미역 (Undaria pinnatifida)의 생장에 따른 영양염과 CO2 흡수율 변화 Variations in Nutrients and CO2 Uptake with Growth of Undaria pinnatifida from the South Coast of Korea원문보기
To investigate the contribution of macroalgae to biogeochemical nutrients and carbon cycles, we measured the uptake rates of nutrients and $CO_2$ by Undaria pinnatifida using an incubation method in an acrylic chamber. From January to March 2010, U. pinnatifida was sampled at Ilkwang, a w...
To investigate the contribution of macroalgae to biogeochemical nutrients and carbon cycles, we measured the uptake rates of nutrients and $CO_2$ by Undaria pinnatifida using an incubation method in an acrylic chamber. From January to March 2010, U. pinnatifida was sampled at Ilkwang, a well-known area of macroalgae culture in Korea. The initial and final concentrations of nutrients, dissolved oxygen, total alkalinity, and pH of the chamber water were measured, and production/uptake rates were calculated using concentration changes, chamber volume, and incubation time. The production rate of dissolved oxygen by U. pinnatifida (n = 32) was about $5.4{\pm}4.0\;{\mu}mol\;g_{fw}^{-1\;}h^{-1}$. The uptake rate of total dissolved inorganic carbon (TDIC), calculated by total alkalinity and pH, was $7.9{\pm}6.5\;{\mu}mol\;g_{fw}^{-1}\;h^{-1}$. Nutrients uptake averaged $141.7{\pm}119.2$ nmol N $g_{fw}^{-1}\;h^{-1}$ and $15.0{\pm}9.1$ nmol P $g_{fw}^{-1}\;h^{-1}$. A positive linear correlation ($r^2$ = 9.6) existed between the production rate of dissolved oxygen and the uptake rate of total dissolved inorganic carbon, suggesting that these two factors serve as good indicators of U. pinnatifida photosynthesis. The relationships between fresh weight and uptake rates of nutrients and $CO_2$ suggested that younger specimens (<~50 g fresh weight) are much more efficient at nutrients and $CO_2$ uptake than are specimens >50 g. The amount of carbon uptake by the total biomass of U. pinnatifida in Korea during the year of 2008 was about 0.001-0.002% of global ocean carbon uptake. Thus, more research should be focused on macroalgae-based biogeochemical cycles to evaluate the roles and contributions of macroalgae to the global carbon cycle.
To investigate the contribution of macroalgae to biogeochemical nutrients and carbon cycles, we measured the uptake rates of nutrients and $CO_2$ by Undaria pinnatifida using an incubation method in an acrylic chamber. From January to March 2010, U. pinnatifida was sampled at Ilkwang, a well-known area of macroalgae culture in Korea. The initial and final concentrations of nutrients, dissolved oxygen, total alkalinity, and pH of the chamber water were measured, and production/uptake rates were calculated using concentration changes, chamber volume, and incubation time. The production rate of dissolved oxygen by U. pinnatifida (n = 32) was about $5.4{\pm}4.0\;{\mu}mol\;g_{fw}^{-1\;}h^{-1}$. The uptake rate of total dissolved inorganic carbon (TDIC), calculated by total alkalinity and pH, was $7.9{\pm}6.5\;{\mu}mol\;g_{fw}^{-1}\;h^{-1}$. Nutrients uptake averaged $141.7{\pm}119.2$ nmol N $g_{fw}^{-1}\;h^{-1}$ and $15.0{\pm}9.1$ nmol P $g_{fw}^{-1}\;h^{-1}$. A positive linear correlation ($r^2$ = 9.6) existed between the production rate of dissolved oxygen and the uptake rate of total dissolved inorganic carbon, suggesting that these two factors serve as good indicators of U. pinnatifida photosynthesis. The relationships between fresh weight and uptake rates of nutrients and $CO_2$ suggested that younger specimens (<~50 g fresh weight) are much more efficient at nutrients and $CO_2$ uptake than are specimens >50 g. The amount of carbon uptake by the total biomass of U. pinnatifida in Korea during the year of 2008 was about 0.001-0.002% of global ocean carbon uptake. Thus, more research should be focused on macroalgae-based biogeochemical cycles to evaluate the roles and contributions of macroalgae to the global carbon cycle.
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문제 정의
부산시 기장군 일광해역에서 생산되는 미역을 대상으로 영양염과 탄소 흡수율을 자연조건과 유사한 환경에서 측정하고자 한다. 이를 통해, 바이오매스 생산을 위한 해역 환경평가 및 적지 선정 등에 기초자료로 활용할 수 있을 것이며 동시에 기후변화와 관련된 전 지구 탄소순환에 해조류가 기여하는 바를 추정하는 데도 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
가설 설정
한편 인류의 화석연료 사용으로 말미암은 대기 이산화탄소의 증가는 수온상승과 해양산성화와 같은 해양환경의 변화를 초래하고 있으며, 나아가 해양환경에 의존하는 해조류의 성장및 이산화탄소 흡수효율에도 영향을 끼칠 것으로 생각된다. 이런 측면에서 미역의 탄소 흡수율을 바탕으로 우리나라에서 생산되는 미역에 의해 흡수되는 총 탄소량을 추정하기 위해 몇 가지 가정을 하였다; 1) 미역의 총생산량은 2008년 38만톤을 기준으로 함, 2) 탄소의 순흡수는 하루 중 12시간만 고려함, 3) 미역의 평균 생장 기간을 150일이라 하고, 그 기간 평균 현존량은 최종 생산량의 약 30∼50%로 계상함. 이때 세 번째 가정은 Lee and Sohn (1993)이 측정한 생장에 따른 중량 증가에 근거하여 산정하였다.
제안 방법
2). 따라서 이 시기의 미역의 생장에 대한 간접 지표로 무게를 기준으로 하여 영양염과 탄소의 흡수율 변화를 살펴보았다 (Fig. 5). 미역의 무게가 증가할수록 영양염과 탄소의 흡수량이 비례하여 증가하였으며, 용존산소의 발생량도 비례하여 더 많이 증가하였다.
미역을 배양하는 동안 변한 영양염과 총용존무기탄소, 용존산소농도를 배양시간과 미역의 습중량으로 나누어, 단위시간당 단위중량당의 흡수율/생성율로 전환하여 서로 비교하였다. 부산시 기장군 일광지역에서 양식되는 미역 중 바다 이식 후 76∼153일이 경과하여 개체의 습중량이 약 20∼110 g 에 속하는 미역의 질산염에 대한 평균 흡수율은 141.
미역의 광합성활동에 이용되는 영양염과 탄소에 대한 흡수율을 그 결과 생성되는 용존산소 발생율과 상관관계를 각각 살펴보았다 (Fig. 4). 질산염과 인산염 그리고 총용존무기탄소 흡수율은 용존산소 생성율과 각각 음의 선형상관관계를 나타내었다.
미역의 영양염과 탄소 흡수율을 다른 해조류의 결과와 비교해보았다 (Table 3). 미역의 질산염 흡수율은 일반적으로 보이는 해조류의 평균 범위에 포함되는 것으로 나타났으나, 생물 여과재로 이용되는 일부 녹조류에 비해서는 낮은 흡수율을 나타내었다 (Choi et al.
배양매질의 염분과 수온은 CTD (Ocean Seven 304 CTD Probe, IDRONAUT S.r.l.)로 실시간 연속 측정하였다. 용존산소는 정밀 마이크로센서를 장착하여 상대포화도를 실시간 연속 측정하였으며 (Unisense, OX25), pH도 유리전극 (Orion Ross Ultra Electrode 8102BNUWP)으로 실시간 연속 측정하였다.
Dickson박사 실험실에서 제작한 CRM Batch #99을 사용하였다. 영양염은 자동분석기로 분석하였으며 (Alliance, Integal futura system), 표준물질로 Osil 사의 제품을 사용하였다.
)로 실시간 연속 측정하였다. 용존산소는 정밀 마이크로센서를 장착하여 상대포화도를 실시간 연속 측정하였으며 (Unisense, OX25), pH도 유리전극 (Orion Ross Ultra Electrode 8102BNUWP)으로 실시간 연속 측정하였다. 한편, 배양시작 전과 후의 배양용액에서 용존산소와 영양염 (질산염, 아질산염, 암모니아, 인산염 그리고 규산염)을 분석하였으며 총용존무기탄소 (Total Dissolved Inorganic Carbon)는 총알칼리도와 pH로부터 계산하였다 (Lewis and Wallace, 1998).
한편, 미역을 챔버에 넣고 배양을 시작할 때와 끝날 때 각각 채수한 해수에서 영양염과 용존산소를 분석하여 그 변화를 파악하였으며, 총용존무기탄소는 총알칼리도와 pH 측정값으로부터 계산하여 그 변화를 살펴보았다. 영양염 중 질산염은 약 6시간의 배양시간동안 평균 7.
용존산소는 정밀 마이크로센서를 장착하여 상대포화도를 실시간 연속 측정하였으며 (Unisense, OX25), pH도 유리전극 (Orion Ross Ultra Electrode 8102BNUWP)으로 실시간 연속 측정하였다. 한편, 배양시작 전과 후의 배양용액에서 용존산소와 영양염 (질산염, 아질산염, 암모니아, 인산염 그리고 규산염)을 분석하였으며 총용존무기탄소 (Total Dissolved Inorganic Carbon)는 총알칼리도와 pH로부터 계산하였다 (Lewis and Wallace, 1998). 용존산소는 정밀적정기 (Metrohm, Dosimat 876 system)를 사용하여 Winkler 적정법으로 분석하였으며 (Parsons et al.
해조 시료는 채집 후 해수에서 2∼3일 적응케 한 후, 배양할 엽체를 선택하여, 모눈판위에 올려 사진을 찍어 길이, 폭, 표면적 등을 측정하였으며, 표면의 물기를 충분히 닦은 후 무게를 측정하였다.
해조류 배양 챔버에 장착된 각종 센서들에 의해, 배양수의 수온과 염분, 용존산소 (상대포화도, %), pH를 실시간 연속측정 하였으며, 그 한 예를 Fig. 3에 나타내었다. 배양수의 수온은 챔버 바깥층의 순환수로 일정한 온도가 유지되게 하여, 배양 시기에 따라 약 18.
해조류에 의한 영양염과 탄소 흡수율 측정을 위해 실내 배양용 챔버를 주문 제작하였다. 챔버는 아크릴소재의 둥근 관이 두 층 (two-layer)으로 구성되어 있으며, 해조류를 배양하는 내부 공간 (높이 30 cm × 직경 15 cm)과 온도조절용 순환수가 흐르는 외부 공간이 있다 (Fig.
대상 데이터
실험에 사용된 미역은 바다에 이식한지 76∼153일 경과한 개체로서, 길이는 29∼152 cm, 폭은 4∼55 cm, 무게는 5∼107g 범위였다.
실험에 이용된 미역은 바다에 이식한 지 2개월∼5개월 사이의 엽체로, 이 시기에는 길이와 폭의 증가로 인한 표면적도 증가하지만 엽체의 두께와 밀도 증가로 인한 중량 증가가 더 두드러졌다 (Fig. 2).
실험의 대상 종인 미역은 부산시 기장군 일광해역에서 1월부터 3월동안 채집하였다 (Table 1). 채집한 시료는 신속히 실험실로 옮긴 후, 해수를 채우고 기포발생기를 설치하여 순환이 원활한 커다란 통에 충분히 잠기게 넣고 순치시켰다.
이론/모형
한편, 배양시작 전과 후의 배양용액에서 용존산소와 영양염 (질산염, 아질산염, 암모니아, 인산염 그리고 규산염)을 분석하였으며 총용존무기탄소 (Total Dissolved Inorganic Carbon)는 총알칼리도와 pH로부터 계산하였다 (Lewis and Wallace, 1998). 용존산소는 정밀적정기 (Metrohm, Dosimat 876 system)를 사용하여 Winkler 적정법으로 분석하였으며 (Parsons et al., 1984), 이 값은 센서에서 측정한 상대포화도 값과 비교하여 사용하였다. 총알칼리도는 정밀적정기 (Metrohm, Dosimat 876 system)를 사용하여 개방형용기법으로 분석하였으며 (KORDI, 2010), 이때 표준물질로 미국 스크립스연구소의 A.
, 1984), 이 값은 센서에서 측정한 상대포화도 값과 비교하여 사용하였다. 총알칼리도는 정밀적정기 (Metrohm, Dosimat 876 system)를 사용하여 개방형용기법으로 분석하였으며 (KORDI, 2010), 이때 표준물질로 미국 스크립스연구소의 A. Dickson박사 실험실에서 제작한 CRM Batch #99을 사용하였다. 영양염은 자동분석기로 분석하였으며 (Alliance, Integal futura system), 표준물질로 Osil 사의 제품을 사용하였다.
성능/효과
3) 미역의 평균 생장 기간을 150일이라 하고, 그 기간 평균 현존량은 최종 생산량의 약 30∼50%로 계상함.
그 결과 우리나라에서 생산되는 미역에 의해 제거되는 연간 탄소량은 전 지구 해양의 탄소 흡수율 (1.7-1.9 Gt C yr-1, Takahashi et al., 2009)의 약 0.001∼0.002%에 해당하는 1.9∼3.2×104 C ton이었다.
4 μmol g-1 h-1)에 비하여 다소 높았다. 따라서 우리나라 남해안 일광해역에서 서식하는 미역의 영양염과 탄소 흡수율은 구멍 갈파래를 비롯한 녹조류보다는 전반적으로 낮은 값을 보였으나, 그 외 다른 조류와는 비슷한 범위의 흡수율을 나타내었다.
따라서 질산염을 제외한 인산염과 총용존무기탄소 그리고 용존산소의 흡수/발생율에 있어 미역 개체 간의 최대 변이는 12∼14배의 범위로 유사하게 나타났다.
또한 총용존무기탄소에 대한 미역의 평균 흡수율은 7.9±6.5 μmol g-1 h-1를 나타내었고, 개체에 따라 최대 약 14배 차이를 보였다.
5). 미역의 무게가 증가할수록 영양염과 탄소의 흡수량이 비례하여 증가하였으며, 용존산소의 발생량도 비례하여 더 많이 증가하였다. 그러나 각각의 흡수/발생량의 증가정도가 로그함수식에 근접하는 꼴로 나타났으며 이는 일정 중량이상에서는 이들 흡수/발생량이 더 이상 증가 하지 않음을 의미한다.
3(c)). 배양수의 pH는 초기 약 7.5에서 종료시 약 8.9 까지 증가하였으며, 그 경향이 챔버 1과 챔버 2에서 아주 유사하게 나타났다. 이와 같이, 용존산소 포화도와 pH가 동시에 증가하는 것은 미역의 광합성활동에 의한 결과임을 강력하게 지시한다.
이처럼, 미역을 챔버 배양함에 따라 배양수의 용존산소 상대포화도가 높아지는 것은 미역의 광합성활동으로 생성된 산소로 인해 포화도가 높아 진 결과이다. 배양수의 pH도 또한 미역의 광합성활동을 지시하는 인자로서 용존산소와 유사한 형태로 증가하는 것을 볼 수 있었다 (Fig. 3(c)).
배양수의 총용존무기탄소(TDIC)농도는 배양시간동안 평균 279.3 μmol kg-1 감소하였으며 그 변화 범위는 38.3∼467.0 μmol kg-1 이었으며, 이때 해수의 fCO2 농도 변화는 522∼1933 μatm 범위를 보였다.
부산시 기장군 일광지역에서 양식되는 미역 중 바다 이식 후 76∼153일이 경과하여 개체의 습중량이 약 20∼110 g 에 속하는 미역의 질산염에 대한 평균 흡수율은 141.7±119.2 nmol g-1 h-1 이었다 (Table 2).
2:73를 나타내어, Redfield 비에 비해 탄소가 높은 비율로 흡수되었다. 실험에 사용된 인공해수에 녹아있는 영양염 농도가 충분 함에도 불구하고 질소와 인의 흡수가 이론적인 Redfield 비에 비해 낮게 나타났다. 실제 해양에서도 해조류에 의한 영양염 흡수는 해수에 녹아있는 영양염의 농도, 해조류 생체에 축적된 농도 즉, 생체가 필요로 하는 농도 정도 등에 의해 수 배에서 수 십배 이상 차이가 난다.
질산염과 인산염은 식물성장의 필수성분으로서 탄소와 달리 해양에서 제한요인으로 작용을 하지만 이론적으로 Redfield 비와 유사한 범주에서 흡수된다고 알려진다 (DeBoer 1981). 실험에서 얻은 흡수율을 바탕으로 미역에 의해 흡수된 탄소와 영양염의 성분비 (미역의 단위 중량당 흡수를 기준으로 하였을 때)를 살펴보면 평균 C:N:P:O=106:2.0:0.2:73를 나타내어, Redfield 비에 비해 탄소가 높은 비율로 흡수되었다. 실험에 사용된 인공해수에 녹아있는 영양염 농도가 충분 함에도 불구하고 질소와 인의 흡수가 이론적인 Redfield 비에 비해 낮게 나타났다.
용존산소의 상대포화도를 측정하는 센서를 두 챔버에 각각 설치하여 그 변화를 컴퓨터 화면으로 실시간 모니터링한 결과, 배양시간이 경과함에 따라 용존산소 상대포화도는 점차 증가하였으며 두 챔버에서 증가하는 양상도 매우 유사하게 나타났다 (Fig. 3(b)).
인공해수의 염분은 33.0∼35.0 psu 범위로 제작하여 배양시간동안 아주 일정하게 (±0.005 psu 이내) 유지되었다 (Fig.
4). 질산염과 인산염 그리고 총용존무기탄소 흡수율은 용존산소 생성율과 각각 음의 선형상관관계를 나타내었다. 특히, 용존산소와 총용존무기탄소의 생성과 소모 사이에는 매우 높은 상관관계를 보여 (r2=0.
2). 특히, 미역의 표면적보다는 중량이 더 높은 상관관계를 나타내는 것으로 보아, 그 시기에는 길이와 폭의 성장과 더불어 엽체의 두께 또는 밀도가 더 많이 증가하는 것으로 생각된다.
96) 광합성에서 주요한 두 분자의 이론적인 화학량론 (stoichiometry)을 잘 설명하고 있으며, 이는 두 성분이 각 상대성분에 대해 간접적인 지표가 될 수 있음을 시사한다. 한편, 탄소에 비해 다소 낮지만 질산염과 인산염도 용존산소와 의미 있는 수준의 상관관계를 나타내었다. 질산염과 인산염은 식물성장의 필수성분으로서 탄소와 달리 해양에서 제한요인으로 작용을 하지만 이론적으로 Redfield 비와 유사한 범주에서 흡수된다고 알려진다 (DeBoer 1981).
후속연구
또한 엽체 전체를 배양하는 방법이 실제 해양 상황에 가까우므로, 보다 더 현장 값을 대변한다고 할 수 있다. 그러나 추후 미역에 대해서도 일부만 배양하여 서로 비교 검토할 필요가 있을 것이다. 탄소의 경우, 다른 해조류에 의한 연구결과가 많지 않았다.
국내에서 생산되는 미역 단일 품종에 의한 기여라고 생각하였을 경우 상당한 수치라 할 수 있다. 따라서 전 지구 탄소순환의 관점에서 해양의 이산화탄소 제거 능력을 제고할 때, 연안의 생산력 중 특히 한반도연안을 비롯한 태평양연안에서 활발한 해조류양식에 의한 역할을 간과해서는 안 될 것으로 생각되며, 이를 위해 이 같은 연구가 다른 품종에 대해서도 지속적으로 연계되어야 할 것으로 생각된다.
이는 단일 엽체 중량이 50 g 이하의 어린 엽체에서 영양염과 탄소 제거가 효율적임을 의미한다. 이러한 정보는 미역을 이용하여 바이오매스 생산 시, 경제적이고 생산적인 수확시기를 결정하는데 이용할 수 있을 것이며, 나아가 영양염 소요량을 미리 고려하여 대량 생산 후보지를 선정하거나, 영양염 순환 변화를 예측할 수도 있을 것이다.
부산시 기장군 일광해역에서 생산되는 미역을 대상으로 영양염과 탄소 흡수율을 자연조건과 유사한 환경에서 측정하고자 한다. 이를 통해, 바이오매스 생산을 위한 해역 환경평가 및 적지 선정 등에 기초자료로 활용할 수 있을 것이며 동시에 기후변화와 관련된 전 지구 탄소순환에 해조류가 기여하는 바를 추정하는 데도 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
0 μmol kg-1 이었으며, 이때 해수의 fCO2 농도 변화는 522∼1933 μatm 범위를 보였다. 이처럼 배양 해수 중 총용존무기탄소를 비롯한 fCO2 농도의 감소는 미역의 광합성활동에 이산화탄소가 활발히 사용되었음을 의미하며, 이러한 연구를 바탕으로 대기 이산화탄소 감소에 해조류의 역할이 고려되어 활용되어야 할 것으로 생각된다. 한편, 배양 해수 중 용존산소의 농도 증가는 1.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해조류에 의한 이산화탄소 흡수를 용존산소 발생율로부터 간접 계산하는 방법의 특징은?
그동안 해조류에 의한 이산화탄소흡수는 직접 측정하기가 쉽지 않아, 용존산소 발생율로 부터 간접 계산하는 방법으로 수행되어 왔다. 그러나 이 방법은 해조류의 종류별로 또는 환경특성에 따라 용존산소 발생 대 이산화탄소흡수 동화율이 다르므로, 직접 측정을 통해 정확한 흡수율을 산정할 필요가 있다. 한편, 질산염을 비롯한 영양염은 해양환경에서 해역에 따라, 시기에 따라 결핍될 수 있는 성분이며, 이에 의한 해조류의 생장 및 흡수 특성에 대한 연구결과는 다수 보고되었다 (Ozaki et al.
미역의 분류학적 위치는?
미역 (Undaria pinnatifida)은 갈조식물문 다시마목 미역과에 속하며, 일본과 우리나라 연안의 조하대에 분포하고 이형 세대교번으로 번식하는 단년생으로, 주된 수확 시기는 겨울부터 초여름에 이른다. 우리나라 해조류 생산 중 최대량을 차지 하는 미역은 2008년 기준 약 38만 톤이 생산되었으며, 이는 해조류 총생산의 41.
해조류 생산량 증가의 원인은?
최근 들어 세계적으로 해조류 생산량이 증가하고 있는데, 우리나라도 이와 마찬가지로 2008년 생산량이 2000년 대비 약 150% 증가하였다. 이 같은 해조류 생산량 증가의 원인으로는 식량 및 사료로 이용, 생리활성물질 추출 등의 용도와 함께 바이오 연료 (biofuel)의 재료, 즉 바이오매스로 생산하고자 하는 연구와 산업 활동이 급속도로 진행되고 있기 때문인 것으로 생각 된다. 해조류를 이용한 바이오연료 생산 산업은 해결해야 할 몇 가지 사안이 있지만, 기존의 옥수수, 밀 등의 식량을 재료로 하는 바이오연료에 비해 많은 장점을 가지고 있기 때문에 미국, 일본 등을 비롯한 선진국에서 엄청난 연구비를 투입하고 있는 실정이다 (Shin, 2010).
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