서 론
현재 전 세계적으로 대기 중의 이산화탄소 농도가 증가하 여 지구온난화(Global warming)가 발생하고 있으며 해수면 및 수온 상승과 같은 기후 변화가 나타나고 있다(Lee et al., 2013). 육상 및 해양생태계가 지구온난화로 인해 큰 변 화를 보이고 있으며, IPCC(2007)의 보고에서는 온실가스의 방출이 지속될 경우, 2050년 내에 이산화탄소의 농도가 자 연농도의 2배에 이르러, 21세기 말에는 지구의 평균 기온이 최대 6.4°C까지, 해수면이 최대 59m 상승할 것으로 예상하 고 있다. 우리나라의 경우에도 지구온난화의 영향으로 수온 및 해수면 상승하고 있어 연안에서는 갯녹음 현상이 발생하 고 있다(Kim, 2010). 갯녹음은 연안에 서식하는 대형해조 류인 다시마, 감태 등의 해조군락이 소멸되고 석회질로 된 암반 피복성 홍조류인 무절석회조류가 번식하여 암반이 홍 색이나 백색으로 변하는 백화 현상을 말한다(Jeong et al., 1998). 갯녹음 현상의 확산에 따라 해조류와 어패류 등의 어업자원이 감소하여 연안 생태계의 황폐화가 급속히 진행 되고 있다(Shin et al., 2014).
해조류는 연안 생태계의 일차 생산자로, 대형 해조들이 이루고 있는 해중림은 해양 생물의 서식처 및 은신처를 제 공하여 높은 생물 생산력을 지니고 있으며, 이산화탄소 흡 수원으로 기후변화에 대응할 수 있는 연안 생태계의 중요한 요소이다(Cho et al., 2012). 해양 생태계의 물질순환의 중 심을 이루고 있는 해중림이 최근 갯녹음 현상의 확산으로 인해 소멸되어 해양 생태계가 파괴되고 있으며, 이의 대안 으로 국내에서는 바다숲 조성사업을 수행하고 있다(Jeong et al., 2012).
바다숲 조성사업은 세계 각국에서 이루어졌으며, 특히 인 공어초를 이용한 해중림 조성 기술이 주로 연구되고 있다 (Terawaki et al., 2001). 현재에는 인공어초를 이용한 기술 뿐만 아니라 씨줄, 시비제, 해조류 이식 기술 등 다양한 기술 연구도 이루어지고 있다(Kim, 2006). 하지만 연안 해역에 서 적용할 때 효율성에 대한 문제점을 가지고 있어 해중림 조성에 효율적인 신기술 개발이 필요한 실정이다. 생물의 고정화 기술에 포괄법(entrapping), 가교법(cross-linking)등 이 알려져 있으며, 주로 피막 내부에 생물을 포괄하는 방법 인 포괄법이 이용되고 있고, 생물의 고정화를 통해 피막 내 부에 고농도로 축적시킬 수 있다는 장점이 있다(Han et al., 1999; Park and Chang, 2000). 따라서 본 연구에서는 피막 소재를 이용하여 해산식물의 피막화를 통한 해조류 유주자 의 생존율 및 성장률 향상을 검증하기 위해, 인공피막소재 로 주로 사용되는 알긴산으로 미세조류 Nannochloropsis salina와 해조류 Ulva australis 유주자를 피막화하고 녹말 배합에 따른 생장률 및 생존률을 엽록소 a와 b로 비교 하였 으며, 인공어초 소재에 도포 하여 해조류 유주자의 성장 향 상을 검증하였다. 대상생물인 N. salina와 U. australis은 배양이 용이하며 우리나라 인근 해역에 분포하고 있어 채집 이 쉽다는 장점을 가지고 있다. Nannochloropsis sp.는 최적 배양조건에서 세포내 지질함량이 최대로 증가하여 최근에 는 바이오디젤 소재로도 각광받고 있으며(Kim et al., 2014), U. australis는 성장주기가 짧고 서식 가능한 환경 범위가 큰 해조류이다(Wichard et al., 2015).
연구방법
1피막 제조 적용
미세조류와 해조류 유주자의 피막소재로 알긴산과 녹말 을 사용하였으며, 알긴산과 녹말을 멸균해수 100 mL에 용 해시켜 Table 1과 같이 제조하였다. 경화제는 멸균해수 100 mL에 염화칼슘 3g을 용해시켜 제조하였고 녹말-알긴산수 용액과 경화제로 미세조류Nannochloropsis salina와 해조 류 Ulva australis 유주자를 피막화하여 경화(hardening)하였 으며, 알긴산으로만 제조한 피막을 대조군으로 설정하였다.
2피막소재 미세조류 적용
미세조류 N. salina는 한국해양미세조류은행(Korea Marine Microalgae Culture Center, KMMCC-24)에서 분양받아 F/2 배지에 배양하여 사용하였고, N. salina가 배양된 배양 액과 녹말-알긴산 수용액을 1:1로 혼합한 후 경화제에 적하 (form a drop)하여 피막을 제작하였다. 완전히 경화된 피막 은 증류수 세척 후 음건하여 F/2 배지에 7일 동안 Table 2와 같은 조건에서 배양하여 미세조류-피막의 개체수 및 엽록소를 측정하여 생존율을 분석하였다. 엽록소 a, b는 아세 톤 추출법을 사용하여 추출한 후 UV-Vis spectrophotometer (UV-1601, Shimadzu, Japan)를 사용하여 측정하였다.
3피막소재 해조류 유주자 적용
해조류는 2014년 5월 충남 당진군 한진항(위도 36°58'16.37"; 경도 126°46'57.76")에서 채집한 구멍갈파래(U. australis) 를 사용하였다. 채집한 U. australis는 엽체표면의 불순물을 제거하기 위해 증류수로 세척한 후 멸균여과해수에 담아 광량 50 umol m-2s-1, 온도 25 °C에서 2시간 동안 유주자의 방출을 유도하였다(Callow et al., 1997). 녹말-알긴산 수용 액은 0:10, 2:8, 5:5 비율로 제조하였으며, 수용액과 유주자 액(1.2×105 cell mL-1)을 1:1로 혼합한 후 경화제에 적하하 여 피막화하였다. 피막은 30분 동안 경화 시킨 후 증류수로 세척하여 6시간 동안 반 건조시켰다. 반 건조된 피막은 PES 배지 30 mL에 Table 2와 같은 조건으로 배양하였으며 규조 류의 번식을 억제하기 위해 산화게르마늄을 5 mg L-1 농도 로 처리하였다. 거대조류의 생존율은 광학현미경(BX53, Olimpus, Japan) 관찰 및 엽록소 측정을 통해 분석하였다. 엽록소 a, b는 아세톤 추출법을 사용하여 추출한 후 UV-Vis spectrophotometer(UV-1601, Shimadzu, Japan)를 사용하 여 측정하였다.
4피막 해조류 유주자의 인공어초 적용
2014년 5월에 충남 당진군 한진항에서 구멍갈파래(U. australis)를 채집하여 사용하였으며, U. australis 표면의 불수물을 제거하기 위해 증류수로 세척한 후 멸균여과해수 에 담아 광량 50 umol m-2s-1, 온도 25 °C에서 2시간 동안 유주자의 방출을 유도하였다. 녹말-알긴산 수용액은 유주자 액과 1:1로 혼합하여 인공어초 조각시편에 도포한 후 경화 제를 스프레이로 분사하여 경화시켰다. 경화 후 음건하여 PES 배지 70 mL에 넣고 산화게르마늄을 5mL L-1로 처리 하여 규조류 번식을 방지하였다. 배양조건은 Table 2와 같 고 7일 동안 배양 후 현미경 관찰 및 개체수를 측정·분석하 였다.
피막 해조류 유주자의 인공어초 적용 연구를 위해 인공어 초 조각 시편(1×1cm) 표면 위 해조류 유주자와 혼합된 녹말 -알긴산 용액을 도포 한 후 경화제로 염화칼슘을 스프레이 로 분사하여 경화시켰다. 경화 후 음건하여 PES 배지 100 mL에 넣고 배양 하였으며. 배양조건은 Table 2와 같고 7일 동안 배양 후 현미경으로 개체수를 관찰하였다.
5통계분석
결과분석은 SPSS(Ver. 17)을 이용하여 녹말과 알긴산의 배합비에 따른 미세조류와 해조류의 생존율을 one-way ANOVA를 통해 수행하였다.
결과 및 고찰
1피막소재 미세조류 적용
녹말과 알긴산의 배합비에 따른 미세조류 피막은 녹말: 알긴산이 10:0과 8:2일 때는 형성되지 않았고, 5:5, 2:8, 0:10일 때 피막이 형성되었다. 형성된 피막의 경우에는 녹 말의 함량이 높을수록 피막의 경화가 덜 진행되어 부서짐이 나타났으며 알긴산의 함량이 높을수록 경화가 더 진행되어 부서짐이 거의 나타나지 않은 것을 확인하였다. Choi et al.,(1996)의 연구에서 알긴산과 경화제의 농도에 따른 피 막의 경도를 측정할 결과에서 같은 농도의 경화제를 사용하 였을 때 알긴산의 농도가 높을수록 높은 경도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 연구에서 녹말과 알긴산의 배합비가 5:5일 때 보다 0:10일 때 피막의 경화가 더 진행되 었다는 것과 유사하다.
형성된 미세조류 피막의 생존율을 분석하기 위해 개체수 및 엽록소 함량을 측정한 결과는 Table 3과 Figure 1, 2와 같이 나타났다. 형성된 피막의 N. salina의 개체수는 녹말과 알긴산의 비율이 5:5인 경우 8.74×105 cells mL-1, 2:8일 때는 6.13×105 cells mL-1, 0:10일 때는 4.92×105 cells mL-1로 나타났다. 알긴산만 포함된 피막에 비해 녹말과 알 긴산이 포함된 피막에서 미세조류의 개체수가 약 2배 높게 나타났다. 엽록소 a, b를 측정한 결과에서는 녹말:알긴산이 5:5일 때 엽록소 a는 1.231±0.12 ug mL-1, 엽록소 b는 0.420±0.14 ug mL-1로 나타났고, 2:8인 경우에는 엽록소 a는 1.067±0.23 ug mL-1, 엽록소 b는 0.351±0.09 ug mL-1, 0:10일 때 엽록소 a는 0.704±0.21 ug mL-1, 엽록소 b는 0.229±0.05 ug mL-1으로 나타났다. 엽록소 a와 b 모두 녹말 과 알긴산의 비율이 5:5일 때 가장 높았으며 0:10인 경우에 비해 약 1.5배 높은 것으로 확인되었다. 녹말과 알긴산의 배합비가 5:5인 피막의 미세조류 개체수 및 엽록소 함량이 가장 높은 것으로 보아, 녹말 포함 시 피막의 내구성은 약하 나 녹말의 함유량이 많을수록 미세조류의 생존율이 높은 것으로 확인되었다.
2피막소재 해조류 적용
형성된 해조류 피막의 생존율을 분석하기 위해 현미경 관찰 및 엽록소 측정 결과는 Figure 3, 4, 5와 같이 나타났다. 광학 현미경으로 관찰한 결과, U. australis는 피막에서 내 부에서 정상적으로 발아하여 피막을 뚫고 나온 것을 확인할 수 있었다. 엽록소 a와 b 측정 결과에서는 녹말과 알긴산의 비율이 5:5일 때 엽록소 a가 0.689±0.07189 ug mL-1, 엽록 소 b는 0.261±0.042 ug mL-1로 나타났고, 2:8일 때 엽록소 a는 0.436±0.062 ug mL-1, 엽록소 b 0.109±0.043 ug mL-1, 0:10일 때는 엽록소 a가 0.319±0.101 ug mL-1, 엽록소 b는 0.072±0.052 ug mL-1로 나타났다. 녹말:알긴산이 5:5일 때 엽록소가 최대값을 보였으며, 0:10일 때 최소값으로 나타나 약 2배 높은 것을 확인할 수 있었다. Choi et al.(1996)의 알긴산을 이용한 지리강활 Angelica purpuraefolia 인공종 자 피막 연구 결과에서 알긴산의 농도가 높을수록 지리강활 종자의 발아율이 감소한다고 보고하였으며, 이는 본 연구결 과에서 알긴산의 농도가 높을수록 U. australis의 엽록소 a와 b가 감소한 것과 유사하다. 따라서, 해조류 피막의 엽록 소 a와 b 모두 녹말과 알긴산의 배합비가 5:5일 때 가장 높게 나타났으며, 미세조류 피막과 같이 녹말 함량이 높을 수록, 알긴산의 함량이 낮을수록 생존율이 높게 나타나는 것으로 사료된다.
3피막소재 인공어초 적용
인공어초에 표면에 해조류 유주자를 피막화하여 부착 시 킨 후 유주자의 발아는 Figure 6과 같이 현미경으로 관찰하 였고, 직접계수를 통해 개체수를 측정하였다. 현미경 관찰 결과에서 U. australis의 유주자가 발아하여 피막을 뚫고 성장하였으며 헛뿌리가 정상적으로 분화하여 인공어초 조 각시편 표면에 착생한 것을 확인하였다. 인공어초 표면에서 발아수는 99 individuals cm-2로 측정되었다.
