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유해남조류가 포함된 농업용수가 벼의 안전성에 미치는 영향
남귀숙 ( Guisook Nam ),이승헌 ( Seungheon Lee ),장규상 ( Kyusang Jang ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-
최근 기후 온난화와 극단화로 겨울 결빙일수 감소와 봄가뭄이 점차 심화되면서 4대강 하천과 농업용저수지를 포함한 정체된 농업용수에서 조류 발생 빈도가 증가한 가운데 유해 남조류가 생성하는 조류독소의 위험성 문제가 대두 되었다. 식수원의 경우 철저한 정수공정을 통해 유해 남조류와 조류독소, 이취미 물질까지 제거하여 공급되고 있지만, 농업용수로 이용할 때에는 수처리과정 없이 직접 논용수로 공급되어 벼를 재배하기 때문에 남조류가 생성한 독소물질이 벼에 축적되어 인체에 영향을 미치지 않는지에 대한 의문에 대한 과학적 자료를 축적하고자 본 연구를 수행하였다. 본 연구는 2016년 4월~11월까지 관개 개시단계부터 벼 수확기 전 기간을 포함하여 진행되었으며, 유해남조류의 발생이 비교적 높은 농업용저수지와 관개 단계별 용수와 벼 수확물에 이르기 까지 유해남조류 밀도와 조류독소인 마이크로시스틴 변화를 분석하였다. 그 결과 일부시기 농업용저수지에서 유해남조류와 조류독소가 검출되었으나, 관개수로와 논으로 단계별로 이동하면서 상당량 저감되었으며, 최종적으로 수확한 벼의 알곡과 작물체 줄기 모두에서 마이크로시스틴이 검출되지 않았다. 따라서, 조류발생이 비교적 높게 우려되는 농업용저수지의 물을 농업용수로 사용하여 벼농사를 짓더라도 벼의 안전성에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 그러나, 본 연구는 국민의 막연한 불안감을 해소하기 위해 최대한 빠른 시간내 해답을 제시하기 위해 1년간의 단기연구로 진행되어 다양한 농산물의 안전성 확보, 조류독소의 농산물 내 전이기작 등의 규명은 하지 못한 상태이며 필요시 후속과제가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
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머신러닝과 딥러닝을 이용한 저수지 유해 남조류 발생 예측
김상훈,박준형,김병현 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.12S
In relation to the algae bloom, four types of blue-green algae that emit toxic substances are designated and managed as harmful Cyanobacteria, and prediction information using a physical model is being also published. However, as algae are living organisms, it is difficult to predict according to physical dynamics, and not easy to consider the effects of numerous factors such as weather, hydraulic, hydrology, and water quality. Therefore, a lot of researches on algal bloom prediction using machine learning have been recently conducted. In this study, the characteristic importance of water quality factors affecting the occurrence of Cyanobacteria harmful algal blooms (CyanoHABs) were analyzed using the random forest (RF) model for Bohyeonsan Dam and Yeongcheon Dam located in Yeongcheon-si, Gyeongsangbuk-do and also predicted the occurrence of harmful blue-green algae using the machine learning and deep learning models and evaluated their accuracy. The water temperature and total nitrogen (T-N) were found to be high in common, and the occurrence prediction of CyanoHABs using artificial neural network (ANN) also predicted the actual values closely, confirming that it can be used for the reservoirs that require the prediction of harmful cyanobacteria for algal management in the future. 녹조 현상과 관련하여 독성물질을 배출하는 남조류 4종의 경우 유해 남조류로 지정하여 관리하고 있으며, 물리적인 모형을 이용한 예측 정보도 함께 발표하고 있다. 그러나 조류는 살아 있는 생명체로 물리 역학에 따른 예측에 어려움이 있으며, 기상, 수리․수문, 수질 등 수많은 인자에 의한 영향을 고려하기가 쉽지 않다. 따라서, 최근 머신러닝을 이용한 녹조발생 예측 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서는 경북 영천에 소재한 보현산댐과 영천댐을 대상으로 랜덤 포레스트 모형을 이용하여 유해남조류 발생에 영향을 미치는 수질인자의 특성중요도를 분석해 보았으며, 이 중 가장 높은 특성중요도를 나타낸 수온을 이용하여 머신러닝과 딥러닝을 이용하여 유해남조류 발생을 예측하고 그 정확성을 확인하였다. 특성중요도 분석 결과, 수온과 총질소(T-N)이 공통적으로 높게 나왔으며, 인공신경망(ANN)을 이용한 유해남조류 발생예측에서도 실제와 근접한 값이 예측되어 앞으로 녹조관리를 위해 유해남조류 예측이 필요한 저수지의 경우 이를 활용할 수 있음을 확인하였다.
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김광수(Kim, Gwang Soo),최재윤(Choi, Jae Yun),김영도(Kim, Young Do),권재현(Kwon, Jae Hyun) 대한토목학회 2022 대한토목학회 학술대회 Vol.2022 No.10
국내 이상기후 변화로 인해 하천 및 호소에 조류의 과대성장이 빈번히 발생하고 있다. 하천조류는 크게 녹조류, 남조류, 규조류로 분류되며, 이 중 남조류의 일부 종은 악취유발, 독성물질의 배출로 많은 문제를 발생시키고 있는 실정이다. 국내에서 조류경보제, 수질예보제를 시행하고 있으며, 이는 유해남조류세포수와 Chl-a농도에 따라 발령이 된다. 현재 조류 분석방법은 현장샘플을 하여 조류검경을 통해 산정하기 때문에 시간이 많이 소요되고 있는 실정이다. 조류발생시 즉각대응이 힘들고 조류 발생 현장에서 육안으로 유해남조류인지 구별하기 어렵다. 최근 원격탐사를 통한 조류연구가 활발히 진행되고 있으나, 조류의 대체인자인 Chl-a, Phycocyanin을 통해 조류농도를 분석하고 있으며, 광합성을 하는 모든 조류에는 Chl-a가 함유되어 있어 남조류와 녹조류를 정확하게 구별하는데 한계점이 있다. 따라서 본연구에서는 조류배양액을 초분광센서를 통해 조류스펙트럼을 취득하고, 남조류와 녹조류의 흡수, 방출 스펙트럼을 추출하여 남조류와 녹조류를 분류하였다.
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농업용저수지의 농업용수 공급 단계별 수질, 유해남조류 및 조류독소 분포 변화 비교
남귀숙 ( Guisook Nam ),이승헌 ( Seungheon Lee ),장규상 ( Kyusang Jang ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-
우리나라 수자원이용 현황은 총 수자원량의 28% 정도이며, 이중 농업용수는 약 61%에 해당되는 152억톤/년을 차지하고 있다. 농어촌용수 중에서도 논용수가 전체 농어촌용수량의 60%로 가장 많은 양을 요구하고 있다. 보통 논용수는 농업용저수지, 하천의 보, 양수장, 담수호 등의 농업용수원에서 양수되어 관개수로를 통해 논으로 공급되고 있다. 농업용저수지는 전국에 17,423개소가 분포하고 있으며, 이는 유효저수량 대비 77%에 해당된다. 본 연구에서는 농업용저수지에서 농업용수, 특히 논용수를 관개하는 과정인 저수지-관개수로-논에 이르는 공급단계별 수질, 유해남조류 및 조류독소 분포변화를 살펴보고자 하였다. 대상저수지는 경기 안성 M저수지, 충남 천안 Y저수지, 충남 당진 C저수지, 전북 고창 D저수지이며, 조사기간은 2016년 관개시기인 4월~9월까지이다. 또한, 공급 단계별 각 지점에서 화학적 산소요구량(COD), 총유기탄소(TOC), 총질소(TN), 총인(TP), Chl-a를 비롯한 수질이화학적 특성과 유해남조류 현존량, 조류독소 분포 등을 비교 검토하였다. 그 결과, 농업용수 공급과정인 저수지-관개수로-논에 이르기까지 저수지의 높은 유기물 농도(COD, TOC, Chl-a)는 관개수로에서 감소하였으며, 인, 질소는 다소 증가하였다. 이는 저수지의 중층방류 원인으로 표층의 조류는 배제되었기 때문으로 사료된다. 논에서는 유기질 비료, 인, 질소 비료 등의 추가 투입으로 논으로 공급되는 관개용수보다 인, 질소농도가 증가하였으며, 일부시기에는 유기물 농도도 높게 나타났다. 저수지, 관개수로, 논에서 각기 다른 환경요인에 의해 다소 독립적인 수질변화를 보이고 있으며, 특히, 저수지 용수에 포함된 유기물, 인, 질소 농도가 논에서 추가적인 비료살포 등 영농활동으로 인해 큰 비중을 차지하지 못하고 있는 것으로 판단되었다. 유해남조류와 조류독소인 마이크로시스틴 LR, YR, RR의 분포는 저수지-관개수로-논으로 이동하면서 현저히 감소하였고, 논에서 조류독소는 거의 검출되지 않아 관개용수 공급과정에서 조류의 감소와 독소의 제거 기작이 효과적으로 나타나고 있음을 알 수 있었다.
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유해 남조류 제어를 위한 생물유래 살조물질 Naphthoquinone 유도체 (NQ 2-0)의 현장 적용 가능성
주재형(Jae-Hyoung Joo),박종성(Chong-Sung Park),최혜정(Hye Jeong Choi),이헌우(Heon Woo Lee),한명수(Myung-Soo Han) 응용생태공학회 2017 Ecology and resilient infrastructure Vol.4 No.3
유해 남조류를 친환경적으로 제어하기 위해 개발된 생물유래 물질인 naphthoquinone (NQ) 유도체의 현장 적용 가능성을 확인하고자 하였다. 기흥 저수지 수변에 30 ton 규모의 mesocosm을 설치하여 현장 조건에서의 살조효과와 비생물학적, 생물학적 요인을 모니터링하였다. NQ 2-0 물질을 처리한 결과, 대조구에서는 대상 조류인 Microcystis sp.의 세포밀도가 지속적으로 증가한 반면, 처리구에서는 실험 초기 7.9×10⁴ cells mL<SUP>-1</SUP>에서 접종 후 점진적으로 세포수가 감소하여 10일차 9.7×10² cells mL<SUP>-1</SUP>으로 대조구 대비 99.4% 감소하였다. 실험 종료시인 15일차에는 Microcystis sp. 세포수가 100% 제거되었다. 대상 조류인 Microcystis sp. 종만을 선택적으로 제어하였을 뿐만 아니라, 다른 식물플랑크톤의 성장과 식물플랑크톤 종 다양성 지수도 증진되었다. 또한, 식물플랑크톤을 제외하고 NQ 2-0 물질에 의하여 물리․ 화학적요인 (수온, 용존 산소, pH, 전기전도도, 영양염)과 생물요인 (박테리아, HNFs, 섬모충, 동물플랑크톤)에 영향을 미치지 않았으며, 대조구와 처리구에서 유사한 경향이 관찰되었다. We evaluated the field application feasibility that biologically derived substances (Naphthoquinone derivate: NQ 2-0) can be used for the eco-friendly mitigation of natural harmful cyanobacterial blooms in freshwater. We conducted a 30 ton scale mesocosm experiment to investigate the effects of NQ 2-0 on biotic and abiotic factors in water collected from Gi-heung reservoir. In the mesocosm experiments, the abundance of Microcystis sp. was continuously increased in the control. However, the Microcystis sp. cell density was sharply decreased on the 10<SUP>th</SUP> day. In the treatment, NQ 2-0 showed the strong and selective algicidal activity toward the target cyanobacteria (Microcystis sp.). Accordingly, the algicidal activity of NQ 2-0 compound increased gradually until 10<SUP>th</SUP>, 15<SUP>th</SUP> days and algal biomass was decreased to 99.4 and 100 %, respectively. NQ 2-0 compound was not only selective algicidal activity but also the growth of other phytoplankton and increased the Shannon-Wiener diversity index of phytoplankton. In the mesocosm experiments, the dynamics of biotic (bacteria, heterotrophic nanoflagellate, ciliates, zooplankton) and abiotic (water temperature, dissolved oxygen, pH, conductivity, nutrients) factors remained unaffected. These results suggest that NQ 2-0 could be a selective and ecologically safe algicide to mitigate harmful cyanobacterial blooms. In addition, it is believed that NQ 2-0 will play a major role in forming a healthy aquatic ecosystem by facilitating habitat and food supply of aquatic organisms.
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