Proceedings of the Korean Society for Bio-Environment Control Conference
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2002.11a
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pp.293-297
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2002
폐쇄형 식물 생산 시스템에서 생산되는 식물은 생장속도가 빠르기 때문에 생장속도를 제어하거나 예측할 수 없어 수확적기를 놓치면 품질이 현저히 떨어져 상품성이 저하된다. 이를 해결하기 위해서는 식물생장기간 동안 식물에 따라 적절한 생장환경을 조성하여 생장정도를 균일하게 할 수 있는 최적 환경제어가 필요하다. 본 연구에서는 폐쇄형 식물 생산시스템의 최적 환경제어를 위하여 엽록소형광분석법을 이용하여 상추를 중심으로 광합성효율 모델(photosynthesis efficiency model ; PEM)을 개발하였다. (중략)
This study was aimed to assess the effects of microclimate factors on lettuce chlorophyll fluorescent responses and to develop an environment control system for plant growth by adopting a simple genetic algorithm. The photosynthetic responses measurements were repeated by changing one factor among six climatic factors at a time. The maximum Fv'/Fm' resulted when the ambient temperature was $21^{\circ}C,\;CO_2$ concentration range of 1,200 to 1,400 ppm, relative humidity of $68\%$, air current speed of $1.4m{\cdot}s^{-1}$, and the temperature of nutrient solution of $20^{\circ}C$. In PPF greater than $140{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$, Fv'/Fm' values were decreased. To estimate the effects of combined microclimate factors on plant growth, a photosynthesis efficiency model was developed using principle component analysis for six microclimate factors. Predicted Fv'/Fm' values showed a good agreement to measured ones with an average error of $2.5\%$. In this study, a simple genetic algorithm was applied to the photosynthesis efficiency model for optimal environmental condition for lettuce growth. Air emperature of $22^{\circ}C$, root zone temperature of $19^{\circ}C,\;CO_2$ concentration of 1,400 ppm, air current speed of $1.0m{\cdot}s^{-1}$, PPF of $430{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$, and relative humidity of $65\%$ were obtained. It is feasible to control plant environment optimally in response to microclimate changes by using photosynthesis efficiency model combined with genetic algorithm.
The Primary Production of phytoplanktons produces organic matter in high concentration in eutrophicated Hakata Bay, Japan, even during the winter season in spite of low water temperature. Phytoplanktons are considered to have any biological capabilities to keep activities of photosynthesis under the unfavorable conditions, and this affects water quality of the bay. In this study, seasonal variations in primary production efficiency were predicted by using a simple box-type ecosystem model, which introduced the concept of efficiency for absorption of solar radiation energy in relation to growth of phytoplanktons under the low solar radiation intensity. According to the simulation result of primary production, it was organic pollution comes from dissolved organic carbon (DOC) throughout the year, DOC of which is originated from the primary production of phytoplanktons on biological response of the seasonal variation of ambient conditions.
Because algal cells are so efficient at absorbing incoming light energy, providing more light energy to photobioreactors would simply decrease energy conversion efficiency. Furthermore, the algal biomass productivity in photobioreactor is always proportional to the total photosynthetic rate. In order to optimize the productivity of algal photobioreactors (PBRs), the oxygen production rate should be estimated. Based on a simple model of light penetration depth and algal photosynthesis, the oxygen production rate in high-density microalgal cultures could be calculated. The estimated values and profiles of oxygen production rate by this model were found to be in accordance with the experimental data. Optimal parameters for PBR operations were also calculated using the model.
Filamentous cyanobacteria are an ecologically important group of bacteria because they are able to provide both organic carbon fixed nitrogen that can support the nutritional requirements for other microorganisms. Because of their prokaryotic nature, they can also be used as potentially powerful model systems for the analysis of oxygenic photosynthesis and nitrogen fixation. Gene transfer is an indispensable procedure for genetic analysis of filamentous cyanobacteria. Electroporation was used to introduce foreign DNA into cyanobacterial cells. In experiments designed to optimize the electroporation technique, the effects of the field strength (amplitude of pulse) and time constant (duration of pulse), DNA concentration and host restriction/modification of DNA on the efficiency of electro-transformation were investigated. The results of this research revelaed that a high voltage pulse of short duration was effective for the electro-transformation of Anabaene sp. M131. The maximal number of transformants was obtained at 6 kV/cm with a pulse duration of 5 msec. The efficiency of electro-transformation was also sensitive to concenetration of DNA; even small amounts of DNA (0.01 .mu.g/ml) were able to gie a large number of transformants (1.0 * 10$\^$3/ cfu/ml).
The photosynthetic characteristics and primary production by phytoplankton in open waters of two wetlands (the Banwol and the Donghwa wetland) of Sihwa Constructed Wetland with different water chemistry were investigated to provide the information for the wetland management considering the water treatment efficiency. During the study period (from March to October, 2005) the primary productivity in open waters ranged from 481 to 11,275 mgC $m^{-2}$$day^{-1}$, which is very high compared with the eutrophic level of 600mgC $m^{-2}$$day^{-1}$. From the analysis of the photosynthesis-irradiance (P-I) model parameters, the photosynthetic characteristics may be affected by different concentration and ratio of nutrient (N and P) between two wetlands. Assimilation number (AN) was higher in the Donghwa wetland (average AN: 8.5gC $gChl^{-1}$$hr^{-1}$) with high P and low N/P ratio than the Banwol wetland (average AN: 5.8gC $gChl^{-1}$$hr^{-1}$) with high N and high N/P ratio. This result indicates that AN may be concerned with phosphorus than nitrogen and low NIP ratio. Positive correlation (R=0.81) was observed between the initial slope and AN, implying that AN was high in case of phytoplankton having more active photosynthesis ability under low light. On the other hand, maximum photosynthesis (Pmax) was related positively with chlorophyll a concentration showing correlation coefficient of 0.47. In this study, considering the high primary production through phytoplankton photosynthesis in open waters of Sihwa Constructed Wetland, the produced organic matter by phytoplankton may affect the water quality within wetland and its efficiency of water treatment. Also, the photosynthetic characteristics may be affected by different nutrient enrichment (especially phosphorus) of wetlands. This study suggests that the production by phytoplankton and its characteristics in open water of constructed wetland for water treatment should be considered to improve the removal efficiency of organic matter.
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology
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v.21
no.4
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pp.261-268
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2019
Climate change and drought stress are having profound impacts on crop growth and development by altering crop physiological processes including photosynthetic activity. But finding a rapid, efficient, and non-destructive method for estimating environmental stress responses in the leaf and canopy is still a difficult issue for remote sensing research. We compared the relationships between photochemical reflectance index(PRI) and various optical and experimental indices on soybean drought stress under climate change conditions. Canopy photosynthesis trait, biomass change, chlorophyll fluorescence(Fv/Fm), stomatal conductance showed significant correlations with midday PRI value across the drought stress period under various climate conditions. In high temperature treatment, PRI were more sensitive to enhanced drought stress, demonstrating the negative effect of the high temperature on the drought stress. But high CO2 concentration alleviated the midday depression of both photosynthesis and PRI. Although air temperature and CO2 concentration could affect PRI interpretation and assessment of canopy radiation use efficiency(RUE), PRI was significantly correlated with canopy RUE both under climate change and drought stress conditions, indicating the applicability of PRI for tracking the drought stress responses in soybean. However, it is necessary to develop an integrated model for stress diagnosis using PRI at canopy level by minimizing the influence of physical and physiological factors on PRI and incorporating the effects of other vegetation indices.
Park, Jung-Keuk;Hur, Kwang-Beom;Rhim, Sang-Gyu;Lee, In-Hwa
New & Renewable Energy
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v.5
no.2
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pp.15-24
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2009
As new small scale LFG (landfill gas) energy project model which can improve economic feasibility limited due to the economy of scale, LFG-Microturbine combined heat and power system with $CO_2$ fertilization into greenhouses was proposed and investigated including basic design process prior to the system installation at Gwang-ju metro sanitary landfill. The system features $CH_4$ enrichment for stable microturbine operation, reduction of compressor power consumption and low CO emission, and $CO_2$ supplement into greenhouse for enhancement plant growth. From many other researches, high $CO_2$ concentration was found to enhance $CO_2$ assimilation (also known as photosynthesis reaction) which converts $CO_2$ and $H_2O$ to sugar using light energy. For small scale landfills which produce LFG under $3\;m^3$/min, among currently available prime movers, microturbine is the most suitable power generation system and its low electric efficiency can be improved with heat recovery. Besides, since its exhaust gas contains very low level of harmful contaminants to plant growth such as NOx, CO and SOx, microturbine exhaust gas is a suitable and economically advantageous $CO_2$ source for $CO_2$ fertilization in greenhouse. The LFG-Microturbine combined heat and power generation system with $CO_2$ fertilization into greenhouse gas to enhance plant growth is technologically and economically feasible and improves economical feasibility compared to other small scale LFG energy project model.
The photosynthetic rate is an indicator of the growth state and growth rate of crops and is an important factor in constructing efficient production systems. The objective of this study was to develop a canopy photosynthetic rate model of romaine lettuce using the three variables of $CO_2$ concentration, light intensity, and growth stage. The canopy photosynthetic rates of the lettuce were measured at five different $CO_2$ concentrations ($600-2,200{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$), five light intensities ($60-340{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$), and four growth stages (5-20 days after transplanting) in three closed acrylic chambers ($1.0{\times}0.8{\times}0.5m$). A simple multiplication model expressed by multiplying three single-variable models and the modified rectangular hyperbola model including photochemical efficiency, carboxylation conductance, and dark respiration, which vary with growth stage, were also considered. In validation, the $R^2$ value was 0.923 in the simple multiplication model, while it was 0.941 in the modified rectangular hyperbola model. The modified rectangular hyperbola model appeared to be more appropriate than the simple multiplication model in expressing canopy photosynthetic rates. The model developed in this study will contribute to the determination of an optimal $CO_2$ concentration and light intensity with the growth stage of lettuce in plant factories.
Journal of the Korean Society of Environmental Restoration Technology
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v.22
no.5
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pp.27-43
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2019
This study applied the LANDIS-II model to the forest vegetation of the study area in Yeongdong-gun, Korea to identify climate effects on ecosystems of forest vegetation. The main purpose of the study is to examine the long-term changes in forest aboveground biomass(AGB) under three different climate change scenarios; The baseline climate scenario is to maintain the current climate condition; the RCP 4.5 scenario is a stabilization scenario to employ of technologies and strategies for reducing greenhouse gas emissions; the RCP 8.5 scenario is increasing greenhouse gas emissions over time representative with 936ppm of $CO_2$ concentration by 2100. The vegetation survey and tree-ring analysis were conducted to work out the initial vegetation maps and data for operation of the LANDIS model. Six types of forest vegetation communities were found including Quercus mongolica - Pinus densiflora community, Quercus mongolica community, Pinus densiflora community, Quercus variabilis-Quercus acutissima community, Larix leptolepis afforestation and Pinus koraiensis afforestation. As for changes in total AGB under three climate change scenarios, it was found that RCP 4.5 scenario featured the highest rate of increase in AGB whereas RCP 8.5 scenario yielded the lowest rate of increase. These results suggest that moderately elevated temperatures and $CO_2$ concentrations helped the biomass flourish as photosynthesis and water use efficiency increased, but huge increase in temperature ($above+4.0^{\circ}C$) has resulted in the increased respiration with increasing temperature. Consequently, Species productivity(Biomass) of trees decrease as the temperature is elevated drastically. It has been confirmed that the dominant species in all scenarios was Quercus mongolica. Like the trends shown in the changes of total AGB, it revealed the biggest increase in the AGB of Quercus mongolica under the RCP 4.5 scenario. AGB of Quercus mongolica and Quercus variabilis decreased in the RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios after 2050 but have much higher growth rates of the AGB starting from 2050 under the baseline scenario. Under all scenarios, the AGB of coniferous species was eventually perished in 2100. In particular they were extinguished in early stages of the RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios. This is because of natural selection of communities by successions and the failure to adapt to climate change. The results of the study could be expected to be effectively utilized to predict changes of the forest ecosystems due to climate change and to be used as basic data for establishing strategies for adaptation climate changes and the management plans for forest vegetation restoration in ecological restoration fields.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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