01-연안내만(JE).150447.pdf372.5KB

서 론

한국 연안의적조발생은 1970년대에는 연간 10건 내외였으나, 1980년대에는 연간 30여건 이상으로급격히 증가하였다(김 2005). 1990년대 이후에는적조발생건수
는 물론발생해역의광범위화로매년수십억원이상의 피해를 입혔다(김 2005; 이 등 2005). 유독성 식물플랑크톤은 해수의수색을변화시키지않은낮은개체수밀도
에서도 어패류를독화시킬수있다. 반면 독성을생성하지 않는일부식물플랑크톤은고밀도로발생하여어패류의 질식사와 2차적인 빈산소수괴형성등해양생태계에 막대한피해를입히는것은물론수상레저활동에도 부정적인 영향을미치고있다(임 등 1993; 김 2005).
식물플랑크톤의 이상증식에영향을주는대표적인환경요인은 수온, 염분, 광 조건및해수유동등의물리∙광학적 요인등이있다. 또한, 적조생물의 대증식은그들의 생활사에서씨앗종의가입에중요한역할을미치는 휴면포자의 형성여부와발아특성등과같은생물자체의종 특유의생리학적특성과더불어, 상위 생물에의한포식, 그리고 영양염농도등과같은화학적요인등이복잡하게 얽혀있다. 그 중에서도수온은식물플랑크톤의 효소활성에 영향을주어서성장율을변화시키고(유 등 2002; 노 등 2010; 오 등 2010), 종에 따라세포의형태변형과 더불어시스트(cyst) 형성 및발아에도직접적으로 영향을 미친다. 또한 수온은식물플랑크톤의계절적종천이 및생존전략에있어중요한요인으로보고되고있다(Imai and Itoh 1987; 노 등 2010; 오 등 2010). 해양식물플랑크톤은 종특이적으로증식에적합한최적온도를 가지고 있으며, 이것은 적조와같은특정종의우점현상과 대발생에중요한영향을미칠수있다(양 등 1999; 김 2005). 결과적으로 연안내만에상습적으로적조를유발시키는 종을 대상으로 생리∙생태학적 특성을 파악하는 것은각각의종에 대한 적조발생 시기를 예측하는데 유용하게 활용된다.

지금까지 적조형성미세조류의종별생리∙생태에 관한 연구는많이수행되어왔으나(임 등 1993; 이 등 2001; 노 등 2006), 대다수는 현장조사를통한적조생물 종의 분포(이 등 2005) 및 환경인자간의해석등으로적 조발생기작을 설명하려고하였다 (임 등 1993; 이 등 2005; 노 등 2006; 노 등 2010). 또한 적조생물을분리배 양하여 실험실에서그들의최적환경조건을찾는것은 현장에서 대발생기작을유추하는데많은도움이된다. 하지만, 실질적으로 우리나라에서는심각한수산피해를 입힌 특정종 Cochlodinium polykrikoides에 관해서는많은 연구가 진행되어왔으나, 다른 대다수의적조생물에관해 서는 극히간헐적으로연구가수행되었을뿐이다(노 등 2006; 노 등 2010; 오 등 2010). 따라서, 본 연구에서는한 국연안 내만에서우점하면서상습적으로적조를유발하 는 8종의 편모류 (Prorocentrum minimum, Heterocapsa triquetra, Scrippsiella trochoidea, Akashiwo sanguinea, Chattonella marina, Heterosigma akashiwo, Amphidinium carterae, Rhodomonas salina)를 대상으로수온변화에따 른 그들의성장특성과최적의성장조건에서세포체적을 산출하여 성장율과의관계를검토하였다.

재료 및 방법

한국해양연구원(KORDI) 남해분원 seedbank에서 배양 하고 있는적조생물 6종과 부경대학교미세조류은행에 서 분양받은 A. carterae와 R. salina를 이용하였다. 실험용 배지는규산염이제외된 f/2 배지를 사용하였으며, 온 도조건은 5°C 간격으로 5~25°C 범위내에서 진행되었다. 적조생물 배양실험은대한해협해수를 pore size가 0.2 μm membrane filter를 이용하여여과한후, 고압멸균 기 (15 min, 121°C)로 멸균하여사용하였다. 배양튜브는 ø22 mm×200 mm(PYREX®)을 이용하였고, 배양기는 multi-incubator (Wise Cube)를 이용하였다. 본 실험에서 대상종이 성장을하는데있어영양염농도가제한인자로 작용 하는것을배제하기위해서과영양(enrich nutrient; f/2 medium) 상태에서 실험을실시하였으며, 염분 30 psu, 광량 60 μmol m^-2 s^-1, 광주기(photo period) 12L :12D로 수행하였다.

각 생물의초기접종밀도는세포체적을고려하여세 포크기에 따라접종밀도를약간씩달리하였다. 세포체적 이 작은 A. carterae와 R. salina는 2,000 cells mL^-1로 하 였고, 세포의 크기가비교적큰 A. sanguinea와 Chatto-nella marina는 100 cells mL^-1, S. trochoidea는 200 cells mL^-1, 그 밖의종은 500 cells mL^-1로 하였다. 실험은 반 복구(duplicate)를 두어수행하였으며, 성장속도와 성장곡 선은 두값의평균으로나타내었다. 모든 실험은 14일 동 안 형광측정기(Turner Designs 10-AU Fluorometer)를 이용 하여 2일 간격으로형광값(FSU; fluorescence unit)을 측 정하였고, 배양 종료시점에서모든온도조건에서 Chl.a 농도(yield Chl.a)를 측정하였다. 성장율(Specific growth rate, SGR)은 세포의최초접종 일로부터 세포밀도가정체기에도달했을때까지의세포 밀도를 계산하여아래의식에대입시켜구하였다.

μ2=(log2N2-log2N0)/T 

여기서, T: 배양일수, N₀: 실험초기세포밀도의 FSU 값, N₁: 실험종료시 세포밀도의 FSU 값으로 나타내었다. Chl.a 농도는 각종별로최대밀도에도달하였을때, GF/F필터(ø25 mm Whatman glass fiber filters)로 여과하 였다. 여과지는 90% 아세톤에 넣고 24시간 냉암소에서 엽록소를 추출한후형광측정기(Turner Designs 10-AU Fluorometer)로 분석하였다. 세포체적은 각생물이최대성장을하는온도조건의실 험군에서 각세포의폭과길이를측정하여평균값을얻 었다(n=30). 각 세포의체적을구하는방법은 Table 1에 나타내었고, 관련식은 Sun and Liu (2003)에서 제시한방 법을 이용하였다.

Table 1. Geometric shapes and equations for the calculation of biovolume

결과 및 고찰

우리나라의 적조발생은 1990년대 이후부터규조류보다 는 편모조류에의한발생빈도가점차적으로높아지고있 으며(김 2005; 이 등 2005), 본 연구대상종 P. minimum, H. triquetra, S. trochoidea, A. sanguinea, Chattonella mari- na, H. akashiwo, A. carterae, R. salina은 남∙동해연안내 만에서 빈번하게출현하고, 때때로 높은밀도를유지하 는 잠재적위해종으로구분될수있다(Kim et al. 1996; 김 2005).

P. minimum은 5°C를 제외한모든실험구에서성장하 였고, 20°C 이상의 조건에서 0.54~0.58 d^-1의 높은성장 율을 보였다. 또한 최대성장율(μmax)은 25°C 조건에서 관 찰되었다. 본 종은전반적으로저수온에서고수온으로 갈수록 성장율이증가하는것으로보아고온성종의특 징을 갖는것으로판단된다(Figs. 1a and 2). P. minimum은 전세계적으로 널리분포하는종으로, 국외에서는 미국과 일본, 멕시코만, 지중해 등에서, 우리나라에서는 진해만, 제주도 근해, 통영항 등에서때때로적조가관찰되었다 (심 1994; Grzebyk and Berland 1996; 김 2005; Heil et al. 2005; Tango et al. 2005). 또한 P. minimum은 주로영양염 농도가 매우높은부영양화해역에서주로적조가관찰 되었고, 고수온기에 적조를자주형성하는경향이강하다 (Grzebyk and Berland 1996; Fan et al. 2003). 본 실험에서 도 P. minimum은 저수온조건보다는 20°C 이상의 고수 온 조건에서비교적빠르게증식하였으며, 이는 Grzebyk and Berland (1996)가 언급한 P. minimum의 최적수온 (18~26.5°C)의 연구결과와비교적잘일치하였다.

Fig. 1. Changes in the growth curves of eight red tide oraganisms at a salinity of 30 under a 12L : 12D (light : dark) cycle and 60 μmol m-2 s-1 for a 2-days interval under different temperature conditions. (a) Prorocentrum minimum, (b) Heterocapsa triquetra, (c) Scripsiellatrochiodea, (d) Akashiwo sanguinea, (e) Chattonella marina, (f) Heterosigma akashiwo, (g) Amphidinium carterae, (h) Rhodomonassalina.

Fig. 2. Changes in the growth rates of eight red tide oraganisms at a salinity of 30 under a 12L : 12D (light : dark) cycle and 60 μmol m-2 s-1.

H. triquetra의 수온 범위에 따른 성장율은 0.14~ 0.38 d-1이며, 조사대상종 중 유일하게 5°C의 낮은수온 조건에서 일정의 성장율이 관찰되었다(Figs. 1b and 2). 최 대성장율은 20°C에서 관찰되었고, 25°C에서는 성장이 둔화되어 15°C 조건보다 더 낮은 성장율이 관찰되었다. H. triquetra는 연안역, 하구역, 기수역에 분포하는광염성연 안종으로 우리나라에서는 주로 동계의 저수온조건에서 높은 밀도를 보였다 (김 2005; 이와 한 2007; Baek et al. 2011). 최근 Baek et al. (2011)의 보고에의하면, 시화호에서 H. triquetra의 대발생은 결빙된 수주(water column) 환경의 극히 낮은 수온에서 관찰되는 특이한 양상을 보였다. 본 연구에서 제시한 5°C의 성장율 로그들의 대발생 기작을 이해할 수 없는 부분이지만, 낮은 수온에서 충분하게 성장할 수 있는 잠재력이 높은종으로 판단된다. 또한 이등(2005)의 연구결과에따르면, 우리나라에서 H. triquetra 적조는 수온이 17°C 이하인 1~5월 사이에 빈번하게 대발생하였으며, 특히 10°C 내외의 저수온기 인 3월에 적조발생빈도가 높다고 보고하였다. 본 실험에서도 H. triquetra는 실험대상종 중 유일하게 모든 수온조건에서 성장이 관찰 되었으며, 특히 저수온 조건인 5°C와 10°C의 배양최종일 Chl.a 농도는 각각 10.50 μg L^-1과 27.36 μg L^-1으로 관찰되었으며(Table 2), 이 값은 25°C 조건 (13.99μg L^-1) 보다 유사하거나 높은 농도를 보여 저온성종의 증식특성을 보이는 것으로 판단되었다. S. trochoidea의 성장율은 모든 수온조건에서 -0.25 (5°C)에서 0.59 d^-1 (20°C)로 변동하였으며, 실험기간 동 안 P. minimum과 H. triquetra보다 낮은생물량(Chl.a 농도)을 보였다(Figs. 1c and 2). S. trochoidea의 Chl.a 농도 는 20°C에서 가장 높았으며, 음(-)의 성장을보인 5°C 와 10°C 조건에서 각각 0과 1.79 μg L^-1로 낮게 관찰되었다. S. trochoidea는 영국, 아라비아, 일본, 중국, 인도양에서 분포를 하며(Wall et al. 1970; Adachi 1972; Qin et al. 1997), 우리나라에서는 춘계진해만에서 적조를 일으키는 종으로 보고되었다(임 등 1993; Kim and Han 2000). 본 실험에서 S. trochoidea는 20°C 수온 조건에서만높은 성장률을 보였고, 저수온 조건인 5°C와 10°C에서는 거 의 성장이관찰되지않았다. 이는 이등(2005)이 보고한 S. trochoidea는 광온성종으로넓은수온범위에서출현 하며, 최적수온은 20°C 이상의 고수온기인 7~9월 사이 에만 적조를 형성한다는 결과와는 조금 다른 성장 특성 을 보였다. 하지만 임등(1993)이 보고한 춘계적조를 형성하며, 20°C 전후의 수온조건에서 빠른증식속도를 보인다는 결과와 일부분 일치하였다.

Table 2. Variation of yield Chl.a concentration for each species in

A. sanguinea의 성장율은최저 -0.5 d-1에서 최고치 0.54 d-1의 범위로관찰되었으며, 20°C에서 최대성장률을 보였다. 전반적으로 저수온조건에서는성장을하지
못하였고, 15°C와 20°C 구간에서 성장이비교적빠른것으로 나타났다(Figs. 1d and 2). A. sanguinea는 주로온대역에서 열대역의연안까지분포범위가넓으며, 우리나라 연안의모든해역에서출현을한다(Bockstahler and Coats 1993; Botes et al. 2000; Wu et al. 2000; 김 2005). 이종의 적조발생은춘계에서추계에이르는기간이며, 담수 유입에따른영양염공급, 수괴 안정및광도가높을 경우 적조를형성하는종으로보고되었다(Robichaux etal. 1998). 본 실험에서도이종은 15~25°C 구간에서 높은 성장율을보였으며, 20°C에서 최대성장율을보여, 춘계나 추계의담수유입이많은연안역에서적조가발생할 가능성이높을것으로판단된다. 특히 A. sanguinea
는 H. triquetra과 같이수온이낮은환경에서도적응능이 우수하며 (Matsubara et al. 2007), 때때로 동계낮은 수온(5~10°C)에서도 적조를발생하는것으로나타났
다(백 미공개자료). 본 연구에서 A. sanguinea는 5°C와 10°C의 낮은수온에서도유영세포가존재하였으나, 세포분열을 하지않아성장율이관찰되지않았다. 이와 같
은 낮은성장율로현장의저수온조건에서대발생한그들의 대발생기작을설명하기는많은한계가있다. 하지만, 실험실에서 낮은수온에서 생존하고 있었다는 것은
낮은수온의적응능이다른적조생물보다우수하다는 것을간접적으로시사할수있다. 아울러 동계의적조는 생물자체의 성장율보다는 실험실에서재현할수없는 조류와 조석의차이에의한집적과확산의영향이보다 높을 것으로 사료된다.

C. marina는 가장고수온조건인 25°C에서 최대성장 율을 보였으며, 15°C 이하의 수온조건에서잘성장하지 않았다(Figs. 1e and 2). C. marina는 열대, 아열대 및온대 해역에 출현하여대발생시수산자원생물의집단폐사를 야기하는 대표적인유해적조생물로(Imai et al. 1987, 1998; Barraza-Guardado et al. 1995; Vrieling et al. 1995; Zhang et al. 2006), 최근 우리나라에서도출현하고있으나, 피혜 사례는 보고되지않았다 (국립수산과학원 2005, 2007, 2008; 노 등 2010). 우리나라에서 Chattonella속은 서남 해역의 가막만, 장흥, 완도 및고흥연안등지에서약 23~ 30.5°C 사이의 고수온에서대발생이일어났으며(국립수 산과학원 2007, 2008), 이는 25°C의 고수온조건에서최 대 성장률을보인본실험결과와잘일치하였다. H. akashiwo는 전세계적으로적조를일으키며연안내 만의 부영양화가심한온난해역에서수산피해가보고되 고 있다(Watanabe and Nakamura 1984; Hosaka 1992; 이 등 2005). H. akashiwo는 -0.3 d-1에서 0.72 d-1의 성장율 을 보였으며, 25°C 조건에서 본연구대상종중가장빠 른 성장율을보였다(Figs. 1f and 3). 우리나라에서 본종 의 적조발생해역은주로반폐쇄성내만해역인진해만 에서 현저하게나타났다(이와 한 2007). 이 등(2005)의 배양시험에 의하면, 16~18°C에서 높은성장율을보였 고, 이는 본연구결과와도비슷하였고, 이러한 결과는우리나라의 적조발생시기의연안수온과잘일치하였다.또한 Watanabe and Nakamura (1984) 및 Yan et al. (2002)등이 보고한 최적수온범위(15~20°C)와도 유사하였다. 결과적으로 본 종의 생리적 특성은 6~7월(마산만 평균수온 20~25°C)의 장마기간 동안 강우에 의해 육상으로부터 풍부한 영양염류의 유입이 빈번하게 일어나는 반폐쇄적인 내만수역에서 빈번한 적조가 발생되는 것과도 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다(이와 한 2007).

A. carterae와 R. salina는 각각 -0.5~0.56 d^-1와 -0.2~ 0.63 d^-1의 성장율 범위를 보였으며, 두 종 모두 20°C 이 상의 수온조건에서 비교적 빠르게 성장하는 것으로 나타 났다(Figs. 1g, 1h and 2). A. carterae와 R. salina는 저수 온 조건에서 성장율 및 Chl.a 농도가 가장 낮았고, 수온 이 증가할수록 Chl.a 농도뿐만 아니라 성장율도 높게 나 타났다(Table 2). A. carterae는 세계 각지의 연안해역에 분포하는 것으로 알려져 있다(Klut et al. 1984; Licea et al. 2004). 하지만 우리나라를 비롯하여 적조발생 기록은 거의 없다. 본 종은 모래해변 착색현상의 원인종으로 알 려져 있으나, 연안역의 피해사례가 없어 연구가 거의 진 행되지 않았다(양 등 1999). R. salina도 마찬가지로 범 세계적으로 분포하고 있으나, 적조를 형성하지 않고 피 해사례가 없어 연구가 미흡한 실정이다. 본 종은 은편모 조류(Cryptophyceae)로서 한대해역에서도 출현하여 북 해(North Sea)에서는 춘계에 대발생하고 온대 및 고위도 해역의 해수와 담수에서도 성장한다고 알려져 있다(김 2005). 우리나라에서는 아직 이 종에 대해서 많은 연구가 이루어지지 않았지만(김 2005), Hammer et al. (2002)의 연구결과에 따르면 R. salina는 5°C에서는 성장하지 않 으나 10~15°C에서는 낮은 성장율을, 20°C에서 최적의 성장율을 보였다. 본 실험에서도 R. salina는 5°C에서 성 장하지 않았으며, 10~15°C에서는 낮은 성장률을 보인 반면, 20~25°C에서 높은 성장율을 보여 선행연구결과와 비교적 잘 일치하였다. 

 실험 대상종들의 세포 체적을 보면, A. sanguinea 22606 ±1937 μm³으로 타 대상종들에 비해 월등히 컸으며, S. trochoidea (2186±262 μm³), C. marina (1762±376 μm³), P. minimum (701±104 μm³), H. akashiwo (319±101 μm3), H. triquetra (279±144 μm³), A. carterae (218±17 μm³), R. salina (51±10 μm³) 순으로 나타났다(Fig. 3). 가장 세포 체적이 컸던 A. sanguinea는 두 번째로 체적이 컸던 S. trochoidea보다 약 10배, 가장 작았던 R. salina보다는 약 430배 정도 큰 세포체적을 가졌다. 실험한 8종을 대상으 로 세포체적과 성장율과의 관계를 살펴본 결과 세포의 사이즈가 작을수록 성장율이 높아지는 경향을 관찰 할 수 있었다(Fig. 4). 아울러 H. akashiwo와 같이 세포사이 즈가 작은 무각 식물플랑크톤이 유각종(H. triquetra)보 다 성장율이 조금 빠른 것으로 나타났다. 같은 무각종이 지만 세포체적(H. akashiwo⁄C. marina⁄A. sanguinea)이 크면 성장율 (H. akashiwo¤C. marina¤A. sanguinea)이 낮은 경향을 관찰 할 수 있었다. 또한 같은 유각종중에 서도 세포체적과 성장율의 관계가 무각종과 유사한 경향 을 관찰할 수 있었다(세포체적: R. salina⁄H. triquetra ⁄P. minimum⁄S. trochoidea, 성장율: R. salina¤H. triquetra¤ P. minimum¤S. trochoidea). 결과적으로 세포가 분열하여 성장하는 과정은 세포내의 신진대사과정과 연 관성이 있고(Rivkin 1989), 사이즈가 작고 각을 형성하는 않는 종이 보다 빠른 증식을 하는 것으로 나타났다. 해양 식물플랑크톤에서 사이즈와 성장율에 관한 보고 사례가 극히 제한적이기 때문에 이와 같은 흥미로운 결과가 다른 유사종에서도 나타나는지 신중하게 재검토가 요구된다.

Fig. 3. Bio volume of single cells of several flagellate taxa dominant in the Korean coastal water.The eauations of bio volume was proposed by Sun and Liu (2003).

Fig. 4. Relationships between growth rate and bio-volume in the laboratory experiments. Pm: Prorocentrum minimum, Ht: Heterocapsa triquetra, St: Scripsiella trochiodea, As: Akashiwo sanguinea, Cm: Chattonella marina, Ha: Heterosigma akashiwo, Ac: Amphidinium carterae and Rs: Rhodomonas salina.

본 대상종들의 성장 특성을 간단히 정리하면, P. minimum, Chattonella marina, H. akashiwo, A. carterae, R. salina는 10°C 이하의 저수온 조건에서 잘 성장을 하지 못하였고, 수온이 증가할수록 Chl.a 농도가 증가하였다. 반면, H. triquetra는 모든 수온 조건에서 성장이 관찰되 었지만 25°C 조건에서의 낮은 성장율과 생체량(Chl.a)을 나타내 저온성 종의 생리특성을 가졌다. S. trochoidea와 A. sanguinea는 10°C 이하의 저수온 조건과 25°C 이상의 고수온 조건에서 원활한 성장을 하지 못하는 것으로 나 타나 성장 가능한 수온 폭이 극히 좁게 나타났다.  

사 사

본 연구는 남해특별관리해역의 관리를 위한 해양생태계 건강지수 개발의 사업으로 수행되었습니다(PE98745).