바이오플록(BFT) 양식기술은 바이오 생물공학과 유사한 호지의 혼합 및 폭기, 미생물 공정의 잠재력 최대화의 결과로 진화되었다. BFT 시스템 도입은 비용 및 환경 규제로 인한 양식수 배출의 제한 및 질병, 특히 새우의 바이러스 성 질병을 최소화하기 위한 생물 보안 시스템을 제공하는 수단과 일치한다. BFT 시스템의 기본은 미생물, 조류, 원생 동물 및 기타 수중복합체와 함께 유기물 덩어리 인 바이오플록이다. 바이오플록은 물에 부유하고 풍부한 유용 입자의 독특한 생태계이다. 호지에서 발견되는 바이오플록은 다공성이며 가볍고 지름이 0.1 ~ 수 mm이다. 바이오플록(BFT) 양식기술의 과학적 실용적 개념은 사우스 캐롤라이나에 있는 Mariculture Center의 Steve Hopkins와 동료들과 Avnimelech 및 이스라엘의 동료들(Avnimelech,1993; Avnimelech et al., 1994; Chamberlain & Hopkins, 1994; Hopkins et al., 1993)에 의해 거의 동시에(90년대 중반) 따로 따로 태동 되었다.두 경우 모두 제로(0) 또는 최소의 물 교환으로 실행되었다. 이러한 조건에서 호지에 축적된 유기 잔류물은 분해되고 암모늄은 집약된 미생물 군에 의해 질산화되거나 세포에 동화된다. 이 일련의 공정은 기존의 다량의 물 교환 시스템이나 외부 바이오 필터의 사용을 대체한다. 본질적으로 이 호지 내의 미생물 공정은 호지 수질 정화시스템 (바이오 필터 내장)으로 사용되며 미생물 단백질은 사료 첨가제처럼 사용된다.이 기술의 개발자는 활성 미생물 현탁액 (“미생물 수프”)을 기반으로 새우 및 어류 양식을 선도한 캘리포니아의 Solar Aquafarms를 설립 한 Steve Surfling, “종속영양 먹이사슬(Heterotrophic feed web)” 개념을 개발한 타히티의 프랑스 과학자 (Cuzon 및 동료) 및 Hepher, Schroeder, Moav & Wohlfarth 등이다.BFT 개념은 단순한 원칙에 근거하여 이루어졌지만 기존의 일반적인 상식에 벗어나는 개념이었다. 양식업자들은 양식호지의 물은 깨끗해야 하고 투명할수록 좋다고 생각했다.   양식업자들은 혼탁한 물에서 양식하기를 주저했다. 이 접근법을 본격적으로 시작하는 데는 약 10 년이 걸렸다. 2000 년대 초반에 BFT 기술을 널리 수용하게 한 주요 요인은 물 교환을 제한하는 추세와 필요성이었다. 높은 물 교환 비율은 이전에 준밀식과 밀식양식의 어류나 새우 양식장 수질 및 생산을 통제하는 주요 수단이었다. 물은 종종 매우 높은 비율로 정기적으로 교환되었다. 수질이 악화되는 경향이 있을 때마다 호소의 물을 방류하고 “깨끗한”물로 대체했다. 이 접근법은 여러 가지 이유로 교착 상태에 빠졌다. 우선, 깨끗한 담수가 줄어들고 값이 올랐고, 둘째로, 처리되지 않은 양식 호소의 물을 주변 환경으로 방출하는 것이 대부분의 국가의 환경 당국에 의해 금지되었다. 또한, 양식 종사자가 높은 물 교환을 막을 수 있게 하는 매우 중요한 요인은 바이러스성 질병의

심각한 발생이었다. 한 양식장의 물이 강어귀 또는 기타 지역으로 흘러나와 다른 양식장의 “신선한” 물로 펌핑했다. 특정 농장이나 심지어 한 개의 호지에서 질병이 발생하면, 물 교환을 통해 모든 이웃 양식장에 그 질병이 쉽게 퍼지며, 그 질병은 지역 전체에 영향을 줄 수 있었다. 질병의 발생과 확산을 막는 필요한 보안의 주요 요소는 물 교환을 최소화하거나 완전히 피하는 것이다. 물 교환이 제한적일 때 (교환이 없거나 최소 교환 시스템), 물 속에 유기 물질이 축적된다. 유기 물질은 종속 영양 미생물 군집 발달에 필요한 기질로서 미생물은 유기 분자를 대사시켜 에너지를 얻는다. 밀식, 폭기, 혼합 및 제한된 물 교환은 모두 호소에서의 미생물 역할의 연구 발전에 기여했다. 종속 영양 미생물 제어를 이용한 밀식 어류 양식 시스템이 지난 20 년 동안 연구되고 실행되었다. 조류 지배 시스템에 비해 미생물 지배 시스템의 전형적인 특징은 표 4.1에 나와있다. 조류와 종속 영양 미생물은 에너지 원이 다르다. 조류는 태양 에너지를 사용하는 반면, 미생물은 유기 물질에 의존한다. 따라서, 조류는 유기 물질의 농도가 낮은 호지에서 우세하다. 그들은 유기물을 필요로 하지 않지만 영양분과 일사량을 필요로 한다. 일반적으로 저밀도 호지는 조류에 의해 지배될 것이다. 다른 한편으로 미생물은 유기 물질이 높을 때 번성하며 제한된 물 교환 시스템을 가진 밀식 호지에서 우세하다. 미생물은 호지 바닥의 토양이나 호지에 배치한 판에 집중적으로 모여 있는 특정 부분(인공 기판에 붙은 미생물들)에서 지배적이다. 조류는 빛에 의존한다. 밤에는 호흡만 하고 광합성은 하지 못한다. 상대적인 그늘 효과로 인해 특정 조류가 우점하게 된다. 즉 수면에 서식하는 시아노 박테리아가 늘어나면 다른 종은 그늘이 생겨 번식을 못하게 된다. 조류는 흐린 날에는 덜 활동적이며 때로는 활동이 거의 없을 때도 있다. 조류 개체군은 빛의 강도가 높거나 다른 요인으로 대규모의 사멸로 갈 때도 있다. 이러한 현상은 양식 호지에 극적인 불안정성을 유발하여 산소를 고갈시키고 전체 암모니아(TAN) 농도를 높인다. 미생물은 빛이 필요 없으므로 하루 24 시간 동안 거의 동일하다. 개체수는 안정적이며 조건이 바뀌어도 미생물은 새로운 조건에 빠르게 적응한다. 조류는 광합성 과정의 산물로서 호지에 산소를 공급한다. 밤에는 조류와 미생물에 의해 산소가 소모된다. 조류 시스템 (호지 또는 자연적 부영양화 수역)은 높은 조류 농도로 말미암아 야간에 산소결핍 현상이 발생하는 경향이 있다. 박테리아는 산소를 소비하며 그 활동은 양식 호지의 산소 요구량에 크게 영향을 미친다. 미생물 집단의 크기는 유기물의 공급에 달려있다. 호기성 미생물의 안정성은 충분한 양의 산소 공급에 달려 있지만 저 산소에 대한 민감도는 어류보다 훨씬 적다. 미생물 증식의 원동력은 유기 물질을 첨가하는 것이며, 그 주 공급원은 사료이다. 물 교환이 없는 밀식호지에서 박테리아의 수는 10⁷~10⁸ cells/ml 정도 인 것으로 밝혀졌다. 일부 연구에서는 10⁹ cells/ml까지 발견되기도 하였다(Burford et al., 2003; Chamberlain et al., 2001; De Shryver et al., 2008). 호지에서 유기 물질의 농도는 이전 장에서 논의된 바와 같이 유기물의 첨가와 미생물 분해 사이의 균형으로 인해 안정된 상태에 이르는 경향이 있다. 여기에서 우리는 BFT 호지의 안정상태의 유기물 농도를 평가하고자 한다. BFT 호지와 관련하여 이 이론을 개발하기 위해 세운 가정은 다음과 같다; 호지는 고루 혼합되고 균일하며, 침전물이 거의 없도록 제어되며, 단순한 물질 균형을 유지한다. 호지에서의 유기물 농도의 안정상태 추정치는 다음 근사 방정식을 사용하여 구할 수 있다.

위의 계산은 모든 관련 프로세스를 고려하지는 않지만 호지에서 발생하는 프로세스 범위에 대한 매우 좋은 개념을 제공한다. 많은 호지와 실험실 실험에서 약 0.15/일 (즉, 물 속의 유기물의 15 %가 매일 분해 됨) 인 분해 속도 상수 K가 발견되었다. 이 상수를 사용하고 20 톤/ha 새우 양식장 (새우 2 kg/m³, 하루 40g 사료 (체중의 2 %))을 가정하면, 물 속의 유기물의 안정상태(Steady State) 농도는 약 130g /m³ (= 130 mg/l)이다. 어류 생체량이 20 kg/m³ 이상인 고밀도 양식 호지의 경우 예상되는 안정상태 유기 물질 농도는 이보다 10배나 높은 1,000 mg/l이상이 된다. 이것은 유기 물질의 침강과 호지에서의 과도한 잉여 슬러지 배출을 고려하지 않은 비 현실적인 수치이다. 바이오플록 시스템에서 안정상태를 만드는 것은 시스템의 중요한 특성이다. 2013 년 12 월 베트남에서 있었던 바이오플록과 새우 질병 워크샵의 결론 중 하나는 새우를 건강하게 잘 성장시키는 기본적인 조건은 호지의 안정된 상태의 성취라는 것이었다. 조류우점 호지는 주기 (그림 2.1 참조)에 따라 산소의 극심한 변동을 보이는 반면, 폭기 하고 있는 BFT 호지는 상대적으로 일정한 산소 농도를 유지한다. 적절히 운영되고 있는 BFT호지에서는 암모니아 농도, pH 등의 수치가 안정적으로 유지된다. 이 안정성 (또는 조건의 급격한 변화가 없음)은 스트레스 조건을 최소화하고 건강한 새우 양식을 가능케 한다.

안정적인 부유물 농도 (안정된 플록 – 볼륨 또는 TSS)를 유지하기 위한 노력과 호지 바닥에 축적(10장 참조)으로 인한 호지의 가변 조건을 최소화하기 위한 노력은 매우 중요한 호지 관리 포인트이다. 호지의 교반 시스템으로 유기물을 부유상태에서 안정상태 농도로 유지될 수 있는 경우, 호지 환경을 유지하기 위한 생물학적 제어 균형이 맞는 다고 가정할 수 있다. 그러나 부유 유기물 (또는 자주 사용되는 TSS- 총 부유 고형물)이 너무 높고 호지 혼합 시스템이 부유 상태를 유지할 수 없으면 유기 물질이 호지 바닥에 축적되어 혐기성 조건이 발생하고 호지 환경이 악화된다. 그러한 경우 현장 생물학적 균형이 깨져 특별한 조치없이 시스템을 제어할 수가 없다.

박테리아는 약 1μm크기의 매우 작은 생명체이다. 그러나 고밀도 미생물 바이오 매스를 보유하고 있는 대부분의 경우, 미생물은 0.1mm에서 수 mm 범위의 직경을 갖는 미생물 군집을 생성하는 경향이 있다. 플록 형성, 형태 및 안정성에 영향을 주는 몇 가지 결합 메카니즘이 있다. 많은 미생물이 폴리사카라이드, 단백질, 부식질 화합물 등으로 만들어져 있고 엑스트라 셀룰라 폴리머를 배출한다. 이 끈근한 고분자는 접착제와 같이 세포 및 기타 입자를 함께 붙인다. 다른 메커니즘은 단거리 인력 (분자 상호 작용, 쌍극자, 수소 결합)과 정전 반발력 사이의 균형과 관련이 있다. 대부분의 유기체는 음전하를 띠며 상호 정전기적 반발을 유도한다. 이 반발력이 낮아지면 강력한 당기는 힘이 발생할 수 있다. 소금 농도가 높거나 (높은 이온 강도) 또는 다가-이온이 우세한 경우이다. 따라서 칼슘 또는 알루미늄 이온의 첨가는 안정한 응집을 유도한다. 또한, 섬유질 유기체 (조류, 곰팡이 또는 박테리아)는 서로 다른 플록 형성 성분 간의 가교역할을 한다. 플록은 살아있는 세포와 죽은 세포의 혼합물, 유기물 입자 (detritus)로 구성된다.

첫 번째 그림 (4.1.a)에서는 캘리포니아에 위치한 틸라피아 BFT양식장에서 찍은 것으로 임호프(Imhoff) 정착 콘에서 볼 수 있다. 지름이 수 mm 인 플록이 육안으로 보인다. 다른 이미지(그림 4.1 (b~d))는 배율을 높인 광학 현미경 및 전자 현미경을 사용하여 찍은 것이다. 플록은 박테리아, 사상 조류, 원생 동물 및 동물 플랑크톤 등 다양한 유기체 집합체이며 그리고 아마도 광범위한 활동의 집합체이기도 하다.

플록 시스템은 흥미로운 생태계를 대표한다. 플록은 영양분 및 유기 기질이 상대적으로 열악한 단계의 수환경에서 형성된다. 열악한 수 환경에서, 우리는 유기물, 미생물, 조류 및 고등 생물로 구성된 마이크로-구역 플록을 발견한다. 이 마이크로 구역은 수중 사막 한 가운데 있는 오아시스와 같을 수 있다. 이들은 많은 종류의 박테리아, 조류 및 고등 동물을 유인하며 모두 역동적인 생태계를 담당한다. 15NH₄로 명명된 틸라피아가 있는 바이오플록 탱크에서 바이오플록 시스템을 연구 한 결과, 측정된 질소 플럭스에 근거한 바이오플록에서 미생물의 평균 체류 시간 (실제로 미생물의 단백질)은 약 10 시간이었다(Avnimelech & Kochba, 2009) 이것은 물고기와 아마 다른 생물에 의한 포식과 미생물 분해를 통한 유기체의 파괴와 다른 한편으로는 새로운 미생물의 생산에 의한 것임을 의미한다. 플록은 하루 2번 이상 바뀌고 젊고 활동적인 세포로 구성된다.

바이오플록 현미경 사진에서 보여준 또 다른 특징은 플록의 개방 구조이다. 이것은 플록의 중요한 특성으로 물과 화학물질이 플록을 통해 흐를 수 있게 해주며 플록 내 바이오 매스 내외로의 영양 물질의 효과적인 공급과 대사 산물의 제거를 가능하게 한다.

플록 내부를 통한 물의 흐름은 해양 학자에 의해 수행된 연구에서 입증된 것처럼 중요한 생태학적 의미를 가질 수 있다. 물 속에 떠있는 개별 미생물 세포는 영양소 (및 산소)를 공급받고 세포를 둘러싼 잔잔한 수층을 통해 확산되어 대사 산물을 제거한다. 이는 상대적으로 느리고 비효율적인 과정이다. 개별 세포보다 질량이 큰 바이오플록 (biofloc)은 물 질량 (침전 및 기타 위치 변화)과 관련하여 움직인다. 플록의 다공성이 높으면 물이 모공을 통해 이동하여 생물과의 화학적 상호 작용이 일어나는 확산 거리를 효과적으로 줄인다. 바이오플록 내의 미생물은 물의 교반 강도가 지나치게 높지 않은 한, 개체로 있을 때보다 이동 측면에서 보다 유리하다. 미생물 종의 관점에서 볼 때 바이오플록의 또 다른 장점은 포획이 플록의 외부로 제한되기 때문에 대다수의 세포가 원생 동물 및 다른 포식 동물에 의한 포획으로부터 보호된다는 것이다. 이 주제에 대한 자세한 내용은 이 책의 15 장에 나와 있다.

바이오플록의 높은 다공성은 플록의 밀도를 물의 밀도보다 약간 낮게 만든다. 이것은 효과적으로 바이오플록을 물 속에 부양시켜서 침전을 늦추게 한다. 활성 슬러지 폐수 처리 설비에서, 침전 슬러지와 맑은 물 사이를 신속하게 분리하기 위해서는 플록의 빠른 침강이 필수적이다. BFT 시스템에서 호기성 과정을 촉진하여 폭기 상황에 부유 상태로 머물러 있는 가벼운 biofloc을 필요로 하는데 이는 물고기가 섭취하기 용이하게 바이오플록과 어류 간의 잦은 접촉을 주기 때문이다.

여기서 언급한 바와 같이, 바이오플록은 수처리 시스템에서 중요한 구성 요소이며, 광범위하게 연구되고 있다. 바이오플록과 유사한 시스템에 대한 관심은 현재 해양 과학에서 제기되고 있다. “해양의 눈(Marine snow)”이라고 불리는 미생물 응집체가 바다에서 발견된다(Azam and Long, 2001). 이러한 입자들은 유기체의 응집과 배설물과 같은 유기 입자 주변의 찌꺼기를 통해 형성되며, 그 발생은 우리가 호지에서 발견하는 것보다 훨씬 낮지만 해수에서 발견된다. 이러한 침강 입자는 해양수에서 유기 탄소 제거의 중요한 요소로 간주된다. 우리의 바이오플록과 관련이 있는 흥미로운 연구는 플록에서의 존재와 관련하여 미생물 생리학에서 다루고 있다. 한 가설은 박테리아가 먹이 및 유기질 기질이 매우 낮은 맑은 물 단계에 살면 박테리아는 예비품을 보존하고 에너지 소비를 최소화해야 한다는 것이다. (그렇지 않으면 먹이가 없으므로 사멸된다.) 그러나 동일한 박테리아가 “해양의 눈” (우리의 경우 바이오플록)의 일부분 일 때, 군집 내에서 경쟁력을 갖추기 위해 가능한 모든 생화학 시스템을 동원하여 빠르게 번식하고 이용 가능한 사료를 빠르게 소화시킨다. “해양의 눈” 입자 속에 존재할 때 미생물 종의 활동은 자유 수에서 따로 있는 같은 종에서 발견되는 것보다 몇 배 더 높다는 것을 발견했다. 이 발견은 이 장에서 보고된 바와 같이 바이오플록의 빠른 미생물 교체 비율에 대한 발견을 뒷받침한다.

실용적인 응용 및 팁

1. 바이오플록 시스템은 역동적이고 다양하게 적용 가능한 시스템이다. 바이오플록의 교체 주기는 하루 미만이다. 이 짧은 생물학적 체류시간은 오래된 플록은 잡아 먹히거나 분해되고 새로운 플록이 계속해서 생성됨을 나타낸다. 사료 공급량을 몇 일동안 낮추면 시스템이 변경될 수 있다.

2. 환경에 따라 쉽게 변하는 플록의 특성으로 인해, 사료 주는 시간을 변경하면 플록의 성질과 농도가 변할 수 있다. 따라서 사료 주는 시간을 가능한 한 일정하게 유지하는 것이 좋다.

3. 사료 공급이 비교적 일정하다면 몇 주 안에 안정상태에 이를 수 있다.

4. 바이오플록에는 미생물, 조류, 원생 동물 및 동물 플랑크톤이 포함되어 있으며 모두 함께 먹이로서 물고기에 영양을 공급한다.

5. TSS 농도가 너무 높아 부유 입자 (ca 200-500 mg/l)의 완벽한 혼합 및 유지 관리가 가능하지 않을 때마다 조치가 필요하다: 물 교환 또는 슬러지 방출.

연구 과제

1. 바이오플록 생태계에 대한 연구는 흥미 진진한 연구분야인 것으로 보인다. 바이오플록 내의 유기체는 어떻게 상호 작용할까? 플록 내에서의 바이오플록 밀도, 다공성 또는 크기의 영향은 무엇인가?

2. 환경 요인이 바이오플록에 어떤 영향을 미치나? 일부 관측치는 상이한 섭식 체계 (사료 조성, 비율 및 빈도)가 바이오플록의 형태, 밀도 또는 안정성에 크게 영향을 미친다는 것을 시사한다.

3. 호지 관리 세부 사항이 어떻게 바이오플록 특성에 영향을 줄 수 있을까?

4. 바이오플록의 종 조성을 결정하라.

5. TSS 농도가 호지의 성능에 미치는 영향은 무엇인가? TSS 농도의 상한선과 하한선은 무엇인가?

6. 그리고 마지막으로 매우 중요한 연구 주제: 최적의 바이오플록 컨소시엄 개발 및 유지.

 

질소 증후군: 문제점 및 해결책

개요

물에서 질소 농축은 모든 양식 시스템에서 공통적인 현상이다. 이 문제는 생체량 증가 및 사료 공급의 증가와 함께 증가한다. 암모니아 (NH₃)와 아질산염 (NO₂)은 독성이 있으며 물고기의 성장, 건강 및 생존에 심각한 영향을 줄 수 있다. 이러한 종류의 질소를 제거하거나 무독성 질소 종으로 변형시키는 수단은 고밀도 시스템에서 필수적이다. 여기에서 논의된 주요 공정은 조류에 의한 무기질 질소의 흡수와 질산화이다. 바이오플록 시스템의 질소 제어는 다음 장에서 설명한다.

양식 호지에는 항상 질소 물질이 많다. 밀도가 높을수록 더 많아진다. 물고기는 일반적으로 30~40 %의 단백질을 포함하는 자연적이고 규격화된 사료를 공급받는다. 육상 동물에서는 섭취 한 사료 단백질의 대부분이 체내 단백질에 동화된다. 그러나 물고기는 단백질의 대부분을 에너지의 원천으로 사용한다. 단백질을 산화시키고 단백질에 저장된 에너지를 사용한다. 이 대사 경로의 주된 최종 생성물은 암모늄과 암모니아 그리고 아가미를 통해 주위의 물로의 배설이다. 호소에서 총 암모니아성 질소 (TAN)의 추가 공급원은 유기 물질의 분해이며, 특히 호소 바닥에 존재하는 것과 같은 저산소 조건에서의 분해이다.

사료의 상당부분의 질소가 물고기 배설물에 의한 암모니아 형태로 배출된다. 여러 과학자들이 다양한 양식 시스템에서 얻은 평균 데이터는 사료의 질소 중 약 25 %가 물고기에 의해 회수되는 반면 질소의 약 75 %는 주로 TAN으로 호소로 배출되는 것으로 나타났다. 예를 들어, 입식밀도 500g/m²의 양식장에 30 % 단백질 사료 10g/일/m² (생체중량의 2% 사료투입), 즉, 3g 단백질 또는 0.465gN/일, 공급한다고 가정할 때, 이 중 75 %가 배설되면 약 350 mgN/m²가 된다. 1m 깊이의 호소의 경우, 이는 일일 질소 발생량 0.350mgN/l에 해당한다. 이 질소가 호소에 축적되면 (TAN), 독성 수준은 약 5 일 이내에 형성될 것이다. 질소 축적은 입식밀도가 5kg/m²인 양식장의 경우 이보다 10 배나 높다. TAN과 NO₂를 제거하는 것이 필수적이라는 것은 분명하다.

질소 배설을 평가하는 다른 접근법이 있다. Boyd and Tucker (1998)는 단백질 향량이 25~40%인 사료를 먹이는 경우 평균적으로 물고기 1kg당 30g의 암모니아성 질소가 배출된다고 제시했다. 이 방식으로 계산된 질소 축적 수준은 실질적으로 위에 제시된 수준과 동일하다. Timmons et al. (2002) TAN 발생량을 다음과 같이 계산한다:

(5.1)               PTAN = F * PC * 0.092

PTAN은 총 암모니아 질소 (kg/day)의 생산율, F는 사료 공급량 (kg/day), PC는 사료 중의 단백질 농도 (소수점 값)이다. 위에서 주어진 예에 대한 TAN 발생량을 계산하기 위해 이 방정식을 사용하면 0.35 gN/m³에 비해 하루에 0.28 gN/m³으로 발생량이 다소 낮아진다. 그러나 Timmons와 동료 (2002)는 더 높은 상수 – 해양 새우에 대해 0.144를 제안한다. 이 상수를 적용하면 Eq. 5.1에서 더 높은 값이 얻어지고 다른 추정치와 서로 가깝게 된다.

호지에서의 질소 농축을 알기 위해 우리가 어떤 계산 방법을 선택하든지 좋은 추정을 할 수 있다. TAN이 제거되거나 다른 형태의 질소로 전환되지 않는다면 TAN은 몇 일 내에 위험한 요소로 작용할 것임이 분명하다.

암모늄은 단백질 생분해의 최종 생성물이다. 암모늄, 또는 주로 이온화 되지 않은 화학 종인 암모니아는 독성이 있다. 포유 동물은 암모니아를 신장에서 요소로 변환하고 배뇨로 배설함으로써 암모니아를 해독한다. 물고기는 아가미를 통해 암모니아를 주변으로 확산시켜 배출하므로 신장과 비슷한 역할을 수행한다. 주변 암모니아 농도가 높으면 외부 확산이 느리고 암모니아가 물고기 안에 축적되어 중추 신경계에 영향을 미치고 다른 기관에 피해를 준다. 만성 암모니아에 노출되면 성장이 감소하고 질병에 대한 감수성이 떨어진다. 이온화 되지 않은 암모니아의 치명적인 수준은 0.2~2 mg/l 범위이며, 물고기에 따라 약간 다르다. 산소 농도가 낮으면 암모니아 독성이 증가한다는 것을 알아야한다.

TAN은 물에 용해되어 휘발성이 없는 암모늄 이온인 NH₄⁺와 물에서 휘발될 수 있는 비이온화 된 NH₃의 두 종으로 되어 있다. 두 종은 pH에 의해 결정되는 평형상태에 있다:

(5.2)               NH₄⁺ ←→ NH₃ + H⁺

두 종의 비율은 식 5.2에 따라 pH에 의해 결정된다:

(5.3)               (NH₃) / (NH₄⁺) = Kd / (H⁺)      or:

(5.4)               Log[(NH₃) / (NH₄⁺)] = pKd – pH

괄호는 주어진 종의 활동 (농도로 표시)을 나타내고 Kd는 해리 상수, 10-9.3 (25℃에서) 또는 pK = 9.3이다(Boyd & Tucker, 1998).

pH = 9.3에서 TAN의 50%는 암모니아의 형태로 존재한다. (pH=9.3에서, (NH₃) = (NH₄⁺)). pH가 낮으면 ((H⁺)가 높을 때), TAN의 대부분은 NH₄⁺로 물에 존재하며, 암모니아 효과가 낮아서 휘발하지 않는다.  pH가 상승하면 NH₃의 비율이 증가한다. 암모니아 독성은 높은 pH 값에서 더 높다 (예: 오후 시간 동안 호지의 최상층에서). 물의 pH가 높을 때 암모니아가 대기로 방출되는 것을 기대할 수 있다. 그러나 암모니아가 높으면 심각한 독성 위험이 존재함을 알아야 한다.

또 다른 독성 무기질 질소 종은 아질산염 – NO₂이다. 3 장에서 논의된 것처럼, NO₂는 질산화의 중간 생성물이다. 질산화가 안정상태가 되면, 아질산염은 즉시 독성이 없는 종인 질산염 NO₃으로 산화된다. 그러나 아질산염은 질산화 과정이 시작될 때 또는 부적절한 호소 통기 조건으로 인해 축적될 수 있다. (주: 호지에서 NO₂ 농도의 상승은 불충분한 폭기 또는 슬러지의 축적 및 혐기지역 발생에 대한 표시 일 수 있다.)

혈액 속으로 들어가는 아질산염은 헤모글로빈 분자의 철을 Fe⁺⁺에서 Fe⁺⁺⁺로 산화시키고, 헤모글로빈을 메트헤모글로빈으로 바꾸고 호흡 기관을 중독시킨다. 아질산염은 염화물을 옮기기 위해 일반적으로 사용되는 메커니즘과 동일한 방식으로 아가미 막을 가로 통과한다. 따라서 염화물 농도가 높으면 (NO₂ 농도의 10~20 배) 염화물은 아질산염 흡수와 경쟁하여 아질산염 독성이 감소한다. 따라서 해양 수면에서 자라는 새우에 대한 NO₂ 독성은 소금기가 없는 물에서 자라는 새우보다 낮다. 무기 질소 조절에 관해 다른 관점으로 Crab과 그의 동료들(2007)에 의해 검토되었다. 호지에서 질소 축적에 의한 잠재적 독성은 호소에서 질소를 제거하거나 독성 암모니아 (및 아질산염)를 비 독성 구성 요소로 변형시키는 메커니즘의 속도와 용량에 달려있다. 호소의 생산성을 유지하기 위해서는 무기 질소 제거가 필수적이며, 특히 밀도가 증가하는 경우 더욱 그렇다.

탄수화물과 단백질이 풍부한 사료 성분은 모두가 대사되어 이산화탄소와 TAN을 배출한다. 방출된 CO₂는 공기와 평형에 도달하고 과량의 CO₂는 휘발되고 시간이 지남에 따라 물에 축적되지 않는다. 호소 시스템에서TAN을 제거하기 위한 이와 비슷한 빠른 메커니즘은 없다.

 

무기 질소 축적을 제어하는 수단

• 물 교환

과거에는 많은 양식업자들이 질소가 풍부한 호소 물을 외부의 깨끗한 물과 교환했다. 이 방법은 실질적으로 물 부족과 환경 규제로 인해 단계적으로 폐지되었다.

• 조류에 의한 통제

호지에서의 무기 질소 축적을 조절하는 통상적인 메카니즘은 특히 재래식 양식에서, 조류에 의한 질소제어이다.

위에서 논의한 것처럼, 조류는 CO₂와 물을 흡수하여 단순한 당을 생산하여 에너지를 얻고 새로운 세포를 생산하는 데 사용한다. 그러나 조류 세포의 필수 구성 요소는 단백질 (평균 12 %/건조중량) 이다. 동화된 당으로부터 단백질을 생산하기 위해, 조류는 이용 가능한 질소원을 필요로 한다. 조류는 새로운 세포 생산을 위해 물에서 용해성 무기 질소종 (주로 TAN)의 흡수가 필요하다. 따라서, 물의 무기질소는 조류 세포를 구성하는 유기질소로 전환된다:

(5.5)    ~5 Carbon(탄소) + NH₄ → 조류 단백질

이 메커니즘은 조류의 탄소 동화 속도에 의해 제한된다. 일일 조류의 탄소 동화 작용은 일반적으로 2-5 gC/m²이다. 성장하는 조류의 C/N 비율이 5 인 경우 일일 질소 고정 용량은 0.4-1 gN/m²이다. 이 용량은 입식밀도 0.5 ~ 1.2kg/m²를 유지하는 호지에서 질소 축적을 제어하기에 충분히 높다. 좀 더 밀도가 높은 호지에서는 이 메커니즘이 충분하지 않다. 조류에 의한 통제의 또 다른 한계는 조류 활동의 불안정성이다. 조류의 탄소 동화 작용은 빛에 달려 있으며, 조류는 밤에 TAN을 제거하지 않는다. 따라서 밤에는 TAN이 증가한다. 더욱이 조류에 의한 질소조절은 흐린 날이 계속되면 실패할 수 있으며 이 때는 물고기가 스트레스를 받게 되고 사료 투입을 중지하게 만들 수 있다. 다른 한편으로는, 분할 양식 시스템에서 실행되는 것과 같이 물의 혼합을 통해 조류의 성장 조건을 개선함으로써 조류 용량을 증가시키는 것이 가능하다(Brune et al., 2003).

• 질산화

TAN은 2 단계로 진행되는 일련의 생물학적 산화 (질산화)를 거쳐 아질산염으로 산화되고 이어서 질산염으로 바뀐다. 3 가지 무기질 질소 종인 NH₃, NO₂^–, NO₃^– 중 처음 두 개는 어류에 대한 독성이 있다. 질산염은 100 mg/l 이상의 매우 높은 수준으로 존재하지 않는 한 독성이 없다(Colt and Armstron, 1979).

질산화는 순환여과 양식 시스템인 RAS(Timmons et al., 2002)에서 질소 농도를 제어하기 위한 주요 수단이다. 양식지에서 나오는 물은 높은 표면적을 가진 바이오필터로 처리되어 재활용된다. 이 장치는 모래, 플라스틱 구슬 또는 여러 구조의 시트로 만들 수 있다. 박테리아는 표면에 달라붙어 적절히 사용된다면 씻겨 나가지 않는다. 바이오필터는 질산화균이 성장될 수 있도록 TAN 및 아질산염을 함유하는 용액과 접촉하도록 해야 하며 순응기간이 필요하다. 순응은 몇 주 정도 걸린다. 바이오 필터의 질산화 능력은 넓은 표면적과 많은 수의 박테리아가 표면에 붙어 있기 때문에 높다. 또한 질산화를 최적화하기 위해 산소를 충분히 공급하고, 물의 흐름 또는 교반으로 확산 거리를 최소화하며, 바이오 필터로 유입되는 고형 유기물은 침전 또는 필터로 걸러지며, 필요하면 물의 화학성 (pH, 알칼리도 )이 제어된다. 어떤 경우에는 NO₃를 제거하기 위해 탈질필터를 운영하기도 한다. 이러한 장치는 효율적인 질산화를 지원하는 것으로 알려져 있지만, 이러한 시스템의 구성 및 작동에는 많은 비용이 소요될 수 있다. TAN 및 아질산염을 제어하는 ​​유일한 수단으로 질산화에 의지하는 것에는 다소 어려움이 있다 (Rittmann and McCarty, 2001; Crab et al., 2008). 질산화는 느린 과정이며 논의된 바와 같이 질산화 미생물을 정착시키는 데 몇 주가 소요된다. 더욱이 질산화는 TAN 또는 아질산염 농도의 빠른 변화에 매우 느리게 반응한다. 정체된 호지에서의 질산화는 일반적으로 호소의 바닥 층에 산소가 잘 전달되지 않는다는 사실 때문에 제한을 받는다. 강한 폭기가 실시되고 혼합이 잘 되는 호지에서는 질산화가 잘 진행되지만, 부적절한 산소공급에 민감하다. 또한 양식호소와 저수지와 같이 다른 수역 사이에 물이 교환되면 질산화 박테리아가 씻겨 나가고 물 교환율이 높으면 (하루에 약 30 % 이상) 질산화 미생물이 정착할 충분한 시간이 없게 된다(Diab et al., 1992). 안정된 질산화를 위해서는 최소 약 24 시간의 수리학적 체류 시간이 필요함을 알 수 있다. 양식 호소와 저수지 사이의 빈번한 물 교환은 질산화 기능을 상실하게 할 수 있다.

• 바이오플록 시스템에 의한 질소 제어

바이오플록 시스템에서 질소 축적을 최소화하는 것은 탄소 대 질소 비율의 제어와, 다음 장에 논의되는 바와 같이, 무기질소를 미생물 단백질로의 동화를 통해 가능하다. 또한 바이오플록은 질산화 박테리아를 함유하고 높은 유기물 농도를 함유한 시스템에서도 질산화에 적합한 조건을 제공하는 것으로 보인다. 따라서 질소의 질산화와 질소고정을 사용하는 것에는 모순이 없다는 것을 알아야한다. 탄수화물 투입량을 조절하므로서 이 두 가지 메커니즘 사이의 비율을 조절할 수 있다.

 

실용적인 응용 및 팁

총 암모니아성 질소(TAN)에서 NH₃ 성분이 얼마나 되는지 파악하는 것이 매우 중요하다. 자세한 내용은 일반 화학책과 수질관련 교재(예, Boyd & Tucker, 1998)에 잘 나와있다. 다음 표는 대략적인 수치를 판단하는 데 도움이 될 것이다.

표에서 보듯이 온도가 올라 갈수록 NH₃ 가 많아진다. 그러나, 염분 농도가 올라가면 이 수치는 약간 내려간다. 예를 들어, 24°C, PH=8.0 조건에서, 민물, 염분 농도 20, 25 그리고30 ppt일 경우 각각 4.9, 4.5, 4.3 그리고 4.2%가 된다.

NH3가 갑자기 증가할 경우 산을 첨가하여 pH를 약간 내려주는 것이 물고기를 살리는 응급 조치가 될 수 있다. 그러나, 고농도 산을 사용할 경우에는 너무 많이 넣지 않도록 조심해야 한다. 물이 산성이 되면 물고기가 폐사 될 수 있다

물 교환이 너무 잦은 경우(생산호지에서 흙으로 된 연못이나 바이오필터로) 질산화 미생물이 유실될 수 있으며 이 경우 생산 호지에서 질산화가 중단될 수 있다. 두가지 모두 취할 수는 없다: 물은 안에서 처리하든지 아니면 밖에서 처리하든지 하나를 선택해야 한다.

 

연구 과제

1. 대부분의 바이오필터와는 달리 BFT 시스템은 유기 물질과 BOD가 높을 때도 질산화가 일어난다. 따라서, 미생물 단백질로의 무기질소고정과 질산화는 동시에 일어난다. 유기탄소의 첨가는 고정화를 지원하기 위해 필요하다. 두 공정 간의 최적의 생물학적 및 경제적 균형은 아직 명확하지 않으며 더 연구되어야 한다.

2. 암모늄 종은 쉽게 고정된다. 그러나 아질산염이 축적되는 경우에는, 그 조절이 느리다. 효율적인 NO₂ 제거를 방해하는 요인은 무엇인가?

3. 최근에 anammox 공정이 밝혀지고 연구되었다 (이 과정은 암모니아의 혐기성 산화이다:

NH₄ + NO₂ → N₂ + 2H₂O

최근의 연구에서 물고기의 소화기관과 배설물에서 annamox 박테리아의 존재를 알게 되었고 그에 따라 재순환 양식 시스템에서 탈질 반응기의 중요성이 대두되었다. BFT 시스템에서 이 프로세스가 얼마나 중요할까? 그것은 제어될 수 있을까?

 

BFT를 이용한 무기 질소 축적 제어

개요

유기탄소원을 흡수한 박테리아는 세포형성에 단백질이 필요하기 때문에 물에서 질소를 흡수한다. 그러므로 물에서 무기 질소 (특히 TAN)의 농도가 감소된다. 양식 호지에 유기탄소원을 정해진 양으로 첨가하면 무기 질소의 정확한 제어가 가능해지며 유독 암모니아 및 아질산염의 축적과 관련된 위험을 제거할 수 있다.

여기서는 비상 사태 대처 방법 및 예방 전략뿐만 아니라 물속에 무기질소의 축적을 방지하기 위해 일상적인 사료투입과 함께 필요한 유기탄소원 양을 계산하는 방법이 제시된다.

박테리아 세포를 만드는 주요 구성 요소는 단백질이다. 대부분의 미생물 세포의 탄소 (Carbon): 질소 (Nitrogen) 비율은 약 4~5이다. 박테리아가 주로 탄소가 대부분이고 질소가 거의 또는 전혀 들어 있지 않은 유기 기질 (설탕, 전분, 당밀, 카사바밀 등)을 섭취할 때, 세포 성장과 증식에 필요한 단백질을 생산하기 위해 물에서 질소를 흡수해야 한다.

호소에서의 무기질소 축적의 제어는 미생물 세포의 탄소대사 및 질소고정에 기초한다. 박테리아 및 기타 미생물은 탄수화물 (설탕, 전분 및 셀룰로오스)을 먹이로 사용하여 에너지를 생성하고 성장한다.

(6.1)               Organic C (유기 탄소) ← CO₂ + 에너지 + 미생물 세포에서 동화된 C

공급된 탄소 중 미생물 세포 성장에 사용된 탄소량의 비율은 미생물 전환 효율 (E)로 정의되며 40-60 %의 범위 내에 있다. 새로운 세포 물질의 주성분은 단백질이기 때문에 질소는 미생물 세포의 중요한 구성요소로 필요하다. 따라서, 미생물에 의한 탄수화물 (또는 질소 성분이 적은 사료)이용은 무기질소의 고정을 동반한다. 이것은 기본적인 미생물 프로세스이며 실제로 모든 미생물 군집이 그것을 수행한다.

탄수화물의 첨가는 밀식양식 시스템에서 무기 질소의 농도를 감소시키는 잠재적인 수단이다. 탄수화물을 물에 첨가함으로써, 미생물이 물에 존재하는 무기질소(TAN)를 고정시키도록 하는 것이다. 이 공정은 첨가 유기탄소원의 유용성이 높으면 상대적으로 빨라진다. 그림 6.1에 약 7 mg/l NH₄– N을 함유한 호소 물에 설탕을 첨가 한 사례가 나와 있다. 도시된 바, 당량법 또는 다른 방법으로 용이하게 증명된 바와 같이, 당의 첨가 후 몇 시간 내에 암모늄 농도는 약 1 mg/l로 낮아졌다.

이 계산식은 양식장 운영자가 흐린 날, 조류 폐사, 높은 입식밀도 등으로 인해 TAN 농도가 높을 때 위험을 줄이기 위해 유기탄소원을 얼마나 투입할지 계산할 수 있게 한다. 이와 같은 조치는 사후 비상대책으로 간주될 수 있다. 양식장 운영자는 TAN 또는 NO₂의 과도한 상승에 따라 이러한 조치를 취해야 한다. 이 작업 방식은 전 세계 많은 양식장 운영자가 행하고 있다. 태국의 양식장 운영자들은 흐린 날, 호소에서 TAN의 농도가 상승할 때 카사바 가루를 투입한다. 다른 사람들은 TAN 농도가 증가할 때 당밀을 사용한다. 빵집에 쉽게 접근할 수 있는 이스라엘 사람은 호소의 암모늄 농도가 상승할 때 상한 밀가루를 사용했다.

경고: 한 번에 많은 양의 탄수화물을 추가하면 높은 산소 소비로 인해 산소 결핍을 초래할 수 있다. 소량씩 사용하고 산소농도를 관찰하는 것이 좋다.

다른 능동적인 접근법은 TAN 증가를 사전에 방지하고 공정을 최적화하기 위해 사료에 탄수화물의 적절한 양을 추가하는 것이다. 물고기나 새우가 배설한 암모늄을 실시간으로 제거하기 위해 첨가해야 하는 탄수화물의 양을 추정해야 한다.

위에서 언급했듯이, 호소의 어류나 새우는 사료에 첨가된 질소의 약 25 %만을 흡수한다. 나머지는 대부분 NH₄ (일부는 유기질 배설물 또는 사료 잔여 물)로 배출된다. 물고기 배설물이나 미생물에 의한 유기질소 분해에 의한 암모니아 발생량은 사료에 의한 암모니아 발생량의 50%이상 된다:

(6.5)               ∆NH4 = Feed(사료) x %N Feed(사료) x % NH₄ excretion(배설)

부분적인 물 교환, 침전 또는 슬러지의 제거에 의한 암모니아 농도의 감소는 계산되거나 추정될 수 있다. 물의 교환이 없는 양식장에서는 모든 암모늄이 양식장에 그대로 남아 있다. 암모니아를 미생물 단백질로 동화시키는데 필요한 탄수화물 첨가량은 식 6.6 및 6.7 사용하여 계산할 수 있다:

(6.6)               ∆CH = ∆Feed(사료) x %N feed(사료) x % NH4 excretion(배설) / 0.05

예: 단백질 함량이 30 %인 사료 (4.65 % N)를 사용하고 사료 질소의 50 %가 배출된다고 가정하면 (% N 배출), 우리는 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

(6.7)               ∆CH = Feed(사료) x 0.0465 x 0.5/0.05 = 0.465 x Feed(사료)

식 6.7에 의하면, 30 % 단백질을 함유한 사료는 사료의 46.5 %에 해당하는 단백질이 없는 탄수화물이 추가되어야 한다. 따라서 보정된 단백질 백분율은 다음과 같다:

(6.8)               보정된 단백질 % = 30%/1.465 = 20.48%

여러가지 사료 또는 사료 혼합물의 C/N 비의 대략적인 계산은 다소 간단하다.

1. 사료중의 탄소 함량은 총 사료 중량의 50 %에 거의 가깝다 (거의 모든 사료 원료에는 탄소가 약50 % 이다).

1. 단백질의 양은 단백질을 함유하는 사료 성분의 단백질 함량과 사료량의 곱이며 그 중 질소의 함량은 단백질 x 0.155 (평균적으로 단백질의 질소 함량은5 % 임)

1. C/N비율은 C (a로부터)를 N (b로부터)으로 나눔으로써 얻어진다.

예제:

1. 40% 단백질을 함유한 펠렛:

C = 500 g/kg 사료

N: 단백질 = 400 g/kg 사료

      N = 62 gN/kg 사료 (단백질 x 0.155)

C/N = 500/62 = 8.06

2. 틸라피아 호소 일일 사료양 = 5 kg (30% 단백질함유 펠렛) + 4.5 kg 옥수수가루:

C = (5 + 4.5) x 50% = 4.75 kg

N: 단백질 = 5 x 30% = 1.5 kg

      N = 1.5 x 0.155 = 0.233

C/N = 4.75 / 0.233 = 20.4

사료의 C/N 비율을 조정하여 무기질소 축적을 제어하기 위한 이론적 고려 사항은 많은 실험실 및 현장 결과에 의해 입증되었다. 다음은 두 가지 예제이다.

3. 새우 탱크 시험 (Avnimelech and Panjaitan, 2006)

새우는 3 배로 늘린 60L 탱크에서 키운다. 4 마리의 새우입식 (각각 5g, 입식밀도 30/m²에 해당). 단백질 함량 38 % 사료가 사용되었고, 체중의 5 % (BW) 급이. C/N 비율을 6.5에서 22.5로 조정하기 위해 당밀이 추가됨. 물 교환 없음.

총 8 주의 실험기간 동안 총 암모늄 질소 농도는 그림 6.2에 주어져 있다.

TAN 수준은 C/N 비가 6.5 및 15 인 경우 약 1 mg/l로 증가하였고, C/N이 17.5 일 때 0.4, C/N 비율이 20 및 22.5 일 때 실질적으로 0이었다.

4. BFT를 이용한 틸라피아의 겨울철 양식실험 (Crab et al., 2009)

50m³ 양식 호지에 약 20kg/m³에 틸라피아 (tilapia) 치어를 입식시켰다. C/N을 약 20으로 조정하기 위해 옥수수 전분을 첨가하거나 첨가하지 않으면서 단백질 함량30% 및 23%의 사료를 공급함. 모든 호지에 동일한 양의 단백질을 제공함. 실험기간동안 물 교환 금지. 결과는 그림 6.3; a-c에 나와있다 (Crab et al., 2009).

그림 6.3 (a)에서 총 질소 (무기 + 부유 유기 질소)는 모든 처리에서 동일한 속도로 증가하는 것으로 나타났으며 사료에 적용된 질소의 양과 동일하다. 그러나 시간이 지남에 따라 무기질소 (NH₄ + NO₂ + NO₃)는 C/N 비가 10과 14 인 두 가지 처리에서 현격히 증가되었고, 펠렛 + 전분으로 C/N를 20으로 맞춘 처리수에서는 무기질소의 증가가 미미한 것으로 나타났다(그림 6.3(b)). 그림 6.3 (c)는 시간이 지남에 따라 현탁된 유기질소 (바이오플록의 질소)의 변화를 나타낸다. 여기서 반대의 경향이 나타난다. 전분을 첨가하지 않은 처리에서는 유기 질소 농도에 변화가 없었지만 전분을 첨가하고 C/N 비를 약 20으로 증가시키면 실질적으로 첨가된 모든 질소가 부유 유기질소로 전환되었다.

사료 원료의 C/N 비를 조절하여 무기 질소 축적을 제어하는 것이 실현 가능하고 믿을만 하다고 결론 지을 수 있다. 또한 관련 프로세스를 다소 간단한 방정식으로 설명할 수 있으므로 프로세스를 시뮬레이션하고 결과를 예측하는 것이 가능하다. 모델링 프로그램이 개발되고 검증되었다. 이에 대한 자세한 내용은 제안된 독서 목록에 나와 있다.

그러나 양식호소의 현실은 그렇게 간단하지 않다.

위의 이론적 고려 사항과 계산은 호소의 질소를 제어하는 유일한 메커니즘이 물에서 TAN의 미생물 동화 작용이라는 가정에 근거한다. 이것은 현실의 과도한 단순화이다. 종종 TAN은 조류 섭취 및/또는 질산화에 의해 추가적으로 관리되며, 이들 중 하나는 물 속의 암모니아 부하를 감소시킨다. 위의 계산은 TAN 제거를 위한 방법이 오직 바이오플록 미생물에만 의존한다는 최악의 경우를 가상한 계산방법이고 실제로는 이 보다는 훨씬 적게 탄소원을 투입해야 할 것이다.

실제로 (18 장에서 상세히 논의됨) 상기 계산은 출발점으로 사용되지만, 첨가되는 유기 탄소의 정확한 양은 물의 TAN 농도를 결정한 후 다시 계산되어야 한다. TAN이 적을 경우 탄수화물 첨가량을 낮추고 TAN이 높거나 증가하면 사용량을 늘려야한다. 이것은 다소 간단하고 직접적인 제어 프로세스이다.

실용적인 응용 및 팁

1. 과도한 무기질소의 제거 및 조절은 조류 활동, 질산화 및 질소 동화작용의 조합에 의해 제공된다. 처음 두 메커니즘은 제어하는 것이 쉽지 않다. 탄수화물 첨가에 의한 질소조절은 조류와 질산화를 이용하면서도 안정적이고 균형잡힌 시스템을 얻을 수 있게 한다.
    

2. 총암모니아 (TAN)를 제어하기 위해 양식호소에 탄수화물양을 조절하여 넣어 주는 것은 필수적이다.

3. 기본적으로 알아 두어야 할 기본 매개 변수는 사료의 단백질 함량과 C/N 비율이다. 단백질 함량은 사료 생산자에 의해 주어진다. 양식호지에 투입되는 전체 C/N 비율은 사료의 C/N 비율을 고려하여 조정되어야 한다. 여러 사료의 C/N 비율은 아래 표 6.1에 나와있다.

연구 과제

1. 미생물 단백질로의 무기질소 동화는 매우 흔한 미생물 과정이다. 그러나 공정의 효율성은 미생물 또는 미생물 집합에 따라 달라질 수 있다. 현재 우리는 바이오플록 (bioflocs)의 개체구조와 유리한 미생물을 선택하는 능력에 대해서는 거의 알지 못한다.

2. 여러가지 유기탄소원 첨가에 의한 질소동화작용의 효과가 이 장에서 논의되었다. 우리는 입자 크기가 중요하다는 것을 알아야 하며 (입자가 작을수록 효과적이다) 비용 또한 중요한 기준이다. 그러나, 상이한 기질이 상이한 질소 동화 속도를 유도할 가능성이 있다. 따라서 Crab과 동료 (2009)는 글리세롤이 포도당에 비해 단백질 동화를 2 배나 높게 한다는 실험실 연구 결과를 발견했다. 그러한 효과는 더 연구되어야 한다.

3. 이전 장에서 언급했듯이, 조류와 박테리아의 결합과 그 효과가 보다 분명해 져야한다.

 

사료로서의 바이오플록

개요

관련이 있지만 바이오플록으로 먹이는 문제에 관한 두가지 측면을 다룰 것이다. 첫 번째는 사료의 재활용 및 그에 따른 사료 효율의 증가와 관련이 있는 양적 측면이다. 현장 경험 및 실헐심 연구결과 사료 사용량이 약 20 % 감소될 수 있음이 밝혀졌다.

두 번째는 상업적으로 가공된 사료에 포함되지 않은 부가가치를 갖는 사료 원료로서의 바이오플록의 품질과 관련이 있다. 사료로서 바이오플록이 새우와 어류의 성장을 개선하고, 효소 및 호르몬 활성을 향상시키고 질병의 위험을 감소시킬 수 있다는 증거가 빠르게 늘어나고 있다. 더욱 흥미 진진한 발전은 이러한 부가가치의 질과 양을 통제할 수 있는 잠재 능력이다. 이러한 연구 방향은 향후 몇 년 안에 기하 급수적으로 발전할 것으로 예상된다. 생물반응조에서 생성된 바이오플록을 배합사료에 첨가하는 것을 현재 사료산업에서 집중적으로 연구하고 있다. 한 성공적인 사례 중 하나는 호주 CSIRO-Australia가 개발한 사료제품Novacq®인데 이 제품을 사용하여 얼룩새우(Giant Tiger Prawn) 양식에서 새우 성장율을 약 30% 향상시킨 기록이 있다. 바이오플록은 “성장 인자”를 가지고 있을 수 있다. 그러나 영양 특성은 건조 공정 중 온도에 의해 영향을 받을 수 있으며 ‘고유’ 특성이 변경될 수 있다. 이 분야에 대한 더 많은 연구가 필요하다.

미생물은 독성 무기 질소 농도를 통제하고 감소시키기 위해 BFT 시스템에서 환경에 맞게 변형된다. 미생물량을 증가시키는 것이 이 과정에서 중요한 부분이다. 물 교환이 제한적이고 고밀도 BFT양식장의 미생물은 잠재적 사료에 해당한다. 예를들어 5ml/l의 플록 (floc)의 경우, 잠재적 사료로서의 양으로 계산하면 약 700kg/ha이다. 물고기 또는 새우가 이 잠재적 사료를 활용할 수 있을까? 이것은 분명하지 않고 플록의 성질, 바이오플록을 수확할 수 있는 어류의 능력 및 현탁된 유기물질을 소화할 수 있는 능력에 달려있다.

실험실 및 상업적 규모의 연구 결과는 대부분의 새우, 틸라피아 (tilapia)와 잉어 (carp)가 바이오플록을 섭취할 수 있는 것으로 확실히 나타났으며, 사료의 효율을 향상시키는 것으로 확인되었다. 바이오플록을 사료 보충제로 활용할 수 있는 추가 어류에 대한 새로운 정보가 누적되고 있고 유효성을 확인하는 중이다. 이러한 연구는 물고기에 의한 바이오플록의 포획 및 이용에 대한 정량적 평가를 가능하게 하는 다른 실험적 방법에 의해 도움을 받을 수 있다.

바이오플록 양식호지에서는 다량의 미생물 단백질이 생성된다. 다른 근사법을 사용하여 이 단백질양을 추정할 수 있다. 물고기가 사료와 함께 투입된 질소의 약 75 %를 배설하고 이 중 절반만이 미생물 단백질 (나머지는 슬러지로 침전, 탈질화등으로 소실됨)로 된다고 가정하면, 생산된 미생물 단백질의 양은 사료와 함께 공급되는 단백질의 양의 거의 40%에 해당된다. 예를들어, 입식밀도 5kg/m³인 양식호지에 30% 단백질 사료를 하루에 100g/m³ (사료 단백질 = 30g/m³) 투입한다면 이 때 생성되는 미생물 단백질 양은 약 11g/m³가 된다.

미생물 단백질 생산의 잠재력을 평가하는 다른 방법은 200 mg/l 부유 바이오플록 (200 g/m³)을 함유한 호지에서 m³ 당 부유 단백질의 양을 평가하는 것이다. 3 장에서 논의된 바와 같이, 미생물은 약61 %의 조단백질을 함유하고 있다. 따라서 그 호지의 물에는 m³ 당 약 120g의 조단백질이 포함된 것이 되고, 이는 위에서 언급한 양식호지에 4일간 급이한 사료에 포함된 단백질양에 해당되는 것이다.

위의 내용은 대략적인 근사치와 예제이다. 그러나 모든 양식 관리자는 얼마나 많은 단백질이 그의 호지에 저장되어 있는지 알아보기 위해 부유물질, 더 세부적으로는 부유 질소농도를 통해 쉽게 알 수 있다.

수중에 축적되는 총 미생물 단백질의 잠재적인 사용 가치는 사소한 것이 아니다. 박테리아는 물고기의 적절한 기능과 성장을 돕기 위해 물고기에 의해 섭취되고 소화되어 동화되어야 한다. 이 모든 단계는 미생물 단백질의 유익한 사용에 필수적이다.

미생물 단백질의 사용은 수세기 전부터 사용되었던 것인데, 그 때는 유기성 폐기물을 물고기에게 먹이는 것이었다. 미생물 대사에 대한 어류 영양의 기여는 이스라엘의 연구원(Moav et al., 1977; Schroeder, 1978)에 의해 종속 영양 (heterotrophic) 먹이 사슬로 정의되었다. 이 개념에 따르면, 물고기는 직접 또는 간접적으로 1 차 생산자를 먹을 수 있지만, 또한 호지에 투입되는 분뇨와 같은 유기잔류물을 분해하는 박테리아도 먹을 수 있다.

최근 전세계적으로 BFT양식의 증가에 따라 많은 경험이 축적되고 있다. BFT 호지에서 자라는 새우 또는 물고기는 상대적으로 낮은 FCR을 가지며, 잘 자라며, 바이오플록을 먹이로 하루 종일 섭취하므로 소화기관이 꽉 차 있는 것으로 밝혀졌다. BFT 양식의 사료효율성에 대한 좀 더 직접적은 지표는BFT 호지에서의 단백질 이용률이 높다는 것이다. 전통적인 호지에서 물고기 또는 새우는 사료에 적용된 단백질의 약 25 % 만 몸에 축적된다. 나머지는 대부분 TAN으로 배설된다. 따라서 우리는 물고기에서 1kg의 단백질을 얻기 위해 4kg 단백질에 사료를 공급해야 한다. FCR과 유사한 PCR (Protein Conversion Ratio, PCR)은 사료의 단백질 전환율을 나타낸다. 어류 또는 새우 생산의 평균 PCR은 4이며, 즉 우리가 판매하는 어류에서 1kg 단백질을 얻기 위해 4kg의 단백질 공급이 필요하다. 단백질은 가장 고가의 사료 성분이므로 단백질 섭취 효율을 높이는 것이 가장 중요하다는 것을 알아야 한다. 또한 양식어류를 생산하는 데 사용되는 단백질의 대부분이 어분으로 만들어지기 때문에 사료에 단백질을 첨가하는 것은 심각한 환경 비용을 초래한다. 단백질 사용은 BFT 시스템에서 상당히 높다. 유기탄소원을 추가하여 미생물이 배설된 질소를 수거하고 미생물 단백질을 생성하여 물고기에 의해 소비된다. 물고기가 단백질을 두 번 먹는다고 말할 수 있다. 한 번은 사료로, 다시 한번 미생물 단백질로 섭취한다. BFT 상업용 시스템에서 얻은 PCR은 약 2이며 기존 시스템보다 2 배나 효율적이다. 상업용 바이오플록 시스템의 평균 단백질 이용률은 46 %(Avnimelech et al., 1994; Chamberlain et al., 2001)이다. 실험실에서는 65 %의 단백질 효율이 입증되었다 (Vlasco et al., 1998).

흥미로운 새로운 논문이 해양 연구소 (Oceanic Institute)의 과학자들에 의해 발표(Leber and Pruder, 1988)되었다. 그들에 의하면 “녹색 물”의 새우, 즉 저수지 또는 새우 양식장의 물에서 자란 새우가 맑은 우물물에서 자란 새우보다, 항상 충분한 배합 사료를 먹었을지라도, 더 잘 자랐다는 것이다.

그러나 바이오플록 시스템에서 생성된 미생물 단백질의 사용과 관련된 질문이 아직까지 남아 있다. 이 단백질은 어떤 물고기 종에도 사용할 수 있을까? 활용될 수 있을까? 우리는 고가의 사료 단백질을 미생물 단백질로 대체하여 비용을 절감할 수 있을까?

미생물 단백질이 이용되기 위해서는 어류에 의해 먹혀야 한다. 개별 세균의 크기는 1 마이크론 정도이며 물고기의 아가미에 의해 물에서 여과되기에는 너무 작다. 비단 잉어는 20-50 미크론보다 큰 미립자를 걸러 낼 수 있으며, 숭어는 10 미크론보다 큰 입자를 걸러낼 수 있다. 모두 미생물 세포보다 큰 사이즈이다. 아주 작은 입자 일지라도 아가미를 덮고 있는 점액층에 붙을 수는 있지만 미생물 단백질을 섭취하는 방법으로서 매우 비 효율적이다. 그러나 4 장에서 논의한 것처럼 BFT호지의 대부분의 미생물은 크기가 0.1-3mm의 범위인 바이오플록 (biofloc)에 뭉쳐있으며, 이는 많은 종류의 어류에 의해 걸러지기에 충분한 크기이다.

이 문제를 연구하는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 더욱이, 위에서 논의한 바와 같이 바이오플록 흡수의 증명은 어류가 BFT 시스템에 장기간 노출된 후에 얻어진다. 어류 성장기에 따른 바이오플록의 섭취형태, 바이오플록의 밀도 및 플록의 크기 등 짧은 기간 동안 결론 낼 수 없고 성장기 전 과정에 걸쳐 오랜 기간 관측과 측정이 필요한 것이다. 이 모든 질문에 대해 우리는 보다 세밀한 실험 기법이 필요하다. 우리는 다른 조건 하에서 다른 물고기에 의한 미생물 단백질의 수확과 이용을 정량적으로 평가할 필요가 있다. 그러한 정보를 얻기 위한 매우 세밀한 기술은 15 N 동위 원소로 바이오플록에 태그를 부착하여 동위 원소의 운명을 결정하는 것이다 (Burford 2003; Avnimelech 2007).

자연상태에서 대부분의 질소는 원자량이 14인 원자로 구성되어 있다. 그러나 작은 분율 (약 0.3 %)은 원자량이 15 인 무거운 원자로 구성되어있다. 15 질소는 안정한 비 방사성 동위 원소이다. 화학적으로 더 가벼운 ¹⁴N 원자와 실질적으로 동일하게 작용한다. 우리가 ¹⁵N으로 바이오플록을 키우고 어류에서 ¹⁵N의 농축 정도를 측정한다면, 물고기에 의한 미생물 단백질의 수확과 이용을 정량적으로 결정할 수 있다. 총 질소 중 ¹⁵N의 백분율은 ¹⁵N을 신속하고 자동으로 분석할 수 있는 특수 기구인 질량 분광기를 사용했다. ¹⁵N 농축 소금 (일반적으로 NH₄Cl 또는 (NH₄)₂SO₄, ¹⁵N으로 99 %까지 농축)을 첨가함으로써 ¹⁵N으로 바이오플록에 표식을 붙이는 것도 매우 쉽다. 우리는 전분을 첨가하여 박테리아에 의한 NH₄의 섭취를 향상시킬 수 있다. 몇 시간 내에 실질적으로 모든 첨가 암모늄이 바이오플록에 함유되어있는 것으로 밝혀졌다. 어류에 의한 바이오플록의 포획은 어류에서의 ¹⁵N 농축 정도를 파악해 평가될 수 있다.

바이오플록과 물고기에서의 ¹⁵N 농축의 측정은 매우 간단한데, 특히 현대의 자동 ¹⁵N 분석기를 사용하면 훨씬 간단하다. ¹⁵N 농축 측정의 높은 정확도로 인해 단기간에 실험을 수행하고 단기간에 다양한 조건에서의 미생물 단백질 섭취를 평가할 수 있다.

바이오플록의 어류 이용을 평가하기 위한 추가 수단은 어류 조직의 탄소 축적에 대한 평가이다. 탄소는 자연적으로 발견되는 안정한 동위 원소이다. 상이한 탄소원에 대한 탄소축적은 서로 다르게 나타난다. 예를 들어, 배합 사료를 먹이는 경우와 조류를 먹이는 경우 축적되는 탄소가 다를 수 있다는 것이다.  Avnimelech과 동료 (1989)는 실험 탱크에서 틸라피아에게 셀룰로오스 파우더와 질소 비료를 먹였다. 틸라피아는 셀룰로스를 소화할 수 없지만 물 속에 있는 박테리아는 셀룰로오스 분해하여 셀룰로스에 있는 탄소와 물속의 질소를 이용하여 단백질을 생성할 수 있다. 어류 조직에 축적된 탄소는 배합 사료의 셀룰로스 보다 미생물에 포함된 탄소에 더 가깝다는 것을 알 수 있었다.

지난 20 년간 많은 과학자들이 새우의 단백질 영양에 바이오플록의 기여도를 연구했다. Michele Burford와 동료들(2003, 2004)은 실험 탱크 시스템과 BAL (Belize Aquaculture) 양식 호지에서 많은 연구를 수행했다. BAL은 새우 생산에 바이오플록 기술을 사용한 최초의 상업 규모의 농장이었다. 새우 단백질 동화의 약 20 ~ 30 %가 바이오플록의 섭취에 기인한 것으로 밝혀졌다. 다른 과학자들도 새우의 바이오플록 섭취에 대한 비슷한 결과를 얻었다 (Abreu et al., 2007; Epp et al., 2002; Nunes et al., 1997; Velasco et al, 1998) Avnimelech은 틸라피아에 의한 단백질 동화 작용을 연구(Avnimelech, 2007; Avnimelech and Kochba, 2008)했다. 바이오플록으로부터 순 단백질 섭취량은 통상적인 단백질 공급의 25-50 %와 동등한 것으로 밝혀졌다. ¹⁵N의 배설량은 순 ¹⁵N 섭취량의 약 2 배에 해당하는 것으로 밝혀졌다. 바이오플록의 회전율 (즉, 새로 합성된 물질로 바이오플록을 균등하게 대체하는데 필요한 시간)은 약 8 시간이었다. 이 매우 빠른 회전율은 바이오플록의 매우 역동적인 특성과 대부분의 세포가 젊고 활동적이라는 사실을 나타낸다.

어류 영양에 대한 바이오플록의 기여도에 대한 데이터는 바이오플록 먹이의 대략적인 영양적 가치를 제공한다. 어류의 다양성과 나이, 바이오플록 현탁액의 밀도 및 플록의 크기에 따라 다른 결과가 얻어질 가능성이 높다 (먹이 효율은 큰 플록에서 더 높을 것으로 보인다. Ekasari 2014) 또한 어류의 생리적 특성에 따라 순수 흡수율과 총 흡수의 비율도 다를 수 있다. 그렇지만, 바이오플록이 대부분의 어류에서 단백질 영양의 중요한 부분을 차지한다고 결론 지을 수 있다. 현재까지, 틸라피아, 새우 (대부분 Litopenaeus vannamei 및 Penaeus monodon), 그리고 잉어에 의한 미생물 단백질 이용에 관한 좋은 자료가 있다. 숭어가 쉽게 바이오플록을 섭취할 수 있다는 예비 결과가 있다. 그러나 아프리카 메기가 바이오플록을 거의 섭취하지 않는다는 예비 연구 결과도 있다. 이는 아가미가 개발되지 않았기 때문인 것 같다. 이와 유사하게 한국의 장 인권과 김 수경은 3 종의 새우에 의한 바이오플록 섭취량의 차이를 발견하였는데, L. Vannamei가 R Chinesis 및 M. Japonicus보다 높은 잠재력을 보인 것이다. 이러한 차이는 3번째 턱발의 진화성 및 부유 물질 (> 10 μ)을 잘 포획할 수 있는 구조의 그물망 형태의 3번째 턱발 구조와 관련이 있을 것 같다. 특정 어류의 바이오플록 섭취에 관한 더 많은 연구와 데이터가 아마도 앞서 언급한 기술을 사용하여 미래에 추가될 것이다.

바이올플록은 중요한 영양 보충제가 될 수 있지만, 아마도 유일한 영양 공급원으로 사용되면 안될 것이다. 미생물 세포는 고등 생물보다 높은 수준의 핵산 질소와 비 단백질 질소를 포함한다. 일반적으로 핵산 수준, 주로 리보핵산은 8 ~ 25 g/100 g 단백질 (건조 중량 기준)의 범위이다. 다양한 종의 사료 실험을 통해 미생물 세포가 단백질의 유일한 공급원으로 사용될 때 성장이 억제됨이 증명되었다. BFT 시스템의 미생물 단백질은 사료 단백질 보충제로 만 고려해야한다. BFT 시스템은 단백질의 부분 공급원으로 미생물 단백질을 사용하는 것에 기반을 두고 있으며 유일한 공급원은 아니다. 그러나 우리는 바이오플록에 조류와 곰팡이뿐 만 아니라 원생 동물과 동물성 플랑크톤과 같은 상당한 양의 동물이 포함되어있어 전체 단백질에서 핵산 비율을 감소시킬 수 있음을 알고 있다.

바이오플록을 먹이는 것과 관련된 일련의 정량적 지침과 경제적인 평가를 개발할 필요가 있다. 언급했듯이, 새우는 전체 단백질의 약 20 %를 바이오플록을 통해 섭취한다. 틸라피아의 경우 BFT 단백질 섭취량은 최대 50 %까지 높아진다. 에너지원이 되는 성분과 다른 사료 성분도 비슷한 비율로 바이오플록 섭취를 통해 흡수된다고 가정할 수 있다. 이러한 결과는 사료 공급 감소 (및 비용 절감)로 이어질 수 있다. 일부 틸라피아 양식장에서는 BFT 호지의 사료를 20 % 줄인다. Pohan Panjaitan (2006)은 생산 감소없이 BFT의 사료 공급량을 30 %까지 줄일 수 있음을 발견했다. 우리는 양식업자들이 중요한 결정을 내릴 때 신뢰성 있게 도움을 줄 수 있는 데이터를 바탕으로 생산 비용을 대폭 절감할 수 있는 데이터를 필요로 한다.

위의 논의는 여러가지 어류와 새우에 의한 미생물의 단백질 공급원으로서의 섭취에 대해 평가했다. 그러나 많은 연구에서 바이오플록의 다른 영양학적 가치 혹은 특별한 효과를 추가하고 있다. 어류 또는 새우에 대한 바이오플록의 특별한 효과는 단백질 공급원으로서의 통상적 효과 이상이다. 해양연구소(Oceanic Institute)의 Leber and Pruder (1988)는 동일한 양식사료를 먹일 때, 물이 지속적으로 흐르는(flow-through) 호지에서 사육하는 새우가 바닷물 대수층의 맑은 물 만으로 사육하는 새우에 비해 50% 더 빨리 성장한다는 것을 발견했다. 모스 (Moss)는 밀식 새우 양식장에서 채취한 부유 고형물이 맑은 우물물에서 사육된 새우의 성장을 89 %까지 촉진했다고 보고했다. 수중의 현탁 고형물은 미세 조류 및 미생물 응집체로 특징 지어졌다. 부유 고형물의 성장 촉진 요인은 밝혀지지 않았지만 박테리아가 한 후보로 언급되었다. Kuhn과 동료 (2008)는 틸라피아 호지에서 가공된 바이오플록 약 8-16 %를 새우 사료에 포함시키면 새우 수확량을 160 % 증가시킨다는 것을 발견했다(상세내용은 8장에). 모든 알려진 사료 성분은 모든 상업적 사료와 바이오플록에서 동일하다는 것을 알아야 한다. 해양연구소(Oceanic Institute)에서 수행한 연구에서 비슷한 결과가 얻어졌다(Ju et al., 2008). 해양 새우 양식 조에서 바이오플록을 채취한 후 새우의 사료 또는 사료의 구성 요소로 그대로 (전체 플록으로) 또는 여러번 추출하여 사용했다. 필요한 모든 성분을 함유하고 있다고 가정된 전체 플록을 포함한 사료를 투입한 실험구 새우의 성장속도가 재래식 사료를 급여한 대조구 새우의 성장보다 빨랐다. 전체 플록의 부가가치 중 일부는 추출중에 손실되었지만 추출된 플록을 사용한 실험구조차 새우 성장이 빨랐다. 어떤 성분이 새우의 성능을 개선시키는가에 대한 최종 결론은 없다. 그러나 양식호지에 존재하거나 사료와 함께 공급되는 바이오플록 (bioflocs)이 새우의 성능을 향상시킨다는 것이 분명히 증명되었다. 배합 사료에 첨가된 생물반응조에서 생산된 바이오플록 가루는 현재 영양 분야에서의 집중적으로 연구되고 있다 (8장 참조). 흥미로운 사례 연구는 CSIRO-Australia에 의해 개발된 바이오플록 사료 첨가제 Novacq®를 사용하여 오스트레일리아 양식장에서 얼룩새우(P. Monodon)성장율을 30 % 정도 촉진한 것이다. 바이오플록은 오징어(Cruz-Ricque et al., 1987)에서 조사한 것과 비슷한 “성장 인자”를 가지고 있을 수 있다. 그러나 영양 특성은 건조 과정에서 열에 의해 파괴되는 것 같다. 물론 이 분야에 대한 더 많은 연구가 필요하다.

추가 작업(Izquierdo et al., 2006)으로 격리수계(mesocosm) 배양에서 새우에 플록이 영양적으로 기여함으로써 생선 기름 공급의 필요성이 줄어들거나 없어지는 것으로 나타났다.

매킨토시 (McIntosh)와 동료 연구원 (2001)은 벨리즈의 상업용 BFT 새우 호지에서 부유 플록을 분석했다. 그들은 부유 플록에서 사료에서 파생된 것 보다 더 많은 단백질을 발견했다 (표 7.1).

Tacon(2000)은 하와이의 해양연구소(Oceanic Institut)에 설치된 실외 BFT 탱크에서 5~6일 사료를 투입한 후 부유물질을 취해 여과후 분석하였다. 이 물질의 화학적 분석은 단백질 함량 35% 새우 사료와 유사한 단백질 함량을 나타냈다 (표 7.2).

McIntosh가 발견한 플록의 지질 함량(Chamberlein et al., 2001)은 다른 결과를 나타냈다. McIntosh는 높은 지질 수치 (평균 = 12.5 %)를 발견했지만 Tacon은 낮은 수치 (평균 = 0.61 %)를 발견했다. 리치 필드 (Litchfield)에 따르면, 부유 플록 (floc)에서 미생물 세포의 구성은 특정 유기체와 이들이 자란 조건에 따라 크게 다르다. C/N 비 10:1 이하에서는 단백질 함량이 높은 박테리아가 유리하지만 높은 C/N 비에서는 조류, 효모 및 곰팡이에서의 지질 축적과 박테리아에서의 폴리 -α- 히드 록시 부티레이트 (PHB) 축적에 유리하다. 사료로 사용되는 미생물의 조성은 일반적으로 소비자인 어류의 조성에 반영된다. 특정 지방산 (HUFA, 기타)의 고농도는 어류의 영양가에 중요하며 PHB는 중요한 질병 예방제로 보고되고 있다(11장 15장 참조). 이러한 발견은 상이한 조건 하에서 플록 조성에 대한 추가 연구의 필요성을 강조하고 원하는 영양 결과를 얻기 위해 미생물 바이오플록 조성을 조작할 가능성을 높였다 (8장 15장 참조). 바이오플록은 사료의 탄수화물 유형에 따라 다양한 조성 및 사슬 길이의 지방산을 함유할 수 있다. 그렙(Crab)과 동료들(Crab et al., 2010)은 서로 다른 탄소원 (포도당, 전분, 글리세롤, 아세테이트)으로 먹이면 서로 다른 지방산 그룹의 농도에 큰 차이가 있음을 보고했다(15장 참조).

McIntosh는 바이오플록의 아미노산 수치가 라이신과 아르기닌 함량에 대해서는 적절하지만 새우의 영양 요구 사항을 충족시키기 위해서는 메티오닌이 다소 부족하다고 보고했다 (표 7.1). 그러나 Tacon은 적절한 수준의 아르기닌과 메티오닌, 부족한 수준의 라이신을 보고했다 (표 7.2). 일반적으로 미생물 단백질은 황 아미노산이 결핍되어 있는 경향이 있지만 박테리아 단백질은 조류, 효모, 곰팡이 또는 균류보다 결핍이 적다. 성장 환경에 따라 바이오플록 성분의 차이가 예상된다. 바이오플록은 다른 시스템에서 서로 다르다. 폐쇄되고 밀도가 높은 양식지에 비해 개방되고 저밀도 호지에서는 플록에 조류가 많이 포함되어 있다. 오래된 플록에는 더 높은 비율의 후생동물을 포함할 것으로 예상되기 때문에 바이오플록의 나이가 중요 할 수 있다. 우리는 바이오플록의 영양가를 제어하기 위해 더 많은 데이터가 필요하다.

매킨토시 (McIntosh)와 타콘 (Tacon)은 부유 플록에서 높은 회분 (각각 평균 26.0과 30.2)을 측정했다. (둘 다 소금 축적이 예상되는 해수에서 발생하는 바이오플록 (bioflocs) 을 사용했다는 점에 주목해야 한다). 미네랄의 분석은 미생물 플록이 다양한 미네랄뿐 만 아니라 인이 풍부하다는 것을 나타낸다 (표 7.2). 이러한 미네랄의 대부분은 생물학적으로 이용 가능한 유기물 형태로 박테리아에 결합 될 수 있다.

Tacon은 새우 BFT 시스템에서 비타민과 미량원소 보충이 바이오플록에 의해 공급되므로 완전히 생략될 수 있음을 발견했다.

몇몇 발견은 바이오플록이 다른 성장 및 프로바이오틱 인자를 포함한다는 결론을 이끌어 낸다. 위에서 언급했듯이, Tacon은 바이오플록을 먹이는 것이 상업적 새우 사료에서 일반적으로 공급되는 비타민을 대체할 수 있다는 것을 발견했다. 모스(Moss)와 동료들(2001)은 새우에 바이오플록을 먹이는 것이 효소 (세린 프로테아제, 콜라겐, 아밀라아제, 셀룰로제, 리파아제 및 산성 인산염)의 특정 활성을 약 2 배 증가시켜 새우 성장 증진에 기여할 수 있음을 발견했다.

바이오플록은 프로바이오틱 효과가 있는 구성 요소를 포함할 수 있다. 프로바이오틱 요인은 미생물 세포에 탄소와 에너지 저장에 관여하는 PHB, poly-f-hydroxybutyrate, 바이오-폴리머 등으로 추정된다. 이 폴리머는 물고기 내장에서 분해되고 항생제 효과가 있는 부티르산을 방출한다. 바이오플록의 영양 성분은 건강하고 고품질의 어류를 경제적으로 생산하는 데 중요 할 수 있다 (15장).

어류의 성장과 건강에 대한 바이오플록의 효과, 특정 성분의 역할, 생산을 향상시키기 위해 바이오플록을 조성할 수 있는 능력 등에 대한 해결은 아직도 멀었다. 그러한 정보의 잠재력과 중요성은 흥미롭다. 그러나 새로운 연구 분야이며 다소 복잡하다. 아마도 새로운 정보가 계속 개발될 것이고 그것은 바이오플록 기술을 새로운 지평으로 안내할 수 있을 것이다(15장).

실용적인 응용 및 팁

1. 플록 볼륨 (FV)을 관찰하는 것은 바이오플록의 생성과 양을 측정할 수 있는 효과적이고 쉬운 방법이다. 적어도 일주일에 한 번은 해야 하고 결과를 기록하고 보관해야 한다.

2. 동등한 사료 중량 또는 이와 동등한 총 단백질에 관한 용어로서 FV를 이해하는 것은 중요하며 호지 마다 다르다. 정확성을 위해 TSS 및 TKN 농도를 측정하는 것이 좋다.

3. BFT 틸라피아 농장의 침전물에서 발견되는 바이오플록 함유량은4 % 또는 14 mg/ml이었다. 이는 호지에 저장된 동등 사료가 1 FV ml 당 140kg/ha라는 것을 의미한다. 바이오플록에서의 단백질 농도는 약 25~30 %, 즉 호지에 저장된 총 단백질은 각 FV ml당 35 ~ 42 kg/ha이다.

4. 연구 및 현장 경험에 따르면, 호지에 며칠간 먹이를 주지 않으면 FV는 어류의 섭취로 인해 떨어지게 된다. 바이오플록 농도는 추가 급이를 통해 증가 될 수 있다.

5. 우리는 바이오플록의 영양가를 조절하고 향상시키는 기능에 대한 정보를 얻었다. 이것은 물고기 성장 영양 가치와 물고기 건강을 높이는 데 매우 중요 할 수 있다. 이 복합적 필요 가치는 더 집중적으로 연구되어야 한다.

연구 과제

어떤 경우에는 기본 연구 데이터가 실제 시스템의 설계 및 운영에 바로 적용 가능하다. 그러나 바이오플록을 사료로 사용하는 것과 같은 경우에는 시퀀스가 반대로 된다. 필드 결과가 먼저 있고 그에 따라 시스템의 이해 및 최적화에 필요한 과학적 작업이 따라 간다.

1. 다른 수생 동물에 의한 바이오플록의 포획은 아마도 바이오플록의 특성 (농도, 크기, 밀도, 조성, 부착 등의 표면 특성)과 동물의 특성 (예: 아가미 구조, 물 여과량, 환경 조건이 활동 등에 미치는 영향)에 있다. 이러한 모든 요인은 다음과 같은 방정식에 의해 공식화될 수 있다. 포획 = 바이오플록 농도 x 바이오플록 특성 x 어류 포획효율. 현재 우리는 바이오플록의 포획을 예측할 수 있는 적절한 매개 변수가 없다. 일부 물고기 (틸라피아)와 다양한 새우에 의한 바이오플록 (bioflocs)의 섭취를 입증하는 일관된 데이터가 있다. 바이오플록 포획 효율은 모든 어류에 대해 동일하지 않을 것으로 예상된다. 아프리카 메기의 포획 효율은 매우 낮다. 아마도 아가미가 제대로 개발되지 않았기 때문일 것이다 (Avnimelech, 미공개 자료). 마찬가지로 다른 새우의 바이오플록 포획 잠재력에도 차이가 있다. 다른 어류의 포획 효율을 연구할 필요가 있으며 포획 효율을 예측할 수 있도록 다른 종의 해부학 및 생리학적 연구가 필요하다. 우리는 틸라피아 (tilapia)에 의한 포획 효율을 정의하는 몇 가지 예비 자료를 가지고 있는데, 새우에 관한 정보는 훨씬 적다. 예비 관찰은 대형 바이오플록이 틸라피아에 의해 더 잘 수확된다는 것을 암시하지만, 이러한 관찰은 정량적이거나 결정적이지 않다

2. 이 장에서보고 된 바와 같이 바이오플록 (bioflocs)의 추가적인 영양 가치가 많은 연구에서 증명되었다. Tacon과 동료 연구자들은 바이오플록에 비타민과 필수 미량 원소가 포함되어 있다는 사실을 입증했으며, 모스 (Moss)와 동료 연구원은 바이오플록으로 먹이를 먹이면 효소 활성이 높아진다는 사실을 보여주었다. 쿤(Khun) 과 그의 동료들은(2008) 바이오플록을 먹은 새우가 인공 사료를 먹은 새우보다 잘 자랐으며 겐트(Gent) 그룹은 바이오플록이 일부 프로바이오틱 효과가 있다는 것을 보여주었다. 이것들은 바이오플록 사료 공급이 더 연구되어야 하는 극적인 이점을 가지고 있음을 증명하는 몇 가지 결과이다. 특정 미생물 군집으로 만든 바이오플록은 다른 것보다 영양적으로 더 좋을 수도 있다.

3. 포획 효율을 높이고 보다 유용한 미생물 군집을 형성시키기 위해 바이오플록을 발전시키는 방법에 대한 더 많은 연구는 BFT의 정교한 생명 공학 개발로 이어질 것이다.

 

계외(Ex-Situ) 바이오플록 기술

새우 사료용 바이오플록 생산과 동시에 양식 폐수 처리하는 생물 반응기

개요

새우 양식사료는 전통적으로 어분에 의존한다. 어분은 점점 더 비싸지고, 전세계적으로 인구가 증가함에 따라 수요가 증가하면서 바다는 과잉 착취되고 있다. 이것은 양식 산업이 양식 사료로 지속성이 적은 단백질 성분을 대체할 대체 단백질 원을 조사하고 실행하도록 촉구하고 있다. 전통적인 대체 단백질은 식물에서 유래한다. 예: 콩가루 사료 – 최근 연구 결과에 따르면 효모 기반 단백질과 바이오 플록 기반 단백질이 양식 분야에서 어분을 대체할 수 있는 것으로 나타났다. 이 장에서는 새우 사료로서 바이오 플록 기반 단백질에 대해 다룬다. ex-situ 바이오 플록은 외부 생물학적 반응기에서 양식 폐수를 처리하는 동안 생산될 수 있기 때문에 바이오 플록은 식물 기반 단백질에 비해 추가적인 이점을 가질 수 있다. 이는 우리가 효과적으로 폐기물 (고형물과 질소와 같은 오염 물질이 많이 함유된 오염된 물)을 귀중한 산업자원으로 전환할 수 있기 때문이다. 이 ex-situ 바이오 플록 기술은 실험 단계에 있지만 가능성을 보여주었다. 따라서 이 장에서는 지금까지의 연구와 이 기술이 양식 산업에 도움이 될 수 있는 잠재력에 대해 간략하게 설명하고자 한다.

이 접근법에 대한 추가 검증 및 개발이 이 책의 2 판 발행 이후에 이루어졌다. 호주 과학자들의 광범위한 연구 노력에 힘 입어 어분을 대신할 수 있고 기존의 사료에 비해 홍다리얼룩새우 (Panaeus monodon)의 수확량을 약 30 % 이상 증가시키는 해양 박테리아를 이용한 제품(Novacq™)이 개발되었다. 이 방향으로 더 많은 발전이 예상된다.

어분은 단백질, 고도의 불포화 지방산 및 미네랄을 포함하는 고품질의 영양을 제공하고 물고기 들이 좋아하기 때문에 양식 사료로 인기있는 성분이다. 그러나 어분은 주로 야생 포획물로서 세계의 특정 지역에서 과도하게 포획된 것이다. 따라서 많은 사람들은 야생에서 수확하는 어분을 공급원으로 의존하는 것이 지속 불가능하고 한도에 다다르고 있다고 생각한다. 더욱이 어분의 가격은 지난 10 년 동안 극적으로 상승했다. 사료 비용은 운영비의 50 %를 차지할 수 있으므로 재료비를 줄이는 것은 비즈니스에 중요한 영향을 미친다.

연구원과 양식업계는 대체 사료의 사용을 진전시키고 있다. 성공 사례 중 하나는 일부 양식사료로 어분 대신에 콩 단백질을 사용하는 것이다. 다른 대체 성분으로는 단세포 단백질 사료가 연구되고 있다. 최근 몇 년간 몇몇 연구자와 산업체는 이같은 단세포 성분을 생산하는 새로운 방법을 모색하기 시작했는데 이는 잠재적인 사료 성분으로 사용되는 것뿐만 아니라 다른 목표를 성취하기 위한 것이기도 하다. 예를 들어 버지니아 공대의 연구 그룹은 생물학적 반응기에서 생산된 단세포 단백질이 양식 시설에서 나오는 폐수를 정화할 수 있다는 것을 입증했다. 이 생물학적 과정이 용해된 영양염류 (질소와 인)를 바이오플록 (bioflocs)에 함유된 단백질로 전환시킨다. 그리고 이 바이오 플록은 다시 사료 성분으로 혼합 사용될 수 있다. 이 공정의 개념은 바이오플록을 잘 가라 앉혀 수집하고, 바이오플록을 사료 펠릿을 제조할 때 사용하고, 펠렛으로 새우를 양식하는 것이다. 나중에 논의할 또 다른 접근은 별도의 사료 성분으로 사용되는 박테리아 제품을 생산하는 것이다. 어류 양식은 또한 동물과 환경에 해로운 오염 물질을 생성할 수도 있다. 따라서 연구자들과 농민들은 이러한 문제를 해결하기 위한 수많은 기술과 전략을 개발하고 실행해 오는데, 특히 물 사용을 최소화하는 양식 시스템 개발이 그 중에 하나이다. 양식수를 재사용하기 위해 처리하는 기술은 생물학적, 화학적 및 물리적 방법이 있다. 전통적으로 생물학적 공정은 질산화로 더 잘 알려진, 고정 생물 여과막 방법에 집중되어 왔다. 그러나 최근 양식 산업에서는 부유성장 미생물 공정이 더 주목을 받고 있다.

 

새우 사료 첨가제로서 바이오플록

미국 연구

바이오 플록의 영양 성분

계외(ex-situ) 생성된 바이오플록 영양성분은 아주 다양할 수 있는데 유출수 특성 및 바이오 리엑터 (생물 반응기) 운전 방법이 다를 수 있기 때문이다. 예를 들어, 두 가지 생물 반응기가 같은 방식으로 작동되었지만 하나는 고농도 유출수 (예: 고농도 질소 부하)를 받고 다른 하나가 저농도 유출수 (예: 저농도 질소 부하)를 받은 경우, 고농도 유출수를 받는 생물 반응기가 다른 생물 반응조보다 단백질 함량이 높은 바이오 플록을 생산할 가능성이 있다. SBR 및 MBR 유형의 반응기 (예: 필수 아미노산 및 지방산, 단백질 수준, 조 지방 수준)에서 생산된 바이오 플록의 영양 가치를 최적화하기 위해 영양 특성에 영향을 줄 수 있는 요인을 평가하는 연구가 현재 진행 중이다.

SBR 및 MBR 반응조에 대한 연구에서 바이오플록의 영양 가치 (건조 물질 기준)가 표 8.2에 제시된 바와 같이 관찰되었다.

아미노산과 관련하여, 비 필수 아미노산은 새우에 의해 합성될 수 있다. 그러나, 필수 아미노산 (EAA)은 새우에 의해 합성될 수 없다. 고품질 새우 사료에 있는 EAA 와 우리가 연구한 전형적인 바이오플록의 EAA를 비교한 것이 그림 8.5 이다. 전반적으로, 새우에 필수 아미노산의 수준은 서로 비슷하지만, 류신, 라이신 및 이소루이신의 조성비에서 현저한 차이 (> 0.5 % 건조 중량 기준)가 있다. 바이오플록 단백질 수준은 약 65 %까지 증가할 수 있으며, 바이오플록에서의 EAA 품질은 유출수 성상을 바꾸고, 바이오리액터 운영방식을 변경하거나 유기탄소원 종류를 바꾸므로 더욱 최적화될 수 있다고 예상된다.

새우 사료 실험

새우 사료에서 어분 및 또는 대두 단백질을 대체하기 위해 바이오플록이 사용될 수 있는지를 확인하기 위해 2 건의 사료 실험이 수행되었다. 실험은 매 5주마다 물을 재순환하는 양식 시스템에서 행해졌고, 이 곳은 수질이 새우 양식에 최적을 유지하고 있는 곳이었다.  바이오플록을 건조시켜서 실험 식이에 포함시켰는데 이는 조 단백질 (35 %) 과 총 지방 (8 %)를 가진 것과 동등하게 조제된 것이다. 이 바이오플록 실험 식이와 고품질 대조식이를 비교하였는데 이 고품질 대조식이는 어분 및 또는 대두 단백질을 대체하여 만든 것이다. 첫 번째 실험에서는 SBR 바이오플록만 테스트했다. 두 번째 실험에서는 SBR과 MBR 바이오플록을 사용했는데 그 양은 첫 번째 실험의 두 배의 비율로 사용되었다. 실험에서 새우의 체중 증가는 그림 8.6에 제시 되어있다.

첫 번째 실험 기간 동안 바이오플록 식이를 먹은 새우는 평균 49 % 더 성장했다. 2 차 실험에서의 새우 반응은 더 낮았다: 바이오플록 식이를 한 새우가 대조구 새우 보다 약 10 % 정도 더 많이 성장했다. 총 식이 요법의 함유 비율에 관계없이 (0에서 30 %), 대체된 어분의 양 (0 ~ 67 %) 또는 대체된 대두 단백질 양(0 ~ 100 %), 바이오플록 식이를 한 새우가 미세하거나 눈에 띄게 빨리 자랐다. 이 자료는 바이오플록이 어분이나 콩단백질 보다 탁월하진 않을지 몰라도 적절한 성분임을 보여준다. 이 연구 결과는 Kuhn et a1. (2009; 2010b)에 더 자세히 요약되어 있다.

전술한 바이오플록 사료 실험에서, 사료는 단백질, 탄수화물, 조 지방, 조 섬유 및 에너지등에서 동일하게 조제되었다. 표준 실험실 방법과 반 정제된 식이를 사용하여 모든 성분이 시약 등급이거나 정제된 것을 사용하여 바이오플록을 넣거나 또는 넣지 않은 식이에 영양소들이 동일한 수준을 가지도록 하여 실험했다. 그러므로 이 영양소들 중 어느 것도 부족하거나 초된 것이 없어서 위에서 관찰된 바이오플록으로 사육된 새우의 성장을 향상시키는데 관여될 수가 없었다.

비록 우리가 일부 실험 사료에서 새우의 성장을 촉진시키는 것이 바이오플록의 어떤 영양 성분인지 밝혀지지는 않았지만, 우리는 조 단백질, 특정 아미노산, 조 지방, 조 섬유, 에너지, 스테롤, 비타민, 또는 미네랄과 같은 성분이 그런 것은 아니라는 것을 알았다. 이 경우에 새우의 성장을 유발하는 것이 아닌 것이 무엇인지를 입증하는 것이 매우 중요한데 이는 성장을 돕는 유용한 영양소가 있다는 것과 우리가 완전히 이해하지 못하는 영양 성분이 있음을 말해 주기 때문이다. 과학적 관점에서 볼 때 이는 매우 매력적이며 향후 혁신적인 프로젝트와 결과로 이어질 수 있다. 이 연구는 우리가 오늘날 하는 것보다 더 나은 영양분을 이해하고 더 나은 사료를 생산할 수 있도록 도와줄 것이다. 바이오플록은 아주 이로운 것인데 이는 지속 가능할 뿐만 아니라 귀중한 수처리 가능성을 제공하면서 새우 사료에 어분을 대체할 성분을 제공하기 때문이다. 이러한 결과는 바이오플록 함유 사료가 콩 또는 어분의 단백질 함유 사료보다 더 좋다는 점과 더불어 새우 양식 산업이 더욱 성공적이고 지속적일 수 있다는 것을 보여준다.

1. 호주 연구

10 년간의 연구와 천만 달러를 투자 한 CSIRO 과학자들은 Novacq™ 새우 사료 첨가제를 완성했다. Novacq을 먹여 양식한 새우는 평균 30% 빠르게 성장하고, 더 건강하며, 사료에 생선을 섞지 않은 제품으로 생산될 수 있다.

Novacq 제조성분 비밀로 보장되므로 여기에 제공된 정보는 상업용 출판물의 일부분으로 Novacq은 해양 먹이 사슬의 가장 기본이 되는 해양 미생물 즉, 해양 환경에서 가장 작은 유기체를 중심으로 만들어진 완전 자연산 사료라는 것이다.

Novacq의 생산은 이러한 해양 미생물의 통제된 생산에 의존한다. CSIRO의 연구자들은 이것을 어떻게 키우고, 수확해서, 새우용 건강 보조 식품과 같은 생리 활성성분으로 사료에 첨가될 수 있는 제품으로 전환하는 방법을 발명했다.

해양 미생물은 40 일이 되면 수확한다. CSIRO의 브렛 글렌크로스 (Brett Glencross) 박사는 다음과 같이 말한다. “우리는 물기를 없애고, 여과한 다음, 슬러지 또는 진흙상태인 제품을 수확한다. “”그 제품은 말린 후, 분쇄하여 새우 사료에 넣는다.”

새우 양식 사료에 Novacq을 섞음으로 새우 사료에 쓰이는 어분과 어유를 완전히 대체할 수 있어 새우 양식 업계가 야생 수산 자원에 의존하지 않을 수 있음을 잠정적으로 보여준 첫 시도였다. CSIRO는 지난 5 년 동안 호주와 아시아 전역에서 수십번의 테스트를 통해 이를 입증했다. 과학자들은 새우가 Novacq™ 새우 사료 첨가제가 포함된, 어분이 없는 사료에서 40 % 더 빠르게 자란다는 것을 알았다.

Ju와 동료들은 사료 팰렛에 미생물 바이오 매스를 포함하면 성장율(L)이 빨라진다는 것을 발견했다. 흰다리 새우는 상업적인 사료와 비교하여 21 %까지 증가한다. 이 저자들은 미생물 바이오 매스를 분획하여, 잠재적인 생체 활성 성분이 아세톤 용해성 성분에 있는, 아마도 일종의 카로티노이드 일 것이라 제안했다. 이 가설은 여전히 검증되어야 한다.

결론

새우 또는 어류 사료에서 바이오플록을 사용하는 기본적인 측면을 이해하고 반응의 재현성을 확인하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하지만 새우 사료에서 바이오플록이 어분 및 또는 대두 단백질을 적절히 대할 수 있음이 증명되었다. 유출수를 처리하여 바이오플록을 생성할 수 있게 하는 것은 바이오플록 기술을 더욱 매력적으로 보이게 만든다. 양식 유출수의 성상, 바이오 리액터 운영방법, 유기탄소원 종류 및 양을 잘 조절함으로써 특정 어종에 대한 바람직한 영양 물질을 갖는 바이오플록 사료를 생산할 수 있는 가능성은 매우 크다.

호주 연구진에 의한 이러한 발견은 현존하는 기술을 더욱 발전시키는 계기가 될 것이다. 바이오 플록과 같은 지속 가능한 단백질 공급원을 개발하는 것은 양식업자에게 미래에 더 많은 선택권을 줄 것이다.

이 바이오플록 기술이 성공적으로 수행될 수 있다면, 양식 산업은 자원을 보존하고 경제적 생존 능력을 향상시킴으로써 상당한 진전을 이룰 수 있다. 인류의 인구는 계속 증가되고, 1 인당 생선 섭취량이 증가하면서 천연 자원이 고갈되고 있어 이것이 더욱 중요 해지고 있다.

연구 과제 및 전망

CSIRO의 연구 노력과 결과에 의해 개발된 예는 아마 전 세계적으로 그러한 연구를 더 많이 장려할 것이다. 이로서 또다른 미생물군이 사료 보충제 또는 사료 성분으로서 유익하다는 것이 밝혀 질 수 있을 것으로 기대 한다. 다양한 새우나 생선, 다양한 생태계는 새로운 개발을 필요로 하는지도 모른다. 호주 개발자들이 이미 어류를 위한 생체 활성 성분 개발에 관심을 갖고 있었다는 것은 흥미로운 일이다. 이러한 미생물 제제의 산업 생산은 아마도 호소에 생균제를 접목했던 것보다 더 재생산 가능하고 일관성을 줄 수 있을 것이다. 이러한 방향으로의 빠른 기술 향상은 양식업을 극적으로 발전시킬 것을 기대한다.

이 기술의 기본을 더 잘 이해하기 위해 이러한 계외(ex-situ) 바이오플록에서 볼 수 있는 미생물 군집의 특성에 대한 분석이 수행되어야 한다.

다양한 생체 활성 성분의 분리는 매우 흥미롭고 중요한 분야로서 연구가 필요하다.

생활성 성분을 생산하는 데 필요한 기술과 경제성 또한 향상되어야 한다.

 

재래식(저밀도) 연못에서의 미생물 활성 최적화

개요

호기성 혼합 호지가 BFT 적용에 가장 적합한데 이유는 호기성 조건이 호지 전반에 조성되기 때문이다. 사료 잔류물 및 다른 유기 물질을 혼합해 주지 않으면 침강하여 연못 바닥 또는 그 부근에서 혐기성 조건을 일으킨다. 이런 조건은 재래식 호지에서 유기 물질의 효율적인 재활용과 효과적인 질소 제어를 감소시킨다. 그러나 생산주기 사이에 호지의 바닥을 통기시키고 청소하므로서 혐기성이 되는 영향력을 최소화할 수는 있다. 또한, 천연 또는 합성 인 수직 기판 상에 유기 잔류 물을 흡수시켜 유기 침강물의 적어도 일부를 교환해 주는 것도 가능하다. 이 두 가지 전략은 재래식 저밀도 및 중간밀도 호지에서 BFT 및 C/N 제어를 사용할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 이러한 접근법은 현재 재래식 양식시스템에 바이오플록 시스템을 도입하고, 점차 밀식 양식기술로 끌어 가는 방법이다.

논평:

이 아이디어는 인도 Tamil Nadu India에 있는 Hitide Sea Farms의 B. Suryakumar가 제안한 것으로서 그의 양식장을 방문하고 많은 의견을 교환하므로서 이 장을 쓰는 데 많은 도움이 되었다. 깊은 감사를 표한다.

초 밀식 BFT 호지에서 매우 높은 생산성을 얻을 수 있다. 이 호지는 하루 24 시간 잘 섞이고 산소가 공급된다. 호지의 전체가 혼합되고 호기성이다. 호기성 조건 유지는 이런 양식장 운영에 있어서 선결 조건이다. 그러나 이런 호지의 건설 및 유지 보수는 비용이 많이 들고 복잡하며 정교한 기반시설이 요구되므로 땅이 넓은 개발 도상국에서나, 지역 사회에 생선을 공급하기 위해 혹은 수출하기 위해 양식이 필요한 지역에는 힘들 수 있다. 그러나 BFT에 사용된 것과 유사한 원리를 사용하여 재래식 및 준 재래식 호지, 특히 열대 및 온난한 지역에서 양식호지의 생산을 현저히 개선할 수 있다는 지표는 있다.

정체된 호지에서의 조건과 물의 특성은 호기성 혼합 호지에서의 조건과 물의 특성과 다르다. 유기 잔류 물, 먹지 않은 사료, 분변 찌꺼기 및 죽은 조류는 모두 연못 바닥에 가라 앉아 생물학적 산소 요구량을 높인다. 거센 바람이 물을 섞는 때를 제외하고 호지 바닥에 산소 공급은 빈약하다. 일반적으로 호소의 바닥은 산소 농도가 매우 낮고 종종 아주 혐기성이 된다.

지 바닥의 상황이 더욱 심각해지는 때는 호지에 많은 양의 유기물이 첨가될 때이다. 바닥이나 그 부근의 산소 농도가 낮거나 “0” 인 경우 어류 (특히 새우)의 기능과 활동에 영향을 준다. 또한 유기물 재활용은 비효율적이며 독성 화합물을 생성하는 혐기성 공정으로 진행된다. 이런 이유로 미생물의 우점과 단백질 생산을 향상시킬 수 있는 유기탄소원의 첨가가 산소 결핍을 악화시킬 수 있고, 재래식 호소에서는 효과적이지 않을 것이라고 의심하는 것이다.

인도에서 행한 하리 (Hari)와 동료들의 연구(2004, 2006)는 반드시 그런 것은 아님을 보여줬다. 홍다리 얼룩새우 6 PL/m²의 비율로 입식 된 25m²의 호지에서 미생물 성장 및 단백질 재활용이 연구되었다. 사료 배급은 상대적으로 낮은 단백질 사료 (25 %)와 탄수화물로 구성되어 있으며, NH₄ 1g 당 타피오카 가루 20g의 비율로 첨가되었다 (섭취된 질소의 50 %가 배설된다고 가정). 이 연구에서 얻어진 결과 (표 9.1)는 BFT, 완전 혼합 및 폭기식의 어류 양식장 또는 새우 양식장에서 얻어진 결과와 높은 유사성을 보였다. 대조 호지의 질소 보유량은 20 %로 대부분의 전통적인 양식호지에서 얻은 것과 유사했다. 25 % 단백질 + 탄수화물을 투입한 호지에서의 질소 보유량은 45 %였다. 순수익률은 BFT 공법에서 더 높았고 FCR은 더 낮았다.

(1) 대조호지, P40은 40 % 단백질로 된 사료 펠릿을 먹였다. 실험호지, P25 + CH, 단백질 25% 펠렛 + 타피오카 가루 25 %로 조제된 먹이로 새우에 의해 배설된 질소의 재활용을 유도하기 위해 조정됨.

 (2) 사료에 첨가된 질소량 중에 새우에 축적된 질소의 양(질소 축적).

이 실험에서 얻은 성공적인 결과는 호지바닥이 실험 전에 철저히 산화되었다는 점에서 기인한 것으로 보인다. 연못 바닥을 실험 전에 건조시키고 긁어 내었다. 호소 바닥이 산화되면 밀집된 호기성 미생물 군집이 생성되고 새우에 의한 섭취가 일어날 수 있다. 그러나 이러한 접근법을 구체화하고, 설명하고, 개발하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

이 작업은 앞으로 더 반복되고 발전되어야 하지만, 이것은 획기적인 것으로 간주되며 생산량을 높이는 방법으로 미생물 공법을 접목하는 동시에 사료에 단백질 함량을 낮추어 생산 비용을 낮추는 지표로 간주될 수 있다. 새우 수확량은 50 %, 단백질 활용율은 2 배, 순이익은 5 배 증가했음을 볼 수 있다.

호기성 조건 하에서 유익한 호기성 미생물 활성을 강화시키기 위한 다른 방법은 유기질 축적 장소를 호지의 바닥이 아닌 수직 기판에 부착시켜 고정상미생물(periphyton)으로 전환시키는 것이다. 고정상 미생물(Periphyton)은 조류, 시아노 박테리아, 종속 영양 미생물, 배설물 및 기타의 복잡한 혼합물로 만들어진 것으로 바이오플록과 매우 유사하다.

부유 유기 물질 (죽은 조류, 배설물, 사료 잔류 물 등)은 산소 공급이 거의 없는 연못 바닥에 가라 앉거나 축적되어 대부분의 경우 혐기성 조건을 만든다. 유기 잔류 물의 혐기성 대사는 호기성 대사보다 상당히 느리다. 따라서, 연못 바닥에 축적된 유기 잔류물의 재활용은 비효율적이다. 또한, 혐기성 공정을 통해 생된 혐기성 화합물은 종종 독성을 띤다. 이것은 자연성 또는 합성 수직 기판 (예: 대나무 줄기, 플라스틱 기판 등)을 놓음으로 수직 표면에 부유 유기 물질의 흡착을 유도하여 적어도 부분적으로나마 하강하는 침전물과 누적물을 줄여 뒤집어 주거나 수정할 수 있다. 수직 기판의 추가는 경기 규칙의 변화로 시각화 할 수 있다: 무산소 호지 바닥에서 과도하게 축적될 수 있는 유기 잔류 물을 산소가 있는 지역에 설치된 수직 기판에 부착시킴으로 대체. 수직 기판에 부착된 유기 물질은 공기가 많은 물에 노출되고, 호기성으로 분해되어, 먹이사슬에 유익하게 기여한다. 이러한 조건에서 개발되는 미생물 군집은 C/N 제어 및 다른 방법들을 통하여 조절될 수 있다. 어떤면에서, 수직 기판의 배치는 호지 바닥의 무산소 조건을 방지하기 위해 필요로 하는 인공 폭기를 줄이고 호기성 미생물 활동을 돕는 자연적 폭기 공정을 이용하는 것이다.

지난 수십 년 동안 양식 호지에서의 고정상 미생물(periphyton)의 역할과 생태계에 대한 광범위한 연구가 수행되었다. 바이오 플록과 유사한 이 미생물 군집은 조류, 시아노 박테리아, 박테리아, 원생 동물, 동물 플랑크톤 및 세포 외 다당체 매트릭스에 박혀있는 곰팡이를 포함하여 침수된 표면에서 볼 수 있다. 독립영양 또는 종속영양 미생물 중 어느 것이 지배하냐는 빛과 영양소 이용 가능성에 따라 달라진다.

호지 면적 1m² 당 1m²의 밀도로 기판을 설치하면 호지에서 Rohu(labeo rohita: 잉어과)의 생산량이 80 % 증가한다. 비슷한 생산 증가가 Kalbaush(L. calbasu: 잉어과)에서도 볼 수 있는데 이는 연못 면적 1m² 당 0.5m²의 기판 밀도를 사용하였다. 모든 물고기 종들이 부착 미생물(periphyton)을 이용할 수 있는 것은 아니다. 예를 들어, 호지 면적 1m² 당 기판이 1m²의 밀도로 설치된 호지에 있는 Gonia (L. Gonius: 잉어과)는 기판이 없는 연못에 비해 수확 생산량이 높지 않은 것처럼 보인다. 양식용 부착미생물(periphyton)에 사용되는 종을 선택하는 것이 필요하다. 수직 기판을 첨가하는 것은 기판에 부착된 미생물을 물고기가 먹으므로 사료 첨가와 같은 효율이 나타나는 것이다.

부착 미생물(periphyton)과 C/N control의 조합 효과에 대해 Kump와 인도의 동료들에 의해 연구되었다. 부착 미생물(periphyton)판이 설치된 홍다리얼룩새우(Penaeus monodon) 양식장에 탄수화물을 첨가하면 새우의 성장이 증가하고 부착 미생물 성장뿐만 아니라 물과 토양에서의 종속 영양 세균 생산이 증가하고 물의 무기질소가 감소하는 것으로 나타났다.

이러한 결과는 재래식 호지에서 BFT 및 C/N 관리를 통해 생산성을 높이고 사료 활용을 개선할 수 있는 새로운 기회를 열어준다. 과도한 유기 잔류 물의 효율적인 포획 및 호기성 신진 대사를 달성하기 위해 여러 유형의 기판 재료와 형태가 개발될 것이다. 흥미롭고 시대를 앞선 BFT 농장, Hitide Sea Farm은 인도의 가장 남쪽에있는 타밀 나두 (Tamil Nadu) 주에 있다. 농장 주인 인 Suryakumar는 기계공학자인데, 양식 기술에 관심을 갖고, 바이오플록 기술에 대해 배우고, BFT 새우 양식을 실험 개발하기로 결정했다. 농장에는 24ha의 양식 호지와 12ha의 저수지가 있다. 수많은 실패로부터 배우면서, 농장은 2010 년 이후 바이오 플록 (bioflocs)과 물 교환 없는 농장으로 전환되었다. 이 변화에 대한 합리적인 이유는 질병에 의한 수확 실패, 새우의 성장 저조 (성장률 및 성장 정도, FCR)등을 최소화하고 지속 가능한 양식 체계를 보장하는 것이었다. 유입되는 물에 병원균이 섞여 있으므로 사용하기 전에 물을 소독한다. 바이오 플록 기술의 흥미로운 변형은 호지에 수직 기판을 도입하는 것이다. 종래의 플라스틱으로된 그물이 기판으로 이용된다. 그물 (길이 20m, 깊이 0.5m)은 빈 음료수 병을 부표로 사용하고 모래로 채운 병을 앵커로 사용하여 수직으로 둔다. 그물은 충분한 양의 산소를 공급하기 위해 수면 아래 10cm, 바닥에서 약 50cm 위, 수차 앞에 놓는다.

배치 직후, 기판은 찌꺼기 및 부착 미생물 개체군으로 된 유기물 층으로 덮인다. 호지는 당밀을 이용하여 C/N 비를 증가시키는 바이오플록 호지로 운영된다.

BFT호지는 현재 밀식 BFT 호지와 비교하여 보다 낮은 밀도로 운영되며 이는 재래식 호지 (저밀도)에서 밀식 BFT 호지(고밀도)로 가는 중간 단계로 좋은 전환을 보여준다. 호지에는 50 PL/m²의 홍다리 새우로 채우고 FCR은 2 이다. 수확시 평균 새우 무게는 42 g이고, 호지에는 수차가 설치되어 있다. 호지는 흙바닥으로 슬라브에 의해 안정된 경사면이 있는데, 일부 호소는 플라스틱으로 바닥을 처리했다.

Hitide Seafarm 기술은 전통적인 양식 시스템에서 BFT 원리를 사용하는 양식 시스템으로 점진적으로 전환할 수 있다는 아주 좋은 예라고 믿는다. 앞으로 몇 년 내에 이 방향에 대한 더 많은 경험을 얻을 것으로 기대된다.

앞으로 있을 재래식 호지에서 BFT 원칙의 활용에 대한 다양한 접근 방식의 개발은 저투자 양식 시스템의 돌파구가 될 수 있다.

지금까지의 중요한 결론 중 하나는 기존의 저밀도 재래식 양식에서 고밀도 밀식 BFT 시스템으로 점차적으로 변화할 수 있다는 것이다. 재래적 양식에서 밀식 미생물-기술을 기반으로 하는 호소로의 전환은 상당한 자본 투자를 필요로 하며, 생각의 개념적 변화가 필요한데 이 또한 가볍게 볼 수 없다. 급격한 변화는 위험하다. 점진적인 전환을 하는 방법들이 있으며, 이는 느릴 수는 있지만, 더 안전한 방법이라는 것을 깨닫는 것은 중요하다.

입식 밀도를 강화시키는 것은 폭기 장치를 추가 배치 하므로서 이루어진다는 점을 주목해야 한다. 경험에 의해, 1헥타르당 2마력(2 hp/ha) 동력을 가진 수차만으로도 수중 산소층이 영향을 받는다는 것이 발견되었다.

실용적인 응용 및 팁

1. 기존 저밀도 시스템을 점차적으로 보다 밀식 시스템으로 변경하는 방법이 있지만 아직 더 많은 연구와 농장 규모의 경험이 필요하다.

2. 휴작기에 호지 바닥을 비워서 말리고, 산소를 접하게 하는 것은 쓸데없는 짓이 아니다. 그것은 효과적으로 호지에 산소를 추가하고 적어도 연못 바닥에서 부분적으로나마 호기성 프로세스가 일어나는 것을 가능하게 하기 때문이다.

3. 10cm 깊이의 호지 바닥에서1 %의 유기 탄소를 감소시키는 것은 다음 생산 사이클에서 헥타르 당 10,000 kg의 침전물 산소 요구량을 줄이는 것과 같다.

4. 수직기판 적용이라는 최신방법들은 저렴하고 효과적인 기판을 적용한다는 것을 목표로 더 연구되어야 할 것이다.

연구과제

밀식 양식은 미래의 양식 생산량을 증대시킬 수 있는 중요한 기술이다. 그러나 현재 대부분의 양식업은 전통적인 저밀도 호지에서 이루어지고 있다. 따라서 저밀도 양식 시스템의 비용을 개선하고 절감하는 것과 관련된 연구 개발은 매우 중요하다.

이 장에서 제시 한 결과가 BFT 원리를 이용하여 생산량을 향상시킬 수 있다는 것을 나타내고 있어 흥미롭고 기대된다.

이 장에서 제기된 가설은 저밀도 호지에서 C / N 관리에 대한 긍정적인 반응이다. 즉, 많은 양의 유기물이 흡수되고 대사되는 연못 바닥이나 수직 기판이 호기성 상태를 유지 하는냐의 여부에 달려 있다는 것이다. 이 가설을 뒷받침하고 최적의 결과를 얻기 위한 일관되고 신뢰할 수 있는 방법을 보여주기 위해 더 많은 데이터가 필요하다. 이 연구는 다른 어떤 연구보다 우선해야 한다. 이 기술의 개발은 전통 양식의 점진적인 발전을 가능하게 할 것이다.

준밀식 BFT 농장은 양식자들의 훈련 장소로 사용돼야 한다. 이러한 시스템을 경험한 양식업자들의 성공은 밀식 양식 시스템의 지속적인 개발로 이어질 수 있고 또한 재래적 양식 시스템에서의 생산 증가와 지속적인 개발로도 이어질 수 있다.

 

폭기, 폭기 장치 및 폭기 장치 배치

A 산소 및 폭기의 기본

개요

BFT 호지에서 관리 및 제어의 기본 수단은 폭기이다. 성공적인 호지 운영이 되기 위해서는 적절한 폭기 시스템이 필수적이다. 폭기 시스템은 산소를 공급하고, 물을 섞어주고, 바닥 슬러지 축적을 방지하기 위해 필요하다.

필요 산소량은 어류가 소비 (200-400 mgO/kg x hr)하는 것과 호지에 있는 다른 것의 산소 소비량에 의해 결정된다. 조류가 생산하는 산소는 주간에 중요하지만, 밀식시스템에서는 그 의미와 신뢰성이 제한적이다. 다양한 유형의 통기 장치가 산소 결핍을 막기위해 사용된다. 적절한 관리를 위해서는 폭기 장치의 개수, 용량 및 배치가 필수적이다.

저 산소 조건은 호소 바닥에서 일반적인 일이다. 이러한 조건은 산화 환원 전위 값으로 알 수 있다. 다양한 산화 환원 전위 상태에서 다양한 화학 물질이 생성되고 만연한다. 건강하고 생산적인 어류 (새우) 공동체를 유지하기 위해서는 낮은 산화 환원 조건이 되고 그 범위가 최소화되어야 한다. 폭기 장치의 배치는 연못 바닥이 혐기성 슬러지에 의해 덮이는 범위를 최소화하는 필수 수단이다.

호지는 항상 대기와 접촉하는데 대기는 21 % 산소를 함유한다. 그러나 산소가 물로 확산되는 것은 (물과 공기의 경계면을 통해) 매우 느리며 산소 요구량의 아주 작은 부분만을 충족시킨다. 그러므로 폭기 시스템은 호지의 물 속에 산소 확산을 증가시키는데 필요하다. 폭기 시스템에 대한 많은 선구적인 연구가 Boyd에 의해 발표되었다. 다양한 양식 시스템에 사용된 폭기장치의 간략한 설명과 특성은 이 장의 B 부분에 제공될 것이다. 그러나 판매되고 있는 대부분의 폭기 장치는 비효율적으로 에너지를 소비하면서, 공기가 가장 필요한 곳인 호소 바닥에 산소를 제대로 공급하지 못하고 효율적으로 물도 혼합하지 못한다. 어떤 폭기장치가 필요하고 어떻게 배치하는 것이 적절한지에 대한 논의가 여기에서 펼쳐지며 좀 더 나은 폭기장치 생산에 도움이 될 것으로 기대한다.

폭기는 호지에서 많은 수확량을 내기 위한 필수적인 수단이다. 폭기 시스템은 다음과 같은 목표를 가지고 설계되어야 한다.

1. 산소 소비량을 충당하고, 산소 제한성을 극복하며, 더 많은 양의 밀식 성장과 생장을 가능하게 할 만큼의 산소를 공급한다

2. 호지에 산소를 (1) 수평으로 그리고 (2) 수직으로 배분

3. 물과 침전물-물 계면을 혼합

4. 슬러지 차지 면적, 위치 및 배수

단순히 산소를 공급할 뿐 아니라 위에서 언급한 모든 목표를 가능한 많이 달성하도록 폭기 시스템을 설계, 배치 및 운영하는 것은 중요하다.

이러한 모든 목표를 달성하기 하는 것은 폭기 장치의 성능, 폭기 장치 유형, 폭기 장치 설치 위치 및 작동 모드에 대한 적합한 선택 및 계획에 달려 있다.

산소의 수요와 공급

육상 생활은 일반적으로 산소 이용에 제한이 없다. 산소는 공기 질량의 약 21 %를 차지하며 일반적으로 대기중에는 공기가 풍부하다. 그러나 산소는 수중 시스템에 있어선 제한 요소이다. 물에서의 산소 용해도는 매우 낮은데 담수에서는 약 8 mg/l이지만, 염분수에서는 약 6 mg/l이다. 다음에서 보듯이, 물 속에서 산소 보유 능력이 너무 낮아서 산소를 효율적으로 보충하지 않으면 어류의 생명과 호소 호흡을 지원할 수 없다.

새우 양식장과 양식 호지에서 생산을 제한하는 주요 요소는 산소이다. 물의 산소 농도는 낮고 제한적이다. 산소가 부족하면 생산성 감소, 스트레스, 질병 및 경우에 따라 폐사까지 불러온다. 일반적으로 저 산소에 대한 민감도는 새우 와 어류 호지에서 서로 다르다. 새우는 일반적으로 이 점에서 민물 고기보다 민감하며 연못 바닥 조건에 더 민감하다. 해수의 산소 농도는 담수의 산소 농도보다 낮다. 또한, 산소 포화도는 온도 상승에 따라 낮아진다. 따라서 많은 양식장에서 흔히 볼 수 있는 20°C 담수의 산소 포화도는 9.08 mg/이지만, 새우 양식에서 공통적으로 나타나는 30 ℃, 30 ppt 염도에서 산소 포화도는 6.39 mg /l에 불과하며, 즉 담수의 70 % 산소 포화도이다. 적절한 산소 농도를 유지하는 것은 밀식 BFT 호지에서 중요하다. 아주 짧은 폭기 중단일지라도 (몇 분에서 몇 시간) 이러한 시스템에서는 매우 치명적일 수 있다.

첫 근사치로서, 산소 균형은 호지로 첨가되는 사료량을 아는 것으로 추정할 수 있다. 양식 호지의 일일 사료 첨가량은 일반적으로 어류 체중의 2-3 %이다. 일일 급이량 2.5 % 와 어류 체중을 2,000kg/ha 라고 가정할 때, 하루 사료량은 50kg/ha이다. 사료의 약 50 %가 탄소이므로, 즉 하루에 탄소 25kg C/ha 가 첨가된다.

평균적으로 첨가된 탄소의 약 13 %만이 물고기에 의해 동화되므로, 물고기와 물 속의 다른 생물체에 의한 총 동화 작용이 최대 20 %까지라 가정할 수 있다. 나머지는 1g 탄소 당 2.67g (32/12) O₂ 산소를 소비하면서 호흡한다.

(10.1)             C + O₂ → CO₂

따라서 호지에서 잠재적으로 호흡하는 탄소를 통해 소비되는 산소의 양은 다음과 같다.

(10.2)             일일 산소 요구량      = 사료량 * 50% * 80% * 2.67

~ 사료량 * 1.07

일반적으로 최종 산소 소비량은 사료 1kg 당 대략 1kg 산소로 예상할 수 있다. 이것은 간단하지만 중요한 첫 번째 근사치이다. 논의 중인 호소의 경우, 최종 일일 산소 소비량은 53.4kg O₂/ha (1m 깊이의 호소의 경우 5.3mg/l)이다.

위의 추정치는 관련된 여러 프로세스의 비율을 고려하지 않았다. 이용되지 못한 유기 탄소 중 일부는 다소 안정적이라서 사료를 첨가한 한참 후에 호흡된다. 또 다른 과정은 유기 잔류 물이 호지 바닥에 침강하는 것인데, 그곳에서 천천히 분해가 일어나는데 종종 어류양식의 다음 주기에 일어난다. 이 잔류 효과를 최소화하기 위해서 호지 바닥의 물을 빼 주거나 건조시켜 빠른 분해가 일어날 수 있게 하고, 휴작기에 바닥에 쌓인 찌꺼기를 제거해 주므로 바닥이 대기 중 산소에 노출되게 하는 것이다. 또한, 유기 물질(=산소 소비)은 일반적으로 슬러지를 배수함으로써 제거될 수 있다.

호지의 산소 농도에 영향을 미치는 또 다른 중요한 공정은 조류 광합성 (PP)이다.

 (10.3) 6CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₁₆ + 6O₂

이 공정은 호지에서 일시적으로 (일광 및 계절에 따라), 특히 밀식 호지에서 산소 농도에 영향을 미친다. 그러나 장기적으로 볼 때, 생산된 대부분의 모든 유기 물질은 산화되고 거의 동일한 양의 산소가 나중에 소비된다. 이 추정치에는 죽은 조류의 퇴적 및 느린 분해 속도와 같은 요인뿐만 아니라 호지의 산소 필요량 계산시 휴지 기간의 잔류 유기물 처리의 효과도 포함한 좀더 세밀한 계산이 필요하다.

위에서 주어진 바와 같이 산소 요구량에 대한 추정치는 궁극적으로 장시간의 수요이므로 실제 경험에서 기대하는 것보다 일반적으로 높다. 호지에서의 산소 요구량의 실제 동력은 여러 물리적, 화학적 및 생물학적 요인에 따라 복잡하다. 이러한 복잡성 때문에 인위적인 폭기는 일반적으로 포괄적인 모델링에 기초하지 않고 오히려 경험적 접근법을 기반으로 한다. Boyd와 Tucker는 새우 또는 어류의 산소 요구량에 대한 정보를 기반으로 1kw 동력의 폭기는 약 500kg 새우를 추가하는 것으로 추산하였다. 새우 나 생선의 일반적인 산소 요구량은 200-400 mg/(kg 어류 x 시간) 또는 밤에는 물고기 1kg 당 평균 3.6 gO₂/kg이다. 1 kW 급 폭기에 의한 1800 g O₂의 산소 공급으로 500 kg 새우에 필요한 산소를 추가하면 충분하다. 이 근사치는 새우 체중과 급이의 증가로 인한 유기물의 추가 또는 호지의 산소 요구량의 변화를 고려하지 않은 것이다. 또한, 호지의 조건이 개선되면 산소의 효율이 증가하는 것으로 나타났다. 인도네시아의 상업용 호지에서는 BFT 호지의 조건과 관리를 개선함으로써 전력 효율 (kg 새우 /kW)이 약 500kg/kW에서 1,000kg/kW로 증가한 것으로 나타났다. 그러나 초기 추정치로는 500kg/kW를 추정치로 보는 것이 좋을 것 같다.

다양한 폭기장치 중에서 어떤 것으로 산소를 공급하느냐를 결정하는 것은 중요한 문제이다.  담수 호지에서 다양한 폭기 장치에 의한 산소 공급을 평가하기 위한 광범위한 작업이 Boyd and Ahmed에 의해 수행되고 발표되었다. 산소 공급 능력을 정의하는 데는 다음 세 용어가 사용된다. (1) 표준 산소 전달율 (SOTR – kg O₂/hr) : 온도가 20 ° C 이고 물 속 산소 농도가 0 일 때, 폭기 장치에 의해 물로 이동하는 산소량을 정의한다. (2) 표준 폭기 효율 (SAE – Kg O₂/kW/hr)은 SOTR을 폭기 장치 축에 적용된 동력으로 나눈 값이다 (다시 0 산소 농도).

 (3) 실제 산소가 주어진 또는 평균 산소 함량에따라 호지로 전달된다. SAE와 AOT 사이의 전이에 영향을 주는 매우 중요한 요소인 실제 산소 전달은 산소 부족으로 프로세스를 유도합니다. 산소 전달은:

(10.4)             dO₂/dt = Kl_a (C_s-C_m)

여기서, dO₂/dt는 호지의 단위 면적으로의 산소 이동율이고, Kl_a는 주어진 시스템 (폭기기, 물)에 대한 상수이며, (C_s – C_m)는 산소 결핍으로, 포화농도 C_s (주어진 조건, 온도 및 염분 농도에 대한) 와 호지의 산소 농도 C_m 과의 차이다.

이 점을 명확히 하기 위해, O₂ 농도가 1 mg/l 인 폐수 처리장에서의 산소 이동과 4mg/l의 O₂ 수준이 유지되는 어류 호지를 비교해 보자. 두 시스템의 온도는 25 ℃, 즉 포화 상태에서 O₂는 8.3mg/l이다. 폐수의 경우, dO₂/dt = (8.3-1) Kl_a, 즉 7.3 Kl_a 인 반면, 어류 호지의 경우 dO₂/dt = (8.3-4) Kl_a, 즉 4.3 Kl_a가 된다.  폐수 처리장에서의 산소 전달은 어류 연못에서의 산소 전달보다 거의 두 배가 높으며, 어류 양식 호지에서 산소 1kg을 이송하는 데 필요한 전력은 폐수처리장보다 약 2 배 정도 높다. 이것이 양식의 본질적인 문제이다: 우리는 높은 산소 농도를 유지할 필요가 있기 때문에 산소 전달에 더 많은 돈을 투자한다.

표준 조건하에서 20 ° C 및 염분이 없는 경우, 물은 9.1 mg O₂/l 산소에 의해 포화된다. 그러나 전형적인 새우 양식 호지 또는 기타 따뜻한 물 호지의 경우, 온도가 30 ° C이고 염분도 약 30ppt에서 포화 상태의 산소는 6.4 mg/l이다. 차가운 민물 호지에 대한 SAE를 계산하는 데 사용된 산소 부족은 9.1-0 = 9.1 이다. 우리가 4 mgO₂/l의 농도를 유지하기를 원한다면 표준 민물 호지 (20 ℃)에서의 산소 결핍는 9.1-4 = 5.1이 될 것이다. 그러나 전형적인 새우 양식장의 경우 산소 결핍은 6.4 – 4 = 2.4 mg/l가 될 것이다. 따라서 새우 양식장의 경우 산소 결핍은 표준 어류 양식장의 절반 정도이다. 산소 전달율은 산소결핍과 비례함수이기 때문에, 산소 전달율도 절반이라고 볼 수 있다. 산소 농도를 더 높게 유지하려면 (예: 5 mg/l) 산소 전달 효율도 낮아 진다. 염분으로 인해 산소 전달 효율이 낮아지는 것은 표면 장력으로 인해 물방울 또는 거품 크기가 작아지는 영향으로 어느 정도 보상된다. 산소 전달은 물방울 및 기포 크기가 작을수록 향상된다. 민물 시스템에서의 산소 전달에 관한 매우 상세한 연구와는 달리, 해수 시스템에서 다양한 유형의 통기 장치에 의한 산소 농도가 충분한지를 예측할 수 있는 충분한 정보가 없다. 그러한 연구가 필요하다.

필요한 폭기 용량을 결정하는 일반적인 실용 방법은 시행 착오를 통해서, 4 mg/l 이상의 충분한 산소를 유지할 수 있는 최소한의 폭기를 하는 것이다. 동남 아시아(Boyd and Tucker, 1998)의 새우 양식 호지에 적용되는 폭기는 5-10 kW/ha (3.7-7.4 hp/ha)이다. 브라질의 준-밀식 호지에서의 일반적인 폭기 범위는 8-12 hp/ha이다. 밀식 새우 양식 호지에서는 20~60 hp/ha 이상으로 더 높은 폭기율이 적용된다(McIntosh, 2000). 훨씬 더 많은 양을 밀식하는 호지는(100~300 톤/헥타르) 100 hp/ha 이상의 용량으로 폭기된다. 일반적으로 사용되는 예상치는 1kW의 폭기가 약 500kg 새우 (370 kg/hp)의 수확량 증가를 지원한다는 것이다.

 

산소 활동 – 호기성 및 혐기성 조건

산소는 양식 호지에서 다양한 생물학적 및 화학적 공정뿐 만 아니라 물고기의 생명에 영향을 미치는 필수 성분이다.

극도의 상황, 즉 산소가 충분히 공급된 상태 또는 산소가 없는 상태가 매우 자주 고려된다 (즉, 물고기가 질식할 때 산소가 없는 것과 비교하여 산소 공급이 충분한 시스템). 그러나 실제로는 산소가 전혀 없는 곳에서부터 포화 상태까지 농도가 연속적으로 다양하게 나타난다.

산화-환원 시스템을 화학적으로 정의할 때 산소는 전자수용체로 정의되고 환원된 구성 요소는 전자공여체로 정의된다. 그 과정을 보면:

(10.5)            H₂ + ½ O₂ → H₂O

각 수소 원자는 전자를 산소 원자, 즉 전자수용체에 기증한다. 높은 수준의 전자수용체 (전자를 잘 끌어당김)를 갖는 시스템은 산화된 시스템으로 간주된다. 대조적으로, 전자를 쉽게 잘 주는 (전자 공여체)시스템과 소수의 전자수용체가 환원된 시스템으로 간주된다. “전자 활동”은 백금 전극 (비활성 도체)과 기준 전극을 사용하여 측정할 수 있다. 이 셀에서 생성된 전압인 산화 환원 전위 (산화 환원 전위, Rf)는 전위차 측정에 의해 얻어진다.

시스템의 산화 환원 상태의 수준은 시스템의 산화 환원 전위를 통해 정의된다. 포화 상태 또는 그 유사한 상태의 산소를 포함하는 물 시료는 약 500mv의 산화 환원 전위를 가지며, 절대적으로 산소가 없고 고도로 환원된 황화수소가 존재하는 시스템은 약 -100mv의 산화 환원 전위를 갖는다.

양식호지 바닥의 무산소성 또는 혐기성 물과 슬러지에서 일련의 대사 산물이 형성된다표 10.2).

산소 농도가 떨어지면 무산소 조건이 발생하고 질산염이 감소한다 (탈질화). (무산소 조건은 산소 농도가 낮지만 절대적으로 0이 아닌 상황을 나타낸다.) 탈질은 박테리아에 의해 일어나는데 본질적으로 호기성이지만 낮은 산소 (무산소) 조건에 적응할 수 있고 유기 물질을 분해하기 위해 산소 공급원 (10.6 식에서 CH₂O)으로 질산염을 사용할 수 있는 박테리아다.

(10.6) 4NO₃ + 5CH₂O + 4H⁺ → 2N₂ + 5CO₂ + 7H₂O

탈질은 300-350 mv의 산화 환원(redox 300~350)에서 일어난다. 또한 질산염이 존재하는 한 물을 정화 (완충, 안정화)하고 산화 환원은 더 이상 감소하지 않는다. 이것은 앞으로 기술한 호지에서 산화 환원 시스템의 중요한 특징이다. 따라서 질산염이 환원되고 산화 환원 조건이 심할 때 혐기성 신진대사물이 생기는데 다양한 발효 유기산, 황화물 및 환원된 유기 황 화합물등과 같은 것이다. 다양한 혐기성 공정과 대사 산물은 표 10.1에 나타나 있다. 이들 화합물은 일반적으로 냄새가 나고, 다양한 독성을 가지며 어류 생산에 매우 바람직하지 않다. 황화물은 슬러지에 검은 색을 띠게하며 1mg/l 미만의 수준에서도 매우 독성이다 (H₂S). 대부분의 환원된 유기 유황 화합물도 독성이다 (예: 메틸메르캅탄은 어류 및 물벼룩에 1ppm 이상이면 독성이다.) 황화물은 슬러지에서 어느정도 볼 수 있으나 낮은 몇 퍼센트까지의 수준이다.  (대부분 불용성 화합물임). 생선 양식호지의 퇴적물에서 볼 수 있는 여러 휘발성 유기산은 1,000-5,000ppm (Kochba & Avnimelech, 1995) 이면 독성이다. 부티르산과 젖산은 100-200ppm (Richardson & Gangolli, 1994) 이상의 농도에서 어류 및 물벼룩에 독성이다.

바닥 슬러지는 호지의 바닥에 생기는 일반적으로 검은색 층으로서 유기물질이 많고, 혐기성이며, 부드럽다. 슬러지는 산소가 부족한 조건에서 유기물이 호지 바닥에서 대사 될 때 발생한다. 이는 호지 바닥에 산소 공급이 부족하기 때문에 유기 잔류물이 쌓여 높은 산소 요구량을 유발하는 일반적인 경우이다. 밀식 및 사료 공급량의 증가함에 따라 슬러지량은 늘어난다. 슬러지의 축적과 침전물에서의 혐기성 조건의 발달은 어류 성장을 제한하는 요인으로 나타났다(Avnimelech and Zohar, 1986). 새우의 성장에 대한 슬러지의 영향은 새우가 호지 바닥에서 먹고 살기 때문에 특히 위험 할 수 있다. Hopkins와 동료(1994)들은 바닥을 깔은 양식호지에서 물 교환을 하지 않고 다음의 세 가지 슬러지 처리 방법을 사용하여 고밀도로 새우를 키웠다: (a) 대조구, 슬러지 처리하지 않음, (b) 슬러지 주기적 혼합 (c) 슬러지 주기적 제거 (표 10). 슬러지를 처리하지 않고 방치한 (a)의 경우, 슬러지 처리를 시도한 다른 두 경우와 비교할 때, 새우가 거의 생존하지 못했다 (생존 = 0.2 %). 이것은 작은 호지에서 행한 반복성이 없는 실험이었으므로 결과가 상업용 새우 호지에서 발견될 수 있는 것과 다를 수 있지만 그 경향은 분명히 입증되었다. 또 다른 실험 (콘크리트 수로식 양식 새우, Avnimelech)에서 슬러지를 제거하면 새우 사료 소비가 제거 전과 비교하여 136 ± 11 %로 증가하는 것으로 나타났다. 슬러지에 의해 유발된 환경 스트레스가 성장을 제한하고 질병을 유발하는 것으로 예상 할 수 있다.

혐기성 슬러지는 BFT 호지를 포함해서 고도로 폭기하고 혼합하는 밀식 호지에서도 특정 위치에 축적될 수 있다. 슬러지의 국부적인 축적은 물의 불완전한 혼합으로 생길 수 있는데 예를 들어, 모서리, 방사형으로 혼합된 연못의 중심, 저지대에 생기며 종종 수차의 아래 및 그 주변에 생긴다. 양식호지에 고도의 폭기를 함에도 불구하고, 이러한 혐기성 부분의 형성은 물고기와 호지에 피해를 줄 수 있다. 가장 필수적인 양식호지 관리 방법 중 하나는 슬러지 축적 지점의 범위를 최소화하는 것이다. 이것은 양식호지의 적절한 설계, 폭기장비의 적절한 위치 및 선택, 그리고 필요한 경우, 축적된 슬러지의 물리적 제거에 의해 이루어질 수 있다.

혐기성 슬러지는 종종 질산화 과정에 영향을 미친다. 질산화의 두 번째 단계 (NO₂ → NO₃)는 혐기성 조건과 혐기성 대사 산물 (황화물은 질산화 공정을 지연시킴)에 매우 민감하다 (NH₄ → NO₂ 인 첫 번째 단계보다 훨씬). 따라서 혐기성 축적지가 형성되면 아질산염 농도가 상승한다. 호지에서 아질산염이 늘어난다는 것은 혐기성 축적지가 형성되고 있음을 나타내는 조기 경보와도 같으므로 빠른 시정 조치를 해야 한다. 다른 한편, 호지에 질산염이 있으면 산화환원 지수가 낮아지는 것(lowering redox)과 및 황화물 축적을 방지할 수 있다. 따라서, 산소가 부족한 것은 질산염이 들어 있는 비료를 첨가함으로써 보충될 수 있다. 어느 정도까지는 물속에 있는 질산염이 산소를 대체한다. 이렇게 질산염에서 대체된 산소는 물고기에게 산소를 공급하는데 사용되진 않지만 양식 중간 단계에서 물의 산화 가능성을 유지하며, 낮은 산소농도로 인해 받을 수 있는 피해를 늦추는 수단으로 간주될 수 있다.

 

양식 호지의 산소 분포

폭기기는 산소 공급 이외에 다른 역할도 분담한다. 필수적인 부가 서비스는 물의 혼합이다. 대부분의 생물 공학 반응기에서처럼 미생물 공정은 물을 혼합해 줄 때 보다 효과적이며, 주로 미생물 세포에서 기질의 확산이 강화되고, 대사 산물이 외부로 확산되기 때문이다. 어떤 면에서 보면, 양식호지에서 폭기된 물의 혼합은 준-산업화 생물 공학 시스템으로의 전환이다. 물을 혼합하는 어류 호지에서의 유기 분해와 질소 전환은 정체된 물보다 훨씬 효과적이라는 것이 밝혀졌다 (Avnimelech et al., 1992).

혼합은 물의 성층화를 방지하는데 즉, 호지 표면층은 산소가 풍부한 따뜻한 층이 되고, 바닥층은 산소가 부족하게 되는 것을 방지한다. 물 혼합의 또 다른 중요한 기능은 호지의 바닥에 생길 수 있는 슬러지 축적을 통제하거나 적어도 부분적인 통제를 하는 것이다.

준-밀식 양식호지에서의 폭기는 종종 야간에만 적용된다. 또한 밤 시간이나 비상 폭기는 보통 호지의 어느 한 지점에 적용하여, 산소가 부족한 기간 동안 물고기가 ‘산소 공급처’로 이용할 수 있는 폭기 구역을 만든다. 물고기가 그 지역으로 헤엄 쳐 가서 낮은 산소의 해로운 영향을 피할 수 있다고 가정한다. 그런 양식호지에서는, 전체 호지에 공기를 공급하려고 노력하지 않는다.

(1) 일반적으로 사료 공급기 근처에 폭기기를 배치한다. 물고기는 산소가 부족한 기간에 폭기가 되는 지점으로 모인다고 가정한다.

Avnimelech와 Ritvo (출간되지 않음)는 다른 접근법을 시도했는데 가능한 한 호지의 많은 지역을 폭기하고 혼합하는것에 기초하였다. 이것은 수차와 물 순환 장치 (이 장의 B 절 참조)를 호지에 배치하여 수행했는데 투입된 전력은 6-12 hp/ha였다. 또한 야간에만 폭기하는 기존의 방식과는 달리 강풍이 심한 때를 제외하고는 계속 폭기하는 방식이었다. 이 접근법은 이스라엘 몇몇 상업 호지에서 실행된 일련의 실험에서 틸라피아 수확량의 150 % 상승을 지속적으로 가져왔다.

동남 아시아에서 개발된 새우 양식 호지의 일반적인 시스템은 호지 제방에 위치한 모터 (디젤 또는 전기)가 장착된 긴 팔 수차이다. 이 구성은 폭기기를 제방과 평행하게 놓았는데 제방과 제방사이의 거리는 최대 10m이다. 그러면 물이 타원형으로 움직이게 된다. (그림 10.2 (a)).

다른 곳에서 사용된 수차의 다른 유형은 제방 기둥에 묶어 놓는 것인데, 따라서 일반적으로 제방 가까이에서 비슷한 물의 흐름을 만든다. 이 폭기기 배치 방식의 매우 공통된 점은 제방근처에는 지엽적인 물의 흐름을 만들지만, 양식호지의 중심부에서는 흐름이 없거나 매우 제한된 흐름을 만든다. 이 방사형 또는 타원형 흐름의 물리적 측면을 Peterson 및 동료(2001)가 철저히 분석하여 보고했다. 침전하던 부유물질들이 물살이 빠른 지역에서는 물 속으로 다시 떠 다니게 된다. 그러나 방사형 흐름의 중앙 영역에서는 그렇지 않다. 이 영역은 유속이 매우 낮거나, 심지어 유속이 없어서, 침전된 물질이 다시 떠 오르지 못하고 쌓일 수밖에 없다. 이 현상은 물리학에서 “찻잔 효과(tea cup effect)”로 묘사된다. 찻잎을 유리 잔에 넣고, 저어서 방사형 흐름을 만들면 찻잔 중심부에 찻잎이 쌓이는 것을 볼 수 있다 (교실이나 강좌, 또는 집에서 할 수 있는 간단한 시연). 플라스틱으로 바닥을 입히고, 두14대의 2 hp 긴팔 수차를 장착한 1.2 ha의 태국 전형적인 상업 양식 호지에서 나타난 유속 분포가 그림 10.2(a)에 있다. (a) 연못의 약 25 %가 1cm/sec 이하의 유속으로 거의 정체되어 있음을 수 있다. 낮은 물 유속은 그림 10.2 (b)에서 볼 수 있듯이 슬러지 축적을 불러온다.

(1) 그림 10.2 (a)와 같다.

 (2) 검은 색> 깊이 10cm; 회색 5-10 cm; 밝은 회색 <5cm 및 흰색은 거의 없음.

연못의 면적의 약 40 %가 다양한 슬러지 색으로 덮였다.

칼레 델가도 (Calle – Delgado)와 동료 연구원은 3 개의 수차 (총 출력 5 마력, 20 마력/헥타르 와 동급)를 장착한 위와 비교하여 상대적으로 작은 양식호지 (0.25ha)에서 방사형 흐름의 영향을 조사했다. 2cm/sec 이하의 유속을 갖는 중앙 정체 영역은 호지 면적의 약 25 %를 차지했다 (그림 10.3). 이 영역에서 이른 아침에는 산소 농도가 매우 낮았다 (0~1 mg/l). 슬러지 축적은 유속 패턴과 유사했다 (그림 10.4).

슬러지 퇴적물은 바깥쪽에서는 1~3 kg/m² 미만이었지만 중앙 지대에서는 4~9 kg/m²로 호지 면적의 약 30 %를 차지함을 알 수 있다. 호지 바닥의 유기탄소 축적량은 바깥 쪽 지역에서는 200 gC/m² 미만이었지만 중앙 지역에서는 300 ~ 600 gC/m² 이었다. 새우 분포는 그물망을 사용하여 산정되었다. 새우의 포획율은 중앙지역보다 주변지역이 높았는데, 해가 있을 때는 4~5 배 높았고 밤에는 2~3 배 높았다. 두 차례에 걸쳐, 그물망 배치 한지 2 시간 이후에 중앙 지역에서 회수한 망에는 죽은 새우가 포함되어 있었다. 새우는 보통 슬러지가 덮인 영역으로 가서 먹이를 먹고 물 상층으로 돌아오는 것 같다. 새우가 슬러지 층에 걸려서 빠져나오지 못할 수도 있고, 바닥 슬러지에 장기간 노출되어 생존할 수 없을 수도 있다.

산소의 수직 분포 패턴 또한 입증되었다. 산소 농도는 혼합된 주변 지역에서 수층 전체에 걸쳐 균일하지만, 중앙 정체 영역에서는 산소 층화가 명백했다: 호지의 바닥의 경우, 산소농도는 이른 아침에 더 낮았을 뿐 아니라, 수표층이 산소로 초-포화상태에 이른 오후 시간조차 낮았다.

콜롬비아에있는 상업용 새우 양식 호지에서도 비슷한 결과가 나왔는데 그 곳은 조류가 가득하게 서식하는 호지였다. 산소 공급이 최적일 가능성이 높은 화창한 날 오후 11 시경에 양식호지에서 수직층별 산소농도 상태를 살펴보았다. 표면층의 산소 농도는 매우 높았으며 실제로는 약간 초-포화상태였다(그림 10.5).

그러나 호지 바닥에서 약 10cm 위쪽의 산소 농도는 2~3mg/l 로 매우 낮았다. 호지 바닥 주변에 형성된 수층은 새우가 사는 곳이면서 사료와 자연의 먹이를 수확할 수 있는 곳임을 아는 것은 중요하다. 폭기기 (2~4 hp/ha)를 낮 시간 동안 가동했을 때 산소 농도는 수층에 따라 거의 균일했다. 이는 다음과 같이 결론 내릴 수 있는데 밀식 양식 호지에서 바람에 의한 물의 효과적인 혼합이 없다면 낮일지라도 폭기기를 켜 둬야하며, 그렇지 않으면 활성 광합성이 일어나는 낮 시간 동안일지라도 새우가 무산소로 고통받을 수 있다는 것이다.

1. 폭기기, 적합한 폭기기 개발및 폭기기 배치

의견:

1. 존 콜트 (John Colt)와 로널드 말론 (Ronald Malone)은 여기서 제기 된 아이디어를 토론함으로써 많은 도움을 주었다.

2. 폭기기의 동력을 정의하는 적절한 과학 용어는 킬로와트(kW) 이다. 그러나 이 분야에서 많이 사용되는 용어는 마력 (hp)이다. (hp 로 표시된 폭기기 구입). 여기서 사용되는 용어는 hp입니다. 두 단위의 연관 변환 계수: 1 hp = 0. 746 kW

 

보편적으로 사용되는 폭기 시스템

가장 일반적으로 사용되는 폭기기는 수차로서, 다양한 크기 (1 ~ 15hp)로 생산되고, 긴 팔 수차 또는 소형 전기구동 장치로 생산된다 (그림10.1, 13.1, 13.2, 18.2). 수차의 작용은 많은 양의 물을 쳐서 작은 물방울 형태로 공기 중에 튀기는 것을 기본으로 한다. 뿌려진 물방울 “구름”은 물방울 표면에 많은 양의 공기를 접촉하게 만드는데, 이 접촉면을 통하여 공기중의 산소가 물 속으로 확산된다. (또한 이산화탄소(CO₂)는 반대로 물방울에서 공기로 확산된다). 물은 위로 튀길 뿐만 아니라 수평으로도 뿌려 지므로 양식호지 물에 수평적 물 흐름을 만든다. 이 물의 흐름은 이전 섹션에서 설명한대로 호지 전반에 걸쳐 폭기 된 물을 보내는데 도움이 되며, 호지의 물을 혼합하는 데 도움이 된다.

다소 다른 유형의 폭기기는 수직 폭기기이다 (그림 10.6). 여기서 물은 물 표면 바로 아래의 부표에 고정된 임펠러에 의해 공기 중으로 분사된다. 수차와 달리 수직 폭기기는 수직 물 흐름을 생성하지는 않는다.

다른 폭기 시스템은 산기관 시스템(Diffused Air Systems)이다. 주로 작은 탱크와 호지에서 사용되는 이 시스템은 작은 공기방울을 물에 방출되는 것을 기반으로 한다. 기본 작동 단위는 산기관(diffuser)로서 다공성 세라믹 돌, 다공성 멤브레인 튜브 및 기타로 만들어지며, 송풍기(블로워)에 연결되어 작은 공기 방울들을 쏟아 내어 상승하면서 물 기둥을 만든다. 산기관 시스템 작동 원리는 수차 원리와 동일하며, 물과 공기의 접촉면을 늘리는 것이다. 그러나 이 경우에는 물방울 표면의 합보다 공기 방울 표면의 합이 더 크다. 산기관 시스템의 효율은 공기방울 크기가 작을수록 높아지지만, 이를 달성하기 위해서는 더 작은 기공이 필요한데 이는 마찰력을 높여서, 더 많은 공기압력과 전력이 필요하게 한다. 이러한 시스템의 효율성에 영향을 미치는 또 다른 요인은 공기방울과 물의 접촉 시간이다. 따라서 수심이 얕은 호지에서는 이러한 시스템의 효율이 매우 낮다.  산기관 시스템의 성능을 향상시키려면 공기 튜브를 양식호지의 보어 홀 속에 설치하는 것이다. 수 m 깊은 보어 홀 속에 공기 출구를 놓이게 하는 것은 공기와 물의 접촉 시간을 증가시킴으로써 산소 전달 효율을 수 배 증가시킬 수 있으나 부분적으로 방출 지점에서 공기 압력을 상승시킬 수 있다.

산기관 시스템의 특별한 경우는 에어 리프트이다. 물에 잠긴 수직 관에 공기방울을 주입하면 관 안의 물의 겉보기 밀도 (즉, 단위 물의 밀도 + 공기)는 관 밖에 있는 호지의 물의 밀도보다 낮다. 결과적으로 외부 압력은 관 안의 수위가 올라가게 하거나 호지의 물이 관을 통과하는 흐름을 만든다. (예: 용적의 30 %가 공기로 채워진 경우 물의 겉보기 밀도는 1이 아니라 0.7g/ml이며 평형 수위는 연못의 수위보다 43cm 높다. (그림 10.7a)

추가적인 폭기기는 벤츄리 원리에 근거한 흡인기(aspirators)이다 (그림 10.8). 벤츄리 효과는 유체가 관의 압축된 부분을 통과하고 압축이 해제될 때 발생하는 유체 압력의 감소이다. 흡인기에서 물이 관을 관통하다 관이 좁아진다. 관이 좁아지면 유체의 속도가 빨라지고 벤 투리 효과 때문에 압력이 감소한다. 이 시점에서 진공이 생기고 만일 대기에 연결되면 공기가 흡입되어 물과 섞여 나가게 된다. 흡입기 중의 하나로, 프로펠러 흡입기는 전기 모터가 내장된 유닛과 강력한 물줄기를 생성하는 프로펠러로 구성된다. 물줄기가 좁은 구간을 통과하면서 공기를 끌어 들여 물줄기에 섞는다. 매우 미세한 공기방울을 가지는 이 물줄기는 양식호지의 바닥을 향해 비스듬히 향하게 한다. 벤츄리 흡입기의 또 다른 유형은 작은 호지에서 사용되는 것으로 직경 제한을 가진 부품들과 외부 공기 연결 장치가 있다. 압력이 주어진 물과 연결하여 빠른 물 흐름을 만들어 낸다.

양식장에서는 거의 사용되지 않지만 폭기를 도울 수있는 장치는 “호지 물 순환 장치(pond water circulator)”이다. 물 순환기는 일반적으로 프로펠러로 구성되며, 대개 수중 전기 펌프로 작동한다. 물 순환기는 물을 수평으로, 대부분의 경우 한 방향으로 민다. 물을 수평으로 밀기 위해서는 매우 낮은 압력이 필요하다 (압력 변화가 없음). 따라서 상대적으로 낮은 압력을 사용하여 많은 양의 물을 밀 수 있다. 순환 장치는 물을 섞어 주는 장치이지 호지에 산소를 불어 주지는 않는다는 사실을 알아야 한다. 이러한 순환기는 주로 호수에서 사용하는데 이는 호수의 물을 섞어 주어서, 상대적으로 차갑고 산소가 부족한 호수의 바닥층이 층을 이루는 것을 막는데 사용된다. Avnimelech & Ritvo는 상업용 어류 양식호지 (면적 약 8 헥타르, 깊이 2 미터)에 2.5 마력의 순환 장치를 설치했다. 물 순환 장치의 효과는 호지 토양층의 최상층에서 황화물 농도를 모니터링함으로써 평가되었다. 토양 황화물 농도는 순환기의 물 순환방향으로 65m까지는 제로에 가까웠다.

 

우리는 더 나은/다른 폭기 시스템이 필요한가?

기술 간행물이나 현장을 살펴볼 때, 지난 수십 년 동안, 양식양이 급격하게 증가한 오늘날까지도 동일한 폭기기가 사용되고 있다는 사실에 놀라움을 금할 수 없다. 현재 사용되는 사료 (대부분 압출 된 부유 펠릿)는 30 년 전에 사용된 사료와는 다르며, 물고기와 새우의 종류도 다양하다. 현재 사용되는 폭기기가 매우 좋으며 따라서 개선의 필요성이 없기 때문에 이것이 사용되는가? 이것이 맞는지는 잘 모르겠다.

위에서 언급했듯이, 수차는 가장 일반적으로 사용되는 폭기기이다. 수차는 물의 최상층 (0~20 cm)에서 물을 쳐서 튀기는 것이다. 이 층은 산소 농도가 가장 높은 층이다. 이 층은 조류 활동과 산소 생산이 가장 높고, 대기와 접해 있어 산소의 확산이 가장 높은 층이다. (예를 들어, 그림 10.5의 데이터는 이 층의 물이 과포화 된 반면, 바닥 층의 물은 약 50 %의 산소 포화도를 가짐을 보여준다). 도식 10.4에서 산소 전달은 주어진 물의 산소 포화도 값 (온도, 염도 및 압력에 따라 다름)과 물의 실제 산소 농도간의 차이의 함수이다. 산소가 풍부한 표층 수를 폭기시키는 효율은 산소가 부족한 바닥 수의 폭기 효율과 비교하여 매우 낮다. 이해를 돕기 위해 지표수의 산소가 5 mg/l이고, 바닥물의 산소가 2 mg/l 인 담수 호지를 가정해 보자. 표층수에 대한 폭기 효율 (Boyd 1998의 값)은 표준 효율 (SAE)의 약 45 %가 될 것이며, 바닥 물의 폭기 효율은 약 70 %가 될 것이다. 바닥쪽 물을 폭기하는 폭기기는 동일한 전력 소비을 소비하면서 거의 두 배의 산소를 공급하는 효과를 주게 될 것이다. John Colt 박사 (사적 대화)는 수차를 Skirted 수차로 개량하는 것을 제안했다. 수차의 상류쪽에 판 (플라스틱 또는 금속 시트)을 삽입하면 물이 바닥으로부터 퍼 올려질 것이다 (이것은 어딘가에서 나와야 한다). 이것은 물 흐름을 견딜 만큼 강해야 하지만, 정수압은 없다.

수차는 수표층의 산소 보충에는 좋지만 산소가 정말 필요한 곳은 바닥 수층과 더불어 바닥과 물의 경계면이다. 수차는 이와 관련하여서는 제대로 역할을 하지 못하고 있다. 수차는 물에 힘을 가하여 호지를 가로 질러 물을 수평으로 밀어낸다. 그러나 이 힘은 지표수에 주어지므로, 바닥 물층을 움직이고 혼합하는데는 일부만 적용된다.

수직 폭기기는 더 깊은 층에서 물을 끌어 올리지만 바닥의 물을 끌어 들이기 위해서는 강력한 흡입력이 필요하다. 산소가 녹은 물은 호지의 표면에 배출된다.

흡인기는 산소를 최상위 수층의 물에 적용하지만 폭기된 물줄기를 아래로 보내는 이점이 있다. 그러나 물줄기의 제트 효과는 호지 바닥의 한 지점으로 제한된다.

산기관 시스템은 효율적인 혼합을 할 수 없으며, 호지의 깊은 곳에 설치하지 않으면 공기 방울의 빠른 상승으로 인해 효율이 떨어진다. 폭기 시스템을 개선하기 위해서는 에어리프트 (airlift) 기술을 사용할수 있는 것 같다.

에어 리프트는 물에 삽입된 관에 기포를 주입하여 만든다. 공기 방울이 포함된 물의 밀도는 호지 밀도보다 낮으므로 외부의 물이 리프트로 유입되어 물을 위로 펌핑한다. (그림 10.7 a). 에어 리프트는 호지 바닥에서 물을 펌핑하는 것이 중요한 장점이다. 입구와 출구 튜브가 90 °를 이루면, 이 장치는 바닥과 표층 모두에서 물의 수평 이동을 유도한다 (그림 10.7b). 이러한 에어 리프트는 상대적으로 작은 밀식 탱크의 폭기와 혼합에 매우 유용한 것으로 밝혀졌다.

(1) 공기 공급원 (송풍기); (2) 공기 주입구, 미세 기포; (3) 물 유입구; (4) 물 배출구; (5) 리턴 공기 분배를 제어하는 밸브

William A, Wurts(2012)는 송풍기를 붙인 개량된 에어 리프트를 사용하여 상업용 규모의 호지에 사용할 수 있게 할 것을 제안했다.

에어 리프트 설계는 더욱 개발될 수 있는데, 이는 바닥 층에서 물을 펌핑하고 폭기 된 물을 맨 바닥 층으로 다시 방출하여 양식 호지의 바닥에 수평 흐름을 생성한다. (그림 10. 7c). 이 장치는 거의 일반 에어리프트와 유사한 흡입팔(관)이 있다. 공기 조절 밸브가 수평 부분에 붙어 있고 방출팔(관)이 붙는다. 공기 조절 밸브가 위로 올라온 기포의 일부를 방출해 주므로서 방출부의 물은 흡입부의 물보다 무겁게 된다. 공기 배출 밸브가 완전히 열리고 대부분의 공기 방울이 방출되면 시스템을 통과하는 물의 흐름은 최대가 된다. 다른 한편, 공기 방출을 줄이면, 물의 흐름은 낮아지지만, 아래쪽으로 가는 기포는 물로 산소를 더 많이 방출할것이다. 오메가 (Q) 장치는 길이가 두배인 에어 리프트로서 산소 전달 효과도 거의 두배로 높인다.

오메가 폭기기의 실험 모델이 이스라엘, 중국, 인도의 양식호지에서 테스트되었다. 이 시스템은 여러 가지 장점이 있다: 호지 바닥 부근의 산소가 부족한 물을 폭기하고 (따라서 높은 산소 전달 효율을 누림) 호지 바닥으로 산소가 녹아든 물을 흘려보냄으로 호지의 바닥층 물을 섞는 물의 흐름을 유도하여 물에서 썩는 것이 없게 한다.

위에서 언급했듯이 (그림 10.5 참조) 폭기기는 양식 호지 안에서 작동되야 하는데 (특히 새우 양식장) 심지어 낮 시간에도 폭기해야 하는 이유는 호지의 물을 혼합해 주고 바닥층까지 산소가 녹아든 물을 공급해 주어서 새우에게 알맞는조건을 만들어 주기 위함이다. 일부 양식업자들은 낮 시간 동안에도 수차를 작동시켜 이를 실시하고 있다. 거기서 논의된 것처럼, 그것이 호지를 혼합하는 효과적인 수단은 아닌데 그 이유는 이미 폭기된 지표수를 폭기하기 때문이다. 호지의 물을 혼합하는 보다 효율적이고 효과적인 방법은 호지에 물 순환 장치를 사용하거나 오메가 폭기 장치를 사용하는 것이다.

현재 시장에서 판매되는 대부분의 폭기기는 양식 산업에 효율적이고 효과적으로 서비스를 제공하지 못한다. 나는 이 장이 산업체들이 더 좋고 꼭 필요한 폭기기를 개발, 생산 및 보급하는데 도움이 되길 바란다. 한편, 양식호지에 공기를 공급하는 가장 좋은 방법은 폭기기, 대량 폭기용 수차, 흡입기, 수직 폭기기 또는 에어 리프트등을 서로 잘 조합하여 사용하므로서 구석진 곳이나 방사형 연못의 중앙 배출 영역을 보다 잘 관리하는 것이다.

 

폭기기 배치 및 관리 구현

인공적인 폭기는 새우 양식 호지의 수확량과 생산성을 높이는데 매우 효과적인 수단이다. 그러나, 폭기기의 다양한 기능을 이해하는 것은 양식 호지의 설계 및 관리에 필수적이다. 폭기기의 수, 동력, 위치 및 작동 세부 사항은 산소 공급 이외의 고려 사항에 따라 설계되고 제어되어야 한다.

방사형이 가장 간단하고 에너지 효율적인 폭기기 배치 모델 인 것으로 보인다. 그러나, 전술한 바와 같이, 상대적으로 큰 정체 영역이 생긴다는 것이 심각한 단점이다. 이 문제를 극복하거나 최소화할 수 있는 몇 가지 방법은 있다. 한가지 예로, 태국의 상업 새우 양식장에서 입증된 것이 그림 10.6에 나와있다.

전통적으로 양식호지의 제방 (그림 10.2.a 참조)에 수직으로 놓이던 긴 팔 수차를 돌려서 약 30 ° 중심쪽으로 향하게 했다. 물의 흐름이 달라졌고 호지의 정체된 영역이 25 %에서 18 %로 감소했다. 또 다른 해결책은 벨리즈 양식 호지에서 시연되었다. 처음에 수차는 호지의 옆면 가까이에 배치되고 작은 원모양의 물살을 만들면서 가운데 넓은 정체영역을 만들었는데, 이 수차를가운데로 향하게 옮겼다. 이러한 변화로 인하여 물의 움직임이 활발해져 더 넓은 원모양의 물살을 만들고, 호지의 더 많은 영역에 영향을 미치며, 슬러지가 축적되는 영역을 줄였다. 같은 원리가 콜롬비아의 비교적 큰 양식호지에서 사용되었다 (8hp/ha로 폭기되는 8 ha 면적의 양식호지). 이 호지의 정체 지역은 호지의 약 10-15 %로서 상대적으로 정체지역이 작았다. 원심력으로 인해 방사형 흐름이 제방에서 더 떨어져 형성되어 여전히 ​​호지의 옆면을 따라 상당한 유동을 일으킨다는 것을 알 수 있다. 특히 큰 호지에서 이 방법의 적용에 필요한 것은 폭기기의 고정 장치가 폭기기 가까운 위치 (예: 폭기기를 호지 바닥에 기둥을 세워 묶거나 무거운 것에 고정시킴)에 있어야 하며 제방에 있는 설치 위치에서 끈으로 묶어선 안된다.

상대적으로 작은 연못이나 높은 폭기력을 갖춘 호지에서 주로 적용할 수 있는 매우 효과적인 해결책은 슬러지 축적영역을 겨냥한 2 차 시스템을 설치하는 것으로 슬러지 입자들이 다시 부유할 수 있게 만드는 것이다. 이러한 폭기기 설치는 틸라피아를 양식하는 작은 호지(50-1000 m²)에서 적용되었다. 이 호지의 주 폭기 시스템은 다수의 수차를 기반으로 하여 방사형 물 흐름을 만들었다. 따라서 슬러지는 중앙에 축적되었다. 슬러지가 축적된 영역 위에 에어 리프트를 배치하여 상향식 물흐름을 일으켜 미세한 슬러지 입자를 다시 공기가 있는 수역으로 재순환시켰다. 비슷한 해결책이 벨리즈 양식장 호지 및 인도네시아의 밀식 BFT 호지에서 사용되었는데 (그림 13.2), 흡입기 유형 폭기기에 의해 생성된 물의 흐름이 슬러지 축적 장소를 겨냥하여 쏘아 주게 했다. 일반적인 추천 방법은 전체 호지의 물을 더 잘 섞을 수 있도록 하기 위해선 다양한 유형의 폭기기 또는 물 순환 장치를 수차와 연계하여 사용하는 것이다.

매우 중요한 점은 눈에 띄게 슬러지가 축적되기 전에 폭기기를 적절하게 설치해야 한다는 것이다. 슬러지 더미가 많이 쌓인 후에 호지 바닥을 혼합하면 호지가 망가질 수 있다: 혐기성 입자가 분산되고, 물의 산소 농도가 급속히 떨어지고, 혐기성 산물들이 물에 혼합되기 때문이다; 이들은 물고기나 새우에게 치명적일 수 있는 일련의 일들이다. 예방 조치가 취해지지 않은 경우 혐기성 슬러지 더미를 처리하는 것은 점진적으로 수행되어야 하며 충분한 폭기를 해줌과 동시에 주의 깊은 관찰이 필요하다.

적절한 폭기 시스템은 폭기를 위한 양식호지 설계와 특정 폭기기 배치 설계와 연관된다. 호지의 작은 부분에 슬러지를 모으는 것을 돕기 위해, 호지 바닥에는 슬러지 처리 웅덩이같은 것이 설계되어야 하고, 그 위에 폭기기를 설치하고, 폭기기가 슬러지를 분해하도록 해야 한다. 따라서, 타원형의 물 흐름을 갖는 호지는 일반적인 2 개의 측면 운하보다는 하나의 중앙 배수 운하를 필요로 한다. 방사형 물흐름을 갖는 호지에서는, 배수구에 연결된 중앙 슬러지 웅덩이를 파는 것이 바람직하다. 효율적인 슬러지 배수는 많은 생물체를 키우는 밀식 호지에서는 필수 요건이다. 많은 생물체를 가진 밀식 호지에서는 부유 유기 물질이 효과적으로 물과 혼합될 수 없으며 해로운 퇴적물이 발생한다. 이것을 극복하고 많은 생체를 잘 양식하기 위해서는 효과적인 배수가 필요하다.

실용적인 응용 및 팁

1. 폭기기의 선정 및 배치는 양식장 운영에 있어 중요한 단계이다. BFT 호에서의 대부분의 실패는 폭기기의 잘못된 선택과 배치 때문이다.

2. 충분한 폭기가 필수적이다. 산소가 4mg/l (3mg/l 이하는 절대 안됨) 이하로 떨어져선 안된다.

3. 전기세가 비용에서 많은 부분을 차지한다. 합리적인 방법으로 폭기기를 사용해야한다. 폭기 최대 용량의 25 %로 가동하여 양식 시즌을 시작하고, 물고기의 성장과 사료 공급의 증가에 따라 폭기량을 높인다.

4. 그러나 물을 상하로 섞으려면 낮 시간에도폭기기를 사용해야 한다. 바람이 부는 시간에는 모든 폭기기를 꺼도 된다.

5. 슬러지 더미가 생기는 것을 최소화할 수 있는 곳에 폭기기를 설치해야 한다. 수차가 슬러지를 섞을 수 없는 곳에는 에어 리프트 또는 흡인기를 설치한다.

6. 필요에 따라 슬러지를 배출한다.

7. 불행히도 폭기기의 배치와 관련하여 명확하고 단순한 규칙은 없다. 다른 위치, 다른 물고기 및 다른 양식 호지로 모든 조건들이 다를 수 있기 때문이다. 양식장 관리자의 경험을 대체할 수 있는 것은 없다.

8. 양식호지에 들어가서 다양한 곳과 다른 깊이의 산소를 측정하고, NO₂ 농도를 모니터링하며, 슬러지 축적 위치를 감지해야 한다.

9. 많은 양의 혐기성 슬러지 더미를 다시 물로 부유시킬 때 주의해야한다.

연구 과제

여기에 보고된 작업의 상당 부분은 연관된 물리적 원리의 질적인 사용과 누적된 경험을 기반으로 한다.

담수 양식 호지에서 다양한 폭기기의 사용을 광범위하게 연구했다. 기수 및 해수 양식장에서의 폭기 장치에 관한 자료는 충분하지 않다. 더 많은 연구가 필요하다. 또한, 기존의 자료는 주로 실험용 호지에서의 폭기기 테스트를 기반으로 했다. 물의 움직임에 대한 다양한 폭기기의 영향과 넓은 양식 호지에서의 결과들이 연구되어야 한다.

양식장에 폭기기를 배치하는 것은 양식자의 경험에 크게 좌우되며, 이는 단순히 특정 조건에 적응해야 한다는 것을 의미한다. 중요한 지역 매개 변수 중 하나는 일상의 바람 패턴으로, 바람은 물의 움직임, 물의 층화 방지 및 퇴적물을 다시 물로 떠 다니게 하는 것 등에 영향을 미치는 요소이다. 최근에 피터슨 (Peterson)은 폭기된 새우 양식장에서 물과 슬러지 이동의 모델링에 관한 중요한 개척 작업을 수행했다. 그러나 양식장 및 폭기기 설계를 위해 항상 사용될 수 있을 정도로 이 작업은 계속 개발되어야 한다.

이 산업은 보다 효율적이고 적합한 폭기 시스템의 생산을 목표로 연구하고 개발하는데 우선 순위를 부여해야 한다. 밀식양식에서의 전력 사용료는 사료 비용 다음, 두번째로 많은 비용이다. 전력 소비를 최소화하기 위해서 전기 요금이 오르고 환경적 요구가 증가함에 따라 효율적인 폭기 시스템 개발이 곧 이루어져야 한다.

 

어류 및 새우 질병 통제에 대한 BFT 효과

개요

Loe Tran, Kevin Fitzsimmons 및 Donald Lightner에 의해 저술된 “AHPND/EMS” 가 출간되었다: 학술적 과학적 관점에서 생산 관점까지”라는 제목의 논문에서 인용. 이것으로 이 장을 열어본다:

·바이오플록(BFT) 양식기술의 잠재력BFT는 신뢰할 만한 잠재력을 지닌 훌륭한 기술이라고 생각한다. 그러나 높은 투자, 믿을 수 있는 전원 공급 및 지식이 필요하다. 성공적으로 적용되면 그 혜택은 엄청날 수 있다. 그러나 새우양식에 이 기술을 적용할 수 있는 사람은 많지 않다. 또한 BFT는 기술자에게 숙련된 경험을 요구한다.

기존 경험에 대한 정보와 EMS 및 기타 질병 통제에 있어 바이오플록의 영향에 대한 정보가 이 장에서 제공된다. 또한 이 장과 이 책의 목적은 양식자, 과학자 및 학생들이 바이오플록 기술을 이해하고 습득할 수 있도록 돕는 데 있다. 우리는 그렇게 복잡하지 않다고 생각한다.

지난 몇 년 동안 바이오플록 기술을 통해 어류와 새우의 질병을 통제할 수 있는 가능성이 제기되었고, 연구되고 발표되었다.

BFT를 실현하면 주요 감염 통로인 물을 통한 침투를 제어할 수 있다. 우리는 제로 또는 최소의 물 교환을 사용하여 새우 또는 어류를 양식하므로서 우리는 생물 보안성을 향상시킬 수 있다.

또한, 새우와 어류 모두에 있어 바이오플록 시스템이 존재할 때 더 면역력이 있고 질병의 확산과 발생에 덜 취약하다는 지표가 있다.

최근의 연구는 바이오플록이 저분자 지방산이나 항생제와 같은 역할을 한다는 폴리 -b- 하이드록시 부티레이트 (PHE) 물질을 생성하는 등 특정 메커니즘의 존재를 보여주고 있다. 바이오플록의 잠재적 활동은 양식장에서 질병에 사용되는 기존 약물의 단점을 극복하게 할 것으로 보인다.

이 주제들은 현재 현재의 바이오플록 연구의 중심 주제이다.

새우 및 어류 질병 예방에 대한 바이오플록과 유사한 시스템의 효과에 대한 철저한 검토와 토론이 베트남 호치민시에서 열린 워크샵에서 수행되었다.

어류 또는 새우의 밀식 사육은 불가피하게 질병 발병의 위험을 높인다. 붐비기 때문에 감염된 개체와의 상호 작용과 병원체의 퍼짐이 매우 빠르게 발생할 수 있다. 병원체는 종종 호소 시스템과 침전물에서 오랜 시간 동안 보존되어 반복적인 감염을 유발할 수 있다. 또한 이 조밀하고 집중적인 양식 환경은 야간의 저 산소, 대사산물 축적, 스트레스 등으로 모두 질병 발생 확률을 높일 수 있다.

지난 수십 년 동안, 새우 산업은 많은 나라에서 바이러스성 질병의 창궐에 의해 번창하고 있는 새우 산업의 붕괴 또는 거의 붕괴를 초래한 사건들을 경험했다. 처음에는 조기 사망률 증후군 (Early Mortality Syndrome, EMS), 나중에는 급성 간췌장 괴사병 (acute hepatopancreatic necrosis disease, AHPND)으로 정의된 질병이 2009 년 중국에서 발견되었으며, 이후 베트남, 태국, 말레이시아 등 다른 국가로 전파된 후 남부 및 중앙 아메리카로 퍼졌다. 이 질병으로 인해 업계에 막대한 피해가 발생했다. 베트남의 연간 소득 손실은 약 10 억 US 달러였고 다른 피해 국가들에서도 비슷한 손실을 보였다.

질병의 확산은 개방 시스템에서 새우를 생산하는 관행에 의해 촉진되었다. 수질을 관리하기 위해 양식자들은 물을 집중적으로 교환했다. 일반적인 관행은 호소의 일부 물을 인근 강어귀 또는 다른 수역으로 지속적으로 배출하고 그것을 강어귀에서 펌핑 된 “신선한”물로 대체하는 것이었다. 꽤 자주 다른 사람들은 같은 강어귀를 사용했기 때문에 호소에 유입 된 “신선한”물은 실제로 그 지역에 존재하는 모든 질병 매개체와 병원균의 칵테일이었다. 한 호소를 감염시킨 질병이 신속하게 전체 지역으로 퍼졌다. 차단방역(Biosecurity)의 개념과 실천은 새우 산업에 바이러스성 질병 발병의 영향을 최소화할 것이다.

차단방역(Biosecurity)라는 용어는 양식에 있어 새로운 것이다. 이는 “병충해 예방을 위해 산란 시설, 부화장 및 양식장, 또는 전체 지역 또는 국가에서 양식된 수생 생물에서 특정 병원균을 배제하는 관행”으로 정의된다(Lightner, 2003). More and Frelier (2003) 질병 예방을 위한 수단에 대한 요약에서 더 많은 것을 요약하면 다음과 같다: “물 교환은 바이러스 질환이 있을 때 질병 발생 위험이 높으며 흰 반점 증후군 바이러스 (WSSV)가 존재하고 질병 확률이 높으면 물을 교환해서는 안된다. 가능하다면 최초 60 일 동안 제로 물 교환을 실시하는 것이 권장되며 호소 시스템을 통한 개방 수류는 권장되지 않는다. “

바이오플록 기술은 물을 교환하지 않거나 양식지 내(예: 재순환 저장소)에서 물을 재 사용하거나 또는 철저한 여과를 거친 물을 가져오는 방식으로 최소한의 교환을 사용하여 차단방역 방법으로 새우 또는 어류를 양식하는 실용적이고 이용 가능한 방법 중 하나이다. 질병 유입이 의심되는 모든 경우에, 양식을 시작하기 전에 호지로 유입되는 물은 양식지 혹은 급수 저장소에서 멸균해야 한다.

BFT 시스템을 사용하여 생물 보안성을 확보한 성공 사례에 대한 여러 보고서가 있다. 벨리즈 양식 (BAL) 농장에 관한 것은 다른 장에서 자세히 설명될 것이다(13장). 양식장이 바다에서 멀리 떨어져 있어 병원균의 부수적인 침입이 최소화된다. 물은 바다에서 저수지로 펌핑되어 살균되고 나중에 생산 호지로 옮겨졌다. 호지에서 배수된 물은 침전지로 펌핑되어 필요에 따라 호소를 다시 채우기 위해 사용되었다. 사실상 완벽한 폐쇄 시스템이 달성되어 병원균의 유입 가능성을 최소화했다. 이것은, 감염된 동물이나 사료를 엄격하게 회피하는 것을 포함, 오랜 기간 동안 질병의 발생이 없는 농장의 운영을 가능하게 했다.

차단방역 효과 이외에 BFT는 새우 또는 어류의 질병에 대한 면역력을 높여준다. 바이러스성 질병으로 고통받고 있던 파나마 지역에서 건설되고 운영되는 양식장에 대해 Manuel Grillo와 동료들(2000)이 연구했다. 파나마의 새우 산업은 WSSV에 의해 심각한 영향을 받아 낮은 새우 생존율로 양식장들이 붕괴 일로에 있었다. 제로 교환 시스템을 사용하는 다른 접근법이 설계되었다. 물을 펌핑하고 스크린하여 일련의 저수지로 보냈다. 양식지는 20개로, 각 4000 m², 로 구성되어 있고 폭기 강도는 20 hp/ha였다. 사료는 지역 사료 펠렛 (25 % 단백질)을 사용하였다. 평균 118 일간의 양식 기간을 거친 후 수확 시 생존율은 약 80 % 였고 평균 생산량은 4,941kg/ha로 다른 지역의 양식장들에 비해 우수하다고 평가되었다. 저자들의 결론은 “WSSV풍토병이 있는 파나마 지역에서 새우를 상업적으로 양식할 수 있다”는 것이었다.

바이러스성 질환과 환경 조건이 악화된 지역에서 좋은 생존과 생산을 달성한 사례는 인도네시아의 새우 양식장 관리자 Ninuk Sri Maharti의 서신과 보고에 의해 제공된다. 새우 생존과 관련된 메시지는 “생존율은 75 %이고 사료 전환율은 1.4이다. 우리는 낮은 C/N 비율로 인해 양식 호지에서 바이오플록을 유지하는데 성공하진 못했지만, (11-19 톤/ha)은 바이러스성 질병의 발발, 수질 및 환경 품질의 악화 등으로 인해 현재 대부분의 새우 양식업자들이 우리 나라의 새우 양식에 실패했다는 것을 고려하면 그리 나쁘지 않다. 폐쇄형 시스템 (BFT를 구현의 일부로 포함)은 현재 우리 나라에서 새우 양식에 있어 가장 유망한 선택 사항 중 하나이다. “

말레이지아에 있는 대규모 새우 양식장에서 장기간에 걸쳐 얻어진 결과에 관한 Nyan Taw의 몇몇 자료에서 더 많은 증거들이 보고되었다.

새우 및 어류 질병 예방에 대한 바이오플록 및 이와 유사한 시스템의 영향에 대한 철저한 검토와 논의가 2013 년 12 월 9 일부터 10 일까지 베트남 호치민시에서 열리는 워크샵에서 수행되었다. 워크샵은 EMS에 의해 상업적 새우 양식장들이 심각한 경제적 피해를 입었으며 바이오플록 기술을 이용하여 이 질병 및 다른 질병을 통제할 수 있다는 증거에 의해 동기부여가 되었다.

바이오플록이 면역 메커니즘에 미치는 영향

많은 경험적 관찰을 통해 새우 질병을 억제하는데 바이오플록 시스템의 효과가 입증됐다. 그러나 객관적이고 재현 가능한 과학적 연구에 의해 그러한 관찰을 증명하는 것은 필수적이다.

면역계는 유기체를 감염으로부터 보호한다. 병원균이 유기체를 침범하면 선천성 면역계는 즉각적이고 구체적인 반응을 보이지 않는다. 선천적 면역 체계는 모든 동물에서 발견된다. 병원체가 선천적 면역계를 뚫고 성공적으로 침투하면, 척추동물은 두 번째 보호층으로 보호하는 데, 이는 선천 면역계에 의해 활성화되는 적응면역 시스템이라 한다. 여기서 면역계는 병원체의 인식을 향상시키기 위해 염증을 통해 반응을 적응시킨다. 이러한 반응을 통해 면역계는 병원균이 제거된 후에도 기억이 유지되어 적응 면역계가 이 병원체에 접할 때마다 더욱 빠르고 강력한 공격을 가능하게 한다. 새우는 타고난 면역 메커니즘을 가지고 있지만 적응 메커니즘과 면역 기억을 가지고 있지 않다.

면역 반응의 중요한 단계는 유기체를 인식하는 것이다. 이것은 미생물 표면에 존재하는 분자를 인식하고 결합하는 패턴 인식 단백질 (pattern recognition proteins) 또는 PRP라고 불리는 단백질군에 의해 매개된다. 갑각류에는 항체가 부족하기 때문에 선천성 면역계에 대한 보다 자세한 연구는 질병 발발을 피할 수 있는 도구가 될 수 있을 것이다.

인천 광역시 수산 연구원에서 맑은 물과 바이오플록에서 자란 새우(PL)의 면역 성분을 비교하였다. 새우 면역체제와 관련하여 prophenoloxidasel (proPO1), prophenoloxidase 2 (proPO2), prophenoloxidase 활성화 효소 (PPAE), serin proteinasel (SP1), masquerade 류 serin proteinase (mas) 및 ras 관련 핵 단백질 (Ran) 병원체에 대한 반응은 바이오플록에서 자라는 새우 PL에서 더 높은 수준으로 발견되었다

BFT 호지에서 자라는 새우는 지속적으로 시스템의 다양한 미생물과 접촉한다. BFT 호지의 박테리아 수는 10⁶ ~ 10⁹ cells/ml이다. 바이오플록은 매우 다양한 생물, 박테리아, 조류, 원생 동물, 동물 플랑크톤 등을 포함하고 있다. 바이오플록 시스템은 1000-2000 개의 다른 종을 함유(Jang 2011)하고 있다는 것을 분자 파이로시퀀싱 기술을 사용하여 발견되었다. 새우가 이 다양한 생물체와 지속적으로 접촉하면 새우의 선천성 면역계 내에서 높은 수준의 활성을 계속 유지하기 때문에 새우가 질병으로부터 보호받게 된다. 바이오플록은 새우에게 패턴 인식 및 비특이적 면역계의 자극과 유지를 유도하는 다른 분자를 제공하는 메커니즘으로 볼 수 있다. 이 분자들은 끊임없이 새우에게 제공되며 새우의 면역력을 높여준다.

유전자 발현은 L. vannamei에서 다른 새우보다 더 큰 것으로 나타났으며, L. vannamei에 의한 바이오플록의 더 나은 섭취와 관련이 있을 것으로 생각된다. 이는 바이오플록을 포획하고 사용할 수 있는 새우의 능력에 영향을 주는 세 번째 발의 형태 차이 때문이다. 줄리 에카사리 (Julie Ekasari)와 동료 연구원은 페놀옥시다제 활성이 여러가지 유기탄소원 (당밀, 타피오카, 타피오카 부산물 및 쌀겨) 부하에 따라 증가한다고 보고했다. 바이오플록은 탄소원에 관계없이 IMNV 공격에 흰 다리 새우의 면역 반응과 생존율을 향상시키는 데 기여했다.

 

균형 잡힌 다양한 호소 환경의 중요성

Victory Alday-Sanz가 검토한 바이오플록 및 질병 워크샵에서 강의, 토론에서 질병을, 특히 EMS, 최소화하기위해 균형 잡히고 다양하고 성숙한 호소 환경의 중요성에 대한 명확한 합의가 이루어졌다. De Schryver와 동료들에 의해 미생물 생태계 고려 사항에 근거한 동일한 결론이 최근에 제기되었다

EMS/AHPND의 원인 인자는 박테리아, 아마도 Harveyi clade에 속하는 병원성 비브리오, 아마도 Vibrio parahaemolyticus 일 수 있다. Leminescent vibriosis와 EMS/AHPND는 양식 호지에 새우 유생(PL)을 입식 한 후 처음 10-45 일 동안 주로 발생한다.

이것은 이 병원균들이 경쟁이 없고 영양이 풍부한 시스템에서 빠르게 발전하는 기회주의 박테리아 그룹이라는 것을 나타낸다. 따라서 병원균을 없애기 위해 살균 처리된 새로운 호지에서 오히려 더 잘 번식한다. 이러한 환경이 병원균 박테리아 개체군이 성장하기 위한 이상적인 조건이다. 그들은 미생물이 성숙된 물에서 이 이점을 상실한다. 물의 미생물 성숙도는 r/K 선택의 생태학적 이론에 기초하여 기술될 수 있다. 성숙된 물이라 함은 영양분이 풍부하지 않아도 성장할 수 있는 미생물, K 족, 이 우점하고 있는 상태의 물을 의미한다. 비브리오 병원균같이 영양이 충분하고 경쟁이 없는 환경에서 빠르게 성장하는 미생물, r족을 제어하기 위해서는 영양분을 줄여야 한다. 따라서 새우 양식 체계에서의 K 환경 선택은 EMS/AHPND를 일으키는 비브리오의 증식을 피할 수 있게 한다.

물벼룩등 요각류가 많은 호소에서는 EMS/AHPND가 덜 유행한다는 보고가 있다. 물벼룩의 존재는 먹이로 일정량의 식물성 플랑크톤과 박테리아가 필요하기 때문에 자연적으로 성숙한/안정적인 생태계의 지표이다. 바이오플록 시스템 (사료 경쟁을 유발하는 10⁶ 종 이상의 종속 영양 세균이 있음), 녹색 물 또는 틸라피아와의 공동 배양에서도 마찬가지이다.

 

수질의 안정성

수질의 변화, 특히 급격한 변화가 새우 및 어류에게 잠재적으로 스트레스를 유발한다고 추정된다. 이러한 피해를 방지하기 위해 우리는 점진적이고 느린 적응 과정없이 새우를 해수에서 담수로 옮기지 않으며, 다른 변수에 대해서도 느린 적응기간이 필요하다. 스트레스는 질병 원인에 대한 유기체의 저항력에 영향을 줌으로써 질병 발생의 원인이 된다. (예: 사람들도 급격한 온도 변화에 노출되면 독감에 걸리기 쉽다.)

 

수질의 안정성은 질병 발생의 위험을 낮추는 중요한 요소로 간주된다.

그림 4.1과 4.2에 제시된 자료(Nyan Taw, 2005)는 기존의 조류가 서식하는 호지와 비교하여 바이오플록 새우 호지의 수질 안정성을 입증한다. 바이오플록 시스템의 산소농도 (DO)는 양식을 시작하는 날부터, 낮과 밤에도 일정하다. 재래식 호지의 산소 농도는 낮과 밤 주기에 따라 4에서 12 mgO₂/l의 범위에서 급격히 변한다. 이러한 호지의 새우는 불과 몇시간 내에도 과포화 산소농도 조건에서부터 산소가 거의 없는 저농도 상태까지 경험하는 스트레스에 직면한다. 10 장에서 볼 수 있듯이, 기존의 혼합되지 않은 호지는 일반적으로 표층의 초산소 포화도에서 최하층의 거의 무산소 상태까지의 수직 변동성을 가지고 있다. 이러한 급격한 변동은 혼합 호지에서는 방지된다. 호소의 pH와 관련하여 유사한 화학적 불안정성이 그림 4.2에 나와있다.

바이오플록에서는 pH의 변동이 거의 없는 반면 전통적인 호소의 pH는 하루동안에도 1 단위(H⁺ 농도기준 10배 차이)씩 변화된다.

수질 안정성은 아마도 바이오플록 시스템의 스트레스와 질병 발생을 낮추는데 기여할 것이다.

특정 생체 성분이 질병 억제에 미치는 영향

양식에서 질병 예방에 대한 BFT의 영향을 예측하고 통제하는 것은 최근에 시작된 연구 주제이다. De Schryver와 동료들(2008)은 바이오플록 기술의 몇 가지 기본 특징을 검토했다(15장 참조). 그들은 바이오플록이 수질 제어 및 사료 공급 이외에 다른 측면에서 양식에 도움이 될 수 있지만 병원성 질병에 대한 생물 조절제 역할도 할 수 있다고 언급했다. 질병 통제를 위한 한 가지 메커니즘은 저분자 지방산 (SCFA)의 생산이다. 이러한 산 (butyric, formic, acetic, propionic 또는 valeric acids)을 알테미아 배양수에 첨가하면 병원성 Vibrio campbellii(Defroit et al., 2006)에 대해 이들 유기체가 보호된다. Poly-b-hydroxy butyrate (PHB)는 비브리오 감염에 대해 유사한 효과를 나타낸다. 바이오플록에서의 PHB의 축적은 과도한 탄소 (높은 C/N 비)의 조건 하에서 유도될 수 있으며 따라서 양식에 프로바이오틱 효과를 제공한다.

Sinha와 동료들(2008)은 양식 및 국가에서 항염증제로서의 바이오플록의 잠재적 사용을 재검토했다. “이는 바이오플록이 항생제, 프로바이오틱과 프리바이오틱 응용 분야와 같은 기존 접근법과 달리 장기간에 걸쳐 질병 관리를 위한 새로운 전략이 될 수 있음을 시사한다”.

이러한 작업은 양식에서 질병을 근절시키기 위해 바이오플록을 사용하는 흥미 진진한 분야의 시작일뿐이다.

틸아피아의 연쇄상구균(Streptococcus) 질병에 대한 바이오플록의 영향

틸라피아 양식의 전 지구적 문제 중 하나는 연쇄상구균(Streptococcus iniae)에 의한 어류의 감염으로 이는 서서히 자라며 결국 물고기를 죽음에 이르게 하여 종종 폐사율을 30 %에 이르게 한다. 이스라엘의 연쇄상구균 감염으로 인한 손실은 전체 예상 생산량 중 30 % (틸라피아)와 50 % (송어)에 달한다.

바이오플록 기술은 이전 장에서 설명한대로 틸라피아의 밀식 생산을 지원하는 데 사용할 수 있다. 일부 현장 관찰에 의하면 바이오플록 양식지에서의 연쇄상구균 감염과 어류 사망률은 거의 발생하지 않은 것으로 나타났다.

연쇄상구균에 의한 틸라피아 감염에 대한 바이오플록 기술의 효과는 이스라엘 갈릴리 해 (Sea of ​​Galilee)에 위치한 Genosar Intensive Fish-Culture Experimental Station에서 연구되었다(Avnimelech and Bejerano). 실험은 2 m³ 탱크에서 수행되었다. 물의 폭기 및 혼합은 엘보 (elbow)가 장착된 각 탱크에 배치된 에어 리프트를 사용하여 원형의 물 운동을 생성함으로써 달성되었다. 탱크 하단에 배플을 설치하여 중앙에 위치한 배출구쪽으로 무거운 입자가 모이도록 유도하여 하루 2 회 수행되는 슬러지의 효율적인 배출이 가능하게 했다.

탱크에는 평균 체중이 66g짜리 200 마리의 물고기, 즉 총 13.2kg/탱크, 6.1kg/m³, 가 입식 되었다. 어류 체중의 2 %의 일일 비율로 25 % 단백질 함량의 펠렛사료를 먹였다.

두 가지 양식법이 테스트되었다. 종래의 높은 물 교환법 양식, 물고기 1kg 당 0.5ℓ/분 (즉, 일일 물 교환 약 700 %)의 물 교환을 사용하여 대조군 처리에서 실시되었다. 바이오플록 처리는 일일 물 교환량이 10 %로 제한되었다. 각각의 실험은 4 번 반복되었다. 높은 밀도의 바이오플록을 형성시키기 위해 3주간의 물 만들기 전처리 기간이 필요했다. 총 박테리아 수는 대조구에서 약 10⁵/ml이었고 바이오플록에서는 10⁶-10⁷/ml이었다. 우발적인 어류 사망률을 방지하고 탱크 당 200의 미리 결정된 어류 개체군을 유지하기 위해 전처리 기간 후에 어류를 첨가했다.

전처리 기간이 끝날 때 연쇄상구균 현탁액 (5×10⁴ 박테리아 /ml) 0.2ml를 주사하여 50 마리의 물고기에 감염시켰다. 감염된 물고기를 탱크에 넣고 20 일간 실험 관찰하였다. 두 종류의 감염이 발생할 수 있다: 주사 맞은 물고기의 직접적인 감염과 감염된 물고기에서 풀어 놓인 박테리아에 의해 유도된 간접적인 감염이다.

감염된 물고기는 청색 점과 잘린 꼬리로 표식 되었고, 건강하고, 아프거나, 죽은 것으로 별도로 계산되었다. 감염된 물고기 50 마리 중 20 일간의 실험 기간이 끝났을 때 대조구와 바이오플록 처리구에서 각각 19 ± 4 건과 13 ± 3 건의 건강한 어류가 발견되었으며, 처리 간에는 통계적으로 특별한 차이가 없었다.

실험 기간이 끝날 무렵 감염되지 않은 물고기를 계산하여 죽거나, 아프거나, 건강한 물고기로 분류했다(표11.1). 바이오플록에서 병이 들거나 사망 한 어류의 평균 수는 3 ± 1로 대조구에서 11 ± 5에 비해 매우 유의한 차이가 있었다. 간접 감염은 맑은 물 시스템에 비해 바이오플록 시스템의 경우에 현저히 낮음을 보여주었다. 직관적으로는 10%의 물만 교환하는 바이오플록보다 집중적인 물 교환(하루에 7 번 물을 교환하는 물)과 병원균을 방출시키는 맑은 물 수조에서 더 감염이 적을 것이라 생각 할 수 있다. 결과는 이 직관적 추측과는 분명히 다르다.  바이오플록 시스템에서 죽은 물고기 및 병든 물고기의 수는 맑은 물 탱크에서 찾아낸 것의 대략 1/4이었다.

프로바이오틱스는 일반적으로 장내 균형을 개선하여 숙주 동물에게 유익한 영향을 미치는 살아있는 미생물 사료 보충제로 정의된다(Fuller, 1989). 육상 동물과 관련이 있는 이 정의는 수생 시스템에서 만족스럽지 않은 것으로 보인다. 양식 체계에서는 물 자체가 부분적으로 반추 동물의 반추위와 비슷한 방식으로 음식의 영양분 재생 과정을 제공한다. 10⁶-10⁹ /ml 정도의 고밀도의 박테리아가 물고기를 감싸고 잠재적으로 물고기와 상호 작용한다.

프로바이오틱스의 다른 작용이 문헌에 제시되어 있다(Verschure et al., 2000; Farazanfar, 2006). 가능한 메커니즘 중에는 수질, 병원균에 대한 길항 작용, 숙주내 유착 부위에 대한 경쟁 또는 숙주 생리 조건에 대한 긍정적 효과에 대한 프로바이오틱스의 영향이 있다. 여기에 설명된 효과는 여러가지 메커니즘으로 인해 발생할 수 있다. 밀도가 높은 종속영양 미생물군 (10⁶-10⁷ 박테리아 /ml)이 아프거나 죽어가는 물고기에 의해 물에 방출된 기회주의 병원균과 경쟁할 수 있다. 다른 가능성은 미생물간의 공간에 대한 경쟁, 압도적인 종속영양 개체군에 의한 공간 점령 또는 바이오플록에 의한 어류의 건강과 활력에 증진의 긍정적 효과에서 기인할 수도 있다.

실용적인 응용 및 팁

양식자들은 바이오플록 시스템이 새우와 어류의 질병 발생을 예방하거나 완화시킨다는 사실을 알아 냈다. 통제된 과학 연구는 그러한 질병에 영향을 주는 메커니즘을 확인하였고 제안하였다. 다음과 같은 메커니즘이 확인되었다.

1. 차단 방역을 위해 가능한 한 물 교환을 최소화해야 한다.

2. 바이오플락의 다양한 미생물군이 새우의 변역체계를 강화시킨다.

3. 안정적이고 성숙된 양식 환경이 병원균의 번식을 막는 데 도움이 된다.

4. 바이오플록 시스템의 적은 수질 변동이 새우와 어류에 스트레스를 줄인다.

5. 몇 가지 특정 생물학적 제제가 질병 예방 또는 완화제로 확인되었다.

 

호지 건설

개요

BFT 호지는 호소 전체 (면적/깊이)에 걸쳐 폭기 및 혼합이 가능하도록 설계 및 제작되어야 한다. 고전적인 디자인은 방사형 물 흐름을 유도하는 폭기 장치를 갖는 원형 호지 또는 물 흐름이 배수로와 평행하고 거의 방사형 물 흐름을 갖는 정사각형 혹은 직사각형 형태의 호지로 건설한다. 이 경우에는 모서리를 둥글게 잘라 물 흐름이 원할하여 정체 영역이 없도록 한다. 다른 접근법은 물의 흐름이 호지의 주변을 따라 돌도록 단단한 또는 느슨한 칸막이를 중간 중간 설치하는 것이다.

호지는 제방이 유실되는 것을 방지하고, 물의 완전한 배수가 가능하고, 슬러지 축적 영역을 최소화하고, 슬러지의 배수를 용이하게 할 수 있도록 건설되어야 한다. 호지를 라이닝하는 것이 좋다. 호지는 플라스틱 또는 단단한 고체 물질로 라이닝 되어야 한다. 배수 및 수확 개구는 저지대에 건설되고 물의 흐름과 조화를 이루어야 한다 (Boyd 1955; Fast and Lester, 1999).

밀식 BFT 호지는 호지의 모든 부분에 적절한 폭기를 제공하고, 혐기성 슬러지 축적을 최소화하기 위해 물을 혼합하고, 생산과 생산 주기 사이에 슬러지의 주기적인 배출을 가능하게 할 필요성을 염두에 두고 계획되어야 한다. 또한, 설계는 효율적인 수확과 사료 급이를 쉽게 할 수 있도록 해야 한다. 그 밖에 양식 호지 설계의 일반적인 규칙과 요구사항을 BFT 시스템을 설계할 때도 따라야 한다.

밀식 호지는 너무 크지 않아야 한다. 호지의 바이오매스가 많기 때문에 물이 많으면 통제하기가 어렵고 너무 높은 바이오매스를 수확하는 것이 복잡하고 너무 큰 호지에 밀집된 어류나 새우는 위험부담이 너무 클 수 있다. 대규모 밀식 호지에서 문제가 발생하면 손실 위험이 매우 높다. 전형적인 호지의 크기 범위는 일반적으로 100-20,000 m² (0.01-2 헥타르)이다. 집약적인 BFT 어류 호지의 일반적인 크기는 100 – 1,000 m²이며 집약적인 BFT 새우 양식장의 전형적인 크기는 1,000 – 20,000 m² (0.1-2 ha)이다. 호지의 깊이는 1~2m이다. 깊은 호지의 장점은 열 보존 능력이 높기 때문에 일주기 동안 과열이나 과냉을 피할 수 있다. 또한 수심이 깊은 호지에서는 표층의 물이 바닥의 혐기성 조건과 접촉을 최소화하고 급이 및 생물학적 처리를 위해 더 깊은 수층을 허용한다. 그러나 더 깊은 호지를 건설하기 위해서는 더 많은 투자가 필요하며, 배수로의 구배가 높은 경우 배수 및 수확이 더 어려워진다.

일반적으로 BFT 호지는 방수 라이닝이 되어 있다. 호지 내에서 상대적으로 빠른 물 운동 (10-30cm/sec)은 토양의 심각한 침식을 유발할 수 있다. 보이드(Boyd)와 다른 연구자들(Boyd, 1995)은 그러한 침식된 물질이 축적된 슬러지의 상당 부분을 구성하고 호지 유지 관리에 어려움을 초래한다는 것을 발견했다. Avnimelech와 동료 연구자들(1986)은 부드러운 점토가 지배적인 호지 바닥은 점토와 유기 물질의 혼합과 깊은 바닥층으로의 매우 제한된 산소 확산으로 인해 심한 혐기성이 된다는 것을 발견했다. 라이닝의 또 다른 장점은 사이클 사이의 호지 바닥 청소가 쉽고 바닥에 가라 앉는 사료 잔여 물을 더 효율적으로 혼합 및 활용할 수 있다는 점이다. 호지 바닥에 축적되는 유기물질의 성질이 라이닝 바닥과 흙 바닥 사이에 다르다는 점이 흥미롭고 중요하다. 토양 호지에서는 유기잔류물이 토양과 섞여서 다소 안정적인 복합체를 형성하는 반면, 라이닝 바닥에서 유기물은 분해가 빠르고 불안정하며 민감한 생물 반응성을 가진다. 이 차이는 호지 관리에 영향을 미친다. 토양 호지에서 유기물질은 몇 생산 주기에 걸쳐 축적되며 주기적으로 제거되어야 한다. 라이닝 호지의 경우, 유기물이 축적되어서는 안되며, 높은 반응성으로 인해 호지의 화학적 및 생물학적 과정에 활발한 영향을 미치고 실제 문제를 일으킬 수 있다. 흙과 라이닝으로 만들어진 호지의 차이점에 대한 아주 명확한 예가 다음의 인(P)의 상호 작용에 의해 입증된다. 흙 호지에서, 수용성 인은 토양 성분과 상호 작용하며, 대체로 흡착된다. 라이닝 호지에서는 이러한 상호 작용이 일어나지 않으며 과도한 인의 대부분이 물속의 수용성 인으로 남아있다(Avnimelech and Ritvo, 2003).

호지의 라이닝은 대개 약 1 mm(30~40 mil)의 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE) 시트로 한다. 더 싼 대안은 압축된 라테라이트 토양 (또는 라테라이트 돌가루)으로 호지 바닥을 건설할 수 있다. 라테라이트 (Laterite)는 열대 지방에서 흔히 볼 수 있는 붉은 토양으로 압축시 안정적인 호지 바닥을 만든다. 그러나 이 경우 제방은 침식을 방지하기 위해 플라스틱 시트로 덮여야 한다. 또 다른 가능성은 호지를 토양 시멘트 혼합물로 라이닝 하는 것이다. 시멘트를 토양의 최상층과 혼합하여 안정적인 라이닝을 얻을 수 있다. 바닥은 배수 및 청소를 쉽게 하기 위해 매끄러워야 한다.

대부분의 BFT 호지 설계는 방사선 방향의 폭기에 기초한다. 대부분의 경우 원형 호지로 운영되며, 배수로와 평행하게 위치된 폭기기에 의해 방사형 물 흐름 패턴을 이룬다. 부화장 및 일부 생산 단위에 가장 많이 사용되는 형식이 원형호지이다 (그림 12.1).

크기가 더 큰 원형 호지를 짓는 것은 더 어렵다. 직사각형 또는 비슷한 디자인이 더 일반적이다. 대부분의 경우 이러한 유형의 호지 모서리는 둥글거나 매끄럽게 되어 있어 물의 흐름이 방해받지 않게 하고 폭기가 제한되는 지역을 최소한다 (그림 12.2).

폭기 장치의 배치는 원형 호지와 비슷한데, 대부분 원형 또는 타원형의 흐름 패턴을 만든다. 물의 흐름을 몇몇 폭기장치는 코너 쪽으로 다른 몇몇은 중앙 쪽으로 방향을 약간씩 틀어주는 것도 좋다.  일부는 전통적인 방사형 흐름과는 달리 중간 중간 물 흐름을 중앙으로 보내 물의 난류 흐름을 생성하는 경우도 있다 (10장에서 계속 논의).

또 다른 BFT 시스템 설계는 폐쇄형 레이스 웨이 접근법이다. 폐쇄형 레이스 웨이(그림 12.3(a), 12.3(b))는 물의 흐름이 방사형이 아니고 직선형이다.

호주 북쪽지방에 위치한 Adam Body 양식장에서는 폐쇄형 레이스 웨이 BFT 방식을 이용하여 새우를 양식했다. 이 양식장은 길이가 500m이고 폭이 약 25m였다.

폐쇄형 레이스웨이는 콘트리트를 이용하여 벽과 흐름 구획을 건설하는 것으로 만들 수 있다.  기존의 직사각형 호지에 가운데 파티션을 만들어 쉽고 저렴하게 만들 수도 있다. 파티션 사이의 물은 같은 수위를 가져야 하며 두 면이 완벽하게 밀봉 분리될 필요는 없다. 따라서, 기둥에 의해 지지되는 단순한 플라스틱 시트로 파티션을 만들 수도 있다. 폭기 방향은 레이스웨이와 평행하게 설치한다. 슬러지는 파이션이 끝나는 지점 물이 돌아가는 지점에 상대적으로 정체된 지역에 축적되는 경향이 있다. 레이스웨이에서 물의 직선형 흐름은 양식장을 길게 건설하는 것을 가능하게 한다. 양식장의 길이는 양식장을 따라 충분한 폭기를 할 수 있는 한 길게 할 수 있다. (그리고 모든 호지의 길이가 배수구 쪽으로 기울어 질 수 있는 한). 양식장의 폭은 매끄러운 물의 흐름과 접근이 용이하도록 해야 한다. 약 10-30m의 너비가 적절한 것으로 보인다.

호주의 아담 바디 (Adam Body) 양식장(그림 12.3 b)은 길이 500m, 폭 50m의 2.5ha 새우 양식장 4 곳을 운영했다 (Chamberlain, 2000). 호지는 흙으로 만든 배플로 약 25m 넓이의 2 개의 궤도로 나누어 졌다. 호지에는 4 개의 수차가 설치되었다. 이러한 호지에는 많은 이점이 있으며 상대적으로 저렴하고 단순 보인다. 그러나 폐쇄형 레이스 웨이 BFT를 계획하고 운영하는 데는 더 많은 경험이 필요하다.

새롭고 흥미로운 접근법은 그림 12.4와 같이 미리 제작된 호지를 설치하는 것이다. 이러한 호지는 현재 멕시코와 콜롬비아 모두에서 생산되고 있으며 (아마도 다른 곳에서도 가능할 것이다) 비교적 저렴하고 며칠 내에 설치할 수 있다. 호지 (탱크)는 비교적 작고 (최대 약 150m²) 개별 농장에서 시제품으로 사용될 수 있다. 이러한 호지는 고밀도 어류 (신선한 새우를 제공하기 위한 특수한 경우)의 생산에 적합하며 쉽게 비닐하우스에 놓을 수 있다.

유기잔류물은 항상 생성되며 바닥 슬러지로서 축적되는 것은 피할 수 없는 문제이다. 이 문제에 대한 기본 해결책은 호지 (슬러지 트랩)의 특정 지점에 슬러지를 집중시키고 생산주기 및 사이클 사이에 슬러지를 배출할 수 있도록 설계하는 것이다.

방사형 흐름 호지 (원형, 사각형, 직사각형)는 호지의 중심에서 슬러지를 수집하는 경향이 있다. 중심에 슬러지를 집중시키는 것을 돕기 위해 호지의 중심은 호지의 가장 깊은 부분이어야 하고 호지는 중심 쪽으로 경사져 있어야 한다. BFT 호지를 운영 할 때, 두 가지 상반된 목표를 염두에 두어야 한다. 하나는, 슬러지를 배출 가능한 작은 영역에 집중시키는 것이고, 다른 하나는 호지에서 충분히 높은 활성 현탁액을 유지하는 것이다(수 백 mg/l 정도). 중앙에 너무 많은 유기 잔류물을 남기지 않고 충분한 활성슬러지를 유지하려면 중앙 영역으로 약간의 물을 끌어와 침전된 입자를 다시 현탁 시킬 필요가 있다. 이 흐름 패턴은 가벼운 입자를 재 부유시키고 무거운 입자는 가라앉은 채 있게 하는 역할을 한다. 재 부유된 유기입자는 호지 바닥에서 분리되어 호기성 수층으로 향하게 된다. 재 부유시키는 방법으로는 호지 중앙에 Aspirating aerator를 설치하거나, 에어리프트 펌프 혹은 상향류 폭기장치를 설치하는 방법이 있고 또한 수차의 방향을 약간 중앙 쪽으로 틀어서 난류를 발생시키는 방법이 있다. 호지의 배수구는 중앙의 바닥에 위치한다 (그림 12.5, 12.6).

자체 정화 메커니즘을 갖는 방사형 흐름의 호지와는 달리, 레이스 웨이 흐름은 슬러지를 호지의 특정 지점으로 유도하지 않는다. 폐쇄형 레이스웨이에서 슬러지의 축적을 제어하는 ​​것은 슬러지 수집 구덩이 역할을 하는 함몰 지역을 건설함으로써 달성될 수 있다. 레이스 웨이의 끝부분이 이러한 구덩이 배치에 적합한 지역이라 할 수 있다.  양식지는 수확 및 호지 바닥 청소를 용이하게 하기 위해 이 구덩이 쪽으로 기울어져 있어야 한다. 더 많은 경험과 더 나은 설계 인자가 필요하다.

BFT 양식지의 성공적인 운영을 위해 많은 종류의 액세서리가 필요하다. 밀식호지에는 많은 양의 어류가 있기 때문에 강한 폭기가 필요하다. 폭기 시스템이 잘못되면 양식지 전체 혹은 농장 전체에 완전 실패를 가져다줄 수도 있다. 따라서, 폭기 시스템의 안전한 작동이 필수적이다.  이를 위해서는 신뢰할 수 있는 전기 공급이 필수적이고 그 외 발전기 및 각종 부품이 여분으로 구비되어 있어야 한다. 그 외에도 비상용 폭기장치와 부품도 준비되어 있어야 한다.  밤과 주말에 일 할 인원 배치뿐만 아니라 경보 시스템 및/또는 백업 시스템으로의 자동 전환 장치 등이 지속 가능한 집약 시스템에서 필수적인 요소이다.

수확은 생산 과정의 절정이다. 제대로 수행되지 않으면 이 과정에서 망칠 수 있다. 가능한 어류와 새우의 수확을 위한 채취장이 있는 것이 바람직하며, 어류을 최대한 빨리 이 곳으로 옮겨야 한다. 새우의 빠른 냉각과 처리를 위한 적절한 시설과 절차가 필요하다. 이러한 모든 배치는 양식장 계획 및 설계의 중요한 부분이다.

배수 및 슬러지 수집은 호지 운영의 중요한 부분이다. 수확 전과 수확 중 호지의 배수는 신속히 이루어져야 한다. 물이 막히지 않고 효과적으로 배출되게 하기 위해 수위 구배와 적절한 파이프 /물 통로가 막히지 않아야 한다. 많은 양식장에서 배수로의 수위가 너무 높다는 것을 알 수 있었다. 특히 호지에서 빠른 배수가 필요할 때 배수로의 위치가 너무 높으면 어려워진다. 최종 배출구를 향한 배수로의 적절한 경사 및 물 배출 능력을 계획 과정에 포함시켜야 한다. 효율적인 호지 작업을 위해서는 1 ~ 2 일 안에 배수가 완료되어야 하며 호지의 모든 물은 물 웅덩이와 같은 잔재물을 남기지 않고 배수되어야 한다는 점을 강조해야 한다. 완전한 배수는 BFT 호지에서 더욱 중요한데, 이는 호지 바닥의 공기와의 접촉과 건조가 특히 필수적이기 때문이다.

최종 배출수 및 슬러지 처리 방법은 중요한 문제이다. 이에 대한 환경 문제는 별도로 논의될 것이다(17장). 농장에 위치한 재활용 저장소로 배출된 물을 이송하는 것이 유리하지만, 농업용 관개 용수 또는 수경재배(Diver, 2006, Bernstein 2012)에 배출수를 사용할 수도 있다. 슬러지의 처리 및 재사용은 매우 중요한 문제이며 더 많은 연구와 현장 경험이 필요하다. 슬러지의 영양 가치를 이용할 수 있는 방법으로는 밀식 BFT 호지의 슬러지를 재래식 넓은 호지에 투입하는 방법이 있고, 가공하여 사료 보충제로 만드는 것이 있다(Diab 와 동료들, 1992)(8장; Schneider et a., 2006). 슬러지는 제방을 건설하거나 토양 개량제로 사용될 수 있다. 이 방법은 소금기가 없은 담수 슬러지에 국한된다. 소금기가 있는 슬러지를 육상에 사용하는 것은 많은 문제를 일으킨다. 폐수처리장에서 발생되는 슬러지는 메탄을 생성하기 위해 혐기성 발효되거나 소각된다. 이러한 해결책은 상당히 고비용이기 때문에, 슬러지 누적을 최소화하는 방법을 찾게 된다. 제 17 장에서 논의된 바와 같이, 환경 규제는 점점 더 심해지고 그 규제를 따르는데 필요한 비용은 시간이 지남에 따라 증가하고 있다. 따라서 슬러지를 비롯하여 오염 물질을 최소화하는 양식호지 개발은 우리에게 당면한 중대한 과제이다.

밀식 양식 호지의 건설 및 운영은 비교적 비용이 적게 드는 BFT 호지의 경우에도 비용이 많이 드는 작업이다. 투자를 정당화하기 위해, 호지는 최대로 또는 가능한 한 많이 사용되어야 한다. 양식 호지의 전통적인 운영은 작은 크기의 어류/새우를 입식시켜 팔 수 있는 크기로 키우는 것이다.  이 양식호지는 물고기가 팔 수 있는 크기에 도달했을 때 만 전체 용량을 다 사용한다고 할 수 있다. 그러나, 그 전에는 호지의 용량보다 훨씬 적은 부분만 사용되고 있는 것이다. 이상적으로는, 크기가 다른 일련의 호지로 나누어, 작은 호지에는 작은 물고기를 입식시켜 양식하고, 나중에, 작은 호지가 수용량에 도달하면, 더 큰 호지로 옮기고, 작은 호지는 새로 입식하는 것이 좋다. 호지 시스템의 이용을 극대화하기위한 실용적인 방법으로 2-4 번의 이동을 고려하는 것이 좋다. 이러한 접근법을 용이하게하기 위해 스트레스를 가하지 않고 최소한의 노동으로 물과 동물을 다음 단계로 옮길 수 있는 통로를 계획하는 것이 좋다. 확실하고 적용 가능한 시스템 중 하나는 생산 호지의 상류에 있는 제방에 새우 육성 탱크를 건설하는 것이다. (육성탱크가 비닐하우스 내에 있는 경우 이른 봄부터 육성을 시작하여 육성기간을 보다 길게 가져갈 수도 있다.) 위에서 언급한 접근법의 정확한 사용법은 현지 조건 및 농장의 사업 계획에 따라 다를 것이다. 이러한 아이디어를 일상적으로 실천하기 위해서는 더 많은 상상력, 연구 및 경험이 필요하다. 부분 수확(13장 참조)은 호지를 더 잘 활용할 수 있는 수단이기도 하다.

추운 지역의 낮은 기온이 생산을 제한할 수 있는데, 플라스틱 커버를 씌우면 수익성이 개선될 수 있다. 작은 온실 (수백 미터)에서부터 큰 호지를 덮는 구조물에 이르기까지 다양한 온실 설계가 가능하다. 강한 바람이 부는 조건에서는 이러한 구조물의 안정성은 문제가 될 수 있으며, 이 때는 견고하고 고비용의 구조를 요구한다. 모든 경우 CO₂ 환기가 가능하고 더 나은 온도 조절이 가능하도록 환기가 필요하다.

밀식 BFT 호지와 관련하여 제기된 문제 중 하나는 조류 성장을 줄이거나 없애기 위한 음영의 필요성이다. 조류의 성장은 호지의 불안정성의 요소로 간주된다. 상대적으로 작은 호지의 경우 불투명 한 (녹색) 플라스틱 시트로 호지를 음영 처리할 수 ​​있다. 이것은 견고한 구조를 필요로 하므로 호지의 비용을 크게 증가시킨다. 추운 계절에는 고온을 유지하기 위해 덮개가 필요한 경우가 있다. 경험에 따르면 밀도가 높은 바이오플록 공동체가 생기면 미생물 현탁액의 강렬한 음영 때문에 조류 활동이 감소한다. 일부 관찰 결과에 따르면 조류가 존재할 때 더 큰 플록이 형성된다고 한다. 현재, 조류 성장을 줄이기 위한 호지의 불투명 덮개 사용의 이점에 대한 명확한 징후는 없다.

실용적인 응용 및 팁

1. BFT 양식호지 적용은 이제 겨우 시작됐다. 검증된 호지 디자인을 따르는게 좋지만 아직, 새로운 아이디어가 많이 필요하다.

2. BFT 호지 계획은 모든 관리 옵션, 특히 강도 높은 폭기 장치, 배수, 수확 및 슬러지 제어를 고려해야 한다.

3. 그 지역에서 겪었던 경험을 토대로 건설될 호지의 양식을 선택하라.

4. 배수 위치로 적당한 기울기를 갖는 것이 필수적이다. 배수로의 불충분한 구배나 수위가 많은 호지 시스템의 고장의 원인이다. 연안 새우 양식 호지는 평균 해수면보다 충분히 높게 (> 2 m) 건설되어야 한다.

5. 슬러지 수집 및 재사용은 중요한 문제이다. 미리 계획하라! 나중으로 작업을 미루지 말라.

연구 과제

BFT 호지의 설계 및 시공은 아직은 큰 틀에서 보면 엄격한 엔지니어링 청사진이 아닌 직관적인 과정이다. BFT 호지의 추가 개발은 그러한 엄격한 계획의 개발을 필요로 한다.

물론, 모든 물고기, 모든 기후 조건 등을 다룰 수 있는 유일한 호지형은 없다. 그러나 이미 실험 됐고, 입증되었으며, 경제적으로 건강한 모델들이 있다.

1. 폭기, 물 혼합 및 슬러지 제어를 최적화하기 위해 적용 가능한 모델을 개발할 필요가 있다. 존 피터슨 (John Peererson, 2000,2001)에 의해 개척 작업이 완성되고 출판되었다. 그러나 더 많은 연구가 뒤따라야 한다.

2. 물고기와 새우의 생산 수확을 위한 채취장소와 메커니즘에 대해 각각 다른 설계 고려 사항이 주어져야 한다.

3. 슬러지 조절은 매우 중요한 설계 문제이다. 더 나은 슬러지 배수, 농축 공정 및 처분 방법이 개발되어야 한다.

 

현장 사례연구

개요

BFT는 과학 소설인가요?

BFT 기술은 재정적으로 지속성을 제공하는 밀식 양식이면서도 병충해로부터 차단방역이 가능하고 환경친화적이기 때문에 세계 곳곳에서 채택되고 있다. 실용적인 경험이 많이 축적되었지만 그 대부분은 미발표이거나 독점적이다. 이 장에서는 틸라피아와 새우 생산에 대한 실질적인 상업적 규모의 경험을 검토한다. 몇 가지 상세한 노하우 및 경제적 정보가 될 것이다. 상업적 규모로 이러한 기술을 더 개발하고 더 발전될 여지는 있지만, 현 단계에도 기술적 및 경제적 측면 모두에서 이 시스템이 실행 가능하고 실용적이라고 결론 내릴 수 있다. 또한 BFT 기반 양식장을 시작하려는 사람이 참고할 수 있는 시스템 개량 및 변경에 대한 예들도 제공될 것이다.

개인적으로 고백하자면, 내가 이 책을 쓰게 된 동기는 전 세계에서 BFT 양식방법에 대해 묻는 너무나 많은 전자 메일이 왔기 때문이었다. 전자 메일로 BFT를 설명하는 것은 어렵다. 이 책이 도움이 되기를 바란다.

약 2 년 동안 계속 질문을 던진 사람들 중 한 명은 인도네시아의 Suri Tani Pemuka 새우 양식장의 Ninuk Sri Maharti이었다. Ninuk Sri Maharti는 계속 질문을 했고, 조언을 해줬다 (그녀의 많은 경험을 덧붙였다). 그녀에겐 여전히 문제가 있긴 하지만 일이 잘 진행되고 있다는 편지를 받는 것이 좋았다. 그녀의 마지막 편지 내용과 양식장 운영에 대한 간단한 보고서를 이 장에 추가하는 것에 대한 양해를 받았다.

이러한 유형의 접촉은 우리가 양식을 함께 발전시키는 데 도움이 되는 중요한 요소이다.

 

틸라피아(Tilapia) 생산을 위한 BFT 사용

Avnimelech와 동료 연구원은 틸라피아를 대상으로 탄수화물 첨가에 대한 반응과 사료 섭취량에 대해 연구했다. Tilapia hybrid (Oreochromis niloticus x Oreochromis aureus)는 50m² 원형호지에서 약 10kg/m²의 밀도로 양식되었다. 단백질 함량 30 % 펠릿사료 (C/N = 11.1, 재래양식 대조구), 단백질 함량 20 %의 저 단백질 사료 (C/N = 16.7, BFT 처리)가 투입되었다. 일일 사료 첨가량은 기존 대조구에서는 어류 체중의 2 %, 미생물 암모니아 전환에 필요한 탄수화물을 충당하기 위해BFT 처리에서는 2.6% BW였다. 이 양식지에서의 실험의 결과는 표 13.1에 나와있다.

20 % 단백질 사료를 준 BFT 처리에서 어류의 성장이 더 좋았으며, 독성 무기질소의 농도가 낮아서 그런 것 같다. 사료 전환율 (FCR)이 낮을 뿐 만 아니라 단백질 전환율 (PCR)은 20% 단백질 사료 처리에서 현저히 감소했다. 많은 연구자들에 의해 통상적인 수치로 보고된 바와 같이, 종래의 30% 단백질 사료가 공급된 양식지에서의 PCR은 4.35-4.38이었는데, 이는 공급 단백질의 23 %만이 물고기에 의해 흡수되었다는 것을 의미한다. 테스트된 BFT 처리에서의 PCR은 2.2-2.4, 즉 단백질 이용률이 2 배 높았다. 단백질 이용이 증가된 이유는 미생물에 의한 단백질의 재활용 때문이다. 단백질은 물고기에 의해 두 번 먹히게 된다고 말할 수 있다. 처음에는 사료에서, 그리고 다시 미생물에 섭취된 단백질을 먹는다. 단백질 재활용 및 이용이 더욱 증가될 수 있다. 단백질이 사료의 고가 성분이기 때문에 사료 가격의 감소가 반영되면 기존 1kg의 물고기를 생산하는데 필요한 0.85 US 달러에서BFT 방식을 이용하면 그 비용이 0.55 US $/kg까지 감소할 수 있다. 이것은 생산 비용의 대폭 절감을 의미한다. 비슷한 결과가 이스라엘의 사막 양식장에서 얻어졌다.

BFT 방식을 이용한 틸라피아 생산이 또 다른 농장에서 실시되었다. 남부 캘리포니아의 태평양 아쿠아 농장(Farrell, 2006)은 콘크리트 구조물 양식장(그림 12.1 참조)에 틸라피아(모잠비크)를 양식했는데, 하나는 물 교환이 많은 재래식 방법으로 다른 하나는 매일 슬러지를 빼내고 물 교환이 5%이내인 BFT 방식으로 운영했다. BFT 호지의 틸라피아 입식 밀도는 약 20 kg/m³이었다. BFT 호지에는 20 % 단백질 사료 펠릿을 공급하였다. TAN 수준이 상승한 경우 옥수수 전분을 적용하여 C/N 비율을 높이고 무기 질소 농도를 조절했다. 평균 일일 물고기 성장은 2.7g(2005년 데이터)이었다. BFT 호지의 생산 경비는 기존의 물 교환이 많은 재래식 호지의 생산 경비에 비해 0.4 US $/kg 낮았다. 이것의 약 50 %는 낮은 사료 비용에서 기인한 것이고 나머지 절반은 알카리 성분인 그 지역 지하수를 중화하는데 필요한 산 첨가량의 절감으로 인한 것이었다. BFT 호지는 추운 계절에 지하수를 열지수 교환의 열원으로 작용할 때 한계가 있다.

바이오플록 기술의 원리는 틸라피아와 새우 양식에서 비슷하다. BFT 호지의 새우 바이오 매스는 약 10~30 톤/ha (1-3 kg/m³)의 범위에 있다. BFT raceways에서 또는 부분적인 수확을 사용함으로써 더 높은 새우 생산량을 얻을 수 있다. BFT 호지에서의 Tilapia 바이오 매스는 일반적인 새우 BFT 호지보다 약 10 배 높은 100-500 톤/ha (10 – 50 kg/m3)이다. 결과적으로 사료 공급량이 다르다; 새우 양식 호지에 대한 일일 사료 공급량은 약 20-60 g/m³에 비해 물고기의 경우에는 약 200 ~ 1,000g/m³ 이다. 이러한 큰 차이는 서로 다른 하위 시스템간에 중요한 차이를 만든다. 물고기 양식장의 경우 사료 투입량이 많아 유기물 부하량이 호지의 수용력보다 훨씬 크다. 따라서, 매일 그리고 때로는 하루에 두 번 과도한 슬러지의 배수가 필요하다. 새우 양식장의 사료 및 유기물 부하량은 훨씬 적으므로 계절이 끝날 때 배수하면 된다 (그러나 생산 끝 무렵에는 자주 배수하는 것이 좋고, 특히 Raceway BFT의 경우에는 잦은 배수가 필요하다).

 

새우 양식을 위한 BFT 실행

벨리즈 아쿠아컬쳐. 많은 사람들이 BFT 시스템을 적용하여 새우를 생산하고 있다. 벨리즈 아쿠아컬쳐(Belize Aquaculture: BAL)는 최초로 대규모 바이오플록 기술(Browdy et al, 2001; Burford et al., 2003; Chamberlain et al., 2001; McIntosh 1999, 201a,b; Rosenberry, 2006)을 개발하고 실행한 대규모 양식장이다. 상업 규모의 BFT 새우 양식장을 운영하는 노하우의 상당 부분은 Robins McIntosh 박사가 이끄는 BAL에서 얻은 경험에서 파생되었다.

BAL의 호지들은 크기가 0.065 ~ 1.6 ha 상업용 호지는 1.6 ha였다. 크기의 부정적인 영향은 발견되지 않았다. 호지의 수심은 1m 이상이었다: 가장자리에서 1.4m, 배수 지점에서 2.3m (평균 깊이 1.8m).  호지가 깊으면 일간 혹은 계절적인 온도 변화를 억제하는데 특히 유리한 것으로 보였다. 더 깊은 호지는 더 많은 산소의 저장을 허용했고 유기물질 동화를 위한 더 많은 양의 물을 제공했다. 또한, 혐기성 지역이 바닥에서 발생하는 경우 새우는 혐기성 물질에 덜 노출된다. 그러나, 호지 건설비용이 더 비싸고, 고도가 낮은 곳에 위치한 양식지에서는 사용할 수 없다. 호지가 해발 6 ~ 7 미터에 건설된 BAL의 경우는 아니다.

물은 농장에서 약 3km 떨어진 곳에 있는 바다에서 저장조로 펌핑된다. 농장 시스템은 실제적으로 폐쇄되어 있으며 배출수가 주변 환경으로 배출되지 않는다. 호지에서 배출된 물은 침전 저수조를 거쳐 재순환 된다. 물은 호지로 되돌아 가기 전에 적절하게 처리된다. 수질 조절은 모래와 부유물의 침전과 필요에 따라 비료를 첨가하는 것을 포함한다.

호지에는 0.76-1.0 mm 두께의 HDPE로 라이닝 되었다. 폭기 능력은 30 – 60 hp /ha이며 큰 호지에서는 약 30 hp/ha이었다. 수차가 호지 가장자리에서 호지 폭의 약 30 %의 거리에 호지 주변에 배치되었다. 유속은 호지의 바깥 쪽에서 약 23cm/sec이고 중심쪽으로는 5cm/sec이다.  자흡형 에어레이터(Aspirating Aerator)가 가라 앉은 일부 미생물을 재 부상시키기 위해 중심 쪽을 향해 설치되었다. 폭기 장치의 위치 결정은 안정적인 TSS 농도를 극대화하고 슬러지 축적을 최소화하며 효과적인 종속영양생물 활동을 촉진하는데 매우 중요하다. 결과로 나오는 산소 농도는 대부분의 호지에서 4 mg/l 이상이었다. 폭기 장치 작동은 시간에 따라 다르다. 새우의 생체 무게가 12,000 kg/ha 미만인 경우 폭기장치의 50 % 만 낮 시간에 가동한다. McIntosh는 BFT 새우 양식장에서의 산소 요구량을 11-26 톤/ha /cycle을 생산하는 제로 물 교환 시스템에서 300 ~ 550 kg당 1 hp으로 보고했다.  이 범위 중 높은 쪽은 중앙 배수구 근처의 축적 지점에서 농축된 유기 슬러지를 주기적으로 배출시킴으로써 달성되었다.

호지는 흰다리 새우 (L. vannamei)를 125 ~ 140 PL/m²의 비율로 입식되었다. 입식률이 100 PL /m2 미만으로 떨어지면 미생물 성장을 뒷받침할 유기 기질이 충분하지 않아 종속 영양 공동체를 형성하기가 더 어려워진다는 것이 발견되었다.

BFT호지의 생태계는 유기물 증가와 미생물의 성숙도에 따라 시간이 지남에 따라 달라진다. 예를 들어, 깨끗한 카리브해 해수로 가득 채우고 강력한 폭기 및 제로 교환으로 운영되는 벨리즈의 집약적 인 새우 양식장에서 다음과 같은 단계가 관찰되었다.

1. 맑은 물;

2. 조류 창궐;

3. 용존 유기 물질의 축적과 부적절한 세균 공동체로 인해 호지 표면에 거품이 많이 발생함 (그림 2 참조);

4. 갈색의 물 색깔, 거품의 소실 및 세균 세포, 유기물 및 흡착된 콜로이드의 응집체(플록) 형성.

종속영양 우세로의 전환은 4-8 주 후에 일어난다. 그러나 매주 2 회 50kg/ha당밀을 사용하면 전환 및 적용이 가속화될 수 있다: 전환 기간을 약 2 주로 단축할 수 있다. 전환기간을 단축시키는 것은 중요한 일이다. 새우가 최소한의 당밀 첨가로 잘 자라면 더 추가할 필요가 없다.

플록 입자는 박테리아에 의해 생성된 다당류 점액에 의해 응집된다. 부유물질은 플록에 흡착되어 엑스트라셀룰라 효소에 의해 가수 분해된다. 오래된 호지는 물의 교반이 멈추면 급격히 침전되는 대형 플록을 특징으로 한다.

사료급이는 호지 관리에 필수적인 기능이다. 처음에는 30 % 단백질 (C/N = 11)의 사료 펠릿을 사용했다. 그 결과 과도한 질소가 발생했다. 사료의 C/N 비를 16으로 높이면 (단백질 함량 22%) 균형 잡힌 무기질소 수준과 매우 건강한 종속영양 공동체가 형성된다. 사료는 31-24 % 단백질 펠릿과 분쇄된 밀, 옥수수, 콩 등 곡물 기반으로 만든 단백질 함량18.5 %의 펠렛 사료를 사용했다. 두 개의 사료는 별도로 제공되었다. 고 단백질 사료는 첫 번째 7 주 동안 (적절한 바이오플록 형성에 앞서), 그 후에는 24 % 단백질 사료 펠렛에 곡물 기반 펠렛을 섞어서 먹였다. 사료의 단백질 수준을 20 %로 낮추면서 질소고정 (단백질 전환 계수)이 48 %로 향상되었다. McIntosh (2000b)는 저단백질 사료 사용 비용을 기존의 고단백 사료 공급 비용과 비교했다. 저 단백질 사료비는 기존의 기존 고단백질 사료 비용 $ 1.7/kg 과 비교하여 $0.85/kg으로 월등히 적었다. 이러한 비용은 현장 및 시간에 따라 다르며 특정 경우마다 다를 수 있다.

생산 호지의 C/N 비율을 적절하게 통제하는 것에는 여전히 다른 견해가 있다. 높은 C/N 비율 (~> 15)은 무기질소의 축적을 제어하고 단백질의 효과적인 재활용을 유도한다. 많은 농장에서 사용되는 대체 전략은 효과적인 질산화 미생물이 생성될 때까지만 탄수화물을 사용하여 무기질소를 제어하고, 그 후로는 질산화에 의존하는 것이다. 그 시점에서 고 단백질 사료가 주어진다. 새우에게 고 단백질 사료를 공급하는 것에 대해서는 상충되는 결과가 있다. 바이오플록이나 조류가 풍부한 상태이고, TAN과 아질산염을 완전하게 조절되는 상황에서도 높은 단백질 사료 (35 %:25 %)에서 실험 탱크의 새우 성장률이 더 높았다(Wasielesky 과 동료들, 2006). 벨리즈에서 실행된 이 전략은 아마도 새우 생산의 마지막 단계에서 고 단백질 사료 공급이 필요하다는 가정에 근거했을 것이다. Decamp 및 동료 연구자들(2002)은 BFT 시스템에서 25 % 또는 35 % 단백질 펠릿을 먹인 새우의 성능에 유의한 차이가 없음을 보여주는 다른 결과를 보였다. 로렌스 (Lawrence)와 동료들(2002)이 인용한 Velsaco(1999)처럼 그들은 사료에서 단백질 수준을 20 %에서 40 %로 올리는 것이 성능에 영향을 미치지 않는다고 보고했고 Azim과 Little(2008)은 사료 중의 단백질 함량이 25 %에서 35 %로 증가했을 때 틸라피아 성장에 대한 반응을 찾지 못했으며, Avnimelech 및 동료 연구 결과(1994)도 유사하다. 이 두가지 학설에 대해서는 더 많은 경험이 축적될 때까지 연구를 계속할 것이다.

새우 생체중량이 10,000kg/ha를 초과하면, 보통 10 주 째에 호지의 중앙에 축적되는 슬러지를 제거하는 것이 유리하다. 슬러지는 바닥 중앙에서 20m 반경 콘크리트 배수구(sump)를 통해 또는 원심 펌프를 통해 배출된다.

사료 전환율 (FCR)은 24 % 단백질 사료를 사용하여 2:1 미만의 수준을 목표로 제어해야 한다. 단위 생산 당 에너지 비용은 반 집약적인 양식보다 약간 높다. 일단 시설이 확립되면, 이 시스템의 관리는 잘 운영되는 반 집약 양식장의 관리보다 쉽고 안정적이다. 이 시스템은 과잉 사료 (남은 사료가 바이오플록에 동화됨) 또는 부족 사료 (새우는 바이오플록을 사료 대신 섭취)에 의한 부작용이 최소화된다.

동남 아시아에서 바이오플록 기반의 새우 양식에 대한 적극적인 실천과 개발이 이어지고 있다. 인도네시아와 말레시아에서 많은 회사들이 BFT 시스템을 사용하여 매우 대규모로 새우를 생산하고 있다. 이러한 작업에 관한 보고서는 Nyan Taw 박사가 세계 양식 학회 회의에서 발표하고 Global Aquaculture Advocate에 게시되었다 (Taw, 2005, 2007, 2008, 2010).

바이오플록 기술은 2003 년부터 인도네시아 남부 수마트라 Lampung에서 적용되었다. 그것은 메단, 북부, 중부 및 남부 수마트라 새우 양식장으로 퍼졌다. 이 기술은 나중에 East Java와 Bali Island에 적용되었다. 처음에는 벨리즈 기술을 기반으로 Lampung (CP 인도네시아) 새우 농장에서 시작되었다. 나중에는 최신 기술과 접근 방식이 도입되었다.

이들의 작업 규모는 엄청나며 수천 헥타르에 이른다. 그림 13.3은 그 작업의 규모에 대한 아이디어를 제공한다.

호지는 HDPE로 전체 혹은 적어도 부분적으로 라이닝 되어 있다. 폭기 능력은 28 hp/ha 이상이다. 수차는 제방에 평행하게 두 줄로 설치되고 하나는 중앙에 설치되었다. 입식밀도는 130 PL/m² 이상이다.

수질은 적절한 바이오플록 호지를 만들기 위해 입식 이전 2 주 정도의 기간에 만들어진다. 물만들기에는 비료 (요소 및 TSP, 3 중 인산염, 수질 조절제, 백운석 및 차 종자 케이크뿐만 아니라 곡물 기반 사료 및 당밀 등의 유기물)의 첨가가 포함된다. 고령토(Kaolin)는 바이오플록 형성을 위한 결정 핵제로 사용된다. (밀 또는 쌀겨가 이 목적으로 사용될 수 있슴).

34 % 조단백질을 가진 사료 펠릿을 곡물 펠릿, 당밀과 함께 사용하여 원하는 C/N 비율을 얻을 수 있다. 플록은 약 30 일 후에 우점하기 시작하고, 측정된 플록 체적은 2-10 ml/l의 범위 내에 있는 것이 좋다. 높은 생산량이 얻어지며 평균 생산량은 22 톤/ha에서 최대 50 톤/ha이다. 배합 사료 펠릿에 대한 사료 전환율은 약 1~1.7이다. 흥미로운 성과는 높은 에너지 효율성이다. 동력 효율은 약 600kg 새우/kW로 기존의 500kg/kW보다 상당히 높다.

수확량과 효율은 부분 수확을 사용하여 증가하는 것으로 나타났다. 호지의 입식밀도는 100-280 PL/m²이다. 수확은 입식 후 약 90 일부터 2~6 회 수행된다. Taw et al., 2008에서 발췌된 표 13.3에서 볼 수 있듯이 이 방법으로 수확량은 급격하게 증가하고 전력 효율은 1,000kg 새우/kW 이상으로 증가했다.

34 % 단백질 펠렛 + 곡물 펠렛을 먹인 2~7 호지와 대조 호지 (탄수화물을 첨가하지 않은 호지 # 1)에서 1~3호지에서는 중간 수확 2회, 4, 5호지에서는 최대 5 회까지 부분적으로 수확한 것을 자세히 비교하였다. 부분 수확으로 새우 생산량이 거의 50 톤/ha까지 증가하였다.  생산주기동안의 균형이 잡힌 생체무게 때문에 전력 소비량을 최대 1,000 kg 새우/hp까지 줄일 수 있었다.

1. 폭기는 수차를 사용했다. 호지 5, 6, 7에는 12 hp 송풍기로 동력을 공급하는 폭기 라인과 평행하게 산기관(Diffusers)이 설치되었다.

2. FCR은 총 사료 공급량, 즉 정규 사료 펠릿 + 밀 곡물 펠렛을 고려하여 계산되었다. 그러나 곡물 펠렛의 가격이 사료 펠렛의 30 % 였기 때문에 그에 따라 비용이 반영되어 계산되었다.

신 기술의 발달로 인해 벨리즈 이전에 개발된 기술과 비교하여 수율 및 성능이 향상되었다 (그림 13.6 참조).  새우 수확량은 회 당 20 톤/ha 이상이며 FCR은 1.25이고 동력효율은 최대 1000kg 새우/hp이다.

인도네시아와 말레이시아에서 바이오플록 기술을 사용하기 시작한 것은 대기업의 시스템 채택을 통해서였다. 나중에, 개별 농부들이 (BFT 상업 농장에서 일하면서 기술을 습득 한 기술자들에게) 따라 갔다. 성공적인 개별 소유 및 관리 양식장이 인도네시아와 말레이시아 모두에 많이 존재한다.

Taw의 BFT 실무 경험에 관한 요약문은 다음과 같다.

장 점:

1. 차단방역효과로 WSSV 발생을 최소화한다.

2. 제로 물 교환.

3. 생산량 (수용량) 이 일반 시스템보다 5~10 % 많다.

4. 새우 크기는 일반 시스템보다 약0g 크다.

5. 낮은 FCR, 1.0~1.3 (곡물 사료 없이).

6. 생산 비용은 기존 시스템에 비해 15~20 % 저렴하다.

단 점:

1. 고 에너지 필요, 28 hp/ha

2. 1 시간 이상 정전이 되면 안됨. 백업이 필요하다.

3. 전체 HDPE 라이닝 필요 (최소 부분 적용)

4. 기존보다 더 발전된 기술이다. 기술자를 양성 요함.

정보의 보급이 제한적이고, 급속도로 발전하고 발전하고 있는 현장 경험의 역동적인 특성 때문에 실용적인 현장 체험의 범위는 완벽하지 않다. 그러나 BFT 호지가 수천 헥타르에 이르고 그 적용 범위가 확대되고 있다는 사실은 시스템이 실행 가능하다는 강력한 현실 세계의 표시이다.

물과 사료를 적절하고 효율적으로 사용하는 것 외에도 생산 비용을 절감하고 경제적 실행이 가능할 것으로 보인다. 사료 및 에너지 비용이 증가하면서 BFT의 경제적 이점은 점차 중요해질 것이며 새우 가격의 하락은 경제적 지속 가능성을 달성하기 위한 생산 비용 절감 압력을 증가시키고 있다.

사료용 합성 미생물 단백질을 생산하려는 노력과 BFT 시스템을 비교하는 것은 흥미로운 일이다. 수년에 걸쳐 “single cell protein”(SCP)로 상업적으로 박테리아를 생산하기 위한 시도가 많이 있었는데, Imperial Chemical Industries가 개발한 Pruteen 기술이 대표적이다. 메탄올에서 Methylophilus methylotrophus 박테리아를 6000 mt/월 생산하고 있다.

단세포 단백질은 동물 사료의 부분 단백질원으로 잘 이용되었다. 그러나 공정의 경제성은 농축, 건조 및 포장 비용으로 인해 제한적이었다. 이것들은 BFT 시스템에서 문제가 되지 않는다. 이 시스템에서 SCP는 처리 비용 없이 대상 동물에 의해 현장에서 섭취된다. 따라서 BFT는 SCP 배양과 활용에 있어 상업적으로 처음 성공한 사례로 볼 수 있다.

 

인도네시아 Ms. Ninuk Sri Maharti의 전자 메일 서신

약 2 년 동안 계속 질문을 던진 사람들 중 한 명은 인도네시아의 Suri Tani Pemuka 새우 양식장의 Ninuk Sri Maharti이었다. Ninuk Sri Maharti는 계속 질문을 했고, 조언을 실행했다 (그녀의 많은 경험을 덧붙였다). 그녀에겐 여전히 문제가 있긴 하지만 일이 잘 진행되고 있다는 편지를 받는 것이 좋았다. 그녀의 마지막 편지 내용과 양식장 운영에 대한 간단한 보고서를 이 장에 추가하는 것에 대한 양해를 받았다. 편지와 간단한 보고서는 거의 편집하지 않았다. 많은 것을 필요로 하지 않았고 편집으로 Ninuk Sri Maharti의 기여도가 줄어들 것이라고 느꼈다

친애하는 요람 (Yoram),

지난 번에 내가 말했던 문제가 있는 바이오플록 호지를 기억합니까?

우리는 우리가 가지고 있는 6 개의 새우호지 중 5 개를 수확했습니다. 평균 입식 밀도는 평방 미터당 140입니다. 성장은 110 일 지속되었습니다. 생존율은 75 %이며 사료 전환율이 l.4로 향상되었습니다. 우리는 C/N 비율이 낮기 때문에 양식 호지에서 바이오플록을 완전히 유지하는 데 성공하진 못했지만 전반적으로 새우 양식자들이 우리나라에서 바이러스성 질병 발생, 수질 및 환경 악화 등으로 새우 양식에 실패하고 있는 현실을 고려하면 그 수확량은 그리 나쁘지 않다고 생각합니다.

여기에서 나는 폐쇄적인 시스템 (BFT 포함)이 현재 우리나라의 새우 양식에 있어 가장 유망한 선택 사항이라고 결론 내렸습니다.

우리는 우리 시설에서 바이오플록이 입식밀도를 높이고 우리가 사용한 폭기 장치의 수를 늘리고 폐쇄 시스템/물 교환을 사용하지 않는 2 차적인 효과로 우연히 발견된 것이라는 것을 깨달았습니다. 앞서 말했듯이 우리는 유기탄소원 보충을 포함한 플록을 유지하는 방법과 관련하여 이 기술을 사용할 준비가 되지 않았습니다. 다음 기간에는 시스템 내의 바이오플록 관리에 중점을 두기를 희망합니다.

어쨌든 우리는 저수지 호지에서 틸라피아의 바이오플록을 확립하고 개발하여 미래에 새우 양식장에 바이오플록을 접종하는 데 사용하려고 합니다. 우리는 그것을 바이오플록 라이브러리라고 부릅니다. 우리는 이 바이오플록이 형성된 물을 모든 새우 호지로 펌핑하여 초기 또는 후에 증발 또는 사이펀에 의해 감소된 물의 보충수로 사용하려고 합니다. 따라서 새우 양식 호지는 좋은 응집 잠재력을 가진 틸라피아 호지에서 접종된 물을 통해 강화됩니다.

이것이 좋은 생각입니까?

그런 저수지에서 좋은 바이오플록을 (빠르고 쉽게) 얻을 수 있는 틸라피아의 이상적인 입식 밀도는 무엇입니까?

바이오플록 기증자/저장고로 사용되는 틸라피아의 바이오플록 기술에 관한 정보를 보내주십시오. 답변을 주시면 감사하겠습니다.

문안 인사,

Ninuk BFT 호지 운영에 대한 간단한 보고서

 

BFT 호지 운영에 대한 간단한 보고서

검토: Suri Tani Pemuka, 호지 관리

호지 설명

우리가 가지고 있는 호지는 모두 크기가 4,000 – 5,000 m² 인 정사각형이다. 모든 호지 바닥의 수심은 물 유입구 부분 1.0 미터에서 수확 점 1.4 미터로 경사져있다. 53 개의 양식 호지중 우리는 6 개의 호지에서 새우 BFT 양식 시험을 시작했다. 6 개의 호지 모두는 물 침투 문제가 심하기 때문에 고밀도 폴리에틸렌으로 덮었다.

호지 준비

수확이 끝나는 날, 호지는 브러시로 청소되고 축적된 슬러지를 씻어낸다. 호지는 며칠 동안 햇볕에 말린 다음 저수지-2에서 양수된 물로 채운다. 처음에는 새로운 해수가 살균 저수지-1에 펌프로 펌핑되었다. 이 호지에서는 20-30 mg/l의 차아 염소산칼슘으로 살균 처리했다. 우리는 호지 지역 주변의 일부 바이러스 성 질병 (TSV, IMNV 및 WSSV)의 발생으로 이를 수행해야 한다. 중화되자마자 이 물은 많은 수의 틸라피아와 밀리 피쉬 (millifish)가 저장되어 있는 저수지-2로 펌핑 되었다. 이 물은 새우 양식을 위한 초기의 물 만들기 용 혹은 보충수로 사용한다.

입식밀도

일단 양식 호지가 물로 채워지면 우리는 3-5ppm의 사탕 수수 당밀을 적용하고 상업용 박테리아 제품을 호지에 투입한다. 우리 호지에는 비료가 필요하지 않다. 물 색깔이 얻어지면 새우 부화장에서 받은 Penaeus vannamei post larvae (SPF)를114-156 PL/m² 비율로 입식시킨다. 물은 교환하지 않는다.

폭기

양식 호지에서 우리는 대만제 수차를 헥타르 당 약 44 HP를 사용하며, 모든 수차가 생산 기간 동안 작동된다. 이 수차는 시계 방향의 원형 모션을 생성하도록 설치된다. 우리는 자흡식 폭기장치(Aspirating aerator)를 사용하지 않는다. 이러한 폭기 장치로 우리는 유기물을 유동 상태로 유지할 수 있다. 우리는 중앙 배수관에서 사이펀을 이용하여 축적된 슬러지를 제거한다.

사료 공급, CN 비율 및 호지 역학

호지에는 일반 35 % 단백질 사료만 공급했다. 처음에는 여전히 낮은 사료량 때문에 높은 C/N 비율 (> 15)로 작업했다. 이러한 조건에서 바이오플록이 잘 형성되었다. 우리의 모든 수질 매개 변수는 안정된 상태이며 새우는 좋은 환경에 처해 있는 반면, 우리 지역 대부분의 새우 양식 인들은 심각한 바이러스성 질병 문제로 인해 비상 수확을 했다. 이 시스템을 사용할 때의 질병 예방 효과에 대해 이야기하고 싶다. 우리는 65일까지 이 상태를 유지할 수 있었다. 그러나 70 일령이 되자 사료량이 220kg/pond/day까지 증가하면서 당밀과 쌀겨로 유기탄소원을 충족시키기에 충분하지 않았다. 박테리아가 일하기 위한 C/N 비는 여전히 낮았다 (± 10). 이러한 C/N 비율로는 탄소가 제한적인 영양소가 되고 충분한 에너지원이 없기 때문에 세균 집단이 감소하게 된다. 나는 35 %의 단백질 사료가10:1 미만의 C/N 비율을 가지고 있음을 안다. 그러한 사료를 고밀도, 제로 물 교환 시스템에 공급하면 폐기물 분해 속도가 느려지고 무기성 질소의 축적을 초래한다 (사실이며 우리 시스템에서 암모니아 성 질소가 생성되기 시작했다). 우리는 투입한 사료 양에 따라 C/N 비율을 높이기 위해 더 많은 탄수화물을 첨가해야한다. 그러나 실제로 우리가 당밀 양을 증가시켰음에도 불구하고 유기물 보충은 불충분했다.

이 시점에서 우리는 수질 문제 (pH 스윙, 박테리아수 감소)에 직면하기 시작했다. 마지막으로 우리는 단백질 함량이 낮은 (32 %) 사료로 대체하고 이 조건이 개선될 때까지 며칠 동안 물을 교환하였고 물이 안정된 후에 다시 제로 물 교환으로 되돌아갔다.

물의 생태계 변화

평균 플록 양이 0.1~ 0.5 ml/l 인 상태에 이르는데 약 30 일이 소요된다. 조류가 창궐하고, 수면에서 거대한 거품이 나타나고 6 ~ 7 주가 지나면 미생물 플록이 생긴다. 거의 마술처럼 조밀한 식물성 플랑크톤은 느슨한 식물성 플랑크톤으로 변한다. 1ml 당 세포수는 식물 플랑크톤이 감소하고 (10,000 units/ml 미만이며 동시에 플록의 양과 세균 수는 급격히 증가한다). 플록의 부피가 7 ml/l로 증가함에 따라 총 박테리아 수는 10⁶에서 10⁹로 증가한다. 이것은 우리는 레이스웨이 또는 작은 콘크리트 탱크에서 종종 이러한 패러다임을 보았지만 양성 호지에서 플록에 대한 우리의 첫 경험은 기적이었다.

투명도 판독 값은 세키디스크(secchi disk)를 사용하여 30~35cm이었다. 동일한 양식기간 동안의 전형적인 독립 영양 시스템에서는 식물성 플랑크톤 밀도가 높아도 20~25cm이다.

그러나 70 일 이상이 되었을 때 처음으로 1 시간 이상 정전이 발생했을 때 플록의 양이 줄어들었고 부유물이 급속하게 침전되었으며 또한 생산 주기가 끝날 무렵에는 늘어난 사료 투입량에 비해 유기질 보충제가 부족했다.

*추정치, 이 호지는 아직 수확하지 않았슴.

실용적인 응용 및 팁

이 장의 개요에서 BFT가 단순한 공상 과학 소설인지 물었다. BFT가 살아 있는 현실이 되었기를 바란다. 이미 많이 연구되고 알려졌으며 더 많은 일이 진행될 것이다. 그러나 실제 경험을 토대로 요약하면, 많은 독자들이 제일 많이 하는 질문은 (많은 사람들이 이미 저에게 말이나 글로한대로): “BFT로 비즈니스가 될까요? 돈을 벌거나 돈을 잃을 수 있습니까?”.

이것은 어려운 질문이다. BFT 농장은 수 년 동안 양식산업이 전체적으로 어려움을 겪었던 기간을 따라 몇 년 동안 실시되었다. 우리는 확고한 대차 대조표를 만들 수 있을 만큼의 충분한 알려진 데이터가 없다. 가격과 비용은 장소와 시간에 따라 다르다.

BFT는 다른 밀식(혹은 초 밀식) 양식시스템에 비해 좀 더 저렴한 방법으로 새우 또는 틸라피아를 생산할 수 있는 시스템인 것 같다. 사료의 재활용과 건강에 미치는 뚜렷한 효과는 사업 계획을 세우는 중요한 요소 인 것으로 보인다. 그러나 경험에 따르면 지식 있는 사람들이 계획하고 운영하는 BFT 농장은 성공하지만, 대부분의 실패는 관리자가 올바른 기술적 결정을 내리지 못하기 때문에 발생했다.

중요한 질문은 기존의 전통적인 소규모 양식장을 정교한 바이오플록 기술 시스템으로 변경할 가능성과 관련된 것이다. 이것은 양식 산업 공동체에 BFT을 널리 보급하는 것과 관련된 중요한 질문이다. 긍정적인 결과와 현장 경험(9장 참조)을 통해 시스템을 이해하는 발전과 함께 점차적으로 전환할 수 있음을 나타낸다.

나의 개인적인 희망은 이 책이 사람들이 체계를 이해하고, 올바른 결정을 내리고, 양식에 앞장설 수 있도록 돕는 데 도움이 되길 바란다.

정보 교환은 발전의 열쇠이다. 대부분의 사람들은 정보를 교환하고 토론하며 아이디어를 개선하고 다른 사람들을 배우고 습득함으로써 얻게 된다. 새로운 발전과 경험 (업적과 문제 모두)에 관해 우리에게 알려주길 바란다.

 

초 집약식 새우 양식을 위한 바이오플록 기술

개요

지난 10 년간 초밀식 새우양식기술이 크게 발전했다. 초밀식 양식이란 입식 밀도가 250 새우/m³ 이상이며 생산량은 3-6 kg/m³으로 정의된다. 생산량이 높은 반면 많은 사료공급으로 인해 유기물 부하가 상당하므로 주의 깊은 모니터링이 필요하고, 정보에 입각한 정확한 관리, 슬러지의 일부분을 제거하는 등 주의가 필요하다. 초밀식 새우 양식은 시스템의 소규모화를 할 수 있고 온실 혹은 단열 건물에서 양식할 경우 연중 생산이 가능하게 한다. 이 기술은 전통적인 재래식 양식에 비해 시설 비용이 많이 든다. 그러나 일관된 생산, 다양한 위치 옵션 및 높은 품질로 인해 고유한 제품 마케팅 기회가 있다.

새우와 어류 생산을 위한 폐쇄 양식 시스템에 대한 관심은 최근 수년간 증가해 왔는데, 그 주된 이유는 그러한 시스템이 재래 양식 시스템에 비해 환경 및 마케팅에 이점이 있기 때문이다. 물을 재사용하면 오염 물질 배출이 줄어 든다. 이것이 천연 자원을 보호하기 위한 환경적 이점이다. 또한, 대부분의 지역에서 환경규제 및 배출 분담금이 준다. 또 다른 이점은 병원균에 대한 안전성이다: 오염원과 병원균이 자연 환경에서 양식장으로 전염되는 것이 거의 불가능한데, 특히 공급수에 대한 소독과 같은 조치가 취해질 때 더욱 그렇다. 폐쇄 시스템을 사용하면 물고기의 탈출 가능성이 제한되어 외래종과 자연 환경으로의 질병 유출을 예방할 수 있다. 물 사용량이 줄어들어 내륙 지역에서 해양 생물을 양식할 수 있다. 이것은 생산자가 신선하고 얼리지 않은 바다 새우 나 생선을 내륙 대도시 지역에 판매할 수 있게 해주며 내륙 운송비를 절약할 수 있고 연안의 극한 기후 변화와 관련된 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 게다가 폐쇄된 시스템에서는 열이 보존되어 일년 내내 시원한 기후에서 열대성 어류를 양식할 수도 있다.

해양 새우의 폐쇄형 양식 시스템에는 몇 가지 기술이 있다. 바이오플록 기술은 이 책에서 자세히 논의된다. 이 시스템에 관해서 우리는 일반적으로 호지 (100-20,000 m² 범위)를 말하며, 일반적으로 라이닝 되어있고, 폭기 시설이 되어 있으며(순 산소를 사용하지 않고), 교반이 잘 이루어지고 있는 시설을 말한다. 그러한 시스템에서 새우의 수확량은 10-50 톤/ha이고, 어류의 수확량은 100-300 톤/ha에 달한다.

새우 수확량을 높이고 필요 공간을 줄이려면 작은 탱크 또는 레이스웨이에서 엄격한 현탁 물질 관리를 사용하여 보다 높은 밀도의 양식이 필요하다. 수질 관리는 여전히 시스템내 미생물 공정의 관리에 기초한다. 이 장에서는 이러한 밀식 시스템에 대해서 설명할 것이다.

새우 양식에 있어서 바이오플록 시스템이 갖는 장점 중의 하나는 맑은 물 순환여과 스템 (RAS)에서처럼 여러 외부 여과 시스템이 필요치 않다는 것이다. 이것은 기계적 복잡성, 시설 및 운영 비용을 줄여준다. 질소 화합물을 해독하는 미생물 공정이 물 내에서 존재하기 때문에 외부 생물학적 여과가 필요하지 않다. 오존 처리 시스템과 같은 멸균 장치는 이러한 공정을 방해할 뿐이다. 바이오플록 입자의 축적에 대한 일정 수준의 제어가 필요한데, 특히 초 밀식 BFT에서는 더욱 그렇다. 그러나, 이것은 간단한 침강 시스템 또는 프로틴 스키머(Foam Fractionator)를 사용하여 달성될 수 있다.

3 장과 4 장에서 언급했듯이, 바이오플록 시스템에서 여러가지 질소동화 작용이 일어난다. 이 책과 Ebeling 과 그 동료들(2006)이 제시한 책에 세 가지 주요 호기성 질소 경로가 잘 설명되어 있다: 종속영양세균에 의한 동화, 화학적 독립영양세균에 의한 질산화 및 광합성 동화. 이러한 각 공정은 새우 바이오플록 시스템에 고유한 이점을 가지며 관리 목표는 신중하게 평가하여 어떤 공정 또는 공정 조합을 장려해야 하는지를 결정해야 한다. 미생물 관리의 몇 가지 예는 종속 영양 (heterotrophic), 질소 동화 작용을 돕기 위해 탄소: 질소 비율 (C:N)을 증가시키고(4장; Hariet al., 2006), 질산화를 촉진시키는 세균 보충제를 첨가하며(Kuhn and Drahos, 2011), 빛 침투를 증가시키기 위해 물에서 입자를 제거하여 광 영양 생산을 장려하는 것을 포함한다 (Ray et al., 2009).

연구팀은 Southern Mississippi 대학의 Gulf Coast Research Laboratory (GCRL)에서 종속 영양 균 우점지와 화학 독립영양균 우점지를 직접 비교하기 위한 실험을 수행했다 (Ray et al., 2011). 4개의 500리터 탱크(종속영양)에 사료와 당분을 투입하여 C/N 비를 25:1 로 맞추었고, 다른 4개의 탱크(독립영양)에는 당분을 첨가하지 않았다. 독립영양 탱크에서는 아질산염 농도가 높아지고 질산염 농도가 지속적으로 증가하는 것으로 나타났으나 종속영양 탱크에서는 훨씬 낮은 아질산염이 생성되었고 질산염이 거의 보이지 않았다. 종속영양 탱크에서 고형물 농도가 더 높았다. 그러나 새우 생존과 성장률 측면에서 두 처리 간에는 특별한 차이가 없었다. 바이오 플록 새우 양식 시스템의 관리 전략을 개선하기 위해 이와 같은 추가 실험이 필요하다.

바이오플록 시스템으로 새우를 양식할 때 또 다른 주요 이점은 일부 물고기와 마찬가지로 새우가 수 층의 미생물 군집을 이용할 수 있다는 점이다. 수많은 연구가 맑은 물과 비교하여 바이오플록이 풍부한 물에서 새우를 양식하는 이점을 입증했다. 이러한 이점에는 미생물 군(Burford et al, 2004; Moss, 1995; Moss et al., 2006; Wasielesky et al., 2006)에 의한 향상된 성장 속도, 향상된 사료 전환율 및 다양한 영양 특성의 기여도가 포함된다. 새우 생산량 증가는 세균(Crab et al., 2010; Hari et al., 2006) 과 조류 (Ju et al., 2009; Kent et al., 2011) 영양 성분에 기인한다.

초 집약 새우양식 시스템

바이오플록 미생물 군락이 적절하게 관리될 때, 미생물은 다량의 질소를 동화시키고 재순환 시킬 수 있다. 화학적 독립 영양 질산화가 대체로 중요하지만, 우리는 종종 세 가지 주요 질소 경로가 모두 기능하고 있음을 발견한다. 그러므로 이러한 시스템의 질소 경로는 혼합 영양 (mixedotrophic)이라고 할 수 있다. 초 집약이라는 용어는 높은 어류의 입식 밀도, 그러한 어류를 지원하기 위해 추가된 영양소의 많은 투입량, 그리고 매우 낮은 물 교환 비율로 설명된다. 새우 바이오플록 시스템은 다양한 밀도로 가동할 수 있지만, 이 장에서는 특히 초 집약 시스템에 초점을 두고 있다.

밀도

초밀식 시스템을 위한 최적의 새우 밀도는 관리 및 생산 목표에 달려 있다. 새우 밀도가 높을수록 더 많은 양분에 대한 반응으로 미생물의 농도가 높아진다. 이것은 새우와 바이오플록에 의한 시스템의 산소 요구량을 증가시키고 고형물의 생성을 증가시킨다. 또한 밀도가 높을수록 새우의 생장 속도는 느려질 수 있지만 전체 생산량은 더 많아 질 수 있다.

초밀식 바이오플록 새우 양식 시스템에서 새우 또는 새우의 생물량 밀도는 부피를 기준으로 하는 것이 적절한 것으로 보인다(예: 새우/m³ 또는 kg새우/m³). 이것은 많은 양식 관련 문헌에서 다루는 새우/m², 새우/에이커 및 새우/헥타르와 같은 면적당 밀도 단위에서 벗어난 것이다. 초밀식 바이오플록 시스템에서는 미생물 군집이 주로 물에 현탁되어 있다. 따라서 생물학적 여과 수준은 물의 부피에 달려 있다.

새우 밀도는 질소 경로에 많은 영향을 끼친다. 일반적으로 밀도가 낮은 바이오플록 시스템에서는 빛의 투과량이 많아 광 영양 동화에 의해 지배될 것이다. 중간 정도의 밀도에서는 배합사료의 성분 조절로, 혹은 유기탄소원의 첨가로 C/N 비율이 상승하여 종속영양균에 의한 동화가 지배적일 것이다. 종속 영양에 의한 질소 동화는 새우 입식밀도 150 ~ 350 마리/m³ 사이에서 잘 수행된다. 최 종단에는 ​​화학적 독립영양 위주로 운영되는 시스템이 있는데, 이 시스템에서는 질산화균이 암모니아를 아질산염으로 변환한 다음 아질산염을 질산염으로 전환한다. 입식 밀도가 300 새우/m³ 이상되는 초밀식 양식에서는 종속 영양 또는 화학적 독립 영양 모두가 가능하다. 우리는 거의 항상 이 두 과정이 동시에 일어나는 것을 발견한다. 이 과정은 주로 입식 밀도와 관리에 달려 있지만, 둘 다 집약적 양식과 초 집약적 양식에서 매우 중요하다. 밀식 양식에서는 박테리아에 비해 그 역할이 상대적으로 적지만, 충분한 빛이 있을 때 양식수에서 조류를 발견할 수 있다.

미국 사우스 캐롤라이나주 블러프톤에 있는 Waddell Mariculture Center (WMC)는 수십 년 동안 초밀식 새우 바이오플록 연구를 수행해 오고 있다. 235m³의 원형 레이스웨이에서 WMC의 연구원은 2,000 년에 대략 275 마리/m³의 새우를 입식 했으며, 2,002 년에는 400 마리/m³, 2,004 년에는 600 마리 /m³ 이상의 새우를 사육했으며 2,005 년에는 700 새우/m³에 접근하고 있다 (Browdy et al., 2006). 이 각각의 밀도는 54 % 이상의 생존율과 0.9g/주 이상의 성장률을 나타냈다. 2,005 년부터 WMC에서 700 새우/m³ 이상의 양식 밀도가 시도되었으나 그 효과는 제한적이었다.

Wasielesky 와 그의 동료들(2010)은 새우를 작은 탱크에 300마리/m³ 비율로 입식시키고 인접한 대형 수조에서 물을 계속 흘려보내는 방식으로 새우를 양식함으로써 수질 인자와 무관하게 최대 이론적인 새우 입식 밀도를 결정하는 연구를 수행했다. 큰 탱크의 수질은 만족스럽게 유지되었고, 작은 탱크의 수질을 그대로 유지케 했다. 새우는 4 개의 실험 과정에서 다양한 밀도와 크기로 더 작은 용기에 입식 되었다. 저자들은 새우가 자라면서 용기가 더 많은 수의 새우를 감당할 수는 없지만, 용기 당 전체 생체 무게는 증가할 수 있음을 발견했다. 생존율은 96 % 였고 새우는 13,200 새우/m3의 입식 밀도로 30 일 동안 0.003 g에서 0.30 g으로 자랐다. 새우를 40 일 동안 양식하고 밀도를 1,760 새우/㎥로 양식할 때 생존율은 90 % 이상으로 1.2g에서 6.7g으로 증가했다. 마찬가지로 새우 밀도가 1,180 새우/㎥ 일 때 6.3 g에서 10.6 g으로, 880 새우/㎥ 일 때 11.9 g에서 15.7 g으로 자랐다. 이 연구는 좋은 수질이 유지된다면 높은 밀도의 새우가 양식될 수 있음을 나타낸다. 전체 시스템 체적이 용기에서 보고된 것보다 더 많았지만 이 연구는 비교적 작은 배양 단위로 새우를 양식할 수 있음을 보여준다. 이러한 밀도에서 성장률 향상에 초점을 맞추는 추가 연구가 필요하다.

새우 생산

2,000 ~ 2,005 년 사이 WMC의 새우 생산량은 약 2.3-6.8 kg/m³이었다. 이 수치 중 높은 수치의 생산이 일반적으로 현재 WMC에서 반복될 수 있다 (Browdy et al., 2006). Otoshi와 그 동료들(2007)은 미국 하와이 오셔닉 연구소 (Oceanic Institute)에서 세 차례의 초밀식 새우 양식 실험을 보고했다. 이러한 실험은 2,006 년과 2,007 년 동안 실시되었으며 5.7, 7.6, 10.3 kg 새우/m³의 생산을 달성했다. 일반적인 생산 수준은 약 3-6kg/m³이다. 그러나 최근의 높은 생산 결과는 초밀식 새우 양식 연구의 진전을 보여주는 고무적인 지표이다.

다른 관점은 양식 주기에 따라 물 교환량을 포함해서 새우를 생산하는 데 필요한 물 소비량이다. Otoshi와 그 동료(2007)에 따르면 생산된 새우 1 킬로그램 당 400 리터 이상의 물을 사용하는 경우에 가장 높은 생산 값이 얻어졌다. Samocha와 그 동료(2010)들은 3 개의 레이스웨이에서 1kg 새우당130 리터 물 이하를 사용하면서 새우9.3-9.8 kg/m³의 매우 집약적인 새우 생산량을 보고했다. 이 수준의 생산 및 낮은 물 사용 비율은 대부분의 밀식 새우 양식 시스템에서 드문 경우이다.

시스템

초밀식 바이오플록 새우 양식 시스템은 일반적으로 탱크나 레이스웨이로 되어 있다. 이 시스템은 새우가 고밀도로 양식되기 때문에 크기가 일반 호지 보다 훨씬 작다. 이 때문에 초 집약적인 시스템은 밀폐된 건물이나 온실에서 사용할 수 있다. 단열 건물은 엄격한 온도 조절에 유리하지만, 광 영양성 조류 프로세스가 필요한 경우 인공 조명이나 창문이 필요하다. 일반적으로 비닐하우스가 저렴하다. 비닐하우스의 표준 프레임은 키트로 제공되며 건물의 상당 부분은 일반적으로 저렴한 플라스틱으로 만들어진다. 비닐하우스에 건설된 초 밀식 시스템은 광 영양 조류 프로세스가 가능하고 태양 복사열을 이용하는 데 유리하다. 열이 효과적으로 유지되면 추운 지방에서도 열대 생물을 양식할 수 있어 위치에 상관없이 마케팅 기회를 한층 강화할 수 있어 경제적으로 유리하다. 또한 실내에서 양식함으로써 병충해와 천적으로부터 비교적 안전하다.

원형 탱크와 작은 둥근 호지는 초밀식 바이오플록 시스템에서 새우 양식에 효과적임이 입증되었다. 상대적으로 낮은 에너지 투입으로 원형의 물 운동을 달성할 수 있으며 물의 균질성이 촉진된다. 원형 흐름이 있는 원형 호지는 침전된 고형물을 제거하기 위해 중앙에 드레인이 있어 효율적인 고형물 관리가 용이하다. 그러나 공간 활용도는 떨어진다. 많은 초밀식 바이오플록 시스템은 레이스웨이(raceway)로 되어 있다: 길고 좁은 탱크. 레이스웨이는 일반적으로 모양이 직사각형이지만 둥근 모서리가 있다. 중앙 벽 또는 배플은 긴 쪽으로 걸쳐 있다. 시스템의 철저한 혼합을 장려하기 위해 이 벽 주변으로 물을 추진할 수 있다. 수확 중에 적절한 배수를 용이하게 하기 위해 레이스웨이는 일반적으로 한쪽 끝으로 기울어져 있으며, 건물 내에 있을 때 더 효과적으로 공간을 활용할 수 있다.

*중앙 벽이 레이스웨이를 분할하고 펌프와 에어리프트를 이용하여 그 벽 주위로 물이 추진된다. 비닐하우스 내에 건설된 레이스웨이는 열을 잘 보존하고 태양 복사열을 이용할 수 있다. 이 레이스웨이는 일년 내내 운영될 수 있다.

*중간에 벽이 있고 그 벽을 따라 물이 흐른다. PVC 파이프에는 공기 분배기가 달려 있고, 에어 리프트로 작동하여 물을 수직 및 전진시킨다. 레이스웨이를 감싸는 목재 틀과 그물이 새우가 빠져나가지 못하게 한다.

효율적인 수확 방법이 미국 미시시피 주 오션 스프링스의 걸프 해안 연구소의 초밀식 새우 양식 시설에서 사용되었다. 여기서는 콘크리트 레이스웨이 깊은 끝 부분에 외벽 섹션이 누락되어 있다. 이 섹션에는 나무 보드를 벽의 홈으로 밀어 넣어 벽을 대신한다. 보드를 제거하면 50m³의 물을 약 10 분 이내에 배수할 수 있다. 물과 새우는 수확 분지에 있는 그물에 쇄도한다. 물은 호지로 가고 그물에 걸린 새우는 윈치로 들어 올려져 I-빔을 따라 얼음통으로 옮겨지고 선별 테이블을 거쳐 포장되어 트럭으로 운반된다. 수확을 위한 또 다른 방법은 수확 호지를 레이스웨이 아래에 건설하는 것이다. 레이스웨이 깊은 끝 부분에 있는 배수구를 열어 물과 새우가 대형 파이프를 통해 수확 호지의 파이프 끝 부분에 연결된 그물로 흐르게 할 수 있다. 그물에 걸린 새우를 호이스트로 끌어올려 얼음 통에 넣는다.

땅 위의 레이스웨이를 건설하는 것보다 땅을 파서 레이스웨이를 만드는 것이 비용이 적게 든다. 그러나 수확 전략 및 건설 지역의 범람 가능성 등을 고려해야 한다.  탱크 바닥이 지상 수준이거나 그 이상이면 수확 및 배수가 일반적으로 용이하며 범람하기 쉬운 지역에서는 물고기의 소실이 우려 된다.

물 운동과 산소 공급

물의 이동과 산소 공급은 초밀식 바이오플록 새우 양식 시스템에서 필수적이다. 어떤 바이오 플록 시스템에서든지 물의 움직임은 입자를 부유 상태로 유지하는 데 필요하다. 바이오플록 입자가 침강하면 암모니아 또는 황화물을 방출하는 혐기성 슬러지 포켓이 종종 형성된다. 황화물은 물고기에게 극히 유독하며 질산화를 억제하여 독성 질소 화합물을 추가로 증가시킨다. 적절한 용존 산소 농도를 유지하는 것이 또한 중요하며 성공적인 초 밀식 운전에 가장 중요한 요소가 될 수 있다.

호지에 사용되는 대형 폭기기는 일반적으로 양식장 크기가 작은 초밀식 시스템에 적합하지 않다. 폭기 장치를 선택할 때 일부 메커니즘이 밀도가 높은 새우를 손상시킬 수 있으므로 시스템 크기와 어류의 밀도를 고려하는 것이 중요하다. 초밀식 시스템에서는 주로 송풍기가 사용된다. Ray 와 그 동료들(2010)은 6.2 m³에 3.2 kg새우/m³의 초 밀식 BFT 시스템에 블로워와 세라믹 디퓨져를 이용하여 필요한 산소농도를 얻을 수 있었다. 이는 작고 집약적인 시스템을 위한 적절한 전략 일 수 있다.

많은 바이오플록 시스템에서 물 이동과 산소 공급은 동일한 장비를 사용하여 이루어진다. 에어 리프트 메커니즘은 물을 이동시키고 폭기 시키는데 사용된다 (10장 참조). 에어 리프트는 송풍기로 가동되며 일반적으로 디퓨저를 통과 한 공기를 이용하는 장치이다. 블로워에 의해 공급된 공기는 물리적인 구조로 인도되어 예측 가능한 방향으로 움직인다. 기포가 있는 물은 밀도가 낮아서 위쪽으로 움직인다. 이러한 메커니즘은 양식지 바닥 근처에서 물을 끌어올려 표면에서 또는 그 위로 배출시킴으로써 물의 계층화를 완화시키는데 도움을 준다. 에어 리프트의 저비용, 저 에너지 투입, 이중 용도 (물의 이동 및 폭기) 및 효율성 때문에 바이어플록 시스템에서 널리 사용되고 있다. 에어 리프트는 PVC 배관을 통해 물을 이동시켜 레이스웨이의 물을 순환시키는 데 도움을 준다. 그림13.4에 보는 바와 같은 다른 디자인도 있다; 이 에어 리프트는 파이프를 통해 공기와 물을 이동시키기보다는 반사판(Deflector)을 사용한다. 공기와 물이 반사판에 닿으면 앞으로 추진되어 탱크 주위로 물을 순환시킨다. 에어 리프트는 물의 이동 및 폭기에 유용하지만 초 밀식 시스템에서는 자체적으로 산소 요구량을 충족시키지 못할 수 있다.

펌프는 초밀식 양식에서 물을 추진하고 산소를 공급하는 용도로 사용된다. 펌프를 사용하면 탱크 또는 레이스웨이 주위로 물을 이동시키고 입자를 부유 상태로 유지하고 수위를 균질화 할 수 있다. 그러나 보다 효과적인 방법은 물에 공기 및/또는 산소를 주입하는 데 도움이 되는 노즐을 물줄기에 부착하는 것이다. 벤츄리 스타일의 노즐이 일반적으로 사용된다. 이러한 노즐은 일반적으로 직경이 실질적으로 물의 흐름이 빨라지는 노즐의 좁은 지역을 제외하고는 주 파이프와 동일하다. 물의 흐름이 빨라질 때 수압이 감소한다. 노즐의 좁은 지역에는 개구부가 있으며 저압으로 인해 이 개구부를 통해 공기가 유입되어 물에 용해된다. 이것은 물에 공기를 불어넣을 수 있도록 주변 공기를 흡입하거나 산소 공급을 위해 순수한 산소를 주입하는 효과적인 수단이 될 수 있다. 벤츄리 노즐은 일반적으로 물이 라인을 빠져나오기 바로 전 지점에 배치된다. 이것은 주입된 가스가 물로 이동하기 위한 충분한 거리 (수역)가 확보되도록 한다. a^3® 노즐 (All Aqua Aeration, Titusville, Florida, USA)로 알려진 새로운 노즐은 초 밀식 바이오플록 배양 시스템(그림 13.5)에서 큰 성공을 거두었다. Samocha와 그 동료들(2010)은 a³ 노즐을 사용하여 높은 용존 산소 농도를 유지하면서 순산소 주입 및 공기 송풍기의 사용을 제거함으로써 에너지 소비 및 운영 비용을 줄이는 데 도움이 되었다고 설명했다.

초 밀식 시스템을 운영 할 때는 순산소를 항상 준비해 놓는 것이 좋다. 용존 산소의 농도는 변동이 심하고 예기치 못한 상황이 일어날수도 있기 때문이다. 일반적으로 고온, 사료 및 탄수화물의 과잉 첨가 때 발생한다. 노즐은 순산소를 공급하는 효과적인 방법이다. 디퓨져도 이 용도로 사용할 수 있다. 이 용도의 디퓨져는 폭기용 디퓨져보다 미세한 기공 크기를 갖는다. 산소 디퓨져의 사용은 일반적으로 순수한 산소를 주입하는 효율적인 방법이다. 그러나 산소를 적절하게 분산시키기 위해 물 펌프 또는 에어 리프트 메커니즘을 사용하여 탱크 주변의 물을 순환시키는 것이 좋다.

초 고밀도 실내 시스템

위에서 언급했듯이 건물 내에서 폐쇄형 초밀식 바이오플록 시스템을 구축할 수 있다. 이것은 재개발된 농업용 또는 산업용 건물의 다목적 사용을 가능케 한다. 폐쇄된 건물에서 시스템 관리자는 빛과 온도와 같은 환경 조건을 엄격하게 제어할 수 있어야 한다. 이 통제는 보다 일관된 생산으로 이어질 수 있게 한다. 또한 폐쇄된 건물에서는 생물 보안성이 크게 향상될 수 있다; 투입물이 엄격히 통제되고 조류와 다른 동물들이 들어오지 못하고, 직원과 방문객의 접근이 통제될 수 있다. 이러한 양식은 장소에 구애받지 않기 때문에 판매에 유리한 장소를 선택할 수 있다. 이 전략은 미국에서 인기를 얻고 있다. 지난 10 년 간 수십 개의 상대적으로 소규모의 실내 바이오플록 양식장이 생겼으며 여러 대형 양식장도 개발되었다. 실내 바이오플록 시스템으로의 전환은 엄청난 기회를 제공하지만 양식전략과 관련된 기술적인 문제가 있을 수 있다. 실내 새우양식에 대한 관심이 계속 커지면서 예기치 않은 문제가 발생할 것이다. 고려해야 할 실내 바이오플록 시스템과 관련된 두 가지 문제는 열을 유지하면서 가스를 배출하는 것과 사용하는 조명의 양과 유형이다.

초밀식 바이오 플록 시스템은 미생물 및 동물 호흡을 통해 상당량의 이산화탄소를 생성할 수 있다. 이 가스는 양식 동물과 농장 노동자의 안전을 위해 배기 되어야 한다. CO₂는 공기보다 무거우므로 가라 앉는 경향이 있음을 알아야 한다. 이는 CO₂가 프리보드 (수면과 탱크 벽 상단 사이의 공간)에 쌓이는 경향이 있음을 의미한다. 많은 새우 양식장에는 새우가 탱크에서 물 밖으로 튀어나오지 못하도록 도와주는 프리보드가 있다. 그러나, 이산화탄소가 탱크에서 빠져나올 수 있도록 그물 또는 기타의 밀폐 방법이 더 적절할 수 있다. 가스가 수면에 농축되면 물 속으로 확산되는 경향이 있다. 물에 용해된 과도한 CO₂는 탄산을 형성하여 pH를 낮추어 산성수를 만들고 잠재적으로 위험한 새우 환경을 형성한다. 이산화탄소는 pH를 낮추는 것뿐만 아니라 새우에 직접적인 독성을 가질 수 있으며 인체에 독성을 줄 수 있다.

양식 탱크가 있는 건물에서 CO₂가 제거되도록 주의를 기울여야 하며, 가스가 바닥에 쌓이게 된다는 것을 명심해야 한다. 배기 가스 시스템은 CO₂를 제거하고, 추운 지역에서 열의 보호가 필요한 곳에서는 더운 공기가 위로 올라가는 특성을 감안하여 건물의 가장 낮은 부분에서 가스를 끌어 내는 것을 고려해야 한다. 그러나 문제가 될 수 있는 또 다른 가스는 수증기이다. 실내 양식에서 수조가 있는 방은 수증기 농도가 높다. 수증기는 천장 및 돌출 구조물 표면에서 응축되어 배양 탱크로 다시 물방울로 떨어진다. 이는 수자원 보존을 위해 유익 할 수 있다. 그러나 곰팡이 및 진균과 같은 미생물이 지속적으로 젖은 표면에서 발생하는 경향이 있다. 표면에서 탱크로 떨어지는 물방울이 잠재적인 오염원이 될 수 있다. 또한, 완전히 말라 버릴 기회가 없는 방과 장비를 적절하게 소독하는 것은 일반적으로 어렵다. CO₂와 수증기의 잠재적인 부정적인 영향을 최소화하면서 물과 열 절약을 고려한 공학 개념을 개발해야 한다. 맑은 공기를 새우 양식조에 보내야하고 이산화탄소를 건물의 낮은 지점에서 빼내야 한다. 이 과정에서 열을 보존하거나 다른 공급원에서 보충될 수 있다면 수익성과 지속 가능성이 향상될 수 있으며 보다 일관된 생산 환경을 유지할 수 있을 것이다. 일부 엔지니어는 방의 꼭대기 또는 보일러의 배기통의 금속 코일과 같은 따뜻한 지역에서 공기를 끌어오는 것을 고려했다. 따뜻한 장소에서 송풍기 또는 노즐을 통해 유입되는 공기로 열을 공급받아서 유실된 열을 보충할 수 있다.

실내 바이오플록 시스템에서 고려해야 할 또 다른 문제는 조명이다. 대부분의 바이오플록 시스템은 햇빛이 들어오는 비닐하우스나 야외 호지로 되어 있다. 질산화가 지배적인 질소 경로를 가지는 초밀식 바이오플록 시스템에서도 조류가 비교적 높은 농도로 존재한다. Ray(2012) 및 Venero 와 그 동료들(2009)에 의해 보고된 엽록소-a 농도는 각각 약 775 μg/L 및 884 μg/L로 높았다. 두 그룹의 연구자 모두 질산화가 지배적인 시스템을 운영했다. 비교하면, Libes(2009)는 자연 해수에서 엽록소-a의 농도가 1 μg /L 이상이면 높은 것으로 간주했다. 새우는 바이오플록 기반의 양식 생산 시스템에 존재하는 조류로부터 영양 혜택을 얻는다는 증거가 있다(Ju et al., 2009; Kent et al., 2011). 그러나 햇빛에 노출된 양식장에서 너무 많은 조류는 문제가 될 수 있다. 문제점에는 신뢰할 수 없는 질소 순환, 태양광 이용 가능성과 관련된 조류 구성의 변화, 유해한 조류 확산 (Alonso-Rodriguez and Paez-Osuna, 2003; Hargreaves, 2006) 등이 포함된다. 그러므로 빛을 차단하여 조류를 배제시키는 것이 환경의 일관성을 높일 수 있다. 그러나 조류의 유익한 측면 중 일부는 사라질 수 있다.

빛의 양과 종류는 바이오플록 시스템 및 새우 성능에 중요한 영향을 줄 수 있다. 당분이 첨가된 3.8 m³ 종속 영양 바이오플록 흰다리 새우 (L. vannamei) 시스템에서 Neal et al. (2010)은 자연 햇빛에 노출된 바이오플록 탱크와 단일 60W 백열 전구에 지속적으로 노출된 탱크를 비교했다. 저자들은 백열등 탱크의 새우가 성장률과 생존율이 현저히 낮고 사료 전환율이 더 높음을 확인했다. 이 저자들은 새우의 아가미를 막고 질식을 일으킬 수 있는 박테리아인 Leucothrix mucor의 증식이 새우 생산량 감소의 한 원인이 되었다고 했다 (McKee and Lightner, 1982).

시아노 박테리아는 조명이 약한 환경에서도 잘 자라며 새우 양식에 해가 될 수 있다 (Alonso-Rodriguez and Paez-Osuna, 2003). 단열된 건물에서 시아노 박테리아의 발생을 막기 위해 시스템 엔지니어는 빛을 모두 배제하는 것을 고려할 수 있다. Wang 과 그 동료들 (2004)은 빛의 부재를 포함하여 5 가지 빛 강도가 중국 새우 (Fenneropenaeus chinensis)의 성장 속도와 사료 전환 효율에 미치는 영향을 평가하는 실험을 실시했다. 이 저자들은 어두운 곳에서 자란 새우와 가장 우수한 광도 (300 럭스)에서 자란 새우 사이에는 특별한 차이가 없다는 것을 발견했다. 그러나 Wang (2004) 은 바이오플록 시스템이 아니었다.

빛은 바이오플록 시스템의 생물학적 기능에 영향을 주는 것 외에도 일하는 사람이 안전하게 작업할 수 있도록 하기 위해서도 필요하다. 제한된 양의 빛만이 배양 수에 도달하도록 배양 시설 바닥 가까이에 조명 장치를 배치하는 것이 가능할 수 있다. 그렇지 않으면, 갑작스럽게 전등을 켜고 끄면 새우가 놀라게 되어 뛰어 넘을 수 있다. 고밀도 상태에서 새우가 점프할 때 탱크에서 탈출할 수 있으며 종종 서로 부딪혀 상처가 날 수 있다. 찔린 상처가 감염되어 사망할 때, 질병이 생기거나 수확 시 낮은 품질의 새우가 될 수 있다.

중간 육성

새우는 종종 유생 양육 후 보육 시스템에 배치된다. Gulf Coast Res. 유생 5일에서 12 일을 실험실에서 지낸 새우는 일반적으로 30 일에서 45 일 동안 보육 탱크에서 자라며, 그 후 본 양성 시설로 옮겨진다. 본 양성 전에 중간 육성 시스템을 운영하면 공간을 절약하고 개체수를 더 잘 파악할 수 있으며 일부 생산자는 그렇지 않은 경우보다 빨리 양식을 시작할 수 있다. 새우 보육 시스템은 초밀식 바이오플록 기술에 알맞은 시스템이다.

초밀식 중간 육성 시스템에서 새우는 최대 3,000 새우/m³의 고밀도로 입식 할 수 있다. 연중 가동할 수 있는 이 고밀도 설비 때문에 탱크 공간을 보다 잘 활용할 수 있다. 양식 단계가 끝날 무렵에 작은 중간 육성조에서 육성을 시작하여 수확이 끝나면 바로 본 양성지로 투입할 수 있다. 이것은 중간 육성 탱크보다 최대 10 배 큰 본 양성 탱크에서 지속적인 생산 회전이 이루어 지도록 한다.

바이오플록 시스템을 운영하지 않는 시스템 관리자조차도 바이오플록 보육 시스템의 혜택을 볼 수 있다. 재래식 호지에서 새우를 양식하는 일부 양식자들은 호지 근처에 작은 온실을 건설하여 바이오플록 보육 시스템을 운영한다. 단열 건물의 실내 바이오플록 시스템은 이 기술의 적용을 위한 또 다른 옵션이다. 양식자들은 기후에 관계없이 이런 보유 시스템에서 양식을 시작할 수 있기 때문에 상대적으로 다른 사람보다 먼저 양식을 시작할 수 있게 된다. 또한 본 양성 전에 중간육성조에서 새우를 키우면 조기 사망 증후군(EMS)과 같은 질병의 영향을 줄일 수 있다는 일화적 증거가 있다.

어느 초밀식 시스템에서나 바이오플록 미생물 군집을 확립하는 것은 어렵다. 질산화 박테리아의 발달이 느릴 수 있다. 이것은 단백질 함량이 높은 사료를 주기 때문에 더 많은 질소 성분이 물에 유출되는 양식장에서는 문제가 될 수 있다. 암모니아와 아질산염 농도가 높아지면 탄수화물을 적절하게 첨가하면 그 농도를 낮출 수 있다. 그러나 일부 암모니아와 아질산염은 질산화 박테리아에 의해 제거 돼야지 전적으로 종속 영양 미생물에 의존하는 것은 바람직하지 않다. 상업용 질산화 미생물 제품의 사용을 고려할 수 있다. 많은 제품들이 비용이 많이 들고 기능이 일관되지 않게 보이지만 즉시 이용할 수 있는 다양한 제품이 있다. 이러한 제품을 바이오플록 시스템에 첨가할 때 발생할 수 있는 문제는 이미 존재하는 미생물의 농도가 높기 때문에 새로운 미생물의 정착이 쉽지 않다는 것이다. 이러한 점을 감안할 때 미생물 관리를 통해 미생물 군집을 구성하는 것이 바람직한 결과를 얻기 위한 보다 효과적인 전략이다.

미생물이 확립되는 기간 동안 암모니아 농도는 매우 면밀히 감시되어야 한다. 암모니아가 검출되면 아질산염의 농도 또한 일상적으로 측정해야 한다. 이 기간 동안 탄수화물을 추가하는 것 외에도, 미생물군이 더 많은 양의 질소를 동화할 수 있을 때까지 적당량의 질소만 첨가되도록 사료 공급량을 조절해야 한다. 이 기간 동안 단백질 함량이 적은 사료를 사용하거나 혼용하는 것이 좋다. 또한 온도를 조절할 수 있는 경우 온도를 낮추면 일반적으로 대사물 배설 속도가 줄어들어 박테리아 개체군이 질소 폐기물을 처리하는 데 시간을 벌게 된다.

일단 질산화 박테리아 집단이 확립되면 그 상태가 유지되어야 한다. 적어도 그 물의 일부는 본 양성지로 옮겨져야 한다; 중간육성조의 물은 재사용되는 것이 이상적이다. 만약 기존의 바이오 플록 물을 미래의 사용을 위해 저장할 필요가 있다면, 이는 폭기되어야 하고, 바이오 플록은 현탁 상태로 유지되어야 하며, 염화암모늄이 박테리아 개체군을 유지하기 위해 정기적으로 첨가되어야 한다. pH를 유지하기 위해서는 완충제를 첨가해야 한다. 또한 탄소원으로 쉽게 용해되는 탄수화물을 첨가할 필요가 있다. 바이오플록 미생물군을 유지하기 위한 새우 사료의 첨가는 탄소와 질소의 분해와 방출에 몇 주가 걸릴 수 있기 때문에 권장하지 않는다. 미 사용된 사료는 곰팡이 및 기타 원치 않는 유기체를 자라게 하는 경향이 있다.

 

Biofloc 씨스템 평가

바이오플록 양식 시스템을 운영 할 때의 장점은 이 책과 점점 증가하는 과학 및 기술 논문집에 잘 설명되어 있다. 바이오플록 시스템에서 고형 입자의 양을 제어하는 ​​것은 초밀식 새우 양식 시스템의 기능을 최적화하는데 필수적인 관리임이 입증되었다. 입자, 고체, 부유 고형물 및 바이오플록이라는 용어는 모두 이 장에서 서로 바꾸어 사용할 수 있다. 침전을 위해 설계된 특정 지역 외에서 모든 입자는 부유상태에 있는 것이 이상적이다.

덜 집약적인 바이오플록 시스템에서는 슬러지 농도를 계속 관찰해야 하지만 상대적으로 입자 관리가 덜 중요할 수 있다. 보다 집약적 양식 시스템에서는 사료 투입량이 많아지면서 입자가 빠르게 농축될 수 있다. 탄수화물 첨가 또한 입자 농도와 미생물 증가에 기여한다. 탄수화물을 투입한다면 입자 관리 계획도 병행되어야 한다. 입자의 농도 또는 존재량을 추론하는 세 가지 공통적으로 사용되는 방법이 있다: 총 부유 고형물 (TSS), 탁도 및 플록부피 (FV, 또는 침강성 고형물). 부유 물질과 관련된 방법론 및 모니터링에 관한 세부 사항은 18 장에 제시되어 있다.

바이오플록 농도 관리

초밀식 새우양식 시스템에서 부유 고형물 농도를 제어하기 위해서 외부 침전조가 사용된다. Ray와 그 동료들(2010)에 의하면 초밀식 새우양식 시스템에서 인접한 침전조를 운영할 때 TSS를 59 % 감소시키는 것으로 나타났다. 저자들은 또한 침전조가 없는 시스템에 비해 질산염과 인산염이 약 60% 감소했고, 알칼리도는 33% 증가했다고 밝혔다. 이것은 침전조에서 탈질화가 일어났다는 징후일 수 있다. 또한, 이들은 새우 생산량이 침전조 사용을 통해 41 % 증가한 것을 발견했다. 이 연구는 이러한 시스템에서 고형물 관리의 이점을 입증하는 데 도움이 되었으며 단순하고 비용이 적게 드는 침전조를 이용하여 관리가 이루어질 수 있음을 보여주었다. 침전조를 통한 물 순환 속도를 변화시킴으로써 양식지의 바이오플록 농도를 조절할 수 있다.

* 새우 양식조에 담긴 PVC 파이프 안에 위치한 세라믹 에어 디퓨저가 물을 파이프 위로 이동시켜 침전조로 이동시킨다. 그런 다음 물이 큰 직경의 침전조로 들어가 속도가 느려진다. 입자가 바닥에 침전되고 침전조 표면에 있는 맑은 물이 새우 양식조로 되돌아간다.

외부 침전조는 양식장 외부에 입자가 침전되기 때문에 편리하다. 새우는 침전된 물질에 직접 노출되지 않는다. 그러나 이러한 침전조는 때로 유기물의 분해로 인해 양식장으로 암모니아를 되돌릴 수 있다. 침전조를 이용하여 입자를 침전시키는 것은 저 에너지, 고효율로 바이오플록 농도를 제어하는 방법이다. 침전은 대개 직경이 약 100 μm 이상인 큰 입자를 제거하는 데 가장 효과적이다. 원추 모양이 침전된 슬러지를 제거하는 데 도움이되므로 원추형 바닥이 있는 침전조가 선호된다.

초 밀식 시스템에서 입자 농도를 조절하기 위해 사용하는 또 다른 장치는 스키머(Foam Fractionator)이다. 스키머는 노즐을 작동시키기에 적절한 압력을 생성하는 노즐 및 펌프를 사용해야 한다. 상업적으로 이용 가능한 스키머가 있지만, 현장에서 제작 설치하면 비용을 크게 절감할 수 있다. 이러한 장치가 입자를 침전시키는 것보다 더 큰 장점은 스키머가 일부 용해된 유기 화합물을 포함하여 광범위한 입자 크기를 제거할 수 있다는 것이다. 일부 단점은 스키머에 의해 제거되는 양과 물질이 일정하지 않을 수 있으며 침전 시스템보다 많은 양의 물을 사용한다는 것이다. Samocha 와 동료들 (2010)은 초밀식 새우 레이스웨이 시스템에서 스키머를 사용하는 것과 외부 침전조의 사용을 비교했다. 그들은 질산염이 탈질로 인해 침전조가 있는 시스템에서 더 낮지만 두 유형의 입자 관리 장치 사이에서 새우 생산에 중요한 차이가 없다는 것을 발견했다. 초밀식 새우 시스템에서 어떤 것이 고형물 여과에 더 적합한지 대하여 추가 연구가 필요할 수 있다. 스키머는 장기간에 걸쳐 누적될 수 있는 용해된 오염 물질을 제거할 수 있으므로 장기간의 물 재사용을 용이하게하는 것이 가능하다.

비드 필터와 같은 몇 가지 다른 유형의 고체 관리 필터를 사용할 수 있습니다. 그러나 가능한 한 적은 양의 물을 사용하는 것이 목표 인 초밀식 새우 양식 시스템의 경우 정착 시스템과 분별 기가 현재 가장 보편적인 장치이다.

바이오플록 및 다른 RAS 시스템이 직면한 중요한 문제는 제거된 물질의 폐기 또는 바람직한 재사용이다. 이 책의 제 8 장에서는 이 물질을 수생 동물의 영양 공급원으로 사용함으로써 낭비되는 영양소의 재활용에 대해 언급했다. 다른 옵션으로 식물을 위한 비료로 사용하는 것이다. 바다 새우 양식장의 폐기물은 염소에 대한 많은 식물의 낮은 내성으로 인해 문제가 될 수 있다. 그러나 연구 대상중 하나는 소금습지나 사구 복원 프로젝트에서 사용되는 것과 같이 폐기물을 염생 식물을 위한 비료로 사용하는 것이다 (Ray et al., 2011).

TSS 농도의 효과

TSS의 농도에 대한 제어는 초밀식 바이오플록 시스템에 중요하다. 입자의 농도 관리가 아가미 막힘 감소, 더 젊고 건강에 좋을 가능성이 있는 미생물 군집의 촉진, 성가신 유기체의 제거, BOD 감소 등의 원인을 생각할 수 있지만 정확히 어떻게 새우의 생산량을 향상시키는지에 대해서는 불분명하다

Ray 와 동료들(2009)은 초밀식 새우양식 시스템에서 입자 농도를 감소시킴으로써, 광합성 활성 방사선이 주요 생산성과 마찬가지로 수층에서 유의하게 증가한다는 것을 발견했다. 그들은 입자 제거로 박테리아, 시아노 박테리아, 선충류 및 로티퍼의 총량이 감소했다고 보고했다. 이 연구는 간단한 입자 관리가 초 밀식 시스템의 미생물 군집에 상당한 변화를 일으킬 수 있음을 입증하는 데 도움이 된다. 그러한 변화가 어류 생산에 영향을 미칠 수 있는지를 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

Brunson과 그 동료들(2011)이 최근 초밀식 바이오플록과 관련된 5 개의 실험적 양식을 하였다; 하나는 고형물은 제거되지 않았고, 나머지 4 개에서는 침전조를 두되 가동 시간에 차등을 두고 운전되었다. 가장 극단적인 처리에서 침전조를 연속적으로 가동하고 반송 라인에 250μm 메쉬 백이 설치되었다. 저자들은 새우 생산량과 TSS간에 역상관 관계가 있음을 발견했다. 연구팀은 TSS 농도가 감소하면 엽록소 농도가 감소하고 사료 전환율 (FCR)이 감소하는 것으로 나타났으나 새우의 성장률이나 최종 개체의 체중에 유의한 영향은 없었다는 것을 발견했다. Almeida와 동료들(2011)도 유사한 연구를 실시했으며 TSS가 낮을 때 개선된 FCR을 발견했다. Almeida와 동료들(2011)은 또한 TSS 농도가 낮을 ​​때 일반적으로 생존율이 향상됨을 관찰했지만 TSS 100, 200 또는 400 mg/l에서 양식한 새우의 체중 증가 및 FCR은 거의 동일했다. TSS가 800 mg/l 일 때 새우 성능이 현저하게 낮았다.

연구에 따르면 일반적으로 TSS 농도를 일정 값 이상으로 낮추면 새우 생산량을 향상시킬 수 있다고 지적했다. 그러나 Ray 와 동료들은 상업적 규모의 50 m³ 새우 레이스웨이에서 약 200 mg/L 이하의 TSS 농도에서 질산화율이 감소된 반면, TSS 농도가 약 300 mg/L에서는 질산화가 진행되었음을 발견했다.

초밀식 시스템을 위한 최적의 TSS 농도 범위를 결정하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. TSS 관리 수준을 결정할 때 생산 목표, 폐기물 처리 기술 및 영양소 순환 전략을 고려해야 한다.

경제적 고려 사항

현재 상업적인 초밀식 바이오플록 시스템이 많지 않고 공개된 정보로서 시스템 경제성에 대한 데이터가 부족하다. 수익성을 높이려면 생산 원가를 크게 낮춰야 한다. 또한 이러한 시스템에서 양식되는 어류의 판매 가격을 높이기 위해 특별한 마케팅 노력을 기울여야 한다.

초밀식 바이오플록 시스템의 수익성에 영향을 미치는 경제적 요인에 대한 개요는 Hanson 과 그 동료들(2009)에 의해 제시되었다. 이 저자들은 경제적으로 중요한 생산 변수를 상세히 분석할 수 있는 모델을 만들었다. 미국 남동부의 총 생산 원가는 kg 당 $5.40로 추정되었다. 저자들은 생산 비용을 절감할 수 있는 생물학적 개선이 새우의 생존율이라는 것을 발견했다. 생존율이 20 % 증가하여 생산 비용을 kg 당 $ 0.80로 줄일 수 있었다.

이러한 시스템을 수익성 있게 만드는 또 다른 중요한 목표는 생산의 일관성을 개선하는 것이다. 현재 최종 생산 가치는 생물학적 및 기계적 문제로 인해 미국에서 이러한 시스템을 연구하는 연구 기관에서 종종 가변적이다. 문제가 되는 생물학적 쟁점 중 일부는 성장률이 낮고 적절한 pH를 유지할 수 없으며 높은 미생물 호흡률 및 높은 CO₂ 농도로 인한 것일 수 있으며 어류의 세균 감염이 원인 일 수 있다. 기계적 문제 중 일부는 펌프 고장 및 산소 공급 시스템 고장을 포함한다. 생물학적 문제를 해결하기 위한 연구가 진행 중이다. 기계적 문제는 중요한 생명 유지 시스템의 일환으로 해결될 것이다.

초밀식 바이오플록 시스템의 위치는 중요한 경제적 영향을 미친다. 추운지역에서는 열대성 어류의 적절한 성장률을 촉진하기 위해 온도를 증가시켜야 한다. 일부 지역에서는 비닐하우스가 적합 할 수 있다. 그러나 다른 지역에서는 절연 건물이 필요할 수 있다. 일반적으로 물을 직접 가열하는 것이 더 효율적이나 경우에 따라서는 공기를 가열하면 응축수를 줄일 수 있어 금속이 부식되는 것을 방지할 수 있기 때문에 더 효과적일 수 있다. 양식장의 위치는 물의 비용에 영향을 줄 수 있다. 해양 어류의 경우 해수 또는 인공 염의 비용이 내륙 지역에서 상당히 클 수 있다. 이러한 이유로 초 밀식 바이오플록 시스템에 대한 연구는 일반적으로 엄격한 용수 사용 제한을 중심으로 이루어진다.

일반적으로 초밀식 시스템 및 대부분의 양식 시스템에 가장 비싼 가변 비용은 사료에서 발생한다. Hanson 과 그 동료들(2009)은 사료비가 초밀식 바이오플록 시스템 운영 비용의 37 %를 차지한다고 추정했다. 이 문제를 해결하기 위해 많은 작업이 진행되고 있다. 초 밀식 시스템의 밀집된 미생물 군집이 중요한 사료 성분을 보충하는 데 도움이 된다는데 기초하여, 다른 양식 시스템에서 영양학적으로 보다 완벽한 사료에 대해 탐구되고 있다. 예를 들어, 저단백질 사료와 전통적인 해양 물고기로 만든 단백질이 아닌 다른 단백질 공급원을 이용한 사료가 성공적으로 사용되었다 (Azim et al., 2008; Ray et al., 2010a).

초밀식 바이오플록 시스템이 친 환경적이며 식물 사료로 양식하는 것 등은 좋은 마케팅 기회로 이어질 수 있다. 환경 친화적이거나 영양적으로 뛰어난 제품을 마케팅하면 이러한 시스템의 잠재적 수익성을 높일 수 있다. 생산자는 이렇게 생산된 어류를 다른 어류와 명확하게 구분하여 신중하게 판매해야 한다. 특정 시장에서 경쟁이 문제가 된다면 제품의 매력을 더욱 향상시킬 수 있는 옵션이 있다. 이러한 옵션에는 새우의 질감, 풍미 또는 모양을 바꾸기 위한 사료 사용, 생산된 새우의 크기 변경, 염수 딥(Brine Deeps)을 사용하여 풍미를 바꾸는 것 등이 포함된다. 이러한 옵션은 재래식 양식에서 하기 힘든 초밀식 바이오플록이 갖은 장점이기도 하다.

결론

바이오플록 새우 양식 시스템은 전통적인 새우 양식을 대체할 수 있는 실행 가능한 대안이다. 이 시스템의 미생물 군집이 새우 생산자의 목표에 따라 적절하게 관리될 때 초밀식 시스템으로 운영될 수 있다. 이것이 용존 산소 고갈과 같은 기계적 또는 생물학적 복잡성에서 더 큰 위험을 초래할 수 있지만 실질적으로 작은 공간과 적은 물 사용으로 더 많은 새우를 생산할 수 있는 장점이 있다.

초밀식 새우 양식 시스템은 다소 독특한 공학 및 관리 기준을 필요로 한다. 이러한 문제 중 상당수는 양식업계뿐 만 아니라 과학계에서도 여전히 탐구되고 있다. 중요한 관심사는 물 추진력, 산소 공급, 적절한 새우 밀도, 고형물 관리 및 폐기물 재사용을 포함한다. 책임 있는 양식 개발이 진전될 경우, 미래에는 반드시 집약적인 바이오플록 시스템 또는 이 기술의 일부를 이용한 양식 시스템이 자리를 잡을 것이다.

실용적인 응용 및 팁

1. 흰다리 새우(L. Vannamei)에서는 300-500 새우/m³와 같은 매우 고밀도까지 양식이 가능하다. 그러나 다른 종류의 새우에서는 어떨지 아직 모른다.

2. 초 밀식 시스템은 생산지가 큰 도시에 가까울 때, 특히 추운 계절에 온도 조절이 필수적인 경우에 명확한 이점이 있다. 생산 비용이 많이 들기 때문에 이 시스템은 신선하고, 고품질의 현지 새우가 요구되는 곳이 가장 경제적으로 매력적인 틈새 시장이다.

3. 높은 사료 투입과 많은 미생물로 인해 부유 고형물에 대한 세심한 통제가 필요하다.

연구과제

초밀식 용량과 그 활용 능력의 개발은 매우 극적인 것이다. 그러나 고려해야 할 변수가 많이 있다. 새우의 밀도와 환경 변수에 대한 통제 수준은 이 시스템이 어떻게 기능하는지를 결정 짓는 두 가지 중요한 쟁점이다. 제어 및 모니터링 시스템을 평가하고, 실내 시스템에 대한 다양한 조명 시스템의 영향을 조사하고, 불일치를 극복하기 위해서는 추가 작업이 필요하다.

사료 이용 개선, 에너지 절약 및 인프라 비용 감소가 최우선 순위로 생각된다. 낮은 물 순환율, 고밀도 미생물 군집 및 영양 등을 고려하여 특별하게 설계된 사료가 만들어져야한다. 사료는 경제성과 어류의 품질에 중요할 뿐 만 아니라 미생물의 기능을 도와줄 수 있어야 한다.

 

바이오플록 배후의 생물공학과 생물학

개요

Biofloc 기술 (BFT)은 양식 분야에서 점점 더 자리 잡아 가지만, 종종 비-공학적 접근 방식으로 수행하는데 머물고 있다. 미생물 응집의 생물학적 및 생물 공학적 기초에 대한 높은 이해가 BFT 실행을 더욱 최적화하도록 이끌 수 있다. 이러한 지식을 이용한 양식 호지가 바이오 플록 (bioflocs) 형성이 더 잘 관리되고 특별한 임무를 수행한다. 플록 형태뿐만 아니라 플록 조성(영양학적) 및 플록 생산은 양식자의 BFT 매개 변수 선택에 의해 어느 정도 조정될 수 있다. BFT 시스템의 이러한 조정을 위해 폐수 처리 시스템 분야에서 중요한 학습을 배워 양식환경에 맞게 전환하였다. 이 장에서는 호지 내에서의 바이오 플록 응집법에 대한 방법론을 검토하고, 플록 형태 및 플록 조성에 대한 다양한 양식호지의 작동 매개 변수와 영향에 대한 개요를 제공한다. 서로 다른 매개 변수들 사이의 관계가 기술되어 있으며, 추가적 연구에 대한 제안이 있다. 양식업에 있어 실용적인 관점에서 볼 때 영양 가치가 높은 미생물 플록을 확보하는 것은 중요한 일이다. 이와 연관하여, 양식 동물에 쉽게 흡수될 수 있고, 에너지 또는 부가 가치 제품이 풍부한 바이오 플록으로 이끄는 전략은 특히 중요하다. 또한 바이오 플록 생산 관리는 양식 호지에서 질병 발생을 통제하는 핵심 매개 변수가 될 수 있다.

바이오플록 형성을 주도하는 생물학적 선택 기준

바이오 플록은 미생물 (플록 형성자와 섬유질 박테리아), 입자, 콜로이드, 유기 고분자, 양이온 및 죽은 세포의 다종 혼합물로 구성되어 있으며 크기가 1000 μm 이상일 수 있다. 전형적인 플록은 형태가 불규칙하며, 입자 크기가 다양하며, 미세하고, 쉽게 압축 가능하며, 다공성 (99 % 기공일 수 있음)이며, 투과성이 있다. 플록으로 뭉쳐지면 미생물도 침전할 수 있게 된다. 침전은 플록이 빛의 유해한 영향을 피할 수 있게 하고, 상위층에서 먹이를 먹는 더 높은 유기체에 의해 먹히는 것을 피하거나, 더 많은 음식을 섭취할 수 있는 선택적 이점을 구성할 수 있다. 스톡 (Stokes)의 법칙은 층류가 있는 현탁액에서 불침투성 입자의 침전을 기술하며, 침강 속도가 다음 식에서처럼 입자의 크기에 비례함을 나타낸다:

여기서 V는 입자의 침강 속도, d는 입자의 직경, g는 중력, p_s는 입자의 밀도, p_i은 액체의 밀도 (p_s가 p_i보다 작으면 입자는 물에 뜬다)이고, p는 유체의 동점도(kinematic viscosity)이다. 미생물 응집체를 통과하는 기공 및 물의 흐름으로 인해, 실제 항력은 스토크스 (Stokes) 법칙에 의해 예측된 것보다 더 빨리안정화 된다. 미생물 응집체의 침전을 모델화하기위한 노력이 있었으며, 이것들은 Stokes’law에 의해 예측된 것보다 약간 더 높은 속도로 정착되는 것으로 밝혀졌다. 침전이 잘된 플록이 양식어류의 사료 공급원으로 반드시 손실되는 것은 아닌데, 이는 양식호지에 10 W/m³ 동력으로 물을 혼합하기 때문에 플록이 浮游하게 되기 때문이다.

개별 박테리아 세포는 일반적으로 1 μm 정도의 크기이다. 이것은 이러한 유기체가 영양분과 폐기물의 대량 전이를 방해하는 얇은 액체 층으로 둘러싸여 있음을 의미한다. Reynolds 수 (Re = 특정 상황에서의 유체 흐름이 층류인지 또는 난류인지를 나타내는 무차원 매개 변수) 계산은 박테리아 세포, 심지어 자유롭게 분산된 경우에도 2300보다 훨씬 낮은 값으로 나오는데 이는 층류의 상한 값이다. 즉, 층류 체제는 항상 100μm보다 작은 박테리아 주위에 존재하며 물줄기를 통과할 때 양분 물질 전이를 방해한다 (그림 15.1). 이는 기질 소모율이 기질 공급 속도를 초과할 때 물질 전이의 제한을 초래할 수 있다.

미생물은 BFT 에서처럼 플록에서 자라면서 영양염 확산 문제를 해결하는 것으로 간주됩니다. 세포 응집은 플록 형성하여 영양물질을 섭취하는 데 유리하게 하기위한 에너지 투자이다. 그 이유는 응집된 미생물 군집의 다공성 내부 구조에서 발견될 수 있다. 플록의 다공성은 물이 최소 저항의 경로를 따라 흐르는 원리로 기공을 통과하면서 와류가 형성되게 한다. 결과적으로, 와류 흐름에 의해 플록 내의 미생물에 공급되는 양분의 양은 층류(잔잔한 흐름)에 의해 개별 세포에 공급되는 양보다 높다고 간주된다. 따라서 양분의 가용성은 최대 2 배까지 증가할 수 있다.

생물학적 응집에 의한 이점은 플록 내의 세포에 대한 물질 전달 속도를 분산된 세포에 대한 물질 전달율과 비교함으로써 나타낼 수 있다. 이것은 상대적 섭취량 (y)에 의해 표현된 것으로 유체 속에 분산된 세포에 의한 흡수율에 비해 플록 속에서 성장하는 세포에 의한 흡수율의 비율로 정의된다. 여기서 플록과 분산된 세포는 모두 동일한 유체적 환경에 있다. 상대 섭취 계수가 1보다 크다면, 플록에서 사는 것이 유리하며, 미생물은 스스로 응집체를 구성한다.

상대 섭취 계수는 폭기 및 혼합을 위해 물에 공급되는 동력의 함수이다. 결과적으로, 물에 유입되는 동력은 플록 형성 및 플록 형태가 관리되게하는 하나의 요소이다. 일반적으로 0.1~10 W/m³을 양식에 적용한다. 상대 섭취 계수가 Logan 및 Hunt(1988)에 따라 투과성 플록에서 조직화된 1μm 세포에 대한 동력 함수로 계산될때, 낮은 혼합 범위에서 관찰한 결과 플록에서 사는 세포가 분산된 세포들보다 확실한 잇점을 갖는다는 것을 볼 수 있다. (그림 3) 그림 3의 특정 예에서 나타나는 최대 유체 전단율은 약 90W/m³이다. 이 가치를 넘어서는, 분산된 세포는 플록 (floc)에 서식하는 세포를 능가할 것이다.

10 W/m³의 전단율은 바다의 혼합을 나타낸다(——); 약 30 W/m³의 전단율은 폭기된 활성 슬러지에서의 혼합을 나타내고( ), 0.1~10 W/m³의 전단율은 대부분의 양식 시스템에서의 혼합에 해당한다.

양식 호지의 경우, 전단율에 대한 적용 값(0.1~10 W/m³)은 일반적으로 자연적 플록 형성에 해당되는 값으로 선택적 이점이 있다. 그러나 이것은 단지 대략적인 수치이며 이론적 계산에 근거한다는 점에 유의해야 한다. 그럼에도 불구하고 BFT 양식 설계에 사용될 수 있음은 확실하다. 사실 지금까지 이 접근법은 주로 기존의 양식 방법인 재래식 순환여과 시스템을 BFT 로 대체하는 것이었다. 따라서 바이오플록 생산 관리에 대한 변동 정도는 제한적이었다. 수학적 배경이 이러한 접근이 가능하도록 했는데 이는 바이오플록 생산은 수처리 기술에서 따와서 설계되어 양식 체계의 설계 전반을 이룬다. 이러한 것이 출발점을 이끌지만, 최적의 전원사용량은 각각의 배양 단위에 맞게 조정되어야 한다. 다양한 전원 입력에서의 플록 형성을 평가하면 최적의 바이오플록 성장을 위한 범위를 결정할 수 있으며, 그 범위 내에서 각 전력 입력은 다양한 크기의 플록 분포를 초래할 것이다. 필요한 플록 크기 (분포)는 주로 배양된 종에 따라 다르다. 다 성장한 동물은 큰 플록을 먹을 수 있지만 다 성장하지 못한 동물은 작은 플록을 선호하고 필요로 한다. 후술하는 바와 같이, 동력 입력은 혼합 강도 및 용존 산소 농도와 같은 다른 인자와 강하게 관련되어 있다. 분명한 것은, BFT에서는 경험에 의해 가장 적합한 물의 흐름을 만들어 내는 범위내의 동력을 사용하는 것이 안전하다.

플록 형태와 플락 조성에 영향을 주는 양식호지의 운전 매개변수

활성 슬러지 시스템에서 플록 형성을 촉진하는 방법에 관한 지식이 BFT에서의 응용되어 사용될 수 있다. 표 1에 열거된 매개 변수는 양식 유기체에 대한 최적의 성장 조건과 함께 우수한 응집 및 고품질의 생물 플록을 얻기 위해 조정될 수 있다. 대부분이 강하게 상호 연관되어 있기 때문에, 많은 경우 매개변수를 변경하여 어떤 특정 결과를 예측하기가 쉽지 않다. 지금까지 알려진 바에 따르면, 논의된 운전 매개 변수와 BFT 시스템의 기능 또는 바이오플록 품질 간의 관계에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. BFT 양식자는 플록 구조 및 플록 구성과 그것을 지원하는 물리적 또는 생물학적 기작에 영향을 주는 일련의 요인들을 알아야 한다. 모든 세부 사항까지 알 필요는 없기 때문에, 양식자는 BFT 시스템을 운전함에 있어 이러한 조작으로 인해 일어날 수 있는 잠재성에 대한 아이디어를 가질 수 있으며, 그에 따라 더 바람직한 방법으로 원하는 결과를 향해 작업할 수 있다.

 

2.1 교반 강도

특정 동력에서 선택된 폭기 장치에 의해 부과된 혼합 강도는 안정 상태 플록 크기를 결정할 것이며, 이것은 응집율, 파손율 및 재응집율 사이의 평형뿐 만 아니라 플록 크기 분포를 결정한다. 앞서 언급했듯이 일반적으로 양식장 시스템에서 에너지 소모는 양식 체계에서 0.1 – 10 W/m³ 범위이다. 그러나 고도로 집약적인 수처리 시스템에서는 100W/m³까지 올릴 수 있다. 보다 높은 혼합 강도 및 더 높은 전단율에서, 플록 파손 증가로 인해 평균 플록 크기는 작아진다. Biggs와 Lant(2000)가 보여준 바로는 활성 슬러지의 경우, 19.4/초 (약 0.5 W/m³)의 평균 속도 구배(G 값)에서 안정적으로 응집된 셀 크기가 약 130μm인 반면, 약 346/초 (약 125 W/m³)의 속도 구배에서는 약20μm 로 감소했다.

플록 크기와 혼합 강도 사이의 관계는 Parker et al. 에 의한 동력법 관계는 d = CxG^-x이고, 여기서 d는 최대 안정 플록 크기, G는 평균 속도 구배, C는 플록 강도, x는 안정 플록 크기이다. BFT의 경우 안정된 양식 플록 크기는 중요한 특징인데 양식어종이 다양하기 때문에 사료의 질이 사료 크기에 의존하기 때문이다. 따라서 양식되는 어종의 발달 단계에 맞는 플록 크기를 맞추기 위해 BFT 운전을 조정할 수 있어야 한다.

2.2 용존 산소

대체 폭기 장치 또는 다른 전원 입력을 사용하여 혼합 강도를 변경하면 물의 용존 산소 (DO) 농도에 직접적인 영향을 준다. DO 농도는 호기성 플록 내에서 세포의 대사 활성에 필수적 일뿐 만 아니라 플록 구조에도 영향을 줄 수 있다. 더 높은 DO 농도에서 더 크고 더 조밀한 플록이 있는 것으로 보인다(Wilen and Balmer, 1999). 침전성은 높은 DO 값 (2.0 ~ 5.0 mg L-1)에서 침전하는 것에 비해 낮은 DO 값 (0.5 ~ 2.0 mg L-1)에서 보다 더 나쁘게 나타나는 것으로 보인다. 이것은 낮은 DO에서는 동물성 박테리아에 비하여 사상균이 더 많이 존재한다는 것을 알 수 있다. 사상균은 산소에 대한 친화도가 높기 때문에 산소가 부족한 경우 동물성 박테리아를 능가할 수 있어 미생물 플록을 지배하는 경향이 있다. 이전 연구에서, 높은 플록체적지수(FVI)를 가진 바이오 플록은 호지의 DO 농도가 낮을 때 생성된 것을 알 수 있다. FVI는 물속에 있는 플록 덩어리가 나타내는 부피로 정의된다(mL/g). FVI가 작을수록 플록의 침전성은 우수하다. 더 높은 FVI를 가진 플록은 양식 유기체가 호지의 바닥으로 최종적으로 침전되고 사료로서 기능을 잃기 전에 현탁액으로부터 플록을 여과할 수 있는 더 많은 기회를 제공한다. 그러나 높은 FVI의 부정적인 영향, 예를 들어 물고기 아가미를 막히게 하는일 등도 또한 고려되어야 한다. 필요한 FVI는 배양중인 어종에 따라 달라 지므로, 이 매개 변수에 대한 정보를 얻기 위해 추가 실험을 수행해야 한다.

또한 양식어종의 성장 특성과 스트레스 저항성은 물에 녹아있는 용존 산소량에 크게 좌우된다. 미래의 연구를 위한 도전 과제는 양식어종에 필요한 충분한 산소와 너무 빨리 가라 앉지 않는 바이오 플록 (bioflocs) 생산 사이의 정확한 균형을 이룰 수 있는 용존산소 농도(DO)에서 BFT 시스템을 작동시키는 것이다.

2.3 유기 탄소원

바이오 플록 호지의 물에 유기 탄소원을 투여하는 것은 때때로 적절한 바이오 플록 생산을 촉진하기 위한 전제 조건이다. 유기 탄소는 추가적인 유기 탄소원 (예: 설탕, 아세테이트, 당밀, 글리세롤 등)으로 공급되거나 사료 성분을 변화시켜 탄소 함량을 증가시킴으로써 공급될 수 있다. 물고기에 의해 배설되는 질소의 양을 토대로 밀식호지에 필요한 유기물의 양을 이론적으로 계산할 수 있다.

바이오 플록의 품질은 영양가 측면에서 양식어에게 추가 사료 공급원이 될 수 있기 때문에 매우 중요하다. 바이오플록 기술에 관한 여러 연구에서 발표된 바이오플록의 영양 성분은 표 2제시되어 있다.

표 15.2의 연구에서 볼 수 있듯이 플록의 조성은 플록을 성장시키는 데 사용된 탄소 기질에 따라 상당히 다를 수 있다. 이는 조성이 유기 탄소원의 선택에 의해 최적화될 수 있음을 의미한다. 그러나, 플록의 영양적 조성에 대한 유기탄소원의 영향에 대한 연구가 지금까지는 거의 존재하지 않는다. 플록의 영양적 가치를 극대화하는데 주로 초점을 두는 이러한 연구가 필수적이며 플록의 영양학적 특성을 최적화하는 방법에 대한 지식을 명확하게 증가시킬 것이다. 플록에서의 지질의 존재는 일반적으로 부족한 것으로 보이기 때문에, 조류를 포함시키는 것이 좋은 생각으로 보인다. BFT 물에 빛을 비추는 효율을 증가시킴으로써, 플록의 지질 상태가 증가될 수 있다.

단백질, 지질, 회분 등과 같은 것만 플록의 질로 고려되선 안된다. 미생물 저장제 poly-b – hydroxybutyrate (PHB)도 중요하다. 이것은 용해성 유기탄소로부터 다양한 미생물에 의해 생성된 세포내 생분해성 고분자이다. 이는 박테리아의 탄소와 에너지 저장에 관여하며 세포 건조 물질의 80 %까지 축적할 수 있다.

PHB는 고등 생물체의 장에서 분해 중합된 것으로 여겨지며, 또한 알테미아(Artemia franciscana)에서 비브리오(Vibrio) 감염에 대한의 예방 또는 치료 보호제 역할을 하며, 새우 및 물고기 유생의 성장과 생존을 촉진하는 것으로 나타났다. 박테리아 세포로부터의 방출시, 예를 들어, 세포 사멸 및 분해로 인해, PHB의 분해는 세균 및 진균류에 의해 분비되는 엑스트라셀룰라 효소에 의해 수행된다. 이로 인해 3- 하이드 록시 부티레이트가 주위 장내 환경으로 방출되고 병원성 균에 대한 억제 작용을 나타낼 수 있다.

바이오플록 (bioflocs)에서의 PHB의 축적은 자연스럽고 쉽게 형성된다. Biofloc 건조 중량에 대해 최대 16 %의 PHB 함량이 이미 측정되었다. 그러나 PHB는 폴리하이드록시 알카노에이트 (polyhydroxyalkanoates)의 전체 계열 중 단지 하나의 화합물이다. 탄소 기질의 상이한 구조는 다양한 유형의 폴리하이드록시알카노에이트를 초래할 것이다. 각 경로는 다른 유전자에 의해 암호화된 다른 효소를 사용한다. 아세테이트의 존재는 주로 저장 고분자로서 폴리 -b- 하이드록시 부티레이트를 유도하지만, 이들은 프로피오네이트 투여의 경우, 3-하이드록시-2-메틸발레레이트 와 폴리하이드록시발레레이트이다. 박테리아 세포와 혼합된 미생물 배양액에서 PHB의 축적에 대한 상당한 과학적 지식이 있지만, 양식을 위한 바이오 플록에서 PHB 함량을 최대화하려는 노력은 많이 이루어지지 않고 있다.

유기탄소에 관한 BFT가 나가야할 방향은 바이오디젤 생산의 부산물인 글리세롤 (glycerol)과 같은 다른 공정에서 생기는 중저가 제품을 유기탄소원으로 사용하는 것이다. 우수한 사료 공급원을 대표하는 바이오플록 (bioflocs)의 생산을 목표로 삼아야하며, 바람직하게는 에너지가 풍부한 화합물, 배양된 어류에 대한 부가 가치가있는 화합물 (예: 프리바이오틱)을 축적해야한다.

2.4 유기물 부하율

유기물 부하율 또는 유기탄소 투입 전략 또한 BFT에 있어 중요 할 수 있다. 이는 일정 시간 (kg 유기탄소/m³/일) 동안, 양식 호지 물의 부피 당 투입되는 탄소의 양을 나타낸다. 유기탄소는 소량씩 여러 번 첨가할 경우 거의 연속적인 형태가 된다. 이는 바이오 플록에서 미생물이 유기 탄소를 지속적으로 이용할 수 있게 한다.  다른방법으로는 일정의 시간 간격으로 많은 양의 탄소를 첨가하는 것이다. 두 번째 방법은 미생물에게 풍부와 기근 정책으로 알려진 탄소가 너무 많거나 혹은 거의 없는 환경을 인위적으로 조성하는 것이다. 이러한 방법은 미생물이 PHB를 많이 저장하게 유도하는 방법이다. 미생물이 양분이 없는 시기에 대비하여 많은 양의 양분을 세포에 저장하는 것이다. 이러한 방법으로 PHB 축적을 유도하는 것은 저단백질 함량의 사료를 사용할 때는 안되고 외부 탄소원을 따로 투입할 때 만 가능하다. 사료에 포함된 유기탄소는 천천히 녹아 나오기 때문에 풍부와 기근 조건을 만족시키지 못하다

때때로, 양식호지 옆에 설치된 외부 응집 장치에서의 바이오플록 (bioflocs) 생산은 상당한 가치가 있을 수 있다. 이 방법은 바이오플록의 생산에 대한 보다 높은 수준의 제어뿐 만 아니라 보다 용이한 플록 수확의 이점을 제공한다. 더욱이, 양식되는 생물이 플록 생산 장비로부터 물리적으로 분리됨에 따라, 최적화된 플록 형성에 대한 조작, 예를 들어 용존산소 농도나 혼합 등이 양식생물에는 영향을 미치지 않을 수 있다. 또한 PHB의 축적을 위해 외부 응집 장비에서 플록을 생산하는 것은 확실하게 더 많은 융통성을 제공한다. 그러나 추가 투자 비용이 드는 단점이 있다.

2.5 온도와 pH

온도의 영향은 복잡하다. 온도는 미생물 대사뿐만 아니라 물에 녹아 있는 산소의 양에도 매우 중요하다. 양식 어류는 온도 (성장률, 사료 전환 효율의 변화)뿐만 아니라 관련 용존 산소 수준에 의해 영향을 받는다. BFT 호지의 수온은 특히 실외 호지의 경우 상당한 추가 운영 비용 없이는 쉽게 조정할 수 있는 요소가 아니다. 대부분의 경우 기후 조건에 따라 운전 온도가 결정되고 따라서 그에 따라 양식할 수 있는 종이 결정된다.

pH의 변화는 양식호지에 존재하는 바이오플록의 안정성을 결정할 수 있다. 그러나 온도와 마찬가지로 통제하기 쉬운 요소가 아니며 밤 낮 시간에 따라 매우 변동이 심하다. 또한 pH가 양식 생물에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 pH의 변화는 양식 생물이 죽거나 기능 장애를 당하지 않는 최적 범위를 유지해야 한다.

양식을위한 바이오플록 기술의 경제적 가치

BFT는 지속 가능한 제로순환 방식으로 물을 처리 할 수 있는 가능성을 제공하는 것으로 개발되었다. 또한 바이오플록을 사료 공급원으로 사용할 수 있기 때문에 양식자에게는 상당한 경제적 이익을 가져다준다. 현재 어류 사료에 있어야 할 필수적인 화합물에 필요한 대부분은 어분 및 어유의 형태로 충족되는데 이는 생선이 최적의 영양 상태이기 때문이다. 일반적으로 1.0 ~ 5.0kg의 살아 있는 어류가 해양에서 잡혀야 1.0kg의 양식 어류를 생산할 수 있다. 이런 먹이는 지속 불가능한 것 이므로 양식 체계의 영양염 폐기물에서 생겨나는 바이오플록을 이용하여 사료를 생산함으로써 먹이가 해결될 수 있다. 그렇게 하면 “지속 불가능한 사료”의 양이 줄어들 수 있기 때문이다. 바이오플록이 전통 사료를 완전 대체하진 않지만, 사료가 전체 생산비의40-50 %를 차지하기 때문에 가공비를 대폭 절감할 수 있다. (상자 참조: BFT 유무에 따른 양식의 경제성).

 

양식을 위한 바이오플록 기술의 생물학적 가치

독성 수준 이하로 질소 폐기물을 관리하고 양식 생물 사료의 영양 이용 효율을 개선하는 것 만이 BFT의 적용과 관련된 유일한 긍정적인 특징은 아니다. BFT 시스템에서 배양된 생물들은 또한 질병의 발병에 덜 민감한 것으로 보이며 최근의 연구가 이것에 대한 설명을 보여주기 시작했다. 자연 미생물과 lipopolysaccharides, peptidoglycans 및 ß-1,3- glucans과 같은 분자 패턴 (MAMPs)과 연관된 미생물은 BFT 시스템에서 양식 생물의 비특징적인 면역계와 항산화 상태를 향상시키는 것으로 보인다. 호흡 폭발(respiratory burst) 활성 및 전염성 근괴사 바이러스 (IMNV)를 겪은 후 생존에서 전체 혈구세포의 증가, 혈구세포의 식세포 활성화, 항산화제 활성, 페놀산화효소 (proPO) 활성의 증가는 바이오 플록의 섭취로 인한 것이다(Ekasari et al., 2014; Xu and Pan, 2013). 또한 갑각류의 주요 타고난 면역 반응 중 하나 인 proPO cascade로 알려진 일련의 반응에 관련된 6 개의 유전자의 발현은 BFT 시스템에서 양식된 새우에서 증가하는 것으로 기술되었다

대안으로, 바이오플록 모드에서 운영되는 호지에서의 질병 발생의 감소는 물 속에 완전한 미생물 군집이 형성되었기 때문일 수 있다. 호지의 살균은 연못 건조와 결합된 것이 든 아니든 간에 대부분의 미생물 및 원생생물을 제거하지만, 미생물 살균을 완벽히 달성하는 데는 효과적이지 않은데 특히, 생물막 및 호지 퇴적물에서 그러하다. 연못을 채우고 난 후, 유입된 물을 통해 시스템에 들어가는 미생물 또는 호지에 살아남은 미생물은 호지의 퇴적물에서의 높은 영양소와 이들 영양소를 놓고 경쟁하는 다른 미생물의 존재가 많지 않은 이득을 볼 수 있다.  이러한 조건은 빠르게 성장하는 기회주의 병원균의 성장에 유리하다. 이것들은 숙주와 독립적으로 증식할 수 있는 미생물이며 대부분 어리거나 약한 생물에게 감염을 일으킨다. 기회주의 미생물의 확산은 호지에 물을 채운 바로 직후 어류를 입식하고 사료를 먹이기 시작한 때에도 증가한다. 입식 전에 바이오플록 (bioflocs)을 잘 만들어서 호지의 물을 잘 만드는 것은 물 속의 기회 주의적 병원균의 수를 통제할 것이고, 따라서 입식한 생물에게 감염을 일으킬 기회를 제어할 것이다. BFT의 이러한 질병 통제 측면은 새우 산업에서 급성 간 췌장 괴사 질환 (APHNS)으로도 알려진 초기 사망률 증후군 (EMS)의 발병으로 인해 최근 매우 화제가 되었다. 일화적 증거에 따르면 BFT를 적용하는 시스템에서는 EMS의 출현이 훨씬 적었다. De Schryver et al.(2014)은 이것은 BFT의 잘 만들어진 물 효과 때문일 수 있다고 제안했다.

결론

BFT가 양식업자에게 주는 이로운 점은 부인할 수 없다. 수질 관리 외에도 사료 비용을 약 15 % 절감하고 질병 발생 위험을 줄일 수 있다. 그러나 BFT 개념을 이해하는 것은 양식자의 능력을 크게 향상시켜 재활용의 청정 기술에서 얻을 수 있는 혜택을 극대화할 수 있게 할 것이다. 현재 양식호지 운영 매개 변수는 주로 시행-착오 방식으로 조정되고 있지만 보다 과학적인 접근 방식으로 전환할 필요가 있다. 세부 사항을 알 필요 없이, 양식자는 특정 요구 사항 (예: 생물의 성장 단계에 따른 플록 크기, 플록 조성)을 충족시키기 위해 BFT 작동 매개 변수를 변화시키는 데 있어 이 지식을 기반으로 보다 많은 선택을 할 수 있다.

이 장에서는 여러 매개 변수 뒤에 있는 생명 공학에 대해 개괄적으로 살펴보고 후자가 바이오 플록 특성에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대해 살펴보았다. 그러나 이 정보들은 완전하지 못하여 현재까지 연구가 주로 물에서 양분을 제거하는데 초점이 맞추졌지 바이오 플록 형태학 및 성분 (단백질, 지질, 폴리 -b- 하이드 록시 부티레이트)을 조종하거나 최적화하는 데는 그다지 집중하지 못했다. 바이오플록의 영양가와 그 형태학적 특성은 BFT 양식 시스템에서 현재 개발중인 많은 운영 매개 변수에 달려있다. 시급한 연구가 필요한 것은 최적의 플록형태와 플록의 구성과 영양가와 관련하여 BFT 양식호지를 운전할 수 있는 최적의 방법을 찾아서 수질 처리뿐 만 아니라 수산물을 기반으로 한 단백질 공급도 대체할 수 있게 하는 것이다.

 

새우 사료에 적용되는 바이오플록 기술

개요

바이오플록 기술은 새우 양식에서 인기있는 양식 기술이 되었지만 보리 새우 모하에 대해서는 거의 알려지지 않았다. 바이러스가 전 세계적으로 확산되면서, 수직 전염을 피하기 위해 바이러스가 없는 모하를 생산하는 것이 우선 순위로 간주된다. 포스트 라바(PL) 유생 공급자는 본 양성조에서 잘 자랄 수 있는 유전적으로 우수하고 고품질을 보장해야 한다. BFT는 생물학적 안전을 향상시키고 “천연 단백질”인 아미노산, 지방산 및 비타민과 같은 영양소, 소화관에 저장되고 모하의 생식선 형성 및 난소 발달의 첫 번째 단계에 이용되는 영양소를 현장에서 공급한다.  종묘 생산을 위한 관리 포인트는 입식 밀도, 총 부유 고형물의 농도 조절, 오징어, 지렁이, 홍합과 같은 신선한 사료의 공급 및 생존율을 낮출 수 있는 시아노 박테리아나 비브리오균 같은 병원균 박테리아의 제어 등이 포함된다. 더구나 주로 양식장 공간 이용의 최적화, 생존율의 증가 및 성장 단계에서의 면역력 증가 및 성장성 향상을 위해 중간육성 (Nursery) BFT운영도 세계적으로 일반화되고 있다.

바이러스의 전 세계적 확산을 고려할 때 폐쇄적 환경에서의 모하 생산은 생물학적 안전과 질병의 수직 전염을 피하기 위한 우선 순위로 보인다. 새우 산업은 폐쇄된 시설에서 보리 새우 종묘 생산 프로그램에 상당한 관심을 두고 있다. 그러나, 사육되는 모하의 영양 문제는 여전히 해결되지 않은 채 남아 있고 (Wouters et al., 2001) 대안이 제시되어야 한다.

70 년대에 Ifremer-COP Tahiti는 Penaeus Monodon, Fenneropenaeus Merguiensis, Litopenaeus Vannamei 및 L. Stylirostris를 포함한 여러 보리새우 종을 대상으로 제한된 물 교환 시스템으로 연구를 시작했다. Aquacop과 Ralston Purina 가 연합하여 Crystal River (USA)와 Tahiti에서 L. Stylirostris와 L. Vannamei를 육성하기 위해 바이오플록 기술이 적용되었다. 이러한 새우 양식 시스템에 대한 이점을 처음으로 고려하여 시도한 것이다. “Ecotron”이라는 프로그램이 Tahiti에서 80 년대에 시작되었으며 유생과 종묘를 포함한 여러 연구가 바이오플록에 대한 포괄적인 접근을 가능하게 하고 여러 환경 (물, 식물 플랑크톤, 박테리아 및 새우)과 영양 및 생리학의 측면 사이의 상호 관계를 설명했다 (Emerenciano et al., 2012a).

종묘 생산자들은 작은 지역에서 생물학적 안전을 위해 제로 물 교환 시스템을 사용했다. 바이오플록은 생식선의 형성과 난소 발달의 첫 번째 단계에 필요한 하루 24 시간 아무 때나 먹을 수 있는 현장 음식이다. 바이오플록은 단백질-지질이 풍부한 천연 식품으로 주로 식물성 플랑크톤, 부유 및 부착 박테리아, 미립자 유기 물질 및 로티퍼, 섬모, 편모 및 원생 동물 등으로 구성된다. 현재 BFT는 아시아, 중남미의 대규모 새우 양식에 성공적으로 적용되고, 유럽, 미국, 한국, 브라질 및 기타 국가의 소규모 온실 시스템이 실행되고 있다. 그러나 보리 새우 모하에 대한 BFT의 효과는 거의 알려져 있지 않다.

모하는 크고 건강한 육종가를 얻을 수 있는 영양이 풍부한 천연 환경을 제공하기 위해 큰 호지에서 저밀도로 생산되어야 했다. 반면 야외 호지에서는 유기물 축적, 시아노 박테리아의 번식 및 온도, DO, pH 및 N- 화합물과 같은 일부 수질의 변동이 새우 건강에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 맥락에서 Monroy-Dosta 등(2013)은 BFT 배양에서 14 주 동안 미생물 생태계의 연속성을 증명했다. 저자들은 이 기간 동안 병을 일으키는 Vibrio sp. 나 Aeromonas sp. 등을 억제하는 Bacillus sp. 같은 유익한 미생물을 관찰했다. 이 결과는 BFT에서 “자연적인 프로 바이오틱 효과”를 제시한다. 이 효과는 EMS/AHPNS를 예방하는 데 도움이 될 수 있다.

BFT에서 모하 생산은 부화 시설과 가까운 좁은 지역에 위치할 수 있어 새우 운송으로 인한 질병 확산을 예방한다. 또한 시스템이 일단 안정화되면 (Imhoff 콘에서 측정된 미립자 미생물 양이 충분 하면) BFT는 온실과 같은 실내 시설에서 안정적인 수질을 제공한다.

 

모하 영양 및 바이오 플록 성분

상업용 팰렛 사료와 살아 있는 생사료의 효과에 대한 이해는 모하의 성능 향상에 도움이 된다. 안병절제 전에 섭취하는 사료 질의 차이는 생리학적 과정에 영향을 줄 수 있으며 잠재적으로 생식 생산을 감소시킬 수 있다. 야생에서는 성숙한 어류는 미소동물(meiofauna), 로티퍼(rotifers), 물벼룩(copepods), 다모류(polychaetes), 조개류 및 기타 작은 갑각류와 같은 광범위한 음식 품목을 섭취할 수 있다. 그러나 사육 상태에서는 먹이가 팰렛사료, 오징어, 물고기, Artemia, 지렁이 및 홍합(Browdy 1998; Marsden et al., 1992) 과 같은 일부 생사료를 추가하는 것으로 제한된다. 그러나 계절 및/또는 보관 문제는 잠재적으로 사육 상태에서 공급되는 식이 영양분을 제한할 수 있다.

바이오플록의 영양 성분은 환경 조건, 적용된 탄소원, TSS 수준, 염분, 입식 밀도, 광 강도, 식물 플랑크톤 및 박테리아 군집 등에 따라 다르다. 바이오플록에서 단백질, 지질 및 회분은(12~49, 0.5~12.5 및 13 ~ 46 %; 표 16.1) 및 그 지방산 함량(표 16.2)이 다양하게 나타난다. 새우 먹이 중 지질 함량은 산란 활동을 위한 에너지 원 및 새로운 세포막 합성을 위한 구조적 구성 요소로서 생식에 강한 영향을 미치는 것으로 오랫동안 알려져 왔다 (Kanazawa et al., 1979; Teshima and Kanazawa, 1993; Teshima et al., 1988). 갑각류가 불포화 지방산을 증가시키거나 HUFA de nova를 합성하는 능력이 제한적이기 때문에 고도 불포화 지방산 (HUFA)이 새우 생식에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다(Glencross, 2009). HUFA 농도는 다산 및 난 생산 능력 (Cahu et al., 1994; Huang et al., 2008)과 높은 상관 관계를 나타낸다. 에이코사노이드 (eicosanoids)는 호르몬 합성(Coman et al., 2011)에 프로스타글란딘 전구체로서 기여하여 갑각류 재생산의 주요 기능을 한다.

멕시코와 타히티에서 BFT를 이용하여 흰 다리 새우(L. vannamei), 분홍새우, (Farfantepenaeus duorarum), 청 새우(L. stylirostris) 모하 실험을 하였다. 이러한 작업의 요약은 그림 16.1에 제시되어 있다. BFT는 기존의 호지 및 수조에서 양식되는 시스템에 비해 생식 성능을 향상시킬 수 있음이 입증되었다. 또한 BFT에 있는 신선한 먹이가 산란주기 단축, 높은 산란 활동 및 산란당 난수의 증가라는 관점에서 번식력을 향상시키는 데 도움이 되었다.

브라가 (Braga) 연구팀(2013)은 두 가지 시스템 (맑은 물과 BFT)에서 흰다리 새우의 성숙초기 단계에서 (36.40 ± 3.13 g) 정포와 정자의 질을 비교하였고(실험 시작 과 끝날 때 분석), 여러가지 다른 단백질 사료가 바이오플록 시스템에서 사육된 수컷의 생식 품질에 미치는 영향을 비교했다. 4 가지 실험이 행해졌는데, 즉 (1) 신선한 먹이 (여러가지 물고기, 오징어 및 게, 68.48% 단백질, DP)를 공급하는 맑은 물 시스템 (CW); (2) 바이오플록 및 신선한 먹이 (BFT + FF); (3) 바이오플록 + 모하 먹이 (BFT+BF) (52.51 % DP); (4) 바이오플록 + 유생 먹이(39.91 % DP). 바이오플록인 제로 교환 시스템을 사용하여 식이 단백질 양을 낮추고도 정포 및 정자의 품질을 기존 시스템처럼 할 수 있었다.

핑크새우(F. brasiliensis)에 대해 Lopes(2012)는 수질, 성장 및 정자 품질 측면에서 맑은 물 (100 % 일일 물교환, 상업용 모하 사료, 생선, 오징어 및 게를 기초로 한 식이 단백질 68.9% DP) 과 바이오 플록 (38.0 % 상용 사료)을 비교하였다. 낮은 물 교환율 및 낮은 함량의 단백질 사료를 급이한 BFT에서 성장율, 생존율 및 수질은 유지되었고 핑크새우(F. brasiliensis)의 수컷은 정자 품질을 잃지 않았다.

BFT는 틸라피아(Tilapi)와 로젠베르기(Macrobrachium rosenbergii)와 같은 다른 모어 혹은 모하들에게도 효과적이었던 것으로 보인다. 틸라피아에서는 Ekasari 등(2013)이 7 일 동안 순응시킨 Oreochromis niloticus breeders(85 ± 5) 수컷:암컷의 1:4비율로 20 마리/m³의 밀도로  입식했다. 실외 콘크리트 탱크를 사용하여 대조구 (30 % 조단백질 사료)와 BFT (30 % CP, 당밀 탄소 대 질소 비율 15)의 두 가지 처리가 적용되었다. 결론은 바이오플록의 틸라피아 산란어들이 더 높은 최종 체중, 치어 생산 및 번식력을 나타냈다. 이 실험의 결과는 BFT의 적용이 틸라피아 생식 성능을 효과적으로 증진시켰으며, 따라서 틸라피아 종자 생산을 증가시키는 방법으로 바이오플록 생산이 제안될 수 있음을 제시하였다.

Perez-Fuentes(2013)는 6 개월 동안 로젠베르기(M.Rosenbergii)의 두 가지 양육 시스템인 바이오플록과 전통적인 물 교환 시스템을 비교 평가했다. 37 마리의 새우/m²의 입식 밀도를 갖는 직사각형의 라이닝된 연못 (20m³)이 사용되었다. 결과는 두 시스템 모두에서 생존율이 비슷했지만 (> 85 %), 최종 크기는 BFT에서 특히 높았다. 수확한 새우의 단백질 함량 (51.19 %)과 지질 함량 (13.84 %)도 BFT가 높았다. 이 결과를 보면, BFT는 로젠베르기(M. Rosenbergii)의 모하 생산과 유지를 위한 효율적인 시스템인 것으로 보인다.

BFT 효과가 생식 능력 향상에 어떤 영향을 미치는지 아는 것은 중요하다. 여기에는 몇 가지 가설이 있다: (1) 수질 변수에 대한 더 나은 제어; (2) 생식선 형성과 난소 발달의 첫 번째 단계에 필요한 산화되지 않은 신선한 지방산, 비타민 및 “천연 단백질”의 끊임없는 공급.

재래식 시스템에서는 “젊은” 산란어들은 펠렛 사료 공급으로 인해 필요한 필수 영양성분을 공급받지 못했다. 젊은 산란어에게 초기 생식선 형성 및 후속 난소 발생에 필요한 필수 아미노산, 지방산 및 인지질과 같은 영양소는 다양한 미생물의 형태로 BFT 시스템에서 지속적으로 공급된다. 이것은 간세포에서 높은 양분 저장을 촉진하고 체액으로 옮겨져서 난소로 향하게 한다. 결과적으로 더 나은 성적 조직 형성 및 번식 활동이 이루어진다. 이러한 측면이 기존 시스템에 비해 BFT의 우월성에 대한 주요 요인으로 보인다.

바이오플록의 미생물은 안병절제(eyestalk ablation) 전에 모하에게 제공되는 신선한 생사료를 부분적으로 대체할 수 있다. 생사료는 모하 시설에서 새우를 유지하는데 많은 비용이 든다. “천연 단백질”의 개념은 가공되지 않은 주로 살아있는 생물에서 얻어지는 단백질을 의미한다. 단백질, 펩티드 및 아미노산은 생식선 형성, 새로운 세포막의 합성 및 면역 기능에 관여한다. 미생물 조성에 따라 바이오플록의 영양 상태가 변한다. “녹색 바이오 플록 (green biofloc)”또는 “갈색 바이오플록 (brown biofloc)”은 탄소 대 질소 비율, 광도, TSS 및 박테리아 – 식물 플랑크톤 농도에 따라 달라진다. 미생물의 윤곽과 그 영양 성분이 새우의 생장 및 번식력에 미치는 영향에 관한 정보는 여전히 부족하다. 이 분야에 대한 더 많은 연구가 권장된다.

 

모하 사료 생산에서 바이오플록 관리

BFT를 이용한 모하 관리에서 가장 중요한 관리 절차 중 하나는 입식 밀도와 관련이 있다.  15g 이상 된 새우로 조심스럽게 관리해야 한다. 높은 밀도는 탱크 내 유기물의 증가로 이어지며 결과적으로 TSS와 질소 화합물의 농도를 증가시킨다. 또한 저밀도에서는 신체적 손상이 예방되어 산란어의 건강을 향상시킨다. 권장 입도 밀도는 표 16.3에 나와 있다. 논리는 간단하다: 입식 밀도를 낮추어 새우 중량을 증가시키는 것이다. 또한 보장된 필수 전략은, 적어도 일주일에 한 번 신선한 생사료(오징어, 홍합 등)를 먹이면 새우의 영양이 향상되고 체중이 증가될 수 있다는 것이다.

플록 체적 (FV)은 BFT 모하 관리에서 또 다른 중요한 매개 변수이다. 멕시코의 현장 관찰에서 Imhoff 원뿔을 사용하여, 15ml/L보다 높은 FV는 15g 이상에서 새우의 건강에 부정적인 영향을 미치는 것으로 보였다. 미립자 유기 물질은 새우의 아가미를 덮었으며 산소 교환을 제한할 수 있었다. 새우는 이 과정에서 폐사로 이어질 수 있다. 새우를 샘플링할 때 아가미는 과량의 바이오플록 농도로 덮여 있었다. 한 가지 가정은 총 부유 고형물(TSS) 및 휘발성 부유 고형물 (VSS)이 새우 건강에 영향을 미친다는 것이다. 이 문제를 피하기 위해 시스템에서 과도한 고형물이 제거되었다. 저비용 장치를 사용할 수 있으며 최적의 고형물 수준을 창출하기 위해 더 많은 연구가 필요하다. 고형물 농도에 대한 내성은 새우 크기에 따라 다를 수 있다.

대규모BFT 호지는 지당 약 0.1~2 헥타르의 면적을 가지고 있다. 어미 새우 생산을 위해 새우는 호지에서 10~15g까지 자랄 수 있으며 그 후 관리가 쉬운 비닐하우스로 옮겨진다. 비닐하우스 온실에서 BFT 탱크는 200m² 미만의 원형 또는 직사각형 형태로 되며 일정한 수질을 유지하기에 유리하다. 20-40m³ 용량의 탱크를 여러 개 운영하는 것을 권장한다. 탱크 수와 배치는 포스트라바(PL)의 생산 계획과 사용 가능한 공간에 따라 다르다. 원형 탱크는 물의 이동과 슬러지 제거 측면에서 관리하기가 더 쉽다. 반면 직사각형 탱크는 공간 활용 측면에서보다 효율적이다.

탱크의 깊이는 온도 변동이 적고 새우가 헤엄쳐 다니기에 충분하고 (새우 생식에서 중요한 문제) 물 혼합에 충분한 깊이를 보장하기 위해 1.2~1.5m 사이가 좋다. 고온은 새우 건강에 영향을 주는 잘 알려진 요인이다. 타히티에서 수행된 이전의 연구에서 연못에서 양식된 수컷이 바이오플록 탱크에서 자라는 수컷보다 고온으로 인한 멜라닌화 정포가 더 자주 발생한다는 것을 발견했다. 그늘이 있고, 물 교환량이 적은 BFT가 새우에게 보다 안정적인 환경을 제공한다. 종속영양 박테리아는 식물 플랑크톤의 번식을 제어할 뿐만 아니라 호지에서 전형적으로 관찰되는 pH, 용존 산소 요동을 감소시킬 수 있다. 또한, 암모니아와 같은 질소 화합물은 지속적으로 재활용되어 종속영양 세균에 의해 흡수된다. 따라서 물 운동 (30 cm/s 이하), 용존 산소 (최소 5 mg/L), N- 화합물 (TAN 및 NO₂, 각각 3.0 및 1.0 mg/L 미만) 및 온도 (26-28 ℃)가 지속적으로 통제되고 안정화되어야 한다.

현재 EMS와 같은 질병의 확산은 중간육성 단계에서 양식업자들이 그들의 시스템을 외부로부터 차단하도록 이끌었다. 중간육성 단계는 부화장에서 자란 초기 유충과 성장 단계 사이의 중간 단계로 정의된다. 이러한 단계는 양식장의 최적화, 생존율의 증가 및 양성 호지에서의 성장성 향상과 같은 여러 가지 이점을 제공한다. BFT는 L.vannamei, L.stylirostris, P.monodon, F.paulensis, F.brasiliensis 및 F.setiferus와 같은 여러 종의 새우에서 중간육성 단계에 성공적으로 적용되었다.  BFT의 주요 이점은 새우에 의한 바이오플록의 지속적인 섭취로 더 나은 영양이 공급되어 면역 시스템 및 성장율에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다 (Aquacop et al., 1991). 또한 실내 시설을 운영하는 소규모 양식장에서 중간육성조의 높은 밀도로 인해 공간 활용도를 높이고 병원균에 대한 안전성을 높여 수익성을 높일 수 있는 것은 중요한 이점이라 할 수 있다

Wasielelesky 와 연구팀(2013)은 BFT 흰다리 새우(L.vannamei) 종묘장에서 보상적 성장의 효과를 평가 하였다. 첫 단계에서 포스트라바(PL)를 35 일 동안 1,500, 3,000, 4,500, 6,000 마리/m²밀도로 양식되었다. 나중에 PL은 300마리/m²의 균일 밀도로 양식되었다. 20 일 만에 새우는 완전한 보상 성장을 보였다.

다른 종의 경우, Arnold 등(2009)은 BFT 시스템에 기판을 추가하면 성장이 촉진되고, 홍 다리 얼룩 새우의 생산량이 증대되는 한편, 보다 양호한 수질 조건에 기여한다는 것을 입증했다. 같은 저자들에 따르면, 성장과 생존은 입식 밀도 (2500 vs 5000 PL/m²)에 영향을 받지 않으므로 더 많은 생산을 위해 고밀도 양식이 가능하다고 했다. Souza 등(2012)은 핑크새우(F brasiliensis) 포스트라바(PL)에서 상업용 프로바이오틱스 제품의 효과를 평가 한 결과, 프로바이오틱 처리구에서 새우가 더 높은 최종 중량, 비성장률, 높은 단백질 및 과립형 피톨(haemocyte)을 나타냈다는 것을 관찰했다. 세균학적 분석 결과 비브리오균(Vibrio spp.)도 프로바이오틱 처리 탱크에서 측정된 값은 대조 탱크에서 기록된 값보다 낮았다. 이 분야에 더 많은 연구가 필요하다.

Emerenciano 등(2011)은 바이오플록의 존재가 기존의 맑은 물 시스템과 비교했을 때 브라질새우(F brasiliensis) 포스트라바(PL) 체중이50 % 증가하였고 최종 생체중량은 거의 80 %가 증가한다는 것을 관찰했다. 이러한 경향은 포스트라바(PL)에 상업 사료 (상업 사료가 공급되지 않는 바이오플록만 먹임)가 전혀 급이 되지 않은 경우에도 관찰되었다. 더욱이 Emerenciano 등 (2012b)은 30일 유생 양육 단계에서 바이오플록 시스템에 펠렛 사료의 급이와 상관없이 유사하게 브라질새우(F brasiliensis) 포스트라바(PL)가 자라는 것을 발견했다. 두 경우 모두 기존의 맑은 물 연속 교환 시스템보다 40 % 더 높았다.

중간 육성 단계에서 여러가지 관리방법이 소개되었다. 일부 관리 옵션은 다음과 같다.

1. 맑은 물에서 포스트라바(PL)을 입식시키고 바이오플록을 시작한다. 플록 부피가 최소 5ml /L에 도달 할 때까지 C:N 비율을 20:1로 유지한다. 이 관리 방법은 더 위험 할 수 있으며 (수질 변동) 안정된 시스템에 도달하는데 더 많은 시간을 필요로 한다

2. 포스트라바(PL)를 입시시키기 전 적어도 2 주 전에 바이오플록 물만들기 절차를 시작하고, 300g PL/m²에 주어질 것으로 예상되는 것과 동일한 사료양을 사용하여 20:1의 C:N 비를 기준으로 물을 만든다.

3. 입식시키기 최소한 2 일 전에 안정화된 (바이오플록이 안정된 물) 생산 탱크/호지에서 바이오플록 물 (biofloc water)을 접종한다. 권장 비율은 안정화된 물의 1/3과 맑은 물의 2/3이다. 바이오플록 체적이 최소 5ml/L에 도달 할 때까지 20:1의 C:N 비율을 적용한다.

이 모든 경우에 우리는 이 과정을 두 단계로 나눌 수 있다. (1) 초기 바이오플록이 최소한 5ml/L의 부피를 달성할 때까지 기다린다. 이 시점에서 유기원 공급 (탄소 공급원)울 줄인다. (2) 유지 단계에서는 유기탄소 공급이 암모늄 (TAN) 농도에 따라 제어된다. TAN 농도가 1 mg/L 이상이 될 때 당밀, 덱스트로스 등과 같은 외부 탄소원을 첨가해야 한다. 이는 Avnimelech(1999)에 의해 제안된 방정식에 따라 행해질 수 있는데, 1 g의 TAN을 미생물 단백질로 전환시키는데 20 g의 탄수화물이 필요하다고 가정한다.

모하와 중간 육성에서 BFT를 적용함에 있어 최적의 입식 밀도, TSS 관리, 영양 보충제, 상업적 프로바이오틱스 및 시설 레이아웃 등에 대한 더 많은 연구가 BFT의 보급을 촉진할 것이다. 이 기술은 계속 발전하고 있고 관리 실무가 날마다 향상되고 있다.

실용적인 응용 및 팁

1. 새우 모하를 생산하고자 할 때 BFT에서 TSS를 관리하는 것은 대단히 중요하다. 자주 집중적으로 관리해야 한다.

2. 안병절제를 하기전까지 생식 생산 결과를 향상시키기 전에 적어도 일주일에 한 번 신선한 생사료(오징어, 지렁이, 홍합 등)로 보충하는 것이 좋다. 최근의 연구에 따르면 BFT에서 그 생사료들이 또한 번식력을 향상시키는 것으로 나타났다. 그러나 최적의 관리방법의 아직 조사 중이다.

연구 과제

1. 새우의 건강과 품질을 개선하기 위한 입식 밀도와 수직기판(Vertical Substrates)의 효과에 대한 더 많은 지식.

2. 새우 크기와 종류에 따른 최적 고형물 농도.

3. 성숙실로 옮기기 전에 사용되는 프로바이오틱(생균제)의 사용과 그 효과.

4. 현재 추세에 따라, “biefloc meal”의 신선한 생사료(오징어, 홍합 등) 교체에 대한 연구가 아직도 진행되고 있고 그 양과 종류에 대해 더 많은 연구가 필요하다.

 

바이오플록 기술 및 지속 가능한 양식 개발

개요

양식하는 양이 2050 년까지 5 배로 늘어나야 증가하는 세계 인구에 충분한 건강 식품을 공급할 수 있다. 이런 거대한 개발은 환경 및 사회적 지속 가능성을 고려하면서 행해져야 한다.

BFT 시스템은 양분, 유기 물질 및 병원균이 포함된 양식 폐수의 주변 환경으로의 유출을 최소화하는 분명한 이점이 있다.

슬러지를 최소화하고, 적절히 재활용 또는 처분하는 것이 지속 가능한 양식 개발을 위한 주요 쟁점으로 향후 더 연구되어야 한다.

BFT 시스템은 서비스 및 백업 시스템의 적절한 개발을 통해 사회적 지속 가능성에 기여할 수 있다. BFT는 정보의 보급 및 높은 수준의 전문성 확보에 크게 의존한다. 따라서, 양식업자들끼리 교육하고 배우는 것으로 진전될 수 있다.

지속 가능한 발전을 위해서는 환경 자원 관리, 사회적 요인 및 경제적 요인을 고려해야 한다. 향후 지속 가능한 양식 개발을 계획할 때, 그 부문의 지속적인 성장과 확장이 고려되어야 한다. 제 1 장에서 논의된 바와 같이 2050 년까지 양식 양을 5 배 증가시킬 필요가 있다. 이 거대한 확장은 지속 가능한 방식으로 이루어져야 한다.

양식 양은 지난 50 년 동안 40 배 이상 증가했으며 향후 50 년 내에 5 배 증가할 것으로 예상된다. 이러한 양식 생산량의 급속한 성장은 환경 영향을 최소화하고 자원 이용을 최적화할 필요성을 염두에 두고 계획되어야 한다. 최근까지 양식 생산량 개발 계획에는 지속 가능성이 충분히 고려되지 않았는데, 특히 1980-2000 년 사이, 새우 양식이 높은 수익성을 주는 것으로 알려지면서 새로운 새우 양식 호지가 많은 경우, 환경적 고려가 거의 없이 건설되었다. 새우 양식 호지의 확장으로 인해 맹그로브 지역이 파괴되고, 강, 호수, 강어귀 및 막힌 해양 지역으로 유출물이 통제되지 않고 흘러들어 부영양화 및 심각한 천연 자원 손실을 초래했다. 이러한 개발은 환경 단체와 관련 과학자들로부터 가혹한 반대를 이끌어 냈다. 그들은 더이상의 지속 불가능한 개발에 반대하여 결국 환경 규제를 부과하고 양식 활동을 통제하기 위한 최상의 관리 방법에 기반한 인증 프로그램 개발을 하게 했다.

양식이 환경에 미치는 영향과 관련된 주요 쟁점은 유출수에서 나오는 오염 물질의 배출이다. 양식호지에는 사료와 때때로 영양제가 투입되므로 질소나 인과 같은 영양분의 농도가 상대적으로 높다. 인은 많은 수생 시스템에서 조류의 성장을 제한하는 요소로서, 강이나 호수로의 배출은 이들 수역에서 부영양화를 유발할 수 있다. “깨끗한” 자연 수역에서 수용성 인의 농도는 10억분의 몇 정도(10^-9~10^-8)의 범위이나, 대부분 양식 호지에서는 그보다 100~1000 배 더 높다. 그러므로 양식 호지의 유출수를 그대로 자연수에 방출한다면 인 농도가 수질을 위태롭게 할 수 있다. 이와 마찬가지로 호지의 질소 종 농도는 해양 및 담수에서 보다 높다. 대부분의 양식 호지는 유기물질의 농도가 높은데 이 유기물질은 수용성과 미립자 모두를 포함한다. 이 화합물은 생분해 가능하며 분해될때 산소를 소비한다. 이런 유기물이 많이 함유된 물을 자연수로 배출하면 방류수 주변의 물과 퇴적물에서 혐기성 조건을 유발할 수 있다. 화학 물질 배출 이외에, 자연수에서 사는 자연 생물에 질병을 일으킬 수 있는 병원성 미생물이 퍼져 나갈 수 있다는 염려가 있는데, 특히 자연수에서는 일반적으로 발견되지 않는 병원균은 더욱 그러하다. 그러한 경우, 자연 생물은 그러한 병원체에 대해 내성이 낮을 수 있기 때문이다. (예 Hopkins et al., 1995)

전통적 양식 체계는 주변의 물과 양식지의 물을 높은 비율로 교환하기 때문에 잠재적으로 주변 환경의 수질을 위험에 빠뜨릴 수 있다. 이런 관점으로 볼 때 환경에 물을 배출하지 않는 생산 시스템은 오염 물질 배출로 인해 환경에 영향을 주지 않는 친환경 시스템이라 할 수 있다.

양식의 지속 가능성의 또 다른 측면은 주로 육지와 물과 같은 천연 자원의 최적 활용이다. 늘어나는 세계 인구에 양분이 충분한 건강 식품을 공급하기 위한 양어장 개발에 대한 도전은 제 1 장에서 논의되었다. 필요로 하는 만큼의 생산량, 즉 현재 생산량의 5 배나 증가시킬 만큼 충분한 물과 가용 토지가 없다. 기존의 양식장은 1 헥타르 당 2 톤의 물고기를 생산하고, 증발 및 누수로 연간 35,000 m³, 물 뺄때 추가 10,000m³의 물이 없어지므로 생선 1kg 생산하는데 45m³의 물을 소비하고, 면적당 생산율은 0.2kg/m² 일 것이다. 대조적으로, 밀식 양식장, 제로 또는 제한적인 물 교환 시스템에서의 물 소비량은 어류 생산량 1kg 당 1m³ 미만이며, 양식장 단위 면적당 생산성은 1m² 당 생선 10~100kg이다. 이러한 시스템을 사용하면 물 또는 육지의 한계를 완화하여 육지와 물을 최적으로 사용하면서 더 많은 물고기를 생산할 수 있다.

양식업자와 환경 보호주의자 간에 갈등을 야기했던 추가적인 환경 문제는 양식사업이 해양 환경에서 얻는 어류 생산물에 의존하는 것이다. 어분 및 생선 기름은 양식사료의 공통된 성분이다. 해양 참치 사료는 어분 50 %, 해양 새우 사료는 어분 30 %, 틸라피아 사료는 어분 15 %를 함유하고 있다. 약 5kg의 야생 물고기가 양식장에서 1kg의 해양 어류를 생산하는 데 필요하다(Naylor et al., 2000). 잉어를 생산하기 위해서는 그 보다 적은 양 (<1kg)이 필요하다. 야생 동물에 대한 의존도는 해양 생태계를 위험에 빠뜨리는 중요한 요소로서 많은 해양 지역에서 어류 개체군이 감소하기 때문이다. 이 단백질 공급원을 보다 지속 가능한 사료 공급 프로그램으로 대체하는 것은 양식산업 개발에 필수적이다. 식물성 단백질로 야생 어류를 대체하는 양식사료를 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. BFT 시스템에서 입증된 단백질 이용성을 두 배로 하는 것과 이용 효율의 추가 증가 가능성은 양식업의 지속 가능성에 대한 주요한 기여를 보여준다. 제 7 장에서 논의된 바와 같이 바이오플록의 사료 품질을 더욱 향상시키는 것은 더 많은 연구가 필요한 주제이다.

모든 밀식 양식 시스템에 공통적인 환경 문제는 슬러지의 적절한 처리 및 처분이다. 슬러지는 순환여과 양식 시스템 (RAS)과 BFT 시스템 모두에서 축적되고 있다. 슬러지는 폐수 처리 시스템에서 생성되는 슬러지와 유사하고 (일반적으로 인체 병원균을 함유하지 않지만) 반응성 유기 물질의 농축된 공급원이며 영양분이 풍부하다. 폐수 처리 시설에서 발생하는 슬러지는 퇴비 (잠재적인 농업 용도로), 소각 또는 혐기성 발효 (바이오 가스 생산)로 처리한다. 이러한 처리는 폐수 처리 비용을 크게 증가시킨다. 현재로서는 양식장 슬러지 처리방법이 잘 확립되어 있지는 않다. 이 슬러지를 인접한 재래식 호지에 사료 공급원(Kuhn et al., 2008; Schneider et al., 2004) 또는 토양 개량제로 사용한 몇몇 연구와 실제 경험들은 있다. 추가 연구와 많은 데이터 분석이 필요한 중요한 점은 BFT 시스템에서 잔류 물이 양식호지의 호기성 구역에서 장기간 떠다닐 때 물고기에 의해 광범위하게 활용된다는 사실이다. 이러한 요인들은 슬러지가 더 잘 분해 되게 하거나 RAS(순환여과 양식시스템)에 비해 슬러지 축적량이 더 적어 질 수도 있고, 준-밀식 양식장에 비해 어류 1kg 당 슬러지 양이 더 적을 수 있다. 그러나, 과도한 유기 탄소 첨가로 인해 과량의 슬러지 생성이 야기될 가능성도 있다. 슬러지의 최소화, 이용 및 취급의 문제는 아마도 환경 규제의 초점이 될 것이며 양식 비용에 영향을 미치므로 더 연구되고 개발되어야 한다.

지속 가능성의 중요한 구성 요소는 특정 생산 시스템을 운영하는 경제이다. 지속 가능한 양식 체계는 소유주와 근로자에게 적절한 소득을 제공해야 한다. 주어진 수산 양식 생산 단위의 경제는 시간, 장소 및 조건에 따라 다양하다. 분명한 사실은 양식장이 이미 존재하고 더 이상의 투자가 필요하지 않을 경우는 새로운 밀식 양식장을 건설하는 것과 비교하여 그러한 양식장의 지속적인 운영이 더 나은 선택이다. 생산성을 높이기 위해 기존 호지를 개조하여서 사용할 수 있다. 양식장 건설을 시작할 때 고려해야 할 여러 가지 고려 사항이 있는데 일련의 조건들은 소규모 밀식 양식장 건설에 적합하다. 알려진 경제 데이터가 부족하지만 기존 분석에 따르면 BFT 시스템을 적용한 양식장은 비-밀식 시스템 또는 RAS 양식장과 비교할 때 수익성이 향상되었다. 그러나 기억해야 할 점은 BFT 시스템이 새우, 틸라피아 및 잉어에만 그들의 특별한 생산을 위해 더 나은 조건을 제공했다는 것이다. 다른 종에 대한 사용법은 거의 알려져 있지 않다. BFT 프로젝트 개발의 경제적 이점을 적절히 계획하고 고려하려면 더 많은 경험, 개발 및 더 많은 데이터가 필요하다.

양식 체계의 상대적인 지속 가능성을 결정할 때 중요한 이슈는 사회적 이슈에 미치는 영향이다. 광활한 지역에서 광범위하게 운영되는 양식장과 관련한 대규모 양식 사업은 부정적인 사회 효과를 갖거나 이 지역의 사회 복지에 덜 기여할 수 있다. 밀식 BFT 농장은 좁은 면적 및 제한된 수자원을 기반으로 상당한 작물을 생산할 수 있다. 그러한 개발은 양식자의 소규모 운영을 기반으로 한 지역 사회 개발을 지속 가능하게 지원할 수 있는가? 이 질문에 대한 대답은 하찮치 않다. BFT 양식장을 운영하는 것은 비교적 작은 면적을 기반으로 할 수 있다. 1 헥타르 규모의 양식장에서 100 톤 이상의 어류 또는 10 톤 이상의 새우를 생산할 수 있는데, 둘 다 상당한 가치가 있는 것이다. 필요한 투자는 RAS 또는 기타 고도의 밀식 시스템에 필요한 투자보다 훨씬 적다. 그러나 이러한 농장은 신뢰할 수 있는 전원 공급 장치 및 백업 시스템에 달려 있는데 일반적으로 이는 양식자 개인의 능력 밖이다. 백업 시스템은 전기를 공급하는 회사에서 제공되어 질수 있다. 공공 전력업체, 민간 회사 또는 농민 협동 조합이 전력을 공급할 것이고, 동시에 정전, 전력 운송 시스템의 결함 또는 농장 내의 공기 공급의 차단등을 충당하기 위한 백업을 제공할 것이다. 이러한 지역적 지원이 없으면 BFT 시스템을 효율적으로 적용하는 소규모 농장 개발을 계획하는 것은 어렵다. 9 장에서 논의된 중요한 점은 전통적인 양식 시스템에서 밀식 BFT 시스템으로 점차적 전환 가능성이다.

BFT의 소규모 개인 양식장 활용을 개발하기 위해 필요한 또 다른 조건은 적절한 교육과 노하우이다. BFT가 재래식 양식과 크게 다르지 않지만 시스템의 강도 때문에 시스템을 이해할 필요가 있다. 이 책은 이러한 점에 기여하길 바란다.

 

호지 관리의 ABC

개요

이 장은 이전 버전의 책에 대하여 독자들이 많은 도움이 되었지만 바이오플록의 시작과 관리에 대한 좀 더 명확한 가이드가 필요하다는 의견들을 반영하여 보강 편집한 것이다. 이 짧은 장에서 우리는 간결한 로드맵을 제시하여 초보자에게 바이오플록 시스템을 시작하는 길을 안내하고자 한다.

먼저, 바이오플록 시스템은 다양하고, 친근하며, 실수에 민감하지 않은 시스템이라는 점을 강조하고자 한다. 시스템을 개발하는 방법을 선택할 수 있기 때문에 다양하다. 당신은 당신의 필요에 맞는 입식 밀도, 양식지의 모양과 크기, 물 교환의 비율, 종속영양 세균의 양 등을 선택할 수 있다. 시간이 지남에 따라 경험을 통해 호지 관리자는 바이오플록의 일반적인 원칙에 따라 최적의 경로를 찾을 수 있다. 이 시스템은 실수에 민감하지 않다. 시스템을 잘 관찰하고 이해하면 실수를 바로잡고 문제를 해결할 수 있다. TAN이나 아질산염이 증가하면 탄수화물을 첨가하거나 질산화 박테리아를 추가하거나 물의 교환율을 조금 올려 해결할 수 있다. 탄수화물 투입량을 늘리거나 줄임으로써, 폭기장치를 추가하거나 슬러지 배수량을 늘리거나 바이오플록 밀도를 조절하여 산소 농도를 조절할 수 있다. 바이오플록 시스템을 작동하는 것은 자동차를 운전하는 것과 비슷하다. 가속기, 브레이크, 운전대(및 경음기)를 조합하여 제어한다. 기본 프로세스를 이해한다면, 바이오플록 시스템은 친숙한 방식으로 작동할 것이다.

이 장에서 제기될 몇 가지 요점은 이전 장에서 이미 자세하게 논의되었다. 그러나 한 장에서 호소 관리와 관련된 대부분의 요점을 간략히 정리한다는 취지로 반복되는 것을 이해해 주시기 바란다. 따라서 이전 장에서 읽은 것을 기억한다면 내용에 주의를 기울였음을 보여주는 것이다. 당신은 A학점이다. 참 잘했습니다!

1 호지 시작하기

바이오플록 시스템은 조밀한 미생물 군락의 형성을 뒷받침하기 위해 사료 잔류물이 축적될 때 폐쇄형 (제로 교환), 집약적인 호지에서 자체적으로 발달할 것이다. 새우 양식 호지에서는 초기 조류 발생을 촉진할 비료를 제공해야 할 필요가 있다 (약 2 mg N/l, 0.2 mgP/l). 더 많은 양분이 새우 사료에 의해 첨가될 것이다. 새우가 입식되고 조류 지배 시스템에서 종속영양 미생물 지배 시스템으로의 전환은 물에서 사료 농도가 증가하는 4-8 주 후에 일어난다. 새우 양식장에서 눈에 띄는 바이오플록은 밀식 시스템에서만 나타난다. 우선, 호지는 보통 맑은 물로 시작한다. 이곳에서 며칠에서 수주 내에 조류가 우세하게 된다. 매킨토시(McIntosh)(Chamberlain et al., 2001a)는 벨리즈 양식 호지에서 바이오플록이 안정되기 전 몇 단계의 전이 기간이 필요하다고 했는데 유기물이 표면에 쌓이고(종종 조류의 폐사로 인해) 그것을 분해할 충분한 미생물이 확보되지 못했을 때 거품이 생긴다고 보고했다 (그림 13.2 참조).

그러나, 바이오플록의 신속한 개발이 요구되는 경우(예를 들어, 중간육성조)가 종종 있다. 그러한 경우, 호지에 사료 투입을 일찍 시작할 필요가 있으며, 어떤 경우에는 미생물 접종이 유리하다. 양식을 시작할 때, 물의 수질이 의심스러운 경우 염소 화합물로 물을 멸균하는 것이 특히 중요하다.

호지를 채울 때, 기질의 첨가는 미생물 발달을 위해 필요하다. 이것은 특히 이전 주기의 사료 침적이 최소화된 플라스틱 라이닝된 호지에서 그러하다. 유기 물질은 사료용 펠렛으로 첨가할 수 있다 (오래된 사료를 사용할 수 있지만 곰팡이난 것은 사용하지 않도록 주의). 대안은 당밀, 밀가루 등과 같은 유기탄소를 첨가하는 것이다. 이 경우 비료 (요소, 질산 비료, 암모늄 비료) 또는 분뇨로 질소를 추가할 필요가 있다. 유기물은 약 20-100 mg/l (200-1000 kg /ha)에 해당하는 수준으로 첨가하며, 약 1 주일에 걸쳐 분배해야 한다. 질소 시비의 경우 비율은 0.5-2.5 mgN /l (5 – 25 kg N/ha)이어야 한다. 특정 농장 조건에 대해 축적된 경험과 값싼 사료 공급이 가능하다면 더 좋은 기질을 첨가할 수도 있다.

새우 양식 호지에서는 사료를 첨가한 후 며칠 만에 정상적으로 조류가 발생하며 호지는 녹색으로 변한다. 나중에 종속영양 미생물 공동체가 형성될 것이다. 종속영양 및 질산화 미생물 접종이 추가되면 바이오플록 개발이 더 빨라질 것이다.

선택 가능한 미생물 접종원과 접종원 추가의 필요성은 다양한 가능성을 열어준다. 첫째, 대부분의 시스템에는 물에 이미 다양한 미생물이 포함되어 있기 때문에 접종원을 추가하는 것은 필수 사항이 아니다. 그러나, 이것은 시간이 오래 걸리고, 양식 기간의 일부를 낭비하고 암모늄 및 아질산염의 과도한 축적이 일어나게 할 수 있다 (자세한 설명은 아래 참조). 접종원을 추가하는 간단한 방법은 호소의 퇴적물 또는 농업 토양 (물에 잘 분산된 토양 약 100kg/ha)을 추가하거나 성숙한 미생물이 풍부한 호지의 물을 추가하는 것이다. 타 호지의 미생물을 사용할 때는 그 양식장의 어류가 잘 성장하고 있고 바이오플록 (큰 입자가 물에 분산되어 있는)이 잘 형성되어 있는 호지의 물이나 슬러지를 사용하는 것이 좋다. 접종 물은 양식장의 기존 호지에서 펌핑되거나 미래의 적용을 위해 저장소에 저장될 수 있다. 부화장과 같이 접종 물의 양이 적은 경우, 미생물 현탁액을 작은 폭기 탱크에 저장할 수 있다. 호지에서 침전물과 여러종류의 밀기울 (쌀겨, 밀기울 또는 기타)과 혼합하여 또 다른 유형의 접종원을 만들 수 있다. 습식 퇴적물에 밀기울을 충분히 추가하여 반죽하면 반 건조 상태의 부스러기가 된다. 이 단계에서 공기가 침투할 수 있고 밀기울-슬러지 혼합물은 퇴비화 될 수 있다. 혼합물을 하루에 한 번 섞은 다음 건조될 때까지 (약 1 주일) 햇빛 (또는 비가 올 경우 밀폐된 공간)에 보관한다. 이 단계에서, 혼합물은 건조 저장될 수 있고 필요에 따라 사용될 수 있는 안정한 미생물 혼합물이 된다. (Technion 실험실에서, 실온에서 저장되는 그러한 혼합물은 적어도 1 년 동안 접종자로서의 활성을 유지했다). 사용량은 1~5g/m³ 이 적당하며, 더 빠른 속도로 바이오플록을 개발할 수 있다.

미생물 세포로의 질소 고정은 입식 후 처음 몇 일 이내에 발생할 수 있다. 그러나 새우 양식 호지의 경우 호지에 사료가 충분히 공급될 때까지 몇 주가 소요될 수 있다. 이 기간 동안은 종속영양 세균의 활동이 제한적일 뿐만 아니라 질산화 박테리아의 발달이 느리다. 우리는 종종 무기 질소의 증가에 직면한다. 초기 생체 중량이 수 kg/m³에 달하는 틸라피아 양식 호지에서는 그렇지 않다.

유기탄소 동화가 낮으면, 질산화가 무기질소 제거의 주요 경로일 수 있다. 그러나 새로 시작된 호지에는 암모니아 및 아질산염 산화제인 질산화 미생물의 숫자가 적다. 3 장에서 설명한 바와 같이, TAN 농도가 높아지면 암모니아 산화가 천천히 시작된다. 아질산염의 산화는 아질산염 축적이 현저해지는 시점에서 나중에 시작된다. 따라서 우리는 일련의 과정을 볼 수 있다: 암모늄 농도는 입식 후 약 2-3 주 동안 최대 값까지 상승한다. 그 후에, 암모늄은 아질산염의 상승과 함께 감소한다. 이후의 아질산염의 감소는 아질산염 산화 미생물의 발달에 달려 있으며, 이는 아질산염이 축적되기 시작할 때에만 일어난다. 우리는 입식 시키기 전에 아질산 산화 미생물을 미리 준비시킬 수 있는데, 아질산염 (NaNO2 또는 기타)을 약 5mg/L 농도로 호지에 넣는다. 일반적으로 약 4-6 주가 지나면 암모늄과 아질산염 농도가 낮아지고 질산염 농도가 증가한다. 이 기간 동안은 입식된 어류와 새우가 위험할 수 있다. 호지에 미생물을 미리 접종하면 이 위험한 시기가 단축된다. 호소 퇴적물이나 물을 사용하여 접종하는 것이 가능하지만 확실히 안전한 호지의 것만 사용해야 한다. 또 다른 방법은 상업용 질산화 미생물 제품을 사용하여 호지에 접종하는 것이다. 효율적이고 신뢰할 수 있는 질산화 미생물 제품을 개발하고 판매하는 곳이 많이 있다. 이 접근법의 유일한 단점은 구입 비용이 든다는 것이다.

바이오플록의 개발은 플록 핵의 존재, 미생물 및 사료 잔류 물이 부착되어 작은 바이오 플록을 형성함으로써 도움을 받는다. 일부 새우 양식장에서 사용되는 불활성 카올린 (고운 점토)에서 미세한 밀기울 (쌀겨 또는 기타)에 이르기까지 다양한 재료를 사용할 수 있다. 밀기울을 사용하면 부착된 박테리아에 영양분을 제공하기 때문에 유리한 것으로 보인다. 조류는 또한 바이오플록의 형성을 위한 핵 역할을 할 수 있다.

2 사료급이

물고기에게 사료를 주는 것은 모든 양식 시스템에서 필수적인 조치이다. 그러나, 급이 방법과 사료의 구성에 있어서는 종래의 것에 비해 바이오플록 시스템에서 상이하다. 불행히도 충분한 경험과 연구가 없으므로 정확한 청사진과 지침보다는 일반적인 개요를 제공할 수밖에 없다. 우리는 사료 배급과 조성에 대한 현재 추정치는 단순한 “가정치”로 만 취해 져야한다고 강조한다. 양식 관리자는 어류의 반응을 따라 최적의 급이 방식 및 구성을 개발해야 한다.

사료 이용률은 일반적으로 바이오플록 시스템에서 사료 재사용과 플록 자체가 사료 공급원으로 활용되므로 더 우수하다. 바이오플록 시스템에 사용되는 사료의 단백질 함량이 기존 생산 시스템에 사용되는 사료의 단백질 함량보다 낮아도 된다는 증거가 점점 더 많아지고 있다. 많은 연구에서 BFT에서 새우와 어류에 대한 사료의 단백질 함량을 낮춰도 수확량의 감소가 없었고 사료비용을 낮추고 수질 악화를 줄일 수 있다는 사실이 발견되었다 (우리는 사료 단백질이 10 %까지 낮아질 수 있다고 추정할 수 있다). 단백질은 두 가지 방법으로 낮출 수 있다. 하나는 낮은 단백질 함량 (예: 25 % 단백질)의 사료를 적용하는 것이다. 다른 옵션은 사료의 일부를 기존의 고단백 펠렛으로 사용하고 또 다른 일부는 주로 탄수화물을 함유 한 사료 (곡물 펠렛과 같은, 13 장 참조)로 사용하는 것이다. 경험상 (제한적임에도 불구하고) 총 사료 요구량이 기존 양식 시스템에 필요한 것보다 낮을 수 있음을 보여준다 (추정치로 약 20 % 적음).

연못의 C/N 비율에 대한 통제는 6 장과 7 장에서 논의되었다.

1. 언급되는C/N 비율은 대부분의 경우에, 그것은 호지에 적용된 사료의 C/N 비율을 나타낸다. 사용되는 C/N 용어는 약자이다. 실제로는 총 질소에 대한 유기 탄소의 비율이다. 대부분의 경우 총 유기탄소량은 건조된 사료의 50 %에 해당한다 (실험실에서 COD로 측정). 이 수치는 당밀에는 해당되지 않는다. 당밀에는 20-25%의 물, 75-80%의 건조 물질이 포함되어 있다.따라서 당밀의 탄소 함량은 중량의 약 40 %이다. 사료의 총 질소는 단백질 함량에 단백질의 질소 분율(~ 15.5 %)을 곱한 값으로 구할 수 있다.

2. 이전 장에서 자세히 설명했듯이, 호지에서 독성 질소 농도를 제어하는 ​​한 가지 방법은 탄수화물을 첨가하여 C/N 비를 제어하는 ​​것이다 (5 장, 6 장 참조). 질소제거에 여러 공정이 있다: 조류에 의한 TAN섭취, 질산화균과 종속영양 세균에 의한 질산화 및 질소동화 작용. 그러나 우리가 정량적으로 통제할 수 있는 유일한 방법은 종속영양 세균에 의한 질소동화 작용이다. 6 장에서 TAN 축적을 제어하는데 필요한 사료의 C/N 비율에 대한 계산은 이 작용만을 고려했다. 호지에서 질소제거가 오직(또는 주로) 종속영양 세균에 의해 달성된다는 가정에서만 이 C/N비 계산법이 맞게 적용된다. 경험에 따르면 이러한 계산이 많은 집약적 시스템에서 현실적인 결과를 가져오지만, 이는 어디까지나 근사치에 지나지 않는다. 실제로 C/N 비율을 현장에 맞는 조건으로 조정하는 것이 중요하다. 예를 들어, 호지에서 원활한 질산화가 작용되고 있다면, 탄수화물의 양을 상당히 줄일 수 있다. 필요한 탄수화물의 양을 조절하는 가장 좋은 방법은 TAN과 총 무기질소를 모니터링하는 것이다. 대부분의 경우 탄소의 적용을 줄일 수 있음을 알게 될 것이다. TAN 또는 아질산염의 증가가 발견되면 감소에 필요한 질소량의 약 20 배에 해당하는 비율(즉, 우리가 줄이기 원하는 질소 kg 당 탄소20kg)로 탄수화물을 증가시키는 것이 좋다.

우리는 무기질소 축적과 사료 단백질의 낭비를 최소화하도록 급이량을 조정할 수 있다. 탄수화물을 첨가하는 데는 두 가지 방법이 있다: (a) 부족한 탄수화물을 따로 보충하는 방법 (b) 탄수화물 함량이 많은 저 단백질 사료를 사용하는 방법. 이 방법은(예를 들어, 틸라피아 사료에서 30 % 단백질 대신에 20 % 단백질 사료 사용) 펠릿 사료와 탄수화물을 개별적으로 사용하는 것과 비교하여 편리함 및 노동력 절약의 이점을 갖는다. 한 실험에서 Avnimelech와 동료 연구자 (1994)는 저 단백질 사료를 적용하는 것이 고 단백질 사료와 별도의 밀가루를 첨가하는 것에 비해 더 나은 결과를 나타냈다. 두 가지 방법에 대한 장 단점에 대해서는 추가 조사 및 검토가 필요하다.

급이 프로그램은 호지와 양식어류의 상태에 따라 유기적으로 조절되어야 한다. 만약에 바이오플록이 충분히 성숙되지 않은 호지에 포스트라바(PL)나 유생을 입식 한다면 그 호지에서 미생물에 의한 단백질 공급을 기대할 수 없기 때문에 이 때는 고단백 사료를 공급해야 한다.

3 슬러지 제어

슬러지 축적은 피할 수 없지만, 폭기 및 혼합으로 슬러지를 부유 상태로 유지하고 먹이로서 재활용될 수 있게 할 수 있다. 과도한 슬러지 축적은 어류의 성장과 건강에 부정적인 영향을 미친다. 꼭 필요한 필수적인 조치는 정기적인 슬러지 배출이다. 슬러지가 연못 바닥의 어느 한 위치에 축적되면 강력한 수류를 사용하여 효과적으로 배수할 수 있다. 방사형으로 폭기되고 있는 호지에서 이 위치는 연못의 중앙에 있는 배수구가 될 수 있다. 레이스웨이에서 이 위치는 배수 구덩이가 될 수 있다. 배수구 쪽에 쌓여 있는 슬러지를 효율적으로 빼내기 위해서는 빠른 물의 흐름이 필요한데, 배수로의 스탠드 파이프를 낮춤으로써 유속을 빠르게 할 수 있다. 배수로를 통해 빠져나가는 물이 검은 갈색이어야 하고 깨끗한 물이 나오기 시작하면 멈춰야 한다. 보통 1 ~ 2 분이 걸린다. 호지 수위와 배수 수위간에 상당한 고도차가 필요하며 효율적인 슬러지 배출을 위해 넓은 관이 중요하다. 일부 관리자들은 배수로로 슬러지를 모을 의도로 연못 바닥에 천공된 관을 놓는다. 이 방법은 호지 바닥에서 슬러지를 빨아들이기 위해 격렬한 물 흐름이 필요하기 때문에 이 방법에는 한계가 있다. 집약적 새우 양식호지에서 슬러지를 배수하는 것은 사료 공급이 많은, 양식 주기가 끝날 때쯤 필요하다. 그때까지 매주 또는 격주로 배수하는 것이 좋다. 밀식 어류 호지나 초밀식 새우 양식 호지에서는 바이오플록과 폐기물의 생성량이 너무 많아 물에 현탁 될 수 없으므로 많은 양의 물질이 호지 바닥에 침전되고 축적되기 때문에 매일 또는 심지어 하루에 두 번 슬러지 배출이 필요하다. 소형 밀식 시스템에 적용할 수 있는 슬러지 축적을 제어하는 ​​다른 수단으로는 침전조로 계속적으로 물을 배출하여 슬러지는 침전시키고 상대적으로 맑은 상등수를 재활용하는 것이다.

4 관찰(모니터링) 및 조치

BFT 호지의 일상적인 관찰은 아무리 강조해도 지나치지 않는다.

그러나 우리는 단지 노트북이나 컴퓨터에 데이터를 기록하는 것을 관찰이라 하지 않는다. 호지를 관리하는 것은 수많은 생체 반응의 조절을 포함하며, 양식장의 상태를 최적화하기 위해서 신속한 조치가 뒤따라야 할 몇 가지 매개 변수를 모니터링하는 것이다. 모니터링 데이터를 검토한 후에 적절한 조치 (대개 빠른 조치)를 취하지 않으면 모니터링이 의미가 없다.

일반적인 재래 양식에서 행해지는 산소, pH 및 알칼리도 검사 및 어류에 대한 정기적인 샘플 채취가 BFT에서도 필요하다.

산소 및 호지 바닥 상태 모니터링

산소는 적어도 매일 모니터링해야 한다. 산소 농도가 양식 어류에 대한 설정 값보다 낮으면 더 많은 폭기 또는 더 긴 폭기가 공급되어야 한다. 산소 농도는 하루 동안에도 다양할 수 있다. 재래식 넓은 호지에서는 조류가 많은 영향을 끼친다. 따라서, 높은 O₂ 농도는 낮 시간 동안 예상되며 야간에 낮은 농도, 이른 아침에 최소값이 예상된다. 이것이 전통적으로 O₂ 측정이 이른 아침에 이루어지는 이유이다. 밀식 호지는 하루 24 시간 폭기되며 야간 저 농도는 일반적이지 않다. 대부분 사료 투입 직후 산소 농도가 낮아진다.

원칙적으로, 신뢰할 수 있는 값을 얻기 위해 같은 시간에 매일 산소 모니터링을 실시해야 한다. 호지 운영자는 호지의 다른 위치와 깊이에 있는 산소를 주기적으로 점검하고, 호지의 균일성, 공기가 잘 통하지 않는 지역의 존재 여부 및 호지에 대한 더 나은 정보를 얻는 것이 좋다. 호지의 수류 패턴을 살펴보면 호지에서 물의 흐름이 제한적인 지역을 식별할 수 있다. 그러한 지역의 산소 공급은 제한될 수 있다! 또한 물이 정체되는 곳은 바닥 슬러지가 축적되는 곳으로 생각할 수 있다. 슬러지 축적 지점은 어류 스트레스, 질병 발발 및 성장 불량의 원인이 될 수 있다. 양식장 운영자는 이를 인식하고 그러한 현장에서 슬러지의 축적을 확인해야 한다. 얕은 호지에서 슬러지의 축적을 확인하는 가장 좋은 방법은 호지, 특히 의심되는 장소에서 주기적으로 걸어 다녀 보는 것이다.

혐기성 지역은 치명적일 수 있다. 슬러지가 쌓이는 곳에 대한 조치는 기존의 장비가 물과 바닥을 적절하게 혼합하지 않는 곳에 폭기 장치 재배치하거나 새로운 장비를 추가하는 것이다 (자흡식 폭기기, 에어리프트, 수직 폭기 장치 등 추가). 이전에 논의된 바와 같이, H₂S를 함유하는 환원된 (검은) 슬러지 더미를 분산시킬 때 매우 신중해야한다. 물 속에서 이 슬러지를 갑자기 많은 양을 재 부유시키는 것은 매우 위험할 수 있다! 이러한 작업은 점진적으로 행해져야 한다.

pH와 알칼리도는 전통적인 수준으로 유지되어야 한다. 알칼리도는 CaCO₃기준으로 50-100 mg/L이상이어야 하며 pH는 7-9이어야 한다. 알칼리도와 pH는 일반적으로 BFT 호지에서 안정되지만 높은 밀도의 경우 알칼리 약품을 추가할 필요가 있을 수 있다. 질산화는 중요한 알칼리도 소비 및 pH 저하로 이어지는 주요 과정이다. 주요 무기질소 조절이 질소동화에 기반한 시스템은 집중적인 질산화가 일어나고 있는 시스템과는 달리 알칼리도 및 pH와 관련하여 일반적으로 다소 안정적이다.

바이오플록 밀도 모니터링 및 제어

플록의 존재는 투명한 용기에 물 샘플을 채취하여 부유 입자의 존재를 관찰함으로써 알 수 있다. 바이오플록 농도는 보정된 임호프(Imhoff)콘을 사용하여 간단히 평가할 수 있다.

임호프콘에 1 리터의 물을 채워 (대표성을 확보하기 위해 폭기 장치 앞, 흐르는 물에서 샘플링) 15~20 분 동안 그대로 두어야 한다 (적절한 스탠드를 사용하여 임호프콘을 고정). 이 시간이 지나고 침전물의 부피를 읽는다. 많은 경우, 물을 채취할때는 플록이 작아서 거의 보이지 않지만 몇 분 안에 커다란 플록으로 발전한다. 약 20 분보다 긴 시간 동안 방치하면 플록 내에 가스가 형성되고 입자가 다시 현탁된다. 일반적인 플록의 양은 새우 양식 호지에서 2~40 ml/l이고 어류 호지에서 최대 100 ml/l이다

바이오플록 농도를 정의하고 결정하기 위한 다른 방법은, 그리고 아마도 더 정확한 용어는 Total Suspended Solids (TSS)이다.

총 부유 고형물 부피(FV)는 값비싼 장비 없이 양식장에서 쉽게 측정할 수 있다. 언급된 TSS 및 기타 매개 변수의 측정은 더 나은 장비를 요구하며 이는 FV 측정치가 맞는지 확인하기 위해 주기적으로 수행될 수 있다.

TSS와 플록의 부피 결과를 연관시키는 것이 바람직하다. 이 상관 관계는 양식장 및 양식 어종에 따라 서로 다소 상이 할 수 있으나, 단순한 용적 측정에 의한 TSS 추정이 가능하다. Avnimelech(2007)는 틸라피아 호지에서 바이오플록이1.4 % TSS (건조 중량)를 함유하고 있음이 밝혀졌지만 이것이 규칙이 아닐 수도 있다. 합리적인 근사치로 TSS = 10 x FV를 사용할 수 있다.

플록의 양 또는 관련 항목을 모니터링 할 때 얻은 값은 호지를 관리하는 데 매우 중요하다. 호지에있는 바이오플록의 존재는 수질 (암모니아, 아질산염, 과도한 유기 대사 물질)을 제어하는 ​​수단으로 필요할 뿐만 아니라 미생물 단백질의 사료로서 재활용에 필요하다. 낮은 농도의 바이오플록으로도 수질을 제어하기에 충분함을 연구를 통해 보여주었다. TAN은 플록 체적이 2-5 ml/l 일 때도 종속 영양균의 활동을 통해 수질이 조절될 수 있었다. 틸라피아 치어 실험에서 어류에 의한 단백질 섭취량은 플록의 증가와 함께 증가하였으나 플록의 부피가 약 10ml/l 이상 되었을 때부터 느려지기 시작했다. 새우 양식 호지의 일반적인 TSS 값은 약 50 ~ 300 mg/l 범위이며, 어류 호지의 TSS 값은 1,000 mg/l 수준에 이른다. TSS는 새우 양식장과 어류 양식장에서 각각 약 200 ~ 400 mg/l로 제한되어야 하며, 특히 틸라피아의 경우에는 아직 입증된 자료가 없다. 100 mg TSS/l의 총 사료 값은 약 1,000 kg Feed/ha라는 것을 알아야한다. 바이오플록에서 총 단백질 양을 알 수 있는데, 그 추정치는 물의 총 질소량을 통해서 얻을 수 있다.

성숙된 단계에서 플록의 양이2 ml/l (새우) 또는 5ml /l (어류)보다 낮으면 유기물 (당밀 또는 기타)을 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 15 ml (새우) 또는 25 ml (어류) 이상의 플록 체적은 너무 높을 수 있다. 과도한 플록은 생물학적 산소요구량 (BOD)을 증가시키며, 필요하지 않은 폭기량 증가를 요구한다. 과도한 부유 물질로 인해 아가미가 막힐 수 있다. 과도하게 많은 물을 배수하거나 경우에 따라 물의 교환율을 올려야 한다.

독성 질소의 통제

암모니아의 농도 (TAN 농도를 통해 결정)와 아질산염의 증가는 어류 생산을 심각하게 손상시킬 수 있다. 무기질소 농도는 매우 면밀히 관찰해야 한다. 주요 관찰 항목은 TAN (총 암모늄 질소)과 아질산염이다. 질산염 (NO₃) 농도도 수시로 측정하는 것이 좋다. TAN 농도는 목표 작물의 건강을 해칠 수 있는 범위 내에 있으면 안된다. TAN 농도의 증가 또는 총 무기질소의 증가는 첨가된 사료 중의 C/N 비가 너무 낮다는 것을 나타낸다. 암모니아는 독성이 높기 때문에 TAN의 증가에 대한 조치는 매우 빨라야 한다. 일반적인 조치는 탄수화물을 추가 투입하는 것이다. 심각한 상황이라면 당신은 호지 물의 일부를 교환하거나 조심스럽게 산을 첨가해서 물의 pH를 약간 내리는 것이다.

아질산염 농도의 증가는 여러가지 원인이 있을 수 있다. 생산 초기에 아질산염 농도의 증가가 예상되며 이는 질산화 과정에 기인한다. 생산 중기 이후에 나타나는 아질산염의 상승은 너무 낮은 C/N 비율과 질산화의 증가로 인한 것일 수 있다. 아질산염의 증가에 대한 또 다른 중요한 이유는 호지의 산화 환원 조건에 영향을 받는 불완전 산화이다. 따라서 성장기의 중간에 아질산염 농도의 상승이 측정될 때는 부적절한 폭기 또는 혼합으로 호지에 슬러지가 축적되기 때문이다. 아질산염 증가는 혐기성 지역 생성에 대한 매우 미묘한 초기 경고이다. 이때는 빨리 대응해야 한다. 가장 좋은 방법은 연못에 들어가서 (맨발이든 아니든 간에), 연못에 어딘가에 슬러지가 쌓이면 주변을 걷고 육체적으로 느끼는 것이다. 어떤 정교한 원격 감지 계측기를 사용할 수도 있지만 걷거나 느끼는 것이 가장 민감한 도구이다. 슬러지 더미를 발견하면 슬러지를 더 잘 분산시키거나 슬러지를 배출하기 위해 폭기 장치의 위치를 ​​변경할 수 있다. 그러나 위에서 언급했듯이 슬러지 더미를 너무 빨리 분산시키는 것은 주의해야 한다. 호지에서 수시로 걷는 것은 악어나 피라냐를 키우지 않는 한 좋은 습관이다.

실용적인 응용 및 팁

밀식 호지에서 바이오플록 시스템을 정착시키는 방법에는 두 가지가 있다. 첫 번째 방법은 어류를 입식시키고 조류를 번식시킨 후 미생물 개체군이 점차 커지고 지배하게 하는 것이다. 두 번째 방법은 입식 시키기 전에 호지에 먹이를 공급하고 호지에 미생물을 접종하여 빠르게 종속 영양 미생물 증식을 강화시키는 것이다. 두가지를 병행하기도 한다.

1. 바이오플록은 입식 밀도가 높고 사료 투입량이 많은 어류 (새우) 양식 호지에서 발달한다. 종종 특히 새우 생산 시스템에서 몇 주 만에 이러한 조건이 발생한다. 바이오플록의 이점을 이용하기 위해서는 입식 밀도가 높은 것이 유리하다. 이송 또는 부분 수확 계획을 세워 호지의 수용 능력을 초과하지 않도록 한다.

2. 미생물 상태가 좋은 호지의 물로 새로 시작하는 호지를 채우는 것은 양식장 조건에 잘 맞게 균형 잡힌 미생물 군락을 유지하는 데 도움이 된다.

3. 잉여 슬러지 배출이 중요하다. 효과적인 배수를 위해서는 호지 바닥에서 물이 빠르게 유출되는 것이 좋다. 배수 시스템은 수위 차가 큰 것이 좋다.

4. 호지에 첨가될 탄수화물은 미세하게 분쇄되어야 한다(카사바, 밀, 옥수수, 쌀 또는 가용 액체 (당밀). 지역에 따라 이용 가능하고 저렴한 자원을 확인해야 한다.

5. 컴퓨터는 현재 거의 모든 농장에서 일반적이다. 데이터를 컴퓨터에 기록하고 결과를 표로 만들고 그래프를 그려서 추세를 보고 비교분석 하고 결론을 도출하는 것도 한 가지 방법이다. 변경 사항을 실시간으로 확인하려면 데이터를 컴퓨터 형식으로 처리하고 가능한 한 빨리 차트를 그리는 것이 좋다. 지난 몇 년간의 기록을 유지하면 미리 변경 사항을 결정하는 데 도움이 된다.

6. 호지의 여러 지점에서 물을 샘플링하는 것은 호지에 익숙하게 하는 좋은 습관이다. 호지가 얼마나 균일한지 알아보고 폭기를 조정하는 최선의 방법을 결정하라.

연구 과제

우리가 새로운 기술을 다루고 있기 때문에 BFT 호지 관리 경험은 제한적이다. 또한 지금까지 발표된 연구도 제한적이다. 상업용 호지에서 얻은 매우 중요한 경험이 관심있는 지역 사회에 적절하게 전파되지 못했다. BFT 호지의 보급이 늘어남에 따라 많은 관심과 자금으로 더 많은 연구가 이루어질 것으로 기대된다. 실용적인 무역과 과학 회의, BFT 실무 그룹의 활동 및 비공식적인 상호 작용이 양식업체와 과학자에게 더 많은 정보를 제공하는데 도움이 될 것을 희망한다.

맺음말

바이오플록 기술은 과학 및 공학의 여러 측면과 부문을 포함하는 흥미롭고 복잡한 시스템이다:

A.   박테리아, 조류, 동물 플랑크톤 및 어류의 조합 및 상호 작용;

B.   수질 통제를 위한 복잡한 생태계의 제어;

C.   폐기물의 재활용 및 물고기에 의한 이용;

D.   폭기장치, 호지 구조 및 생물 공학과 같은 공학 제어;

바이오플록 기술은 인류에게 더 많은 건강 식품을 생산하기 위한 지속 가능하고 수익성 높은 시스템 개발을 목표로 한다. 우리는 이 기술을 알고, 이해하고 습득하기 위한 길을 막 시작하고 있다. 우리는 더 많은 분야의 연구, 훨씬 더 다양한 양식장 규모에 대한 경험과 관심있는 전문가에 의한 관찰이 필요하다. 우리는 협력, 상호 학습 과정 및 더 나은 이해가 필요하다.