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문제 정의
- 본 연구에서는 2월과 3월 식물플랑크톤이 대발생하는 기간 동안, 대조기 만조와 간조의 차이에 따른 우점 식물플랑크톤의 공간적 분포특성을 파악하는 것과 함께, 소조기 하구역내 중류와 상류유역에서 염분충격에 따른 식물플랑크톤의 사멸 유무를 판단할 수 있는 생물활성도를 수층별로 상세하게 파악하였다.
제안 방법
- 각 샘플은 임의의 field에서 총 세포수가 600개 이상 계수한 후 전체 field 수에 해당하는 부분을 환산하여 총 박테리아의 생물량을 산출하였다.
- 또한 염분 충격에 의한 생물 사멸은 Phyto-PAM 장비를 활용한 chlorophyll a와 광합성활성 엽록소 active chlorophyll a의 비율로 구하였고, 이에 따른 사멸율은 1 - (active chlorophyll a / chlorophyll a) × 100으로 산출하였다.
- 모든 정점에서 chlorophyll-a, 영양염, 식물플랑크톤 종조성을 분석하였다.
- 모든 조사 정점에서 공통적으로 CTD(Ocean Seven 319; Idronaut Co., Brugherio, Italy)와 YSI(6600)를 이용하여 전수층의 수온, 염분, 용존산소를 측정하였다.
- 생물 농축구배를 4단계(희석배수: 21, 11, 8, 5배)로 두었고, 해수식물플랑크톤이 담수에 유입되어 생물 사멸경향 및 광합성활성도, 박테리아 개체수, pH의 변화를 파악하였다.
- 시간 경과(0, 3h, 12h, 24h)에 따 른 pH 농도의 변화는 pH meter (Orion 900024 pH Cleaner D, Thermo Fisher scientific Inc.)를 이용하여 측정하였고, 시간경과 에 따른 식물플랑크톤의 광합성활성도를 파악하기 위해서 Phyto PAM(phytoplankton analyzer; PHYTO-ED, S/N: EDEF0139, Germany) 장비로 chlorophyll a와 더불어 활성 엽록소(active chlorophyll a)를 측정하였다(Jakob et al., 2005).
- 아울러, 배양균주 와편모조류 Prorocentrum miniumum 을 이용하여 3단계(희석배수: 21, 6, 3배) 생물농도구배에서 생물사멸정도를 측정하였다.
- 여과 후 DAPI(4',6-diamidino-2-phenylindole) 로 3분간 염색하여 형광현미경(Axioplane, Zeiss)으로 1000배 하에서 검경 및 계수하였다.
- 이후 냉동 보관한 여과지를 90 % Acetone에 넣고 냉암소에서 24시간 동안 색소를 추출한 후 형광측정기(Turner BioSystems, Sunnyvale, CA, USA) 를 이용하여 분석하였다(Parsons et al., 1984).
- 특히 3월 조사에는 표층, 중층, 저층에서 담수와 해수의 혼합에 따른 생물사멸과 관련된 광합성 활성도를 Phyto-PAM (phytoplankton analyzer; PHYTO-ED, S/N EDEF0139, Germany)을 이용하여chlorophyll a, active chlorophyll a, 광량에 대한 양자수율(quantum yield)로부 터 Fv/Fm을 측정하였다.
- 3월에서 부유생물의 염분충격에 의한 사멸여부를 파악하기 위해서, phyto-PAM 장비를 활용하여 chlorophyll a와 active chlorophyll a와 더불어 Fv/Fm 측정하였다(Fig. 6).
- 따라서 본 연구에서는 쐐기 형태의 염분구배가 수평적으로 완만하게 나타나는 동계의 소조기 동안, 염분구배에 따른 규조류 E. zodiacus의 생물의 광합성 활성도와 함께 사멸율을평가하였다(Fig. 9). Phyto-PAM장비를 활용하여 식물플랑크톤의 생산력과 광합성활성도를 평가할 수 있는 chlorophyll a와 active chlorophyll a을 측정한 결과, 염분과 chlorophyll a 사이에 높은 양의 상관성이 관찰되었고(R=0.
- 각 희석배율에 따른 식물플랑크톤 활성도는 실험 초기 (0.5h)와 실험 종료(24h)의 chlorophyll a와 active chlorophyll a을 측정하여 평가하였다.
- 식물플랑크톤 사멸 후 재생산할 수 있는 박테리아 생물량 을 파악하기 위해 시료의 일부를 일정량 글루타르알데이드 (Glutaraldehyde)로 고정한 후, 고정된 시료를 잘 혼합하여 일정량(0.7 mL)을 취해 0.2 μm membrane filter (Millipore; Black)를 이용하여 여과하였다.
- 식물플랑크톤 종조성과 정량분석을 위해 500 ml의 표층수를 Lugol’s solution을 이용하여 최종농도 2.5 %가 되게 고정하였고, 이후 500 ml의 시료를 50 ml로 농축시킨 후 Sedgewick-Rafter counting chamber에 농축시료를 100~300 μL 분주하여 200배 혹은 400배 배율로 동정 및 계수하였다.
- 식물플랑크톤의 염분 충격에 따른 변화양상을 파악하기 위해서 해수종을 담수에 접종하여 생물의 사멸정도를 유추할 수 있는 chlorophyll a과 active chlorophyll a의 측정과 함께 pH와 박테리아의 시계열 변화양상을 Fig.
- 조석의 영향으로 인한 하구역 환경특성을 고려하여 2월은 대조기 만조와 간조 각1회 조사를 수행하였고, 3월은 소조기에 수행하였다.
- 해수와 담수혼합에 따른 생물 사멸 및 박테리아에 의한 pH 의 변화특성을 파악하기 위해서 현장수와 배양종을 이용하여 생물검증실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 현장조사는 광양만 정점 1에서 섬진강 하구역 상류 정점 15까지 총 15개의 정점에서 2017년 2월과 3월에 현장조사를 수행하였다(Fig. 1).
이론/모형
- (1984)의 분석법에 따라서 영영염 자동분석기(Autoanalyzer QuikChem 8000; Lachat Instruments, Loveland, CO, USA)를 이용하여 분석하였고, 영양염 농도는 표준해수인 (RMNS, KANSO Technos Co., Ltd., Japanhemical Industries, Osaka, Japan)를 이용하여 보정하였다.
성능/효과
- 결과적으로 광양만의 일차생산에 의한 높은 생물량은 조석간만의 차이에 의하여 해수가 담수역으로 침투되면서 섬진강하구 상류역으로 이동할 수 있고, 이 동된 일정의 부유생물은 섬진강 하구역 특성상 수계의 짧은 체류시간으로 인해 상류의 낮은 염분에 적응할 시간적 여유가 없어 염분충격으로 사멸(>60 %)하게 된다.
- 결과적으로 동계 광양만에서 규조류의 대발생 현상은 섬진강하구역의 생물집적에 지대한 영향을 미칠 수 있고, 특정해역에서의 식물플랑크톤의 대량집적은 광합성 과정에서 수계내 CO2를 빠르게 흡수하여 탄산농도를 감소시 켜 pH가 높아질수 있다는 것을 시사하였다.
- 결과적으로 생물 접종량과 관계없이 chlorophyll a은 일정량 시간 경과에 따라서 감소하는 경향은 유사하였으나, 광합성 식물플랑크톤의 활성도를 평가할 수 있는 active chlorophyll a 값은 농축생물의 접종량이 많을수록 현저하게 감소하는 것을 파악하였다.
- 결과적으로 섬진강하구역에서 질산염과 규산염은 상류유역인 담수에서 공급되는 것이 파악되었고, 이는 해수가 상류로 유입되면서 염분구배를 형성하여, 농도가 희석되는 특성을 명확하게 파악할 수 있었다.
- 또한 8배와 5배 희석 실험군에서 pH 가 각각 0.17와 0.17 감소하였고, 농축생물의 희석배율에 따라서 pH농도가 단계적으로 변화하는 것을 파악 하였다(Fig. 7a).
- 반면, 본 연구에서는 인산염농도는 염분이 15 psu를 기점으로 고염분의 유역에서는 상대적으로 높은 농도가 관찰되었고, 이는 수심이 얕은 광양만의 퇴적물이 조석에 의한 수층혼합으로 재부유되어 인산염의 재용출을 확인하였다.
- 생물활성도는 phyto-PAM 장비를 이용하여 측정한 총엽록소(total chlorophyll a)와 활성엽록소(active chlorophyll a)의 비를 통해 총 생물군집 중 활성의 띠는비율로 생물 사멸을 판단할 수 있다.
- 염분구배에 따라서 식 물플랑크톤의 사멸율이 증가하여 특정정점에서는 최대 75 %로 높게 관찰되었고, 이때 식물플랑크톤의 사멸율은 염분과의 강한 음의 상관관계를 보였다(Fig. 9c; R=0.71, p<0.001).
- 염분은 광양만 주변의 섬진강 하구역 하류에서 일정하게 높게 나타났고, 상류로 올라갈수록 점차적으로 감소하였고, 표층과 저층 염분의 수직적 차이는 대조기보다 소조기에 약간 크게 나타났다.
- 특히 암모니아 농도는 간조 조사시 정점 3-7사이에서 현저하게 높게 나타나는 특성을 보였고, 만조보다는 간조시 수위가 낮아진 환경에서 두드러지게 나타났다.
- CTD를 이용하여 측정한 형광값(Fluorescence value)은 해역 에 분포하는 식물플랑크톤 총량의 수직적 분포를 파악할 수 있고, 이들 형광값과 pH의 상관관계를 살펴본 결과, 2월의 만조에는 형광값이 15.5 μg L-1로 높았던 정점 11-14의 전수층 에서 8.35의 높은 pH값을 보였고, 형광값이 상대적으로 낮은 정점 7번 표층에서 7.94로 가장 낮은 pH값이 관찰되었다.
- CTD를 이용한 식물플랑크톤의 총량을 가늠할 수있는 형광값(Fluorescence value)을 측정한 결과, 2월은 하구역 하류인 정점 2-7에서 표층에서는 상대적으로 낮게 나타났으나, 중층과 저층에서는 6.5 μg L-1 이상으로 상대적으로 높았다(Fig. 2e), 아울러, 정점 11-14사이의 중층과 저층에서는 극히 높은 값인 15.5 μg L-1을 보였다.
- Phyto-PAM장비를 활용하여 식물플랑크톤의 생산력과 광합성활성도를 평가할 수 있는 chlorophyll a와 active chlorophyll a을 측정한 결과, 염분과 chlorophyll a 사이에 높은 양의 상관성이 관찰되었고(R=0.82, p<0.001), 아울러 염분과 active chlorophyll a와도 유의한 높은 상관성을 파악하였다(R=0.80, p<0.001).
- zodiacus는 해수역와 기수역인 정점 1-7에 서는 상대적으로 높은 광합성 활성을 보유하고 있었으나, 섬진강하구역 상류정점으로 향할수록 점차적으로 그 활성이 현저하게 감소하는 것을 파악하였다.
- 배양균주 와편모조류 Prorocentrum miniumum를 농도별 희석한 실험한 결과에 의하면, pH 변화는 21, 6, 3의 희석배율에 따라서 각각 실험초기 8.26, 8.52, 8.63에서 실험종료 후 각각 7.61, 7.91, 7.85로 변화하였다(Fig. 7d).
- 특히 담수로 구분할 수 있는 1psu 이하의 염분농도에서 극히 낮은 생물량과 광합성 활성도를 나타내었다. 이는 광양만에서 대량증식한 식물플랑크톤(주로 규조류)이 섬진강 하구역으로 유입되어 특정정점에서 집적 및 체류하여 pH의 상승를 가져올 수 있다는 것과 함께, 염분구배에 따라서 일정량 생물의 광합성 활성도와 총 엽록소가 점차적으로 감소할 수 있다는 것을 시사할 수 있다.
- 특히 pH 변화는 염분 공간분포와 유사하게, 담수역으로 올라갈수록 점차적으로 감소하는 경향을 확인하였지만, 특이적으로 식물플랑크톤이 높게 유지된 정점 9-11 구간에서 상대적으로 높은 pH를 보였다.
후속연구
- 반면, 인산염과 암모니아의 공급원은 해수역의 퇴적물과 망덕포구 및 광양만 주변의 점오염의 영향을 강하게 받지만, 조석에 의해 빠르게 희석되어 식물플랑크톤 생장에 있어 유용하게 활용될 것으로 기대된다.
- 이와 같은 염분 충격에 따른 생물 사멸 정도를 정확하게 파악하는 것은 하구역내에서 생물생산력을 평가하는데 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.
- 이와 같은 염분구배에 따른 식물플랑크톤 사멸정보는 섬진강하구역의 중, 상류유역에 서식하는 재첩 생물량을 지탱할 수 있는 먹이원의 공급에 중요한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 조사 정점 중 염분 충격에 의한 식물플랑크톤 사멸이 있지 않은 곳에서의 낮은 pH값에 대한 해석은 명확하게 이루어지지 못해 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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