1. 서 론
2. 재료 및 방법
산소 데이터로거
산소 광센서
마이크로콘트롤러 보드
구성 회로
제어 및 통신 프로그램
방수 하우징
전원
현장 테스트
3. 결 과
수층 모니터링
해저면의 생산력 추정
4. 토의 및 결론
1. 서 론
자연계에서 산소(기호: O, 원자번호: 8, 원자질량: 15.99 amu)는 원자 두 개가 결합하여 기체 형태(O2)로 존재한다. 산소는 공기 구성에서 질소(N2) 다음으로 많은 기체로 전체 구성에 약 21%를 차지한다. 산소는 반응성이 매우 커 다른 원소들과 산화물을 형성하며, 지구구성 성분의 주요 성분 중 하나이다.
산소는 식물 대사(metabolism) 과정 중의 이차 산물로 기초생산자의 광합성 반응으로 생산된다. 광합성은 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 반응으로, 명반응과 암반응으로 나뉜다. 명반응은 엽록소가 광자를 흡수하고 물 분해를 할 때 전자, 산소, 수소이온, ATP를 생성한다(식1). 한편, 암반응은 세포 호흡시 미토콘드리아에서 산소를 소모하여 유기물 분해를 하면서 에너지를 방출한다.
산소는 유기물의 생산과 호흡에서 탄소와 일정한 화학량론적(stoichiometry) 관계를 갖고 있어 간접적으로 생물 대사율(metabolism rate) 추정에 중요한 추적자로 이용된다(Glud, 2008).
해수에서 산소 수지(mass balance)는 “공급(input)-반응(reaction)-제거(output)”의 생지화학적 순환과정의 최종 결과이다. 정상상태라 가정을 하면 대기에서 해수로 공급되는 양(input flux)과 해수 이동으로 교환(output flux) 되는 차이(net flux)는 무시할 수 있다. 따라서 생물학적(biotic) 반응과 비생물학적(abiotic) 반응이 용존산소(이하 산소라 함)의 수지를 결정할 수 있다. 특히, 생물 대사에 관여하는 효소가 매개가 된 산소 반응은 매우 역동적이어 산소 수지를 조절하는 주요 요인(control factor)이 된다. 이러한 이유로 해수에서 산소의 정량화는 수질(water quality)의 상태와 생물학적 프로세스를 평가하는데 활용되고 있다(Dellisanti et al. 2020; Soulié et al. 2021).
산소의 대표적인 분석법은 윙클러 적정법(Winkler titration) 이다. 해수에 과잉의 망간을 첨가하면 용존된 산소는 산화망간으로 산화된다. 여기에 요오드 이온을 첨가하여 산화망간을 환원시키면 요오드가 유리된다. 마지막으로 유리된 요오드를 티오황산나트륨(Na2S2O3·5H2O)로 적정하면 용존된 산소의 양을 정량 할 수 있다(해양수산부 2013). 비교적 간단한 분석과정과 높은 정확성으로 해수의 산소 측정에 이용되고 있다. 그러나 분석에는 비교적 많은 양의 해수시료와 분석시간이 요구되어 생물의 대사율 추정과 같은 연속적인 분석 필요한 연구에는 적합하지 못하다.
산소 분석방법 중 또 다른 방법 중 하나는 격막 전극법이다. 이 전기화학적 방법은 산소가 전극 표면에서 산화-환원반응을 할 때 발생하는 전기적 세기를 측정하는 방법이다. 적은 용량의 시료도 빠른 분석이 가능하기에 환경모니터링과 생물대사율 추정에 널리 이용이 된다. 그러나 전기화학적 센서의 단점은 센서 주변의 물 흐름이 센서 표면에서 확산경계층을 교란시켜 측정신호에 변화를 주는 “stirring effect”와 시간이 지나면서 센서의 출력신호의 배경값이 점진적으로 변화되는 “signal shift”등 있다. 이러한 단점은 장기간의 모니터링에 문제가 될 수 있다. 최근에 보급되고 있는 산소 광센서는 이러한 단점을 보완할 수 있다. 그리고 비교적 내구성이 강해 환경이 열악한 곳(harsh environment)에서 모니터링 센서로 활용성이 인정받고 있다(Glud et al. 2000; Wei et al. 2019).
최근 사물인터넷(IoT)의 유행으로 오픈소스(open source)의 마이크로프로세서 제어 보드와 보드를 제어 할 수 있는 공개 프로그램(freeware)이 보급되고 있다. 취미와 교육목적으로 상용화된 아두이노(arduino, https://www.arduino.cc/)와 라즈베리파이 피코(Raspberry pi Pico, https://www.raspberrypi.com/)등과 같은 마이크로콘트롤러 보드(microcontroller board)들은 전기·전자 분야의 비전문가도 다양한 센서(sensor)와 엑츄에이터(actuator)의 제어를 가능케 한다. 이러한 시대적 유행은 자연과학분야, 특히 생태학 분야에서 다양한 어플리케이션 개발의 DIY (do-it-yourself)가 가능해져 저렴한 가격으로 생물의 이동 추적 및 모니터링, 영상장치, 기상자료의 관측, 심해의 영상촬영 등을 실험실에서 쉽게 개발할 수 있게 했다. 이 결과는 연구자의 연구목적에 따라 유연하게 활용할 수 있는 맞춤형관측 및 계측장비의 개발의 대중화를 유발 할 수 있다(Kwok 2017; Phillips et al. 2019; Purser et al. 2020). 여기에 더불어 저가의 3-D 프린터의 보급과 인공지능의 발전으로 연구자 중심의 맞춤형 장비개발 속도는 점차 가속될 것으로 예상되고 있다(Dolgin 2018; Ravindran 2020).
이 논문은 해양 연구에 사용할 수 있는 산소 데이터로거 개발에 관한 것이다. 저렴한 교육용 마이크로콘트롤러 보드에 시판되는 산소 광센서를 조합하여 단순한 형태의 조간대용 데이터로거와 다이버가 수중에서 제어할 수 있는 보다 진보한 조하대용 로거를 개발했다. 또한 독자들이 실험실에서 자체 제작할 수 있도록 이 연구개발 결과의 회로도, 설계도면, 프로그램의 일부를 공개한다(Supplementary Material).
2. 재료 및 방법
산소 데이터로거
두 종류의 산소 데이터로거(이하 “로거”라 함)를 개발했다. 하나는 수심이 얕은 (< 1 m) 환경에서 사용가능한 조간대용 로거이며(Fig. 1), 다른 하나는 리드스위치(reed switch)로 제어 인터페이스를 구성하여 수중에서 자석으로 제어가 가능한 조하대용 로거이다(Fig. 2). 조간대 로거는 용기 뚜껑에 수밀용 오링(O-ring)이 있는 밀폐통에 제어회로와 전원을 넣어 제작한 모델이다. 여기에 산소 광센서는 용기 뚜껑에 구멍을 뚫어 신호선을 연결한 후 에폭시로 방수 처리를 했다(Fig. 1). 한편, 조하대 로거는 투명 아크릴과 아세탈로 제작한 50미터급 방수하우징에 제어회로와 전원을 넣어 조립한 것으로 다이버가 수중에서 자석으로 로거의 전원의 “on-off”, 측정의 “sampling rate”를 제어할 수 있도록 개발했다(Fig. 2).
Fig. 1.
The inexpensive datalogger, consisting of a Raspberry Pi Pico board, reed switch, battery, and other components, is enclosed in a waterproof food container for protection from the environment (a and b). An O2 optode is assembled with the Raspberry pi Pico board for logging of dissolved oxygen concentration in water (c and d)
산소 광센서
산소 센서는 Presens사의 OXYBASE 시리즈 중 디지털(RS-232) 출력이 되는 센서를 선정했다(Table 1). 센서는 다음의 특징을 갖는다. 1) 센서의 polarization이 필요 없어 센서 안정화에 걸리는 불필요한 시간의 소모가 짧으며, 2) 수심 20 m (< 3 bar)까지 방수가 가능해 수심이 얕은 천해 연구용으로 적합하고, 3) 광센서의 센싱 호일을 쉽게 교체할 수 있어 유지보수가 쉽고, 4) 센서 크기가 작아 로거 시스템의 소형화가 가능하며, 5) 다양한 환경(양식장, 폐수처리장 등) 연구에 이용 되고 있어 센서의 신뢰성이 증명된 제품이다.
Table 1.
Summary of technical specifications of optode sensor (https://www.presens.de/products/detail/oxy base-wr-rs232)
마이크로콘트롤러 보드
조간대용 로거는 라즈베리파이 재단에서 시판하는 라즈베리파이 피코 보드(Raspberry pi Pico, www.raspberrypi. org)를 제어 보드로 선정했다(Fig. 1). 피코 보드는 라즈베리파이재단에서 교육용으로 보급하는 저렴한(US 4$) 마이크로컨트롤러 보드이다. 라즈베리파이 재단에서 자체 설계한 RP2040 칩을 CPU로 제작한 제어보드로, 전자제어에 경험이 없는 일반인도 MicroPython (https://micropython.org)과 CircuitPython (https://circuitpython.org)등 비교적 학습이 쉬운 공개프로그램(freeware)으로 IoT 장치, 센서 신호의 저장, 로봇 제어등 다양한 프로젝트를 완성할 수 있다. 여기서, RP2040 칩은 ARM Cortex-M0+ 코어를 기반으로 하며, 133 MHz의 클럭속도, 254KB의 SRAM, 30개의 GPIO (general purpose input-output) 핀, 2개의 I2C, 2개의 SPI, 2개의 UART 통신 인터페이스를 제공한다(Table 2).
Table 2.
Technical specification of the Raspberry Pi Pico controller. the specifications include details on the processor, memory, clock, communication interfaces, and power supply requirements of the controller
한편, 조하대용 로거는 iLabs (https://ilabs.se)사의 Challenger RP2040 SD/RTC 보드(이하 “첼린저 보드”라 함)로 개발했다(Fig. 2). 이 보드를 선택한 이유는 마이크로콘트롤러 보드에 real time clock (RTC)모듈과 대용량 micro-SD 메모리 카드 reader가 기본으로 내장되어 있어 로거의 기본인 시간정보와 센서 신호를 쉽게 저장할 수 있기 때문이다. 첼린저 보드의 사양은 20개의 다기능 GPIO 핀, 복수의 통신 제어 포트(SPI, I2C, UART), 4개의 12 bit 아날로그-디지털 변환 포트(ADC) 그리고 20개의 pulse-width modulation (PWM) 채널을 제공한다(Table 3).
Table 3.
Technical specification of the challenger RP2040 SD/RTC controller. The specifications include details on the processor, memory, clock, communication interfaces, and power supply requirements of the controller
구성 회로
조간대 및 조하대용 산소 로거의 회로 구성은 Figs. 3 and 4에, 각 로거의 신호선 배선 내용은 Table 4에 나타냈다. 피코보드 기반의 조간대 로거는 전원, DS3231 RTC (real time clock), micro SD card module, RS232-TTL converter, 산소 광센서로 구성된다(Fig. 3). DS3231 RTC는 I2C 통신, micro SD card는 SPI 통신, 산소센서는 UART 통신으로 회로를 구성했다. 한편, 다이버용 조하대 로거는 리드 스위치(reed switch)로 로거의 전원을 “on-off”, 센서의 sampling rate를 제어할 수 있도록 직관적인 제어 인터페이스 회로를 구성했다(Fig. 4). 또한 수중에서 다이버의 편의성 고려해 Adafruit의 OLED 윈도우 보드(Adafruit FeatherWing OLED-128×32 OLED Add-on For Feather, https://www.adafruit.com/product/2900)에서 실시간으로 센서의 측정결과 및 수온을 디스플레이 할 수 있도록 개발 했다(Fig. 4).
Fig. 4.
Circuit diagram of oxygen datalogger for divers with Challenger and OLED display board. The diagram was created using Fritzing free software (https://fritzing.org). The Challenger board serves as the microcontroller, while the OLED display board provides real-time readings of oxygen levels. The datalogger is equipped with two reed switches to control power turn-off and sampling rate
Table 4.
Pinout of datalogger for Pico and Challeger board. The pinout information includes the pin number, name, function, and connection type for each component, including the O2 optode, reed switch, battery, and other components
제어 및 통신 프로그램
로거의 제어 프로그램과 통신 프로그램은 Thonny IDE (ver. 4.0.1, https://thonny.org/)에서 MicroPython 프로그램으로 개발했다(Supplementary Material). 조간대용 로거의 제어프로그램은 부록에 제시했다. 제어프로그램의 주요 내용은 RTC의 시간 정보, SD 메모리의 오류 체크, 문자열의 저장, 센서의 UART 통신 설정으로 구성된다. 저장된 data는 별도로 개발한 GUI (Graphic User Interface) 프로그램에서 다운로드 할 수 있다.
방수 하우징
구조적으로 수밀 밀폐통은 수심이 깊으면(> 3 m) 수압에 변형되어 방수에 문제를 일으킬 가능성이 크다. 따라서 이 모델은 수심이 낮으며 외부에서 물이 튈 수 있는 현장과 조간대에서 사용할 수 있다. 모든 구성품은 하우징 내부에 양면 테이프로 쉽게 고정할 수 있도록 고안를 했다(Fig. 1). 조하대용 로거는 직경 4 cm 투명 아크릴 파이프 양끝에 오링(O-ring)이 장착된 뚜껑을 제작했다(Fig. 2). 한쪽 뚜껑의 중앙에는 산소 광센서를 장착할 수 있도록 구멍을 뚫었으며, 제어보드 및 밧데리를 안정적으로 고정할 수 있는 지지판을 3-D 프린터로 제작하여 뚜껑에 고정했다. 리드스위치와 OLED 윈도우는 다이버가 수중에서 쉽게 사용할 수 있도록 고안되었다.
전원
로거의 시스템 전원은 용량이 약 6400 mA, 전압 3.7 volt, 크기 18650인 리튬 이온 밧데리를 병렬로 연결해서 제작했다. 전원의 사용 시간은 sampling rate를 0.1 Hz (10 s)로 했을 때 약 48시간 이상이었다.
현장 테스트
산소 로거의 현장 테스트는 부산 영도의 연안에서 했다. 밀폐통 로거로 수심 약 1 m에서 약 19시간 동안 용존산소를 10초 간격으로 연속 측정을 했다. 조하대 로거는 투명 아크릴의 배양챔버(light benthic chamber, 직경: 20 cm, 높이: 8 cm)의 뚜껑에 장착하여 약 48시간 동안 해저면의 해조류가 생산 및 소비하는 산소를 측정했다(Fig. 5). 측정하는 동안 배양챔버 내부에 PAR 센서(JFE Advantech Co, DEFI-L., Nishinomiya, Japan)를 넣어하여 광을 동시에 측정했으며, 별도로 개발한 수중 펌프로 챔버의 배양수를 순환시켰다. 광센서의 반응속도(t90 < 30 s)와 측정결과의 노이즈를 고려해서 수층 모니터링 농도는 2분간, 챔버배양 결과의 농도는 5분간의 자료를 평균했다.
3. 결 과
수층 모니터링
Fig. 6에 수심 약 1 m에서 10초 간격으로 2023년 3월 21일 15시 55분부터 2023년 3월 22일 10시 22분까지 약 19시간 동안 측정한 산소의 농도 변화를 나타냈다. 산소 농도 범위는 224.2–296.2 μmol L-1(평균: 256.4 μmol L-1) 로 주·야간에 큰 차이를 보였다. 즉, 태양광이 있는 낮 동안은 수주(water column)와 해저면에서 기초생산자의 광합성으로 산소가 생산되어 높은 농도를 보였다. 반면, 야간에는 생물군의 호흡으로 산소 농도가 점차 감소하다가 다음날 일출 후 다시 증가하는 일주변화 경향을 나타냈다. 특히, 일몰 및 일출 전후에 용존산소 농도의 변화가 크게 나타났다(Fig. 6).
Fig. 6.
The graph shows the dissolved oxygen concentration measured over a period of approximately 19 hours, with data points recorded every 10 seconds. As demonstrated, the concentration of dissolved oxygen exhibits a clear diurnal pattern, with higher levels observed during the day and lower levels at night. This pattern is likely driven by photosynthesis and respiration in aquatic organisms
해저면의 생산력 추정
투명 배양 챔버 안에서 산소는 PAR의 변화에 민감하게 반응을 했다(Fig. 7). 투명 챔버내 PAR는 0–125.1 μmol photon m-2 s-1(평균: 34.5 μmol photon m-2 s-1) 범위를 보였다. 일간 산소 변화는 34.9–493.2 μmol L-1 범위 였으며, 야간(PAR < 1 μmol photon m-2 s-1)의 평균 농도는 96.6 μmol L-1, 주간(PAR > 1 μmol photon m-2 s-1)의 평균 농도는 346.1 μmol L-1 으로 해저면에 서식하는 부착성 해조류의 광합성 및 호흡을 나타냈다. 더욱이, 정오시간(2023-05-10 12:00) 전후에 PAR의 변동에 따라 약 1시간의 시차를 두고 산소 농도의 변동을 보였다. 산소농도는 일출 후 약 6시간 동안은 점차 증가했으며, 이후 오후 2시까지 변동을 보이다가 이후 감소하는 경향을 나타냈다. 이러한 주야간의 산소변화는 해저면에 서식하는 기초생산자의 광합성으로 생산 또는 소모되는 산소 플럭스의 차이(net)로 1)주간에서 생물군집의 순 생산(net community production, NCP), 2)야간에는 호흡(respiration, R), 3)절대값의 합은 총 생산(gross primary production, GPP = NCP + |R|)을 의미한다(Mallon et al. 2022; Roth et al. 2019). 일출 후 정오까지 시간에 따른 챔버 내 산소의 농도 증가 기울기와 챔버의 높이를 이용하여 추정한 산소의 순생산력(net O2 production, NCP = dO2/dt × chamber height)은 90.9 mmol O2 m-2 d-1, 야간의 감소기울기로 추정한 산소의 호흡율(respiration)는 -197.6 mmol O2 m-2 d-1, 총생산(GPP)은 288.5 mmol O2 m-2 d-1로 추정되었다.
4. 토의 및 결론
표층수의 모니터링 자료에서 산소 변화가 큰 시기(0:15–3:35)에 수온 변화도 같이 크게 나타났다. 이러한 수층의 산소 농도 변동은 조석에 따른 해수 교환에 의한 것으로 판단된다, 한편, 챔버내 산소 농도는 야간(05/09 19:10–05/10 05:35, 05/10 19:00–05/11 05:33)에 34.9–111.4 μmol L-1(평균: 74.6 μmol L-1)로 일정한 농도범위에서 변화되었다(Fig. 7). 이 결과는 배양 실험임을 고려할 때 기초생산자의 호흡이 잘 반영되지 못함을 보여준다. 이는 챔버를 설치한 해저면이 작은 자갈로 구성되어있어 챔버가 완전한 폐쇄환경을 만들지 못했을 가능성이 있다. 따라서 추정된 저서 생물군의 순 대사율(산소 순생산 및 호흡)에는 불확실성이 존재할 가능성이 크다. Yats and Halley (2003)는 챔버하단에 외부물과의 교환을 차단하는 “skirt”를 고안하여 불규칙한 암반 해저면에서 현장측정을 시도했다.
개발한 두 종류의 산소 로거 현장테스트는 성공적이었다. 측정 자료의 누락 없이 설정한 sampling rate (0.1 Hz)에 따라 측정시간, 산소, 수온이 SD 메모리에 저장되었다. 시판되는 대부분의 광센서는 제품 출하시 factory calibration이 되어 사용자에게 제공됨으로 사용할 때 마다 calibration의 노력을 줄일 수 있다. 여기에, 로거에서 사용 가능 시간과 sampling rate은 장비운영과 자료 분석에서 중요하게 고려할 사항이다. 산소 광센서의 작동 원리는 특정 파장의 빛을 센서 포일(foil)에 주사한 후 포일에서 출력하는 빛을 측정하여 산소를 측정하는 것이다(Wei et al. 2019). 측정시 sampling rate가 빠르면 상대적으로 더 많은 전력을 소모할 수 있어 로거의 사용시간이 짧아질 수 있다. 따라서 효율적인 로거 운영을 위해서는 사전에 측정대상의 반응속도와 반응 시간 등의 정보가 도움 될 수 있다. 우리가 측정에 적용한 10초 간격의 sampling rate는 저층 생물들의 대사율(metabolism) 추정에 충분한 시간적 해상도를 제공하는 것으로 판단되며, 이를 적용시 약 48시간 연속 작동이 가능했다. 여기에 고용량의 전원을 사용할 경우 장기간의 대사율 측정도 가능할 것으로 판단한다.
이 연구에서는 비교적 고가의 산소 광센서가 이용되었다. 조간대용 로거의 제작비용은 약 140–150만원으로 이중 센서 가격(약 130만원/890 유로)이 큰 비중을 차지한다. 한편, 조간대용 로거는 방수 하우징 제작에 약 30만원이 별도로 추가된다. 따라서 조간대용 로거는 180만원 이하면 제작할 수 있다. 이들 로거의 제작 경비는 격막 전극 산소 센서(https://atlas-scientific.com/dissolved-oxygen)를 이용하면 총 30만원 내외의 비용으로 로거 제작이 가능하다.
기존에는 로거 개발은 전기-전자-기구설계등의 전문가 영역이었다. 그러나 사물인터넷의 유행과 3-D 프린터의 보급으로 비전문가도 저렴한 비용으로 실험실에서 개발이 가능해졌다(Dolgin 2018; Kwok 2017). 결과적으로 연구자는 연구 목적에 대한 아이디어만 있으면 원하는 영상, 물리, 화학적 자료를 자신만의 고유한 분석 툴(tool)로 실시간의 자료도 취득이 가능하다. 이러한 시대적인 유행은 연구 결과의 독창성과 다양성을 폭발적으로 증진시킬 수 있다. 이미 다양한 연구 분야에서는 연구자의 자작(DIY) 실험 도구가 활용되고 있으며 의미 있는 결과들이 도출되고 있다(Kwok 2017; Ravindran 2020). 더욱이 연구자가 시료분석과 자료해석을 위해 구입하는 고가의 기성품을 자작한 개발품으로 대체할 경우 연구비 절감, 다양한 어플리케이션 추가개발, 상용화등 부수적인 결과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 새로운 연구방법론의 개발이 가능할 것이다(Kwok 2017).
이 연구에서 개발한 용존산소 로거는 비교적 고가의 산소 광센서를 이용함으로 가격적인 면에서 부담이 될 수 있다. 그러나 반복 실험구가 요구되어 다수의 로거가 동시에 필요한 연구에서는 비용 절감을 기대할 수 있다. 그리고 연구 필요에 따라 장기모니터링, 시·공간상 고해상도 자료 생산 등이 가능해 연안의 주요 생물 서식지에서 탄소 순환 연구등에 중요한 결과를 도출 할 수 있을 것으로 생각한다. 더욱이, 라즈베리파이 재단에서 판매하고 있는 single-board computer에 디지털카메라 및 각종 센서를 통합할 경우 보다 진보한 해양 환경 영상 모니터링 장치 개발이 가능할 것 같다. 이와 같은 노력은 연구자의 DIY 분야가 새로운 연구방법으로 확립될 가능성이 있다(Caldas-Morgan et al. 2015; Jolles 2021; Mouy et al. 2020; Phillips et al. 2019; Purser et al. 2020; Williams et al. 2014).
