서 론

김속 (Genus Pyropia)은 홍조식물문의 홍조식물강, 김 파래과에 속하는 분류군으로 현재까지 140여 종이 알려 져 있으며, 열대에서 한대에 이르기까지 널리 분포한다 (Yoshida et al. 1997). 우리나라에는 10여 종이 분포하고 있 으며, 주요 양식종은 참김 (P. tenera), 둥근돌김 (P. suborbiculata), 방사무늬김 (P. yezoensis), 모무늬돌김 (P. seriata), 잇바디돌김 (P. dentata) 등이 있다 (Kang 1970;Hwang and Lee 2001).

우리나라의 2018년 해조류의 양식 생산량은 약 171만 톤이며 김은 전체 생산량의 32% (56만 톤)를 차지하는 대 표적인 양식 해조류이다. 또한 생산금액에 있어서는 전 체 해조류 생산금액 8,400억원의 68.2%인 5,729억원을 차 지하는 경제적으로 매우 중요한 식용해조류이다 (MOF 2019).

우리나라에서 김은 2010년 23.5만톤에서 2018년 56.7만 톤으로 생산량이 약 2.4배 증가하였다. 이와 같은 김 생산 량의 지속적인 증가는 양식기술 (채취기술, 신품종개발) 및 가공기술의 발달과 마른김 생산단지 조성으로 인한 수 요증가, 원료공급을 위한 양식시설의 확대가 주요한 요인 이었다. 생산량 증대를 위한 밀식 및 불법 양식시설은 갯 병 발생률을 증가시켜 김의 품질로 인한 가격하락은 어 업인의 소득을 감소시켰다. 뿐만 아니라 양식장의 물리· 화학적 어장환경 변화에 따른 황백화 발생은 2011년부터 직·간접적으로 김 양식산업에 막대한 피해를 주고 있다 (NFRDI 2015).

황백화 현상은 김이 정상적으로 생장하지 않고 엽체의 색이 탈색되고 활력이 저하되어 김발에서 탈락되는 등 생 산량 감소 및 품질 하락을 일으키는 현상이다 (Amono and Noda 1987;Sakaguchi et al. 2003;Nishikawa and Yamaguchi 2006). 일본에서는 2000년대 초반 발생한 황백화 현상 이 동계 대형 규조류의 대발생, 하천수 유입 감소 및 고염 분 저영양 수괴의 이동 등에 의한 영양염 감소에 의해 발 생하는 것으로 판단하였으며 (Hori et al. 2008;Ishii et al. 2008;Tanda and Harada 2012), 이후 발생한 황백화는 용존 무기영양염 중 질소 성분의 부족에 의한 것이라 밝혀졌다 (Matsuoka et al. 2005;Hori et al. 2008; Tada et al. 2010). 우 리나라의 경우 해수의 용존무기영양염의 결핍이 황백화 를 발생시키며, 질소계열의 결핍이 주요 원인으로 보고되 었다 (Kang and Koh 1977).

이와 같이 김 황백화가 용존무기영얌염의 결핍에 의해 발생하는 것으로 알려져 있으나, 영양성분에 따른 황백화 김 엽체의 회복에 대한 연구는 이루어지지 않았다.

따라서 본 연구는 김의 실내배양을 통해 황백화 유도된 김 엽체의 영양성분에 따른 회복 조건을 파악하여 황백화 발생을 제어할 수 있는 방법을 알아보고자 수행되었다.

재료 및 방법

1. 방사무늬김 실내배양 준비

본 연구에서는 국립수산과학원 해조류연구센터의 유 전자원은행에 보존 배양중인 방사무늬김의 유리사상체 (SRI-수과원104)를 제공받아 사용하였다. 제공받은 유리 사상체는 300 mL의 PES배지 (Provasoli 1968)가 들어있는 플라스크에 넣어, 20°C, 40 μmol photons m^-2 s^-1 및 14 : 10 h L : D (Light : Dark)의 광주기로 조절한 배양기 (EYELA MTI-202B, Japan)에서 배양하여 각포자낭 형성을 유도하 였다. 각포자가 성숙하여 방출되면 종사줄을 넣어 각포자 의 부착을 유도하였다. 부착된 각포자가 발아하여 엽체가 확인되면 종사줄을 PES배지가 들어있는 새로운 플라스크 에 옮겨 엽체 (약 5 cm)가 될 때까지 15°C, 40 μmol photons m^-2 s^-1 및 10 : 14 h L : D 조건에서 배양하였다.

2. 황백화 유도 및 회복

김 엽체의 황백화 유도는 영양성분이 제거 (N, P-free)된 저영양해수 (Low nutrient seawater, OSIL, 1 μM 이하)를 이 용하였으며, 15°C의 40 μmol photons m^-2 s^-1 광량과 10 : 14 h L : D 조건의 배양기에서 500 mL 플라스크에 김 엽체를 넣어 10일간 배양하였다 (Lee et al. 2018).

황백화가 유도된 김 엽체의 회복 실험을 위해 용존무기 질소 (DIN) 성분은 질산염 (NO₃^-)을 사용하였으며, 용존 무기인 (DIP) 성분은 인산염 (PO₄^3-)을 사용하였다. 배양기 간 동안 영양성분의 부족을 고려하여 질산염 농도는 300 μM, 인산염 농도는 30 μM의 영양강화해수를 조제하여 사 용하였다 (Pereira et al. 2008). 조제된 영양강화해수에 황백 화가 유도된 김 엽체를 넣어 황백화 유도와 동일한 배양조 건에서 14일간 배양하였다. 김 엽체의 회복 정도는 2일 간 격으로 김 엽체의 색택과 광합성 효율을 측정하였으며, 세 포 구조를 관찰하였다.

3. 황백화 진단

1) 광합성 효율 측정

김 엽체의 광합성 효율 측정은 광합성 측정장치 (Mini- PAM, Waltz, Germany)를 이용하여 최적 양자수율 (Optimum quantum yield)을 측정하고 배양기간에 따라 비교하 였다. 양자수율의 변화는 2개 반복구를 두어 측정하였다.

2) 색도측정

김 엽체의 황백화 회복을 확인하기 위해 색차계 (CR- 300 Colorimeter, Konica Minolta, Japan)를 이용하여 색도 를 측정하였다. 색도 측정시 엽체를 대지에 펼친 후 상부, 중부와 하부로 구분하여 각 엽체별 3회씩 측정하였으며, 시간에 따른 변화는 2일 간격으로 비교하였다. 김 엽체의 색도는 CIE system에 따라 명도지수 (Lightness; L), 적색지 수 (Redness; a), 황색지수 (Yellowness; b)로 수치화 하였다. 수치화된 각 지수는 Munsell Color Chart (ASM Standard D 1535-96, 1980)에 위치하여 표현하였다.

3) 세포구조 관찰

황백화 유도 및 회복기간 동안 김 엽체의 세포 구조는 광학현미경 (BX73, Olympus, Japan)이용하여 세포구조 관 찰 및 영상자료 (DP73, Olympus, Japan)를 확보하였다.

결과 및 고찰

황백화가 발생한 김 양식장의 김과 김발은 색이 검붉 은색에서 황색 또는 황녹색으로 퇴색되며, 세포내의 액 포비대와 세포간극이 확대되는 특징을 보인다 (Ueki et al. 2010). 김 엽체의 색택 변화는 붉은색 계통 색소 (피코시 아닌과 피코에스린)의 감소가 원인이며 (Amano and Node 1987;Sakaguchi et al. 2003), 이들 색소의 감소는 무기영양 분 (질소, 인, 철)의 결핍에 의해 발생한다 (Ueki et al. 2010). 빈영양 해수에서 황백화 유도를 위해 12일간 배양한 김 엽 체의 광합성 효율은 0.56 Fv/Fm에서 0.40 Fv/Fm까지 감소 하였다 (Fig. 1). 일반해수에서 배양한 대조구 김 엽체의 광 합성 효율은 0.55~0.57 Fv/Fm 범위로 나타났다. 영양성분 에 따른 황백화 김 엽체의 회복 실험에서 NO₃^- (300 μM) 를 공급한 조건에서는 2일 후부터 광합성 효율이 증가하 였으며, PO₄^3- (30 μM)를 공급한 조건에서는 5일 후부터 광합성 효율이 증가하였다 (Fig. 2). 황백화된 김 엽체의 회 복 실험에서 광합성 효율은 인산염 (PO₄^3-) 조건보다 질산 염 (NO₃^-) 조건에서 빠르게 회복되는 것으로 나타났다. 이 러한 결과에서 무기영양분의 결핍은 김의 광합성 보조색 소 합성을 저하시켜 광합성 효율에 영향을 주는 것으로 판 단되었다.

황백화로 인한 김 엽체의 색택 변화는 색차계 값으로 빠 르게 판단할 수 있으며, 색차계의 적색지수 값이 2.6 이하 와 황색지수 값이 15.0 이상일 때 황백화 김 엽체로 판단하 였다 (Lee et al. 2018). 본 연구에서는 질산염 (NO₃^-)를 공 급한 조건 (300 μM)에서 적색지수 (a) 값은 - 5.1에서 0.9 로 증가하였으며, 황색지수 (b) 값은 14.3에서 9.1로 감소 하였다 (Table 1, Fig. 3). 인산염 (PO₄^3-)을 공급한 조건 (30 μM)에서는 적색지수 (a) 값은 - 4.6에서 - 2.2로 증가하였 으며, 황색지수 (b) 값은 12.9에서 10.6로 감소하였다 (Table 1, Fig. 4). 또한 색차계로 측정한 적색지수와 황색지수는 황백화된 김 엽체의 회복을 판단하는 유의한 값으로 판단 되었다. 질산염 (NO₃^-)를 공급한 조건 (300 μM)에서 명도 (L), 적색지수 (a)와 황색지수 (b)는 시간에 따른 황백화 회 복 정도를 유의하게 판단하였다 (Table 1). 인산염 (PO₄^3-) 을 공급한 조건 (30 μM)에서는 명도 (L)와 적색지수 (a)는 시간에 따른 황백화 회복정도를 판단하는데 유의하였으 나, 황색지수 (b)는 유의한 차이를 보이지 않았다 (Table 1). 색차계의 수치화 된 값들은 무기영양분의 공급에 따른 황 백화 김 엽체의 회복을 판단하는데 유용하였다 (Lee et al. 2018).

황백화된 김 엽체는 색소함량 감소, 엽록체 축소, 세포 내 액포 증대와 세포간극 확대의 증상을 나타내는 것으로 알려져 있다 (Ueki et al. 2010;Lee et al. 2018). 본 연구에서 는 황백화 유도시 나타난 대표적인 황백화 증상 (액포 비 대, 색택 변화)이 무기영양분 공급에 따라 정상적으로 회 복하는지를 확인하였다. 김 엽체의 색택은 질산염 (NO₃^-) 를 공급한 조건 (300 μM)에서 2일 경과 후부터 색택 회복 이 나타났으며, 인산염 (PO₄^3-)을 공급한 조건 (30 μM)에서 는 5일 경과 후부터 색택 회복이 관찰되었다 (Fig. 5). 세포 의 구조는 질산염 (NO₃^-)를 공급한 조건 (300 μM)에서 2 일 경과 후부터 액포 비대가 감소하고 엽록체 증가가 나타 났으며 (Fig. 6), 인산염 (PO₄^3-)을 공급한 조건 (30 μM)에서 는 5일 경과 후부터 엽록체 증가가 관찰되었다 (Fig. 7). 황 백화된 김 엽체의 색택과 세포 구조는 무기영양분을 공급 후 배양시간이 경과할수록 정상 김 엽체로 회복되었으며, 인산염 (PO₄^3-)보다 질산염 (NO₃^-)을 공급한 조건에서 빠 르게 나타났다.

실내실험 결과 황백화 김은 무기영양분이 지속적으로 공급될 경우 영양성분에 따라 차이는 있지만 정상 김 엽체 로 회복되었다. 이러한 결과는 김 양식장의 무기영양염 농 도에 따른 황백화 발생 예보와 영양염 공급을 통한 황백화 예방에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

적 요

빈영양해수에서 배양하여 황백화를 유도한 김 엽체는 NO₃^- (300 μM)와 PO₄^3- (30 μM)를 공급하여 시간의 경과 에 따른 회복 정도를 분석하였다. NO₃^- 공급 조건에서는 배양 2일 후부터 김 엽체의 회복이 나타났으며, PO₄^3- 공 급 조건에서는 배양 5일 후부터 김 엽체의 회복이 관찰되 었다. 색차계의 수치화 된 값들은 황백화 김 엽체의 회복 을 판단하는데 유용하였다. 황백화 김은 무기영양분의 공 급으로 비대한 액포가 축소되고, 색택이 회복되는 것으로 나타났다.