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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.48 No.2 pp.108-114
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2015.48.2.108

Combined Effects of Filter-feeding Bivalve and Zooplankton on the Growth Inhibition of Cyanobacterium Microcystis aeruginosa

Nan-Young Kim, Myung-Hwan Park, Su-Ok Hwang1, Baik-Ho Kim2*, Soon-Jin Hwang*
Department of Environmental Science, Konkuk University, Seoul 133-701, Korea
1K-waters, Korea Water Resources Corporation, Gyeonggi 427-100, Korea
2Department of Life Science, Hanyang University, Seoul 143-791, Korea
Corresponding author: Tel: +82-2-450-3748, Fax: +82-2-456-5062, sjhwang@konkuk.ac.kr, tigerk@hanyang.ac.kr
March 29, 2015 May 25, 2015 June 5, 2015

Abstract

Single - and combined effects of a domestic freshwater bivalve Unio douglasiae (7.6 ~ 8.6 cm in shell length) and zooplankton Daphnia magna (1~2 mm in body size) were examined to understand whether they inhibit the growth of harmful cyanobacterial bloom (i.e. Microcystis aeruginosa) in a eutrophic lake. The experiments were triplicated with twelve glass aquaria (40 L in volume); three aquaria without mussel and zooplankton, served as a control, three zooplankton aquaria (Z, density=40 indiv. L-1), three mussel aquaria (M, density=0.5 indiv. L-1), and three mussel plus zooplankton aquarium (ZM, density=40 indiv.Z L-1 plus 0.5 indiv.M/L), respectively. Algal growth inhibition (%) calculated as a difference in the concentration of chlorophyll-a (Chl-a) before and after treatment. Chl-a in all aquaria decreased with the time, while a greatest algal inhibition was seen in the ZM aquaria. After 24 hrs of incubation, Chl-a concentration at the mid-depth (ca. 15 cm) in ZM aquaria reduced by 90.8% of the control, while 63.2% and 79.8% in Z and M aquaria, respectively. Interestingly, during the same period, the surface Chl-a was diminished by 51.9% and 65.4% relative to the control in Z and ZM aquaria, while 27.4% of initial concentration decreased in M aquarium, respectively. These results suggest that 1) this domestic freshwater filter-feeding bivalve plays a significant role in the control of cyanobacterial bloom (M. aeruginosa), and 2) the combination with zooplankton and mussel has a synergistic effect to diminish them, compared to the single treatment of zooplankton and mussel.


남세균 제어를 위 한 동 물플랑크톤 (Daphnia magna)과 패류(Unio douglasiae)의 단 독 및 혼 합적용

김 난영, 박 명환, 황 수옥1, 김 백호2*, 황 순진*
건국대학교 환경과학과
1K-Water
2한양대학교 생명과학과

초록


    Ministry of Agriculture and Forestry
    306009-03-1-CG000

    서 론

    남세균은 조류대발생을 일으키고, 독성물질을 생산함 으로써 수환경문제의 주요 원인으로 작용하는데 (Sinonen and Jones, 1999), 다른 생물들을 사망에 이르게 하고 (Kri enitz et al., 2003) 사람에게도 치명적인 위협을 주고 있다 (Codd et al., 2005). 지금까지 남세균을 억제하는 친환경적 방법들은 주로 수중내 여과섭식자의 성장을 촉진시키거 나 포식압을 이용하는 것으로 (Reeders and de Vaate, 1990; Meijer, 2000), 특히 여과섭식성 동물인 동물플랑크톤 (Gulati and Van Donk, 2002)이나 패류 (Holland, 1993) 등에 대 한 관심이 높다.

    물벼룩 (Daphnia)와 같은 동물플랑크톤은 호수생태계에 서 식물플랑크톤을 섭식하는 1차 소비자이며 (e.g. Dodson, 1974), 그 외에도 박테리아, 원생생물, 그리고 작은 동물플 랑크톤까지 여과할 수 있는 능력을 가지고 있기 때문에 미 소생태계 먹이망에서 중요한 역할을 수행한다 (Crowder et al., 1988; Dawidowicz et al., 1988). 예로서 Daphnia의 개 체수가 증가하는 일어나는 시기에 물의 투명도가 급격하 게 증가하는 청수기를 보고되고 있다 (Lampert et al., 1986; Vanni and Temte, 1990).

    패류는 수체 내 박테리아, 원생생물, 동·식물플랑크톤 그리고 다른 무생물 입자들을 제거할 수 있는 강력한 여과 섭식자이다 (Cotner et al., 1995; Fahnenstiel et al., 1995; Laverentyev et al., 1995; Hwang, 1996). 패류의 섭식능에 대해 잘 알려진 얼룩말 조개의 경우 높은 여과율 (1 L mussel-1 d-1)을 가지며 박테리아로부터 동물에 이르기까지 다양한 부유생물을 여과하여 투명도를 향상시켜 (Holland, 1993), 생물다양성이나 생태계 복원에도 관여하는 것으로 알려져 왔다 (Strayer et al., 1999). 네덜란드 Ijsselmeer 호수에서 얼룩말 조개밀도와 남세균 생물량간에는 뚜렷한 역상관이 존재하며 (Ibelings et al., 2003), Noordhius et al. (1992)은 얼룩말 조개를 도입한 이후 뚜렷한 투명도 증가를 확인하 였으며 연구기간 동안 지속적인 효과를 나타내어 부영양 호수의 생물학적 조절자로서 패류의 적용 가능성을 입증 한 바 있다.

    지금까지 국내 부영양 수역의 생물학적 수질개선을 위 한 다양한 기능성 생물의 적용연구는 활발하게 진행되 어 왔다 (Kim et al., 2003; Choi et al., 2005, Hwang et al., 2008). 그러나 두 가지 이상의 생물을 혼합적용한 사례로 서 Lee et al. (2008)은 국내산 말조개 (Unio douglasiae)와 논우렁이 (Cipangopaludina chinensis malleata)의 혼합적 용을 통한 유기물 제어능을 확인한 바 있다. 그러나 두 생 물 모두 동일한 서식특성을 가지며 실제 패류가 여과한 배 설물을 논우렁이 다시 재분산 시키는 교란자로 작용하여 탁도 발생을 유도하고 결국 투명도 감소를 가져왔다. 따라 서 두 가지 이상의 기능생물이 서로 간섭하지 않고 여과섭 식이 가능한 패류와 동물플랑크톤의 혼합이 효과적일 것 으로 판단되었다.

    본 연구는 남세균의 억제를 위한 전략적인 대응방법으 로 조류섭식능이 뛰어난 이매패 (bivalve)와 동물플랑크톤 의 단독 또는 혼합적용하여 유기물 섭식능력을 비교 평가 하기 위하여 인공적으로 발생시킨 남세균을 대상으로 실 내 실험을 실시하였다.

    재료 및 방 법

    1.패류의 채집 및 유지

    실험동물 말조개 (Unio douglasiae)는 금강수계인 충남 보령에서 채집기를 이용하여 실험이 이루어지기 15일 전 에 채집되었다. 현장에서 채집된 패류들은 실험실로 운반 하여 모래기질을 채운 용기에서 순화되었다. 유지수는 현 장수 (일감호, 서울)나 탈염수돗물로 소형 전기펌프 (ID-50, 영일전기산업, 한국)를 이용하여 인위적으로 순환하도록 하였으며, 수심은 20~30 cm를 유지하도록 하였다. 수온은 냉각기를 이용하여 18.0°C±2.0를 유지하였다. 패류의 먹 이로는 ChlorellaTM (대상클로렐라 아쿠아넷, 한국)를 사용 하였으며, 1.1×1010 cell mL-1로 농축된 액상 클로렐라를 5 일 간격으로 1 mL씩 공급하였다. 실험 2일 전부터는 먹이 를 공급하지 않았으며 실험에는 패각의 길이가 7.6~ 8.6 cm 되는 건강한 패류가 사용되었다.

    실험에 사용된 패류의 유기물량 (Ash-free dry-weight: AFDW)은 패각 길이와 AFDW의 상관관계식을 이용하였 다. 상관관계식을 구하기 위하여 패각 길이가 3.7~ 14.4 cm인 말조개 142개체를 이용하였으며, 패류의 건중량과 유기물함량을 측정하기 위하여 패류 근육을 껍질로부터 분리하여 500°C에서 태워 무게가 측정된 도가니에 담아 100°C에서 72시간 동안 건조시킨 후 무게를 측정하였다 (APHA 2001). 도가니의 무게 차를 통해 패류의 건중량을 계산한 후, 다시 500°C에서 30분간 태운 후 무게를 측정함 으로서 유기물량을 계산하여, 패각길이 (L)와의 regression 을 통해 상관식 ((AFDW= - 0.26 - 0.08L+0.03L2, r2= 0.85, p<0.0001)에 따라 구하였다.

    2.동물플랑크톤의 유지

    본 연구에서 동물플랑크톤은 K-Water에서 분양받은 물 벼룩 (Daphania magna)을 사용하였다. 먼저 분양받은 물 벼룩은 충분히 폭기하여 탈염시킨 수돗물에서 배양하였으 며, 수온 25±1°C, 14L : 10D 광주기를 유지하였다. 물벼룩 의 먹이 역시 액상 클로렐라를 사용하여 일주일 간격으로 1 mL씩 공급하였다. 실험에 사용할 물벼룩은 2일 전에 새 로운 폭기물에 옮겨 먹이를 공급하지 않았으며, 몸체 길이 1 mm~2 mm 사이의 개체를 사용하였다. 동물플랑크톤의 건중량은 Length-Dry weight 관계식을 이용하여 계산하였 다 (Culver et al., 1985).

    3.패류와 대형동물플랑크톤 섭식실험

    섭식실험은 3반복으로 6 L 용기에 대조구, 동물플랑크톤 을 첨가한 처리구 (Z, 40 ind. L-1), 패류를 첨가한 처리구 (M, 2 ind. L-1), 동물플랑크톤과 패류를 모두 첨가한 처리 구 (ZM, 개별적으로 첨가된 것과 동량)로 구분하여 실시하 였다.

    본 연구에서는 매년 유해 남조류 (Microcystis aeruginosa) 가 대발생하는 부영양호수인 일감호 (서울)의 현장 수와 sediment 및 CB 배지를 대형 수조 (50×65×120 cm) 에 일정량 넣고 수온 25°C±1.0, 광도 78 μmol photons s-1 m-2, 12L : 12D 광주기를 유지하여 인공적으로 조류 대발 생을 일으킨 실험수 (74.13 μgChl-a L-1)를 사용하였다. 조 류밀도에 따른 여과율의 비교를 위하여 약 100배 농축하 여 사용하였다.

    시료는 동물플랑크톤과 패류가 첨가된 직후와 1, 4, 7, 24시간 후에 표층과 중층 (표층으로부터 15 cm 아래)에서 50 mL씩 채수하였으며 채수한 시료는 엽록소 a 농도를 분 석을 위해 GF/C 여과지로 여과한 후 (APHA, 1995), 90% 아세톤을 넣어 24시간 동안 냉암소에서 추출하였다. 엽록 소량은 흡광광도계를 이용하여 측정하였다.

    식물플랑크톤에 대한 패류와 동물플랑크톤의 여과율 (FR)은 다음과 같은 식에 의해 각 처리구에서 계산되었다 (Coughlan, 1969).

    FR (L gAFDW-1 h-1)=V×ln (C/M)/W×t,

    여기서 V는 실험에 사용된 배양수의 양이며 (L), C와 M 은 각각 동물플랑크톤 혹은 패류가 없는 용기와 패류가 존 재하는 용기에서 t시간 이후의 엽록소 a의 양이다. W는 24 시간 후에 용기로부터 분리되어 측정된 패류와 동물플랑 크톤의 유기물 함량이며 (AFDW), t는 배양시간이다.

    각 처리구에서 조류의 제어율은 다음 식으로 계산하였 다.

    Removal rate (%)=(1-M/C)×100

    여기서 C와 M은 각각 동물플랑크톤 혹은 패류처리 실 험의 대조군과 처리군의 엽록소 a의 양이다.

    4.자료분석

    패류 또는 동물플랑크톤의 단독 또는 혼합처리군과 대 조군간의 제어율을 비교하기 위하여 SPSS package (ver. 12.0.1, SPSS inc., 2004)를 이용하여 t-test를 실시하였다.

    결 과

    1.말조개와 동물플랑크톤의 제어율

    말조개와 대형동물플랑크톤의 유해조류 제어율은 상층 과 중층에서 상당한 차이를 나타내었다. 중층의 경우 유해 조류에 대한 말조개와 동물플랑크톤의 제어율은 동물플랑 크톤과 패류가 존재하는 처리구 (ZM)에서 가장 높게 나타 났으며, 다음으로 패류만이 존재하는 처리구 (M), 동물플 랑크톤만 존재하는 처리구 (Z) 순으로 나타났다 (Fig. 1). 모 든 처리구에서 유해조류의 제어율은 50% 이상으로 높게 나타났으며, 각 처리군에서 24시간 후의 유해조류 제어율 은 동물플랑크톤 (Z)이 첨가된 곳에서 63.2%, 말조개 (M) 79.8%, 그리고 동물플랑크톤과 패류가 모두 처리된 곳에 서 90.9%으로 나타났다 (Fig. 1).

    반면, 상층의 경우 동물플랑크톤이 존재하는 처리구 (Z, ZM)에서는 50% 이상의 높은 제어율을 나타내었으나 (Z: 51.9%, ZM: 65.4%), 패류만 존재하는 처리구에서 27.4% 의 낮은 제어율을 나타내어 동물플랑크톤과 말조개의 서 식형태에 따른 차이를 반영하였다 (Fig. 1).

    2.시간에 따른 여과율

    AFDW에 따른 두 유용생물의 여과율은 동물플랑크톤 이 말조개에 비해 매우 높은 값을 나타내었다 (Fig. 2). 두 유용생물의 여과율은 시간에 따라 서로 다른 양상을 나타 내었다. 말조개의 여과율은 0.43~1.43 L gAFDW-1 hr-1 의 범위를 나타내었으며, 실험 시작 후 1시간 째에 가장 높은 여과율을 보였으며 점차 줄어드는 것으로 나타났으 며 24시간 후의 여과율은 7시간 째의 여과율에 비하여 매 우 낮은 여과율을 나타냈다 (Fig. 2). 반면, 동물플랑크톤은 - 16.6~ 27.0 L gAFDW-1 hr-1의 범위로 시간별로 그 차이 가 매우 크게 나타나 안정적이지 못한 여과율을 보였으며, 실험 시작 7시간 후의 여과율이 가장 높은 값을 나타내었 다. 말조개 처리구의 경우 7시간 후의 제어율과 24시간 후 의 제어율은 큰 차이를 보이지 않았으며, 동물플랑크톤 처 리구에서는 제어율이 다소 증가하는 경향을 나타냈다 (Fig 2). 또한 동시간 후의 중층과 표층의 말조개의 여과율이 4 배 이상의 차이를 나타낸 반면, 동물플랑크톤은 큰 차이를 나타내지 않았다 (Fig. 3).

    3.Chl-a 농도에 따른 여과율

    초기 농도 74.1 μgChl-a L-1의 실험수를 약 100배 농축 하여 Chl-a 농도에 따른 말조개의 여과율을 비교하였다. 초기농도 74.1 μgChl-a L-1의 실험수에서 말조개의 여과율 은 평균 1.49 L gAFDW-1 hr-1로 농축된 실험수 (초기농도 710.8 μgChl-a L-1)에서의 여과율 (평균 0.45 L gAFDW-1 h-1)의 약 3배의 여과율을 나타내었다 (Fig. 4).

    고 찰

    두 여과섭식자는 남세균의 제어에 매우 효과적인 생물 제재임이 입증되었다. 다만 동물플랑크톤의 경우 실험시 간별로 편차가 비교적 크고, 종종 음 여과율을 나타내기도 하였다. 이러한 결과는 선행연구에서도 이미 보고되어 왔 다. Dionisio Pires et al. (2007)Daphnia galeata는 단일 세포인 Scenedesmus에 대해서는 양의 여과율을 나타냈지 만, Planktothrix에 대해서는 0에 가깝거나 음의 여과율을 나타내었다. 이것은 Daphnia가 작은 식물플랑크톤에 대해 서 선택적으로 섭식을 한다는 의미를 내포하고 있으며, 또 다른 연구들에서도 Daphnia는 군체를 이루는 ScenedesmusMicrocystis aeruginosa에 대한 여과율보다 단일 세포인 Scenedesmus에 대해서 높은 여과율을 나타내었다 (Lürling and Van Donk, 1996; Rohrlack et al., 2001; Lürling, 2003; Lürling and Verschoor, 2003). 또한 Daphnia는 microcystin 에 의해 섭식율이 줄어드는 것인지는 명확하지는 않지만 microcystin을 포함하고 있는 식물플랑크톤에 영향을 받 으며 (DeMott et al., 1991; DeMott, 1999), Kurmayer and Juttener (1999)는 microcystin은 섭식억제자라고 밝혔다.

    한편 말조개의 여과율은 0.43~ 1.43 L gAFDW-1 hr-1의 범위로 얼룩말 조개나 다른 패류 종에 대한 선행연구에서 나타난 결과와 마찬가지로 (Foster-Smith, 1975; Loo and Rosenberg, 1989; Heath et al., 1995; Hwang, 1996; Soto and Mena, 1999) 식물플랑크톤에 대한 높은 섭식효과가 있음을 나타냈다. 패류의 섭식효과는 먹이원으로 이용되는 종의 성장특성에 의존할 수 있다. Huron 호의 부영양 상태 의 Saginaw 만에서 수행된 얼룩말 조개의 섭식에 대한 연 구에서, 작은 규조류와 단일 세포의 녹조류가 대부분 제 거된 반면 대부분의 남조류와 크기가 큰 황갈색편모류는 거의 감소되지 않았음이 보고된 바 있다 (Hwang, 1996). 일부 크기가 크고 군체를 형성하는 종 (예, Asterococcus, Microcystis, Synedra)들은 실제로 얼룩말 조개의 섭식 이 후 증가하였다. 이와 달리 Nicholls and Hopkins (1993)은 Erie 호에서의 식물플랑크톤 군집에 대한 계절적인 조사에 서 남조류를 포함한 모든 종류의 식물플랑크톤이 얼룩말 조개의 섭식에 의해 감소하였음을 보여주었다. 또한 Dionisio Pires et al. (2007)의 연구결과에서 패류는 cyanobacteria나 다른 식물플랑크톤에 대해서 같은 비율로 여과를 하는 것으로 나타났다.

    또한 선행연구들에서 패류의 여과율은 부유물질 농도 와 밀접한 상관성이 있음이 제시된 바 있다 (Winter, 1978; Sprung and Rose, 1988; Reeders and Bil de Vatte, 1990; Hwang, 1996). Sprung and Rose (1988)는 얼룩말 조개의 여과율이 먹이원으로 사용된 Chlamydomonas의 세포밀도 가 15,000 cells mL-1까지는 먹이밀도와 더불어 증가한 반 면 그 이상의 밀도에서는 오히려 감소함을 보여주었다. 보 통 수체내 조류의 밀도가 높은 부영양상태 보다는 중영양 혹은 빈영양 상태의 환경에서 더 높은 여과능력을 나타낸 다 (Hwang et al., 2001). 즉 식물플랑크톤의 풍부도에 비해 조개의 밀도가 너무 낮은 경우는 식물플랑크톤 풍부도 감 소와 수질 향상에 대한 조개의 중요성은 상대적으로 적을 수 있다 (Dame, 1996; Strayer et al., 1999). 본 연구의 경우 초기 Chl-a 농도가 높은 실험수에서의 말조개 여과율이 낮 게 나타난 것 역시 이와 같은 이유일 것으로 사료된다.

    결과를 종합하면, 두 생물제재의 혼합이 수층에 상관없 이 남세균 제어능력은 분명하게 입증되었으나 남세균 M. aeruginosa의 부유성을 감안한다면, 패류의 적용수심이 조 류제어에 매우 중요한 인자임을 알 수 있다. 따라서 조류 제어능이 입증된 두 생물제재의 혼합적용이 단독 처리시 에 비하여 높은 효과를 보이지만 조류의 생리적 특성과 생 물제재간의 상호관계에 대한 보다 세밀한 연구가 뒷따라 야 될 것으로 판단되었다.

    적 요

    유해조류의 생물학적 제어를 위하여 여과능이 입증된 패류와 동물플랑크톤을 혼합적용하고, 현장적용 가능성을 검토하였다. 실험수는 매년 남조 Microcystis aeruginosa가 대발생하는 일감호 (서울)의 현장수, sediment, 배지를 대형 수조에 일정량 넣고 인위적으로 조류대발생을 일으켜 유 지하고 있는 실험수를 이용하였다. 실험은 동물플랑크톤 만 처리한 Z군 (40 individuals L-1), 패류만 처리한 M군 (2 individuals L-1), 동물플랑크톤과 패류를 모두 첨가한 ZM 군 (Z, M군의 밀도를 합한 것)으로 설계하였다. 수심별 조 류제어 효과를 확인하기 위하여 표층, 중층에서 각각 일 정량의 실험수를 꺼내 엽록소량의 경시적 변화를 측정하 였다. 결과, 중층의 모든 처리구에서 Chl-a의 감소를 보였 으며 24시간째 Z군은 63.2%의 제어율을 보인 반면, M군 과 ZM군은 각각 79.8%, 90.8%의 제어율을 나타내 뚜렷 한 억제효과를 보였다. 표층의 경우, Z군과 ZM군은 각각 51.9%, 63.4% 등으로 50% 이상의 억제효과를 보인 반면, M군의 경우 대조군의 27.4%로서 가장 낮은 제어율을 보 였다. 결과를 종합하면, 두 생물제재의 혼합이 수층에 상관 없이 그 효과는 입증되었으나 남조 M. aeruginosa의 부유 성을 감안한다면, 패류의 적용수심이 조류제어에 매우 중 요한 인자임을 알 수 있었다. 따라서 생물제재의 혼합적용 이 보다 높은 효과를 보였으며 조류의 생리적 특성과 생물 제재간의 상호관계에 대한 세밀한 연구가 요구되었다.

    Figure

    KSL-48-108_F1.gif

    Removal rates (%) of mussels (M), zooplankton (Z) and zooplankton-mussel combination (ZM) at different water depths on the cyanobacterial water with cyanobacterium Microcystis aeruginosa.

    KSL-48-108_F2.gif

    Changes in filtering rates (FR) and removal rates (%) of mussels (M), zooplankton (Z) and zooplankton-mussel combination (ZM) on the cyanobacterial water with cyanobacterium Microcystis aeruginosa.

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    Changes in filtering rates (FR) and removal rates of mussels on the different cyanobacterial waters (Chl-a) with Microcystis aeruginosa.

    KSL-48-108_F4.gif

    Comparisons of filtering rates (FR) and removal rates between zooplankton and mussels at different water depths on the cyanobacterium Microcystis aeruginosa.

    Table

    Reference

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