International journal of advanced smart convergence
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제5권2호
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pp.73-79
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2016
Remote sensing and measurement are of paramount importance of providing information on the state of water quality in water bodies. The formation and growth of cyanobacteria is of serious concern to in land aquatic life forms and human life. The main cause of water quality deterioration stems from anthropogenic induced eutrophication. The goal of this research to quantify and determine the spatial distribution of cyanobacteria concentration in the water using remote sensing technique. The standard approach to measure water quality based on the direct measurement of the fluorescence of the chlorophyll a in the living algal cells and the same approach used to detect the phycobilin pigments found in blue-green algae (a.k.a. cyanobacteria), phycocyanin and phycoerythrin. This paper propose the emerging sensor design to measure the water quality based on the optical analysis by fluorescence of the phycocyanin pigment. In this research, we developed an method to sense and quantify to derive phycocyanin intensity index for estimating cyanobacteria concentrations. The development of the index was based on the reflectance difference between visible light band 620nm and 665nm. As a result of research this paper presents, an optical biological sensor design information to measure the Phycocyanin parameters in water content.
최근 국내 기후변화와 산업화로 인한 오염물 배출량 증가로 인해 하천 및 호소에 남조류 과대 성장이 빈번히 발생한다. 과거에 비해 녹조현상의 빈도가 잦아졌으며, 지속기간이 증가하였다. 조류 발생 시 현장에서 채수한 샘플을 통해 검경 및 chlorophyll-a 분석을 진행하여 조류의 정성·정량적 평가를 진행한다. 이러한 분석결과는 녹조 발생에 대한 기초자료로 활용되고 있다. 하지만 현장 시료 샘플을 통한 조류 검경의 경우 단일지점에 대한 분석으로 인해 하천 및 호소의 전체적인 대표성을 나타내기엔 한계가 있고, 많은 인력과 시간이 소요된다. 또한 chlorophyll-a는 녹조류와 높은 관련성이 있어 유해남조류에 대한 집중 분석에는 한계가 발생한다. 이러한 한계점을 통해 국내·외로 조류 연구에 분광 스펙트럼을 활용한 원격탐사 기법 적용되고 있으며, 남조류 농도를 분석하기 위해 남조류의 보조 색소인 phycocyanin을 활용한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 분광스펙트럼을 활용한 phycocyanin 분석을 진행하였다. 분광 스펙트럼을 측정하기 위해 점(point) 단위의 고해상도 분광방사계를 활용하였으며, phycocyanin 측정을 위해서 형광 센서를 활용하였다. 현장에서 형광센서 및 분광방사계를 동시에 측정하여 데이터를 취득하였으며, 분광 스펙트럼 특성상 노이즈 및 이상치가 발생하기 때문에 전처리 과정을 통해 이를 보완하였다. phycocyanin 분석을 위해 다중 스펙트럼을 활용한 분광지수를 활용했으며, 이를 통해 phycocyanin 분석에 있어 최적의 분광지수를 제시하고자 한다. 본 연구 결과는 고해상도 점(point)단위 분석으로 향후 선단위, 면단위 하천 조류-스펙트럼 분석에 있어 기초자료로 활용될 것으로 판단된다.
Molecular characterization of ten marine cyanobacterial isolates belonging to the order Oscillatoriales was carried out using the phycocyanin locus (cpcBA-IGS) and the 16S-23S internally transcribed spacer region. DNA sequences from the phycocyanin operon discriminated ten genotypes, which corresponded to seven morphotypes identified by traditional microscopic analysis. The cpcB coding region revealed 17% nucleotide variation, while cpcA exhibited 29% variation across the studied species. Phylogenetic analyses support the conclusion that the Phormidium and Leptolyngbya genera are not monophyletic. The nucleotide variations were heterogeneously distributed with no or minimal informative nucleotides. Our results suggest that the discriminatory power of the phycocyanin region varies across the cyanobacterial species and strains. The DNA sequence analysis of the 16S-23S internally transcribed spacer region also supports the polyphyletic nature of the studied oscillatorian cyanobacteria. This study demonstrated that morphologically very similar strains might differ genotypically. Thus, molecular approaches comprising different gene regions in combination with morphological criteria may provide better taxonomical resolution of the order Oscillatoriales.
Chlorophyll ${\alpha}$ concentration and cyanobacterial cell density are regularly employed as dual criteria for determinations of the alert level for cyanobacterial bloom. However, chlorophyll ${\alpha}$ is not confined only to the cyanobacteria, but is found universally in eukaryotic algae. Furthermore, the determination of cyanobacterial cell counts is notoriously difficult, and is unduly dependent on individual variation and trained skill. A cyanobacteria-specific parameter other than the cell count or chlorophyll ${\alpha}$ concentration is, accordingly, required in order to improve the present cyanobacterial bloom alert system. Phycocyanin has been shown to exhibit a strong correlation with a variety of bloom-related factors. This may allow for the current alert system criteria to be replaced by a three-stage alert system based on phycocyanin concentrations of 0.1, 30, and $700\;{\mu}g/L$. This would also be advantageous in that it would become far more simple to conduct measurements without the need for expensive equipment, thereby enabling the monitoring of entire lakes more precisely and frequently. Thus, an alert system with superior predictive ability based on highthroughput phycocyanin measurements appears feasible.
Cyanobacteria의 광합성 보조색소인 phycocyanin의 PC operon(cpc gene)을 PCR로 증폭하고, 제한효소로 처리하여 RFLP pattern을 비교하였다. Intergenic spacer sequence를 포함한 cpc gene은 실험에 사용한 cyanobacteria 균주 모두에게 증폭되었으며, 산물의 size는 약 700 bp였다. PCR산물을 5종의 제한효소로 처리한 결과 AluI, MspI, HaeIII는 같은 속내으ㅐ 균주간에 동일한 pattern을 나타내어 속 구분이 가능하였으며 CfoI은 Anabeana와 Synechocystis속의 균주간에 구별되는 양상을 나타내어 속내 균주 구별에 유용하였다. Restriction enzyme profile에 의한 phenogram에서 Anabeana, Chlorogloea, Synechyhocystis는 각각 하나의 cluster를 형성하여 cyanobacteria의 분류에 PC-IGS의 RFLP pattern이 유용함을 알 수 있었다.
Phycocyanin (PC) is one of the water-soluble accessory pigments of cyanobacteria species, and its concentration is used to estimate the presence and relative abundance of cyanobacteria. In laboratory experiments, PC content of field data were determined using Sarada's freeze-thaw method in algal bloom season. The effectiveness of three selected extraction methods (repeated freeze-thaw method, homogenization, power control) for PC were determined. The extraction efficiency of phycocyanin was the highest (of the methods compared) when a single freezing-thawing cycle was followed by pre-sonication. Applying this optimized method to surface water of Korean inland waters, the average concentration distribution was estimated at $2.9{\sim}51.9mg/m^3$. It has been shown that the optimized pre-sonication method is suitable to measure cyanobacteria PC content for the characterization of inland waters. The approach and results of this study indicates the potential of effective methods for remote monitoring and management of water quality in turbid inland waters using hyperspectral remote sensing.
The effects of potassium, sodium, calcium, magnesium, and iron on cyanobacterial bloom potentials were investigated in Daechung Reservoir, Korea. Potassium showed the highest correlation with the cyanobacterial cell number (r=0.487, P<0.05) and phycocyanin concentration (r=0.499, P<0.05). However, it was not likely that the potassium had directly affected the bloom formation, because the variations of its concentration were not significantly large. In contrast, the Fe concentration fluctuated drastically and exhibited a negative correlation with the cyanobacterial cell number (r=- 0.388, P<0.1) and phycocyanin concentration (r=-0.446, P<0.05). Accordingly, the K:Fe atomic ratio would appear to reflect the extent of cyanobacterial bloom more precisely than K or Fe alone. The K:Fe ratio specifically correlated with cyanobacterial percentage, the cyanobacterial cell number and phycocyanin concentration (r=0.840, P<0.001; r=0.416, P<0.05; r=0.522, P<0.01, respectively). With the K:Fe atomic ratio of over 200, the chlorophyll-a concentration, cyanobacterial cell number, and phycocyanin concentration exceeded $10\mu$g $1^{-1}$20,000 cells $ml^{-1}$, and 20 pM, respectively, the general criteria of eutrophic water.
This paper reviews the effects of Spirulina platensis and its extracts and phycocyanin, a blue photosynthetic pigment protein in Spirulina on the mucosal immune functions in humans and animals as follows: TEX>$\bullet$ IgA antibody response and other classes in mucosal immunity of mice treated with Spirulina platensis and its extract. $\bullet$ Effect of Spirulina phycocyanin ingestion on the mucosal antibody responses in mice. - Distinct effects of phycocyanin on secretory IgA and allergic IgE antibody responses in mice following oral immunization with antigen-entrapped biodegradable microparticles. $\bullet$ Influence of dietary Spirulina platensis on IgA level in human saliva. $\bullet$ A study on enhancement of bone-marrow cell-proliferation and differentiation by Spirulina platensis in mice: in vivo and in vitro study
국내 이상기후로 인해 여름철 하천과 호소에서 빈번하게 발생되는 조류의 과대성장이 매년 문제가 되고 있다. 하천 조류는 일차생산자로서 매우 중요한 역할을 하지만, 하천조류 중 유해남조류가 생장하면서 발생하는 악취 유발 물질과 독성물질의 배출로 문제를 야기하고 있다. 국내에서는 조류경보제와 수질예보제를 시행하여 국민의 안전을 도모하기 위해 최선을 다하고 있으며, 발령 기준은 유해남조류세포수에 따라 발령이 되기 때문에 유해남조류 측정은 매우 중요하다. 현재 조류의 분석방법은 현장에서 조류샘플을 채취하고 실험실에서 현미경을 통해 조류샘플을 검경하고 녹조류, 남조류, 규조류의 세포수 또는 우점종을 산정한다. 조류검경은 개인의 역량에 따라 오차가 생길수 있고 시간이 많이 소요된다. 최근 많은 연구자들이 이런 문제를 해결하기 위해 인공위성, 광학영상, 초분광영상 등을 통해 녹조류와 남조류 대체 인자인 Chlorophyll, Phycocyanin을 통해 조류농도를 추정하고 있으나, 조류세포수 분석에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 매년 조류 발생으로 문제가 되는 물금취수장 인근 하천에서 발생한 조류를 채취하고 조류검경을 통해 얻은 남조류세포수와, LISST-HAB를 통해 얻은 Phycocyanin농도, 초분광영상을 활용한 조류스펙트럼 데이터를 통해 남조류세포수 추정하고 남조류세포수와 비교분석을 진행하였다. 본 연구를 통해 조류측정 원격탐사 연구의 기초자료로 제공하고자 한다.
최근 국내 녹조현상의 빈도가 잦아지고, 지속기간이 증가하였다. 이러한 녹조현상은 이상기후로 인한 일사량, 수온, 체류시간 증가로 인한 환경적인 영향이 있으며, 산업단지 및 농지 등에서 유출되는 질소나 인의 부영양화로 인한 인위적 영향이 있다. 조류종 중 특히 남조류가 생장하는 과정에서 발생하는 독성물질(간독소, 신경독소), 이취미 물질(Geosmin, 2-MIB 등)은 수질을 악화시키고 있어 생태계에 큰 영향을 미친다. 조류는 하천에서 넓은 분포로 발생하게 되는데 현재 조류 조사 방법은 현장에 발생한 조류를 직접 채취하여 연구실에서 현미경으로 직접 검경하기 때문에 많은 인력과 시간, 비용이 소비되고 있는 실정이다. 국내에서는 인력과 시간을 줄이기 위해 센서를 활용한 조류분석 및 원격탐사 기법을 이용한 조류 모니터링에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 하지만 하천에서는 녹조류와 남조류 모두 혼합되어 존재하며 센서를 이용하여 조류를 분석할 시 녹조류는 Chl-a, 남조류는 Phycocyanin을 대체하여 분석하고 있다. 하지만 모든 조류는 광합성을 하기 때문에 Chl-a를 모두 함유하고 있어 Chl-a만으로 남조류를 추정하는 데에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 조류 계측장비인 LISST-HAB를 통하여 조류시료의 농도를 측정하여 Chl-a, Phycocyanin 농도를 측정하여 조류종 분류에 대한 분석을 진행하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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