BSPEA0056-13522-3
2022.12.31.
산호류 기반 생태계 대전환 현장 맞춤형 모니터링 기술 개발
Development of customized field monitoring technology for coral-based ecosystem transition
제 출 문
한국해양과학기술원장 귀하
본 보고서를 “산호류 기반 생태계 대전환 현장 맞춤형 모니터링 기술 개발” 연구 과제의 최종보고서로 제출합니다.
2022. 12. 31.
총괄연구책임자 : 양 현 성
참 여 연 구 원 : 강 도 형
“ : 김 태 호
“ : 최 운 용
“ : 이 경 태
보고서 초록
과제고유
번호 PEA0056 해당단계 연구기간
2022.04.01 –
2022.12.31 단계 구분 단년도 사업
연구사업명 중사업명 주요사업(미래선도사업)
세부사업명 신진연구자 지원
연구과제명 대과제명
세부과제명 산호류 기반 생태계 대전환 현장 맞춤형 모니터링 기술 개발
연구책임자 양현성
해당단계 참여연구원수
총 : 5명 내부: 4명 외부: 1명
해당단계 연구비
정부: 45,000천원
기업: 천원
계 : 45,000천원 총연구기간
참여연구원수
총 : 5명 내부: 4명 외부: 1명
총 연구비
정부: 45,000천원
기업: 천원
계 : 45,000천원 연구기관명
및 소속부서명
한국해양과학기술원
제주연구소 제주특성연구센터 참여기업명 국제공동연구
위탁연구
요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 보고서
면수 41
Ÿ 제주 해역 중 산호류 서식지 확장이 가장 활발하게 진행되고 있는 보목 연안에서 2022년 8월, 세 종류의 모니터링구조물(①ARMS, ②현무암 모니터링구조물, ③현무암 모니터링구조물 + 인공해 조류)을 설치하고, 2주 간격으로 부착생물을 모니터링 하였음
Ÿ ARMS와 현무암 모니터링구조물의 경우, 2주차는 Filamentous turf가 우점하였고, 8주차부터는 Crustose coralline algae (CCA)가 우점하기 시작하여, 14주에는 CCA의 피도가 각각 90.7%와 86.7%로 급격히 증가하는 것이 확인되었음
Ÿ 반면, 인공해조류 부착 구조물에서는 2주차는 CCA가 32.7%의 피도로 우점하였고, 이후 4주차에 Filamentous turf가 증가하여 전체 면적 중 61.3%를 차지하였다가, 다시 10주차부터는 Filamentous turf의 피도는 감소되고 CCA가 다시 우점하는 변화양상을 보였음
Ÿ 2∼8주차의 군집 구조는 CCA와 Filamentous turf에 영향을 받으며, 8주차 이후 CCA가 군집에 기여하는 바가 커졌으며, 군집구조에 가장 많은 영향을 미치는 것으로 확인됨
Ÿ CCA는 pvc 재질인 ARMS에서 빠르게 가입되고 성장하였고, 환경 및 시기에 따라 초기 군집구 조는 다르게 나타나는 것으로 보였으며, 각 생물 군별 복잡한 상호작용과 공간경쟁이 일어나는 것으로 판단됨
색인어 (각 5개 이상)
한 글 해양생태계모니터링시스템, 기후변화, 해조류, 산호류, 저서생태계 영 어 Marine ecosystem monitoring system, Climate change,
Macroalgae, Coral, Benthic ecosystem
요 약 문
Ⅰ. 제 목
산호류 기반 생태계 대전환 현장 맞춤형 모니터링 기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
○ 기후·환경 변화에 따른 제주연안 해조류 기반 생태계에서 산호류 기반 생태 계변화 현상 감시를 위한 모니터링 기술 개발
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위 1. 연구기간
○ 2022년 4월 1일~2022월 12월 31일
2. 연구개발의 내용
○ 어초기능 접목 생태계 모니터링 장비 개발
- 인공해조류 부착 기술을 접목한 해양생태계 모니터링 장비 기술 개발 - 제주연안 설치, 운용 및 활용 가능성 평가
- 기존 산호초/암반생태계 모니터링구조물(ARMS)과 K-ARMS 비교 - 해조류/산호류 기반 생태계 변화에 따른 생물다양성 조사
Ⅳ. 연구개발결과
1. 모니터링구조물 부착생물 이미지분석
○ 제주 해역 중 산호류 서식지 확장이 가장 활발하게 진행되고 있는 보목 연 안에서 2022년 8월, ①ARMS, ②현무암 모니터링구조물(basalt plate),
③현무암 모니터링구조물 + 인공해조류(basalt plate + artificial algae), 세 가지 종류의 모니터링구조물을 설치하였고, 각 모니터링구조물 은 생물부착 양상을 알아보기 위해 2주 간격으로 수중촬영을 실시하였음
○ ARMS에서 2주차 우점하는 생물은 Filamentous turf이며, 4주차에 Crustose coralline algae(CCA)와 Red algae가 가입되는 것이 확인되었 음. 이후 8주차부터 CCA의 피도는 68%로 우점하였으며, 점차 공간을 차 지하여 14주차에 CCA의 피도는 90.7%이었음
○ 현무암 모니터링구조물에서도 2주차에 우점하는 생물은 Filamentous turf 였고, CCA의 피도는 20.3%이었음. 이후 8주차부터 CCA의 피도는
46.3%로 우점하는 것으로 확인되었고, 14주차에 CCA의 피도는 86.7%이 었음
○ 현무암 모니터링구조물에 인공해조류를 이식한 구조물에서는 2주차 CCA가 32.7%로 우점하였고, 이후 4주차에 Filamentous turf가 증가하여 전체 면적 중 61.3%를 차지하였다가, 10주차부터 Filamentous turf의 피도는 감소되고 CCA가 우점하는 변화양상을 보였음
2. 모니터링구조물 부착생물 군집 통계분석
○ 각 모니터링구조물의 부착생물 군집구조는 시기별로 다르게 나타나는 것으 로 확인되었음
○ 1~4주차 구간의 군집구조는 CCA와 Filamentous turf에 영향을 받으며, 추가적으로 Red algae에 영향을 받는 것으로 판단됨
○ 그러나 이후 CCA가 군집에 기여하는 바가 커졌으며, 군집구조에 가장 많 은 영향을 미치는 것으로 판단되며, 재료 및 소재별로 부착생물 군집구조는 유의한 차이를 보이지 않았음
3. 모니터링구조물 분석 결과
○ 재료 및 소재에 따라 저서생물의 초기 가입률은 다른 것으로 확인되었으며, CCA는 pvc 재질인 ARMS에서 빠르게 가입되고 성장하였음
○ 환경 및 시기에 따라 초기 군집구조는 다르게 나타나는 것으로 보였으며, 각 생물 군별 복잡한 상호작용과 공간경쟁이 일어나는 것으로 판단됨
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
○ 해조류/산호류 기반 생태계 모니터링 장비 기술 개발
○ K-ARMS를 활용한 제주해역의 해양생태계 군집 특성 규명
○ K-ARMS를 활용 제주해역 해양 생물다양성 정보 DB 구축
○ 기후변화로 인한 제주해역 해양생태계 대변화 현상 감지
○ 기후변화로 인한 아열대성 해양생물 유입 탐지
SUMMARY 및 KEYWORDS (영 문 요 약 문)
Ⅰ. Title
Development of customized field monitoring technology for coral-based ecosystem transition
Ⅱ. Purpose of the study
○ Development of technology for monitoring changes in coral and macroalgae-based ecosystems along the coast of Jeju Island in response to climate and environmental changes
Ⅲ. Research scope 1. Period of the study
○ April 1, 2022~December 31, 2022
2. Contents and scope of the study
○ Development of equipment for monitoring reef ecosystems
- Development of marine ecosystem monitoring equipment incorporating technology for attaching artificial algae
- Evaluation of the feasibility of installation, operation, and utilization of coastal monitoring equipment in Jeju
- Comparison of monitoring structure (ARMS) with the Korean Advanced Reef Monitoring System (K-ARMS)
- Investigation of biodiversity changes in macroalgae and coral-based ecosystems
Ⅳ. Results
1. Analysis of images captured by the monitoring structure for benthic organisms
○ Three types of monitoring structures - ARMS, basalt monitoring structure (basalt plate), and basalt monitoring structure with
installed in August 2022 at the Bomok coast, where coral reef habitat expansion is most active in Jeju Island. Each structure was photographed every two weeks to study the succession pattern. In ARMS, filamentous turf was the dominant organism in the 2nd week, and by the 4th week, Crustose coralline algae (CCA) and red algae joined. By the 8th week, the coverage of CCA was dominant at 68%, gradually increasing to 90.7% by the 14th week. In the basalt monitoring structure, filamentous turf was prevalent in the 2nd week; by the 8th week, CCA was dominant at 46.3% and reached 86.7% by the 14th week. In basalt monitoring structure with artificial algae, CCA was prevalent in the 2nd week at 32.7%, but by the 4th week, the coverage of filamentous turf increased to 61.3%. By the 10th week, the range of filamentous turf decreased, and CCA was the dominant species.
2. Statistical analysis of monitoring structure attached benthic community
○ The benthic community composition of each monitoring structure was found to vary seasonally. In the 1st to 4th week, the benthos community structure was affected by CCA, Filamentous turf, and red algae. However, later CCA contributed more to the community and was the most influential benthic species in the community structure. There was no significant difference in the benthic community composition based on material and material type.
3. Monitoring structure analysis result
○ It was found that the initial benthic organism colonization rate varied depending on the material and substrate used. CCA was observed to grow quickly on ARMS, which is made of PVC material. The initial benthic community composition appeared to be diverse based on environmental conditions and time, indicating the presence of complex interactions and space competition among various benthos.
Ⅴ. Applications
○ Development of macroalgae/coral-based ecosystem monitoring equipment technology
○ Identification of characteristics of the marine ecosystem community in Jeju Island using K-ARMS
○ Establishment of marine biodiversity information DB in Jeju Island using K-ARMS
○ Detection of changes in marine ecosystems caused by climate change
○ Detection of subtropical marine organisms caused by climate change
Keywords
한 글 해양생태계모니터링시스템, 기후변화, 해조류, 산호류, 저서생태계
영 어 Marine ecosystem monitoring system, Climate change, Macroalgae, Coral, Benthic ecosystem
C O N T E N T S
Summary ···3
Contents ···9
Chapter Ⅰ Introduction ···10
Section 1 Objectives of the study ···10
Section 2 Contents and scopes of the study ···14
Chapter Ⅱ States of technical development in the home and foreign countries ···16
Section 1 Trends of study in Korea ···16
Section 2 Trends of study in foreign countries ···19
Chapter Ⅲ Results of the study ···23
Section 1 Development of marine ecosystem monitoring equipment Section 2 Genetic species identification of sand anemone in the south of Jeju Island ···33
Chapter Ⅳ Achievements of objectives and contributions to the related area ···36
Section 1 Achievements of objectives ···36
Section 2 Contributions to the related area ···40
Chapter Ⅴ Application plans of the results of the study ···41
목 차
요 약 문 3
목 차 9
제 1 장 서 론 10
제 1 절 연구개발의 목적 및 필요성 10
제 2 절 연구개발의 내용 및 범위 14
제 2 장 국내외 기술개발 현황 16
제 1 절 국내 연구 동향 16
제 2 절 국외 연구 동향 19
제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 23
제 1 절 어초기능 접목 생태계모니터링 장비 개발 23 제 2 절 제주 남부해역 서식하는 모래말미잘 유전학적 종동정 33
제 4 장 연구개발 목표달성도 및 대외기여도 36
제 1 절 연구개발 목표달성도 36
제 2 절 대외기여도 40
제 5 장 연구개발결과의 활용계획 41
제 1 장 서 론
1. 연구개발의 필요성
○ 수온상승폭이 전세계적으로 가장 높은 제주연안은 생태계의 급격한 변화(해조류에서 산호 생태계로 전환)가 수중에서 관찰되고 있고, 아열대 종들의 다량 가입 확산으로 기반 생태계가 급격하게 변화하고 있으나 이에 대한 정량적이고 표준화된 조기 진단 및 관리 연구·조사는 미흡한 실정임
○ 아열대화에 따라 제주해역은 해조류 중심의 서식지에서 산호류 중심의 서식지로 변화 하고 있음
- 제주 연안의 조하대는 감태를 중심으로 하는 다년생 해조류 기반의 생태계로 구성되었으나 최근 기후변화와 관련하여 감태 개체군이 감소하는 현상과 함께 아열대성 산호류가 증가하는 현상이 감지되고 있음
- 조하대의 다년생 해조류 중심의 생태계에서 산호류 중심의 생태계로의 변동은 우리나라 연안의 복잡하게 구성된 해양생태계에 큰 변동을 일으킬 수 있으나 이를 해석하기 위한 기초적인 생태학적 연구는 매우 부족한 실정임
- 해조 군집은 해양환경 변화에 매우 민감하게 반응하기 때문에 최근 나타나는 기후변화에 따른 수온상승이 직접적으로 영향을 줄 수 있으며, 이에 따라 기존 해양생태계에서 보유하는 해조 군집의 역할이 축소되거나 변동되는 현상이 나타날 수 있음
- 또한, 해조 군집은 연안의 1차생산자로써 다양한 해양생물에게 서식처를 제공하고, 오염물질 정화, 온실가스(CO2) 저감하는 역할을 하고 있을 뿐 아니라, 웰빙식품, 유용기능성 물질을 다량 함유하고 있는 청정 바이오 에너지원으로 각광 받고 있음
2. 연구개발의 목적
○ 기후・환경 변화에 따른 제주연안 해조류 기반 생태계에서 산호류 기반 생태계로의 대변화 현상 감시를 위한 모니터링 기술 개발
3. 연구개발의 중요성 및 도전성
□ 기술적 측면
○ 고정형 어초 기능 병행 모니터링 구조물 개발 및 활용 가능성 진단
- 기후변화에 따른 제주해역의 해양생태계 관리 정책 및 추진을 위한 과학적 근거 제시
- 제주 해역 암반 생태계 모니터링구조물(K-ARMS)을 통해 수집된 해양 생물다양성 정보 DB 구축
- 해양 저서생태계 연구 분야 차세대 전문연구 인력 양성 - K-ARMS DB를 활용한 다양한 국내 기후변화 연구 선도
□ 경제/산업적 측면
○ 기후변화 기인 유입생물 가치 식별・분류
- 유입 해양생물의 안전성 및 활용도 제고 등 다양한 분야에 대한 분류를 통해 세부 전략 마련
○ 신규 유입생물 국내산 인증
- 새로운 아열대 생물 중, 해조류를 포함한 다수의 유입해양생물은 해양바이오 전략소재 용도로의 개발 가능성이 높기 때문에 수입대체 등 나고야의정서에 긍정적인 국내 산업소재로 활용하여 고부가가치 창출 기반 마련
□ 사회/문화적 측면
○ 산호류 기반 생태계로의 대변화 현상 관찰을 통한 해양생태계 변화 인식제고
- 해양생태계 현황과 대변화에 대한 현장 정밀조사 및 과학적 분석 자료를 확보해 사회적 혼돈을 방지할 정책・교육・연구의 객관적 자료 산출
- 기후변화 적응 가능한 종들을 식별・분류하여 과학적・경제적・사회적 가치가 있는 종들을 해양기후변화산업 대응 방안으로 추진
- 전 지구적 수온상승 보다 높은 국내 수온상승율과 산성화 및 영양염 감소로 인해 해양생태계에 미치는 영향을 사회적 이슈로 도출하여 국민적 공감대 도출 및 대응 전략 마련
- 국내 해양생태계변화 정보는 타 국가에 비해 많을 것으로 예상되는 바, 국제공동연구 네트워크를 통해 분석 및 예측 효율성을 극대화하여 차세대 연구 리더 그룹으로 도약
4. 상위목표와의 연계성
□ 해양과기원 임무 및 목표 등과의 연계성
○ 본 연구는 해양과기원 발전전략(2020)에 따른 ‘해양환경·생태계 위기 선제 대응 분 야’의 ①기후변화 감시와 예측 및 ②기후변화 관리기술 개발에 부합함
○ 본 연구는 해양과기원의 연구사업계획(′23∼28) 전략목표1 (기후·해양환경변화 대 응) 해양기후변화 진단·예측 역량 및 해양환경·생태계 변화 대응 기반 강화의 세부 목표인 1-1. 해양변화 모니터링을 통한 기후변화 및 해양환경 변동특성 진단과 1-2.
해양변화 예측역량 강화와 해양기후변화 전망 부분의 기초자료로서의 활용 가능할 것 으로 기대됨
□ 관련 정부정책과의 연계성
○ 제5차 과학기술기본계획(′23∼27) ‘과학기술혁신이 선도하는 담대한 미래’ 비전 중
과학기술기반 국가적 현안 해결 및 미래 대응 관련 내용 중
- 전략3 분야의 ‘(재난/위기) 기후변화와 같은 미래위험에 대응하고, 피해저감 기술 개 발’ 부분에 기여 가능
○ ‘대한민국 과학기술 미래전략 2045’ 분야의 미래를 향한 도전과제와 과학기술정책의 전환
- 기후변화, 재난재해, 감염병 등 인류의 생존을 위협하는 요인 대처(과학기술 도전과 제)
- 사회문제를 해결하고 삶의 질을 제고하는 공공연구개발(과학기술 정책방향)에 부합
○ ‘제6차 지방과학기술진흥종합계획(′23∼27)’ 목표는 지역의 강점 및 수준을 고려한 고유의 성장경로를 설정하여 자생력 높은 지역혁신생태계 구축임
- 출연(연) 지역조직을 중심으로 대학/기업 참여 의무화
- 지역이 당면한 사회문제를 해결 할 수 있는 중점추진과제 지원 등이 명시되어 있음
○ ‘제4차 국가생물다양성전략’-생물다양성과 관련하여
- 전략2 분야 ‘생물다양성 위험요인 관리(교란종 침입예방 및 통제)’
- 전략3 분야 ‘생물다양성 보전 및 증진(유전적 다양성 증진)’
- 전략4 분야 ‘생물다양성 이익공유 및 지속가능한 이용’ 등의 내용에 부합
○ ‘제2차 해양생태계 보전·관리 기본 계획’- 해양생물 관리 강화
- 「해양생태계의 보전 및 관리에 관한 법률」(이하 「해양생태계법」) 제9조에서 해양 수산부장관은 해양생태계를 종합적이고 체계적으로 보전·관리하기 위해 해양생태계 보전·관리 기본계획을 10년마다 수립하도록 규정
- 해양수산부는 해양수산발전위원회의 심의를 거쳐 '제2차 해양생태계 보전·관리 기본 계획(‘19~’28)'을 확정하고 ‘19년(01.28) 발표
- 특히 안전한 해양생태계 조성을 위한 ‘해양생물 관리 강화’ 정책 발표
○ 2021년 국가 해양생태계 종합조사
- ‘21년 조사 결과, 국내 해역에 출현하는 해양생물 종수는 ’14년(4,906종) 대비 64%
증가한 7,619종으로 확인됨
- 특히, 따뜻한 대마난류에 직접적인 영향을 받는 해역에 출현하는 어류 중 난류성 어 종수가 최근 6년간 약 18% 증가하였고, 저서 무척추동물이 북상하는 현상이 관찰됨 - 해수부는 기후변화가 해양생태계에 미치는 영향과 해양생물의 변동 양상을 더욱 면밀
히 파악하기 위해 아열대화가 진행되는 제주도 및 남해안 해역에 대한 해양생태계종 합조사 확대 계획
1. 연구개발의 최종목표
○ 기후・환경 변화에 따른 제주연안 해조류 기반 생태계에서 산호류 기반 생태계로의 대변화 현상 감시를 위한 모니터링 기술 개발
2. 정성적 목표
(단위 : 천원) 연차별 성과목표 및 연구내용
성과목표 연구내용 연구비
(직접비)
어초기능 접목 해양 생 태계 모니터링 장비 개 발
Ÿ 인공 해조류 부착 기술을 접목한 해양 생태계 모니터링 장비 개발
45,000 Ÿ 제주연안 설치, 운용 및 활용 가능성 평가(기존 모니터
링구조물과 개발 모니터링구조물 비교)
Ÿ 해조류/산호류 기반 생태계 변화 생물다양성 조사
계
3. 정량적 목표
구분 가중치
(%) 과제 설정목표(건) (a) 성과목표(건)*
(b)
가중치세부 (%)
설정도(%) (a/b)
과학적성과
논문 45
mrnIF 81점 이상 mrnIF 61~80
mrnIF 41~60 1 100
mrnIF 40점 이하 KCI/SCOPUS
소계 1 100
저서
국제저서 국내저서 국제편저 역서 등
소계
기술적 성과 특허 45
국제특허 출원 국제특허 등록 국제특허 추가등록
국내특허 출원 1 100
국내특허 등록
소계 1 100
경제적 성과 기술료 기술이전 성과
사회적,인프 라
홍보활동 10 대중강연/인터뷰 1 100
세미나
개최 외부협력 세미나
개최
정책제안 지역현안 정책제안
과학체험 프로그램
대외활동 학술발표
계 - 100% 3 100
제 2 장 국내외 기술개발 현황
1. 해양생태계 모니터링 연구
○ 국내에서 산호류 다양성이 가장 높은 제주연안은 해조류와 산호류가 동시에 분포하여 공간 경쟁이 치열한 지역으로, 이를 분석하기 위한 표준화 규격화된 생태계 모니터링 시스템 개발과 적용이 필요
- 현장맞춤형 장비 및 적용 기술은 해양생태계의 전체 변화를 해석하는 도구로서 매우 중요할 뿐만 아니라 기술 선진국의 선행 자료와의 비교분석 및 지속적인 협력을 위해서도 필요한 기술개발 분야라 할 수 있음
○ 특히 제주연안에 주요 서식지로 분류되어 분포하고 있는 ①해조류와 산호류가 수온상 승과 맞물려 생태학적 지위가 바뀌고 있는 점, ②세계적으로도 이런 현상이 발생하는 지역이 제한적인 측면을 고려할 때, 지속가능한 데이터 산출 및 관리기반 구축을 위 한 종합적인 연구 진행 필요
○ 바다 수온과 해수면의 상승, 그리고 해양산성화 등 기후변화에 따른 국내 해양생태계 여건이 악화되고 있으며 평균치를 상회하여 진행중임
- 2021년 기준 국립수산과학원의 연구 결과, 지난 53년간 전 세계 해역 연평균 표층수온은 약 0.53℃ 상승한 반면, 국내 연평균 표층수온은 약 1.2℃ 상승하여 전 세계 평균대비 2배 이상 상승
- 한반도 해역 표층 수온은 전 세계에서 가장 높은 상승률을 기록했으며, 2100년까지 4-5℃ 추가 상승할 것으로 예상
- 표층 수온 상승으로 제주 연안에서는 열대성 어류가 빈번하게 출현하고 있으며, 기후변화로 한반도 해역에서 양식할 수 있는 품종이 극히 제한될 것으로 예측
- 수온 변화에 따라 생물의 서식지, 산란시기, 성장 환경 등도 변화하고 있어, 이에 대한 전반적 조사가 필요한 실정임
- 한반도 해역 연평균 해수면 상승률은 지난 40년 간 2.48 mm로 동 기간 전 지구평균값 1.7 mm를 상회(’15, 국립해양조사원)
- 동해 표층(울릉분지)의 CO2가 전 지구 바다의 평균보다 약 2배 높게 나타나는 등, 해양산성화가 진행 중이며, 연안 바다의 산성화는 육상기인 오염에 의해 가속화
<국내 해역별 표층수온 변동 경향(좌) 및 한반도 주변 어종 변화(출처: 펄펄 끓는 지구, 한반도 어장지도가 바뀐다 - 2021 어종 변화 보고서(현대해양,
2021.09))>
2. 국내 해양생태계 종합조사(2015~2020) 주요 결과
○ 2021년 3월 발표된 해양수산부의 해양생태계 종합조사 결과, 우리나라 해역에 출현 하는 해양생물의 종수는 7,619종으로 2006년부터 2014년까지 확인된 4,906종에 비해 약 64%가 증가함
○ 특히 따뜻한 대마난류에 직접적인 영향을 받는 해역에 출현하는 어류(총 112종) 중 난류성 어종수가 최근 6년간 약 18%(’15년 52%→’20년 70%) 증가함
○ 기후변화의 영향은 해저바닥에 서식하는 해양생물인 소라(Turbo sazae), 달랑게 (Ocypode stimpsoni), 기수갈고둥(Clithon retropictum) 등에서도 나타남. 소라 는 과거(’09∼’11년) 남해안에서 북위 35도까지 서식하는 것으로 관찰되었으나, 최 근 북위 37도(울진 부근)까지 서식처를 확대함(그림 2-3). 또한, 동해안에 서식하는 달랑게는 북쪽으로 약 80km(포항 북구→ 경북 울진), 기수갈고둥은 약 20km(경북 울진→ 강원 삼척)까지 서식처를 확대했음(※ 이러한 결과는 기후변화로 바닷물 온도 가 높아지면서 해양생물들이 생존할 수 있는 한계선이 북쪽으로 이동했다는 것을 의 미)
○ 해양수산부는 기후변화가 해양생태계에 미치는 영향과 해양생물의 변동 양상과 특성 을 더욱 면밀히 파악하기 위해 아열대화가 진행되는 것으로 관찰되는 제주도 및 남해 안 해역에 대한 해양생태계종합조사를 확대할 계획
<난류성 어종 출현율 변화(좌) 및 소라 서식지 북방 한계 변화(우)(기후변화로 해양생태계가 변화하고 있다(해양수산부, 2021))>
3. 국내 ARMS 활용 사례
○ 2018년 8월, 한국해양과학기술원(KIOST) 제주연구소는 국내 최초 제주 연안 3곳 과 울릉도 공암, 통구미 거북바위 주변 2곳 등에 총 8개의 ARMS를 설치함
○ 제주해역 및 울릉도와 독도는 국내 기후변화 연구의 최적지로서 한국해양과학기술원 제주연구소는 쿠로시오 난류 영향을 관찰하기 위한 ARMS를 활용한 장기 관측기지 구축이 연구목표이며, 설치 1∼2개월 후 모니터링 결과, 표면에 석회조류 및 다양한 생물의 부착이 확인됨
< 제주 해역에 설치된 ARMS > < 설치 2개월 후 제주 해역 ARMS >
< 울릉도에 설치된 ARMS > < 설치 1개월 후 울릉도 ARMS >
<국내 제주 및 울릉도 해역에 설치된 ARMS(한국해양과학기술원 제주연구소, 울릉도독도기지 사진 자료)>
1. 국외 산호초 생태계 모니터링 현황
○ (국가 산호 데이터베이스 구축-일본, ′30년∼계속) 일본 국가환경연구부(NIES)를 중심으로 1930년대 이후부터 각 연구기관에서 확보된 산호류 시료 및 관련 연구보 고서 등을 지속적으로 수집하여 국가 산호데이터베이스 구축
- 2000년대부터는 국가 모니터링사업 등을 통한 정량적 조사방법에 따라 체계적인 자료 확보가 진행 중에 있으며 과거 시점과의 비교정보를 제공함으로써 보다 객관적이고 종합적인 해석 가능
○ (Sango Map Project-일본, ′08년∼계속) 산호에 관심을 가진 연구자에서 일반인 에 이르기까지 누구나 참여 가능한 전국단위 모니터링 프로그램
- 1992년 이후 산호백화현상 및 가시왕관불가사리로 인해 광범위한 면적에 대한
프로그램으로 제안
○ (Monitoring Site 1,000 Project-일본, ′08년∼계속) 일본 환경부(Ministry of the Environment)를 통해 추진되는 국가 장기 생물다양성 프로젝트로 육상 및 해 양 등 모든 서식처를 기반으로 기후변화로 인한 서식처 파괴, 멸종위기종 및 외래유 입종 등을 파악
- 해양생태계 분야의 경우, 갯벌, 해초대, 해조대, 암반 및 모래 해안, 산호초 지역 등을 광범위하게 포함하고 있으며 우리나라의 해양생태계 종합조사와 유사한 형태로 추진
○ (해양생태계 기후변화 모니터링-일본, ′10년∼계속) 일본 국가환경연구부(NIES)의 장기 기본사업으로 산호류를 비롯한 해양생물다양성조사, 기후변화시나리오에 따른 아열대화 연구, 수온상승 및 해양산성화에 따른 산호 영향 연구 추진
- 일본해역에 서식하는 4종의 산호류를 대상으로 기후변화에 따른 분포변화를 확인한 결과 1930년대부터 연간 최대 14km로 북상하는 것으로 예측
○ (고위도해역의 산호류 분포 모니터링-미국, ′10년∼계속) Oceanic Wildlife Society (OWS)의 지원을 통해 고위도 지역에서의 산호류 분포에 대한 조사
- 북위 30도 이상의 지역에 대한 산호확산 연구와 더불어 주요 확산 종의 개체군 특성에 대한 연구, 이상증식 및 대량증식 예상 종을 선별
○ (GBRMPA Marine Monitoring Program) 그리에트베리어리프 해양보호구역의 장 기적인 변화양상을 파악하고 관리하기 위한 목적으로 수질, 산호생태계, 해초생태계 에 대한 모니터링 사업으로 해양보호구역이 지정된 1972년부터 추진
- 장기모니터링 사업으로서 주요 항목별 조사지점에 대한 동일한 방법과 시기에 Snapshot을 찍는 형태로 조사를 수행하며, 2014년 수립된 전략평가와 향후 25년간의 관리계획에 따라 산호초해역에 대한 관리 강화는 물론 산호와 연계된 종합적인 모니터링 과제의 이행을 위한 다양한 세부전략을 제시
○ (온대해역의 아열대화에 따른 영향 연구) CSIRO와 서호주대학 연구진은 최근 15년 간의 연구를 통해 기후변화에 따른 지속적인 해수온상승과 라리냐 현상에 따른 극단 적인 고온수의 영향으로 호주 남부해안의 해조숲(Kelp forest)이 완전히 소멸될 것 으로 예상
- 고온수의 영향으로 인하여 기존 해조기반 해양생태계에서 아열대 해조류, 어류 및 산호류가 우점한 해양생태계로 변화 되었고, 해조숲 사멸이후 5년간의 회복가능성을 조사한 결과 새롭게 해역에 가입된 조식성 아열대어류로 인하여 해조숲은 완벽하게 회복되지 않음
2. 해양생물 모니터링 구조물(ARMS) 활용
○ Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS)란, 미국 NOAA(해양대기 청)의 CRED(Coral Reef Ecosystem Division; 산호초 생태계 부서)에 의해 2008년 개발된 장비로, 해양저서생물의 다양성 및 생태계 구조를 정량적으로 평가하 기 위한 장치를 뜻함
○ ARMS는 표준화된 구조물을 해저 암반에 설치한 뒤, 일정시간 후에 회수해 구조물에 부착한 해양생물의 표본을 수집하여 해양생물의 다양성 및 생태계 구조를 조사하는 방법임
<해외 ARMS 구조물 설치 형태(Marine Biodiversity Observation Network for genetic monitoring of hard-bottom communities(ASSEMBLE
홈페이지))>
○ ARMS는 국제적으로 표준화된 산호초 및 암반생태계 모니터링 기법으로, 규격화된 재질/크기의 부착판으로 조립된 구조물 사용하고 처리 및 분석 방법을 표준화시켜 정 량적 비교의 정확성을 높인 모니터링 기법임
○ 또한, ARMS는 기존의 해양생물 다양성 연구 방법보다 친환경적이며, 해양생태계 변 화를 효과적으로 모니터링 할 수 있고, 다른 해역 간의 모니터링 결과 비교가 가능함
○ ARMS를 활용한 연구는 2008년 사모아제도, 하와이제도, 괌 등에서 시작되어, 그 후 점차 확대되면서 남미와 태평양 연안의 아시아 국가 등에 설치되어 있음
○ Smithsonian Institution’s Tennenbaum Marine Observatories Network (TMON)에서 관장하고 있는 MarineGEO 프로그램은 현재 다양한 국가에서 참여 하고 있는 세계적인 연구 프로그램으로서 ARMS를 이용하여 해양생태계를 지속적으
로 관찰하고 있음
○ Smithsonian Institution에서는 약 10년간의 ARMS 제작 노하우를 가지고 있으 며, 미국, 호주, 인도네시아, 대만 등 태평양, 인도양, 대서양에 속해 있는 여러 국가 에 ARMS를 설치하였으며, 현재 미국 NOAA 등에서는 산호초 지대 모니터링과 기 후변화에 대한 해양산성화 모니터링에 ARMS를 사용하고 있음
○ 2021년 현재 ARMS는 전 세계 유럽 20개 지역, 아메리카 10개 지역, 홍콩, 필리 핀, 인도네시아, 파푸아뉴기니, 호주 등 아시아 10개 지역에 설치되어 있음
<전세계 ARMS 설치 현황>
제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과
○ 인공 해조류 부착 기술을 접목한 해양생태계 모니터링 장비 기술 개발
- 기존 산호초 연구에 도입되어 활용하고 있는 Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS)를 벤치마킹하여 제주연안 환경에 맞게 제작
- 기존 플라스틱 재질 3차원 구조의 모니터링구조물인 ARMS를 제주 저서 생태계와 유사한 현무암 판석을 이용하여 인공 해조류 부착이 가능한 형태인 모니터링구조물 K-ARMS 개발
- 개발된 K-ARMS 제주 산호류 서식처에 설치, 운용 및 활용 가능성 평가
산호초 해역에 설치된 ARMS 인공 해조류 부착 기술을 접목해 개발 예정인 K-ARMS 모식도
<개발 모니터링구조물 조립 과정>
<조립 완료된 모니터링 구조물 및 부품>
○ 모니터링구조물 현장 설치
- 연구 지역: 제주도 서귀포 보목 해역
- 선정 목적: 제주 해역 중 산호류 서식지 확장이 가장 활발하게 진행되고 있는 지역이므로 해당 지역의 생물다양성 자료 확보는 향후 산호류 확산 현상 규명에 기초자료로 활용될 가능성이 높음
<모니터링구조물 설치 지역>
<모니터링구조물 설치 주변 저서생태계 전경>
- 모니터링 구조물 설치: ① ARMS, ② 현무암 모니터링구조물(basalt plate), ③ 현무암 모니터링구조물 + 인공해조류(basalt plate + artificial algae), 세 가지 종류의 모니터링구조물을 각각 세 곳의 연구 지역(수심 10m 지점)에 설치함(st.1, st.2 그리고 st.3)
<모니터링구조물 설치를 위한 기반 작업>
<모니터링구조물 설치 과정>
<설치 완료된 모니터링구조물-st.2>
○ 해조류/산호류 기반 생태계 변화 생물다양성 모니터링 - 이미지 분석 방법을 활용한 부착 생물의 변화 양상 분석
- 부착생물의 메타바코딩 분석 방법을 활용한 생물 다양성 분석(향후 진행 예정)
<모니터링 구조물 이미지 분석 방법 및 메타바코딩 분석 방법을 활용한 생물 다양성 분석>
- 기존 ARMS/K-ARMS(basalt plate)/인공 해조류 부착 K-ARMS(basalt plate + artificial algae)의 부착 생물 다양성 분석/비교
- 각 모니터링구조물의 생물 부착 양상을 알아보기 위해 2022년 8월 구조물 설치 후 2주 간격으로 모니터링을 실시함
- 부착생물의 메타바코딩 분석 방법을 활용한 생물 다양성 분석은 추후 수행 예정임
<이미지 분석을 위한 각 모니터링구조물 현장 조사>
○ 모니터링구조물 plate 상부 부착생물 이미지 분석 결과 - ARMS
Date CCA Filamentous turf Red algae
20220912 0.0 66.3 0.0
20220928 3.3 37.0 13.7
20221015 34.3 38.0 7.0
20221027 68.0 7.3 4.0
20221114 78.3 3.0 1.7
20221201 85.7 2.0 4.0
20221220 90.7 5.7 1.0
Ÿ 2주차에 우점하는 생물은 Filamentous turf이며, 4주차에 CCA와 Red algae 등이 가입되는 것이 확인됨
Ÿ 8주차부터 CCA의 피도는 68%로 우점종이 되며, 점차 공간을 차지하여 14주차에 CCA의 피도는 90.7%로 나타남
- Basalt plate
Date CCA Filamentous turf Red algae
20220912 20.3 46.3 0.0
20220928 18.0 64.7 0.0
20221015 40.0 50.7 3.0
20221027 46.3 44.0 7.3
20221114 52.3 18.3 14.3
20221201 74.3 6.7 10.3
20221220 86.7 0.0 5.3
Ÿ 2주차에 우점하는 생물은 Filamentous turf이며, CCA의 피도는 20.3%로 나타남 Ÿ 8주차부터 CCA의 피도는 46.3%로 우점종이 되며, 점차 공간을 차지하여 14주차에
CCA의 피도는 86.7%로 나타남
- Basalt plate + artificial algae
Data CCA Filamentous turf Red algae Artificial algae
20220912 32.7 27.0 0.0 14.3
20220928 12.3 61.3 0.0 15.3
20221015 37.0 38.3 4.3 19.7
20221027 30.3 49.3 1.7 17.7
20221114 51.0 0.0 12.7 15.0
20221201 69.0 2.0 6.3 12.0
20221220 79.3 0.0 1.7 9.0
Ÿ 2주차에 우점하는 생물은 CCA로서 피도는 32.7%로 확인됨
Ÿ 4주차에 Filamentous turf가 증가하여 전체 면적 중 61.3%를 차지함 Ÿ 10주차부터 Filamentous turf의 피도는 감소하고, CCA가 다시 우점함 Ÿ 이후 점차 공간을 차지하여 14주차에 CCA의 피도는 79.36%로 나타남
- 각 모니터링구조물 부착생물의 Cluster analysis
Ÿ 군집분석 결과 크게 2그룹으로 구분됨
○ 모니터링 구조물 부착생물 분석 결과
▶ 재료 및 소재에 따라 저서생물의 초기가입 속도가 다른 것으로 획인됨
▶ CCA는 pvc 재질의 ARMS에 빠르게 가입되는 것을 확인됨
▶ 환경 및 시기에 따라 초기 군집구조는 다르게 나타나는 것으로 보이며, 각 생물 군별 복잡한 상호작용에 의해 공간경쟁이 일어나는 것으로 판단됨
○ 제주 남동부 일부 해역에서 대규모 군락이 발견된 모래말미잘류가 이번 연구 수행 지 역(서귀포항) 인근에서 발견됨. 이에 정확한 종규명을 위해 유전학적 분석을 추가로 진행하였음
- 샘플 채집: 제주도 서귀포시 태흥리, 제주도 서귀포시 토평리(연구지역 인근)
- 유전자 분석 결과: 두 지역에서 서식하는 모래말미잘류 생물은 Palythoa mutuki인 것으로 확인됨(산호충강(Anthzoa), 말미잘목(Zoantharia)에 속하는 생물)
- 이들 생물의 특징은 대규모 군락(5m 이상)을 형성하고 있다는 점에서 주변 다른 생물의 서식 공간을 감소시키고 있음
<제주 남부해역에 서식중인 대규모 군락의 Palythoa mutuki>
<P. mutuki의 유전학적 분석 결과>
제 4 장 연구개발 목표달성도 및 대외기여도
1. 연구목표의 정상 추진 및 성과 우수성
목표 대비 달성율(%)
구분
연차별 달성내용
계획대비 연구실적 달성율(B
) (%)
성과목표 연구내용
가중 치 (A)
달성실적
과제 기간
어초기능 접목 생 태계 모니터링 장 비 개발
Ÿ 인공 해조류 부착 기술 을 접목한 생태계 모니 터링 장비 개발
0.4
Ÿ 현무암과 인공 해조류 를 활용한 해양생태계 모니터링구조물 제작
100
Ÿ 제주연안 설치, 운용 및 활용 가능성 평가(기존 모 니 터 링 구 조 물 (ARMS)과 개발 모니 터링구조물(K-ARMS) 비교)
0.4
Ÿ 제주 남부 해역 해양생 태계 모니터링구조물 설치 활용 중
90
Ÿ 해조류/산호류 기반 생 태계 변화 생물다양성 조사
0.2
Ÿ 이미지 분석 방법을 활 용한 모니터링구조물 plate의 생물 부착상 모니터링 및 분석
80
계 1.0 92
2. 당해연도 대표적 우수성과
우수성과 ARMS를 활용한 제주 생태계 모니터링 사이트 구축
성과 내용
◦ 제주 해역 산호 생태계 모니터링 사이트 구축
- 제주 해역 생태계 모니터링에 적합한 구조물 개발 및 제작 - 제주 연안 설치, 운용 및 활용 가능성 평가
- 산호류 생태계 변화에 따른 생물다양성 변화 관찰을 위한 모니터링 사이트 구축
성과의 우수성
◦ 제주 해역 산호 생태계 모니터링 장비 및 기술 개발
- 제주 해역 생태계 변화에 따른 군집 특성 및 생물다양성 정보 DB - 기후변화로 인한 제주 해역 해양생태계 변화 현상 감시 가능구축
- 기후변화로 인한 아열대성 해양생물의 제주 유입 탐지 가능 - 신규 생물 발굴 및 이를 활용한 해양바이오 신산업소재화 가능
증빙자료
◦ ARMS를 활용한 제주의 해양 생물다양성 모니터링 (우수논 문상 선정) (2022.12.09, 제 주대학교, 제55차 제주학회)
3. 정량적 연구성과
구분 가중치
(%) 과제 설정 목표(건) 세부
가중치(%) 달성(건) 달성도(%)
과학적성과
논문 45
mrnIF 81점 이상
mrnIF 61~80 1 100
mrnIF 41~60 1 mrnIF 40점 이하
소계 1 100 1 100
저서
국제저서 국내저서 국제편저 역서 등
소계
기술적 성과 특허 45
국제특허 출원 국제특허 등록 국제특허 추가등록
국내특허 출원 1 100 국내특허 등록
소계 1 100
경제적 성과 기술료 기술이전 성과
사회적,인프 라
홍보활동 10 대중강연/인터뷰 1 100 1 100
대외활동 학회발표 3
계 - 100% 3 100 2(3) 55
v 특허의 경우, 향후 모니터링구조물 결과 비교 후 출원 예정
4. 연구성과의 의의
구분 주요 내용
자체 종합 평가 의견
◽ 제주 해역 생태계 모니터링시스템 개발
- 제주 암반 해역 모니터링에 적합한 인공구조물 개발/설치/운용 - 모니터링구조물 제작이 늦어져 데이터 확보 및 분석이 미흡하였음 - 지속적인 관찰을 통해 각 구조물 별 장/단점 파악 및 보완해 해당
모니터링시스템 특허로 연결할 예정임
- 이번 연구에서 확보된 데이터와 문헌 조사를 통한 기존 모니터링 결과 비교 후 해당 모니터링구조물의 활용 가능성에 대한 논문 발표 예정임
◽ 모래말미잘의 유전학적 종동정
- 남부 해역에서 대규모 군락을 형성하고 있는 모래말미잘의 유전자 분석을 통한 종규명
- 이 종의 특징은 대규모 군락을 형성하여 주변 생물의 서식공간을 감소시킴 - 문헌 조사를 통한 생태학적 특성을 파악해 제주 해역에서의 서식지 확산
과정 규명 및 향후 확산 가능성 예측
○ 제주 해양생태계 변화 경각심 보고: KBS제주 다큐 ‘제주 기후위기 보고서, 민둥바당’
(KBS제주총국 개국 72주년 다큐멘터리, 2022.11.23.)
○ ARMS에서 발견된 패충류 신종 및 국내미기록종 보고 (Jöst. et al., Fossil Record, 2022.11)
v 향후 ARMS를 활용한 신종 및 미기록 생물 발굴 가능
제 5 장 연구개발결과의 활용계획
○ 산업적 측면
- 기후변화에 의한 제주연안 해양생태계 변동 감지 기반을 구출할 수 있음
- 최근 급격하게 진행되는 지구온난화와 관련하여 제주연안 저서생태계 정량화 기반을 구축할 수 있음
- 제주연안 저서생물 서식지 차이에 따른 변동양상 연구 기반을 구축할 수 있음
- 제주연안 해양생태계 및 해양환경의 효율적 관리 방안 마련에 기초자료로 활용될 수 있음
- 신규 유입생물의 해양바이오 신사업소재로 활용 가능
○ 학술적 측면
- 제주연안 생태환경 및 수산자원 관리 효율성 증대 - 연안 기초 환경연구 광역-국지적 감시망 활용
- 탄소중립 2050 실현을 위한 지역특성에 맞는 해양생태자원을 활용 - 연안 해양생태계 복원 등 자연 생태기반 보전 방안 확립
- 지역특성에 맞는 저서생태계 조사를 위한 기초자료 활용
- 온난화에 따른 연안 해양생태계 변화 대응을 위한 해양과학 조사 역량 강화
주 의
1. 이 보고서는 한국해양과학기술원에서 수행한 주요사업의 연구결과보 고서입니다.
2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 한국해양과학기술원에서 수 행한 주요사업의 연구결과임을 밝혀야 합니다.
3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표 또는 공개하여서는 안됩니다.
