서 론
수중생물에 있어 용존산소 (dissolved oxygen, DO)는 가 장 중요한 환경요소 중 하나이다. 수중환경에 있어서 저산 소 (hypoxia) 현상에 대한 정의는 많은 연구에서 이루어진바 있으며, 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 수중생물이 생존 할 수 없는 DO의 범위로 보통 2.0 mg L-1 또는 그 이하로 나 타내었으며 (Chesney et al. 2000), 두 번째는 DO가 포화수 치보다 낮은 상태를 저산소로 나타내었다 (Timmerman and Chapman 2004; Hattink et al. 2005).
저산소 현상은 계절적 변동 (광주기 및 수온), 염분약층이 나 수온약층의 형태로 나타나는 수직층위형성 (vertical stratification) 및 조류 소통 등에 의해 자연적으로도 나타날 수 있 지만 (Rosenberg et al. 1991; Pihl et al. 1992), 최근에는 인간 활동에 의해 발생하는 유기물이 자연환경으로 유입되면서 빈 번히 발생하고 있다 (Dalla via et al. 1998; Peckol and Rivers 1995). 우리나라에서도 저산소 수괴형성은 조류 소통이 원 활하지 못하고, 연안이 부영양화되어 수중에 축적된 유기물 이 많은 곳에서 여름철 수온이 상승하면서 발생한다고 알려 져 있다 (NFRDI 2009). 저산소로 인한 심각한 문제는 어류 를 비롯한 다양한 수서생물을 대량폐사시킬 수 있다는 것이 다 (Baden et al. 1990). 자연환경에서의 유영생물은 이러한 저산소 수괴로부터 도피할 수 있으나, 가두리 및 수하식 양 식생물은 자의적 도피가 불가능하므로 저산소 수괴 발생 시 피해가 불가피하다.
급격한 저산소 노출에 따른 다양한 생리학적인 변화가 여 러 어종에서 밝혀져 있다 (Caldwell and Hinshaw 1994; Lays et al. 2009; Sun et al. 2012). 또한 저산소는 혈중 CO2, 글 루코스, hematocrit (Ht), hemoglobin (Hb)의 상승 (Smit and Hattingh 1978)과, 나아가 먹이섭식, 성장, 사료효율의 감소 를 초래한다 (Chabot and Dutil 1999). 저산소는 양식어류에 있어 뇌, 간, 근육의 에너지 대사에 장애 및 스트레스를 유발 함으로써 폐사에 직접적으로 영향을 미친다 (Van Raaij et al. 1994; Lays et al. 2009).
조피볼락 (Sebastes schlegeli)은 성장적수온이 18~24℃로 알려져 있으며, 우리나라 연안에서 월동이 가능하고 성장속 도가 비교적 빨라 중요한 양식대상종 중 하나이며, 또한 본 종의 생태적 특성인 정착성 성질을 이용하여 연안 자원 조 성을 위해 방류되고 있는 어종이다 (Cho et al. 1998). 하지만 조피볼락이 주로 양식되고 있는 남해안은 여름철에 고수온, 저산소수괴 및 적조 등의 환경적인 문제가 빈번히 발생하고 있으며 대량폐사의 원인이 되고 있다.
본 연구의 목적은 조피볼락을 대상으로 저산소 노출에 따 른 스트레스 반응을 조사하여 조피볼락 사육을 위한 생물학 적 기초자료를 제공하고자 하였다.
재료 및 방 법
1.실험어
본 실험에 사용된 조피볼락은 충청남도 태안군에 소재한 가두리 양식장으로부터 구입하여 국립수산과학원 (부산 기 장군)의 1톤 유수식 원형 FRP 수조 2개에 각각 45마리 (평 균 전장 26.9±0.3 cm, 체중 301.1±8.0 g)를 수용한 후 2주 간 적응시켰다. 이 기간 동안 수온, 염분 및 용존산소는 각각 12.5±0.3℃, 34.0±0.1 psu, 7.7±0.2 mg L-1였다. 하루에 2 회 상업용 배합사료를 공급하였고, 실험 24시간 전부터는 절 식하였다.
2.실험 조건
조피볼락의 저산소 노출실험은 12℃와 20℃에서 실시하 였다. 설정 수온은 수온환경조절장치 (Aquatron, Yuwon Co., Korea)를 이용하여 유지하였으며, 실험 전 각각의 수온에서 10일간 적응시켰다. 적응기간 동안 유입수량과 에어레이션을 증가시켜 DO를 포화상태로 유지하였다. 저산소 상태는 수 중에 질소가스 (N2)를 일정하게 주입 (1.5 L min-1)하여 DO를 감소시켜 만들었으며, 그 변화를 수질측정기 (YSI-556NPS, USA)로 모니터링하였다.
3.혈액 채취 및 분석
스트레스 반응 조사를 위한 채혈은 DO 농도가 각 수온에 서 100, 50, 30, 10% 및 폐사 직전 (비정상적인 유영과 자의적 인 유영이 불가능한 상태)에 실시하였으며, 채혈 시기의 DO 농도는 Table 1과 같다. 혈액 샘플링 시 수조로부터 8마리의 실험어를 포획하여 즉시 마취 (tricaine methan sulphonate, MS-222, Sigma, USA; 150 ppm)시킨 후, heparin sodium 처 리된 주사기 (3 mL)를 사용하여 실험어의 미부혈관으로부터 혈액을 채취하였으며, 2반복으로 진행하였다. 혈액의 일부는 Ht 및 Hb을 측정에 사용하였으며, 나머지는 원심분리 (4℃, 10,000 rpm, 15분)하여 혈장을 분리하여 분석전까지 - 80℃ 의 초저온 냉동고에 보관하였다.
Ht는 혈액을 모세유리관에 넣어 원심분리 (10,000 rpm, 10 분)하여 Ht 측정판 (MICRO-HAEMATOCRIT READER, Hawksley Co, UK)으로, Hb은 자동생화학분석기 (Fuji drychem 4000i, Fujifilm Co., Japan)로 측정하였다.
Ht는 혈액을 모세유리관에 넣어 원심분리 (10,000 rpm, 10 분)하여 Ht 측정판 (MICRO-HAEMATOCRIT READER, Hawksley Co, UK)으로, Hb은 자동생화학분석기 (Fuji drychem 4000i, Fujifilm Co., Japan)로 측정하였다.
혈장 코티졸은 cortisol EIA kit (Oxford, USA)를 사용하여 효소면역분석 (enzyme immunoassay, EIA)로 측정하였다. 코 티졸의 분석 시 Inter-assay coefficients of variation (CV) 및 Intra-assay CV는 각각 9.8% 및 4.5%이었다. 혈장의 글루코 스 및 aspartate aminotransferase (AST), alanine aminotransferase (ALT), Na+, K+ 및 Cl-은 자동생화학분석기, 삼투질 농도는 삼투압측정기 (Vapro 5520, WESCOR Co., USA)로 측정하였다.
4.통계분석
실험 결과의 자료값은 평균±표준오차로 나타내었으며, SPSS 통계프로그램 (ver. 18.0)을 사용하여 one way-ANOVA 및 Duncan’s multiple range test로 유의성을 검정하였다 (P<0.05).
결 과
1.폐사 산소 농도
조피볼락의 폐사가 처음으로 발생하기 시작한 DO 농도는 12℃와 20℃에서 각각 0.7 mg L-1, 0.8 mg L-1로 비슷하였으 며, 소요시간은 각각 274분, 148분으로 나타났다 (Fig. 1).
2.코티졸 및 글루코스
코티졸은 12℃에서 DO 농도가 100%일 때 29.4±12.1 ng mL-1이었던 것이, 폐사 직전에 146.3±16.0 ng mL-1로 약 5 배 증가하였다. 20℃에서도 100%일 때 39.5±8.0 ng mL-1 로 나타났으나, 폐사 직전에 93.0±13.3 ng mL-1로 약 2배 증 가하였다 (Fig. 2).
글루코스 수치는 12℃에서 DO 농도가 100%일 때 113.9± 17.6 mg dL-1에서 10%일 때 195.9±27.5 mg dL-1, 폐사 직 전에 309.9±14.6 mg dL-1로 유의하게 증가하였다. 20℃에 서도 100%일 때 93.3±20.4 mg dL-1에서 50%일 때 123.5± 24.2 mg dL-1, 폐사 직전에 259.4±20.9 mg dL-1로 증가하였 다 (Fig. 3).
3.Ht 및 Hb
12℃에서 Ht는 DO의 농도가 100%일 때 30.7±1.0%에 서 30%일 때 35.9±1.1%, 폐사 직전에 44.2±1.0%로 증가 하였다. Hb도 DO 농도 100%일 때 8.4±0.4 g dL-1에서 10% 일 때 9.9±0.4 g dL-1로 유의하게 증가하여 폐사 직전에는 10.8±0.3 g dL-1로 나타났다. 20℃에서도 Ht와 Hb는 DO 농 도가 감소할수록 증가하는 경향을 보였다 (Table 2).
4.AST 및 ALT
12℃에서 AST 수치는 DO의 농도가 100%일 때 10.0± 1.1 U L-1에서 10%와 폐사 직전에 각각 22.3±5.1 U L-1와 26.1±5.5 U L-1로 증가하였다. ALT 수치도 100%일 때 4.3± 0.2 U L-1로 나타났으나, 10%와 폐사 직전에 각각 6.0±0.8 U L-1와 6.4±0.5 U L-1로 증가하였다. 20℃에서 AST 수치 는 DO의 농도가 100%일 때 14.5±3.4 U L-1로 나타났으나 폐사 직전에 8.4±0.9 U L-1로 증가하였으며, ALT 수치도 폐 사 직전에 8.4±0.9 U L-1로 증가하였다 (Table 2).
5.이온 및 삼투질 농도
Na+ 농도는 12℃에서 DO 농도가 100%일 때 164.1±1.2 mmol L-1로 나타났으며, 폐사 직전에 171.7±0.9 mmol L-1 로 폐사 직전에 증가하는 경향을 나타내었다. 20℃에서도 100%일 때 166.0±0.6 mmol L-1로 나타났으나, 12℃와 마 찬가지로 폐사 직전에 증가하는 경향을 나타내었다. K+ 농 도는 12℃에서 DO 농도가 100%일 때 1.3±0.1 mmol L-1 에서 30% 1.6±0.1 mmol L-1로 증가하기 시작하여 폐사 직 전에 1.8±0.1 mmol L-1로 나타났다. 20℃에서는 100%일 때 1.8±0.1 mmol L-1에서 10%와 폐사 직전에 각각 2.3± 0.1 mmol L-1와 2.5±0.1 mmol L-1로 증가하였다. Cl- 농도 는 12℃에서 DO 농도가 100%일 때 145.7±1.6 mmol L-1 에서 30% 151.6±1.7 mmol L-1로 증가하였으며, 20℃에서 는 폐사 직전에 증가하였다. 삼투질 농도는 12℃에서 DO 농 도가 100%일 때 349.4±2.8 mOsm kg-1로 나타났으나 10% 와 폐사 직전에 각각 353.6±2.8 mOsm kg-1과 378.3±1.9 mOsm kg-1로 증가하였다. 20℃에서도 100%일 때 337.8± 3.1 mOsm kg-1로 나타났으나, 10%와 폐사 직전에 증가하였 다 (Table 3).
고 찰
수중에 녹아 있는 DO는 수중동물의 호흡에 필요한 중요 요인으로, 수중동물의 생리·생태학적 조건에 큰 영향을 미 친다 (Do et al. 2014). 또한 DO 농도가 낮은 저산소 조건에서 어체의 생리·생화학적인 적응과 관련된 연구들이 보고된 바도 있다 (Pollock et al. 2007; Min et al. 2013). 이러한 DO 는 포화산소량과 관련하여 수온의 영향을 많이 받고 있으며, 본 연구에서도 12℃와 20℃의 폐사가 발생하기 시작하는 시간이 차이를 나타내었다. 이것은 어체가 스트레스 환경에 서 항상성을 유지하는 데 있어서 수온이 영향을 미치는 것 으로 판단할 수 있다. Saint-Paul (1984)에 의하면 tambaqui Colossoma macropomum을 저산소 조건에서 계절적인 혈액 성상 변화를 조사한 결과, Hb과 적혈구 수가 수온이 높은 시 기에 더 크게 증가했다고 보고하였다. 이것은 높은 수온의 저산소 조건에서 어체가 항상성을 유지하기 위해 더 큰 에 너지를 필요로 하는 것으로 판단할 수 있었다.
어류에서 코티졸은 corticosteroid로 스트레스를 받는 동안 혈장의 코티졸 농도가 뚜렷하게 상승하므로, 주로 스트레스 지표로 이용된다 (Mommsen et al. 1999). 저산소 노출은 스트 레스 요인 중 하나로서 이에 따른 어체의 코티졸 상승은 감 성돔 (Acanthopagrus schlegeli), 대서양대구 (Gadus morhua), spotted wolfish 등의 어종에서 보고되고 있다 (Herbert and Steffensen 2005; Lays et al. 2009; O’Connor et al. 2011; Min et al. 2013). 스트레스에 의해 일어나는 혈중 코티졸의 상승 은 글루코스 신생합성 (gluconeogenesis)을 촉진시켜 글루코 스의 혈중 분비를 증가시키며, 본 연구에서도 동일한 현상이 관찰되었다. 이렇게 증가된 글루코스는 스트레스로 인해 증 가된 에너지 요구를 충족시켜 항상성을 유지할 수 있도록 한 다 (Vijayan et al. 1997). 저산소 스트레스 요인에 의한 글루코 스의 증가는 틸라피아 (Oreochromis niloticus) (Delaney and Klesius 2004), 시베리안 철갑상어 (Acipenser baeri) (Maxime et al. 1995) 등 여러 어종에서 나타나고 있으며, 본 연구에서 도 저산소 노출은 혈장의 글루코스 상승을 유도하였다. 이 와 같은 어체의 혈장 코티졸과 글루코스의 동반상승은 스트 레스의 일차적 지표로 가장 널리 이용되며, 혈액의 Ht, Hb, AST 및 ALT 등은 이차적 지표로서 어체의 건강도 및 생리 활성을 평가하는 데 이용된다 (Davis and Parker 1990). 또한 본 연구에서 12℃에서의 코티졸의 상승폭이 20℃보다 더 높게 나타나는 경향을 보였다. 이 결과는 폐사가 발생하기 시작하는 농도에 도달하기까지의 시간이 12℃가 20℃보다 약 2배 정도 더 소요되어 장시간 스트레스 요인에 노출되었 기 때문으로 판단할 수 있다.
Ht 및 Hb과 같은 혈액학적 인자는 스트레스 반응을 나타 내지만, 생체의 산소소비능력을 나타내기도 한다 (Chang et al. 1999). 본 연구에서 12℃와 20℃의 DO를 감소시키면서 Ht와 Hb의 변화를 관찰한 결과 모두 수치가 증가하는 경향 을 나타내었다. 저산소에 의한 Ht의 증가는 rock perch Scorpaena porcus, sea carp Diplodus annularis, jack mackerel Trachurus mediterraneus (Silkin and Silkaina 2005) 등의 어 류에서 보고된 바 있으며, 본 연구의 결과와도 일치하였다. Ht의 증가는 적혈구수의 증가를 비롯하여 적혈구 팽창, 혈장 감소 또는 이러한 요인들의 조합에 따라 나타난다고 하였다 (Peterson 1990). 또한 Qureshi et al. (1995)에 의하면 저산소 에 노출된 Cyprinion watsoni의 혈중 Hb 수치가 증가했다고 보고된바 있으며, 본 연구의 결과와 일치하였다. 그리고 저 산소에 노출된 어류의 Hb는 산소와의 결합력이 증가한다고 알려져 있다 (Wood and Johansen 1972; Randall 1982; Val et al. 1995). 본 연구에서도 Ht와 Hb은 12℃ 및 20℃의 DO 농 도가 낮아질수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 이와 같은 결과는 저산소의 환경 조건에서 어류가 산소 운반능력을 높 여 체내 항상성을 유지하기 위한 노력으로 판단할 수 있다.
해산어류와 담수어류 모두에서 이온 및 산-염기 조절작용 이 일어나는 주된 기관은 아가미이며 (McDonald et al. 1982), 아가미 조직에서 일어나는 이온교환을 통해 이러한 조절이 가능하다고 보고된바 있다 (Heisler 1986). 어류에 작용하는 스트레스 요인들은 삼투압조절에 혼란을 야기시켜 혈장의 Na+, K+, Cl- 및 삼투질 농도의 변화를 초래한다고 보고된 바 있다 (Nolan et al. 1999; Choi et al. 2007). 어류는 체내에 일정한 염분을 유지함으로써 세포 내외의 이온 경사를 유지 하며, 이러한 이유로 끊임없이 삼투압 조절 작용을 하게 된 다 (Min et al. 2013). 하지만 본 연구에서 12℃와 20℃ 모두 DO가 감소함에 따라 이온 농도 및 삼투질 농도가 증가하는 경향을 나타내었다. 이 결과는 저산소가 스트레스 요인으로 작용하여 조피볼락의 삼투압 조절 능력에 영향을 미친 것으 로 판단할 수 있다.
AST와 ALT는 아민기 전이효소로 척추동물의 간 기능을 나타내는 일반적인 지표가 되며, 어류에서는 수온변화, 저산 소, pH, 암모니아, 중금속에 등에 의한 스트레스 반응을 평가 하는 데 사용되고 있다 (Pan et al. 2003). 본 연구에서도 12℃ 와 20℃ 모두 폐사 직전에 AST와 ALT 수치가 상승하는 결 과를 나타내었다. 이 결과는 저산소에 의한 스트레스 반응으 로 폐사 직전에 간세포의 손상이 나타나 AST와 ALT 수치가 상승한 것으로 판단된다.
저산소는 조피볼락에 스트레스 요인으로 작용하여 스트레 스 지표 호르몬인 코티졸의 상승을 유발하였으며, 2차적 반 응으로 글루코스, Ht, Hb, 이온, 삼투질 농도, AST, ALT의 상 승을 유발한 것으로 판단된다. 또한 높은 수온의 저산소 조 건에서 조피볼락의 폐사가 일어나는 시간 및 DO 농도가 더 빠른 것으로 나타났다.
적 요
12℃에서 DO 농도가 0.7 mg L-1일 때 조피볼락의 폐사가 발생하였으며, 소요시간은 274분이었다. 20℃에서는 DO 농 도가 0.8 mg L-1일 때 조피볼락의 폐사가 발생하였으며, 소 요시간은 148분이었다. DO 농도의 감소는 스트레스 요인으 로 작용하여 12℃와 20℃에서 1차적으로 코티졸 및 글루코 스 농도를 상승시켰다. 또한 Ht, Hb, AST, ALT, 이온 농도, 삼투질 농도도 12℃와 20℃에서 폐사 직전에 증가하는 경 향을 보였다.