[논문]하이드로볼 배지경 아쿠아포닉스에서 사육수 및 상추 잎의 무기이온 농도 구명

이현진; 최기영; 최은영

doi:10.12791/ksbec.2020.29.3.293

하이드로볼 배지경 아쿠아포닉스에서 사육수 및 상추 잎의 무기이온 농도 구명
Determination of Mineral Nutrient Concentrations in Fish Growing Water and Lettuce Leaf for Hydroball Aquaphonics 원문보기

시설원예ㆍ식물공장 = Protected horticulture and plant factory, v.29 no.3, 2020년, pp.293 - 305

이현진 (한국방송통신대학교 대학원 농업생명과학과 대학원) , 최기영 (강원대학교 농업생명과학대학 미래농업융합학부) , 최은영 (한국방송통신대학교 농학과)

초록
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하이드로볼 배지경 아쿠아포닉스에서 상추의 엽과 수조내 무기이온 함량 변화를 구명하기 위하여 실험 1은 간이 NFT 시스템에 여과기를 장착한 후 물고기 12마리 사육한 처리구(F12)와 여과기 없이 하이드로볼 배지를 장착하고 물고기 12마리를 재배한 처리구(H12), 여과기를 장착하고 하이드로볼에 상추 모종 6주를 심고 물고기 12마리를 재배한 처리구(FHP12)와 여과기 없이 하이드로볼에 상추 6주를 심고 물고기 12마리를 재배한 처리구(HP12)로 설정하였고, 실험 2는 간이 NFT에 여과기를 장착하고 하이드로볼을 장착한 후 식물 없이 물고기 15마리 사육한 처리구(FH15)와 여과기를 장착하고 하이드로볼에 상추 6주를 심고 물고기 15마리를 사육한 처리구(FHP15)로 설정하였다. 실험 1, 2의 모든 처리구에서 재배 동안사육수 pH가 낮아졌고 pH와 EC는 식물 재배구에서 더 낮았다. 실험 2의 FHP15 처리구의 사육수 내 무기이온 농도를 수경재배의 양액농도와 비교하였을 때 NO₃-N과 P은 더 높았고 K는 16%, Ca은 49%, Mg은 82% 수준이었고 Fe는 불검출 수준이었다. FHP15 처리구에서 생산된 상추 생체중은 상품성 중량의 1/3(38g)수준이었다. 엽내 T-N과 P 함량은 적정수준에 근접하였고 K와 Fe 함량은 적정 미만이었으나 결핍증상은 없었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This experiment was aimed to identify concentrations of mineral nutrients in leaf lettuce (Lactuca sativa) grown on hydroball aquaponics and in the water for growing fish by conducting two experiments. The experiment I (Expt. I) was conducted with 12 fishes (F12) with and without filter, hydroball and plants (H12 (12 fishes, hydroball), FHP12 (12 fishes, filter, hydroball, 6 plants) and HP12 (12 fishes, hydroball, 6 plants)), and the experiment II (Expt. II) was with and without plants (FH15 (15 fishes, filter, hydroball), FHP15 (15 fishes, filter, hydroball, 6 plants)). The pH level in the water of all the treatments was decreased during the growing period, and the pH and EC of the water were lower in all the treatment with plants than those without plants in both Expt. I and Expt. II. When compared with adequate nutrient concentrations for hydroponics, nitrate nitrogen (NO3-N) and phosphorus (P) concentrations in the fish growing water were higher under the FHP15 treatment in Expt. II; however, potassium (K), calcium (Ca), and magnesium (Mg) were only 16, 49, and 82% of hydroponics, representatively, and iron (Fe) was not detected. The fresh weight of lettuce harvested from the FHP15 treatment was 38 g, only a 30% of marketable lettuce yield. The T-N and P contents of the leaf tissue grown under the FHP15 treatment were close to the optimal level; however, the K, Ca, and iron (Fe) contents were less than the optimal with no deficiency symptom.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 아쿠아포닉스 시스템에서 고품질 채소 생산을 위한 기초 연구자료를 얻고자 하이드로볼 배지경 아쿠아포닉스에서 상추의 엽과 근권의 무기이온 함량 변화를 구명하고자 수행하였다.

가설 설정

w: mean value for 2 replicates
w: mean±standard deviation for 6 replicates

제안 방법

수확한 식물체는 엽장, 엽폭, 엽수, 뿌리길이, 지상부와 지하부 생체중, 건물중 및 상대생장율을 측정하였다(Table 2). 실험 1에서 33 DAT에 측정된 생육은 뿌리길이를 제외하고 필터+하이드로볼+식물(FHP)와 하이드로볼+식물(HP) 두 처리는 유의차가 없었고 상대생장율(Relative growth rate, RGR)도 지상부는 0.
8) 정식판에 넣었다. 식물재배 처리구는 로메인 상추(Lactuca sativa L.) 종자를 버미큐라이트(vermiculite)에 파종하여 본엽 3~4장 자란 모종을 하이드로볼이 담긴 네트포트에 정식하였다.
실험 1은 간이 NFT 시스템에 여과기를 장착한 후 물고기 12마리 사육한 처리구(F12)와 여과기 없이 하이드로볼 배지를 장착하고 물고기 12마리를 재배한 처리구(H12), 과기를 장착하고 하이드로볼에 본엽 3~4장 자란 상추 모종 6주를 심고 물고기 12마리를 재배한 처리구(FHP12)와 여과기 없이 하이드로볼에 상추 6주를 심고 물고기 12마리를 재배한 처리구(HP12)로 설정하였다. 실험 2는 간이 NFT에 여과기를 장착하고 하이드로볼을 장착한 후 식물 없이 물고기 15마리 사육한 처리구(FH15)와 여과기를 장착하고 하이드로볼에 본엽 3~4장 자란 상추 6주를 심고 물고기 15마리를 사육한 처리구(FHP15)로 설정하였다(Fig.
실험 1은 사육수의 pH, EC, 온도는 매일 1회Multiparameter (PC Tester 35, Oakton, IL, USA)를 이용하여 측정하였으며, 용존산소량(DO, dissolved oxygen)은 수질측정키트(EZ Water Monitoring Test Kit, Ecosaver, Seoul, Korea)를 이용하여 정식 후 7일 간격으로 2회반복 측정하였고, 질소(NH₄- N, NO₂-N, NO₃-N), 인산(PO₄-P), 칼륨(K⁺), 칼슘(Ca²⁺), 마그네슘(Mg²⁺)은 7일 간격으로 채취한 시료를 여과(No. 6)한 후 이온 크로마토그래프 1(Ion Chromatograph 1, Dionex, USA)를 사용하여 분석하였다.
실험 1은 스마트팜 온실 벤치에 설치한 간이 박막수경(NFT, Nutrient Film Technique, NFT) 재배기(KSP-1000, Gafatech Ltd., Gyunggi, Korea, 46×32×24cm)에 며칠간 받아 둔 수돗물을 15.0L를 채우고 24시간 동안 사육환경이 안정화 된 것을 확인 후 3W의 인공여과기(submersible filtration pump) (HJ-311B, Zhejiang Sensen Industry Co., Ltd, Zhoushan, China)를 장착하고 물고기를 투입하여 4일간 사육하였다. 식물 무처리구는, 하이드로볼(Greenstar 300G, Kellan Inc.
실험 1은 정식 전과 최종 수확일에 실험 2는 정식일과 14일 간격으로 엽장, 엽폭, 엽수, 뿌리 길이, 생체중, 건물중을 측정하였다. 생체중은 수확 후 지상부와 지하부로 분리하여 전자저울(HS410A, Yousheng, Shanghai, China)로 측정하였고, 생체중 측정 후 건물중은 65℃ 건조기(HB-504F-0, Hanbaek Science Inc.
실험 1은 간이 NFT 시스템에 여과기를 장착한 후 물고기 12마리 사육한 처리구(F12)와 여과기 없이 하이드로볼 배지를 장착하고 물고기 12마리를 재배한 처리구(H12), 과기를 장착하고 하이드로볼에 본엽 3~4장 자란 상추 모종 6주를 심고 물고기 12마리를 재배한 처리구(FHP12)와 여과기 없이 하이드로볼에 상추 6주를 심고 물고기 12마리를 재배한 처리구(HP12)로 설정하였다. 실험 2는 간이 NFT에 여과기를 장착하고 하이드로볼을 장착한 후 식물 없이 물고기 15마리 사육한 처리구(FH15)와 여과기를 장착하고 하이드로볼에 본엽 3~4장 자란 상추 6주를 심고 물고기 15마리를 사육한 처리구(FHP15)로 설정하였다(Fig. 1).
실험 2는 간이 박막수경 재배기의 상단 재배조에 하이드로볼(Saengtoeball, Saengtoewon, Jinju, Korea) 8.0kg을 채우고 흑백 필름으로 덮었으며, 하단 사육조에는 18W 에어 펌프(SWT-20, LSK TECH, Busan, Korea)에 연결된 호스를 코너스펀지 필터(SF-290, Amazon, China) 2개를 연결하여 설치하였다. 실험 2에 사용한 사육수는 실험 70일 전 물고기를 사육한 후 그 물의 50%와 며칠간 받아 둔 수돗물 50%를 섞어 사육 탱크에 준비하였고 물고기를 입어 후 10일간 사육한 후 식물을 정식 하였다.
실험 2의 사육수 pH, EC는 매일 1회 Multiparameter(PC Tester 35, Oakton, IL, USA)를 이용하였고, 온도는 Watchdog (3686WD, Spectrum Technologies, Inc., IL, USA)으로 30분간격으로 측정하였고, 무기성분(NH₄-N, NO₃-N, PO₄-P, K⁺ , Ca²⁺, Mg²⁺)은 무기이온 측정기(Auto CG200, Cleangrow, UK)로 1일 1회 주 6회 측정하였다.
질소는 건조된 식물체를 마쇄한 후 0.3g을 CN분석기(Variomax CN, ELEMENTAR, Germany)로 질소와 헬륨을 사용하여 1200°C의 고온에서 연소 후 컬럼을 통한 TCD 검출기로 질소 가스 피크를 정량분석하였다. P, Ca, K, Mg, Fe은 마쇄한 시료를 0.

대상 데이터

본 실험에 사용된 물고기는 크기가 3~4cm, 평균 어체중은 5.77±2g인 잉어목, 잉어과 금붕어계 열대어 진주린(Carassius auratus)을 도매상에서 구입하여 사료(Premium 1C, Woosung Inc., Seoul, Korea)를 1일 2회 어체중의 1%를 공급하면서 사육하였다. 사료 성분은 수분 8.

데이터처리

각 처리마다 6 반복한 평균값으로 각 처리간의 통계적 유의성 검정은 SAS(Statistical Analysis System, V9.4, Cry, NC, USA)프로그램을 이용하여 분산분석하여 검증하였다.

성능/효과

K은 식물 재배구(FHP15)가 무재배구(FH15)에 비해 2/3수준으로 낮았고, Ca은 모든 처리구가소폭 증가하였으며, Mg은 두 처리 모두가 실험 시작 시점 보다 약 2배 축적되었다. PO₄-P은 지속적으로 증가하였지만, 정식 후 15~19일경 일시적으로 식물 재배구(FHP15)에서 무재배구보다 낮은 농도를 보였는데 이는 이 시기에 상추 생육이 빨라져 흡수가 급격히 일어난 것으로 보인다(Fig. 6).
수확한 식물체는 엽장, 엽폭, 엽수, 뿌리길이, 지상부와 지하부 생체중, 건물중 및 상대생장율을 측정하였다(Table 2). 실험 1에서 33 DAT에 측정된 생육은 뿌리길이를 제외하고 필터+하이드로볼+식물(FHP)와 하이드로볼+식물(HP) 두 처리는 유의차가 없었고 상대생장율(Relative growth rate, RGR)도 지상부는 0.07g·g^-1·day^-1, 지하부는 0.06g·g^-1·day^-1로유사한 결과를 보였으며 실험 2에서는 10 DAT에 측정된 RGR보다 20 DAT에 측정된 RGR이 낮아 후반기에 생육이 둔화된 것으로 나타났다(Fig. 7).
실험 2에서 관찰된 사육수 무기이온 농도와 앞서 발표된 기존 아쿠아포닉스 연구 결과에서 도출된 무기이온 농도를 수경 재배 양액의 무기이온 표준 농도와 비교하였을 때 사육수 이온 농도가 낮은 것으로 나타났다(Table 1). Pineda 등 (2017) 연구에서 물고기 밀도가 20kg·m^-3일 때 사육수 무기이온 함량을 수경재배 양액의 무기이온 표준 농도(Lee 등, 2015)와 비교하면 Mg을 제외한 모든 이온이 현저히 낮았고 특히, K이 매우 낮았다(Table 1, Reference II).

후속연구

Robaina 등(2019)는 아쿠아포닉스에서 식물 영양 부족을 해결하기 위해 물고기 에게 맞춤형 사료를 공급하여 식물이용가능 영양분을 증가시킬 필요가 있다고 하였다. 본 연구결과를 종합하면 소규모 아쿠아포닉스로 고품질 엽채류 생산을 위해 금붕어를 사용할 경우 아쿠아포닉스 규모에 따라적합한 어류밀도를 적용하는 것과 물고기와 식물 영양을 충족시키는 수준의 K, Ca, Fe이 배합된 사료개발도 필요할 것으로 보인다.
49%로 매우 낮았지만, 결핍증상은 관찰되지 않았다. 실험 2에서 엽내 Fe 함량이 11.0mg·kg¹ 로 매우 낮은데 결핍증상이 나타나진 않은 것은 주성분이 황토인 하이드로볼이 산화철(Fe₂O₃) 6.46~11.26%, 마그네슘 2~4%를 보유하고 있어(Kim 등, 2000) 식물이 황토의 산화철을 이용한 것으로 보이고 앞으로 세밀한 연구가 필요할 것으로 생각된다. 낮은 K 함량의 상추는 신장 기능이 손상된 환자들이 선호할 수 있지만(Renna 등, 2018), 식물 생육을 저조하게 하여 생산성이 낮아질 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아쿠아포닉스란 무엇인가?	따라서, 증가하는 식량 수요를 충족시키고 식품의 신선도와 안전성을 확보하면서 환경친화적인 농업기술이 필요하다. 아쿠아포닉스(Aquaponics) 는 물고기 사육 수조의 영양분이 식물재배에 필요한 영양소를 공급함으로써 양어(Aquaculture)와 수경(Hydroponics)이 통합된 재배 방식으로 자연 생태계와 흡사한 영양 순환 시스템이며(Francis 등, 2003), 지속 가능한 농업 시스템의 하나이다(Lehman 등, 1993). 기존의 식품 생산 시스템보다 질소 배출량과 물의 양을 줄이고, 농약과 비료를 사용하지 않아 환경 오염을 감소시키고, 유기재배 상품으로써 부가가치를 가진 식물을 생산할 수 있다(Rakocy 등, 2006).
	아쿠아포닉스의 지속 가능한 농업 시스템적 특징은 무엇인가?	아쿠아포닉스(Aquaponics) 는 물고기 사육 수조의 영양분이 식물재배에 필요한 영양소를 공급함으로써 양어(Aquaculture)와 수경(Hydroponics)이 통합된 재배 방식으로 자연 생태계와 흡사한 영양 순환 시스템이며(Francis 등, 2003), 지속 가능한 농업 시스템의 하나이다(Lehman 등, 1993). 기존의 식품 생산 시스템보다 질소 배출량과 물의 양을 줄이고, 농약과 비료를 사용하지 않아 환경 오염을 감소시키고, 유기재배 상품으로써 부가가치를 가진 식물을 생산할 수 있다(Rakocy 등, 2006).
	아쿠아포닉 시스템은 토양과 어떻게 다른가?	식물 성장에 필요한 16개의 필수영양소 중 수소(H), 산소 (O) 및 탄소(C)로 공기와 물을 통해 공급되고, 인(Phosphorus, P), 칼륨(Potassium, K), 칼슘(Calcium, Ca), 마그네슘(Magnesium, Mg), 황(Sulphur, S) 붕소(Boron, B), 구리(Copper, Cu), 철(Iron, Fe), 염소(Chloride, Cl), 망간(Manganese, Mn), 몰리브덴(Molybdenum, Mo), 아연(zinc, Zn), 니켈(Nikel, Ni)은 토양용액에서 식물의 뿌리를 통해 흡수된다(Epstein과 Bloom, 2005). 토양과 달리 아쿠아포닉 시스템에서는 공급된 사료를 어류가 섭취하여 소화와 대사과정을 통해 배출한 배설물(아가미 배설, 소변 및 대변)이 용해되고, 미생물이 배설물을 가용화하여 식물이 흡수 가능한 영양분 형태로 만든다. 어류 사육수 및 식물의 뿌리에 위치한 박테리아, 고세균, 곰팡이, 원생 동물 등과 같은 미생물 군집들의 탈질 및 무기질화 과정은 어류를 건강하게 성장시킬 수 있는 수질의 안정화와 식물체로의 영양공급에 중요한 역할을 한다(Goddek 등, 2016; MunguiaFragozo 등, 2015; Joyce 등, 2019; Bittsanszky 등, 2016).

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저자의 다른 논문 :

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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하이드로볼 배지경 아쿠아포닉스에서 사육수 및 상추 잎의 무기이온 농도 구명
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