Study on Freshwater Aquaculture and Aquaponics Applied with Biofloc Technology (BFT)

국문 초록 (Abstract)

이번 연구에서는 친환경 양식의 방법 중 하나인 바이오플락 양식기술(BFT)을 이용하여 담수어류양식 및 아쿠아포닉스 적용에 따른 적용 어류의 성장 및 수질개선효과에 관한 연구를 위해 메기(Silurus asotus), 뱀장어(Anguilla japonica), 향어(Cyprinus carpio)를 대상으로 C/N 비, 수온, 밀도에 따라 사육실험을 진행했다. 실험종료 후 성장도와 수질, 그리고 바이오플락 사육수 내 미생물 특성을 알아보기 위해 NGS 분석을 실시하였으며, 효과적인 어종별 사육을 위해 총 암모니아성 질소 및 아질산성 질소에 따른 급성독성실험을 진행하였다. 또한, 바이오플락 양식기술(BFT) 기반의 아쿠아포닉스 적용을 통해 메기, 뱀장어 및 미꾸리의 성장도와 수질개선효과 및 사육수 성분분석을 진행하였다. C/N 비에 따른 실험결과, 메기의 증체율(Weight gain rate)은 C/N 20:1에서 140.9±5.56%, 15:1에서 123.4±6.32%로 나타났으며, 뱀장어에서는 경우, C/N 20:1에서 146.1±10.22%, 15:1에서 116.9±17.44%로 나타났다. 향어는 C/N 20:1에서 53.2±3.33%, 15:1에서 45.5±7.12%로 나타나 모두 15:1∼20:1의 조건에서 사육 시 개선된 효과가 나타났다. 수온에 따른 실험결과 메기는 증체율이 30℃에서 106.8±5.18%, 25℃에서 91.6±0.13%, 20℃에서 69.9±2.18%로 나타났다. 뱀장어에서는 30℃에서 30.8±2.29%, 25℃에서 29.3±4.48%, 20℃에서 25.0±3.33%로 나타났다. 향어는 24℃에서 53.1±1.17%, 26℃에서 49.5±2.08%로 나타났다. 밀도에 따른 실험결과, 메기는 밀도가 가장 낮은 실험구인 0.5 kg/m2에서 증체율이 164.4±5.02%로 성장률이 가장 높게 나타났으며, 뱀장어의 경우, 1 kg/m2에서 증체율이 134.2±4.17%로 가장 높게 나타났다. 향어는 0.5 kg/m2에서 증체율이 92.7±3.12%로 가장 높게 나타났다. 수질의 경우 모든 실험구에서 낮은 수치로 안전하게 유지되었으며, 질병이나 기생충으로 인한 폐사는 나타나지 않았다. 이후 미생물 분석결과, 메기와 뱀장어 사육수에서 C/N비에 따른 미생물 다양성 및 시간(0, 2, 4주)에 따른 미생물 다양성의 NGS 분석 결과 두 사육수 모두 Proteobacteria와 Bacteroidetes 문이 우세로 나타났으며, 메기 사육수의 경우, Verrucomicrobia, Planctomycetes, Actinobacteria, Acidobacteria, Firmicutes의 상대풍부도(Relative abundance, R.A)가 증가하였으며, C/N 비 15:1, 20:1에서 우세한 모습을 나타냈다. 뱀장어 사육수에서는 Chlamydiae 문의 상대풍부도는 감소한 반면 Planctomycete와 Firmicutes문의 상대풍부도는 증가하였으며, C/N 비 15:1에서 가장 우세한 모습을 나타냈으며, 온도에 따른 미생물 다양성 및 시간(0, 2, 4)주에 따른 미생물 다양성의 NGS 분석 결과 메기 사육수의 경우 온도가 높아질수록 Fusobacteria의 총량이 높아졌다. 뱀장어 사육수의 경우 온도가 높아질수록 Proteobacteria의 총량은 줄고, Firmicutes의 총량은 높아지는 경향이 나타났다. pH에 따른 총 암모니아성 질소와 아질산성 질소의 독성에 대한 안전 농도는 총 암모니아성 질소 메기는 pH 6에서 9.2 mg/L, pH 7에서 6.3 mg/L, pH 8에서 4.2 mg/L로 나타났으며, 뱀장어는 pH 6에서 33.2 mg/L, pH 7에서 23.5 mg/L, pH 8에서 16.7 mg/L로 나타났고, 향어는 pH 6에서 6.7 mg/L, pH 7에서 4.8 mg/L, pH 8에서 4.4 mg/L로 나타났다. 아질산성 질소 메기는 pH 6에서 15.1 mg/L, pH 7에서 68.5 mg/L, pH 8에서 247 mg/L로 나타났으며, 뱀장어는 pH 6에서 18.8 mg/L, pH 7에서 29.6 mg/L, pH 8에서 71.1 mg/L로 나타났고, 향어는 pH 6에서 6.9 mg/L, pH 7에서 9 mg/L, pH 8에서 10.5 mg/L로 나타났다.
바이오플락 양식기술(BFT)을 이용한 아쿠아포닉스 적용에 관한 실험결과 박막필름식(NFT) 아쿠아포닉스 적용 시 메기의 경우, BFT-AP에서 증체율이 98.4±0.63%로 나타났으며, 대조구에서는 50.4±4.70%으로 나타났다. 뱀장어의 경우, BFT에서 증체율이 78.3±2.51%로 나타났으며, 대조구에서는 62.3±4.94%로 나타났다. 또한 메기를 적용한 식물의 성장의 경우, 뿌리를 제외한 상층부 무게(Shoot weight)는 BFT-AP에서 121.9±6.25 g, 수경재배에서 120.5±0.18 g, 대조구에서 75.5±4.18 g로 나타났다. 뱀장어의 경우 BFT-AP에서 124.1±8.21 g, 수경재배에서 122.6±3.13 g, 대조구에서 79.2±6.12 g로 나타났다. 수질은 메기와 뱀장어 모두 질산성 질소(NO3-N)가 감소하는 모습이 나타났다. 담액식(DWC) 아쿠아포닉스 적용 시 식물의 밀도에 따라 100, 200 포기를 적용하여 사육을 진행한 결과, 메기의 증체율은 BFT-AP 200에서 147.3±6.17%로 가장 좋게 나타났으며, BFT-AP 100에서 142.6±5.55%, 대조구(BFT)에서 137.1±4.25%로 나타났다. 뱀장어의 경우, BFT-AP 200에서 증체율이 178.4±5.06%로 가장 좋게 나타났으며, BFT-AP 100에서 136.2±1.35%, 대조구(BFT)에서 100.8±2.48%로 나타났다. 또한 메기를 적용한 식물의 성장의 경우, 뿌리를 제외한 상층부 무게(Shoot weight)는 BFT-AP 200에서 143±45.7 g, 수경재배에서 138±32.6 g, BFT-AP 100에서 136±15.5 g로 나타났으며, 뱀장어의 경우 BFT-AP 200에서 190±32.5 g, 수경재배에서 178±35.7 g, BFT-AP 100에서 168±30.8 g으로 나타났다. 수질은 두 어종 모두 질산성 질소가 감소하는 경향이 나타났다. 미꾸리의 경우 BFT-AP의 증체율과 생존율은 51.1±3.65%, 91.6±2.55%로 나타났으며, BFT에서는 24.0±4.24%, 82.1±11.12%, 대조구(직수)에서 –15.7±1.41, 66.8±2.78%로 BFT 기반의 아쿠아포닉스 및 BFT에서 대조구보다 개선된 효과가 나타났다. BFT 기반의 아쿠아포닉스 사육수 분석 결과, 메기의 경우, N은 58.26 mg/L, P는 17.23 mg/L, Na는 83.95 mg/L, Fe는 0.10 mg/L, Zn은 0.41 mg/L, Cu는 0.11 mg/L, Si는 13.17 mg/L, Ca는 63.35 mg/L, K는 34.25 mg/L, Mg는 10.15 mg/L, Cl은 50.90 mg/L로 나타났다. 대부분의 성분은 양액에서 높은 값이 나타났지만, BFT-AP에서는 Mn이 검출되지 않았으나, Zn, Cu는 미량으로 존재하는 것으로 나타났으며, Na, Cl은 양액보다 높은 값이 나타났고, 뱀장어의 경우, N은 26.68 mg/L, P는 6.81 mg/L, Na는 99.77 mg/L, Fe는 0.13 mg/L, Zn은 0.16 mg/L, Si는 13.31 mg/L, Ca는 37.48 mg/L, K는 0.33 mg/L, Mg는 9.41 mg/L, Cl은 27.18 mg/L로 나타났다. 실험결과, BFT를 이용한 담수어류 양식 및 아쿠아포닉스 적용 시 새로운 친환경 양식방법으로서의 적용이 가능할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, eco-friendly methods of aquaculture, biofloc technology (BFT) aquaculture system was conducted for growth and water quality improvements on catfish (Silurus asotus), eel (Anguilla japonica) and carp (Cyprinus carpio). In the first experiment, to evaluate growth performance of 3 kinds of fishes, different C/N ratio, temperature and density were conducted for 3 kinds of fishes. The results of different C/N ratio on BFT showed weight gain rate (WGR) of 15:1(catfish : 140.9±5.56%, Eel : 146.1±10.22% and Carp : 45.5±7.12%) and 20:1 (Catfish : 123.4±6.32%, Eel : 116.9±17.44% and Carp : 53.2±3.33%) were adequate for catfish, eel and carp in BFT aquaculture system. The results of different temperature on BFT, catfish (WGR : 106.8±5.18%) and eel (WGR : 30.8±2.29%) showed 30℃ was adequate and Eel but BFT carp showed 24℃(WGR : 53.1±1.17%) and 26℃(WGR : 49.5±2.08%). The results of different density on BFT, catfish (WGR : 164.4±5.02%) and carp (WGR : 92.7±3.12%) showed 0.5 kg/m2 was adequate and eel (WGR : 134.2±4.17%) showed 1 kg/m2 was adequate. Nitrogen components (Total ammonia nitrogen, NO2-N) of all experiments were stabled. Next generation sequencing analysis showed proteobacteria and bacteroidetes were dominate in C/N 15 and C/N 20 of catfish and eel BFT breeding water. The results of acute toxicity experiment of catfish, eel and carp showed, the TAN safety concentration of catfish were 9.2 mg/L (pH 6), 6.3 mg/L (pH 7) and 4.2 mg/L (pH 8). Eel were 33.2 mg/L (pH 6), 23.5 mg/L (pH 7) and 16.7 mg/L (pH 8). Carp were 6.7 mg/L (pH 6), 4.8 mg/L (pH 7) and 4.4 mg/L (pH 8). NO2-N safety concentration of carfish were 15.1 mg/L (pH 6), 68.5 mg/L (pH 7) and 247 mg/L (pH 8). Eel were 18.8 mg/L (pH 6), 29.6 mg/L (pH 7) and 71.1 mg/L (pH 8). Carp were 6.9 mg/L (pH 6), 9 mg/L (pH 7) and 10.5 mg/L (pH 8). NFT (Nutrient film technique) aquaponics coupled with BFT showed WGR of catfish BFT-AP was 98.4±0.63% and WGR of eel BFT-AP was 78.3±2.51%. In catfish BFT-AP (NFT) shoot weight of caipira lettuce (Lactuca sativa) was 121.9±6.25 g, in hydroponics was 120.5±0.18 g and in control (running water; 3 rotations/day) was 75.5±4.18 g. In eel BFT-AP (NFT) shoot weight of caipira lettuce (Lactuca sativa) was 124.1±8.21 g, in hydroponics was 120.5±0.18 g and in control (running water; 3 rotations/day) was 79.2±6.12 g. DWC (Deep water culture) aquaponics of different plants (100 individuals, 200 individuals) density coupled with BFT showed WGR of catfish BFT-AP 200 was 142.6±5.55% and WGR of eel BFT-AP 200 was 178.4±5.06%. In catfish BFT-AP 200 (DWC) shoot weight was 143±45.7 g, in eel BFT-AP 200 (DWC) shoot weight was 190±32.5 g. NO3-N of NFT and DWC aquaponics coupled with BFT was decreased during the experiment. The survival rate of BFT-AP(DWC) weather loach (Misgurnus anguillicaudatus) was 91.6±2.55%. The components of BFT-AP catfish breeding water showed N was 58.26 mg/L, Ca was 17.23 mg/L, Fe was 0.10 mg/L, Zn was 0.41 mg/L, Cu was 0.11 mg/L, Si was 13.17 mg/L, Ca was 63.35 mg/L, K was 34.25 mg/L, Mg was 10.15 mg/L and Cl was 50.90 mg/L. The components of BFT-AP eel breeding water showed N was 26.68 mg/L, P was 6.81 mg/L, Na was 99.77 mg/L, Fe was 0.13 mg/L, Zn was 0.16 mg/L, Si was 13.31 mg/L, Ca was 37.48 mg/L, K was 0.33 mg/L, Mg was 9.41 mg/L, Cl was 27.18 mg/L.
Therefore, in this study, the results indicated that freshwater aquaculture and aquaponics applied with BFT could be a new eco-friendly aquaculture in future.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 16
• 1. BFT 양식시스템 내 수질환경 및 사육효율 개선효과 16
• 1.1. 내수면 양식대상종의 BFT 적용에 따른 수질환경 요인 분석 16
• 1.1.1. BFT 사육수 제조에 따른 수질변화 및 미생물 군집분석 16
• 1.1.2. C/N 비에 따른 BFT 적용 어류의 성장 및 NGS 분석 18
• 1.1.2.1. 메기(Silurus asotus) 18
• 1.1.2.2. 뱀장어(Anguilla japonica) 20
• 1.1.2.3. 향어(Cyprinus carpio) 23
• 1.1.2.4. BFT 사육수 NGS 분석 24
• 1.1.3. 어종에 따른 급성독성(TAN, NO2-N) 및 안전농도 25
• 1.1.3.1. 메기(S. asotus) 25
• 1.1.3.2. 뱀장어(A. japonica) 27
• 1.1.3.3. 향어(C. carpio) 28
• 1.2. BFT 사육관리 요인에 따른 성장 및 특징 29
• 1.2.1. 사육수온에 따른 BFT 적용 어류의 성장 및 미생물 NGS 분석 29
• 1.2.1.1. 메기(S. asotus) 29
• 1.2.1.2. 뱀장어(A. japonica) 31
• 1.2.1.3. 향어(C. carpio) 32
• 1.2.2. 사육밀도에 따른 BFT 적용 어류의 성장비교 34
• 1.2.2.1. 메기(S. asotus) 34
• 1.2.2.2. 뱀장어(A. japonica) 35
• 1.2.2.3. 향어(C. carpio) 36
• 1.2.3. TSS 제거에 따른 성장비교 37
• 1.2.4. 고밀도 사육을 위한 BFT 적용 및 양식장과의 비교 39
• 2. BFT 기반의 아쿠아포닉스 시스템 적용 분석 41
• 2.1. NFT를 이용한 BFT 기반의 아쿠아포닉스 적용 어류의 성장 및 사육수 수질분석 41
• 2.1.1. 메기(S. asotus) 41
• 2.1.2. 뱀장어(A. japonica) 44
• 2.1.3. 수질분석 46
• 2.2. DWC를 이용한 BFT 기반의 아쿠아포닉스 적용 어류의 성장, 사육수 수질 및 성분 분석 47
• 2.2.1. 메기(S. asotus) 47
• 2.2.2. 뱀장어(A. japonica) 48
• 2.2.3. 미꾸리(Misgurnus anguillicaudatus) 49
• 2.2.4. 작물의 밀도(재식량)에 따른 사육어의 성장도 분석 52
• 2.2.5. 사육수 성분 분석 및 수질 분석 53
• Ⅲ. Results 54
• 1. BFT 양식시스템 내 수질환경 및 사육효율 개선효과 54
• 1.1. 내수면 양식대상종의 BFT 적용에 따른 수질환경 요인 분석 54
• 1.1.1. BFT 사육수 제조에 따른 수질변화 및 미생물 군집분석 54
• 1.1.2. C/N 비에 따른 BFT 적용 어류의 성장 및 미생물 NGS 분석 57
• 1.1.2.1. 메기(S. asotus) 57
• 1.1.2.2. 뱀장어(A. japonica) 59
• 1.1.2.3. 향어(C. carpio) 61
• 1.1.2.4. BFT 사육수 NGS 분석 63
• 1.1.3. 어종에 따른 급성독성(TAN, NO2-N) 및 안전농도 68
• 1.1.3.1. 메기(S. asotus) 68
• 1.1.3.2. 뱀장어(A. japonica) 76
• 1.1.3.3. 향어(C. carpio) 84
• 1.1.3.4. 안전농도 92
• 1.2. BFT 사육관리 요인에 따른 성장 및 특징 94
• 1.2.1. 사육수온에 따른 BFT 적용 어류의 성장 및 미생물 NGS 분석 94
• 1.2.1.1. 메기(S. asotus) 94
• 1.2.1.2. 뱀장어(A. japonica) 97
• 1.2.1.3. 향어(C. carpio) 100
• 1.2.1.4. BFT 사육수 NGS 분석 103
• 1.2.2. 사육밀도에 따른 BFT 적용 어류의 성장비교 109
• 1.2.2.1. 메기(S. asotus) 109
• 1.2.2.2. 뱀장어(A. japonica) 112
• 1.2.2.3. 향어(C. carpio) 115
• 1.2.3. TSS 제거에 따른 성장비교 118
• 1.2.4. 고밀도 사육을 위한 BFT 적용 및 양식장과의 비교 121
• 2. BFT 기반의 아쿠아포닉스 시스템 적용 분석 123
• 2.1. NFT를 이용한 BFT 기반의 아쿠아포닉스 적용 어류의성장 및 사육수 수질 분석 123
• 2.1.1. 메기(S. asotus) 123
• 2.1.2. 뱀장어(A. japonica) 125
• 2.1.3. 수질분석 128
• 2.2. DWC를 이용한 BFT 기반의 아쿠아포닉스 적용 어류의 성장, 사육수 수질 및 성분 분석 132
• 2.2.1. 메기(S. asotus) 132
• 2.2.2. 뱀장어(A. japonica) 135
• 2.2.3. 미꾸리(M. anguillicaudatus) 138
• 2.2.4. 작물의 밀도(재식량)에 따른 사육어의 성장도 분석 141
• 2.2.5. 사육수 성분 분석 및 수질 분석 142
• 2.2.5.1. 메기(S. asotus)의 사육수 성분분석 142
• 2.2.5.2. 메기(S. asotus)의 사육수 수질변화 144
• 2.2.5.3. 뱀장어(A. japonica)의 사육수 성분분석 146
• 2.2.5.4. 뱀장어(A. japonica)의 사육수 수질변화 148
• 2.2.5.5. 미꾸리(M. anguillicaudatus)의 사육수 수질변화 150
• Ⅳ. Discussion 152
• 1. BFT 양식시스템 내 수질환경 및 사육효율 개선효과 152
• 1.1. 내수면 양식대상종의 BFT 적용에 따른 수질환경 요인 분석 152
• 1.2. BFT 사육관리 요인에 따른 성장 및 특징 154
• 2. BFT 기반의 아쿠아포닉스 시스템 적용 분석 158
• Ⅴ. Conclusion 163
• Ⅵ. References 164
• Acknowledgement 180

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