[논문]수경재배 유출 배액(폐양액)의 비료 손실량 평가 연구

손진관; 윤성욱; 권진경; 신지훈; 강동현; 박민정; 임류갑

doi:10.17663/jwr.2023.25.1.35

수경재배 유출 배액(폐양액)의 비료 손실량 평가 연구
A Study on the Evaluation of Fertilizer Loss in the Drainage(Waste) Water of Hydroponic Cultivation, Korea 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.25 no.1, 2023년, pp.35 - 47

손진관 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) , 윤성욱 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) , 권진경 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) , 신지훈 (단국대학교 환경원예.조경학부) , 강동현 (한국농수산대학교 교양공통학과) , 박민정 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) , 임류갑 (한국농업기술진흥원 디지털농업본부)

초록
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한국 시설원예 농업과 수경(양액)재배 방식은 증가하는 추세로 발생되는 배액(폐양액)의 관리 필요성이 확대되고 있다. 본 연구에서는 배출되는 폐양액의 비료 성분 양을 가격으로 평가하여 수처리비용 절감과 비료성분 재활용이라는 두가지 측면에서 기술개발과 활용 가능성을 알아보았다. 연구는 배출 배액의 수질환경 특성을 분석한 선행연구에서 제시한 분석결과를 바탕으로 비료성분의 유실 경제성을 평가하는 것으로 배출되는 배액의 총 배출량은 연간 259.7L·m2·^-1을 적용하여 분석에 사용하였다. 토마토, 파프리카, 오이, 딸기 등 작물별 배액(폐양액)의 주요 수질 분석 결과를 바탕으로 평가하였으며, 인(P) 성분의 경우 인산(P₂O₅)의 양으로 환산하여 분석되었다. 질소(N)의 양은 토마토 1145.90kg·ha^-1, 파프리카 920.43kg·ha^-1, 오이 804.16kg·ha^-1, 딸기가 405.83kg·ha^-1로 평가되고 P₂O₅의 비료성분은 파프리카 830.65kg·ha^-1, 토마토 622.32kg·ha^-1, 오이 477.67kg·ha^-1, 딸기 240.9·ha^-1의 양만큼 배출하는 것으로 계산할 수 있다. 이 외에도 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg)을 비롯해 철(Fe), 망간(Mn) 등 미량원소도 배출되는 것으로 분석되었다. 시중판매 비료가격을 기준으로 평균하여 계산한 항목별 kg당 가격은 질소(N) 860.7원, 인(P) 2,378.2원, 칼륨(K) 2,121.7원, 칼슘(Ca) 981.2원, 마그네슘(Mg) 1,036.3원, 철(Fe) 126,076.9원, 망간(Mn) 6,232.1원, 아연(Zn) 15,825.0원, 구리(Cu) 31,362.0원, 붕소(B) 4,238.0원, 몰리브덴(Mo) 149,041.7원으로 평가할 수 있다. 시중판매 비료가격을 기준으로 평균하여 계산한 항목별 kg당 가격과 앞서 분석한 작물별 폐양액의 농도, 수경재배의 평균적인 연간배출량 등을 종합적으로 고려하여 연간 유실되는 작물별 비료 유실액을 산출하였다. 분석결과 토마토의 경우 6,995,622.3원, 파프리카는 7,384,923.8원, 오이는 5,091,607.9원의, 딸기는 2,429,290.6원으로 평가되어 수경재배 4가지 작물 평균은 1ha 재배면적 기준 5,475,361.1원의 비료성분 유실이 확인되었다. 수경재배 배액을 하천으로 유출시켜 오염원으로 처리하는것 보다 배출 전 자체 처리 또는 타작물 활용을 통해 관리한다면 수처리 비용 절감과 더불어 가치있는 재이용 가능한 비료성분이 될 수 있다고 기대하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Korean facility horticulture and hydroponic cultivation methods increase, requiring the management of waste water generated. In this study, the amount of fertilizer contained in the discharged waste liquid was determined. By evaluating this as a price, it was suggested to reduce water treatment costs and recycle fertilizer components. It was evaluated based on the results of major water quality analysis of waste liquid by crop, such as tomatoes, paprika, cucumbers, and strawberries, and in the case of P component, it was analyzed by converting it to the amount of phosphoric acid (P2O5). The amount of nitrogen (N) can be calculated by discharging 1,145.90kg·ha-1 of tomatoes, 920.43kg·ha-1 of paprika, 804.16kg·ha-1 of cucumbers, 405.83kg·ha-1 of strawberries, and the fertilizer content of P2O5 is 830.65kg·ha-1 of paprika, 622.32kg·ha-1 of tomatoes, 477.67kg·ha-1 of cucumbers. In addition, trace elements such as potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), iron (Fe), and manganese (Mn) were also analyzed to be emitted. The price per kg of each item calculated by averaging the price of fertilizer sold on the market can be evaluated as KRW, N 860.7, P 2,378.2, K 2,121.7, Ca 981.2, Mg 1,036.3, Fe 126,076.9, Mn 62,322.1, Zn 15,825.0, Cu 31,362.0, B 4,238.0, Mo 149,041.7. The annual fertilizer loss amount for each crop was calculated by comprehensively considering the price per kg calculated based on the market price of fertilizer, the concentration of waste by crop analyzed earlier, and the average annual emission of hydroponic cultivation. As a result of the analysis, the average of the four hydroponic crops was 5,475,361.1 won in fertilizer ingredients, with tomatoes valued at 6,995,622.3 won, paprika valued at 7,384,923.8 won, cucumbers valued at 5,091,607.9 won, and strawberries valued at 2,429,290.6 won. It was expected that if hydroponic drainage is managed through self-treatment or threshing before discharge rather than by leaking it into a river and treating it as a pollutant, it can be a valuable reusable fertilizer ingredient along with reducing water treatment costs.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. The analysis result of hydroponics waste water by corp type^*
표 Table 2. The chemical items analysis result of hydroponics waste water
표 Table 3. The trace elements items analysis result of hydroponics waste water
표 Table 4. Composition ratio, selling price, and price per kg of hydroponic fertilizer
표 Table 4. Continued
표 Table 5. Evaluation of fertilizer loss based on drainage runoff load and selling prices

AI 본문요약
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문제 정의

국내의 경우 순환식 양액재배 시스템의 도입은 고가의 비용이 들며, 이를 이용한 재배방법 또한 확립이 되어 있지 않아 배액을 하천으로 방류하는 비순환식 양액재배 형태로 작물을 재배하고 있다. 따라서 본 연구에서는 수경재배 시 배출되는 폐양액의 비료 성분 양을 판단하여 비료가격으로 평가하였다. 수처리비용 절감과 비료성분 재활용이라는 두가지 측면에서의 평가는 비료로서 충분히 활용 가능한 폐양액의 활용적 측면에 대한 기술개발 필요성에 적용 가능할 것으로 기대하였다.
본 연구는 수경재배로 운영되는 시설원예 단지에서 배출되는 배액의 수질환경 특성을 분석한 Jin et al.(2021)과 연계된 결과로 선행연구에서 제시한 수질분석 자료를 바탕으로 비료성분의 유실 경제성을 평가하는 것으로 구성되어 있다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 시설원예단지 조성으로 배출되는 영양물질의 비료 성분의 양을 판단하여 비료가격으로 평가하였다. 유실되는 폐양액에 대한 경제적 산출 평가는 비료로서 충분히 활용 가능한 폐양액의 활용적 측면에서 경영비 산출의 근거가 될 수 있으며, 환경보전을 위한 수처리시설 도입 등 기술개발 필요성에도 적용 가능하다.
이렇게 평가된 각 성분의 양을 기준으로 유실되는 비료의 경제적 가치를 평가하였다. 배출 폐양액의 비료성분 평가는 질소(N)와 인(P)을 비롯해 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu), 붕소(B), 몰리브덴(Mo)를 기준으로 분석하였다. 분석은 배출량과 성분결과를 반영하여 1ha에서 배출되는 원소의 양을 기준으로 판단하였으며, 대표적인 수용성 비료 가격을 분석하여 대입하고 가치를 판단하였다.
(2021)의 결과를 활용하였다. 본 연구에서 활용한 Jin et al.(2021) 선행 연구에서는 작물별 배출 배액의 농도 특성을 주로 분석하였으며, 본 연구에서는 해당 결과를 활용하여 비료성분의 연간 유출량과 경제적 평가를 실시하였다.
7원으로 평가할 수 있다. 시중판매 비료가격을 기준으로 평균하여 계산한 항목별 kg당 가격과 앞서 분석한 작물별 폐양액의 농도, 수경재배의 평균적인 연간배출량 등을 종합적으로 고려하여 연간 유실되는 작물별 비료 유실액을 산출하였다. 분석결과 토마토의 경우 약 칼륨 287만원, 인 148만원, 질소 98만원, 칼슘 92만원 정도의 유실이 확인되어 총 6,995,622.
연구를 통해 살펴본 작물별 시설온실 배출 배액(폐양액)에 포함된 실제 비료성분의 유실량을 경제적으로 평가하였다. 분석을 위해 대표적인 수용성 비료 가격을 분석하여 대입하고 가치를 판단하였다.
연구를 통해 살펴본 작물별 시설온실 배출 배액(폐양액)에 포함된 질소와 인의 양을 바탕으로 실제 비료성분의 유실량을 경제적으로 평가하였다. 분석을 위해 대표적인 수용성 비료 가격을 분석하여 대입하고 가치를 판단하였다.
이상의 시중판매 비료가격을 기준으로 평균하여 계산한 항목별 kg당 가격과 앞서 분석한 작물별 폐양액의 농도, 수경재배의 평균적인 연간배출량 등을 종합적으로 고려하여 연간 유실되는 작물별 비료 유실액을 산출해 보았다.

대상 데이터

연구대상지는 작물별 주산단지를 중심으로 조사하였으며, Table 1과 같이 수경재배로 운영되는 시설원예 농가에서 채취하였다. 세부적인 시료는 토마토, 파프리카, 오이, 딸기 배액 시료 각 20점씩 총 80개 샘플을 채취하고 배액(폐양액)을 분석한 선행연구인 Jin et al.(2021)의 결과를 활용하였다. 본 연구에서 활용한 Jin et al.
분석은 배출량과 성분결과를 반영하여 1ha에서 배출되는 원소의 양을 기준으로 판단하였으며, 대표적인 수용성 비료 가격을 분석하여 대입하고 가치를 판단하였다. 수용성 비료는 2022년 기준 Y사, S사에서 취급하는 해당 성분이 포함된 비료를 4개 판매처 이상에서 가격정보를 수집하였다.
연구 대상 작물은 시설채소 생산 통계(MAFRA 2019; 2020; 2021)에 근거 시설원예 중 수경재배 비율이 높은 주요 작물인 토마토(Tomato), 파프리카(Paprika), 오이(Cucumber) 및 딸기(Strawberry)를 선정하여 진행하였다. 연구대상지는 작물별 주산단지를 중심으로 조사하였으며, Table 1과 같이 수경재배로 운영되는 시설원예 농가에서 채취하였다.
수처리비용 절감과 비료성분 재활용이라는 두가지 측면에서의 평가는 비료로서 충분히 활용 가능한 폐양액의 활용적 측면에 대한 기술개발 필요성에 적용 가능할 것으로 기대하였다. 연구는 수경재배로 운영되는 시설원예 단지에서 배출되는 배액의 수질환경 특성을 분석한 Jin et al.(2021)과 연계된 결과로 선행연구에서 제시한 분석결과를 바탕으로 비료성분의 유실 경제성을 평가하는 것으로 구성되어 있다.
연구 대상 작물은 시설채소 생산 통계(MAFRA 2019; 2020; 2021)에 근거 시설원예 중 수경재배 비율이 높은 주요 작물인 토마토(Tomato), 파프리카(Paprika), 오이(Cucumber) 및 딸기(Strawberry)를 선정하여 진행하였다. 연구대상지는 작물별 주산단지를 중심으로 조사하였으며, Table 1과 같이 수경재배로 운영되는 시설원예 농가에서 채취하였다. 세부적인 시료는 토마토, 파프리카, 오이, 딸기 배액 시료 각 20점씩 총 80개 샘플을 채취하고 배액(폐양액)을 분석한 선행연구인 Jin et al.

데이터처리

분석을 위해 대표적인 수용성 비료 가격을 분석하여 대입하고 가치를 판단하였다. 각 성분에 대한 가격을 별도로 환산한 자료가 없어 시중에서 판매되는 비료를 기준으로 하여 구성비에 따라 항목별로 구분하고 평균으로 산출하였다.
분석을 위해 대표적인 수용성 비료 가격을 분석하여 대입하고 가치를 판단하였다. 각 성분에 대한 가격을 별도로 환산한 자료가 없어 시중에서 판매되는 비료를 기준으로 하여 구성비에 따라 항목별로 구분하고 평균으로 산출하였다.
배출 폐양액의 비료성분 평가는 질소(N)와 인(P)을 비롯해 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu), 붕소(B), 몰리브덴(Mo)를 기준으로 분석하였다. 분석은 배출량과 성분결과를 반영하여 1ha에서 배출되는 원소의 양을 기준으로 판단하였으며, 대표적인 수용성 비료 가격을 분석하여 대입하고 가치를 판단하였다. 수용성 비료는 2022년 기준 Y사, S사에서 취급하는 해당 성분이 포함된 비료를 4개 판매처 이상에서 가격정보를 수집하였다.
연구를 통해 살펴본 작물별 시설온실 배출 배액(폐양액)에 포함된 질소와 인의 양을 바탕으로 실제 비료성분의 유실량을 경제적으로 평가하였다. 분석을 위해 대표적인 수용성 비료 가격을 분석하여 대입하고 가치를 판단하였다. 각 성분에 대한 가격을 별도로 환산한 자료가 없어 시중에서 판매되는 비료를 기준으로 하여 구성비에 따라 항목별로 구분하고 평균으로 산출하였다.
연구를 통해 살펴본 작물별 시설온실 배출 배액(폐양액)에 포함된 질소와 인의 양을 바탕으로 실제 비료성분의 유실량을 경제적으로 평가하였다. 분석을 위해 대표적인 수용성 비료 가격을 분석하여 대입하고 가치를 판단하였다. 각 성분에 대한 가격을 별도로 환산한 자료가 없어 시중에서 판매되는 비료를 기준으로 하여 구성비에 따라 항목별로 구분하고 평균으로 산출하였다.

성능/효과

분석결과 토마토의 경우 약 칼륨 287만원, 인 148만원, 질소 98만원, 칼슘 92만원 정도의 유실이 확인되어 총 6,995,622.3원의 유실량이 확인되었다. 파프리카는 질소 79만원, 인 197만원, 칼륨 276만원, 칼슘 120만원, 마그네슘 29만원 정도의 유실이 확인되어 총 7,384,923.
분석결과 토마토의 경우 약 칼륨 287만원, 인 148만원, 질소 98만원, 칼슘 92만원 정도의 유실이 확인되어 총 6,995,622.3원의 유실량이 확인되었다. 파프리카는 질소 79만원, 인 197만원, 칼륨 276만원, 칼슘 120만원, 마그네슘 29만원 정도의 유실이 확인되어 총 7,384,923.
이상의 시중판매 비료가격을 기준으로 평균하여 계산한 항목별 kg당 가격은 질소(N) 860.7원, 인(P) 2,378.2원, 칼륨(K) 2,121.7원, 칼슘(Ca) 981.2원, 마그네슘(Mg) 1,036.3원, 철(Fe) 126,076.9원, 망간(Mn) 6,232.1원, 아연(Zn) 15,825.0원, 구리(Cu) 31,362.0원, 붕소(B) 4,238.0원, 몰리브덴(Mo) 149,041.7원으로 평가할 수 있다.

후속연구

8)%에 적용한다면 공급비료의 약 1/4에 해당하는 양을 버리고 있다고 할 수 있다. 2021년 요소비료 파동과 더불어 국제 및 무역시장의 불안정 등으로 시설원예 비료의 가격은 이미 많은 부분 상승하였고 앞으로도 더 오를 것이라는 전망이기 때문에 유실 배액에 함유된 비료성분을 재이용하는 기술개발은 충분히 가치있는 연구분야로 기대된다.
1원의 비료성분 유실이 확인되었다. 다만 본 연구에서는 선행연구에서 제시한 연간배액 배출량의 평균에 대입한 결과로 오이는 배액율이 다소 높고 딸기는 적은양을 적용하지 못했다는 한계점이 있다. 따라서 본 연구결과에서 추가분석하여 세밀한 배액량을 특정하여 대입한다면 정확한 유실량을 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 선행연구에서 제시한 연간 배액 배출량의 평균에 대입한 결과로 오이는 배액율이 다소 높고 딸기는 적은양을 적용하지 못했다는 한계점이 있다. 따라서 본 연구결과를 기반으로 추가분석하여 세밀한 배액량을 특정하여 대입한다면 정확한 유실량을 확인할 수 있을 것으로 판단된다. 더불어 미량원소의 경우 아주 적은 양이 배출되고 있지만 높은 판매가격으로 인해 연간 유실되는 양도 적지 않게 평가되었다.
다만 본 연구에서는 선행연구에서 제시한 연간배액 배출량의 평균에 대입한 결과로 오이는 배액율이 다소 높고 딸기는 적은양을 적용하지 못했다는 한계점이 있다. 따라서 본 연구결과에서 추가분석하여 세밀한 배액량을 특정하여 대입한다면 정확한 유실량을 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
유실되는 폐양액에 대한 경제적 산출 평가는 비료로서 충분히 활용 가능한 폐양액의 활용적 측면에서 경영비 산출의 근거가 될 수 있으며, 환경보전을 위한 수처리시설 도입 등 기술개발 필요성에도 적용 가능하다. 본 연구를 통해 지속가능한 농업을 위한 시설원예의 개선점과 향후 친환경적 시설원예단지 조성 시 수질정화 시설의 투입 필요성과 당위성, 경제적 산출 근거의 기초자료로 활용할 수 있다고 판단하였다.
시설원예 배출 배액의 비료성분이 다량 확인된 만큼 배출 전 자체 하수처리, 재이용을 통한 시설 내 타작물 재배, 시설 외 비료성분을 요구하는 타 작물 공급, 시설원예 단지 단위 처리시설 설치 등을 통해 비점오염물질 배출 저감 및 수처리 비용 절감과 더불어 가치있는 재이용 비료성분으로 활용 가능하다고 판단된다. 본 연구에서 제시한 유실 폐양액의 경제성 평가는 시설원예 배액 재이용 기술개발의 경영비 산출의 근거 및 하수처리시설 도입 등 지속가능한 시설원예를 위한 다양한 정책사업의 기초자료로 활용 가능하다고 판단된다.
본 연구에서는 비료의 유실량을 평가하는 것이 주요 목적이지만 수경재배에서 배출되는 폐양액은 물을 포함하고 있기 때문에 세계적인 물부족 현상이 대두되고 있는 현시점에서 수자원의 보전을 위해 배액 재이용에 대한 연구는 필요하다고 판단된다(Marouki et al., 2012; Rachid et al., 2021; Kettani et al., 2022; Freitas Souza et a., 2021; Karkanis et al., 2021).
1원의 비료성분 유실이 확인되었다. 다만 본 연구에서는 선행연구에서 제시한 연간배액 배출량의 평균에 대입한 결과로 오이는 배액율이 다소 높고 딸기는 적은양을 적용하지 못했다는 한계점이 있다. 따라서 본 연구결과에서 추가분석하여 세밀한 배액량을 특정하여 대입한다면 정확한 유실량을 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 수경재배 시 배출되는 폐양액의 비료 성분 양을 판단하여 비료가격으로 평가하였다. 수처리비용 절감과 비료성분 재활용이라는 두가지 측면에서의 평가는 비료로서 충분히 활용 가능한 폐양액의 활용적 측면에 대한 기술개발 필요성에 적용 가능할 것으로 기대하였다. 연구는 수경재배로 운영되는 시설원예 단지에서 배출되는 배액의 수질환경 특성을 분석한 Jin et al.
더불어 미량원소의 경우 아주 적은 양이 배출되고 있지만 높은 판매가격으로 인해 연간 유실되는 양도 적지 않게 평가되었다. 시설원예 배출 배액의 비료성분이 다량 확인된 만큼 배출 전 자체 하수처리, 재이용을 통한 시설 내 타작물 재배, 시설 외 비료성분을 요구하는 타 작물 공급, 시설원예 단지 단위 처리시설 설치 등을 통해 비점오염물질 배출 저감 및 수처리 비용 절감과 더불어 가치있는 재이용 비료성분으로 활용 가능하다고 판단된다. 본 연구에서 제시한 유실 폐양액의 경제성 평가는 시설원예 배액 재이용 기술개발의 경영비 산출의 근거 및 하수처리시설 도입 등 지속가능한 시설원예를 위한 다양한 정책사업의 기초자료로 활용 가능하다고 판단된다.
따라서 본 연구에서는 시설원예단지 조성으로 배출되는 영양물질의 비료 성분의 양을 판단하여 비료가격으로 평가하였다. 유실되는 폐양액에 대한 경제적 산출 평가는 비료로서 충분히 활용 가능한 폐양액의 활용적 측면에서 경영비 산출의 근거가 될 수 있으며, 환경보전을 위한 수처리시설 도입 등 기술개발 필요성에도 적용 가능하다. 본 연구를 통해 지속가능한 농업을 위한 시설원예의 개선점과 향후 친환경적 시설원예단지 조성 시 수질정화 시설의 투입 필요성과 당위성, 경제적 산출 근거의 기초자료로 활용할 수 있다고 판단하였다.
, 2019; Lee and Kim, 2019). 이러한 양액재배는 미래형 농업으로서 매우 큰 관심을 받고 있는 기술인 스마트 온실과 식물공장 등의 분야에서 작물재배의 기본이기 때문에 향후 그 면적은 지속적으로 확대될 것으로 예상된다(Horticulture, 2021).
이상의 작물별 시설온실에서 배출되는 배액에 포함된 질소와 인의 양을 평가한 결과는 비료의 경제성 평가와 같은 경제성 분석에 이용될 수 있으며, 수처리 시설 도입 시 반영해야 할 처리용량 산정에도 활용 가능하다고 판단된다. 처리가 필요한 물질로서 시설원예 배액을 관리 시에도 작물별 차이가 확인된 본 연구 결과를 활용하여 주산단지의 면적을 고려하여 적절한 처리장 도입 및 설계가 이루어지도록 할 필요가 있다고 판단한다.
이상의 작물별 시설온실에서 배출되는 배액에 포함된 질소와 인의 양을 평가한 결과는 비료의 경제성 평가와 같은 경제성 분석에 이용될 수 있으며, 수처리 시설 도입 시 반영해야 할 처리용량 산정에도 활용 가능하다고 판단된다. 처리가 필요한 물질로서 시설원예 배액을 관리 시에도 작물별 차이가 확인된 본 연구 결과를 활용하여 주산단지의 면적을 고려하여 적절한 처리장 도입 및 설계가 이루어지도록 할 필요가 있다고 판단한다.
미량원소의 경우 아주 적은양이 배출되고 있지만 높은 판매가격으로 인해 연간 유실되는 양도 적지 않게 평가되었다. 하천으로 유출시켜 오염원으로 처리하는것 보다 배출 전 자체 처리 또는 타작물 활용을 통해 관리한다면 수처리 비용 절감과 더불어 가치있는 재이용 비료성분이 될 수 있다고 판단된다.

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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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