(생물 동아리 META)
2606 김혜원, 2709 문민경, 2719 이주영, 2815 손얘지, 2817 송인지, 2818 신혜진
과제 연구 요약
최근 많은 양식장에서 사용하는 사료가 부영양화, 박테리아 번식 등의 여러 가지 수질문제를 일으키고 있다. 이러한 문제를 막기 위해 친환경적인 방법으로 직접 재료를 배합하여 사료를 만들어봄으로써 기존 사료와의 차이점 및 장단점을 비교해보려고 한다.
주요어
자작사료, 구피, MBL, 질산이온센서
Ⅰ. 서론
1. 연구목적
몇 개 월 전부터 생물 동아리 실 앞에도, 온실 앞에도 수조와 연못이 조성되고 학교에서 다양한 종류의 물 고기를 쉽게 관찰할 수 있게 되었다. 우리는 이러한 물고기들의 성장에 영향을 미치는 요인들에 대해 조사 해 보기로 하였는데 수질, 여과기의 유무, 조명의 유무, 같은 수조 속에 있는 개체 수, 먹이 중 물고기에 가 장 직접적으로 영향을 미친다고 판단되는 물고기의 먹이에 변화를 주었을 때 물고기와 그 환경에 미치는 영향에 대한 연구를 진행해 보기로 하였다. 물고기에게 평소에 급여하는 먹이는 물에서 부영양화를 일으켜 종종 수질오염으로까지 진행되기도 한다. 또 급여되는 사료의 종류에 따라 물고기의 성장이 더뎌지거나 가 속화되기도 한다. 먹이는 열대어의 발육, 체형, 발색, 핀에 직접적인 영향을 주며 장기적으로는 수명과 질병 에도 영향을 준다. 또한 가장 중요한 수질관리에도 영향을 미친다. 우리는 시중에 판매되는 기존사료와 (섬 유질이 풍부한 다시마 분말, 칼슘이 풍부한 멸치 분말, 단백질이 풍부한 밀 글루텐 등의 재료의 비율을 조 절하여) 자체 제작한 사료를 사용 하였을 때의 물고기의 성장률 또는 개체의 변화된 모습, 질산이온의 농도 에 따른 수질의 오염정도를 측정하여 기존 사료와 특정 영양성분의 비율을 조절한 사료들을 비교해 보기로 하였다.
Ⅱ. 본론 1. 연구설계 가. 사전조사 (1) MBL (가) MBL이란
MBL은 Microcomputer Based Laboratory의 약자로 컴퓨터 기반 실험이라는 뜻이다. 즉, 실험자 가 실험실 또는 야외에서 하는 과학실험 활동을 컴퓨터를 활용하여 그 데이터를 취득하고 다양 하게 분석하는 시스템으로, 실험 상황에서 센서로부터 수집한 자료를 인터페이스를 통해 컴퓨터 로 자료를 수집하는데 사용되는 하드웨어와 수집된 자료를 실시간으로 분석하고 그래프화 하는 소프트웨어를 포함한 실험방법을 말한다.
(나) MBL의 구성
인터페이스, 센서, 프로그램, 컴퓨터 등 4가지 장비로 구성되어있다.
인터페이스에 LCD 패널이 내장된 제품으로도 시판되기 때문에 컴퓨터가 없이도 사용이 가능하 다. 인터페이스는 프로그램이 포함된 제품 본체를 의미하며 센서는 용도에따라 'ph측정센서‘,’용 존산소센서‘등 다양한 종류를 사용할 수 있다.
(다) MBL과 과학교육
MBL은 단순히 컴퓨터 프로그램만으로 행하는 실험활동이 아니라 고전적 실험을 학생들로 하여 금 오차해석, 그래프 분석과 통계 적용, 변인통제 등의 과학적 학습과 기술적 활용의 방법을 제 공하는 도구로써 개념 학습에 있어서 인지적 갈등을 줄이고 빠른 피드백을 제공하며 특히 효율 적인 데이터수집과 실시간 그래프 작성, 시간 효율성, 데이터의 정밀한 분석과 같은 컴퓨터 활 용 기능을 최대한 이용함으로써 교육과정에 적극적으로 활용되어질 수 있는 교육방법이다. 또한 MBL을 사용한 데이터 수집은 학생으로 하여금 보다 정확한 수집을 가능하게 하여 줌으로써 실 험결과에 대한 신뢰성을 높여주기도 한다.
(라) 질산이온 선택성 센서
용액 속의 질산 이온을 측정하기 위한 액체막형 이온 선택성 전극으로서, 기준전극과 이온미터 를 조합시켜 사용한다. 전극은 질산 이온에 있는 제4급 암모늄염(鹽)인 질산 트리옥틸 암모늄을 용매인 오르토니트로 페닐옥틸에테르에 녹여 폴리 염화 부착막에 부착시킨 것을 감응막으로 한 다. 이 막을 폴리 염화 비닐제의 지지관 끝에 접착하고, 여기에 질산칼륨과 염화칼륨을 함유한 내부액을 넣어 염화은 내극(內極)에서 리드아웃한 구조이다. 막의 경계면에서 있어서 질산 이온 의 교환반응이 일어날 때, 기준전극과의 사이에 질산 이온 농도에 대응한 전위차를 발생한다.
정량의 범위는 10-5~10-1mol/l, 응답시간은 약 30초, 사용 pH범위는 4~10, 선택성의 순서는 ClO4-, I-≫ NO3-≫ Cl-, CH3COO-, CO32- 이다. 측정이 간편하고 신속하기 때문에 브루신법 대 신에, 자연수나 토양, 식품, 식물조직, 식육 등의 속에 포함되는 질산 이온의 분석에 널리 보급되 어 가고 있다.
(마) 질산염
질소이온이 가장 높은 산화상태에 있는 무기질소화합물을 말한다. 화학기호로는 NO3－이다. 자 연에서 질산염은 호기성 저하작용(degradation)에 의한 질소유기화합물의 최종 생산물이다. 질산 염은 특히 주변 암모니아의 농도가 낮을 때 식물플랑크톤의 성장에 중요한 질소원천이다. 혐기 성체계에서 질산염은 유기화합물이 산화하는 동안 전자수용체로서 작용한다. 이러한 미생물학적 과정에서 질소가스(N2)는 주요한 최종 생성물이다. 수질에서 질산염 수치가 높으면 물고기의 면 역력을 저하시켜 병에 잘 걸리게 하고, 부영양화를 야기하여 환경을 오염시킨다.
(2) 자작사료의 구성 가) 밀글루텐
조단백 함량이 높으며 전체적으로 재료를 뭉쳐주는 역할을 한다. 밀가루에서 단백질만 추출하 는 화학반응을 거쳐서 제작된다.
나) 새우 분말
새우류의 껍질은 당분과 단백질이 경합한 당단백질로 이루어져있으며 말린 새우의 단백질 함 량은 60~70% 정도로 매우 높다. 이 단백질에는 필수아미노산 역시 많이 포함되어 있다.
다) 멸치 분말
단백질과 지질의 양이 많으며 라이신과 메사이오닌, 트립토판 같은 필수아미노산이 풍부하다.
비타민A, D, E, 지질중 EPA, DHA등을 비롯한 불포화지방산, Ca, P, Fe등의 무기질도 풍부하다.
어패류 중에서는 Ca이 가장 많다.
라) 다시마 분말
탄수화물(50%), 회분(20%)이 대부분이다. 탄수화물은 알긴산을 주로한 다당류 외에 만니톨 (15%)을 함유한다. 말린 다시마의 표면에 하얗게 부착되는 가루는 이것이다. 또 회분 속에는 칼 륨, 요오드가 다량 있다.
마) 시금치 분말
영양가가 높은 시금치에는 유기산으로 수산(蓚酸, oxalic acid), 사과산, 구연산, 아이오딘(옥소) 및 비타민 C가 채소 중에서 제일 많이 들어 있다. 또한 비타민 B1, 비타민 B2, 나이아신, 엽산, 사포닌 등이 함유되어 있으며 당질, 단백질, 지방, 섬유질, 칼슘, 철 등의 영양소도 듬뿍 들어 있 다.
바) 뽕잎 분말
뽕잎에는 혈압을 낮추며 신경전달 기능을 하는 gava라는 물질이 있는데 콜레스테롤과 중성 지 질을 낮춰준다. 식물 중에는 콩 다음으로 단백질 함량이 높으며. 아미노산이 24가지 함유되어있 다. ‘알라닌’과 ‘아스파라긴산’은 뇌 속의 피를 잘 돌게 하고 ‘세린’과 ‘타이론신’콜레스테롤 제거 해주는 성분이 각각 1.2%. 0.8% 들어있다.
사) 단호박 분말
호박에 풍부한 베타카로틴은 체내에서 비타민 A로 전환되어 눈 건강에 도움을 준다. 풍부한 비 타민은 감기 예방에 도움이 된다.
아) 고구마 분말
고구마는 탄수화물 식품이다. 감자와 함께 대표적인 구황작물이 된 이유도 탄수화물이 많기 때 문으로 감자보다 열량이 두 배 이상 높고 단맛도 강하지만 혈당지수(GI)가 낮아 포만감이 오래 가고 비만과 당뇨를 예방한다.
자) 클로렐라 분말
단백질 합성, 필수아미노산을 풍부하게 함유하여, 간과 신장의 건강을 증진한다.
(3) 기존사료의 구성
조단백 40%이상, 조지방 6%이상, 조섬유 4%이하, 조회분 15%이하, 칼슘 2%이상, 인 1.8%이하
2. 실험설계
가. 자작 사료의 제작 실험 (1) 사료 제작시 주의점
실지렁이, 장구벌레, 물벼룩 등의 생먹이가 물고기의 성장과 발육에 좋다는 것은 누구나 잘 알 고 있는 사실이지만 기생충 감염으로 인한 배마름병, 복수병, 바늘꼬리병 등의 각종 질병을 유 발하기도 하며 치어의 경우 사망에까지 이르게 할 수 있으며 수질오염의 주 원인이 되기도 한 다. 또한 단백질과 지방은 어종의 빠른 성장을 돕지만 과할 경우 비만 및 내장장애를 발생하는 주요인이 되므로 변의 양을 많게 하여 배변을 돕는 기능을 하는 적당한 비율의 섬유질을 첨가 하여야 한다.
(2) 물고기에게 영향을 미치는 영양 성분 ① 조단백
식품을 구성하는 각 성분 중에서 질소를 함유하고 있는 것은 대부분이 단백질이다. 단백질은 다 른 성분과 달리 평균 16%의 질소를 함유하고 있는 것이 특징이다. 따라서 식품 중의 단백질량을 구하는 것은 총질소를 정량하여 그 값에 100/16=6.25를 계수로 곱하여 산출한다. 이 계수를 질 소계수(nitrogen cofficient)라고 한다. 이와 같이 질소는 단백질에서 특유의 성분이지만, 질소를 함유하고 있다하여 반드시 단백질이라고는 할 수 없다. 식품 중에는 아미노산, amide화합물, 암 모니아화합물, purine염기, creatine 등의 여러 가지 비단백태의 질소화합물이 함유되어 있으며, 이들은 종류에 따라서 그 조성이 다르므로 총질소에 6.25를 곱한 것이 순 단백질 양을 나타내는 것은 아니다. 따라서 이것을 조 단백질(粗蛋白質,crude protein)이라고 한다
② 조지방
다양한 비타민을 이동하는 역할을 하기 때문에 너무 적어서는 안되는 성분입니다. 애완동물의 신경을 구성하는 물질에 꼭 필요하기 때문에 태어난 지 얼마 안된 동물일수록 중요한 성분입니 다. 대표적인 성분으로 오메가3/6 지방산이 있습니다.
③ 조회분
식품 및 사료의 일반분석에서 시료를 550℃로 가열하여 유기물을 연소시킨 후에 남는 성분. 시 료중의 무기질 총량에 해당하지만, 회화 후의 무기질은 산화물이나 열에 안정한 염류이고, 회화 하는 도중에 무기질의 일부가 기화하여 없어지기 때문에, 엄밀한 의미에서 무기질의 총량은 아니 다.
④ 칼슘
칼슘의 중요한 생리 작용에는 혈액 응고, 근육의 수축과 이완, 심장의 규칙적인 박동, 신경전달 물질의 분비, 효소의 활성화, 융모의 운동, 백혈구의 식균 작용, 세포의 분열, 여러 영양소의 대사 작용 등에 관여하고 있다. 또한 칼슘은 세포막을 통한 물질이동의 조절인자 역할을 한다. 칼슘은 골밀도뿐만 아니라 체중 조절, 당뇨, 대장암 예방 등에도 역할을 한다. 즉 체중을 줄이기 위해 식 이요법을 할 때 칼슘을 1,000㎎ 전후로 섭취하면 체중 조절 효과가 더 크며, 칼슘 고(高)섭취군이 저(低)섭취군에 비해 당뇨 및 대장암 발생 위험성이 감소되는 것으로 보고돼 있다.
⑤ 인
동물에는 뼈·이 등의 주요 성분이고, 또 피틴·인지질(燐脂質)·인단백질·핵산(核酸) 등의 중요한 유기 화합물로서 체내에 함유되어 있고 식물에는 0.2∼0.8% 함유되어 있다.
⑥ 조섬유
식료품 분석에서 산과 알칼리로 일정하게 처리하고 남은 물질. 영양가가 적고 소화 기관을 자극 하며 변을 굳게 한다.
나. 기존사료와 자작사료의 비교실험 (1) 준비물
① 수조
모든 수조에는 바닥재를 깔고 물이 일정량 들어있는 수조를 기본으로 한다. 여과기와 조명, 수초가 있는 [수조 1], 수초와 조명이 있는 [수조 2], 여과기와 수초가 없는 [수조 3]의 세 가지 수조를 준비한다.
② 구피
동일한 종류와 동일한 환경에서 태어난 비슷한 연령의 구피를 10마리씩 세 가지 수조에 암수 비율을 일정하게 맞춰 투입한다.
③ 사료
자작사료 두 종류와 기존사료를 준비한다.
-자작사료1: 새우, 멸치, 다시마 10g, 뽕잎, 시금치, 클로렐라 20g 밀 글루텐 2g
단호박, 고구마 5g -자작사료2: 새우, 멸치, 다시마 10g, 뽕잎, 시금치, 클로렐라 20g 밀 글루텐 7g
단호박, 고구마 5g
[그림 1] [그림 2]
다. 실험계획
세 가지 수조의 구피에게 기존 사료를 하루 2회씩 일정량 급여하며 매일 오후 9시 경 MBL 질 산 이온 측정 센서를 이용하여 질산염의 변화를 측정하여 그래프를 비교한다. 첫 번째 실험이 끝 난 뒤 수조를 깨끗이 청소하고 [자작사료1]을 똑같은 과정을 반복하여 일 주일 동안 실험하여 기 록한다. 마지막 1주일간은 [자작사료2]를 이용하여 똑같은 과정을 반복한다.