서 론
기존 해안에 위치한 양식지와 달리 도심 내에서 이루 어지는 양식을 의미하는 도심형 양식시스템 (urban aquaculture) 은 생산지가 곧 소비지로서 신선도 확보, 물류비 용 절감 등의 장점을 갖고 있지만, 제한된 공간과 높은 건 축비용, 폐기물 처리 등 관리비용을 포함한 높은 생산비 가 해결되어야 할 문제점을 안고 있다. 도심양식에서 사용 된 양식 사육수는 양식생물의 배설물 등이 포함되어 폐수 로 처리해야 함으로 많은 비용이 들어가고, 공간도 제한되 어 넓은 면적을 수반하는 기존 양식방법으로는 생산가능 하지 않다. 이에 도심양식에서는 사육수를 재사용할 수 있 는 시스템과 공간은 다층구조로 설계하여 공간면적을 최 대한 활용함으로써 단위면적당 생산량을 증가시켜 경제 성을 확보하여야 한다 (Ryu et al. 2011;Despommier 2013).
도심양식에서 투자비용과 관리의 용이성을 고려하여 외각양식 (peri-urban aquaculture)이 이루어지기도 하며 영 양분이 풍부한 양식 사육수를 농업에 접목하여 식량을 생 산하는 시스템으로 유지하기도 한다 (Edwards 2003). 또한, 도심양식에서 적은 양의 물을 사용하면서 지속적으로 양 식이 가능하도록 하는 것이 중요한 성공요인이며, 사육수 를 폐수 처리하지 않고 재활용하는 양식기술로는 순환여 과시스템과 바이오플락 시스템이 대표적이다 (Rijn 2013).
바이오플락 양식시스템은 사육수의 교환 없이 증발하 는 수량만큼 물을 보충하면서 바이오플락 미생물을 이용 하여 양식어류에 유해한 질소화합물인 암모니아, 아질산 을 분해하고 비교적 독성이 적은 질산의 농도가 생물에 생 존에 영향을 미치지 않는 범위로 유지하면서 시스템을 운 영한다. 바이오플락 양식은 새우에 접목되어 타가세균과 자가세균의 균형을 이룬 혼합영양 상태에서 간접적으로 바이오플락을 섭취하여 양식생물의 면역력 증가, 성장 촉 진 등의 장점이 있지만 (Kim et al. 2014), 장기간에 걸쳐 사 육수에 제거되지 않고 축적된 질산이 생물에 영향을 미 치기도 한다 (Michael and Morgan 1983;Hargreaves 2006;Crab et al. 2012;Bossier and Ekasari 2017). 한편으로 양식 사육수에 축적되는 질소와 인산 등 (Buhmann et al. 2015) 은 종종 사육수 부영양화를 야기하는 원인이 되며, 양식시 스템에서 이들 성분을 제거하는 한 방법으로 아쿠아포닉 스 시스템을 결합시켜 식물을 재배함으로써 그 농도를 낮 추기도 한다. 아쿠아포닉스 시스템을 활용한 친환경적 질 소화합물 제거는 농업과 수산업이 융합된 대표적 시스템 이며, 친환경 양식생산이라는 점에서 주목을 받고 있고 다 양한 연구가 진행이 되고 있다 (Mamat et al. 2016;Pinho et al. 2017).
바이오플락 양식기술은 양성기간 동안 사육수를 교환 하지 않고 미생물을 이용하여 수질을 안정화하는 기술로 높은 부유물농도 (SS; suspended solid)에도 서식이 가능하 며 바이오플락 덩어리를 섭취할 수 있는 새우에 주로 적용 이 되어 발전이 되어 왔다. 하지만, 어류를 바이오플락으로 양식할 때 새우와는 다르게 바이오플락이 형성되고 부유 물 농도가 높아지면 아가미에 흡착되어 산소소비를 저해 하고 폐사로 이어질 수 있다. 본 연구에서는 부유물 농도 에 비교적 민감하지 않은 담수어류인 메기 (Silurus asotus) 를 대상으로 하여 아쿠아포닉스 시스템을 접목하여 사육 수 내에 축적되는 질산을 사육수 교환 없이 도심에서도 양 식이 가능한가를 파악하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 순환시스템의 구성
어류 도심형 아쿠아포닉스 (aquaponics) 양식시스템은 Fig. 1과 같이 구성하였다. 주요 시스템은 사육수조, 아쿠 아포닉스 배양대, 사육수 순환을 위한 침전조로 구분되 어 있으며 이 시스템들을 유지할 수 있는 부속장비로서 산소 발생기, 배기 장치, 순환 펌프 및 태양광 발전기 등 을 구비하였다. 아쿠아포닉스 배양대는 자동으로 광주기 (LD=12:12)와 온도 (23°C)가 설정되게 설계하였다. 사육 수조는 생물을 관찰할 수 있는 카메라 시스템 (CCTV)과 수질환경이 매 5초마다 수질측정장비 (YSI EXO 2, Yellow Springs Instrument Co., Inc., USA)로 실시간으로 측정되어 컴퓨터에 저장이 되며 설정 범위를 벗어나면 비상경보 및 알림기능이 설정하였다. 아쿠아포닉스 시스템에 공급되는 물은 메기 사육조 (A) 또는 (B)에서 1차 침전을 하는 침전 조 (C)로 이동하고 식물이 성장하는 배양대 (E)로 공급된 후 집수조 (D)로 이동을 하며, 밸브를 열어 C로 이동을 하 고 다시 재배대로 공급되는 소규모 순환시스템으로 운영 이 되다가 질산이 사육수보다 낮은 농도를 유지할 때에 사 육조 (A, B)로 이동을 하는 시스템으로 구성하였다.
2. 메기사육 및 혈액검사
2015년도에는 4월 17일 2.8 g 종자를 양식장으로부터 1,000마리를 이송하여 14.3 kg MT-1의 밀도로 A 수조에 입 식하였으며 사료는 체중의 0.2~1.3%를 성장에 따라 공급 하였다. 성장은 매주 1회 약 30마리를 취하여 총무게를 측 정 후 마리 수로 나누어 평균무게를 계산하였으며 측정 후 에는 동일 수조로 재수용하였다. A 수조의 총 중량이 62 kg (20.8 kg MT-1)이 되는 시점인 67일째 사육밀도를 낮추기 위해 357마리는 기존 수조에 수용하였으며 (A-1), 395마리 를 다른 수조로 (B) 나누어 총 151일간 양성하였다. 생물사 육에 따른 주간 성장률, 생존율, 사료효율 등을 다음과 같 이 측정하였다.
일간성장률 (SGR; specific growth rate, %): [ln (Wn+1)- ln (Wn)]×100/D
사료효율 (FE; feed efficiency, %): (G/F)×100
D : 사육일수, F: 총사료공급량, G: 증중량, Wn: n차 측정 시 어류 총중량, Wn+1: n차 측정 다음 주 어류 총중량
주기적으로 질병감염여부를 확인하였으며 월별로 5마 리씩 혈액을 채취하여 혈액분석기 (Fuji Dri-Chem, 3500i, Japan)로 혈장분석 (AST; aspartate aminotransferase, ALT; alanine aminotransferase, protein, cholesterol, glucose, triglyceride) 을 실시하였다. 통계처리는 SPSS (Statistical Package for Social Science, version 13. software) 통계프로그램 으로 실험구간의 일원분산분석 (one-way ANOVA, Turkey’s honest test (p<0.05))에서 유의성 검증을 실시하였다.
3. 아쿠아포닉스 시스템 운영
어류 양식사육수를 이용한 식물재배 가능성을 파악하 기 위하여 3월 18일부터 8월 12일까지 식물의 씨앗을 트레 이에서 발아시킨 후 아쿠아포닉스 배양대에서 재배하였 다 (Fig. 1E). 동 배양대에서 재배에 활용된 식물은 도심에 서 쉽게 접할 수 있는 품종을 선별하였다. 품종으로는 청 치마상추 (Lactuca sativa), 스위트 바질 (Ocimum basilicum), 적근대 (Beta vulgaris), 참나물 (Pimpinella brachycarpa), 치 마아욱 (Malva verticillata), 적치커리 (Cichorium intybus), 쑥 갓 (Chrysanthemum coronarium)과, 저염바이오플락에 적 용가능성을 보기 위해 아이스플랜트 (Mesembryanthemum crystallinum)를 선택하였다. 식물 성장에 이용된 물은 메 기 사육수조에서 침전조를 거쳐 아쿠아포닉스 배양대로 순환한 후 집수조로 이동하였으며 다시 아쿠아포닉스 배 양대로 순환시켰다. 식물의 성장은 수확 시 총무게와 수량 을 조사하였으며 재배 기간 동안에 아쿠아포닉스로 순환 하는 사육수의 이온 (Mg++, Ca++, Zn++, Fe++, Cu++, PO43-, K+)을 이온분석키트 (Merck, Germany)로, 총용존고형물 (TDS; total dissolved solid) 분석기 (TDS-3, HM digital, USA)로 1주일 간격으로 분석하였다. 사육기간 5개월 동안 에 미량이온이 감소하였을 때에는 시판되는 식물재배 영 양액 (물푸레 1호-A, B, 대유)을 총 2회 0.5 L와 1.0 L를 소 량 추가하였다. 또한, 아쿠아포닉스에서 생산된 상추와 시 판되는 상추, 유기농상추와 비교하여 이온분석을 수행하 였다.
4. 수질환경 측정
수질환경 중 용존 산소 (DO), 수온, 염도, 탁도, pH는 수 질측정기 (YSI EXO 2, Yellow Springs Instrument Co., Inc., USA)로 자동 측정되어 데이터가 컴퓨터에 저장이 되 며 다른 수질 측정 항목인, 부유 고형물 (SS), 암모니아 (NH4+), 아질산염, 질산염, 알칼리도는 매일 분석 키트 (Merck, Germany)로 측정하였다.
결과 및 고찰
1. 메기의 성장
A 수조에 입식된 메기 종자 (2.8 g)는 사육 67일째 64.5 g 로 성장하여 (49.54 MT-1) 밀도를 낮추기 위해 분조하여 B 수조에 25.01 kg을 수용하였으며, A 수조에 다시 27.8 kg을 수용하여 A-1로 표기하였다. 분조 이후 두 수조에서 메기 의 성장은 차이를 보여 151일간의 사육 후 수조 A-1은 마 리당 평균 171.3 g, 총중량 56.53 kg이었고, 수조 B는 평균 235.5 g, 총중량 71.1 kg에 달하였다 (Fig. 2). 주간측정에 의 해 산정된 분조하기 전까지의 일간성장률 (SGR)은 4.8 g으 로 높은 값을 보였으나, 분조 이후 A-1수조는 1.1 g, B 수조 는 1.6 g이었다. 초기 사육수가 안정화되기까지 일부 폐사 하여 생존율은 77.7%를 보였으나 질병에 의한 폐사는 아 니었고, 큰 개체가 작은 개체를 잡아먹거나 실험에 사용된 메기를 폐사로 포함하여 산정하였으며 크기 차이로 인한 먹이섭취 부족이 원인으로 판단되었다. 분조 후 두 실험구 는 생존율의 차이를 보였는데, 같은 수조에서 계속 관리해 온 수조 A-1은 92.9%, 성장에 의해 분조된 수조 B에서는 78.0%의 생존율을 보였다 (Table 1). 이는 이동에 따른 스 트레스 및 물리적 상처에 의한 폐사가 주요인으로 판단되 었다. 사료효율 (FE)은 두 개의 수조로 분조 이전까지 수조 에서는 120.6%, 분조 이후 A-1은 120.1%, B 수조는 123.5% 이었다. 동일한 방법으로 바이오플락 메기 양식을 시도한 2014년 연구결과 150일에 평균체중 8.03 g가 202±27.4 g 로 성장하였으며 분조를 하지 않고 동일한 수조에서 총 273일간의 사육결과 406.4 g±30.8 g (300마리 입식, 생존 율 79%)으로 성장하였다 (저자, 미발표).
2. 혈액분석
월별 메기의 혈액분석결과는 Fig. 3에 나타내었다. 바이 오플락 형성 초기인 4월에 혈중 아스파르트산 아미노산 전이효소 (AST; aspartate aminotransferase)의 농도는 유 의적으로 높게 나타났으며 수질이 안정된 5월 이후는 일 정한 농도를 유지하는 것으로 나타났다. Total protein과 cholesterol, glucose는 7월에 가장 높은 값을 보였고 중성 지방인 triglyceride는 개체 간의 편차가 컸지만 계절별 큰 변화를 보이지 않았다. 간 손상의 지표인 알라닌 아미노산 전이효소 (ALT; alanine aminotransferase)는 평균값 (9.2± 13.9 U L-1)에서는 차이를 보였지만 4월과 8월에 개체에 따라서 변화폭이 커서 통계적으로 유의적인 차이를 보이 지 않았다. 수질환경에서 수온이 가장 높았던 시기는 7월 로 평균 27.0±0.1°C였으나 8월 또한 높은 온도인 26.9± 0.1°C였고, pH가 가장 낮았던 시기는 6월에 4.8, 암모니아 가 가장 높았던 시기는 분조 직전인 사육 66일째 8.0 mg L-1, 아질산염도 사육 10일째 12 mg L-1, 질산염은 전 기간 150 mg L-1 이하를 유지하여 변화하는 수질환경에 의하여 혈액에서의 성분이 영향을 받지는 않았다고 판단되었다.
3. 수질환경 변화
바이오플락 양식은 미생물에 의하여 사육수 내 암모니 아, 아질산이 분해되어 질산으로 축적이 되는 시스템이다. 아쿠아포닉스 시스템은 대부분 생물 사육수조의 수량 대 비 큰 규모의 식물을 재배하여야 수질이 안정화될 수 있 다. 메기 입식 한 달 전 물만들기를 위하여 소독 중화한 물 에 사료를 넣어서 미생물이 발생하게 하였다. 물만들기 기 간에 수온은 23.5~26.8°C, 용존산소는 6.3~7.9 mg L-1, 염 분 0.4~1.0 psu, pH 7.4~8.7, 암모니아 0.1~3.0 mg L-1, 아 질산염 0.1~6.0 mg L-1, 질산염 10~50 mg L-1, 알칼리도는 50~75 mg L-1로 변화하였으며 암모니아는 점차 증가하여 물만들기 10일째 최댓값 3 mg L-1으로 증가하여 3일간 유 지되고 그 후는 점차 감소하여 메기 입식 전에는 0.1 mg L-1에 달하였다. 아질산은 13일째 최댓값 6 mg L-1에 이르 고 14일간 유지된 후 감소하여 1.0 mg L-1로 측정되었다. 사전 물만들기에 사용된 총사료량은 650 g (3.3톤)이었으 며 매일 25 g 씩 26일간 공급하였다. 암모니아와 아질산이 분해된 시점을 1차 물만들기 완료시점으로 하여 메기를 입식하였다. 사육 기간 동안 메기가 성장함에 따라 발생 되는 총부유물농도 (SS)가 점차 증가하여 사육 46일째 70 mL L-1, 사육 95일째 82 mL L-1까지 도달하였으며 자체 제 작한 protein skimmer를 가동시켜 40 mL L-1 이하가 되도록 조절하였다.
메기 입식 후, 본 연구에서는 A 수조에서 증발량만큼 담 수로 보충을 하여 3.3톤 수량을 유지하며 전 사육기간 (160 일) 담수를 총 1.87톤 보충을 하였다. 성장에 따라 분조를 한 B 수조는 총 물량 3.3톤에 사육기간 (88일) 동안에 담수 를 0.997톤 보충을 하였다. 첨가된 당밀은 A (A-1 포함) 수 조의 경우 사육 100일까지 총 1.283 kg이며 그 이후는 전혀 공급하지 않았다. B 수조에 첨가된 당밀은 0.466 kg이었다. 사육기간 동안에 수질의 변화는 Fig. 4와 같다. 생물에 독 성으로 작용하는 암모니아 최대농도는 사육 64일째 8 mg L-1에 달하였으나 당밀을 첨가하여 짧은 기간 안에 암모니 아 산화세균이 활성화됨으로 0.1 mg L-1까지 감소되었으나 수확까지 2회 암모니아의 농도가 재상승하였다. 아질산 의 농도는 사육 7일째 급격히 농도가 증가하여 12 mg L-1 에 달하고 8일간 지속되었으나 감소 이후에는 암모니아와 는 다르게 지속적으로 낮은 값 (0.5 mg L-1 이하)을 유지하 였다. 사육기간이 경과할수록 pH가 낮아져 투입된 중탄산 나트륨은 알칼리도를 상승시켜 수조 내 pH 급변화를 막아 주는 역할을 하는데, A (A-1 포함) 수조는 21 kg이 소비되 었고 B 수조는 11.4 kg이 소비되었다. 메기 사육 기간 중 알 칼리도의 변화는 20~125 mg L-1이었다. 아쿠아포닉스에서 질산이 제거된 후 생물사육조에 재공급되었을 때 질산의 농도가 150 → 125 mg L-1, 150 → 100 mg L-1, 125 → 75 mg L-1로 낮아지는 경향을 보였다.
일반적으로 아질산의 독성 정도는 같은 어종이라도 어 류 연령, 어류 크기, 수온, 용존산소, pH, 음이온과 양이온 의 농도, 노출 시간 등에 따라 다르게 나타난다 (Lewis and Morris 1986). 아질산은 사육수의 pH가 낮아지면 어류 아 가미의 Na+와 Cl- 농도가 감소하고 Na+/K+ ATPase 활성 이 낮아져 아질산염 독성이 강하게 나타나는데, pH가 낮 은 어류 양식장에서는 무기염류의 농도와 관계없이 아질 산 독성이 강하게 나타난다고 보고하고 있다 (Lewis and Morres 1986;Wise and Tomasso 1988). 아질산에 노출된 어류는 전해질 불균형을 유도할 수 있고 (Jensen 2003), 메 기류 (Clarias lazera)는 혈액으로 유입된 아질산이 심장이 나 간 조직의 괴사를 초래하여 혈장 glutamate oxaloacetate transaminase (GOT)와 glutamate pyruvate transaminase (GPT)가 증가할 수 있음을 보고하였다 (Michael et al. 1987;Huang and Chen 2002). 본 연구에서 아질산이 6 mg L-1까지 증가하는 시기가 있었으나 간 손상을 의미하는 AST 농도가 급격히 변하거나 범위를 벗어나지 않고 안정 되게 유지된 것으로 판단된다. Yellow catfish의 아질산에 대한 96 hr-LC50 값은 체중 0.296 g에서는 97.23 NO2-N mg L-1, 3.52 g은 133.61 mg L-1, 32.96 g은 196.05 mg L-1에서 반 수치사를 보여 크기가 클수록 아질산에 감수성이 적었지 만, 같은 종이라도 channel catfish는 strain에 따라서 감수성 차이가 있으며 (Tomasso and Carmichael 1991), nile tilapia 와 fathead minnows는 오히려 성어보다 치어가 아질산에 강하다고 보고하였다 (Atwood et al. 2001). 이처럼 아질산 독성은 실험 조건, 어류 형질 차이 등 많은 요인의 영향을 받기 때문에 어류 크기와 관련해서 논란의 여지가 있지만 (Almendras 1987;Hilmy et al. 1987), 메기는 치어보다 성어 가 되면 아질산에 어느 정도 내성을 갖는 것으로 생각되었 으며 본 연구에서는 치사농도에 이르는 기간이 없어 생존 율에 영향을 미치지 않았다고 판단되었다.
4. 아쿠아포닉스 식물생산 및 수질변화
메기 사육수를 이용한 다양한 식물의 재배 가능성을 파 악하기 위한 실험결과는 Fig. 5에 나타내었다. 총 9종의 식 물의 수량을 달리하여 동시에 실험을 한 결과 종류에 따 라 성장 차이를 보였다. 식물마다의 적정사육조건을 고려 하지 않은 상태에서 월별 수확된 양은 차이를 보였으나 이는 계절에 따른 영향은 아니며 240개의 식물재배 포트 에 수용된 식물의 종류와 수에 의하여 차이를 보였다. 특 히 6월에 낮은 수확량을 보인 이유는 상추 1종, 88포기만 으로 아쿠아포닉스 시스템을 운영한 결과로 상추는 발아 에서 수확까지 28~30일 정도 걸렸으며 수확 시 1포기의 무게는 82~89.2 g 정도이였다. 실내에서 사육함에 따라 잎 이 연하고 빠르게 성장하는 것으로 나타났다. 바질, 적근 대의 경우는 수확 시 1포기당 95.3 g, 601.6 g까지 크게 성 장하였다. 참나물, 아이스플랜트는 잎이 작고 성장이 원활 하지 않아 메기를 사육수를 이용한 재배의 어려움이 있었 다. 아쿠아포닉스 순환수의 수질조사결과를 보면 암모니 아와 아질산이 질산에 비하여 낮은 농도이지만 우선적으 로 감소되었으며 그 이후 질산이 식물에 의하여 감소하는 뚜렷한 경향을 보였다 (Fig. 6). 본 연구에서 집수조와 재배 대의 물의 용량이 약 3톤이었으며 아쿠아포닉스 시스템 의 수량이 감소된 경우, 실험기간 중 총 3회 약 2톤씩 메기 사육수를 주입하여 지속적으로 수량을 유지하였다. 수온 은 17.1~22.9°C 범위였으며 용존산소는 5.61~9.38 mg L-1, 염분은 0.2~1.2 psu, pH는 4.52~7.63이었다. 순환수의 이 온조성은 Table 2와 같다. 영양액의 이온조성은 1호 A용액 이 질소 2%, 칼륨 3.5%, 칼슘 2%, 철 0.05%였고 1호 B용액 은 질소 1.3%, 인산 1.5%, 칼륨 5%, 산화마그네슘 0.7%, 붕 소 0.05%로 권장 희석 배수는 500배이나 본 시스템에서 는 아쿠아포닉스 사육수가 어류로 순환함에 따라 미치는 영향을 최소화하기 위하여 3,000~6,000배로 희석하여 소 량을 사용하였다. 아쿠아포닉스에서 생산된 상추와 일반 시장에서 판매되는 상추 및 유기농상추의 이온성분을 분 석한 결과는 Table 3에 나타내었다. 본 시스템에서 수확된 상추의 Na+ 이온의 함량이 시중에서 판매되는 제품보다 10~15배 높은 함량을 보였다. 이는 pH 변화를 조절하기 위하여 첨가된 중탄산나트륨 (NaHCO3)에 의한 것으로 메기 사육수의 염분이 3 psu까지 증가한 것과 관련이 있는 것으로 판단된다. 휘발성염기태질소 (TVN)은 아쿠아포닉 스에서 생산된 상추에서 가장 낮은 값을 나타내었다.
적 요
도심형 양식시스템을 바이오플락 양식기술과 아쿠아포 닉스 배양대로 구성하여 사육수를 교체하지 않고 메기를 (사육조 3.3톤 2개) 양성한 결과 151일의 사육 후 2.8 g의 종묘가 평균 무게 171.3 g (총중량 56.53 kg)과 235.5 g (총 중량 71.1 kg)로 성장하였다. 입식에서 수확까지의 누적 생 존율은 65% 보였고, 성장 구간별로 입식에서 1차 성장 후 분조 이전까지 77.7%, 분조 이후 생존율은 수조에 따라 차 이를 보여 각각 92.9%와 78.0%로 나타났다. 초기 바이오플 락 사육수가 만들어지는 과정에서 일부 폐사가 발생하였 고, 수질이 안정된 이후에는 폐사가 감소하였다. 메기의 혈 액분석결과 사육초기 BFT 사육수가 안정화 이전인 4월에 간 손상 지표인 AST의 농도가 유의적으로 높은 값을 보 였으며 ALT, triglyceride는 전 사육기간 내에 차이가 없었 다. Glucose, cholesterol, total protein은 7월에 유의적으로 높은 값을 보이고 다른 기간에는 차이가 없었다. 메기 사 육수를 이용한 아쿠아포닉스 가동 시 생산된 식물은 상추, 바질, 적근대, 적치커리 등이 원활한 성장을 보여 5개월간 총 148.85 kg의 식물을 수확하였다. 또한 아쿠아포닉스 시 스템에서 식물재배에 따른 사육수 내의 질산 제거능력과, 질산이 제거된 사육수는 메기 사육수로 재사용이 가능한 것으로 확인되었다. 결론적으로, 본 연구에서는 도심형 양 식시스템으로 물을 교환하지 않고 어류를 양식할 때 사육 수에 축적된 질산을 제거하고 재사용이 가능한가를 아쿠 아포닉스 기술을 결합하여 연구하였으며, 양식생물 (메기) 수용량에 따른 적정 식물량을 유지하면 농수산 복합양식 이 가능하다는 것을 보여주었다.