서 론

미더덕 Styela clava은 우리나라 전연안의 암반서식처 에 부착하여 고착생활을 하는 부유물 섭식자로 식용으 로 사용되며, 진해만을 중심으로 미더덕양식이 발달되고 있어 남해안의 특산물로 알려지고 있다. 미더덕 양식은 2001년에 경상남도 진해만을 중심으로 시작되었으며 양 식초기(2001년) 연간생산량은 15,084톤이었으나 2009년 3,845톤, 2013년에는 2,759톤으로 주로 여름철 대량폐사 와 채묘부족으로 생산량이 감소하고 있다.

미더덕의 양식과 관련된 연구는 미더덕의 양식생태 (Ministry of Agriculture and Forestry 1997, 1997) 및 미더 덕인공종묘생산기술개발(NFRDI 2011) 및 미더덕 대량 폐사원인규명을 위한 분자유전학적 분석 (Ministry for Food Agriculture, Forestry and Fisheries 2011) 등이 보고 되고 있으나 미더덕의 양식에 필요한 생태, 생리 등 생 산량 감소에 따른 대량 폐사 원인을 분석할 수 있는 자 료는 매우 부족하다.

일반적으로 변온동물은 환경에 수동적으로 순응하면 서 변화된 온도에 장기간 유지되면 그들의 대사작용을 재조절하는 것으로 알려져 있다. 이러한 온도변화에 대 한 대사작용의 온도보상 또는 온도순화는 이들 동물의 환경적 적응이라고 할 수 있다. 온도는 대사율, 활성도 및 에너지균형 등에 영향을 미치는 직접적인 요인이며 (Newell and Kofoed 1977), 여러 가지 다른 환경요인과 복합하여 영향을 미친다(Venables 1981). 수중 내 용존산 소 변화는 수온에 따라 변화하며, 대체로 많은 조간대 동 물들은 서식지 환경에서 수중 내 산소 변화에 수시로 직 면하고 있으며, 특히 정착성이거나 이동이 적은 수서동물 의 경우 활동을 감소시키며, 에너지 이용을 감소시켜 저 산소에 대한 저항을 증가시킨다(DeZwaan and Wijsman 1976; Pamatmat 1980). 저산소에 대한 생물의 반응(Herreid 1980)은 그 동물의 생리적 상태와 수온, 염분, pH 및 오염원 등의 환경에 의존하여 나타나므로 수온 및 용존 산소에 대한 임계범위 설정은 양식생물의 적정수용력의 산정 및 폐사원인 규명에 필요한 자료로 활용될 수 있다.

미더덕의 대량폐사 요인은 미더덕 주산지인 진동만을 중심으로 여름철 빈산소 및 집중호우에 의한 저염분의 영향으로 추정하고 있으나 이에 관한 자료는 미우 미흡 한 실정이다.

본 연구는 미더덕의 집단폐사가 주로 발생하는 여름 철 고수온 및 빈산소에 의한 생물학적 지표를 찾아 대 량폐사 원인 구명을 위한 기초자료로 활용하기 위하여 미더덕의 생존에 미치는 수온 및 빈산소 임계범위, 생리 적 반응 및 조직학적 분석 등을 조사하였다.

재료 및 방법

실험에 사용된 미더덕은 경남 창원시 마산합포구 진 동만 미더덕 양식장에서 채취하여 실험실로 옮긴 후 5 톤 수조에서 실험조건에 순치시킨 후 실험에 사용하였 다. 순치기간 동안 수온 15±1°C, 염분은 33.5±0.5 psu 으로 유지되었으며, 먹이는 시판중인 혼합규조류를 공급 하였다. 실험에 사용된 개체의 크기는 체장 29.8±4.6 mm, 전중 5.4±0.8 g의 것을 사용하였다.

미더덕의 수온 및 용존산소내성 범위를 조사하기 위 하여 실험수온 15 (대조구), 20, 23, 26, 29±0.5°C, 실험용 액의 용존산소 농도는 2, 3, 4, 5, 8.5±0.5 (대조구) mgO₂ L^-1를 설정하였다. 실험수행기간 동안 염분은 일반해수 (33.5±0.5 psu)를 사용하였으며 광주기는 12L : 12D를 유지하였다. 실험방법은 지수식 및 순환여과식으로 행하 였으며, 수온은 수온자동조절기를 이용하여 수온조건을 조절하였다. 실험해수의 용존산소 농도는 질소가스와 공 기를 주입시키면서 산소검량기(Orbis 3600, Switzerland) 를 사용하여 설정된 실험농도를 조절하였다. 생존율은 12시간 간격으로 냄새를 맡거나 침으로 자극을 주어 반 응이 없으면 죽은 것으로 간주하여 구하였다. 각 실험수 온에 노출된 미더덕의 산소소비율은 호흡챔버와 생물호 흡측정기(Orbis 3600, Switzerland)를 이용하여 1시간 간 격으로 24시간 측정한 후 평균값을 사용하였다. 암모니 아질소배설률은 산소소비율 측정과 동일한 호흡챔버에 서 1시간 간격으로 실험용액을 2 mL 샘플하여 phenolhypochlorite (Solorzano 1969)법을 이용하여 분석하였다. 실험수온에 따른 반수치사 수온은(50% lethal temperature) probit법에 의해 분석하였다(Finney 1971).

각 실험수온 및 용존산소 농도에 노출된 미더덕의 조 직학적 반응을 관찰하기 위하여 미더덕의 새낭, 소화관 및 피낭을 적출하여 조직학적 분석을 실시하였다. 시료 는 aqueous Bouin’s fluid에 12시간 동안 고정한 후, 24시 간 동안 수세하였다. 그 후 단계별 ethanol 탈수과정 후 paraplast (McCormick, USA)에 포매하였다. 포매된 시료 는 microtome (RM2235, Leica, Germany)을 이용하여 4~6 μm 두께로 연속 절편하여 조직표본을 제작하였다. 표본은 Mayer’s hematoxylin-eosin (H-E) 염색과 Alcian Blue-periodic acid and Schiff’s solution (AB-PAS, pH 2.5) 반응을 실시한 후 광학현미경(Carl Zeiss, DE/ Axloscope A1)으로 관찰하였다.

결 과

미더덕에 미치는 수온의 영향을 알아보기 위하여 15 (대조구), 20, 23, 26, 29±0.5°C에서 6일 동안 노출시키면 서 생존율, 산소소비율, 암모니아질소 배설률 및 조직학 적 반응을 조사하였다. 노출기간 동안 미더덕의 생존율 은 수온 29°C에서 6일째 모두 사망하였으며, 수온 26°C 에서 생존율은 56.6%, 수온 23°C에서 63.3%를 나타내어 노출 6일 동안의 반수치사수온 (6day-LT₅₀)은 24.58°C (19.48~35.48°C)였다(Fig. 1).

Fig. 2는 용존산소 농도 감소에 따른 미더덕의 생존율 을 나타낸 것이다. 각 용존산소 농도에서 11일간 노출시 키면서 미더덕의 생존율을 조사한 결과, 노출 7일째부터 용존산소농도 4.0 mg L^-1 이하에서 폐사하기 시작하여 노출 11일째 생존율 20%였으며, 2 mg L^-1에서 모두 폐 사하여 반수치사용존산소 농도(11day-LC₅₀)는 3.88 mg L^-1 (3.29~4.57 mg L^-1)였다(Fig. 2).

수온상승에 따른 미더덕의 산소소비율은 각 실험수온 에서 노출 6일째 측정하였으며, 수온 29°C에서는 실험 개체가 모두 사망하여 측정이 불가능하였다. 수온 12°C 와 20°C에서 산소소비율은 0.21 및 0.25 mgO₂/g DW/h으 로 수온 상승에 따라 증가하였으나, 수온 26°C에서는 0.122 mgO₂/g DW/h으로 현저히 감소하였다(Fig. 3). 암 모니아질소배설률은 산소소비율과 마찬가지로 수온 상 승에 따라 증가하여 수온 20°C와 23°C에서 각각 4.3 μgNH₄/g DW/h와 6.45 μgNH₄/g DW/h으로 증가하였으 나, 수온 26°C에서는 4.4 μgNH₄/g DW/h으로 감소하였다 (Fig. 3).

용존산소 감소에 따른 미더덕의 산소소비율은 실험용 액의 용존산소 농도 감소에 따라 감소하는 경향을 나타 내었다(Fig. 4). 실험용액의 용존산소 농도 5 mg L^-1 이상 에서 미더덕의 산소소비율은 0.35~0.4 mgO₂/g DW/h였 으며, 반면 실험용액의 용존산소 농도 2 mg L^-1에 노출 된 미더덕에서는 0.2 mgO₂/g DW/h으로 대조구에 비해 산소소비율은 50%의 감소를 나타내었다(Fig. 4).

수온 및 용존산소의 변화에 따른 미더덕의 새낭, 소화 관 및 피낭의 조직학적 변화를 관찰하였다. Fig. 5는 미 더덕의 새낭 소화관 및 피낭의 정상적인 기관계의 구조 를 나타낸 것이다. 새낭은 다수의 새낭돌기(papillae)들 이 일렬로 배열되어 있으며, 새낭돌기 내부는 혈구들이 존재하는 혈림프동이 관찰되었다. 새낭돌기의 자유면에 는 다수의 섬모들이 존재하고 있었으며, 새낭의 상피세 포층은 단층의 원주형상피세포로 구성되어 있었다(Fig. 5A).

소화관은 위와 장으로 구성되어 있으며, 외부로부터 상피층과 결합조직층으로 구성되어 있었다. 상피세포들 은 단층의 원주형섬모세포로서 자유면에는 섬모들과 다 수의 미세융모(microvilli)를 가지며, 소성의 결합조직층 은 다수의 소화세관이 관찰되었다(Fig. 5B). 피낭의 조직 학적 구조는 외부로부터 큐티클(cuticle), 기질(matrix)로 구성되어 있었다. 피낭은 다수의 주름들이 존재하고 있 었는데 주름의 정단부에는 두께 100 μm 이상의 큐티클 층으로 이루어져 있었다. 큐티클층은 막구조로 이루어진 비세포성 층으로서 다수의 과립세포들이 존재하고 있었 다. 큐티클층의 하단에는 기질은 다수의 근섬유로 구성 된 조밀한 구조로서 횡단과 종단으로 엮여 있는 근섬유 다발이 배열되어 있었다(Fig. 5C).

각 실험수온에 노출시킨 미더덕의 조직학적 영향을 분석하기 위하여 노출 6일째 수온 23°C 및 26°C에서 생 존한 미더덕을 대상으로 분석하였다(Fig. 6).

수온 23°C에 노출된 미더덕의 새낭은 초자변성이 형 성되었으며, 새낭돌기의 자유면에 존재하는 섬모들이 모 두 탈락되었다(Fig. 6A). 26°C의 경우 상피세포 과증식, 상피세포 응축 및 괴사, 결합조직층 내에 식세포 및 혈 구 침윤이 관찰되었다(Fig. 6B).

23°C의 수온에 노출된 소화관은 섬모가 탈락되고, 미 세소관의 괴사 및 세포의 응축이 관찰되었다(Fig. 6C). 26°C의 경우 상피세포 응축, 섬모 탈락, 미세소관의 괴 사 및 세포의 응축이 관찰되었다(Fig. 6D). 23°C의 수온 에 노출된 피낭은 큐티클층의 소멸 및 기질에 존재하는 근섬유들의 초자변성이 확인되었으며 (Fig. 6E), 26°C의 경우에는 과립세포 응축, 괴사 및 큐티클층 소멸, 식세포 및 혈구 침윤, 초자변성등과 같은 조직병리학적 증상이 관찰되었다(Fig. 6F).

Fig. 7은 빈산소에 의한 미더덕의 병리조직학적 영향 을 파악하기 위하여 반수치사용존산소 농도 이하에서 생존한 미더덕을 대상으로 분석하였다.

용존산소 농도 2 mg L^-1에 노출된 미더덕의 새낭은 새 낭돌기의 상피세포가 괴사되고, 결합조직층의 괴사가 관 찰되었다(Fig. 7A). 4 mg L^-1에 노출 경우 새낭돌기의 결 합조직층은 액화괴사되어 농양이 형성되었으며, 미세섬 유의 초자변성 및 식세포가 침윤되었다(Fig. 7B).

소화관의 경우에는, 2 mg L^-1에서 소화관 상피세포 과 증식 및 결합조직층 액화괴사가 관찰되었으며(Fig. 7C), 4 mg L^-1에서는 섬모가 탈락되고 액화괴사 및 상피층이 괴사된 조직상이 관찰되었다(Fig. 7D). 피낭은 용존산소 농도 2 mg L^-1에서 큐티클층이 소실되고, 기질이 괴사되 었으며(Fig. 7E), 4 mg L^-1에서는 과립세포의 응축, 기질 섬유다발 괴사, 큐티클층 균질화 및 과립세포 소실이 관 찰되었다(Fig. 7F).

고 찰

연안에서 이루어지고 있는 한국의 양식어업은 연안의 환경적인 특성, 오염, 양식생물 밀식 등으로 양식장 관리 에 대한 어려운 문제를 안고 있다.

본 연구는 미더덕 양식장에서 대량폐사가 주로 발생 하는 여름철의 수온변화 및 빈산소 발생과 관련하여 미 더덕의 수온 및 용존산소의 내성범위와 이에 따른 생리 적 반응을 조사하여 미더덕의 폐사원인을 찾기 위한 기 초자료로 활용하고자 하였다.

일반적으로 환경변화에 따른 생물의 반응은 항상성을 유지하기 위하여 행동과 대사를 감소시키므로 외부변화 에 대한 생물체의 반응한계농도를 설정하기 위하여 생 존율, 성장, 대사, 조직학적 반응효소체계 및 혈액성상의 변화 등 다양한 측면에서 연구되어지고 있다.

온도는 여러 가지 환경요인 중에서도 염분에 따라 서 식지가 구분되며 생물의 생명현상에 중요한 영향을 미 친다. 대부분의 생물은 온도변화에 민감하며, 온도에 대 한 적응의 폭이 좁다. 온도내성한계는 생물이 이전에 경 험했던 비유전적 적응의 범위와 관련되어 있으며, 반면 에 동일한 환경조건하에서도 생물이 서로 다른 내성범 위를 갖는 것은 그 생물이 가지는 한정된 유전적 범위 로서 보고하고 있다(Otto 1973).

고수온에 대한 내성은 green abalone Haliotis fulgens의 경우 48h-LT₅₀이 31.5°C였으며(Leighton et al. 1981), 그리 고 열대지역 조간대 서식하는 Brachidonetes demissus는 수온 30°C에서 오랫동안 서식이 가능하며, 40°C에서는 일시적으로 생존이 가능하다(Read and Cumming 1967). 반면 본 연구에서 미더덕의 반수치사수온은(6day-LT₅₀) 24.58°C으로 위에 언급된 패류의 상한치사수온에 비해 낮았으나 피낭류에 속하는 멍게의 서식수온은 8~25°C (NFRDI 2009)과 유사하다. 이러한 서식수온에 대한 내성 의 차이는 생물의 특성, 종간 유사성, 분포지역, 개체의 활 성 및 에너지대사 등과 관련하다(Ansell and McLachlan 1980).

산소는 모든 생물이 생명현상을 유지하는 데 필수의 원소이며, 용존산소의 결핍은 생물상으로도 뚜렷이 구분 되어 생물분포에 제한요인이 될 수 있다. 수중 내 용존 산소의 감소에 의한 생물체의 반응은 혐기성대사가 증 가하며, 먹이이용 및 생식주기의 불균형, 성장, 감소, 호흡 률과 배설률 등의 대사저하 및 활동성 감소 등과 같은 생물학적 요인에 영향을 미친다(Pamatmat 1980). 패류의 경우에는 에너지의 사용을 최소화하여 제한된 시간 동 안 저산소 및 무산소상태에서도 생존할 수 있도록 생리 적 반응을 조절하지만(Dezwaan and Wijsman 1976), 내 성의 정도는 동물의 생리적 상태와 생물이 서식하고 있 는 수온, 염분, pH 및 오염원 등 서식 생태에 따라 다르 게 나타난다(Herreid 1980).

수온 20±1°C에서 미더덕의 용존산소에 대한 반수치 사농도는(11day-LC₅₀) 3.88 mg L^-1이었다. 이는 피낭류인 멍게의 수온 12±1°C에서 5일 동안의 반수치사용존산 소농도(5day-LC₅₀) 3.55 mg L^-1와({ label needed for ref[@id='R5'] }) 비교 하여 다소 내성이 강한 것으로 나타났다. 한편 패류인 꼬막 Tegillarca granosa (16day-LC₅₀) 1.13 mg L^-1 (Shin et al. 2002), 바지락 Ruditapes philippinarum (6day-LC₅₀) 2.40 mg L^-1 (Shin et al. 2001) 보다 높게 나타나 주기적으로 공기에 노출되는 시간이 길고 조간대 서식하고 있는 패 류보다는 저산소에 대한 내성이 낮은 것으로 여겨진다.

수온상승과 빈산소에 기인한 미더덕의 생리학적 반응 은 수온과 용존산소농도별 산소소비율 및 암모니아질소 배설률 반응 그리고 미더덕의 새낭, 소화선 및 피낭의 조직학적 관찰을 통해 알 수 있었다. 미더덕의 수온상승 에 따른 산소소비율은 수온 23°C 이상에서 감소하기 시 작하여 수온 26°C에서는 수온 20°C에 비해 51% 감소하 여 고수온에 대한 생리적 장애가 나타났다. 또한 수중 내 용존산소 농도 4 mg L^-1 이하에서 미더덕의 산소소비 율은 50% 이상 감소하였다. 이는 외부용존산소 농도에 따라 미더덕이 순간적으로 호흡률을 조절하는 것으로 여겨지지만, 임계용존산소농도 3.88 mg L^-1 이하에서는 호흡조절 능력 없이 사망에 이르며, 이러한 결과는 피낭 류인 멍게의 반수치사농도 3.55 mg L^-1 (Shin et al. 2013) 와 유사하여 양식장에서 여름철 빈산소 발생시기에 피 낭류의 대량폐사에 영향을 미칠 수 있는 주요 요인이 될 것으로 추정된다.

미더덕의 수온 상승 및 용존산소 농도 감소에 따른 새낭, 소화관 및 피낭의 병리조직학적 결과는 각 기관을 구성하고 있는 상피세포층의 증식, 응축 및 괴사, 식세포 및 혈구침윤, 섬모탈락, 근섬유 변성 등 조직학적 변성이 Table 1과 같이 공통적으로 관찰되었다.

유기호흡을 하는 대부분의 생물은 용존산소 농도 12 kPa와 공기중 포화도의 50% 감소까지는 정상적인 대사 를 유지할 수 있으며(Bayne and Newell 1983), 호흡조절 능력이 없는 경우에는 외부 산소의 농도에 의존하여 변 화하는데(Wilbur and Yonge 1966), 본 연구에서 미더덕 의 호흡률은 수중의 용존산소 농도 5 mg L^-1 이하에서 용존산소 감소에 따라 호흡률을 낮추어 대사를 조정하 는 것으로 보아 외부산소농도에 의존하는 호흡조절능력 (Wilbur and Yonge 1966)이 없는 생물로 여겨지므로 여 름철 미더덕 양식장 관리에 세심한 주의가 요구된다. 특 히 임계수온 및 용존산소 농도 이하에서 기관별 조직학 적 병변, 대사율 감소 등의 영향은 수온 24°C 이상, 용존 산소 3.8 mg L^-1 이하에서 매우 민감한 생물이므로 수온 상승에 따라 높은 대사와 에너지소모의 증가(Widdows 1976)는 여름철에 양성되고 있는 미더덕의 생리활성에 많은 영향을 미칠 것으로 여겨진다.

적 요

미더덕의 집단폐사가 주로 발생하는 여름철 고수온 및 빈산소에 의한 생물학적 지표를 찾아 대량폐사 원인 구명을 위한 기초자료로 활용하기 위하여 수온상승 및 용존산소농도 감소에 따른 미더덕의 생존율, 생리적 반 응 및 조직학적 변화 등을 조사하였다.

수온상승에 따른 생존율은 수온 23°C에서 63.3%, 26°C 에서 56.6%였으며, 수온 29°C에서 노출 6일째 모두 사 망하여 노출 6일 동안의 반수치사 수온은(6day-LT₅₀)은 24.58°C (19.48~35.48°C)였다. 용존산소 농도 감소에 따 른 생존율은 노출 11일째 용존산소농도 4.0 mg L^-1에서 20%였으며, 2.0 mg L^-1에서는 모두 사망하였고, 반수치사 용존산소 농도 (11day-LC₅₀)는 3.88 mg L^-1 (3.29~4.57 mg L^-1)였다. 산소소비율과 암모니아질소 배설률은 임계 수온 및 임계용존산소 농도이하에서 감소하였다.

수온 상승 및 용존산소 농도 감소에 따른 미더덕의 새낭, 소화관 및 피낭의 병리조직학적 결과는 각 기관을 구성하고 있는 상피세포층의 증식, 응축 및 괴사, 식세포 및 혈구침윤, 섬모탈락, 근섬유 변성 등의 변성이 공통적 으로 관찰되었다. 미더덕은 수온 24°C 이상, 용존산소 3.8 mg L^-1 이하에서 조직학적 병변, 대사율 감소 등으로 환 경변화에 매우 민감한 생물이므로 여름철에 양성되고 있는 미더덕의 양식장관리에 세심한 관리가 요구된다.