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문제 정의
- 이 연구에서는 이러한 미세기포 발생기술을 이용하여 양식장에서 사용하는 액화산소를 보다 효율 적으로 녹여줌으로써 액화산소 효율적 방출에 따른 수온 저감과 산소의 용존성을 높이고자 하였다. 또한 이러한 기술이 여름철 고수온에 의한 양식어류의 피해를 저감할 수 있는 가능성이 있는지를 검증 하고자 하였다.
- 최근 미세기포기술은 수처리 등 많은 과학 및 기술 분야 에서 광범위하게 적용되어 큰 주목을 받고 있다(Kaushik and Chel, 2014). 이 연구에서는 이러한 미세기포 발생기술을 이용하여 양식장에서 사용하는 액화산소를 보다 효율 적으로 녹여줌으로써 액화산소 효율적 방출에 따른 수온 저감과 산소의 용존성을 높이고자 하였다. 또한 이러한 기술이 여름철 고수온에 의한 양식어류의 피해를 저감할 수 있는 가능성이 있는지를 검증 하고자 하였다.
- 처음 일주일은 시스템이 완벽하게 갖추어지지 못한 이유로 수직이동을 통한 측정을 하지 못하고 수심 6 m에 고정시켜 1분 간격으로 수질을 측정하였고, 이후부터 약 2개월간 천수만 가두리 양식장 내 한 지점에서의 수심에 따른 수온, 염분, 용존산소, pH, 형광, 탁도 변화를 모니터링하였다. 이 연구에서는 초기 일주일간 수온과 용존산소의 연속 관측자료를 분석하였다. 해당 양식장에서 폐사된 어류 개체는 매일 수거하여 각 수조별로 기록하였다.
제안 방법
- YSI ProDss 센서 (YSI Inc., OH, USA)를 사용하여 양식 장내 수온, 염분, 용존산소를 깊이별로 측정하였다.
- 미리 만들어 놓은 marine agar 배지에 각 농도별 해수를 접종한 후 25℃에서 5일 동안 배양 후 계수하여 정점에 따른 종속영양세균을 파악하였다.
- 대조구로는 이웃한 양식장에서 같은 기간 동안 50% 폐사가 일어난 것을 기초로 하여 비교 분석하였다. 그 결과 미세기포 액화산소 주입을 통해 최대 약 2 억원, 최소 6~7천만 원의 손실 절감이 발생한 것으로 추정되었다.
- 또한 이와 함께 환경변화를 실시간으로(약 30분 간격) 수직 모니터링 및 자료 저장할 수 있는 AutoProfiling Platform 시스템을 설치하여 실험하였다. 이 시스템은 CTD를 플랫폼위에 올린 후 A-프레임 자동도르래를 이용하여 수직으로 약 30분 간격으로 표층에서 저층까지 수직운동을 하면서 환경인자를 측정하게 된다.
- 양식장내 정점들에서 수질을 측정한 후 최소 3개의 멸균된 1 L 채수병에 표층 해수를 담고 아이스박스에 보관하여 실험실로 운반하였다. 미세기포 발생장치를 운영한 양식장(정점 Treatment), 설치하지 않은 다른 양식장(정점 Control), 양식장 밖 약 200~300 m 내의 천수만(정점 Reference)에서 해수를 채집하여 비교하였다. Vibrio 배양을 위해 채수한 해수 200 ml 를 47 mm membrane filter로 거른 뒤(최소 3 반복구), 만들어 놓은 TCBs 배지에 필터지를 기포가 생기지 않도록 위에 놓아주었다.
- 여름철의 고수온으로 인한 양식 어류의 대량 폐사를 저감하기 위한 방법으로 양식장에서 사용하는 액화산소를 미세기포 발생장치를 통해 양식장 수조에 주입하는 실험을 천수만 대야리 양식장에서 진행하였다. 미세기포 주입 전, 후 및 약 한 달여에 걸쳐 물리적인 환경변화, 세균의 발생변화 및 양식어류(조피볼락) 폐사 개체수를 모니터링 하였다. 그 결과 수온이 최대 0.
- 폐사 자료를 기초로 경제적 손실에 대한 재무분석을 실시하였다. 실험 가두리 수조에 대한 간이 재무분석은 기존 가두리수조의 폐사대비 미세기포를 적용하여 저감된 피해액과 여기에 미세기포 설비 및 설치 비용과 액화 산소 비용을 고려하여 추정하였다. 저감된 피해액은 감소된 폐사개체수에 중량당 위판단가(원 kg-1)를 곱하여 얻어졌다.
- 액화산소 미세기포 주입의 효과를 검증하기 위해 미세기포 발생장치 설치 전, 그리고 설치 후의 작동 일주일 후부터 약 일주일 간격으로 양식장 환경을 조사하였다. YSI ProDss 센서 (YSI Inc.
- 양식장내 미생물의 변화를 보기위해 Vibrio와 종속영양세균을 배양하여 계수하였다. 양식장내 정점들에서 수질을 측정한 후 최소 3개의 멸균된 1 L 채수병에 표층 해수를 담고 아이스박스에 보관하여 실험실로 운반하였다.
- 여름철의 고수온으로 인한 양식 어류의 대량 폐사를 저감하기 위한 방법으로 양식장에서 사용하는 액화산소를 미세기포 발생장치를 통해 양식장 수조에 주입하는 실험을 천수만 대야리 양식장에서 진행하였다. 미세기포 주입 전, 후 및 약 한 달여에 걸쳐 물리적인 환경변화, 세균의 발생변화 및 양식어류(조피볼락) 폐사 개체수를 모니터링 하였다.
- 이 시스템 1기에 의한 수온과 용존산소의 변화를 나타내기 위해 다음과 같은 관계식을 만들었으며 그 결과를 모델링하였다.
- 이러한 박테리아 번식 미생물의 활성을 살펴보기 위해 종속영양세균과 비브리오균을 접종 배양 후 계수하였다. 천수만 해역(Reference site)과 비교해서 조피볼락 양식장 내의 종속영양세균과 비브리오균 두 세균 모두 약간 높거나 비슷한 농도로 분포함을 알 수 있었다(Fig.
- 이러한 폐사 자료를 기초로 경제적 손실에 대한 재무 분석을 실시하였다.
- 종속영양세균 분석을 위해서는 미리 멸균시킨 여과해수 9 ml에 각 정점별 채집된 해수를 1 ml씩 혼합하여 농도를 10-1로 낮추었다(각 정점별로 4번 반복구). 이후 다시 순차적으로 희석하여 최대 농도를 10-3로 하였다.
- 처음 일주일은 시스템이 완벽하게 갖추어지지 못한 이유로 수직이동을 통한 측정을 하지 못하고 수심 6 m에 고정시켜 1분 간격으로 수질을 측정하였고, 이후부터 약 2개월간 천수만 가두리 양식장 내 한 지점에서의 수심에 따른 수온, 염분, 용존산소, pH, 형광, 탁도 변화를 모니터링하였다. 이 연구에서는 초기 일주일간 수온과 용존산소의 연속 관측자료를 분석하였다.
- 폐사 자료를 기초로 경제적 손실에 대한 재무분석을 실시하였다. 실험 가두리 수조에 대한 간이 재무분석은 기존 가두리수조의 폐사대비 미세기포를 적용하여 저감된 피해액과 여기에 미세기포 설비 및 설치 비용과 액화 산소 비용을 고려하여 추정하였다.
- 이 연구에서는 초기 일주일간 수온과 용존산소의 연속 관측자료를 분석하였다. 해당 양식장에서 폐사된 어류 개체는 매일 수거하여 각 수조별로 기록하였다.
대상 데이터
- 대상지역인 태안군 안면도 대야리 부근은 천수만 입구에서 가까운 곳에 위치함에도 불구하고 고수온기 해류가 정체되는 현상으로 인해 고수온 피해가 종종 발생한 해역이다. 대상지역은 이러한 물리적 특성을 반영하여 충청남도 해양수산과의 협조와 해당 가두리 양식 어업인과의 협의를 통해 선정되었다.
- 1). 대상지역인 태안군 안면도 대야리 부근은 천수만 입구에서 가까운 곳에 위치함에도 불구하고 고수온기 해류가 정체되는 현상으로 인해 고수온 피해가 종종 발생한 해역이다. 대상지역은 이러한 물리적 특성을 반영하여 충청남도 해양수산과의 협조와 해당 가두리 양식 어업인과의 협의를 통해 선정되었다.
- 본 연구에서는 서해 천수만 지역 안면도 대야리 조피 볼락 양식장을 시험대상지로 선정하였다(Fig. 1). 대상지역인 태안군 안면도 대야리 부근은 천수만 입구에서 가까운 곳에 위치함에도 불구하고 고수온기 해류가 정체되는 현상으로 인해 고수온 피해가 종종 발생한 해역이다.
- 양식장내 미생물의 변화를 보기위해 Vibrio와 종속영양세균을 배양하여 계수하였다. 양식장내 정점들에서 수질을 측정한 후 최소 3개의 멸균된 1 L 채수병에 표층 해수를 담고 아이스박스에 보관하여 실험실로 운반하였다. 미세기포 발생장치를 운영한 양식장(정점 Treatment), 설치하지 않은 다른 양식장(정점 Control), 양식장 밖 약 200~300 m 내의 천수만(정점 Reference)에서 해수를 채집하여 비교하였다.
- 해당 가두리는 총 8조(한 수조 크기: 가로 12 m × 세로 14 m × 높이 8 m)의 조피볼락 양식장으로 차양막을 설치하였고 충청남도의 지원을 받아 액화산소를 주입하는 양식장이었다.
성능/효과
- 대조구로는 이웃한 양식장에서 같은 기간 동안 50% 폐사가 일어난 것을 기초로 하여 비교 분석하였다. 그 결과 미세기포 액화산소 주입을 통해 최대 약 2 억원, 최소 6~7천만 원의 손실 절감이 발생한 것으로 추정되었다. 하지만 이러한 추정치는 액화산소 미세기포 주입의 효과가 최대를 나타내었을 때라고 가정하는 것이 적절할 것이고 실제로는 이보다 손실절감이 적을 가능성이 높을 것이다.
- 미세기포 주입 전, 후 및 약 한 달여에 걸쳐 물리적인 환경변화, 세균의 발생변화 및 양식어류(조피볼락) 폐사 개체수를 모니터링 하였다. 그 결과 수온이 최대 0.5~1℃ 낮아지는 것과 용존산소가 최대 0.3~0.5 ppm 높아지는 것이 관측되었다. 이로 이해 이웃양식장 대비 최대 약 40%의물고기 폐사 저감 및 6~7천만 원의 손실 절감이 발생한 것으로 추정되었다.
- , 2006). 따라서 용존산소의 증가는 수온증가에 의한 스트레스를 저감하는 효과가 있고 또 액화산소의 주입은 적은 양이지만 주변해수의 수온을 낮추어주는 효과를 발휘하는 것으로 보인다. 이러한 복합적인 효과가 이웃양식장 대비 최대 약 40%의 폐사 저감이 가능했던 것으로 보여 진다.
- , 2007). 따라서 이 연구의 조사기간 시점인 7월 25일에 수온이 이미 26℃에 도달하여 이미 조피 볼락의 생육에 좋지 않은 환경이 만들어지기 시작하는 시점이었음을 알 수 있다(Fig. 4). 미세기포 중비전의 경우 수심 8 m 깊이 평면분포를 보면 수온과 용존산소 모두 가두리 양식장 시설 왼쪽에서 오른쪽으로, 즉 시설을 기준으로 서쪽에서 동쪽으로, 감소하는 경향을 보였다(Fig.
- 본 실험 장소인 천수만 조피 볼락 양식장 주변 천수만 입구 해역에서 같은 시기의 해수 유동 흐름은 국립해양조사원의 자료를 분석한 결과 북동-남서 방향의 흐름을 보이는 것으로 예측되었다 (국립해양조사원 바다누리 해양정보서비스, 정보 조사일 7월 25일). 또한 해수 유속은 약 창조 시 0-1.5 m sec-1, 낙조 시 0-1.0 m sec-1의 범위를 보이며 창조 우세를 보였다. 향후 실험에서는 보다 빈번한 그리고 이러한 해당 해역의 해수유동을 고려한 현장조사가 필요하다고 판단된다.
- 본 연구를 통하여 액화 산소 미세기포 주입 후 환경변화에 영향이 있는 것으로 나타났다. 먼저, 액화산소 미세 기포 주입 모델 결과를 살펴보면 액화 산소 미세기포 주입에 따라 수온의 감소와 용존산소의 증가를 예상하는 결과를 보여주었다(Fig. 3). 다만, 양식장내 해수의 체류시간이 수온과 용존산소 모두에 매우 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
- 먼저 양식장에서 사용할 수 있는 유휴 전력량을 고려해야 한다. 본 발생장치는 대당 약 1 kw의 전력을 소모하여 본 양식장의 경우 최대 사용가능 전력이 14 kw로 여름철 최대 10대 정도 까지 운용 가능한 것으로 나타났다. 펌프의 용량을 크게 할수록 용존산소와 해수 순환량을 늘려줄 수 있으나 전력량과 현장 양식장에 설치 적합성도 고려되어야 한다.
- 4d). 본 실험 장소인 천수만 조피 볼락 양식장 주변 천수만 입구 해역에서 같은 시기의 해수 유동 흐름은 국립해양조사원의 자료를 분석한 결과 북동-남서 방향의 흐름을 보이는 것으로 예측되었다 (국립해양조사원 바다누리 해양정보서비스, 정보 조사일 7월 25일). 또한 해수 유속은 약 창조 시 0-1.
- 본 연구를 통하여 액화 산소 미세기포 주입 후 환경변화에 영향이 있는 것으로 나타났다. 먼저, 액화산소 미세 기포 주입 모델 결과를 살펴보면 액화 산소 미세기포 주입에 따라 수온의 감소와 용존산소의 증가를 예상하는 결과를 보여주었다(Fig.
- 액화산소를 미세기포화 하여 주입한 결과 지속적 모니터링결과를 살펴보면 미세기포 발생장치가 설치된 수심에서 8월 9일과 8월 25일 측정된 수온이 최대 0.5~1℃ 낮아지는 것과 용존산소가 최대 0.3~0.5 ppm 높아지는 것이 관측되었다. 수온 감소는 수온이 낮은 저층수가 올라오면서 생기는 현상이기도 하나 8월 초에는 표층과 저층의 수온차이가 1℃ 이상이 되었으나 8월 20일 정도에는 그 차이가 0.
- 따라서 용존산소의 증가는 수온증가에 의한 스트레스를 저감하는 효과가 있고 또 액화산소의 주입은 적은 양이지만 주변해수의 수온을 낮추어주는 효과를 발휘하는 것으로 보인다. 이러한 복합적인 효과가 이웃양식장 대비 최대 약 40%의 폐사 저감이 가능했던 것으로 보여 진다.
- 이로 보아 양식장내 환경이 양식장 밖 해양환경에 비해 세균의 번식에 훨씬 더 유리한 환경임을 확인할 수 있다. 미세기포는 다른 처리방법들과 결합할 때 박테리아 사멸효과의 증대를 유발한다(Dong et al.
- 이 실험에 사용된 미세기포 1대의 확산범위는 확산깊이 범위를 4 m(즉, 배출구로부터 위아래 2 m씩), 양식장내 해류속도를 2 cm sec-1로 가정했을 때 양식장 한 조 크기(14 m × 12 m)를 바탕으로 계산할 수 있다. 이번 실험의 경우 현장에서 해수펌프로 12.5 ton h-1로 흡인하여 이 해수에 미세기포를 주입하고 있었음을 감안하면 가두리 한 수조 용량의 약 최대 10~20% 의 해수를 순환시켜주는 효과가 있는 것으로 계산되었다. 향후에는 현장에서 미세기포 발생장치 한 대를 설치 후 미세기포 발생장치에 의한 해수의 확산범위를 조사한 뒤 양식장의 규모에 맞게 설치 대수를 결정하는 것이 보다 타당할 것으로 생각된다.
- 누적폐사개체수의 분포에서도 8월 14일 이후 기울기의 급격한 증가를 보여 이 같은 패턴을 잘 보여준다. 전체적으로 실험기간 동안, 고수온에 의한 직접피해는 전체 양식 개체수의 약 7%로 파악되었다.
- 즉, 수온의 경우 양식장 중심부분에서 주위 보다 낮은 해수층이 발견되었고 이는 수직분포에서도 나타나고 있다. 즉 수온이 미세기포 발생장치를 통한 인위적인 해수유동에 따라 표층으로 올라가고 이에 따라 용존산소도 표층에 비해 다소 낮기는 하지만 여전히 포화된 중층수가 표층으로 이동하는 것으로 나타났다.
- 천수만 해역(Reference site)과 비교해서 조피볼락 양식장 내의 종속영양세균과 비브리오균 두 세균 모두 약간 높거나 비슷한 농도로 분포함을 알 수 있었다(Fig. 6).
후속연구
- 본 연구를 통하여 일부분 확인된 액화산소 미세기포 주입을 통한 스트레스 저감 방법이 단기적 고수온 시기 어류 폐사를 저감하는데 있어 적용 가능한 최선의 방법 중 하나라고 판단된다. 또한 박테리아 증가를 억제할 수 있는 방법에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
- 장기적으로는 외해로 양식장을 옮기거나 고수온에 강한 대체품종을 개발하는 방향으로 전환이 필요하다. 하지만 단기적으로는 고수온 시기 어류 폐사를 저감하는데 있어 본 연구를 통하여 일부분 확인된 액화산소 미세기포 주입을 통한 스트레스 저감 방법이 현재로서 가능한 최선의 방법 중하나라고 판단된다.
- 0 m sec-1의 범위를 보이며 창조 우세를 보였다. 향후 실험에서는 보다 빈번한 그리고 이러한 해당 해역의 해수유동을 고려한 현장조사가 필요하다고 판단된다.
- 5 ton h-1로 흡인하여 이 해수에 미세기포를 주입하고 있었음을 감안하면 가두리 한 수조 용량의 약 최대 10~20% 의 해수를 순환시켜주는 효과가 있는 것으로 계산되었다. 향후에는 현장에서 미세기포 발생장치 한 대를 설치 후 미세기포 발생장치에 의한 해수의 확산범위를 조사한 뒤 양식장의 규모에 맞게 설치 대수를 결정하는 것이 보다 타당할 것으로 생각된다.
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