Transcript 친환경_양식
미생물의이해 신대양어장 대표 최 상 훈 신대양어장 최상훈 1 1.환 경 1) 오염물 무배출 2) 무항생재 3) 양어용수의 재사용 4) 화석연료사용 최소화 5) 전기에너지절약 6) 이산화탄소 배출 감소 2. 생 산 자 1) 생산비 절감 2) 소득증대 3) 고품질수산물 생산 4) 브랜드화 조기 실현 5) 수산보조금 폐지시 경쟁력 확보 6) 국제적 특허침해 분쟁 대비 3. 소 비 자 1) 안전한 수산물 확보 2) 친환경 수산물의 신뢰성 3) 합리적 가격에 고품질 수산물 구입 4) 안전한 수산물의 지속적 공급 확보 신대양어장 최상훈 2 신대양어장 최상훈 3 정의 미생물（微生物）은 동물인지 식물인지 분류하기 힘든 중간형태이다. 일반적으로 균류, 원생동물, 세균,바이러 스 등을 포함시켜 분류하는데 남조류를 제외하고 원생동물은 동물에 분류하기도 한다. 크기 : 0.8 – 5 ㎛ 분자식 : C5H7O2N 또는 C60H87O23N12P 세포 구성 원소 - C, N, H, O, P, S, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+ 등 여기서 다루는 미생물은 친환경 양식에 필요항 좁은 의미의 수질환경 미생물 외국의 경우는 프로바이오틱스 개념으로도 사용. 신대양어장 최상훈 4 독립영양성(autotrophs): 탄소원으로 CO2 이용하는 미생물 종속영양성(heterotrophs): 유기물에서 탄소를 얻을 수 있는 미생물 Nitrobacter, Nitrococcus 등 Nitrosomonas, Nitrosospira 등 광합성생물(phototrophs): 에너지원으 로 태양광선을 이용하는 미생물 화학합성생물(chemotrophs): 화학반 응의 결과 에너지를 얻는 미생물 신대양어장 최상훈 5 필요원소 공급원 (공급형태) 합성되는 화합물 CO2 (호흡과정에서 생산하거나, 외부환경으로 C (탄소) 부터 얻음) 또는 탄소화합물 (예; C6H12O6) 탄소화합물 NH4+ (N2 고정과정, NO3- 와 NO2- 의 환원, 또 N (질소) 는 아미노산의 탈아미노반응 과정에 의하여 얻 단백질, 핵산 어짐) S (황) Sulfate (SO42-)황산 아미노산(Cys, Met) 및 유기물질 P (인) Phosphate (PO43-)인산 ATP, 핵산, NAD Minerals(무기물) Mg2+, Fe2+, K+, Ca2+, Cu2+, Zn2+등 효소작용에 필수 (성장인자) 세포성장에 필수적이나 스스로 합성 할 수 없는 유기물질 (예; 비타민) 신대양어장 최상훈 6 1. 탄소원(carbon source): 세포 내 물질의 탄소골격을 이루는 물질 1) 무기물 무기물은 탄소를 포함하지 않는 물질 CO(일산화탄소), CO2(이산화탄소)는무기물로 분류 2) 유기물 탄소를 골격으로 수소, 산소, 황, 질소등의 물질로 이루어진 물질 (탄소의 화합물) 단당류: 포도당(glucose), 과당(fructose) 주로 포도당 등 과당류: 2-7개 단당류들의 복합체 주로 2당류가 대부분: 맥아당, 설탕 등 다당류: 7개 이상의 단당류들이 중합된 것: 전분(starch), cellulose, hemicellulose 탄화수소: n-paraffin , (메탄, C10-C18의 쇄상의 탄화수소가 잘 분해-액체: C5 이상) 2. 질소원(nitrogen source): 질소의 골격을 형성--단백질, 핵산 등 1) 무기질소 화합물: NH4+, NO2-, NO3- 등 2) 유기질소 화합물: CO(NH2)2 요소, 아미노산, 펩톤, 단백질 등 신대양어장 최상훈 7 유기성 질소화합물이 암모니아성 질소로 전환되는 암모니아화 반응 (ammonification), 암모니아가 아질산 이온을 거쳐 질산 이온으로 전환되는 질화반 응(nitrification), 질산 이온이 환원되어 질소가스로 전환되는 탈질반응 (denitrification) Air Stripping, 전기투석, 역삼투 등 물리적 처리와 , 화학적 응집, 탄소 흡착, 이온 교환 등 화학적 처리,생물학적 질산화와 탈질 등 , 이 중 생물학적 질소 제거는 물 리·화학적 방법보다 효율적이고 비용도 저렴하므로 널리 쓰이고 있다. 신대양어장 최상훈 8 암모늄을 아질산염을 거쳐 질산염으로 만드는 과정을 질산화라 한다. 질산화는 화학합성 독립영양생 물에 의해 일어나는데 탄소원으로는 이산화탄소, 중탄산, 또는 탄산에 의해 충족된다. 질산화작용 은 암모늄 이온이 아질산을 거쳐 질산 이온으로 전환되는 과정으로 산소와 결합하는 반응 이며 산화현상 및 에너지 생성반응이다. 세포합성시에는 무기탄소를 필요로 하며, 질소의 산화에서 얻은 대부분의 에너지는 이산화탄소가 세포로 환원되는 일이다. 무기탄소원으로 CO2가 이용되는데 수중에서는 아래식과 같이 평형식을 이룬다. CO2 + H2O <-> H+ + HCO3신대양어장 최상훈 9 암모늄이 아질산염으로 산화되는 과정 NH + + 1.5 O → NO - + H O + 2 H+ 4 2 2 2 암모늄 산화 미생물로는 Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio, Nitrosococcu 등이 있다. 암모늄은 전자 공여체로, 산소는 전자 수용체로 작용한다. 전자공여체 : 전자를 방출하는 물질, 산화되는 물질 전자수용체(전자를 받아들이는 물질, 환원되는 물질 화학합성 독립영 양(chemoautotrophic ) Nitrosomonas, Nitrosospira 산화가능한 기질 (전자공여체) 전자 수용체 산화된 생성물 NH4+ O2 NO2-, H2O 신대양어장 최상훈 10 아질산염이 질산염으로 산화되는 과정 아질산염 산화 미생물로는 Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina, Nitrospira 등이 있다. 아질산은 전자 공여체로, 산소는 전자 수용체로 작용한다. 화학합성 독립 영양(chemoautotrophic ) Nitrobacter, Nitrococcus 산화가능한 기질 (전자공여체) 전자 수용체 산화된 생성물 NO2- O2 NO3-, H2O 신대양어장 최상훈 11 에너지를 얻는 동안 암모늄의 일부는 세포질로 동화된다. 세포 합성 반응 까지 포함한 질산화 총 반응식은 다음과 같다. 1.83O2+ NH4++1.98HCO3-→ 1.04H2O+0.98NO3-+1.38H2CO3-+10.021C5H7NO2(질산화균) 상기 반응 결과 1kg NH4-N은 질산화 되기 위해 4.6kg의 산소가 필요하며 알칼리도가 제거되어 pH가 떨어진다. 화석연료를 태울 때 발생하는 열에너지와는 달리 생물학적 산화반응에서는 ATP 형태의 화학에너지가 생성된다. ATP 형태의 에너지는 생물체 내의 각종 대사과정에 이용된다. 식물이 빛 에너지를 이용하여 CO2 동화작용(광합성 )을 하듯이 질산화 박테리아들은 질산화과정에서 생성된 에너지를 이용하여 CO2를 유기물로 동화시킨다. 화학반응에서 생성된 에너지를 화학에너지라고 하며 이 에너지를 이용한 유기물 합성을 화학합성 이라고 한다. ◆ ATP(Adenosine Tri Phosphate) : 생물체 내에서 유기물이 산화될 때 방출되는 에너지는 모두 ATP 속에 저장된다. ATP는 생물체의 에너지 저장 물질이다. 신대양어장 최상훈 12 용존산소(DO), 온도, PH, Free ammonia(NH3), free nitrous acid(HNO2) 용존산소는 질산화가 저해를 받는다고 알려진 2 mg/L이상 유지되어야 하나 실제로 어류를 사육하는 양어장은 훨씬 높이 유지되어야 한다. 온도는 많은 학자들은 30도가 최적온도라고 하나 양어장의 특성상 20 ~28도 사이가 최적으로 보임. Nitrosomonas는 free ammonia의 농도가 10 - 150 mg N/L에서 저해 받지만 Nitrobacter는 0.1 - 1.0 mg N/L사이의 낮은 농도에서도 저해. Free ammonia(비이온성암모나아) 농도는 암모니아성 질소의 농도와 온도, pH에 영향을 받으므로 다음 계산식으로부터 알 수 있다. Ka = 암모니아 평형방정식의 이온화 상수 Kw = 물의 이온화 상수 Ka/Kw = e(6334/273+℃) 신대양어장 최상훈 13 질산화를 위해 Free ammonia 농도를 낮게, 질산화 과정에서 비교적 다량의 산소(4.6 g O2/g NH4+-N)가 필요 용존산소는 비교적 높게 유 지 해야 원활한 질산화유도 PH는 중성을 유지해야 유리하다 이유 는 PH가 높으면 비이온성암모니아 비율이 높아지므로 Nitrobacter 의 저해로 아질산의 축적이 일어난다. 질산화과정에서 PH저하를 막 기위해 중탄산, 탄산칼슘 등 투입 (7.14 g/g NH4+ -N) 비 이온성암모니아 계산 수중의 이산화탄소 계산 신대양어장 최상훈 14 탈질 작용은 NO3 - 가 최종적으로 N2 가스 형태로 전환되어 대기 중으로 날아가는 현상이며, 혐기성 미생물들의 작용으로 일어나는 환원현상이다. 산소와 결합하는 반응인 산화현상과는 반대로 NO3- 가 N2 로 환원되는 과정은 질소화합물에서 산소가 점점 떨어져 나가는 현상이다. 탈질 반응은 유기물 분해 반응이기 때문에 유기탄소원이 필요하며 탄소원으로는 수중 유기물을 이용하거나 부족할 경우 외부탄소원으로 보충 한다. 신대양어장 최상훈 15 1단계 반응 : NO3- + 0.33CH3OH → NO2- + 0.67H2O (메탄올 탄소원으로 사용예시) 2단계 반응 : NO2- + 0.5CH3OH → 0.5CO2 + 0.5H2O + O.5N2 + OH탈질반응은 질산 이온이 가스 생성물로 전환되기 전에 아질산 이온으로 일단 환원 된다는 것이 밝혀져 있다. 총 괄 반응 : NO3- + 0.833CH3OH → 0.33CO2 + 1.167H2O + 0.5N2 + OH- 신대양어장 최상훈 16 탈질반응은 유기성 탄소원의 산화와 질산이온의 환원이 동시에 일어나는 두가지 기 질이 관계하는 반응으로 이들 두 기질 사이의 존재비인 COD/NO3-N ratio에 의해 전 체 반응효율이 변화하게 된다. 최적 C/N ratio는 7~8 정도가 적정비율이라고 함. 탈질반응은 미생물이 산소대신 아질산 이온이나 질산 이온이 사용되는 것으로 흔히 'anoxic'조건하에서 일어난다. 또한 탈질반응을 일으키는 미생물들은 heterotroph로 서 유기성 탄소원을 산화하여 에너지를 얻는 것. 탈질반응은 탄소원의 양에 의존하기 때문에 유입수의 부하변동에 따른 적절한 외부 탄소첨가의 제어가 필요하다. 신대양어장 최상훈 17 조단백 44% 조지방 7% 조섬유 5% 조회분 18% 칼슘 1% 인 1.8 % 기타 23.2% 사료의 유기물 = 100 –(물함량 + 회분함량) 72 = 100 – (10 +18) 질소함량 7.04 = 44 / 6.25 C/N 비율은 10.22 = 72 / 7.04 단백질은 구성성분으로 질소를 평균 16% 함유 국제표준 단백질중 질소함량은 6.25 = 100 / 16 배합사료중 C/N 비율은 위식에 대입하여 구할수있으나 탈질과정에서 의 C/N비와는 개념은 다르나 결론적으로는 비슷합니다. 신대양어장 최상훈 18 스텝유입식 다단질화탈질법(2단) 신대양어장 최상훈 19 수산양식은 어패류를 키우는 것이 아니라 미생물을 키우는 것이다. 산학연이 공동연구로 우리나라의 독자적 시스템이 필요 수산물의 브랜드화를 위해 환경개선이 우선되어야한다. 현재 주양식품목을 우선으로 새로운 양식법 개발 내수면어종 육종프로그램 시행 수산인 상호간 정보교류 네트워크 형성 신대양어장 신대양어장 최상훈 최상훈 20