Ground-based remote sensing can be used as one of the non-destructive, fast, and real-time diagnostic tools for predicting yield, biomass, and nitrogen stress during growing season. The objectives of this study were: 1) to assess biomass and nitrogen (N) status of tobacco (Nicotiana tabacum L.) plants under N stress using ground-based remote sensors; and 2) to evaluate the feasibility of spectral reflectance indices for estimating an application rate of N and predicting yield of tobacco. Dry weight (DW), N content, and N uptake at the 40th and 50th day after transplanting (DAT) were positively correlated with chlorophyll content and normalized difference vegetation indexes (NDVIs) from all sensors (P<0.01). Especially, Green NDVI (GNDVI) by spectroradiometer and Crop Circle-passive sensors were highly correlated with DW, N content and N uptake. The yield of tobacco was positively correlated with canopy reflectance indices measured at each growth stage (P<0.01). The regression of GNDVI by spectroradiometer on yield showed positively quadratic curve and explained about 90% for the variability of measured yield. The sufficiency index (SI) calculated from data/maximum value of GNDVI at the $40^{th}$ DAT ranged from 0.72 to 1.0 and showed the same positively quadratic regression with N application rate explaining 84% for the variability of N rate. These results suggest that use of reflectance indices measured with ground-based remote sensors may assist in determining application rate of fertilizer N at the critical season and estimating yield in mid-season.
To investigate the contribution of macroalgae to biogeochemical nutrients and carbon cycles, we measured the uptake rates of nutrients and $CO_2$ by Undaria pinnatifida using an incubation method in an acrylic chamber. From January to March 2010, U. pinnatifida was sampled at Ilkwang, a well-known area of macroalgae culture in Korea. The initial and final concentrations of nutrients, dissolved oxygen, total alkalinity, and pH of the chamber water were measured, and production/uptake rates were calculated using concentration changes, chamber volume, and incubation time. The production rate of dissolved oxygen by U. pinnatifida (n = 32) was about $5.4{\pm}4.0\;{\mu}mol\;g_{fw}^{-1\;}h^{-1}$. The uptake rate of total dissolved inorganic carbon (TDIC), calculated by total alkalinity and pH, was $7.9{\pm}6.5\;{\mu}mol\;g_{fw}^{-1}\;h^{-1}$. Nutrients uptake averaged $141.7{\pm}119.2$ nmol N $g_{fw}^{-1}\;h^{-1}$ and $15.0{\pm}9.1$ nmol P $g_{fw}^{-1}\;h^{-1}$. A positive linear correlation ($r^2$ = 9.6) existed between the production rate of dissolved oxygen and the uptake rate of total dissolved inorganic carbon, suggesting that these two factors serve as good indicators of U. pinnatifida photosynthesis. The relationships between fresh weight and uptake rates of nutrients and $CO_2$ suggested that younger specimens (<~50 g fresh weight) are much more efficient at nutrients and $CO_2$ uptake than are specimens >50 g. The amount of carbon uptake by the total biomass of U. pinnatifida in Korea during the year of 2008 was about 0.001-0.002% of global ocean carbon uptake. Thus, more research should be focused on macroalgae-based biogeochemical cycles to evaluate the roles and contributions of macroalgae to the global carbon cycle.
We estimated and compared C storages and annual $CO_2$ uptakes by 9 dominant tree species planted along the streets. DBH and age by tree species were measured in the sites selected considering the planting status and distributions of tree species, and biomass, C storage, growth rate, and annual $CO_2$ uptake were estimated for each species. As a result, L. tulipifera, M. glyptostroboides, P. occidentalis were classified into fast-growing group, P. serrulata, G. biloba, Z. serrata, S. japonica, A. palmatum showed intermediate growth rates, and P. densiflora was slow-growing. Average C storage per tree was 205kgC/tree and ranged from 518kgC/tree(L. tulipifera) to 41kgC/tree(P. densiflora). Average annual $CO_2$ uptake by urban street trees over their lifespan ranged from $7.6kgCO_2$/tree/y to $99.1kgCO_2$/tree/y and L. tulipifera was the greatest, followed by glyptostroboides and P. occidentalis, and P. densiflora was the lowest. Total annual $CO_2$ uptake by all street trees in Gyeonggi-do, estimated based on the annual $CO_2$ uptake by each species, was as small as approximately 0.67% of that by forest in Gyeonggi-do. However, urban trees are still important because forest area continues to decrease and urbanization occurs annually in Gyeonggi-do, and should be managed considering their multi-functional aspects, including mitigation of heat island effect and building energy saving(indirect $CO_2$ uptake).
Journal of the Korean Society of Environmental Restoration Technology
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v.9
no.1
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pp.89-99
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2006
The growth and biomass of reeds(Phragmites australis) growing in a subsurface treatment wetland system were investigated from April 2003 to October 2003. Nitrogen(N) and phosphorous(P) concentrations in above-ground(AG) and below-ground(BG) tissues of reeds were examined and the removal rate of N and P by reeds were analyzed. The system, 29 m in length, 9 m in width and 0.65 m in depth, was constructed in June 2001 on a floodplain in the down reach of the Kwangju Stream in Korea in order to purify polluted water of the stream. A bottom layer of 45 cm in depth was filled with crushed granites(15~30 mm in diameter) and a middle layer of 10 cm in depth was filled with pea pebbles(10 mm in diameter). An upper layer of 5 cm contained course sand. Reeds were transplanted on the surface of the system, which were dug out of natural wetlands, and their shoots were trimmed 40 cm in height. The height and density of the shoots averaged 237.7 cm and 244.0 shoot/$m^2$, respectively, when the reeds grew fully. The maximum biomass of AG and BG tissues were 1,964 and 1,577 g/$m^2$, respectively, and the AG : BG ratio of biomass was 1.26. Mean AG and BG dry weights were recorded as 1,355 and 748 g/$m^2$, respectively. The AG and BG tissue concentrations of N averaged 12.37 and 10.01 mg/g, respectively, and those of P 2.37 and 2.03 mg/g, respectively. Inflow to the system averaged 40 $m^3$/day. The concentrations of total nitrogen(T-N) in influent and effluent were 8.4 mg/L and 3.2 mg/L, respectively, and those of total phosphorous(T-P) were 0.73 and 0.38 mg/L, respectively. The total removal of T-N and T-P by the system during the investigation period averaged 140.2 and 9.7 g/$m^2$, respectively, and the total uptake of N and P by the reeds were calculated as 24.39 and 4.73 g/$m^2$, respectively. Average removals of about 17% of N and about 49% of P by reeds were recorded. The N and P concentrations in AG tissues were significantly different among the three zones of the system:near to inflow(St1), in the middle of system(St2), and near to outflow(St3). The N and P concentrations in BG tissues were also significantly different among St1, St2 and St3. N and P concentrations in AG and BG tissues of reeds growing in St1 were higher than those in St2 and St3. The height and density of shoots of reeds in St1 were larger than those in St2 and St3. Significant amounts of N and P in the influent were taken up by reeds in St1.
As essential trace elements, copper and zinc play important roles in many physiological events in plants. In excess, however, these elements can limit plant growth. This study selected a heavy metal-tolerant plant by analyzing seed germination and biomass of alfalfa (Medicago sativa), canola (Brassica campestris subsp. napus var. nippo-oleifera), Chinese corn (Setaria italica), and a sorghum-sudangrass hybrid (Sorghum bicolor ${\times}$ S. sudanense), and determined heavy metal uptake capacity by analyzing biomass, chlorophyll a fluorescence, and heavy metal contents under high external copper or zinc levels. The seed germination rate and biomass of the sorghum-sudangrass hybrid were higher under copper or zinc stress compared to the other three plants. The plant biomass and photosynthetic pigment contents of the sorghum-sudangrass hybrid seedlings were less vulnerable under low levels of heavy metals (${\leq}50ppm$ copper or ${\leq}400ppm$ zinc). The maximum quantum yield of PSII ($F_v/F_m$) and the maximum primary yield of PSII ($F_v/F_o$) decreased with increasing copper or zinc levels. Under high copper levels, the decline in $F_v/F_m$ was caused only by the decline in $F_m$, and was accompanied by an increase in non-photochemical quenching (NPQ). The $F_v/F_m$ declined under high levels of zinc due to both a decrease in the maximum fluorescence ($F_m$) and an increase in the initial fluorescence ($F_o$), and this was accompanied by a marked decrease in photochemical quenching (qP), but not by an increase in NPQ. Accumulations of copper and zinc were found in both aboveand below-ground parts of plants, but were greater in the below-ground parts. The uptake capacity of the sorghum-sudangrass hybrid for copper and zinc reached 4459.1 mg/kg under 400 ppm copper and 9028.5 mg/kg under 1600 ppm zinc. Our results indicate that the sorghum-sudangrass hybrid contributes to the in situ phytoremediation of copper or zinc polluted soils due to its high biomass yield.
Park, Jong-Bu;Shin, Kyung-Sook;Hur, Hyung-Woo;Kang, Ho
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.33
no.7
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pp.485-491
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2011
This study was performed to investigate the characteristics of nutrient removal of municipal wastewater in membrane bioreactor system. Membrane bioreactor consists of four reactors such as two intermittently anaerobic tanks, the oxic tank and the sludge solubilizaion tank with an internal recycle. The hydraulic retention time (HRT) and flux were 6.5 hours and $20.4L/m^2{\cdot}hr$ (LMH), respectively. The removal efficiency of $COD_{Cr}$, SS, TN and TP were 94.0%, 99.3%, 99.9%, 69.9%, and 66.9%, respectively. The estimated true biomass yield, specific denitrification rate (SDNR), specific nitrification rate (SNR), specific phosphorus release rate (SPRR) and specific phosphorus uptake rate (SPUR) were 0.34 kgVSS/kgBOD d, $0.067mgNO_3-N/mgVSS{\cdot}d$, $0.028mgNH_4-N/mgVSS{\cdot}d$, 16.0 mgP/gVSS d and 2.1 mgP/gVSS d, respectively. The contents of nitrogen and phosphorus of biomass were 8.9% and 3.5% on an average.
Park, Jong-Bu;Park, Seung-Kook;Hur, Hyung-Woo;Kang, Ho
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.31
no.2
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pp.109-113
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2009
This study was performed to investigate the characteristics of nutrient removal of municipal wastewater in membrane bioreactor system. Membrane bioreactor consists of four reactors such as the anaerobic, the stabilization, the anoxic and the submerged membrane aerobic reactor with two internal recycles. The hydraulic retention time (HRT), sludge retention time (SRT) and flux were 6.2 h, 34.1 days and 19.6 L/$m^2$/hr (LMH), respectively. The removal efficiency of $COD_{Cr}$, SS, TN and TP were 94.3%, 99.9%, 69.4%, and 74.6%, respectively. The estimated true biomass yield, specific denitrification rate (SDNR), specific nitrification rate (SNR), specific phosphorus release rate (SPRR) and specific phosphorus uptake rate (SPUR) were 0.653 kgVSS/kgBOD/d, 0.044 $mgNO_3$-N/mgVSS/d, 0.035 $mgNH_4$-N/mgVSS/d, 51.0 mgP/gVSS/d and 5.4 mgP/gVSS/d, respectively. The contents of nitrogen and phosphorus of biomass were 8.86% and 3.5% on an average.
Remote sensing technique in agriculture can be used to identify chlorophyll content, biomass, and yield caused from N stress level. This study was conducted to evaluate biomass, N stress levels, and yield of tobacco (Nicotiana tabacum L.) under sand culture in a plastic film house using ground-based remote sensors. Nitrogen rates applied were 40, 60, 80, 100, 120, and 140 percent of N concentration in the Hoagland's nutrient solution. Sensor readings for reflectance indices were taken at 30, 35, 40, 45, 50 and 60 days after transplanting(DAT). Reflectance indices measured at 40th DAT were highly correlated with dry weight(DW) of tobacco leaves and N uptake by leaves. Especially, green normalized difference vegetation index(gNDVI) from spectroradiometer and aNDVI from Crop Circle passive sensor were able to explain 85% and 84% of DW variability and 85% and 92% of N uptake variability, respectively. All the reflectance indices measured at each sampling date during the growing season were significantly correlated with tobacco yield. Especially the gNDVI derived from spectroradiometer readings at the 40th DAT explained 72% of yield variability. N rates of tobacco were distinguished by sufficiency index calculated using the ratio of reflectance indices of stress to optimum plot of N treatment. Consequently results indicate that the reflectance indices by ground-based remote sensor can be used to predict tobacco yield and recommend the optimum application rate of N fertilizer for top dressing of tobacco.
Fermentation condition of Streptococcus lactis IFO 12007 for nisin production was examined. The optimal glucose concentration was 60g/ι. The pH and temperature optimum were 6.5 and 31$^{\circ}C$, respectively. The maximum nisin activity in batch culture was 2000IU/$m\ell$. The fermentation quotients after 7 hours of fermentation in batch culture were; specific glucose uptake rate:0.59g/g/h , specific nisin productivity: 34924IU/g/h, product yield: 5944IU/g, growth yield:0.24, biomass:4.81g/ι. The specific growth rate was affected by pH and temperature and the activation energy for growth was 1.35kcal/mole. pH control was essential for nisin production. Fed-batch culture using 20g/$\ell$ glucose medium produced 1420IU/$m\ell$ after 14 hours. The continuous culture could be operated at below 0.38h$^{-1}$ for nisin production. The steady state nisin concentration and specific nisin productivity were 740IU/$m\ell$ and 45000IU/g/h. The growth yield and maintenance energy were 0.144 and 207mg glucose/g-cell/h.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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