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[국내논문] 재배단계 농산물의 안전성 모의실험을 위한 개체기반 프로그램 개발
New Tool to Simulate Microbial Contamination of on-Farm Produce: Agent-Based Modeling and Simulation 원문보기

한국식품위생안전성학회지 = Journal of food hygiene and safety, v.32 no.1, 2017년, pp.8 - 13  

한상현 (농촌진흥청 국립농업과학원 농산물안전성부 유해생물팀) ,  이기훈 (농촌진흥청 국립농업과학원 농산물안전성부 유해생물팀) ,  양성규 (성균관대학교 물리학과) ,  김황용 (농촌진흥청 기술협력국) ,  김현주 (농촌진흥청 국립농업과학원 농산물안전성부 유해생물팀) ,  류재기 (농촌진흥청 국립농업과학원 농산물안전성부 유해생물팀)

초록
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본 연구는 식중독 세균 등 유해미생물에 의한 농산물 오염을 예측하여 대응방안을 마련할 수 있도록 하는데 필요한 모의실험 computing platform을 개발하고자 수행되었다. 농산물 오염은 그 빈도가 매우 낮고, 발생패턴도 극히 불규칙하여 계량적 요소가 많지 않기 때문에 기존의 광범위하게 활용되는 수리모형(Mathematical Modeling)이나 확률통계모형(Probability Statistical Modeling)을 기반으로 한 예측모형은 개발이 어렵다. 이와는 달리 개체기반모형(Agent-based Model)은 목적지향적인 각 개체들이 내재된 특성에 따라 변화하는 환경에서 상황 의존적 또는 자율적 행동을 하였을 때 나타나는 결과를 바탕으로 앞으로의 변화를 예측하는 모형으로 각 개체들에 대한 간단한 행동규칙과 몇 개의 변수를 활용하여 직관적 분석 가능하기 때문에 농산물의 안전성에 영향을 미치는 여러 개체 (농작물, 오염원, 오염매개자)가 상호작용하는 메커니즘을 모의실험하는 경우에 유용하다. 본 연구에서는 Scala와 Java 프로그래밍 언어에 기반을 둔 개체기반모형 개발환경을 지원하는 전용 소프트웨어인 NetLogo를 이용하여 프로그램을 제작하였다. 개발된 모형은 가상의 엽채류 재배지역을 대상으로 가축 또는 야생동물이 출입할 수 있도록 하였고, 이들 동물이 배설하는 분변에 있는 장관유래 식중독 세균에 의해 토양 오염 또는 농작물 오염이 발생될 수 있도록 하였다. 이 오염은 시간이 지남에 따라 점차 소멸되지만 건전한 동물이 오염된 농작물을 섭취하는 경우 다시 동물의 장내로 들어가게 되어 보균 동물이 될 수 있도록 하였고, 역시 이 보균 동물이 배설하는 분변에 식중독 세균이 있도록 설정하였다. 가상 엽채류 재배환경에서 생존하는 식중독 세균은 파리와 같은 위생해충에 의해 다른 곳의 토양이나 농작물에 옮겨질 수 있게 하였다. 작물체는 60일 동안 생장하고, 동물은 개체군의 밀도 증감이 없으며, 파리는 시간이 지남에 따라 개체군 밀도가 변동될 수 있도록 하였다. 동물 개체수, 파리 개체수, 그리고 초기 오염 작물 개체수를 달리하면서 작물체의 미생물 오염을 시뮬레이션한 결과, 다른 요인들 보다는 동물 개체수가 작물체 오염에 가장 큰 영향을 주는 것으로 판단되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study was conducted to develop an agent-based computing platform enabling simulation of on-farm produce contamination by enteric foodborne pathogens, which is herein called PPMCS (Preharvest Produce Microbial Contamination Simulator). Also, fecal contamination of preharvest produce was simulate...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 재배단계 농산물의 안전성을 모의실험하기 위한 새로운 도구로서 개체기반모형의 활용 가능성을 제안하기 위하여 ‘재배단계 농산물의 안전성 모의실험을 위한 개체기반 프로그램’을 개발하고자 수행되었다.
  • 본 연구는 재배단계 농산물의 안전성을 모의실험하기 위한 새로운 도구로서 개체기반모형의 활용 가능성을 제안하기 위하여 ‘재배단계 농산물의 안전성 모의실험을 위한 개체기반 프로그램’을 개발하고자 수행되었다. 즉, 농작물과 오염원, 그리고 오염매개자가 상호작용할 수 있는 가상공간에서 야생동물이 출입할 수 있는 엽채류 재배지역을 설정하고, 야생동물이 발생시키는 분변과 이를 통한 농작물 및 재배토양의 식중독균 오염, 분변을 매개하는 위생해충, 그리고 농작물 및 재배토양 중 식중독균 생존이 구현 가능하도록 하여 각각의 개체들이 임의로 부여된 행동규칙에 따라 행동하고 상호작용하도록 사용자가 명령할 수 있는 프로그램을 개발하는데 연구목적을 두었다.
  • 본 연구는 재배단계 농산물의 오염이 재배환경에 존재하는 개체들에 의해 어떻게 영향을 받는지를 모의실험 하기 위한 개체기반의 프로그램을 개발하기 위해 수행하였다. 모의실험 대상은 가축 또는 야생동물이 출입할 수 있는 가상의 엽채류 재배지역으로 하였다.
  • 본 연구에서 개발된 개체기반 프로그램은 농산물의 재배단계에서 농산물이 식중독세균에 의해 오염되고, 이후 오염이 확산되는 과정을 모의실험 할 수 있도록 사용자 편의의 platform을 제공하는데 의의가 있다. 기존의 질병확산 예측에 사용되는 역학모델과 개념적으로는 유사하지만 질병확산 역학모델은 질병의 감염율 및 감염원 노출위험도와 같은 계량적 자료를 기초로 확산계수를 계산하여 질병의 확산속도를 예측하는 것인 반면20-21), 본 연구에서 사용한 개체기반모형은 계량적 자료에 의존하지 않고 각 개체가 지닌 고유의 행동특성을 실행하였을 때 나타나는 결과를 보고 확산을 예측하는 메커니즘이다.
  • 본 연구는 식중독 세균 등 유해미생물에 의한 농산물오염을 예측하여 대응방안을 마련할 수 있도록 하는데 필요한 모의실험 computing platform을 개발하고자 수행되었다. 농산물 오염은 그 빈도가 매우 낮고, 발생패턴도 극히 불규칙하여 계량적 요소가 많지 않기 때문에 기존의 광범위하게 활용되는 수리모형(Mathematical Modeling)이나 확률통계모형(Probability Statistical Modeling)을 기반으로 한 예측모형은 개발이 어렵다.

가설 설정

  • 개체와 환경의 특성은 다음과 같다. 첫째, 환경은 고정된 값이 아니라 변화하는 동적 시스템이다. 둘째, 개체는 목적을 가지고 내재된 행동규칙에 따라 목표에 도달하는 방향으로 행동한다.
  • 둘째, 개체는 목적을 가지고 내재된 행동규칙에 따라 목표에 도달하는 방향으로 행동한다. 셋째, 개체는 환경에 대한 가장 합리적인 선택을 하면서 행동한다. 환경이 지속적으로 변화하므로 개체는 유사한 상황일지라도 다르게 행동하여 이전과는 다른 결과가 나타날 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
미생물에 의한 농산물 오염을 예측하여 대응방안을 마련할 수 있도록 하는 연구가 필요함에도 현실적으로 어려운 이유는? 이에 식중독 세균 등 유해 미생물에 의한 농산물 오염을 예측하여 대응방안을 마련할 수 있도록 하는 연구가 매우 필요한 시점이다. 하지만 재배단계에서의 농산물 또는 재배환경 오염은 그 빈도가 매우 낮고 발생 패턴도 극히 불규칙하여11-15) 오염발생 예측을 위한 계량적 요소가 많지 않기 때문에 기존의 계량적 자료를 획득하여 만들어지는 수리모형이나 확률통계모형을 기반으로 한 예측모형은 개발이 어렵다. 이와 달리 개체기반모형(Agent-Based Model, 개체기반모형 또는 행위자기반모형)은 목적지향적인 각 개체들이 내재된 특성에 따라 상황 의존적 또는 자율적 행동을 하였을 때 나타나는 결과를 바탕으로 앞으로의 변화를 예측하는 모형으로서 연구에 필요한 자료가 한정적인 경우에도 간단한 행동규칙과 몇 개의 변수를 활용하여 직관적 분석이 가능하다.
농산물 안전성에 영향을 미치는 여러 개체에는 어떤 것들이 있는가? 이와 달리 개체기반모형(Agent-Based Model, 개체기반모형 또는 행위자기반모형)은 목적지향적인 각 개체들이 내재된 특성에 따라 상황 의존적 또는 자율적 행동을 하였을 때 나타나는 결과를 바탕으로 앞으로의 변화를 예측하는 모형으로서 연구에 필요한 자료가 한정적인 경우에도 간단한 행동규칙과 몇 개의 변수를 활용하여 직관적 분석이 가능하다. 따라서 농산물 안전성에 영향을 미치는 여러 개체 (농작물, 오염원, 오염매개자)가 상호작용하는 메커니즘을 모의실험하는 경우에 유용하다고 할 수 있다. 일반적인 개체기반모형은 자율적  목적지향적인 개별 개체(agent)의 행동 특성과 상호작용을 기반으로 전체 시스템의 메커니즘을 분석하는 것을 주요 목적으로 하며, 개체와 환경으로 구성되어 있다.
농산물이 유해미생물에 의한 오염으로부터 안전하지 않을 수 있다는 인식이 확산된 이유는? 농산물은 전통적으로 축산물에 비해 인체 위해 미생물에 의한 오염으로부터 안전한 식품이라고 생각되어 왔다. 그러나, 미국과 유럽에서 농산물에 오염된 식중독 세균으로 인해 대규모 식중독사고가 수 차례 일어난 바 있었고1-6), 이후 여러 연구자들의 연구결과, 농산물 재배 환경으로 유입된 식중독 세균에 의해 농산물이 오염되어 결국 식중독사고로 연결될 수 있다는 것이 증명되면서 농산물도 유해미생물에 의한 오염으로부터 안전하지 않을 수 있다는 인식이 확산되고 있다7-10). 이에 식중독 세균 등 유해 미생물에 의한 농산물 오염을 예측하여 대응방안을 마련할 수 있도록 하는 연구가 매우 필요한 시점이다.
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참고문헌 (23)

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