[논문]메기(Silurus asotus) 및 엽채류의 성장과 생산을 위한 Hybrid BFT 아쿠아포닉스(HBFT-AP), 반순환 양식(Semi-RAS) 및 수경재배(Hydroponics)의 비교 연구

이동훈; 김진영; 임성률; 김달영; 김광배; 김주민; 김정대

doi:10.5657/kfas.2019.0482

메기(Silurus asotus) 및 엽채류의 성장과 생산을 위한 Hybrid BFT 아쿠아포닉스(HBFT-AP), 반순환 양식(Semi-RAS) 및 수경재배(Hydroponics)의 비교 연구
Comparative Study on Growth and Yield of Far Eastern Catfish Silurus asotus and Leafy Vegetables Grown in Hybrid BFT-Aquaponics, Semi-RAS and Hydroponics 원문보기

한국수산과학회지 = Korean journal of fisheries and aquatic sciences, v.52 no.5, 2019년, pp.482 - 495

이동훈 (경기도해양수산자원연구소) , 김진영 (경기도농업기술원) , 임성률 (경기도해양수산자원연구소) , 김달영 (경기도해양수산자원연구소) , 김광배 (경기도해양수산자원연구소) , 김주민 (세븐필라) , 김정대 (강원대학교 동물생명과학대학)

Abstract ▼ AI-Helper

This study compared the productivity of fish and vegetables grown using the hybrid biofloc technology-aquaponics (HBFT-AP), a semi-recirculating aquaculture system (SRAS), and hydroponics (HP). For the study of fish productivity (HBFT-AP vs. SRAS), fish were provided feed containing 3.0% monobasic potassium phosphate (MKP) for 18 weeks. After the 18-week feeding trial, the average weight of the sampled population (n=100) was not significantly different (P>0.05), while hematocrit (PCV, %), hemoglobin (Hb, g/dL), and plasma K (mEq/L) were significantly different (P<0.05) between the two groups (HBFT-AP: 47.83%, 15.48 g/dL, and 1.39 mEq/L; SRAS 34.83%, 11.81 g/dL, and 2.48 mEq/L). Leaf vegetable productivity (HBFT-AP vs. HP) was compared in three experiments (EXP 1-3), and slower growth was observed in both groups in EXP 2, in which pH was maintained at 5.0 or less throughout the experiment. During the 18-week feeding trial, total ammonia nitrogen (TAN), $NO_3-N$, and $PO_4-P$ levels increased with time in the HBFT-AP system, while the concentration of $NO_2-N$ remained below 0.1 mg/L throughout the study.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Ingredient composition of the experimental diets
그림 Fig. 1. Compartments of the experimental design. (A) Three production systems for fish and leafy vegetables cultivation (total area, 165m2.). HBFT-AP (hybrid biofloc technology-aquaponics), SRAS (semi-recirculating aquaculture system), HP (hydroponics) (B) HBFT-AP system. Water flow, fish tank(∮4.5 m)→sump tank(2×1 m)→pump(1.5 HP)→biohelix filter(680 L)→vegetable bed(2.9×0.6×0.1 m, No. 20)→fish tank (C) SRAS system. Water flow, fish tank(∮4.5 m)→sump tank(2×1 m)→pump(1.5 HP)→fish tank+sump tank (D) HP system. Water flow, nutrient solution tank→pump(1 HP)→sump tank(1×0.5×1 m)→pump(1.5 HP)→vegetable bed(2.9×0.6×0.1 m, No. 20)→sump tank.
표 Table 2. Chemical composition of the experimental diets¹
표 Table 3. Chemical composition of nutrient solution for growth of leaf vegetables in HP¹
표 Table 4. Growth performance of Far eastern catfish Silurus asotus fed diets with monobasic potassium phosphate (MKP1) in HBFTAP and SRAS for 18weeks
그림 Fig. 2. Growth of leafy vegetables in HP and HBFT-AP for 18 weeks. (A) EXP 1, (B) EXP 2, (C) EXP 3. HP, hydroponics. HBFT-AP, hybrid biofoc technology-aquaponics.
표 Table 5. Growth of fve leafy vegetables in HBFT-AP and HP for 23 days (EXP 1)¹
표 Table 6. Growth of fve leafy vegetables in HBFT-AP and HP for 24 days (EXP 2)¹
표 Table 7. Growth of fve leafy vegetables in HBFT-AP and HP for 24 days (EXP 3)¹
표 Table 8. Change of water quality (DO, pH, Temperature, EC and Turbidity) in HBFT-AP¹ for 18 weeks²
표 Table 9. Change of water quality (TAN, NO₂-N, NO₃-N and PO₄-P) in HBFT-AP¹ for 18 weeks²
표 Table 10. Characteristics of water quality in SRAS and HP for 18 weeks¹
표 Table 11. Hematological analysis of Far eastern catfsh Silurus asotus in HBFT-AP and SRAS for 18 weeks¹
표 Table 12. Nutrient concentrations in HBFT-AP and HP experimental groups for 18 weeks¹

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 Lee et al. (2019)의 MKP 사료(MKP 3.0%) 및 hybrid BFT을 적용한 HBFT-아쿠아포닉스(aquaponics) 생산 방법과 기존 내수면 어류양식에 사용되는 반순환여과식(semi-recirculating system) 방법 및 농업의 수경재배(hydroponics) 방법의 생산성 비교를 통해 현장 실용화 가능성을 살펴보고자 하였다.

제안 방법

이러한 상반된 결과는 식물이 영양분을 흡수하는 농도는 배액 성분, 환경조건, 생육단계에 따라 변하고, 식물이 가진 이온 선택성에 의해 스스로 유리한 생육 발달을 유지하는 것으로 유추된다(Abram, 1980). 본 실험은 HP시스템에서 18주간 엽채류 11종에 대해 3회(EXP 1. 2-5주, EXP 2. 9-12주, EXP 3. 14-17주) 입식하여 재배하였다. 3회 동안 EXP 2가 가장 낮은 성장을 보였고, 또한 HBFT-AP구와 비교에서도 낮은 성장도를 나타내었는데(Table 6), 이는 순환식 재배방식에 따른 영양분의 지속적 침적(Table 12)에 의한 pH 하강이 주된 원인으로 사료된다(Table 10).
(2016)는 일반적으로 아쿠아포닉 시스템에서는 양어 사육조 내 어류의 밀도에 따라 수치는 변화하나 질산염은 충분히 발생하며, P, Ca, Fe 및 K는 식물의 최적 성장을 위해 크게 결핍된다고 보고하였다. 현재 실험에서는 아쿠아포닉 시스템 내 식물 성장에 최대 결핍 요인으로 주목되는 K의 극복과 더불어 P의 농도도 상승시키기 위해 기존 상업용 사료에 사용되고 있는 일인산칼슘(MCP), 이인산칼슘(DCP) 또는 삼인산칼슘(TCP)와 같은 인산염 제제를 일인산칼륨(MKP)으로 대체하였고, 추가적으로 KCl도 사료 내 0.5% 첨가하였다. 18주간 어류 사양실험에서 HBFT-AP구와 SRAS구의 성장 요인(WG, FE, PER, SGR)들은 유사하게 나타났으나, 혈액 성상에서는 차이를 나타내었다.

대상 데이터

실험에 이용된 엽채류는 경기도농업기술원 육묘용 온실에서 육묘한 개체로 총 11종을 사용하였다. EXP 1에서는 적근대(swiss chard), 선풍포찹(sunpoong lettuce), 적로메인(romaine lettuce), 적겨자채(red leaf mustard) 및 카이피라(caipira lettuce) 5종이 사용되었다. HBFT-AP 실험구 및 HP 실험구 각각 900개체(품종 당 180개체)를 입식하여 23일 후 성장도 조사를 진행하였다.
실험에 사용된 메기(Silurus asotus)는 경기도해양수산자원연구소에서 사육 관리한 2,000마리 중 어체중(fish weight) 160-250 g의 개체 1,225마리를 선별하여 사용하였다. 본 사육 실험에 앞서 실험어는 제작된 MKP3 사료를 2주간 공급하여 적응시켰으며, 실험 개시 전 24시간 절식한 후 어류의 체중 측정이 수행되었다.
실험에 사용된 사료는 사조동아원㈜ 당진사료공장(충청남도 당진시)에서 직경 6 mm 내외 부상 EP (extruded pellet) 사료로 제작된 것으로, Lee et al. (2019)의 실험 결과에 보고된 MKP3(monobasic potassium phosphate 3% in diet)를 사용하였다(Table 1, 2).

데이터처리

어류의 성장 실험에서 얻어진 개시 어체중 및 종료 어체중의 각 실험구별(HBFT-AP 및 SRAS 실험구) 표본집단(100마리)의 평균 비교와 엽채류의 성장 항목(엽수, 엽중량, 엽체길이)은 SPSS Version 10 (SPSS, 1999) 프로그램의 일원분산분석(one-way ANOVA)을 이용하여 분석하였으며, 통계분석의 유의수준은 5% (P<0.05)에서 결정되었다. 분석에 앞서 모든 자료의 변량의 동질성(homogeneity of variance)은 Cochran’s test (Sokal and Rohlf, 1995)를 이용하여 확인하였다.

이론/모형

HBFT-AP 실험구의 수질관리는 Lee et al. (2019)이 보고한 수질관리 방법을 적용하였다. 어류 입식 후 2주 간은 Emerenciano et al.
05)에서 결정되었다. 분석에 앞서 모든 자료의 변량의 동질성(homogeneity of variance)은 Cochran’s test (Sokal and Rohlf, 1995)를 이용하여 확인하였다.
(2019)이 보고한 수질관리 방법을 적용하였다. 어류 입식 후 2주 간은 Emerenciano et al. (2017)의 방법에 준하여 사료 공급과 함께 유기탄소원인 정제 포도당을 계산하여 유용미생물(BFT-ST, EgeeTech, Ltd., USA)과 함께 아쿠아포닉 시스템 내 섬프수조에 투입한 후, 2주 후부터 유기탄소의 공급은 중단하고 무기탄소원으로 CO₂(탄산가스)를 pH가 6.0이하로 떨어질 때까지 지속적으로 사육수조에 투입하였다. 2-3일 간격으로 유용 미생물을 투입하였으나, pH 6.

성능/효과

5% 첨가하였다. 18주간 어류 사양실험에서 HBFT-AP구와 SRAS구의 성장 요인(WG, FE, PER, SGR)들은 유사하게 나타났으나, 혈액 성상에서는 차이를 나타내었다. Lee et al.
HBFT-AP구 역시 3회 실험 기간 동안 EXP 2 기간에 가장 낮은 엽채류 성장도를 보였으며, 이 기간에 가장 낮은 pH 값을 나타내어 공통된 성향을 나타내었다(Table 8). HP구는 4주간(9-12주) pH 5.0이하의 값을 보인 반면 HBFT-AP구는 11-12주 기간에 pH 5.0이하로 떨어져 2주 정도는 HP 시스템에 비해 식물재배에 적정한 pH를 유지하게 되어 엽채류 성장도가 높았음을 알 수 있다. 일반적으로 배양액의 pH는 5.
43의 값을 나타내었다고 보고하였다. 본 실험에서 HBFT-AP 생산의 메기는 SRAS 생산과 비교 시 높은 PCV, Hb의 값과 낮은 K 값을 나타내어(Table 10), Lee et al. (2019)의 이전 보고 결과와 일치하는 경향을 나타내었다. PCV와 Hb의 두 항목은 주로 어체 내 산소 운반 능력과 영양학적 빈혈의 판단이 되는 지표로, 앞서 언급한 여러 연구자들의 결과와 현재 실험의 SRAS구에 비해 HBFT-AP구에서 이 두 항목의 값이 높은 것은 폐쇄된 환경의 저 pH 상태에서 메기의 생체 대사과정에 필요한 산소 운반 능력을 증대시키기 위해 환경에 적응된 결과라 사료되며, 또한 K의 경우 Leard et al.
374mg/L)의 값을 보인다(Murashige and Skoog, 1962; TrejoTéllez and Gomez-Merino, 2012). 현재 실험의 HBFT-AP 실험구의 사육수 영양염 농도는 HP 실험구의 영양염 농도와 비교 시 PO₄-P (mg/L)를 제외하고는 유사한 값을 보이고 있으며, 특히 NO₃-N (mg/L)의 경우 2배 이상의 높은 농도를 나타내었고(Table 12), 전기전도도(EC) 역시 1,050 μs/cm의 값을 나타내어(Table 8) 엽채류 외 과채류 생산도 가능할 정도의 영양염과 환경을 조성하게 되었다. HBFT-AP 실험구와 HP 실험구 모두 순환식의 방법을 택한 엽채류 생산에서 실험기간이 늘어남에 따라 pH 하강은 공통된 사항이었고, 이를 방지하기 위해 13주 이후부터 중탄산나트륨을 두 실험구 모두에게 투여하였는데, 이에 따라 Na의 농도가 아주 높아지는 결과를 초래하였다(Tabe 12).

후속연구

향후 사육수 내 pH 조절을 위해 천연물인 굴패각의 비료(CaCO₃) 등을 이용하여 안정된 pH 조절 방법을 고안한다면 더욱 완벽한 HBFT-AP 시스템 구성이 가능할 것으로 사료된다. 아울러 세계에서 처음으로 시도된 HBFT-AP의 현장 적용 결과는 RAS기반에 운영되는 아쿠아포닉 시스템의 시설비 및 운영의 복잡성 문제를 보완할 수 있는 해결책으로 대두될 것이며, 향후 지속적인 연구를 통해 매뉴얼화한 후 아쿠아포닉스를 희망하는 농어가에 확대 보급 할 수 있을 것으로 예상된다.
(2019)이 보고한 MKP가 첨가된 HBFT-AP전용사료 외 빈번한 여과기 역세를 지양한 결과, 아쿠아포닉스 사육수 내 P, K및 Fe의 수치를 상승시켜 수경재배와 유사한 엽채류 생산성이 가능함을 제시하였다. 향후 사육수 내 pH 조절을 위해 천연물인 굴패각의 비료(CaCO₃) 등을 이용하여 안정된 pH 조절 방법을 고안한다면 더욱 완벽한 HBFT-AP 시스템 구성이 가능할 것으로 사료된다. 아울러 세계에서 처음으로 시도된 HBFT-AP의 현장 적용 결과는 RAS기반에 운영되는 아쿠아포닉 시스템의 시설비 및 운영의 복잡성 문제를 보완할 수 있는 해결책으로 대두될 것이며, 향후 지속적인 연구를 통해 매뉴얼화한 후 아쿠아포닉스를 희망하는 농어가에 확대 보급 할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아쿠아포닉스(aquaponics)란 무엇인가?	아쿠아포닉스(aquaponics)는 수산양식(aquaculture)과 농업의 수경재배(hydroponics)가 결합된 복합재배 시스템으로, 수산양식 생물의 성장과 생존을 위해 공급된 먹이(사료)가 종속및 독립영양미생물(heterotrophic and autotrophic microorgan-isms)에 의해 각종 무기물과 질산염으로 분해 및 생성된 것을식물이 성장 영양소로 흡수하면서 양어수질의 안정화와 식물성장을 이루어지게 하여 사육수의 교환없이 지속적으로 농∙수산물을 생산할 수 있는 친환경 생산방법이다(FAO, 2014). 아쿠아포닉스에서 식물생산을 위해 제공되는 양어사료는 식물이 필요로 하는 13종류 영양소(N, P, K, S, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Al) 중 10종류는 식물이 성장할 수 있는 적정량을 제공하나, Ca, K, Fe와 같은 영양소는 매우 부족할 정도로 존재하여 인위적으로 추가 되어야 한다(Rakocy, 2007).
	사육수의 재순환을 통한 양식방법의 대표적인 방식에는 무엇이 있는가?	현재까지 수산양식에서 사육수의 재순환을 통한 양식방법으로 recirculating aquaculture system (RAS)과 biofoc technology (BFT)가 대표적이나(FAO, 1986; Avnimelech et al.,2015), 국내 순환여과식양식(RAS)은 완전히 물을 재사용하는 것이 아니라 하루에 전체 순환수의 10% 이하가 환수되고 보충되는 것이 일반적이다(Suh et al.
	안정적으로 배액을 재사용하는 연구가 진행되는 이유는 무엇인가?	또한 농업분야에서 수경재배(hydroponics)는 인공 배지인 양액(nutrient solution)을 사용하는데, 배지 내 염류의 집적을 방지하기 위해 식물의 증산 요구량 이상으로 양액을 관수하여 일정 비율의 배액을 발생시키는 것이 일반적이다. 배액은 영양염 농도가 높기 때문에 방류할 경우 환경오염원으로 이어질 수 있어 비료와 수자원을 낭비하게 된다(Ahn and Son, 2011). 이러한 이유로 안정적으로 배액을 재사용하는 연구가 현재 진행되고 있으나(Gieling et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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