서 론

쏨뱅이목 양볼락류 (Scorpaenidae) 어류는 자원학적뿐 만 아니라 경제적으로 가치가 높아 양식산업에 이용하기 위한 다양한 연구가 진행되었다 (Lee et al. 2013;Mizanur et al. 2014). 국내에서는 볼락류 어류를 대상으로 한 다양 한 연구결과가 보고되었는데, 최근에 수행된 연구로는 조 피볼락을 대상으로 수온과 저산소에 따른 호흡대사 및 혈 액성상 변화 연구, 수온과 염분 노출에 따른 생존, 대사 및 조직학적 변화 연구 등이 있으며, 볼락의 경우 수온과 광 주기에 따른 치어의 산소소비율 및 행동 분석 등의 연구가 주로 수행되었다 (Oh and Noh 2006;Heo et al. 2016;Yang et al. 2016, 2017;Kim 2021a).

이 중 국내에서 ‘열기’라고 부르는 불볼락 (Sebastes thompsoni) 은 수요자의 선호도가 높은 종으로 구분하여 양식산 업화를 위한 다양한 연구가 시도된 바 있다. 현재까지 진 행된 불볼락 관련 연구는 현장에서 채집된 성어를 대상 으로 한 생식주기, 먹이선호도, 생식생태, 연령 및 성장, 성 숙과 산란 특성 등의 연구결과가 보고되었으며 (Lee et al. 1998;Huh et al. 2008;Baeck et al. 2010), 자치어를 대상으 로 초기 먹이생물 및 생활사와 관련된 기초 연구가 수행된 바 있다 (Nagasawa and Kobayashi 1995;Kotita and Omori 1998, 1999;Kim et al. 2017). 한편 불볼락은 수심 70~50 m 의 암반 저층에 서식하는 정착성 어류로써 어획 후 표층으 로 올라오는 과정에서 부레에 손상을 주어 현장에서는 생 존한 상태로 채집하기 어렵기 때문에 종의 생태 및 생리적 특성이 명확하게 규명되지 않은 상황이다. 일반적으로 불 볼락은 15°C 이하 수온에서 주로 서식하며, 저 수온기인 1 월부터 4월에 채집되는 것으로 알려져 있으나 종에 대한 생태-생리활성에 영향을 미치는 고 수온의 한계점에 대해 서는 거의 보고된 바 없다 (Yang et al. 2016). 특히 본 종은 경제적 가치를 인정받고 있으나 자연에서 채집된 개체를 가두리와 같은 인위적인 환경에서 사육할 때 생태·생리 활동에 영향을 미치는 임계수온 및 아치사 반응을 규명하 기 위한 연구는 수행된 바 없다.

환경변화에 따른 생물의 스트레스 반응은 기존의 생태 독성평가 방법과 대상생물의 행동관찰을 통해 수집된 영 상자료를 수집하여 분석하는 기법이 사용되고 있다. 특히 행동분석은 생물의 움직임을 실시간 연속적으로 관찰하 는 방법이 고안됨에 따라 장기간 동안 행동패턴 자료를 수 집하고 저장함으로써 생물의 스트레스 반응, 내성한계 및 아치사 반응까지 연속적으로 분석 가능한 수단으로 사용 되어 왔다 (Kim 2021b;Yoon 2021a).

이에 본 연구는 자연에서 채집한 불볼락을 대상으로 고 수온 노출에 따른 생물의 행동반응 및 내성한계 (tolerance limit)를 규명하기 위하여 연속적으로 행동관찰이 가능한 추적시스템을 사용하여 노출 수온구간별 행동패턴의 변 화, 임계 수온범위 및 아치사 행동반응을 분석하였다.

재료 및 방법

1. 실험생물 유지 및 관리

본 연구에 사용된 불볼락은 울릉도 연안 수심 70 m 부근 에서 어민들이 채집한 200개체 (18.3±2.4 cm, 102.3±50.9 gWWt) 가량을 구입하여 실험실 내 2톤 수조로 옮기고, 수 온 14.0±1.0°C, 염분 32.0±0.5 psu, pH 7.9±0.1 및 90.0% 이상 산소포화농도 환경에서 실험 전까지 유지하였다. 실 험생물 유지기간 동안 먹이는 상업용 EP 사료 (Otohime S1 Herame, Japan)를 1일 1회 공급하였으며, 조도는 실험 실 환경 (≒ 3,000 Lux), 광주기는 12시간 조명과 12시간 무 조명 (12 h Lightness : 12 h Darkness)을 유지하였다. 사육용 수는 1.0 μm 필터를 사용하여 지수식 (200 L min^-1)으로 수 조에 공급하였다.

2. 실험생물의 행동반응 모니터링

실험생물의 행동관찰은 실험수조 내에서 생물이 유 영한 거리 (swimming distance), 유영속도 (swimming velocity), 프랙탈 차원 (fractal dimension) 값을 변수로 하 여 각각의 변수마다 측정구간을 나누어 점수를 매긴 후 최종적으로 3개의 변수가 조합된 하나의 행동지수 (BI, behavioral index)를 산출하였다 (Yoon 2021a). 실험생물의 행동관찰은 4개의 구획으로 구분된 60 L 투명 아크릴 수조 하부에 백색 LED (light emitting diode, 3,000 Lux)를 설치 하고, 상부에 웹 카메라를 설치하여 각각의 분할영역에서 움직이는 개체의 행동패턴을 연속적으로 추적하였다 (Fig. 1). 본 연구에 사용된 연속 행동 모니터링 시스템은 자체 개발한 장치 (continuous behavior monitoring system)를 사 용하였으며, 장치의 원리 및 상세한 내용은 기 수행된 연 구에 자세히 설명되어 있다 (Yoon 2021b).

실험생물은 handling에 의한 생물의 초기 스트레스 반 응을 최소화하기 위해 실험생물을 수조에 입식한 후 12시 간 이상 적응기간을 거친 후 실험을 수행하였다. 불볼락의 행동변화는 첫 번째, 안정된 상태 (수온 15.0±1.0°C, 염분 32.0±0.5 psu)에서 120시간가량 생물의 행동패턴을 관찰 하였다 (normal condition). 두 번째, 수온 노출에 따른 실험 생물의 행동반응은 실험초기 15.0±1.0°C 수온에서 48시 간 동안 생물의 행동변수를 측정한 후 (대조수온) 48시간 마다 점진적으로 5°C씩 최대 30.0±1.0°C 범위까지 상승 시켰다 (ΔT=5°C·48h^-1). 실험용수는 1.0 μm 필터를 사용 하여 순환식 (200 L min^-1)으로 행동관찰수조에 공급하였 다. 실험용수의 염분은 사육용수와 비슷하게 염분 32.0± 0.5 psu, pH 7.9±0.1 및 산소포화농도는 90.0% 이상을 유지 하였으며, 3회 반복 실험하였다 (Table 1). 실험생물의 행동 은 행동추적프로그램을 이용하여 실시간으로 추적하였으 며, 생물의 3가지 행동변수와 BI는 텍스트 파일의 형태로 메인컴퓨터에 저장하여 차후 행동 분석을 위한 자료로 활 용하였다.

3. 자료분석

실험생물의 행동분석은 KaleidaGraph 프로그램 (Kaleida Graph 4.5, Synergy Software, Germany)을 이용하여 2% weight smooth curve를 통해 측정값의 변동 추이를 분석하 였다. BI의 주요 변동패턴 분석은 데이터 중심을 통해 가 장 적합한 부드러운 곡선을 그릴 수 있는 가중 최소-제곱 오차방법 (weighted least-squares error method)을 사용하 여 최적곡선으로 나타내었다 (Kim et al. 2006). 측정된 데 이터 값으로부터 각각의 노출 염분별 통계 값을 산출하였 으며, 통계 값은 평균±표준편차 (mean±SD)를 계산하여 그래프로 나타내었다. 실험생물의 스트레스 반응 여부는 SPSS statistics version 18.0 (SPSS Inc., USA)의 일원분산분 석 (One-way ANOVA)을 통해 대조구에서 측정한 BI 값과 노출 수온별로 수집된 BI 자료를 비교하여 유의성을 검증 하였으며, 유의수준은 p<0.05로 설정하였다.

결 과

1. 안정된 상태에서 불볼락의 행동반응

일정한 수온 (15.0±1.0°C)과 염분 (32.0±0.5 psu)을 유 지시키며 120시간 동안 관찰한 실험생물 (17.1±0.5 cm, 79.2±12.0 gWWt)의 행동변수 (유영거리, 속도 및 프랙탈 차원값) 및 BI는 일정한 간격으로 정점 (peak)을 보이면서 증감의 진폭변화를 반복하였다 (Fig. 2). 불볼락의 행동변 수를 2% weighted smooth curve를 통해 분석한 결과, 대부 분의 변수는 시간이 경과함에 따라 소폭 증가하는 경향을 보였으나 96시간 이후 다시 안정된 행동패턴이 관찰되었 다.

2. 수온 노출구간별 불볼락의 행동반응

본 연구에서 수온 상승에 따른 노출구간별 불복락의 행 동반응은 3회 실험 모두 유사한 패턴을 보였으며, 이때 측 정된 연속적인 유영거리, 속도 및 프랙탈 차원값 역시 유 사한 변동 패턴을 보였다. 대조수온 (15.0±1.0°C)에서 48 시간 동안 실험수조에서 불볼락을 안정시킨 후 20.0°C로 수온을 상승시킨 결과, 수온이 상승하는 10시간 동안 생 물의 활동량은 일시적으로 증가하였으며, BI는 역시 유사 한 패턴을 보였다 (Fig. 3). 그러나 생물의 활동량이 일시적 으로 증가하였으나 20.0°C 구간과 25.0°C까지 수온을 상 승시킨 초기 60~70시간 동안 수조 내부에서 뚜렷한 행동 의 변화 없이 일정한 속도로 안정된 유영 패턴을 보였다. 한편, 25.0°C 수온에 노출된 불볼락은 노출 20시간 경과 후 활동량이 급격하게 저하되어 일시적으로 수조 바닥에 머무르는 행동을 보였다. 또한 수온을 30.0°C까지 상승시 킨 경우 생물은 수조 바닥에 정지하는 시간이 증가하였으 며, 활동성 지연, 정지행동 등과 같은 정상적인 유영 및 대 사활동이 교란되었다. 25.0°C에서 30.0°C 수온구간에 노 출된 불볼락은 수온이 상승하는 7~13시간 동안 사망하는 개체가 관찰되었으며, 30.0°C에 노출된 후 10~20시간 이 내에 실험생물의 사망률은 100.0%에 도달하였다 (Fig. 3).

3. 수온구간별 불볼락의 행동지수 변화

수온구간별 불볼락의 평균 행동지수의 변화를 분석한 결과 안정된 상태에서 측정한 불볼락의 행동지수는 20.0, 25.0, 30.0°C 노출구간과 뚜렷한 차이를 보였다 (p<0.05). 대조수온에서 48시간가량 불볼락 (18.3±2.4 cm, 102.3± 50.9 gWWt)의 BI를 측정한 후 160시간 동안 점차적으로 수온을 상승시킨 결과, 160시간가량 실험한 20°C로 수온 을 상승시킨 경우 BI는 42.4% 증가하였으며, 25.0°C구간에 서는 13.5%로 다소 감소하였다. 수온을 30.0°C까지 상승 시킨 결과 실험생물의 BI는 63.6%까지 급격하게 감소하였 다 (Fig. 4A). 168.1시간 실험에서 실험생물 4개체 (19.5± 2.4 cm, 126.2±79.2 gWWt)의 BI는 20.0~25.0°C 수온구간 에서 대조수온보다 28.2% 증가하였으며, 25.0~30.0°C 구 간에서는 33.2%, 30.0°C보다 높은 수온에서는 15.8% 감소 하였다 (Fig. 4B). 161시간 동안 점진적으로 수온을 상승시 킨 경우 20.0°C부터 25.0°C 범위와 25.0~30.0°C 수온구간 에서 불볼락 (19.5±4.0 cm, 127.93±83.1 gWWt)의 BI는 대 조수온보다 각각 53.0%와 30.3% 증가한 반면 30.0°C보다 높은 수온에서는 85.4%로 급격히 감소하였다 (Fig. 4C).

고 찰

일반적으로 실험수조에 입식된 어류는 활동량이나 호 흡률이 높아진 후 안정화되는 과정을 거치게 되는데, 이 는 운반 및 수조에 입식하는 handling에 의한 생물의 일 시적인 스트레스 반응의 결과로 해석되었다 (Waring et al. 1996;Yoon et al. 2003). 이를 해결하기 위한 방법으로 실험 수조에 입식한 어류는 12시간가량의 적응기간을 거친 후 생물이 안정된 상태에서 실험을 시작할 것을 제안하고 있 다 (Yoon 2021a). 본 연구에서 불볼락은 수조에 입식한 후 일정한 수온과 염분 환경에서 12시간 이상 안정화시킨 후 행동패턴을 관찰하였다. 실험 종료 후 측정된 행동지수 자 료를 2% weighted smooth curve를 통해 분석한 결과, 유영 거리, 유영속도 및 프랙탈 차원값 등 3개의 행동변수와 BI 는 주기적으로 정점 (peak)에 도달한 후 증감을 반복하였 으며, 시간이 경과함에 따라 소폭 증가하는 경향을 보인 후 안정된 유영 패턴을 보였다.

본 연구에서 대조수온 (15.0°C)을 20.0°C로 상승시킨 결 과, BI는 노출 초기 10시간 동안 일시적으로 증가하였으 나 60~70시간 동안 뚜렷한 행동의 변화 없이 일정한 속도 로 안정된 유영 패턴을 보였다. 그러나 25.0°C 수온에 노 출된 불볼락의 활동량은 20시간 후 급격하게 저하되어 일 시적으로 수조 바닥에 머무르는 행동을 보였으며, 30.0°C 까지 수온구간에서는 수조 바닥에 정지하는 시간이 증가 하였으며, 활동성 지연, 정지행동 등과 같은 정상적인 유영 및 대사활동이 교란되었다. 고 수온 환경에 노출된 불볼락 의 행동은 저 수온에 노출된 경우와 유사한 경향을 보였 다. 10.0°C 이하 수온에 노출된 참돔 치어는 무기력한 유영 활동과 바닥에 머무르는 행동을 보였으며, 운동기능 장애, 평형 조절 부족, 신경기능 및 고유의 내인성 리듬의 교란 으로 인해 내성능력이 저하되는 것으로 보고되었다 (Sala- Rabanal et al. 2003;Ibarz et al. 2010;Yoon 2021a). 본 연구 에서 고 수온에 대한 실험생물의 스트레스 반응은 노출 강 도나 시간에 따라 다소 차이를 보였으나 30.0°C 이상의 고 수온환경에서는 외부의 자극에 대한 반응이 감소하며, 움 직임이 둔해져 활동성이 감소하는 경향을 보였으며 심한 경우에는 방향성을 잃어버리고 일시적인 근육 경련을 일 으키는 행동을 보였다 (Lutterschmidt and Hutchison 1997;Wiles et al. 2020). 이는 임계수온에 도달한 생물은 더 이상 체내 에너지 대사활성의 저하로 인해 생태-생리적 교란작 용을 일으키며, 노출시간이 지속됨에 따라 아치사 상태에 도달할 것으로 판단된다.

한편, 25.0°C에서 30.0°C 수온구간에 노출된 불볼락은 고 수온 노출 후 7~13시간 동안 사망하는 개체가 관찰되 었으며, 30.0°C 수온구간에서는 10~20시간 이내에 실험생 물의 모든 개체가 사망하였다. 불볼락과 같이 냉수성 어종 으로 분류되는 조피볼락 (Sebastes schlegeli)은 성장 최적 수 온이 15.0~20.0°C 범위로 알려져 있는데, 본 종은 수온을 25.0°C보다 높게 상승시킨 경우 생리기능이 저하되는 것 으로 보고되었으며, 15.0°C에서 하루에 1°C씩 수온을 상 승시키면서 측정한 조피볼락의 호흡대사율은 27.0°C에 서 급격하게 상승하는 것으로 나타났다 (Choi et al. 2009;Do et al. 2016). 또한 점진적으로 산소포화도를 감소시 키면서 호흡대사율과 혈액 성상 변화를 측정한 결과, 호 흡률과 혈장 cortisol, 전해질 (Na⁺, K⁺, Cl^-) 및 삼투질 농 도는 25.0°C에서 최대값을 보였으며, 모든 수온에서 대 조구에 비하여 유의하게 높았다 (Kim 2021a). 조피볼락 을 24°C에서 순치시킨 후 12시간마다 1°C씩 수온을 상 승시켜 산소소비율을 측정한 결과 최대임계수온 (CTM) 은 29.4~30.9°C 범위에 존재하며, 임계최고수온 이상에서 는 산소소비율이 급격하게 상승한 후 치사에 도달하는 것 으로 보고되었다 (Kim et al. 2003). 이와 같은 결과는 본 연 구에서도 유사한 경향을 보였는데, 대조수온에서 점차적 으로 수온을 상승시킨 결과, 20.0°C로 수온을 상승시킨 경우 BI는 28.2~53.0% 증가하였으며, 25.0°C 구간에서는 13.5~33.2%로 다소 감소하였다. 수온을 30.0°C까지 상승 시킨 결과 실험생물의 BI는 15.8~85.4% 범위로 급격하게 감소하여 모든 개체가 사망하였다.

본 연구에서 수온구간별 불볼락의 행동지수는 15.0°C의 수온과 비교할 때 20.0, 25.0, 30.0°C 노출구간과 뚜렷한 차 이를 보였다 (p<0.05). 특히 25.0°C보다 높은 수온에 노출 된 개체들은 고 수온 노출에 따른 행동패턴의 교란으로 인 해 활동량이 급속히 증가하였으며, 수온이 30.0°C보다 높 게 상승하면 움직임이 둔화되거나 시간이 지남에 따라 사 망하는 개체가 증가하였다. 국내에 서식하는 대부분의 볼 락류 어류는 연안 정착성 어종으로써 활동성이 적고 주로 저층에 서식하는 생태특성을 보이는 종으로 구분된다. 수 온에 대한 볼락의 행동 분석 결과, 볼락은 수온의 증감에 따라 다소 차이를 보였으나 15.0~20.0°C 수온범위에서 활 동성이 높은 것으로 관찰되어 볼락의 적정 서식수온과 연 관성이 있는 것으로 보고되었다 (Heo et al. 2016). 또한, 볼 락류 어류는 여름철 급격한 수온 상승이 체내의 생리조건 을 변화시키거나 성장과 생존을 좌우하는 직접적인 스트 레스로 작용할 수 있다 (Horning and Pearson 1973). 수온 의 임계치를 벗어난 대부분의 어류는 복강과 간, 비장, 신 장에 산패지방 침착이 발생하여 질병에 대한 감염성을 높 여 영양성 스트레스로 성장률 감소가 유발될 수 있으며, 체내 산화 스트레스를 유발시키는 동시에 면역기능을 저 해시키는 것으로 보고되었다 (Choi et al. 2009;Shin et al. 2010). 벤자리 (Parapristipoma trilineatum)의 면역활성 및 혈액생리학적 변화를 조사한 결과, 본 종은 25.0°C보다 높 은 고 수온 환경에서 lysozyme 활성 감소, AST (aspartate aminotransferase) 및 ALT (aspartate aminotransferase) 증가 현상이 나타났으며, 수온이 상승함에 따라 에너지 소모 증 가로 인해 체중 및 이온 농도가 감소하는 것으로 보고되었 다 (Kim et al. 2018). 따라서, 본 연구에서 25.0°C 이상의 수 온에서 관찰된 불볼락의 행동패턴은 고 수온 노출에 따른 체내 스트레스의 증가로 인해 생리활성이 교란되며, 노출 시간이 증가할수록 수온에 대한 내성한계에 도달하는 것 으로 해석할 수 있다. 또한, 수온이 30.0°C보다 높게 상승 하면서 실험생물은 임계수온에 도달하여 아치사 반응을 보이면서 유영행동이 둔화되며 체내 에너지 소비량이 증 가하여 결국 사망에 이르는 것으로 판단할 수 있다.

결론적으로 수온에 대한 불볼락의 생태-생리 반응은 노 출 수온의 변동폭과 노출 시간에 따라 큰 차이를 보이는 것으로 해석되는데, 고 수온에 대한 본 종의 내성한계는 25.0~30.0°C 수온으로 판단되며, 아치사 반응을 유발하여 불볼락의 생존에 큰 영향을 미치는 수온은 30.0°C 부근의 수온에 존재하는 것으로 파악된다. 이와 같은 결과는 가두 리 양식장과 같은 폐쇄된 환경에서 사육되는 어류의 여름 철 폐사원인을 예측하고 치사율을 감소시킴으로써 양식 생물의 생산량 증가에 기여할 수 있는 자료로써 활용 가치 가 높은 것으로 판단된다.

적 요

본 연구는 자연에서 채집한 불볼락 (Sebastes thompsoni) 을 대상으로 고 수온 노출에 따른 생물의 행동반응 및 내 성 한계 (tolerance limit)를 규명하기 위하여 연속적으로 행 동관찰이 가능한 추적시스템을 사용하여 노출 수온구간 별 행동패턴의 변화, 임계 수온범위 및 아치사 행동반응을 분석하였다. 실험 결과, 대조수온 (15.0°C)을 20.0°C로 높 였을 때, BI (behavioral index)는 노출 초기 10시간 동안 일 시적으로 증가하였으나 60~70시간 동안 뚜렷한 행동의 변화 없이 일정한 속도로 안정된 유영 패턴을 보였다. 그 러나, 25°C에서는 활동량의 급격한 저하, 30°C에서는 활 동성 지연과 정지행동 등과 같은 비정상적 유영 및 대사활 동 교란이 확인되었으며, 온도의 상승에 따라 개체의 사망 률이 높아지는 경향을 보였다. 이러한 결과는, 불볼락의 수 온에 대한 내성한계는 25.0~30.0°C이며 생존에 큰 영향을 미치는 수온은 30.0°C 부근임을 나타낸다. 본 연구의 결과 가 효과적인 불볼락의 양식을 위한 환경 조건 설정에 도움 을 줄 것으로 기대한다.