KR102317085B1 - 생태독성 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

생태독성 모니터링 시스템 및 방법을 개시한다. 본 발명은 물벼룩의 움직임을 카메라의 동영상으로 실시간 관찰하여, 이를 이미지 분석기술과 “산술 및 통계적인 연산”을 통하여 시료수 내에서 물벼룩 행동의 시간에 따른 “변화” 또는 각 시료수와 표준수에서 물벼룩 행동의 따른 “차이”를 검출함으로써 시료수 속에 독성물질이 포함되었는지 여부를 모니터링할 수 있다.

Description

생태독성 모니터링 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING ECOTOXICITY}

본 발명은 생태독성 모니터링 시스템 및 방법에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 물벼룩의 움직임을 카메라의 동영상으로 실시간 관찰하여, 이를 이미지 분석기술과 “산술 및 통계적인 연산”을 통하여 시료수 내에서 물벼룩 행동의 시간에 따른 “변화” 또는 각 시료수와 표준수에서 물벼룩 행동의 따른 “차이”를 검출함으로써 시료수 속에 독성물질이 포함되었는지 여부를 모니터링하는 생태독성 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.

산업화에 따른 유해물질 증가로 인한 새로운 피해발생(예를 들면, 환경호르몬 위험), 수질 오염원이 되는 폐기물이나 농약 성분의 증가로 인한 생태계 피해, 식품 내 잔류 농약의 심각성, 날로 증가되는 토양 내 중금속 오염 등으로 인하여 인체 및 환경이 위협을 받고 있다.

이와 같이 인체 및 환경에 악영향을 미치는 화학물질에 의한 유해성을 모니터링하는 것은 매우 중요하고 시급한 일로 대두되고 있다.

현재 국내외에서 상업적으로 사용되는 화학물질은 8만 종 이상이며, 해마다 수천 개의 새로운 물질이 식품, 의약품, 화장품, 의료용구 등의 원료로 사용되고 있는데, 이런 물질이 인체와 환경에 얼마나 영향을 미치는지 독성 작용과 노출 수준을 정확하게 규명하는 것은 매우 중요하다.

이러한 화학물질의 안전성을 확보하기 위한 차원의 한 분야로서, 환경유해성 평가가 있는데, 이를 위해 법적으로 요구하는 환경독성 관련 시험항목이 알려져 있고, 상기 시험 항목은 거의 직간접적인 인체 및 환경생물에 미치는 위험 가능성을 시험하여 분석하는 것이다.

이러한 환경유해성 평가를 통해 노출량, 분해율, 농축율, 독성에 관여하는 모든 자료들이 시험 분석되고, 그 결과가 집약됨으로써 하나의 화합물에 대한 합리적인 평가가 이루어지며, 상기 평가에 따라 적절한 관리방법이 도출될 수 있다.

이와 같은 환경 유해성을 진단하기 위하여 물벼룩, 어류, 미세조류, 발광성 미생물, 조류, 활성슬러지 등을 이용하는 몇 가지 방법으로 독성을 시험해 왔다.

이러한, 화학물질 또는 환경오염물질로부터 생태계를 보호하면서 지속가능한 발전을 도모할 수 있도록 산업용 화학물질, 농약, 수의약 및 의약품 등에 대해 수서생물(어류, 물벼룩 등)과 육상생물의 독성시험을 수행하고 있으며, 이와 관련된 연구를 병행하고 있다.

모든 시험항목들은 OECD 시험 가이드라인과 미국, 일본 및 유럽의 시험가이드라인 등 해당국가의 시험법에 부합하도록 실시하고 있으며, 상기 수서생물에 대한 독성평가의 가장 중요한 특징은 시험물질(시험물질용액)을 물에 용해시켜 생물체 내부로 이동하게 하는 간접적인 투여경로를 가진다는 점이다.

이러한 노출경로는 시험기간 중 시험용액을 교환하지 않는 정체식(Static test)과, 시험기간 중 시험용액을 일정기간마다 전량을 교환하는 반정체식(Semistatic test), 시험기간 중 시험용액을 연속적으로 교환해주는 유수식(Flow-through test) 등으로 다양하기 때문에, 시험물질 및 시험대상별로 가장 적절한 노출경로를 선정하는 것이 중요하다.

이 중 물벼룩과 같은 수서생물을 이용하는 독성시험은 현재 정체식 또는 반정체식을 사용하고 있으나, 정체식이나 반정체식으로 노출하는 경우 시험이 제한적으로 이루어지기 때문에 정확한 시험결과를 얻기 어려운 문제가 발생한다.

유수식은 수용액(물) 상태에서 시험물질(유해물질)이 안정하지 않을 경우 시험물질의 농도를 유지하기 위해 수작업으로 일일이 제조하게 되므로, 정밀성 저하 및 지속적인 공급이 어려운 문제점이 있다.

한국 등록특허공보 등록번호 제10-1366786호(발명의 명칭: 물벼룩을 이용한 독성 시험 자동화 장치 및 그를 이용한 독성 시험 자동화 평가방법)

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 물벼룩의 움직임을 카메라의 동영상으로 실시간 관찰하여, 이를 이미지 분석기술과 “산술 및 통계적인 연산”을 통하여 시료수 내에서 물벼룩 행동의 시간에 따른 “변화” 또는 각 시료수와 표준수에서 물벼룩 행동의 따른 “차이”를 검출함으로써 시료수 속에 독성물질이 포함되었는지 여부를 모니터링하는 생태독성 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예는 모니터링 대상 물벼룩이 수납되는 복수의 물벼룩 챔버; 상기 물벼룩 챔버로 적외선광, 적색광, 백색광 중 적어도 하나를 출력하는 광원; 상기 물벼룩 챔버의 온도를 제어하는 온도조절부; 상기 물벼룩 챔버로 시료수를 공급하는 시료수 펌프; 상기 물벼룩 챔버로 표준수를 공급하는 표준수 펌프; 상기 물벼룩 챔버로 시료수와 표준수의 공급을 제어하고, 상기 시료수와 표준수의 공급경로를 변경하는 밸브; 상기 복수의 물벼룩 챔버를 촬영하는 카메라; 및 상기 광원, 온도 조절부, 시료수 펌프, 표준수 펌프, 밸브, 카메라의 동작을 제어하고, 매 일정 시간 동안 물벼룩의 행동이 끝나는 시점에서, 상기 카메라를 통해 촬영된 복수의 챔버에서의 물벼룩 행동을 현재의 시료수 챔버를 기준으로, 다른 챔버에 있는 표준수와의 물벼룩 행동의 “차이”, 현재의 시료수 챔버와 또다른 챔버에서 관찰했던 제1 시간 전의 시료수 챔버에서 물벼룩 행동의 “차이”, 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 제1 시간 전에 관찰했던 표준수에서 물벼룩 행동의 “차이” 및 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 제2 시간 전에 관찰했던 시료수와의 물벼룩 행동의 “차이”를 비교하여 물벼룩의 행동 변화, 챔버간의 물벼룩 행동 차이를 분석하고, 물벼룩의 행동 변화에 따른 시료수의 독성을 검출하는 제어부;를 포함하며, 상기 챔버에 수납된 시료수 및 표준수는 매 시간 경과시, 현재의 챔버에 동일하게 공급하거나 또는 현재의 챔버에 시료수와 표준수를 반대로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예는 생태독성 모니터링 시스템을 이용한 모니터링 방법으로서, a) 제어부가 물벼룩 챔버로 다수의 물벼룩이 수납되고 서로 분리된 챔버에 시료수와 표준수를 공급하고, 카메라를 통해 각 챔버에 수납된 물벼룩의 행동을 확인하는 단계; b) 제1 시간 경과 후, 상기 제어부가 챔버의 시료수와 표준수를 배출한 다음, 상기 챔버에 시료수와 표준수를 공급하고, 카메라를 통해 각 챔버에 수납된 물벼룩의 행동을 확인하는 단계; c) 제2 시간 경과 후, 상기 제어부가 챔버의 시료수와 표준수를 배출한 다음, 상기 챔버에 시료수와 표준수를 공급하고, 카메라를 통해 각 챔버에 수납된 물벼룩의 행동을 확인하는 단계; 및 d) 상기 제어부가 매 일정 시간 동안 물벼룩의 행동이 끝나는 시점에서, 현재의 시료수 챔버를 기준으로, 다른 챔버에 있는 표준수와의 물벼룩 행동의 “차이”, 현재의 시료수 챔버와 또다른 챔버에서 관찰했던 제1 시간 전의 시료수 챔버에서 물벼룩 행동의 “차이”, 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 제1 시간 전에 관찰했던 표준수에서 물벼룩 행동의 “차이” 및 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 제2 시간 전에 관찰했던 시료수와의 물벼룩 행동의 “차이”를 비교하여 물벼룩의 행동 변화, 챔버간의 물벼룩 행동 차이를 분석하고, 상기 분석 결과에 따라 시료수의 독성물질 유입 여부를 출력하는 단계;를 포함하되, 상기 챔버에 수납된 시료수 및 표준수는 매 시간 경과시, 현재의 챔버에 동일하게 공급하거나 또는 현재의 챔버에 시료수와 표준수를 반대로 공급하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 물벼룩의 움직임을 카메라의 동영상으로 실시간 관찰하여, 이를 이미지 분석기술과 “산술 및 통계적인 연산”을 통하여 시료수 내에서 물벼룩 행동의 시간에 따른 “변화” 또는 각 시료수와 표준수에서 물벼룩 행동의 따른 “차이”를 검출함으로써 시료수 속에 독성물질이 포함되었는지 여부를 모니터링할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 시료수 내의 일정농도 이상의 독성물질 포함여부를 모니터링 하는 기술은 하천수, 호소수, 하·폐수 방류수의 수질 모니터링에 적용이 가능하며, 하·폐수 방류수의 생태독성 실시간 모니터링에 적용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생태독성 모니터링 시스템의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 도 1의 실시 예에 따른 생태독성 모니터링 시스템의 모니터링 장치를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생태독성 모니터링 과정을 나타낸 흐름도.
도 4는 도 3의 실시 예에 따른 생태독성 모니터링 과정에서 물벼룩의 유영 속도 분포를 나타낸 그래프.
도 5는 도 3의 실시 예에 따른 생태독성 모니터링 과정에서 물벼룩의 주광성 반응을 나타낸 그래프.
도 6은 도 3의 실시 예에 따른 생태독성 모니터링 과정에서 물벼룩의 주광성 속도 측정 시점을 나타낸 그래프.
도 7은 도 3의 실시 예에 따른 생태독성 모니터링 과정에서 물벼룩의 주광성 속도를 측정하여 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 생태독성 모니터링 시스템 및 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 발명의 기술적 요지와 직접적 관련이 없는 구성에 대해서는 본 발명의 기술적 요지를 흩뜨리지 않는 범위 내에서 생략하였음에 유의하여야 할 것이다.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 발명자가 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 적절한 용어의 개념을 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다는 표현은 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

또한, "‥부", "‥기", "‥모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 그 둘의 결합으로 구분될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생태독성 모니터링 시스템의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1의 실시 예에 따른 생태독성 모니터링 시스템의 모니터링 장치를 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생태독성 모니터링 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 생태독성 모니터링 시스템 및 방법을 설명한다.

1) 시료수 투입방식 및 독성 검출 방식

① 2개의 서로 다른 챔버에 각각 시료수(testing water)와 표준수(reference water)를 넣고 카메라의 동영상 분석을 통하여

② 시료수와 표준수 사이에 물벼룩 행동의 차이가 있는지 확인한다.

③ 30분 후, 각각의 챔버에는 시료수와 표준수가 반대로 유입된다. 또 30분 경과 후에도 직전과 반대로 시료수와 표준수가 시료로 유입된다. 즉 첫번째 챔버에는 시료수-> 표준수 -> 시료수 순으로 매 30분 마다 반복되어 유입되고, 두번째 챔버에는 표준수 ->시료수 -> 표준수 순으로 매 30분 마다 반복되어 유입된다.

④ 매 30분 동안 물벼룩 행동이 끝나는 시점에서, 현재의 시료수 챔버를 기준으로, 또 다른 챔버에 있는 표준수와의 물벼룩 행동의 “차이” 비교, 현재의 시료수 챔버와 또다른 챔버에서 관찰했던 30분 전의 시료수 챔버와의 물벼룩 행동의 “차이” 비교, 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 30분 전에 관찰했던 표준수와의 물벼룩 행동의 “차이” 비교, 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 60분 전에 관찰했던 시료수와의 물벼룩 행동의 “차이” 비교, 이 4가지 “차이”를 비교함으로써 시료수에 독성물질이 유입되었는지 여부를 확인할 수 있다.

⑤ 표준수(reference water)는 독성이 없는 방류수 (반드시 생태독성 TU 1 이하가 되어야 하며, 가능한 TU가 낮을수록 독성검출 및 물벼룩 관찰에 있어서 효과적이다)를 1um 규격의 부직포 필터(depth filter, 전처리 필터, woven filter,)를 사용하여 여과한 것을 사용한다.

⑥ 3번에서 시료수와 표준수를 각각의 챔버에 상호 교체 투입하지 않고, 항상 같은 시료를 투입할 수 있다. 즉 한 개의 챔버에는 시료수를 “연속(continuous)” 또는 “반연속(semi-continuous)” 식으로 투입을 하며, 또 한 개의 챔버에는 표준수를 일정 시간마다, “반연속”식으로 투입한다.

⑦ 시료수를 항상 한 개의 챔버에만 흘려 보낼 경우에는(6번의 경우), 시료수 챔버에서 시간에 따른 물벼룩 행동의 “변화”, 그리고 시료수 챔버와 표준수 챔버 사이의 물벼룩 행동의 “차이”를 검출하여 독성물질 유무를 판정한다.

2) 물벼룩 행동의 “변화” 관찰 항목

① 물벼룩 행동의 “변화”는 시간이 경과함에 따라 다음과 같은 물벼룩 행동의 “차이”가 있는지를 관찰하는 것이다.

② 물벼룩 속도 분포도는

A. 물벼룩 속도 분포도 변화를 측정하는 목적은, 물벼룩이 정상적인 상태에서의 운동 패턴은 개별 측정된 속도가 “폭이 좁은” 정규분포곡선을 나타내는데 반해, 독성이 있는 시료수에서는 비 이상적인 운동 패턴, 즉 빠르게 움직이다가 다시 아주 천천히 움직이고, 다시 빠르게 운동하는 것, 또는 특정 시간에서 어떤 물벼룩은 빠르게 움직이지만 어떤 물벼룩은 아주 천천히 움직이는 경우를 검출하게 되는데, 이 때는 평균 속도에서 정규분포 곡선의 폭이 넓어지게 되어 정상상태와 구분이 된다.

B. 우선 물벼룩이 유영 가능한 속도를 최저속도(0)에서 최대속도(일반적으로 1.5cm/sec)로 설정한 후, 이를 일정하게 다수(보통 10개 ~ 20개)의 구간으로 나눈다. 일정 시간 (30초~1분) 동안 카메라로 관찰한 단위 시간당 모든 물벼룩의 속도(카메라의 프레임 수, fps에 따라 달라짐)를 모두 나열한 후, 속도가 포함되는 각 구간에 할당한다. 예를 들어, 카메라에서 포착한 물벼룩 화상의 손실이 없고, 물벼룩이 2마리 있으며, 40ms 당 한 개의 화상을 생산했고, 30초 동안 영상을 찍었다면 물벼룩 속도의 전체 개수는 2(마리) x 25(초당 화상) x 30(초), 즉 최대1500개까지 생산된다. 전체 속도 갯 수에 대한 평균을 구한다. 평균이 포함된 구간을 포함하여 상 하로 일정 구간( 예를 들어 20개의 구간으로 구분했을 경우, 위로 6구간, 아래로 6구간, 및 평균이 포함된 구간을 합하여 13개의 구간을 성정할 수 있다).을 설정하여 설정된 구간 안에 포함된 속도의 개수가 전체 속도 개수의 몇 퍼센트가 되는지를 연산하여 나타내는 것이다.

C. 또 다른 평균속도 분포를 구하는 방법은 A 에서와 같이 속도를 구한 다음, 전체 개수의 속도를 평균값을 구한 다음, 임의의 속도 구간(평균으로부터 하한속도와 상한속도를 설정한 다음 상한속도 윗부분과 하한속도 아랫부분을 제외한 합계를 100분율로 나타내는 것이다.

D. 평균속도분포는 매 30초 (또는 설정값에 따라 매 1분) 마다 각 챔버당 1개의 측정값이 산출되는데, 이것을 시간축 그래프에서 plotting을 한다. 이 산출 데이터는 “변화” 검출 및 “차이” 검출에 사용된다.

③ 물벼룩 평균속도는

A. 일정 시간 (30초~1분) 동안 카메라로 관찰한 단위 시간당 모든 물벼룩의 속도(카메라의 프레임 수, fps에 따라 달라짐)를 나열한 후, 물벼룩의 크기에 따라 4 분류군으로 나눈다. 물벼룩의 크기는 화소의 크기에 따라 나눌 수가 있는데, 실제 크기 [ {가로 화소 수x(챔버의 가로 화소 수/챔버의 실제 크기 cm)} x {세로 화소 수x(챔버의 세로 화소 수/챔버의 실제 크기 cm)}]에 따라 분류하면, 새끼 물벼룩 ( 생 후 48시간 이내, 0~2mm x 0~2mm), 작은 물벼룩 (생 후 2일 이상 5일 미만, 2~4mm x 2~4mm), 중 물벼룩 (생 후 5일 이상 8일 미만, 4~6mm x 4~6mm), 큰 물벼룩 (생 후 8일 이상, 6mm 이상 x 6mm 이상)이 된다.

B. 단위기간(30초) 동안 단위 시간당 모든 속도는 물벼룩의 크기에 따라 4 분류군으로 나눈 다음, 각 분류 군 내에서 평균속도를 구한다. 따라서 단위 시간당 평균속도는 4개의 데이터가 산출된다.

C. 이것은 시간축 그래프에서 크기에 따라 색깔 별로 plotting을 한다. 이 산출 데이터는 “변화” 검출 및 “차이” 검출에 사용된다.

④ 물벼룩 stroke 수는

A. 물벼룩이 단위 시간 동안 제 2촉수를 움직여 이동하는 것을 말한다. 물벼룩이 2개의 제 2 촉수를 움직이는 것은 사람이 평형을 할 때 양손을 한 번 젓는 것과 같이 촉수가 머리 위에서부터 몸 쪽으로 다가올 때 최대 속도가 나타나고 그 이후 다시 속도가 서서히 줄어든다. 물벼룩의 속도가 순간적으로 증가 후 다시 감소하는 시점을 Stroke 로 판정하여 30초 동안 횟수를 기록한다.

B. 물벼룩이 힘이 없어서 제대로 stroke를 하지 못할 때는 단위시간 당(fps 개념과 거의 유사) 물벼룩 중심점 화소의 움직임이 1~2 이하가 되는데, 이것은 물벼룩의 유영이 정상적이지 못하다는 증거이므로 stroke 수에는 제외 시킨다. 1~2 이하의 화소 움직임을 제외 시키는 또 다른 이유는 카메라에서 동영상을 포착할 때 챔버내에서의 3차원 물벼룩 움직임을 2차원으로 포착하므로 물벼룩이 3차원 상에 위치한 형태 및 방향에 따라 물벼룩의 중심점 화소가 1~2 정도 달라지는 경우가 발생한다.

C. Stroke 수는 30초 단위로 측정을 하여 시간축 그래프에서 plotting을 하여 “변화”를 관찰하고, 동시간대의 시료수와 표준수, 30분 전후의 서로 다른 챔버 시료수, 같은 챔버 다른 시간대의 표준수와 시료수, 같은 챔버 다른 시간대의 시료수 비교를 통하여 “차이”를 검출한다.

D. Stroke 수는 물벼룩 크기에 따라서 약간씩은 차이가 있거나 없다. 차이가 있으면 날짜가 지날수록 stroke 수는 많아진다.

⑤ 물벼룩 유영 높이 분포

A. 물벼룩 유영 높이는 물벼룩들이 위에서 유사 태양광이 비치는 챔버 내에서 어느 정도의 높이에서 유영을 하는지 분포를 파악하는 것이다.

B. 물벼룩이 독성에 의해 힘이 없어지는 경우, 물벼룩이 챔버 바닥 가까이에서 유영하거나, 바닥에서 미세하게 움직이거나, 탈피 등의 이유로 바닥에 잠시 머무는 경우가 있는데, 이때에도 장비는 물벼룩이 살아 있는 것으로 판정하게 되지만 평균 속도 및 평균속도 분포도 결과를 왜곡하게 된다.

C. 챔버를 화소 상에서 상하로 10 등분한다. 30초 동안 물벼룩이 개별 프레임상에서 각 등분위에 위치한 물벼룩 이미지를 100분율로 환산한다. 각 등분위에서 하단으로부터 3등분위의 백분율, 하단으로부터 1등분위의 백분율을 산출한다.

D. 하단으로부터 1등분위 값이 40%를 초과하며, 3등분위의 백분율이 80%를 초과하는 경우 독성물질의 예비검출로 판정한다.

E. 독성물질의 예비검출로 판단되었을 시에는, 상단의 조명을 좀더 밝게 하여 물벼룩이 주광성에 의해 끌리는지를 확인한다. 주광성 정도와 마찬가지로 챔버를 화소상에서 상하로 10등분한 다음, 하단으로부터 각 등분위에 주광성 가중치를 부여한다. 주광성 속도가 일정 수치 이하이면 독성물질의 예비검출 검정을 확정한다.

⑥ 물벼룩 주광성 정도

A. 물벼룩 주광성 정도는 물벼룩 챔버의 한쪽 방향에서 빛을 비추었을 때 빛 방향으로 얼마나 이동을 하는지를 수치화 한 것이다.

B. 물벼룩 챔버의 좌측에서 1분, 우측에서 1분, 다시 좌측에서 1분, 다시 우측에서 1분, 최종적으로 좌측에서 1분 동안 적색 파장의 LED 광원을 조사한다. 그러면 물벼룩이 각 빛이 조사되는 방향으로 이동을 하게 된다.

C. 주광성에 의한 물벼룩이 이동한 정도를 나타내기 위해서는 카메라 화소 상에서 챔버를 수평으로 10등 분을 한 다음, 각각의 등분위에 일련의 숫자(주광성 가중치)를 부여한다. 59초가 지난 후 마지막 5초 동안 (75프레임의 이미지) 물벼룩들의 위치를 10분위 상에 기록한다. 75 프레임의 이미지에 나타난 물벼룩의 위치를 모두 각 10분 상에 할당한 후, 각 분위에 나타난 물벼룩 위치를 백분율로 구한다.

물벼룩 등분위 위치 백분율 =

이것을 각 분위마다 주어진 주광성 가중치 (좌측에서 조사할 경우, 우측에서부터 10분위는 1, 9분위는 0.9, …..,1분위는 0.1, 우측에서 조사할 경우에는 좌측에서부터 10분위는 1, 9분위는 0.9,….1분위는 0.1)를 곱하여 합계를 구한다.

주광성 정도 =

주광성 정도 = (1x5+2x2.5+3x7.5+4x7.5+5x10+6x10+7x7.5+8x12.5+9x20+10x17.5)/100=6.8

D. 주광성 정도 값은 30분 측정 주기에서 마지막 5분(26분~30분) 동안 5개의 데이터가 산출된다.

E. 이 데이터는 주광성 정도를 판정하는데 사용되며, 주광성 정도는 4개의 같은 판정기준을 가지는데 각각은, 주광성 없음 : 1.0~6.0미만, 주광성이 약함 : 주광성이 다소 약함 : 6.0~7.0미만, 주광성이 다소 강함 : 7.0~8.0미만, 주광성이 아주 강함 : 8.0~10.0 이다. 이것은 주광성 측정 이전의 “변화” 행동패러미터와 함께 독성검출 유무에 사용된다. 또한 주광성 정도는 동시간대의 시료수와 표준수, 30분 전후의 서로 다른 챔버 시료수, 같은 챔버 다른 시간대의 표준수와 시료수, 같은 챔버 다른 시간대의 시료수 비교를 통하여 “차이”를 검출하는데 사용된다.

F. 주광성 정도는 그 자체로도 독성물질 검출에 사용될 수 있으나, “변화” 또는 “차이”가 발생시 마지막 “검증” 용으로 사용될 수 있다.

⑦ 주광성 속도

A. 주광성 속도는 주광성 정도와 비슷한 면이 있지만, 빛에 반응하는 속도를 산출한다는 점에서 차이가 있다. 주광성 정도와 마찬가지로 화소상에서 챔버를 10등분하여 각 분위마다 주광성 가중치를 부여한다.

B. 주광성 속도 측정은 주광성 정도 측정 1회가 끝난 시점 (매 측정 시작 후 26분)에서 시작하여 4분 동안 4회 실시한다. 주광성 정도 측정 1회가 끝난 시점에서는 물벼룩이 정상상태라면 다소 좌측에 몰려 있을 것으로 판단된다. 이때 우측에서 빛을 조사하면 물벼룩들이 우측방향으로 이동하게 된다.

C. 주광성 속도는 물벼룩들이 빛에 반응하는 속도를 나타내므로, 주광성 정도 점수가 2.0 이상 증가하는 시점의 시간을 측정하여 이를 주광성속도로 계산한다.

주광성 그래프는 우측에서 주광성 정도를 측정했을 때의 물벼룩 분포도이다. 주광성가중치를 역으로 재 배열한 후 주광성 정도를 계산하면 좌측에서 빛을 조사한 주광성 속도 측정시점의 값이 된다. 우측에서 빛을 조사한 후 주광성 정도 값을 계산하면 6.8 이 되지만, 주광성 가중치를 역으로 재배열하면 주광성 정도 값이 4.2 가 된다. 이 값이 주광성 속도의 시점 값이 된다.

20초 후에 위 그래프와 같이 나타난다면 주광성 정도 값은 6.2가 된다.

따라서 주광성 속도는 2(주광성 정도 변화 값) / 20(소요시간,초) = 0.2가 된다.

D. 주광성 속도를 계산하는 또 다른 방법은 최초 10초 동안 변화하는 주광성 정도, 10초~20초, 20초~30초 동안 변화하는 주광성정도를 주광성속도로 계산한 후, 최고속도를 주광성 속도로 결정한다.

E. 주광성속도는 주광성정도와 마찬가지로 주광성 측정 이전의 “변화” 행동패러미터와 함께 독성검출 유무에 사용된다. 또한 주광성 정도는 동시간대의 시료수와 표준수, 30분 전후의 서로 다른 챔버 시료수, 같은 챔버 다른 시간대의 표준수와 시료수, 같은 챔버 다른 시간대의 시료수 비교를 통하여 “차이”를 검출하는데 사용된다.

F. 주광성 속도는 그 자체로도 독성물질 검출에 사용될 수 있으나, “변화” 또는 “차이”가 발생시 마지막 “검증” 용으로 사용될 수 있다.

⑧ 회전수

A. 물벼룩이 회전운동을 하는 숫자를 말한다. 회전운동은 물벼룩이 외부 요인에 의해서 일시적으로 방향감각을 상실하고 한 방향으로만 유영을 함으로써 결국 원을 그리게 되는 것을 말한다. 따라서 회전운동에 대한 구체적인 정의가 필요한데, 이것들은 프레임당 측정시 벡터의 방향이 360도 이상이 바뀌어야 하며, 360도 바뀌는데 시간은 3초 이내, 원의 최저 최대 비율이 3 이상을 넘지 않을 것, 원의 최대 직경이 2cm 이상을 넘지 않을 것, 이상의 4가지 조건을 동시에 만족해야 한다.

B. 물벼룩 회전수는 30초 단위로 계산하며, 챔버에 있는 물벼룩 숫자에 따라서 회전수가 달라질 수 있기 때문에, 회전수의 계산은 30초 안에 일어난 물벼룩의 회전수를 모두 합한 다음 이를 물벼룩 수자로 나눈 값을 소수점 2자리 까지 취한다.

C. 회전수는 “변화” 행동패러미터와 함께 독성검출 유무에 사용된다. 또한 회전수는 동시간대의 시료수와 표준수, 30분 전후의 서로 다른 챔버 시료수, 같은 챔버 다른 시간대의 표준수와 시료수, 같은 챔버 다른 시간대의 시료수 비교를 통하여 “차이”를 검출하는데 사용된다.

⑨ 일정 시간 (30초~1분) 동안 카메라로 관찰한 단위 시간당 모든 물벼룩의 속도(카메라의 프레임 수, fps에 따라 달라짐)를 나열한 후, 평균속도를 구하게 된다.

3) 물벼룩 챔버간 및 시간대별 “차이” 검출

① 물벼룩 행동의 차이를 검증하는 것은 다음의 4가지에 대한 것이다. 모든 차이 검출의 기본은 “현재 시료수가 담긴 챔버”이며, 시료수가 유입이 된지 만 25분에 실행되며, 주광성테스트가 실행되기 직전에 실행된다.

A. 현재 시료수가 담긴 물벼룩 챔버 A ⇔ 현재 표준수가 담긴 물벼룩 챔버 B 이것은 현재의 시료수에 독성이 있어서 이로 인한 물벼룩 행동이, 다른 물벼룩이 담긴 표준수와 비교하여 차이가 있는지를 검정한다. 시험으로 사용되는 물벼룩들이 서로 다르지만, 시험에 사용되는 물벼룩은 같은 배양조에서 크기가 비슷한 것을 채집하여 각 물벼룩 챔버 A, B에 투입하였기 때문에 “차이”가 있으면 일단은 현재 시료수에 독성이 있는 것을 의심한다. 4개의 “차이” 검정 중 가중치를 30% 부여한다.

B. 현재 시료수가 담긴 물벼룩 챔버 A ⇔ 30분 전에 측정이 끝난 표준수가 담긴 물벼룩 챔버 A.

이것은 현재의 시료수에 독성이 있어서 이로 인한 물벼룩 행동이, 30분 전에 측정한 표준수에 같은 물벼룩이 담긴 것과 비교하여 차이가 있는지를 검정한다. 같은 물벼룩이지만, 측정시간이 30분 차이가 나고 표준수와 시료수의 차이가 있지만, 30분 전에 표준수에 있던 물벼룩이 현재 시료수에 대하여 어떤 행동변화를 일으키는지를 “차이” 검정을 통해 확인하는 것이다. 4개의 “차이” 검정 중 가중치를 25% 부여한다.

C. 현재 시료수가 담긴 물벼룩 챔버 A ⇔ 30분 전에 측정이 끝난 시료수가 담긴 물벼룩 챔버 B.

이것은 현재의 시료수에 독성이 있어서 이로 인한 물벼룩 행동이, 30분 전에 측정한 시료수에 다른 물벼룩이 담긴 것과 비교하여 차이가 있는지를 검정한다. 시료수는 같지만 30분의 시간 차이가 있고, 서로 다른 물벼룩에 대해 측정을 하는것이다. 30분 전에 시료수에 있던 물벼룩들은 정상적이었다고 판단되는데 반해, 현재 시료수에 있는 다른 물벼룩들은 어떤 행동변화를 일으키는지를 “차이” 검정을 통해 확인하는 것이다. 4개의 “차이” 검정 중 가중치를 25% 부여한다.

D. 현재 시료수가 담긴 물벼룩 챔버 A ⇔ 60분 전에 측정이 끝난 시료수가 담긴 물벼룩 챔버 A

이것은 현재의 시료수에 독성이 있어서 이로 인한 물벼룩 행동이, 60분 전에 측정한 시료수에 같은 물벼룩이 담긴 것과 비교하여 차이가 있는지를 검정한다. 시료수와 물벼룩은 같지만 60분의 시간 차이가 있는 2개에 대해 “차이” 측정을 하는 것이다. 60분 전에 시료수에 있던 물벼룩들은 정상적이었다고 판단되는데 반해, 현재 시료수에 있는 다른 물벼룩들은 어떤 행동변화를 일으키는지를 “차이” 검정을 통해 확인하는 것이다. 4개의 “차이” 검정 중 가중치를 20% 부여한다.

② 물벼룩 행동의 “차이” 검정은 T-Test를 통해 이루어지며, 유의 수준 (P-value) <0.05 일 때 귀무가설(null hypothesis)을 기각한다. 즉 2개의 데이터 군 사이에는 차이가 있다고 판단한다. 반면, 유의수준이 >0.05일 때에는 귀무가설을 채택한다. 즉, 2개의 데이터 군 사이에는 차이가 없는 것으로 판단하며, 최종적으로 독성의 농도가 행동변화를 일으킬 만큼 높지 못했다고 판단한다.

4) 같은 챔버 내에서 물벼룩 행동 “변화” 검출

① 시료 투입 후 6분에서 검출을 시작하여 만25분에 종료한다. 행동변화는 “change point detector” 통계 알고리듬을 사용하여 검출한다.

② Change point detector에 사용되는 데이터는 매 30초마다 측정되는 속도분포지수, 평균속도, 평균고도, stroke 수, 회전수 이다. 이 데이터들은 그래프상의 시간 x 축에 따른 y축 측정값을 plotting 하면서 변화를 검출한다.

③ 같은 챔버 내에서 물벼룩 행동 “변화” 검출은 최근에 유입된 다소 강한 농도의 독성물질에 의해 물벼룩이 손상을 입어서 행동이 변화된 것을 검출하거나, 60분 전에 같은 챔버로 유입되었던 다소 약한 독성물질에 의해 손상을 입어서 현재 행동 “변화” 반응이 나타난 것을 검출한다.

5) 물벼룩 행동 변화에 따른 독성검출 순서

① 전체적으로 독성검출을 위한 예비판정 순서는,

한 개의 챔버에서 시료수 유입에 따른 “변화” 관찰, 또 다른 챔버에서 표준수 유입에 따른 “변화” 관찰.

물벼룩 사멸 숫자를 확인하여 물벼룩 사멸과 독성물질과의 연관성을 검정한다. 물벼룩 행동 변화와 2마리 이상의 물벼룩 사멸이 발생할 경우, 그리고 유영 높이에서 하단 10분위의 백분율이 40% 이상일 경우, 시료수에 독성물질이 있다는 것을 예비 판정한다.

다른 챔버에 있는 표준수, 다른 챔버에 있는 다른 시간대의 시료수, 같은 챔버에 있는 직전 시간대의 표준수, 같은 챔버에 있는 다른 시간대의 시료수를 상호 비교하여 T-test에 의한 유의미한 “차이”를 관찰한다.

한 개의 챔버에서 시료수 유입에 따른 주광성 속도 및 정도 검정, 또 다른 챔버에서 표준수 유입에 따른 주광성 속도 및 정도를 검정한다.

1. 물벼룩 독성 모니터링 장치의 구조 및 구성요소는 다음과 같다.

1) 구조 및 주요 구성 요소

① 시료수와 표준수를 수용하는 물벼룩 챔버

② 카메라용 IR LED 광원

③ 주광성 테스트용 적색 LED 광원

④ 유사 태양광용 LED 광원

⑤ 시료수 온도조절용 수조 및 펠티어 장치

⑥ 조류 공급 펌프

⑦ 시료수 공급 펌프

⑧ 밸브

⑨ 물벼룩 관찰용 카메라

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 도면번호는 설명의 명료성과 편의를 위해 기재한 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

Claims (2)

1. 모니터링 대상 물벼룩이 수납되는 복수의 물벼룩 챔버;
   상기 물벼룩 챔버로 적외선광, 적색광, 백색광 중 적어도 하나를 출력하는 광원;
   상기 물벼룩 챔버의 온도를 제어하는 온도조절부;
   상기 물벼룩 챔버로 시료수를 공급하는 시료수 펌프;
   상기 물벼룩 챔버로 표준수를 공급하는 표준수 펌프;
   상기 물벼룩 챔버로 시료수와 표준수의 공급을 제어하고, 상기 시료수와 표준수의 공급경로를 변경하는 밸브;
   상기 복수의 물벼룩 챔버를 촬영하는 카메라; 및
   상기 광원, 온도 조절부, 시료수 펌프, 표준수 펌프, 밸브, 카메라의 동작을 제어하고, 매 일정 시간 동안 물벼룩의 행동이 끝나는 시점에서, 상기 카메라를 통해 촬영된 복수의 챔버에서의 물벼룩 행동을 현재의 시료수 챔버를 기준으로, 다른 챔버에 있는 표준수와의 물벼룩 행동의 “차이”, 현재의 시료수 챔버와 또다른 챔버에서 관찰했던 제1 시간 전의 시료수 챔버에서 물벼룩 행동의 “차이”, 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 제1 시간 전에 관찰했던 표준수에서 물벼룩 행동의 “차이” 및 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 제2 시간 전에 관찰했던 시료수와의 물벼룩 행동의 “차이”를 비교하여 물벼룩의 행동 변화, 챔버간의 물벼룩 행동 차이를 분석하고, 물벼룩의 행동 변화에 따른 시료수의 독성을 검출하는 제어부;를 포함하고,
   상기 챔버에 수납된 시료수 및 표준수는 매 시간 경과시, 현재의 챔버에 동일하게 공급하거나 또는 현재의 챔버에 시료수와 표준수를 반대로 공급하되,
   상기 시료수를 항상 한 개의 챔버에만 흘려 보낼 경우에는, 시료수 챔버에서 시간에 따른 물벼룩 행동의 “변화”와, 시료수 챔버와 표준수가 있는 챔버 사이의 물벼룩 행동의 “차이”를 검출하여 독성물질 유무를 판정하고,
   상기 시료수와 표준수를 반대로 공급하는 경우에는, 매 30분 동안 물벼룩 행동이 끝나는 시점에서, 현재의 시료수 챔버를 기준으로, 다른 챔버에 있는 표준수와의 물벼룩 행동의 “차이”비교, 현재의 시료수 챔버와 다른 챔버에서 관찰했던 30분 전의 시료수 챔버와의 물벼룩 행동의 “차이” 비교, 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 30분 전에 관찰했던 표준수와의 물벼룩 행동의 “차이” 비교, 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 60분 전에 관찰했던 시료수와의 물벼룩 행동의 “차이” 비교를 통해 시료수의 독성물질 유입을 판단하는 것을 특징으로 하는 생태독성 모니터링 시스템.
2. 제1항의 구성에 따른 생태독성 모니터링 시스템을 이용한 모니터링 방법으로서,
   a) 제어부가 물벼룩 챔버로 다수의 물벼룩이 수납되고 서로 분리된 챔버에 시료수와 표준수를 공급하고, 카메라를 통해 각 챔버에 수납된 물벼룩의 행동을 확인하는 단계;
   b) 제1 시간 경과 후, 상기 제어부가 챔버의 시료수와 표준수를 배출한 다음, 상기 챔버에 시료수와 표준수를 공급하고, 카메라를 통해 각 챔버에 수납된 물벼룩의 행동을 확인하는 단계;
   c) 제2 시간 경과 후, 상기 제어부가 챔버의 시료수와 표준수를 배출한 다음, 상기 챔버에 시료수와 표준수를 공급하고, 카메라를 통해 각 챔버에 수납된 물벼룩의 행동을 확인하는 단계; 및
   d) 상기 제어부가 매 일정 시간 동안 물벼룩의 행동이 끝나는 시점에서, 현재의 시료수 챔버를 기준으로, 다른 챔버에 있는 표준수와의 물벼룩 행동의 “차이”, 현재의 시료수 챔버와 또다른 챔버에서 관찰했던 제1 시간 전의 시료수 챔버에서 물벼룩 행동의 “차이”, 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 제1 시간 전에 관찰했던 표준수에서 물벼룩 행동의 “차이” 및 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 제2 시간 전에 관찰했던 시료수와의 물벼룩 행동의 “차이”를 비교하여 물벼룩의 행동 변화, 챔버간의 물벼룩 행동 차이를 분석하고, 상기 분석 결과에 따라 시료수의 독성물질 유입 여부를 출력하는 단계;를 포함하고,
   상기 챔버에 수납된 시료수 및 표준수는 매 시간 경과시, 현재의 챔버에 동일하게 공급하거나 또는 현재의 챔버에 시료수와 표준수를 반대로 공급하되,
   상기 시료수를 항상 한 개의 챔버에만 흘려 보낼 경우에는, 시료수 챔버에서 시간에 따른 물벼룩 행동의 “변화”와, 시료수 챔버와 표준수가 있는 챔버 사이의 물벼룩 행동의 “차이”를 검출하여 독성물질 유무를 판정하고,
   상기 시료수와 표준수를 반대로 공급하는 경우에는, 매 30분 동안 물벼룩 행동이 끝나는 시점에서, 현재의 시료수 챔버를 기준으로, 다른 챔버에 있는 표준수와의 물벼룩 행동의 “차이”비교, 현재의 시료수 챔버와 다른 챔버에서 관찰했던 30분 전의 시료수 챔버와의 물벼룩 행동의 “차이” 비교, 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 30분 전에 관찰했던 표준수와의 물벼룩 행동의 “차이” 비교, 현재의 시료수 챔버와 같은 챔버에서 60분 전에 관찰했던 시료수와의 물벼룩 행동의 “차이” 비교를 통해 시료수의 독성물질 유입을 판단하는 것을 특징으로 하는 생태독성 모니터링 방법.

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