험어는 볼락 치어와 성어로 구분하여 각각 5마리씩, 총 10마리를 사용하였다. 볼락 치어는 경상남도수산자원연구소에서 2013년 1월 중순에 산출하여 자란 치어를 2013년 3월 30일에 부경대학교 LED ‒해양융합기술연구센터의 실험실 내 수조로 운반하여약 17개월 동안 사육 중이었던 것을 사용하였다. 사육 수조는 순환여과식 수조 (L1050×W600×H600 mm)를 사용하였고, 수온은 히터와 냉각기를 이용하여 18±1℃ 로 유지시켰다.
- 4 μ V이었다. 실험에 사용한 볼락 치어의 5마리 중 2마리는 실험 도중 신호가 불안정하게 변하여 660 nm 파장에서의 ERG를 측정하지 못하였다. 볼락 치어 (n=5)와 성어 (n=5)를 각각 평균하여 나타낸 파장별 시각 역치는 Table 3과 같다.
데이터처리
- 볼락 치어 (n=5)와 볼락 성어 (n=5)의 시각 역치는 574 nm (녹색 계열)에서 가장 낮았으며, 591 nm (주황 계열)에서 두 번째로 낮았다. 574 nm에서 볼락 치어의 시각 역치는 11.66 (log quanta/cm2/s)으로, 볼락 성어의 시각 역치인 11.81 (log quanta/cm2/s) 보다 다소 낮았으나, 통계적으로 유의한 차이는 없었다 (Independent two samples t-test, n=5, p=0.18). 볼락의 체장이 증가함에 따라 시각 역치도 높아지는 경향이 나타났으나, 통계적으로 유의한 차이는 없었다 (Spearman's rho correlation, n=10, p=0.
- 21 미만이었다. 574 nm에서 볼락 치어의 시각 역치는 11.66 (log quanta/cm2/s)으로, 성어의 시각 역치인 11.81 (log quanta/cm2/s) 보다 다소 낮았으나, 통계적으로 유의한 차이는 없었다 (Independent two samples t-test, n=5, p=0.18).
- 이 모델의 매개 변수들 (λmax, 각각의 가중 계수)은 최대 우도 방법 (maximum likelihood)을 사용하여 측정 데이터에 모델 근사시킴으로써 추정하였다. 모델 근사는 SPSS 통계소프트웨어 (Ver.22, IBM, USA)의 비선형 회귀 분석을 통해 시행하였다.
- 3). 측정된 ERG 데이터는 Labchart8 reader software (ADinstruments, New Zealand)를 사용하여 필터링 한 후 분석하였다 (low cutoff, 0.1 Hz; high cutoff, 40 Hz).
이론/모형
- 이 모델의 매개 변수들 (λmax, 각각의 가중 계수)은 최대 우도 방법 (maximum likelihood)을 사용하여 측정 데이터에 모델 근사시킴으로써 추정하였다.
- 측정 데이터로부터 볼락의 스펙트럼 민감도 곡선과 피크 파장을 추정하기 위해서 α-band의 시각 색소 흡광도를 나타내는 SSH (Stavenga et al. 1993)의 모델 식을 사용하였다.
성능/효과
- 9와 같다. 9개의 LED파장 중에서 역치가 가장 낮았던 2개의 파장 (574, 591 nm)에 대하여 조사한 결과, 체장이 증가함에 따라 시각 역치도 높아지는 경향이 나타났다. 그러나 통계적으로는 유의한 차이는 없었다 (Spearman's rho correlation, n=10, p=0.
- , Japan)를 사용하여 고정하였다. ERG 측정 장치들을 철망 cage 내에 설치하여 외부로부터 인가되는 전기적 잡음을 최대한 억제하였다.
- LED 패키지에 인가되는 전류가 증가함에 따라 광 강도가 선형적으로 증가하였으며 (결정계수 r 2>0.97), 광 강도의 기울기는 파장마다 차이를 보였다.
- 151014 quanta/cm2/s로 가장 높았다. 광 강도는 574 nm에서 장파장 (591, 610, 620, 640 nm)으로 갈수록 높아졌으며, 505 및 520 nm의 광 강도는 각각 1.911014 및 2.971014 quanta/cm2/s로 동일한 녹색 계열의 광원인 574 nm보다 더 높았다. 405 nm (보라색 계열)에서의 광 강도는 2.
- 4). 광원으로 사용한 9개의 LED 패키지 모두 유사한 변화를 나타내었으며, ERG를 측정하기에 적합한 단일 광으로 판단되었다.
- LED 패키지에 인가되는 전류를 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60 mA로 점차 증가시켰고, 이에 따른 스펙트럼 곡선의 변화를 관찰하였다. 그 결과, 전류가 증가함에 따라 광 강도 (W/m2)가 증가하였으며, 곡선의 피크 파장은 전류가 증가하여도 거의 변화하지 않고 일정하게 유지되었다 (Fig. 4). 광원으로 사용한 9개의 LED 패키지 모두 유사한 변화를 나타내었으며, ERG를 측정하기에 적합한 단일 광으로 판단되었다.
- 또한 연안해역에서의 어류의 시각 색소가 청녹색 배경광에서는 500-550 nm, 녹색 배경광에서는 520-570 nm의 스펙트럼 파장범위 내에 있을 때 가장 양호한 시정특성을 갖는다고 보고된 바 있다 (Lythgoe, 1979). 따라서 본 연구의 조사대상 어종인 볼락은 연안해역에 가장 적합한 시각 능력을 지니고 있는 것으로 판단된다.
- 따라서 볼락은 어두운 환경에서 녹색광 계열에 가장 민감하며, 청색광 계열 (단파장)보다는 황·적색광 계열 (장파장)에 더 민감한 것으로 나타났다.
- 그러나 볼락은 음성 주광성이므로 지나치게 밝은 불빛에는 잘 접근하지 않기 때문에 희미한 불빛이 효과적이다. 이를 위해 볼락의 시각 역치인 11.66 (log quanta/cm2/s)을 고려하여 적절한 수중 조도를 유지시킨다면, 비교적 약한 광으로도 효율적인 효과를 가져 올수 있으므로 생산비 절감 및 생산성 향상 등과 같은 효과를 가져 올 수 있을 것으로 판단된다.
- 청·녹색 계열 (465, 505, 520 nm)과 적색 계열 (610, 640, 660 nm) 로 갈수로 시각 역치는 높아졌으며, 각 파장에 해당하는 시각 역치의 표준 편차는 모두 0.21 미만이었다.
후속연구
- , 2001), 본 연구의 볼락의 경우에는 성숙에 크게 영향 받지 않는 것으로 나타났다. 담수어와 해수어는 서식 환경의 차이가 크기 때문에 그들의 시각 시스템 또한 다를 수 있다고 판단되며, 또한 시감도에 영향을 줄 수 있는 사육 환경의 차이를 배제하기 위해서 동일한광 조건에서 자란 개체들에 대한 추가 연구가 필요할 것이다.
- 최근 볼락 가두리 양식장에서 야간 점등 (빛)을 이용 하여 동물플랑크톤을 유도함으로서 자연산 먹이 생물을 활용하기 위한 방안이 연구되고 있다 (Kim, 2006). 따라서 가두리 양식장에서 야간에 녹색 계열 (551 nm) 의 광원을 사용하여 볼락의 먹이 인지 능력을 향상시킨다면, 이들 광원에 군집한 플랑크톤의 섭이능력이 향상 되어 볼락의 성장률을 간접적으로 촉진시키는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 암순응시 볼락 치어와 성어의 시각 스펙트럼 민감도 곡선의 피크 파장(λmax)은 551 nm (녹색 계열)로 동일하였다. 따라서 본 연구의 조사대상 어종인 볼락은 연안해역에 가장 적합한 시각 능력을 지니고 있는 것으로 판단되며, 가두리 양식장에서 야간에 녹색 계열의 광원을 사용하여 볼락의 먹이 인지 능력을 향상시킨다면, 볼락의 성장률을 간접적으로 촉진시키는데 기여할 수 있을 것으로 기대 된다.
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