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문제 정의
- 국내에서 아직까지 Chattonella 속의 적조발생에 의한 수산 피해는 없지만, 앞으로 본 종들에 의한 적조발생 및 양식어류에 대한 수산피해 가능성은 매우 크다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 남해연안에서 분리한 C. marina와 C. ovata의 영양염류에 대한 성장 동력학적 특성을 파악하여, 우리나라 연안해역에서 이들의 적조발생 메커니즘을 이해하는 기초자료로 제공하고자 한다.
제안 방법
- C. marina와 C. ovata를 수온 25℃, 염분 30 psu 그리고 광량 130-150 μmol photons/㎡/s의 조건에서 세포밀도를 약 13-18×103 cells/mL까지 증식시킨 후, 희석을 통하여 여러 단계의 세포밀도를 조제하고, 이를 형광광도계 (Model 10-AU, Turner Designs, USA)로 in vivo chlorophyll 형광값을 측정하였다.
- ovata를 수온 25℃, 염분 30 psu 그리고 광량 130-150 μmol photons/㎡/s의 조건에서 세포밀도를 약 13-18×103 cells/mL까지 증식시킨 후, 희석을 통하여 여러 단계의 세포밀도를 조제하고, 이를 형광광도계 (Model 10-AU, Turner Designs, USA)로 in vivo chlorophyll 형광값을 측정하였다. 또한 현미경 검경을 통해 각 단계의 형광값에 대한 세포밀도를 파악하였다. 대상종의 in vivo chlorophyll 형광값과 세포밀도 사이에 Fig.
- 유지배양시 온도와 염분 및 광 조건은 25℃, 30 psu, 그리고 130 μmol photons/㎡/s (12L:12D; cool-white fluorescent lamp)에서 실시하였다. 모든 실험기구는 고압멸균 (202 kpa, 20 min) 및 건조멸균 (120℃, 3 hr)하여 사용하였으며, 모든 실험은 clean bench에서 수행하였다.
- 배양시 온도와 광조건은 25℃, 130~150 μmol photons/㎡/s (12L:12D; cool-white fluorescent lamp)에서 실시하였으며, 접종직후를 포함해 매일 같은 시간 (C. marina : 14:00, C. ovata : 15:00)에 형광광도계를 이용하여 in vivo chlorophyll 형광값을 측정하고 Fig. 2에 나타난 관계식을 통해 세포수로 환산하였다.
- 배양액내 암모니아염 (NH4Cl)의 최종농도는 1, 2, 4, 8, 10, 20, 30, 50 및 100 μM의 9단계, 질산염 (NaNO3) 은 1, 3, 5, 10, 20, 50, 100 및 200 μM의 8단계, 그리고 인산염(NaH2PO4)은 0.5, 1, 2, 4, 6, 12, 15 및 20 μM의 8단계 농도로 작성하였다.
- 세포내 질소와 인을 고갈시키기 위해 질소와 인을 첨가하지 않은 배지에 대수성장기 세포를 접종하여 매일 현미경을 통해 이들의 성장여부를 관찰하였으며, 50 mL 용적의 배양 tube에 각각의 농도로 조제된 배지 25 mL에 성장이 정지된 대수성장기 후기 (약 8-14일 소요, DIN과 DIP가 각각 <0.2 μM, <0.02 μM)의 세포를 첨가하여 최종 밀도가 약 100-120 cells/mL이 되도록 접종하였다.
- 영양염 농도에 따른 성장속도를 파악하기 위해 쓰시마난류수 (80%)와 남해 외양수 (20%)를 바탕 (30 psu, pH 8.1-8.2, DIN과 DIP가 각각 1.0 μM과 0.1 μM 이하)으로 한 SWM-3 배지를 여과멸균 (pore size 0.2 ㎛, Millex Millipore Co., USA) 하여 사용하였다.
- 유지배양시 온도와 염분 및 광 조건은 25℃, 30 psu, 그리고 130 μmol photons/㎡/s (12L:12D; cool-white fluorescent lamp)에서 실시하였다.
- 이들 세포들은 항생물질 혼합액 AM 9을 이용해 무균화 작업을 수행하고 (Provasoli et al., 1959), DAPI (4', 6-diamidino-2- phenylinodole) 검사를 통한 검증 과정을 거쳤다.
- 정치배양을 통한 영양염 농도별 성장속도 파악은 현미경을 이용한 직접 검경이 아닌, in vivo chlorophyll 형광값과 세포수의 관계로 평가하였다. C.
대상 데이터
- 2004년 7월 한국 남해 중앙부의 가막만 화태도 인근해역과 2005년 8월 남해 장흥 연안해역의 표층해수에서 pasteur pipette (ca. ∅ 50-100 ㎛)을 이용하여 C. marina와 C. ovata를 분리하였다.
- , 1959), DAPI (4', 6-diamidino-2- phenylinodole) 검사를 통한 검증 과정을 거쳤다. 유지배양에 사용된 배지는 남해 외양수 바탕의 개량형 SWM-3 배지 (Itoh and Imai, 1987)로 pH는 6N-HCl과 1N-NaOH를 이용해 8.1~8.2 로 조정하였다. 유지배양시 온도와 염분 및 광 조건은 25℃, 30 psu, 그리고 130 μmol photons/㎡/s (12L:12D; cool-white fluorescent lamp)에서 실시하였다.
이론/모형
- The values (A) are represented with means of duplicates. The curve (B) was fitted to the observed values (●) using a non-linear least square method.
- 성장속도와 영영염의 관계는 Monod 식(2)에 대입하여 농도의 의존성을 정량적으로 파악하였으며 (Dugdale, 1967), 변수 값은 비선형최소자승법으로 계산하였다.
성능/효과
- C. marina의 암모니아염 농도에 따른 최대 세포밀도는 1 μM에서 237±58 cells/mL이며 100 μM에서 6,022±71 cells/mL 로 농도가 증가할수록 최대 세포밀도는 증가하였다 (Fig. 3, A).
- C. ovata의 암모니아 농도에 따른 최대 세포밀도는 1 μM에서 253±65 cells/mL이며 20 μM에서 2,961±187 cells/mL로 농도가 증가할수록 최대 세포밀도가 증가하였으나, 30 μM은 902±11 cells/mL, 50 μM은 133±20 cells/mL, 그리고 100 μM은 85±18 cells/mL로 최대 세포밀도가 급격히 감소하였다 (Fig. 6, A).
- 즉, Ks값이 낮을수록 저농도의 영양염 조건에서 성장에 유리한 생리특성을 가진다고 할 수 있다 (Dugdale, 1967; Eppley and Coatsworth, 1968). 그러나 C. marina와 C. ovata에서 얻어진 Ks값은 규조류인 Skeletonema costatum 및 일부 종이나, 동일 침편모조류에 속하는 Heterosigma akashiwo보다 높을 뿐만 아니라, 유해성 외편모조류인 Alexandrium tamarense, Cochlodinium polykrikoides보다도 높은 Ks를 보여 영양염에 대한 친화성이다른 식물플랑크톤 보다 낮은 것으로 판단되었다 (Table 1). 그리고 종별로는 C.
- ovata에서 얻어진 Ks값은 규조류인 Skeletonema costatum 및 일부 종이나, 동일 침편모조류에 속하는 Heterosigma akashiwo보다 높을 뿐만 아니라, 유해성 외편모조류인 Alexandrium tamarense, Cochlodinium polykrikoides보다도 높은 Ks를 보여 영양염에 대한 친화성이다른 식물플랑크톤 보다 낮은 것으로 판단되었다 (Table 1). 그리고 종별로는 C. ovata는 C. marina보다 질산염과 인산염에 대해 약 20~25%, 그리고 또 다른 한국산 C. antiqua 보다도 낮은 Ks값을 나타내기에 (Table 1), 낮은 영양염의 현장에서는 다른 Chattonella 종보다 C. ovata 성장이 유리할 것으로 판단되었다.
- 농도에 따른 최대 성장속도는 1 μM에서 0.19±0.00/day 이고 20 μM에서 0.46±0.00/day로 꾸준히 증가하여 가장 높은 성장속도를 나타내었으나, 30 μM에서 50 μM은 0.32±0.09/day에서 0.21±0.04/day로 농도가 증가할수록 성장속도가 감소하는 성장저해가 나타났으며, 100 μM에서는 전혀 성장이 이루어지지 않았다.
- 이와 같은 유영능력은 영양염에 대한 친화성이 높은 규조류와의 종간 경쟁으로부터 생리적 단점을 극복할 수 있는 하나의 생존전략으로 제시되고 있다 (Smayda, 1997). 더욱이 C. marina와 C. ovata는 C. polykrikoides 등을 포함한 다른 여러 편모조류보다 성장속도가 높기 때문에 영양염 고갈 등 다양한 요인에 의해 규조류의 소멸이 두드러진 시기에 본 연구에서 제시된 이들의 Ks값보다 높은 농도의 영양염이 일정기간 공급ㆍ유지되면 이들은 다른 편모조류보다 높은 세포밀도로 빠르게 성장할 수 있을 것이다. 실제로 일본 Seto 내해에서 Chattonella는 하계 규조류 대발생과 영양염 공급이 제한된 조건에서는 낮은 세포밀도로 거동하지만, 규조류의 급격한 소멸과 함께 수주혼합 등의 물리적 요인에 의한 저층으로부터 영양염 공급요인이 이들의 적조발생 메커니즘에 대한 중요부분으로 인식되고 있다 (Yanagi, 1989; Imai et al.
- 따라서 20 μM까지의 암모니아염 조건에 의해 유도된 성장식으로부터 μmax와 Ks는 각각 0.68/day, 2.51μM로 나타났다 (Fig. 6, B).
- , 2004). 따라서 C. marina와 C. ovata는 영양염 요구량이 높아 영양염 농도가 낮은 환경에서는 다른 경쟁 종들에 비해 상대적으로 성장이 제한될 수 있는 생리적 단점을 가진 종이며, 특히 여수 인근해역과 같이 상대적으로 인산염 농도가 C. marina와 C. ovata의 Ks보다 낮은 해역의 경우 이들의 성장에 인산염이 중요한 제한요인으로 작용할 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서 암모니아염에 대한 성장실험 결과 100 μM에서 높은 성장속도를 보인 C. marina와는 달리 C. ovata는 30 μM 이상의 농도에서 성장이 크게 저해되어 두 종간에 암모니아 이용에 대한 생리적 차이가 크게 나타났다 (Fig. 3, 6).
- 이상의 연구결과 우리나라 연안에 출현하는 C. marina와 C. ovata는 규조류에 비해 영양염에 대한 친화성이 낮지만, 이들은 유영능력을 통해 영양염의 효율적 이용이 가능한 생태적 특성과 다른 여러 편모조류보다 빠른 성장속도에 기인하여 대발생에 대한 충분한 잠재력이 갖춘 종들로 파악되었다. 특히, 최근 우리나라 연안에서 Chattonella에 의한 출현과 적조발생이 상습화 되고 있는 점을 고려할 때, 이들의 국내산 분리주에 대한 영양염 흡수와 다양한 질소･인원에 대한 이용 및 성장, 그리고 다른 여러 종과의 종간 경쟁 등의 생존전략적 특성에 대한 집약적인 데이터 축적이 필요하며, 이를 통해 이들의 적조발생 메커니즘을 파악하기 위한 노력이 매우 중요하다고 할 수 있다.
- 인산염 농도에 따른 최대 세포밀도는 0.5 μM에서 131±28 cells/mL이며 20 μM에서 31,412±1,008 cells/mL로 농도가 증가할수록 최대 세포밀도가 증가하였다 (Fig. 8, A).
- 인산염 농도에 따른 최대 세포밀도도 0.5 μM에서 233±21 cells/mL이며 20 μM에서 14,129±780 cells/mL로 농도가 증가할수록 최대 세포밀도가 증가하였다 (Fig. 5, A).
- 질산염 농도에 따른 최대 세포밀도는 1 μM에서 421±34 cells/mL이며 200 μM에서 11,668±504 cells/mL로 농도가 증가할수록 최대 세포밀도가 증가하였다 (Fig. 7, A).
- 질산염 농도에 따른 최대 세포밀도는 암모니아염 첨가구와 같이 1 μM에서 367±44 cells/mL이며 200 μM에서 6,502±581 cells/mL로 농도가 증가할수록 최대 세포밀도가 증가하였다(Fig. 4, A).
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