Kor J Fish Aquat Sci 46(6),862-867,2013
한수지 46(6), 862-867, 2013Original Article
862
서 론해양산성화는대기중이산화탄소가해수로녹아들어가면서 화학적반응에의해
pH
가낮아지는현상으로,
지구온난화와더 불어대기중이산화탄소의농도증가로나타나는대표적인지 구환경변화이다.
해수의산성화경향에기인한해양생태계의변화연구는
2000
년대들어와서세계적으로활발하게진행되고있으나
(Feely et al., 2004; Orr et al., 2005),
아직까지국내 에서연구가많이이루어지지않은실정이다.
현재학계에보고 된연구의대부분은산성화된환경에서무척추동물의생존이나성장에관한것이었다
.
특히외골격이CaCO
3로구성된동물플랑크톤이나산호
,
패류의경우,
산성화된해수는패각에직접 작용하여패각을녹여내거나형성을지연시켜이들의생명현 상에큰영향을미치고있다(Delille et al., 2005; Talmage and Gobler, 2010).
반면,
척추동물인어류에대한연구는아직활 발하지않은데(Fabry et al., 2008),
이는활발히움직이는어류 를대상으로하는실험환경이패류등에비해상대적으로어려운점도있으며
,
무척추동물에비해내골격을가지는척추동물 은해수의pH
변화를간접적경로로영향받거나환경변화에능 동적으로대처할수있기때문에(Ishimatsu et al., 2005)
상대적 으로해양산성화로인한영향을적게받을것으로예상되기때 문이다.
그러나해양산성화로인한생물들의반응이종별,
생장 단계별,
서식지별등으로달리나타나므로(Doney et al., 2009;
Kroeker et al., 2013),
해양생태계의상위단계포식자이며인류 의단백질공급에큰기여를하는어류를대상으로도적극적인 연구가필요할것으로생각된다.
본논문에서는이러한중요성 에인식하여,
어류중현재상업적어업과양식종으로이용되 고있는감성돔(Acanthopagrus schlegelii)
을실험어종으로선 택하여산성화의영향을연구하였다.
감성돔은수심50 m
이내 에서식하는내만성어종으로서식지역의변동이크지않으며,
우리나라서·
남해,
일본북해도이남,
발해,
황해,
동중국해등 에분포한다.
산란기는3-7
월이며,
최소성숙체장은수컷은체 장17 cm (2
년),
암컷은20 cm
이지만, 5-6
년이되면대부분이성숙하며산란기동안에수십회산란한다
(NFRDI, 2010).
겨Article history;
Received 4 November 2013; Revised 25 November 2013; Accepted 29 November 2013
*Corresponding author: Tel: +82. 51. 629. 5923 Fax: +82. 51. 629. 5923 E-mail address: [email protected]
Kor J Fish Aquat Sci 46(6) 862-867, December 2013 http://dx.doi.org/10.5657/KFAS.2013.0862 pISSN:0374-8111, eISSN:2287-8815
ⓒ The Korean Society of Fishereis and Aquatic Science. All rights reserved
해수 중 이산화탄소의 증가가 감성돔(Acanthopagrus schlegelii)의 초기성장에 미치는 영향
심정희 ·김경수
1*·김수암
1국립수산과학원 어장환경과, 1부경대학교 자원생물학과
The Effects of Elevated Carbon Dioxide in Seawater on the Early Life Stages of Black Sea Bream Acanthopagrus schlegelii
JeongHee Shim, Kyungsu Kim
1*
and Suam Kim1
Marine Environment Research Division, National Fisheries Research & Development Institute, Busan 619-705, Korea
1
Department of Marine Biology, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea
Since the industrial revolution, seawater has increased in temperature and acidity due to the increase in anthropogenic carbon di- oxide in the atmosphere. To understand the effect of elevated CO
2on the early life stages of fish, we reared fertilized eggs of black sea bream Acanthopagrus schlegelii under three CO
2concentrations (400, 850 and 1550 ppm) for 3 weeks. The standard length and wet weight of black sea bream larvae declined with enhanced CO
2concentration in the rearing water (P<0.05). However, chemi- cal analysis using ICP-OES on internal tissues of black sea bream larvae indicated that the whole-body calcium concentration increased with CO
2concentration in the rearing water. These conflicting results suggest that future experiments should examine the acid-base balance to investigate the formation of bone and otolith during larval growth.
Key words: Ocean acidification, Larva, Growth, Black sea bream, Acanthopagrus schlegelii
Standard length (mm)
Carbon dioxide concentration (ppm)
CO
2cylinder
CO
2sensor
mixing chamber
air filter msaa flow
controller
sea water in
reservoir 400, 850, 1550 ppm
aquaria
drain
aquaria water line
vacuum pump
air line
6.8 6.6 6.4 6.2 6.0 5.8 5.6
400 600 800 1000
(a)
1200 1400
5.4 5.2 5.0 display 400, 850, 1550
Bodywet weight (mg) Ca Concentration (mg kg
dry weight-1)
Carbon dioxide concentration (ppm)
Carbon dioxide concentration
3.2 3.0 2.8 2.6 2.4
400 600 800 1000
(b)
1200 1400
2.2 2.0 1.8
10,000
Control Medium High
8,000 6,000 4,000 2,000 0
Fig. 1. A schematic diagram of experimental system for ocean acidification. Total 3 systems are used for 3-levels of CO2 concentration dur- ing this study.
울철에깊은곳으로이동하는감성돔은국내에서
5
번째로많 이양식되는어종으로육질이단단하고맛이좋아고급횟감으로그수요가증가하고있다
(KOSIS, 2012).
이에본연구에서는상업적어업
/
양식대상어종인감성돔이해양산성화에대해 어떠한생태학적,
생리학적반응을나타내는지에대해조사하 고,
그연구결과를바탕으로향후기후변화에대한수산업대책 을마련하는데있어기초자료로활용하고자한다.
또한본실험 은산성화영향에대한해양어류의반응이라는새로운분야에 대한선구적연구로서,
향후이러한실험에서보완되어야할점 들을제시하고자한다.
재료 및 방법
실험 장치
어류를대상으로해양산성화에의한영향을파악하는데적 합한실험장치를설계하고제작하였다
(Fig. 1).
이장치는원하 는농도의이산화탄소를만드는공기혼합조와생물을사육하 는사육조로크게2
단계로구분된다.
외부공기는이산화탄소흡습제
(soda lime)
가충진된공기필터(air filter)
를통과하면서이 산화탄소가완전히제거된상태로혼합조(mixing chamber)
로 유입되고,
이산화탄소가스는정밀유량계(mass flow control- ler, MFC, KOFLOC Co., Model 3660 Series, Japan)
로일정 하게혼합조로유입되어,
결국혼합조내부는이산화탄소가제 거된공기와순수이산화탄소기체가섞이게된다.
이처럼형성 된혼합조내부의공기는이산화탄소농도측정기(CO
2sensor, SOHA Tech., SH-VT250, Korea)
를사용하여연속적으로측정 하면서농도가일정하게유지되도록하였다.
혼합조의공기는 다시진공펌프(vacuum pump, KnF co., N86KT.18, France)
를 통하여사육수저장고(reservoir)
와사육수조(aquaria)
로각각 지속적으로공급되며(Fig. 1),
이를통해저장고와사육수조에 서원하는수준의이산화탄소농도를유지할수있도록하였다.
사육수조는용량60 L
의원형수조를사용하였으며,
뚜껑을설 치하여대기와사육수간의기체교환으로인한사육수내의이 산화탄소농도증감을최소화하였다.
또한사육수조의물을교 환할때,
저장고에서물이보충되게하여환수로인한이산화탄 소농도의급격한변화를방지하였다.
수조는한개의저장고와 Table 1. Chemical properties for seawater in three experimental tanks in July. Calculated pCO2 was computed by CO2SYS software (Pierrot and Wallace, 2006) using measurements of pHNBS, total alkalinity, temperature, and salinityTarget pCO2
(ppm) pHNBS Temperature
(℃) Salinity
(psu) Total Alkalinity
(μmol kg-1) Calculated pCO2 (ppm)
400 8.05±0.05 20.0±0.5 32.4±0.6 2280.2±1.35 574.0±0.35
850 7.80±0.06 20.0±0.5 32.4±0.6 2275.7±0.25 988.0±0.11
1550 7.73±0.03 20.0±0.5 32.4±0.6 2266.6±0.81 1297.2±0.47
심정희
ㆍ
김경수ㆍ
김수암864
두개의사육수조가한세트로총
3
세트(
대조구,
저농도구,
고 농도구)
를운용하며,
각각다른이산화탄소농도로유지하였다. 탄소화학
사육수의이산화탄소는대조구가
400 ppm,
저농도구와고농 도구는각각850 ppm
와1550 ppm
로설정하였으며,
대조구농 도는현재대기이산화탄소농도수준이며, 850 ppm
과1550 ppm
은IPCC
의 배출시나리오(SRES)
중 중간(A1B)
과 최악(A1F1)
의시나리오에서각각예상하는2100
년대기이산화탄소농도에해당한다
(IPCC, 2007).
이때의pH
는대략적으로대 조구8.1,
저농도구7.9,
고농도구7.7
의수준으로,
각실험구별 로pH
미터(5 Star-pH meter with DO sensor, Thermo Scien- tific Orion, USA)
를이용하여매일3
회측정하여그수치를확 인하였다.
한편공기혼합조에서측정되는이산화탄소농도와 사육수의pH
를검정하고그외탄소계인자분포를파악하기위 해,
사육수의총알칼리도를측정하였다(Dickson et al., 2007).
이때총알칼리도는개방용기적정법을이용하여
, Dr. Andrew G. Dickson(Scripps Institute of Oceanography, University of California, San Diego, U.S.A)
실험실에서제작한표준물질로(reference materials)
검정하였다.
해수탄소계인자중총용존 무기탄소와이산화탄소는실험실에서측정한pH
와총알칼리 도를이용하여CO2SYS
프로그램(http://cdiac.ornl.gov/ftp/co- 2sys, Pierrot and Wallace, 2006)
으로계산하였다(Table 1).
그 결과,
원하던수준의이산화탄소농도와실제사육수조의이산 화탄소농도사이에다소차이가있었다:
대조구(
약570 ppm)
와저농도구(
약1000 ppm)
는다소높았으며,
고농도구(
약1300
ppm)
는다소낮았음.
그러나대조구에비해두실험구의이산화탄소농도가월등히높으므로
,
해양산성화의영향을평가하 기에큰문제가없는것으로생각된다.
또한대조구의이산화탄 소농도는외부공기와교환이원활하지않는밀폐된실내에서 흔히경험할수있는농도범위로,
감성돔의양식환경을고려한 다면현실적인농도범위에속한다고할수있다.
사육 환경
감성돔을대상으로하는해양산성화사육실험은
2011
년3
월 에약3
주간수행되었으며,
이때사용한감성돔수정란은2011
년2
월25
일전남여수에위치한경양수산에서공급받았다.
감 성돔수정란은실험실에서약8
시간의순치를거친후6
개의사 육수조(
이산화탄소농도3
수준×2
반복)
에수조당2000
립씩 수용하였다.
사육수온은20±0.5℃
로유지되었으며,
사육수의용존산소농도는모든수조에서약
10 mg L
-1로유지되게하였다
.
사육을위한광주기는14L:10D
로설정하였으며,
사육수는 수정란부화후7
일까지는교환하지않았으며7
일이후부터교 환을시작하여,
점점교환율을증가시켰다.
감성돔의먹이는부 화후2
일째부터로티퍼(Brachionus rotundiformis)
를공급하 였으며,
부화후14
일경과후부터는알테미아(Artemia salina)
와로티퍼를혼합급이하였다
. 시료 분석
해양산성화실험장치에서감성돔수정란을
3
주간사육후생 존개체에대하여체장과체중을측정하였다.
체장측정은각개 체별로실체현미경(Carl Zeiss co., Discovery V8, Germany)
하에서카메라(Carl Zeiss co., ICC1, Germany)
를이용하여사 진을찍어,
분석프로그램(Carl Zeiss co., Axiovision4.7, Ger-
many)
을통해개체의체장을정밀하게측정하였다.
체중분석은일반적인저울을이용하여측정하기에는시료각개체의중 량이매우작으므로다음과같은방법을이용하였다
.
시판되는micro tube (AXYGEN INC., PCR-02-C, USA)
에일련번호 를적은후,
각번호에해당하는micro tube
의무게를정밀저울(Mettler Toledo co., AB204-S, Switzerland)
을이용하여측정 하였다.
이후각micro tube
에감성돔치어를한마리씩넣어서 무게를다시측정하여,
그차이로치어의무게를계산하였다.
또한시료
(
치어)
내에존재하는칼슘의 농도를 측정하기위하여
,
각실험구의시료대부분을동결건조(SAMWON ENG.,
SFDSF06, KOREA)
하고곱게갈아서분말로만들었다.
이후한 국기초과학지원연구센터(
부산센터)
에서ICP-OES (ACTIVA,
JY HORIVA, JAPAN)
로분석하였다.
이상의시료분석결과는
Minitab 16 (Version 16.2.1, USA)
프로그램으로One-way
ANOVA
통계분석을하였다.
결과 및 고찰
현재와미래에예상되는이산화탄소농도에서감성돔치어를
3
주일동안사육한결과,
사육수내의이산화탄소농도가증가 함에따라감성돔자치어의성장이저해되는것을확인할수있 었다(P<0.05, Fig. 2, Table. 2).
체장의경우,
대조구(400 ppm)
에서는6.5±0.17 mm (
평균±
표준편차)
를보였으나,
저농도(850 ppm)
와고농도(1550 ppm)
에서는각각5.8±0.12 mm
와 Table 2. Results of statistical analysis (one-way ANOVA). (a) is length, (b) is weight resultSource DF SS MS F P
(a)
Length 2 128.241 64.121 69.48 0.000
Error 616 568.476 0.923
Total 618 696.717
(b)
Weight 2 63.010 31.500 21.78 0.000
Error 613 886.690 1.450
Total 615 949.690
해양산성화가 감성돔의 초기성장에 미치는 영향
865
5.3±0.10 mm
의결과를보였다.
체중도대조구에서가장높게
(2.8±0.21 mg)
나타났으며,
다음으로 저농도와고농도순서로각각
2.5±0.15 mg, 2.1±0.14 mg
의값을보였다.
이처 럼이산화탄소농도가증가할수록감성돔의체장과체중이낮 은값을보이는것은,
해수의이산화탄소농도증가가감성돔 의초기성장에나쁜영향을준다는것을의미한다.
이러한결 과는다른연구자들이어류의유생및치어단계에서실험한결 과와잘일치하였다(Moran and Støttrup, 2011; Baumann et al., 2012; Frommel et al., 2012). Moran and Støttrup (2011)
과Frommel et al. (2012)
은대서양대구의자어와치어를대상으 로이산화탄소농도를달리하여배양한결과,
이산화탄소가높 은환경에서산-
염기평형조절능력이없는자어는심각한내부 장기손상을보였으며성장률도현저히감소한다고보고하였 다. Baumann et al. (2012)
도기수역에서식하는어류Menidia
beryllina
를대상으로실험한결과,
이산화탄소농도1000 ppm
에노출된개체의생존율및체장이
400 ppm
에노출된개체보다각각
74%, 18%
감소하였으며,
또한높은이산화탄소농도에노출된개체에서휘거나곱슬거리는형태의유생을더많이 발견하였다고제시하였다
.
한편
,
일부연구자들은해양산성화의일반적인결과와반대 로,
이산화탄소농도가증가할수록어류성장에좋은영향을미 친다는결과를제시하였다(Morgan et al., 2001; Munday et al., 2009; Checkley et al., 2009). Munday et al. (2009)
는크라운피 쉬(orange clownfish, Amphiprion percula)
의수정난과자어 를CO
2400-1030 ppm
환경에서배양한결과,
산성화환경에서배양된자어에서대조구에비해체장과체중이각각
15-18%,
47-52%
증가하였다고보고하였다. Morgan et al. (2001)
도무 지개송어(rainbow trout, Oncorhynchus mykiss)
를pH 5.2
에서 배양하였을때,
먹이소비와성장이증가한결과를제시하였다.
한편Checkley et al. (2009)
는농어의일종인white sea bass (Atractoscion nobilis)
의이석크기를주사전자현미경으로관 찰한 결과,
예상과 다르게 높은 이산화탄소 농도(993-2558 µatm)
에서 자란white sea bass
의 이석이 대조구에 비해서7-17%
크게자란것으로보고하였다.
해양산성화는일반적으로탄산칼슘
(CaCO
3)
의형성을저해함으로,
산호를비롯한패류에게치명적으로작용하는것으로알려졌다
.
그런측면에서 탄산칼슘으로형성된어류의골격과이석에도영향을미칠것 으로생각되나, Checkley et al. (2009)
는이와상반된결과를제 시하였으며,
이의원인으로어류의산-
염기평형유지기능을 제시하였다.
무척추동물에는없는어류의산-
염기평형체계에 의해이석주위체액에탄산염이온[CO
3-2]
농도가증가하여탄 산칼슘포화도(Ω
arag)
가높아졌으며,
이로인해이석생성에오 히려도움이되었던것으로설명하였다. Cooper et al. (2010)
도 Fig. 2. Growth difference of (a) standard length and (b) body wetweight of black sea bream Acanthopagrus schlegelii larvae of 21 days old at various concentrations of carbon dioxide.
Fig. 3. Concentration of Ca in the whole body of black sea bream Acanthopagrus schlegelii reared at each CO2 level.
Standard length (mm)
Carbon dioxide concentration (ppm)
CO
2cylinder
CO
2sensor
mixing chamber
air filter msaa flow
controller
sea water in
reservoir 400, 850, 1550 ppm
aquaria
drain
aquaria water line
vacuum pump
air line
6.8 6.6 6.4 6.2 6.0 5.8 5.6
400 600 800 1000
(a)
1200 1400
5.4 5.2 5.0 display 400, 850, 1550
Bodywet weight (mg) Ca Concentration (mg kg
dry weight-1)
Carbon dioxide concentration (ppm)
Carbon dioxide concentration
3.2 3.0 2.8 2.6 2.4
400 600 800 1000
(b)
1200 1400
2.2 2.0 1.8
10,000
Control Medium High
8,000 6,000 4,000 2,000 0
Standard length (mm)
Carbon dioxide concentration (ppm)
CO
2sensor
mixing chamber
air filter msaa flow
controller
reservoir 400, 850, 1550 ppm
aquaria
drain
aquaria water line
vacuum pump
air line
6.8 6.6 6.4 6.2 6.0 5.8 5.6
400 600 800 1000
(a)
1200 1400
5.4 5.2 5.0
Bodywet weight (mg) Ca Concentration (mg kg
dry weight-1)
Carbon dioxide concentration (ppm)
Carbon dioxide concentration
3.2 3.0 2.8 2.6 2.4
400 600 800 1000
(b)
1200 1400
2.2 2.0 1.8
10,000
Control Medium High
8,000 6,000 4,000 2,000 0
Standard length (mm)
Carbon dioxide concentration (ppm)
CO
2cylinder
CO
2sensor
mixing chamber
air filter msaa flow
controller
sea water in
reservoir 400, 850, 1550 ppm
aquaria
drain
aquaria water line
vacuum pump
air line
6.8 6.6 6.4 6.2 6.0 5.8 5.6
400 600 800 1000
(a)
1200 1400
5.4 5.2 5.0 display 400, 850, 1550
Bodywet weight (mg) Ca Concentration (mg kg
dry weight-1)
Carbon dioxide concentration (ppm)
Carbon dioxide concentration
3.2 3.0 2.8 2.6 2.4
400 600 800 1000
(b)
1200 1400
2.2 2.0 1.8
10,000
Control Medium High
8,000
6,000
4,000
2,000
0
심정희
ㆍ
김경수ㆍ
김수암866
어류의이같은산
-
염기평형으로생성된탄산칼슘이해양탄산 칼슘분포에상당부분기여한다고설명하였다.
본연구의경우,
3
주동안사육한감성돔의이석과골격등을비교하기위해,
각개체별로주사전자현미경이나성분분석을하기에는그크기 나질량이매우작고부족한관계로
,
부득이하게단일실험구에서배양된시료대부분을합하여
,
칼슘(Ca)
분석을수행하였다.
그결과대조구
(400 ppm)
에비해두실험구(850, 1550 ppm)
에 서2
배이상칼슘이더축적된것으로나타났다(Fig. 3).
이는체 내칼슘성분이이산화탄소농도가높을수록더많이증가하는 것을의미하며,
결국체내칼슘성분의99%
가골격에분포한다(Johns, 1977; Nordin, 1976)
는것을고려하면Checkley et al.
(2009)
가제안한데로감성돔의이석및골격형성에도산성화환경이다소유리하게작용하였을가능성이있다
.
그러나본연 구결과는앞서언급한데로,
한개체별칼슘농도를측정한것이 아니며또한육질부분을포함한전체몸체에대한결과로서해 석에있어신중할필요가있을것으로생각되며,
추후추가연구 를통해정밀한결과를제시할필요가있다.
이상에서해양산성화환경에서감성돔을수정부터자치어단 계까지
3
주간배양한결과산성화가진행될수록개체의체장과 체중이감소하는것으로나타났으나,
어체의칼슘농도는오히 려증가하는것으로나타났다.
이로서이산화탄소가높은환경 은감성돔의초기발달단계에서체장과체중성장에는다소나 쁜영향을미칠것으로생각된다.
반면,
산성화환경이감성돔체 내칼슘축적이나이석을포함한골격형성에미치는영향은추 후연구를통해감성돔의초기발달단계에서산-
염기평형유지 능력과연계하여검정할필요가있을것으로생각된다.
이처럼해양산성화는해양생물의성장
,
발달,
체성분등에영 향을미칠뿐만아니라,
동일분류군(
또는동일종)
중에도그반 응의정도및양상이다르게나타나며,
더욱이한개체의생체 영역에따라서도영향이달리나타났다.
따라서여러연구자에 의한것처럼(Doney et al., 2009; Kroeker et al., 2013)
해양산 성화로인한환경변화에해양생물의반응을종합하기에는그 반응형태가매우다양하고특이성이있으므로앞으로의연구 는이를반영하여다각도로진행되어야할것으로생각된다.
특 히,
미래환경에서수산자원의안정적인공급을위해,
다양한(
양식)
어류를대상으로해양산성화의영향을정밀하게평가하 고이를토대로정책수립에반영할수있는기초자료를제시해 야할것으로생각된다.
사 사
이 연구는 국립수산과학원
(RP-2013-ME-097)
의 지원으로 수행되었습니다.
실험에사용된감성돔수정란을공급해주신 전남여수시경양수산김병국사장님께감사드립니다.
그리고 이논문을검토하시고조언을해주신심사위원들께도감사드 립니다.
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