Modeling Socio-Hydrological Systems for Wastewater Reused Watersheds

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 생태조경·지역시스템공학부(지역시스템공학전공), 2014. 8. 박승우.본 연구에서는 유역 수문·수질 해석을 통해 하수재이용에 따른 관개용수에의 영향을 분석하고, 농업생산성과 환경성을 고려한 재이용수 관개 논의 적정 질소시비방법을 제안하고자 하였다. 또한, 시스템 다이내믹스를 이용한 사회-수문시스템 모델링과 과정 사회수문학의 인식틀을 통해 하수재이용에 따른 소규모 사회-수문시스템의 변화과정을 모의 및 분석하였다. SWAT 모형을 이용한 간접재이용에 따른 유역의 수문·수질 응답반응을 실측 수문 및 수질자료를 통해 보정 및 검정한 결과, 구축한 모형이 대상유역에서의 간접재이용 영향을 잘 해석할 수 있는 것으로 평가되었다. 검정된 모형을 이용하여 하수처리장의 유무에 따른 관개용수 취수지점에서의 하천유황 및 관개수질영향을 분석하였다. 하천유황은 하수처리장 방류수를 반영하여 증가하였으며, 갈수량으로 갈수록 하수처리장 방류수의 영향이 큰 것으로 분석되었다. 또한, 허용 가능한 총질소 농도와 농업용수 수질기준의 초과확률이 각각 60%와 40% 이상 증가하는 것으로 분석되어 하수처리장 방류수의 관개용수 수질에의 영향이 상당히 큰 것으로 평가되었다. DSSAT 모형을 이용한 하수재이용에 따른 질소시비방법 모의체계를 구축하였으며, 구축한 모형은 보정 및 검정기간 동안 실측 논벼 수확량을 잘 모의하는 것으로 나타났다. 적정 질소시비량을 관개수 총질소 농도 수준별로 모의한 결과 표준시비량 대비 20~50% 저감된 질소시비량에서도 목표 논벼 수확량을 생산할 수 있는 것으로 분석되었다. 질소시비방법에 대한 논벼 수확량의 민감도를 분석한 결과, 밑거름보다 새끼칠거름과 이삭거름에 더 민감한 것으로 나타났으며, 분시율을 조정함으로써 10~20 kg ha-1 정도의 추가적인 질소시비량 저감이 가능한 것으로 모의되었다. 수문시스템의 물리적 현상을 수식화한 결정론적 총괄형 수문시스템 부모형과 인구, 토지이용, 경제성, 그리고 기술 및 정책수준 등을 수식화한 사회시스템 부모형을 시스템 다이내믹스를 이용하여 하나의 사회-수문시스템 모형으로 구축하였다. 민감도 분석과 극한조건 시험, 그리고 SWAT 모형의 모의결과 및 실측 수문자료와의 비교를 통해 구축한 모형이 구조 건전성과 거동 객관성을 가진 것으로 평가되었다. 인구증가는 하수처리장 방류수를 통해 하천유량과 지하수위, 그리고 하수재이용량을 증가시키는 것으로 모의되었다. 농경지의 도시용지로의 토지이용 변화는 침투량과 농업용수 수요량을 감소시키고, 지하수 관개량의 감소로 지하수위를 상승시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 목표 수리답률을 달성하기 위해 지하수 관개 비중을 높일 경우 지속가능하지 않은 지하수 이용이 발생할 수 있으며, 재처리수 관개량을 늘릴수록 목표 수리답률을 보다 빨리, 그리고 안정적으로 달성할 수 있는 것으로 모의되었다. 재처리수 관개시설에 대한 경제성 분석결과, 시설 규모가 작을수록 단위자본비의 영향이 증가하였으며, 재처리수 관개의 경제성에 단위자본비가 단위운영비보다 더 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 또한, 하천유지유량을 통한 하천수 취수 제한은 하천유량의 보전뿐만 아니라 보상적 지하수 관개 및 기저유출에 따른 상대적 하천유량의 감소와 사회적 기회비용 또한 야기할 수 있는 것으로 분석되었다. 하수처리장 방류수의 관개용수에의 영향과 대안적 질소시비 방법으로부터 지속가능한 대체수자원으로서의 하수처리수의 농업용수재이용을 위한 합리적인 관리방안을 마련할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 사회-수문시스템 모델링은 수자원 정책결정에 중요한 도구로 활용할 수 있으며, 소규모 사회-수문시스템의 인과관계에 대한 보다 상세한 통찰을 통해 과정 사회수문학의 방법론으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.목 차 초 록 ⅰ 목 차 ⅲ List of Tables ⅶ List of Figures ⅹ 제 1 장 서 론 1 1.1. 연구배경 및 목적 1 1.2. 논문구성 5 제 2 장 연구사 7 2.1. 하수처리수의 농업용수재이용 7 2.2. 수문모형과 하수재이용 유역 수문·수질 모의 9 2.3. 작물생육모형과 적정시비량 모의 11 2.4. 사회수문학과 시스템 다이내믹스 12 제 3 장 SWAT 모형을 이용한 유역 수문·수질 해석 16 3.1. SWAT 모형 16 3.2. 대상유역 및 입력자료 17 3.2.1. 대상유역 17 3.2.2. 수문 및 수질자료 19 3.2.3. 입력자료 22 3.3. 모형의 보정과 검정 28 3.3.1. 유출량 32 3.3.2. 유사량 39 3.3.3. 총질소 42 3.4. 관개용수 영향 분석 45 3.4.1. 하수처리장 방류수 46 3.4.2. 하천유량 49 3.4.3. 관개수질 53 3.4.4. 하수재이용량 56 3.5. 요약 및 결론 58 제 4 장 DSSAT 모형을 이용한 논벼 수확량 모의 60 4.1. DSSAT 모형 60 4.2. 시험포장 및 입력자료 62 4.2.1. 시험포장 62 4.2.2. 입력자료 63 4.3. 모형의 보정과 검정 68 4.3.1. 모형의 보정 68 4.3.2. 모형의 검정 71 4.4. 적정 질소시비 방법 모의 74 4.4.1. 질소시비량에 따른 논벼 수확량 75 4.4.2. 질소시비에 대한 논벼 수확량 민감도 78 4.4.2. 질소시비 분시율에 따른 논벼 수확량 80 4.5. 요약 및 결론 82 제 5 장 시스템 다이내믹스를 이용한 사회-수문시스템 모델링 84 5.1. 시스템 다이내믹스 86 5.2. 대상유역 및 입력자료 88 5.2.1. 대상유역 88 5.2.2. 입력자료 96 5.3. 사회-수문시스템 모델링 111 5.3.1. 문제정의 111 5.3.2. 인과지도 113 5.3.3. 수문시스템 부모형 116 5.3.4. 사회시스템 부모형 127 5.3.5. 사회-수문시스템 모형 146 5.4. 모형의 평가 155 5.4.1. 모형 건전성 156 5.4.2. 모형 객관성 166 5.5. 요약 및 결론 173 제 6 장 하수재이용에 따른 사회-수문시스템 해석 175 6.1. 시나리오 설계 176 6.2. 도시화 영향 분석 177 6.2.1. 인구증가 177 6.2.2. 토지이용 변화 184 6.3. 하수재이용 영향 분석 190 6.3.1. 수문시스템 190 6.3.2. 사회시스템 194 6.3.3. 경제성 분석 202 6.4. 하천유지유량 영향 분석 205 6.4.1. 기준유량의 산정 205 6.4.2. 수문시스템 206 6.4.3. 사회시스템 209 6.5. 사회-수문시스템 모델링의 함의 213 6.6. 요약 및 결론 215 제 7 장 종합결론 217 참고문헌 221 Abstract 242Docto

혈관내피세포 vWF가 고혈당에 의한 종양 전이 촉진에 미치는 영향 연구

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 의과대학 의과학과, 2022. 8. 조정현.Diabetes mellitus (DM) is a chronic metabolic disease characterized by hyperglycemia and induces numerous complications, particularly vascular complications. In DM, prolonged hyperglycemia induces dysfunction of vascular endothelial cells (ECs) and consequently vascular complications. Although a close relationship between DM and cancer progression has been reported in epidemiologic studies, the response and the role of ECs on cancer metastasis in diabetic conditions remain to be elusive. In this study, I sought to determine whether and how ECs exposed to diabetic conditions contribute to cancer metastasis. I applied a syngeneic mouse tumor model of Lewis lung carcinoma (LLC) and B16F10 melanoma to a streptozotocin (STZ)-induced hyperglycemic mouse model. I demonstrated that hyperglycemia increased the metastasis of LLC and B16F10 cells in an experimental metastasis model with an intravenous injection of the tumor cells. I also confirmed that hyperglycemia increased tumor metastasis by increasing the adhesiveness of ECs to tumor cells rather than affecting the metastatic behavior of tumor cells themselves. Through gene ontology analysis in isolated lung ECs from STZ-treated mice, I identified that von Willebrand factor (vWF) promoted the adhesion of tumor cells to ECs and the transendothelial migration of tumor cells. Mechanistically, hyperglycemia increases oxidative stress in ECs through NADPH oxidase 2 (NOX2). The oxidative stress upregulates GATA binding protein 1 (GATA1), a transcription factor of vWF, and thereby upregulates endothelial vWF expression. These results provide evidence for the role of vWF in ECs as an adhesion molecule in hyperglycemia-induced tumor metastasis and potential therapeutic targets for the regulation of endothelial vWF expression and hyperglycemia-induced tumor metastasis.당뇨는 고혈당이 특징인 만성 대사성 질환으로써 수많은 합병증, 특히 혈관 합병증을 유도한다. 이런 혈관 합병증은 당뇨 환경이 혈관내피세포에 장애를 일으켜 일어난다. 기존 역학 연구들에서 당뇨와 암의 진행 사이에 밀접한 관계가 보고됨에도 불구하고, 당뇨 조건에 혈관내피세포가 암의 전이에는 어떤 영향을 끼치는지에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 본 연구에서 당뇨 조건에 노출된 혈관내피세포가 암 전이에 영향을 끼치는지 여부와 영향을 끼친다면 어떤 기전을 통하는지 알아보고자 했다. 이를 위해 Streptozotocin으로 유도한 고혈당 마우스 모델에 Lewis lung carcinoma (LLC)와 B16F10 melanoma 를 이용한 동계 유전자 생쥐 종양 모델을 접목하였다. 이를 통해 고혈당은 암의 성장에는 영향을 미치지 못하나 암의 전이를 촉진함을 고혈당 마우스에 두 종의 암세포를 정맥주사하여 폐로의 전이를 비교함으로써 확인 하였다. 이러한 현상이 고혈당이 암세포에 직접적인 영향을 미침으로써 일어나는 것인지 확인 하 였을 때 그렇지 않음을 확인 하였고, 당뇨 조건에서 고혈당에 영향을 많이 받으며 암의 전이에 관여하는 기질 세포인 혈관내피세포가 전이 증가에 관여할 것이라 가설을 세우고 이를 확인하였다. 실제 고혈당에 의한 전이 증가는 혈관내피세포가 암세포의 부착을 증가시킴으로써 폐 전이를 촉진시킴을 알 수 있었다. 그렇다면 혈관내피세포 유래의 어떤 분자가 암의 혈관내피세포로의 부착을 증가시키는가? 이에 대한 답을 찾고자 고혈당 마우스의 일차 폐 혈관내피세포에서 gene ontology를 분석함으로써, 혈관내피세포가 발현하는 vWF 가 암세포의 혈관내피세포에 대한 부착을 증가시키고 경내피 이동을 증가시키는 분자임을 확인하였다. 당뇨 조건에서 혈관내피세포의 vWF 발현이 증가하는 기전으로 고혈당이 혈관내피세포에 NOX2를 통하여 산화 스트레스를 증가시키며, 산화 스트레스로 인해 전사인자 GATA1이 증가하게 되며, 최종적으로 혈관내피세포의 vWF 발현이 증가함을 확인하였다. 이러한 결과들은 고혈당에 의해 증가하는 암 전이에서 혈관내피세포 유래 vWF의 역할을 규명하며 나아가 혈관내피세포에서 vWF 발현 조절과 고혈당에 의해 증가하는 암 전이 조절을 위한 잠재적 치료 표적을 제공한다.INTRODUCTION 1 MATERIALS AND METHODS 6 RESULTS 19 TABLES 30 FIGURES 34 DISCUSSION 115 REFERENCES 122 ABSTRACT IN KOREAN 132박