1.서 론

선박평형수는 공선선박의 무게중심을 유지하여 안전한 항 해를 돕기 위해서 적재하는 물이며, 전 세계적으로 연간 50 ~ 100억톤 규모로 이송되고 있다(Kang et al., 2010). 선박평형 수에 이송된 대부분의 생물은 배출되는 해역 환경에 적응하 지 못해 사멸하지만, 일부 내성이 강한 종은 살아남게 되어 항만고유의 생태계를 교란시킬 수 있다(IMO, 2001). 이에 국 제해사기구(IMO: International Maritime Organization)에서는 선 박평형수관리시스템(BWMS: Ballast Water Management System) 을 개발하여 생물을 원천적으로 제거 및 사멸시킨 후 배출해 야 하는 국제선박평형수관리협약(IMO D2 regulation)을 제정 하였다(IMO, 2001). IMO D2규정에 의하면, 선박평형수 처리 장치의 형식승인을 위한 육상시험에 필요한 ≥10 and <50 μm 크기 생물(대부분 식물플랑크톤, 이하 10-50 μm 크기 생물 로 표기)군에 관해서는 배양생물이나 자연생물군집에 관계 없이 최소 3문(Phylum) 5종(Species) 이상이 존재해야 하며, 또한 일정 수준을 초과한 개체수 밀도(>1.0 × 10³ cells mL^-1) 을 유지하도록 시험수를 규정하고 있다. 이러한 IMO 규정 을 충족시키기 위해서 대부분 형식승인 시험기관에서는 현 재 BWMS 육상시험 수행 시 자연해수와 함께 고밀도의 배 양생물(예: Tetraselmis suecica)을 희석하여 시험수 개체수 밀 도를 충족시키고 있다.

하지만, IMO D2 기준보다 1000배 강화된 USCG(U.S Coast Guard) Phase II 형식승인기준에서는 시험수에 자연 상태 생 물군집을 75 % 이상으로 유지하도록 하는 새로운 조항을 만 들었다(Miller et al., 2011). 따라서 USCG Phase II 형식승인시 험을 수행하기 위해서는 높은 밀도의 자연생물을 확보하는 것이 매우 중요하다. 자연 상태의 10-50 μm 크기 생물을 확 보하기 위해서는 첫 번째로 해수나 담수에서 생물을 채집할 수 있는 네트 등의 도구를 이용하여 고밀도의 자연생물시료 를 확보한 후 BWMS시험수의 생물농도를 맞추는 방법과, 두 번째로는 폐쇄생태계(mesocosm)를 조성한 후 일정양의 영양염 을 첨가하여 2 ~ 3일 동안 자연 상태의 생물군집을 고밀도로 배양한 후 시험수로 활용하는 방법을 고려해 볼 수 있다.

본 연구에서는 첫 번째 자연생물군집 확보 방법 중 네트를 이용한 생물 농축 시 USCG Phase II 형식승인시험 시험수내 생물 농도를 충족시킬 수 있는 방법인지 검토하였다. 또한 10-50 μm 크기 생물 군집 구조는 계절 및 해역에 따라 매우 다양하게 변화하며, 이는 네트를 이용한 자연생물군집 농축 시 다양한 문제점을 발생시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서 는 10-50 μm 크기 생물군집을 대규모로 농축해서 BWMS 형 식 승인 시험수로 이용하였을 경우 발생할 수 있는 문제점 파악과 함께 적절한 대책을 강구할 수 있는 자료를 확보하 고자 하였다.

2.재료 및 방법

2.1.식물플랑크톤 자연종 농축

자연종 생물 농축은 장목만과 마산만에서 2015년 1월 15 일과 22일에 한국해양과학기술원 연구선 ‘장목1호’를 이용 해서 수행하였다(Fig. 1). 생물 농축을 동절기에 수행한 이유 는 다른 계절에 비해 상대적으로 개체수 밀도가 낮을 것으 로 예측되는 동절기에 생물 농축을 효과적으로 수행 할 수 있다면, 개체수 밀도가 상대적으로 높은 계절에는 보다 빠 르고 간단하게 생물을 농축할 수 있을 것으로 판단하였기 때문이다. 장목만과 마산만의 조사는 각각 오전 9시에 장목 만을 출항하여 생물을 네트로 채집하여 20 L 용기에 넣고, 빛의 영향을 적게 받도록 보관하였다. 오후 4 ~ 5시에 현장 조사 완료 후 채집된 시료를 1톤 탱크로 옮긴 다음 1차적으 로 농축시료의 농도, 사망률, 종 조성을 확인하였고, 1톤 탱 크에서 펌프를 이용해서 다시 500톤 시험수 탱크로 농축 시 료를 이동시킨 후 최종 생물 농도를 환산하여 시험수 생물 농도 조건 만족 여부를 확인하였다.

일반적으로 우리나라에서는 10-50 μm 크기 생물을 정성적 으로 평가하기 위해 망목 20 μm, 직경 30 cm, 길이 0.7 m 내외 의 네트를 제작한 후 사용한다. 하지만 본 연구에서는 500톤 규모의 육상시험설비 시험수 탱크에 10-50 μm 크기 생물을 채집하여 BWMS 장치의 시험수 조건(>1 × 10³ cells mL^-1)을 충 족해야하기 때문에, 망목 20 μm, 직경 50 cm, 길이가 1.5 m의 네트를 제작하였다. 10-50 μm 크기 생물 농축은 5 m 수직 인 양하여 농축하는 방법과 선박을 저속 운항(약 1 knot)시켜, 30 ~ 60초간 표층부에서 인양하는 두 가지의 방법으로 수행하 였다. 장목만과 마산만에서 네트를 이용하여 현장에서 채집 한 방법 및 횟수는 Table 1과 같다.

2.2.선박평형수관리시스템(BWMS) 운전 정보

본 연구 시 적용된 BWMS는 Fig. 2와 같이 필터와 전기분 해과정을 거치면서 생물을 사멸시키는 방법으로 전 세계적 으로 실용성과 안전성이 검증된 방식이다(Kim, 2012). 본 방 식의 생물 제거 원리에 대해서 간략하게 소개하면, 시험수 내 생물은 75 μm 크기 필터에 의해서 1차적으로 제거가 된 다음 전기분해장치를 거치면서 전위차와 발생된 산화물 (HOCl, OCl^-, HOBr, Obr^-, O₂, H₂O₂)에 의해서 2차적으로 생물 이 제거되게 된다. 본 연구에 사용된 BWMS 장비 생물사멸 및 처리효율을 평가는 장목만 농축시료를 이용한 시험(1월 15일)과 마산만 농축 시료를 이용한 시험(1월 21일)으로 나 누어 진행하였다. 시험은 시간 당 250 ~ 300톤 유속으로 각각 처리장치를 통과하지 않은 비처리수(Control water: 250톤)와 처리장치를 통과한 처리수(Treated water: 250톤) 탱크로 흘려 보내면서 진행하였다. 생사판별을 위한 시료 분석은 비처리 수 및 처리수 탱크 수위에 따라 3부분(25 %, 50 %, 75 %)으로 나누어 진행하였으며, 0일차에서는 장목만 및 마산만 시험 수(Test water)와 처리수(Treated water)에 대해서 생사판별을 수행하였고, 5일 후에는 장목만 비처리수와 처리수에 대해 서 다시 생사판별을 실시해서 대상생물군이 처리 효율을 재 평가 하였다. 처리수 내 생존해 있는 10-50 μm 크기 생물 생사 판별 시 보다 많은 양을 검경하기 위해 처리수 10 L를 5 μm 망목 네트로 여과·농축한 다음 분석하였다.

2.3.생사판별법

최근에 개정된 미국형식승인(USCG Phase II)에서 10-50 μm 크기 생물에 대한 기준을 보면, 개체 사멸에 관해서는 IMO D2 규정에 비해 1000배 강화된 규정을 제시하였으나, 결과 도 출을 위한 분석 방법에 대해서는 명확하게 언급하고 있지 않 다. 본 연구에서는 보편적으로 널리 사용되고 있는 Fluorescein diacetate(FDA) 염색법(Garvey et al., 2007; Baek and Shin, 2009; Hyun et al., 2014)과 자가형광(Autofluorescence) 관찰 방법 (Tang et al., 2007)을 비교해서 상대적으로 효율이 좋은 방법 을 선정한 후 시험에 적용하였다. 먼저 FDA 염색 시약은 FDA(10209CE, Sigma-Aldrich) 시약 100 mg을 25 mL 갈색 암병 에 넣은 후, 20 mL의 dimethysulfoxide(DMSO)와 혼합해서 표 준용액을 조제하였다(Baek and Shin, 2015). 조제된 표준용액 을 400배 희석한 후 시료 1 mL에 25 μL를 넣어서 약 15분간 암상태에서 시료와 염색약을 반응을 시킨 다음 형광현미경 (Axioplan II, Carl Zeiss, Germany) blue excitation filter(excitation: 450-490nm, emission: ≥520 nm) 하에서 염색 유무를 관찰하였 다. 자가형광관찰도 FDA와 동일한 파장대에서 수행하였다. 생사판별은 Sedgewick-Rafter counting chamber에 농축된 시료 를 100 ~ 200 μL 분주하여 5분간 침강시킨 후 200배 배율로 동정 및 계수하는 방법으로 수행하였다.

3.결과 및 고찰

3.1.FDA 염색법 및 자가형광관찰법

생물 사멸 시험 전에 10-50 μm 크기의 살아 있는 생물에 대한 FDA 염색법과 자가형광관찰법 효율을 확인해 보았다 (Table 2, Fig. 3 and 4). 동계의 마산만 동일 시료를 이용하였 음에도 불구하고 전체적으로 FDA 염색법(177 ± 116 cells mL^-1) 보다는 자가형광관찰법(497 ± 59 cells mL^-1)에서 살아 있는 생 물수가 2배 이상 높게 나타났다. 특히 FDA 염색법은 체인을 형성하는 규조류인 Chaetoceros spp., Skeletonema costatum-like species, Thalassiosira spp.에서 자가형광관찰법보다 살아 있는 개체수가 적게 나타났는데, 이는 FDA 특유의 녹색 형광을 적 색형광이 간섭하는 현상이 강하게 나타났기 때문이다(Fig. 4a - 4c). Hyun et al.(2014)의 연구에서도 특정 대형종(e.g. Ditylum brightwellii)을 제외하면 FDA 염색 효율이 90 % 이하이며, 특 히 Chaetoceros affinis를 제외한 Chaetoceros spp., Cylindrotheca closterium, Pseudo-nitzschia spp. 등은 40 % 이하라고 보고하 였다. 또한 Hyun et al.(2014)과 Baek and Shin(2015)은 S. costatum-like species 는 FDA 염색이 잘 되지 않는다고 보고하 였다. 따라서 FDA 염색법은 염색 효율이 낮을 것으로 판단 되어, 본 연구에서는 자가형광관찰방법을 생물사멸효율 판 별을 위한 생사판별방법으로 선택·적용 하였다.

3.2.자연생물군집 농축

장목만 농축 시료에서 10-50 μm 크기 생물 군집 조성을 확 인해 본 결과 3문 11종이 출현하였으며, 전반적으로 규조류 가 다른 분류군에 비해 높은 점유율을 보였다. 특히 동계 낮 은 수온(7 ~ 10 °C)에도 불구하고 S. costatum-like species가 극 우점 출현하였다(Table 3). 장목만 조사 7일 뒤, 마산만에서 10-50 μm 크기 생물을 채집 및 농축한 결과, 3문 12종이 출현 하였고, 장목만과는 다르게 와편모조류가 극우점하는 경향 을 보였다(Table 3). 특히 Heterocapsa triquetra가 전체 군집의 70 % 이상으로 극우점 출현하였다.

장목만에서 채집 및 농축한 10-50 μm 크기 생물의 개체수 밀도는 4.7 × 10⁴ cells mL^-1로 마산만(0.8 × 10⁴ cells mL^-1)보다 높았으며, 살아 있는 생물의 비율도 장목만이 90.4 %로 88.0 % 인 마산만보다 높게 나타났다(Fig. 5a, 5b). 장목만에서 농축 한 시료의 현존량이 마산만 시료보다 약 5배 정도 높은 이 유는 장목만에서 우점한 S. costatum-like species 세포 체적이 마산만에서 우점 출현한 Akashiwo sanguinea와 H. triquetra의 1/2 - 1/8에 해당되며, 또한 S. costatum-like species는 체인을 형 성해서 높은 개체수 밀도를 유지할 수 있기 때문으로 사료 된다. 마산만 해역에서는 채집 당시 와편모조류와 함께 크 기가 <10 μm보다 작은 은편모조류를 포함한 편모조류가 매 우 높은 밀도로 존재해서 네트를 이용한 생물 농축 시 농축 효율을 떨어뜨려 10-50 μm 크기 생물 개체수 밀도가 낮게 나 타난 것으로 판단된다. 결과적으로 각 해역에서 우점 출현 하는 종조성 차이로 인해 네트를 이용한 농축 효율이 다르 게 나타날 수 있음을 확인할 수 있었다. 아울러 우점 출현하 는 종조성 차이는 생물 활성 측면에서 사멸률에 영향을 미 칠 수 있다. 특히, 대부분의 종들이 유영능력을 갖고 있지 않은 규조류와 비교하여 유영능력이 활발한 와편모조류를 높은 밀도로 농축하였을 경우 유영능력이 떨어지게 되며, 이는 생물 사멸에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 마 산만과 같이 크기가 작은 소형 편모조류 및 와편모조류가 높은 밀도로 존재를 하는 해역에서 자연종 농축을 수행하기 위해서는 망목 크기를 현행 20 μm에서 >30 μm로 크게 해서 네트로 유입되는 해수의 여과율을 증가시켜야만 네트 막힘 으로 인한 여과율 손실을 줄 일 수 있을 것으로 판단된다. 또한 대부분이 편모를 가지고 있는 식물플랑크톤인 점을 고 려하였을 때 농축 시료 보관 시 보관 용기 내 농축 밀도 또 한 낮게 유지할 필요성이 있을 것으로 판단된다.

3.3.생물사멸시험

마산만과 장목만 농축 시료를 대상으로 BWMS이 생물사멸 효율을 평가하였다(Table 4). 500톤 시험수 탱크 내 10-50 μm 크기 살아 있는 생물 농도를 보면, 마산만 농축 시험수는 62 ± 7 cells mL^-1이고, 장목만 농축 시험수는 562 ± 18 cells mL^-1로 나타났다. 마산만 및 장목만 농축 시험수 모두 USCG Phase II 의 10-50 μm 크기 시험 생물 개체수(>1.0 × 10³ cells mL^-1) 조건 을 충족하지 못하였다. 본 결과는 생물량이 낮을 것으로 예 측되는 동계에 1척의 선박을 이용해서 약 8시간 정도 채집 과정을 통해서 얻어진 결과로, 체인을 형성하는 규조류가 우점한 장목만 농축 시료인 경우 시험수 기준의 1/2 수준의 개체수 밀도를 보여서 추가적으로 1척의 선박을 더 이용해 서 생물 농축을 수행 한다면 시험수 조건을 만족시킬 수 있 을 것으로 판단된다. 하지만 와편모조류 및 <10 μm보다 작은 편모조류가 우점한 마산만 농축 시료인 경우 시험수 기준이 1/15 수준에 미쳐, 추가적으로 드럼스크린 방식과 같이 생물 을 대량으로 농축할 수 있는 방법이 병행되어야 할 것으로 판단된다. 드럼스크린 방식은 드럼 크기에 따라 여과랑은 변 하지만, 일반적으로 가로×세로가 1 m × 1 m인 드럼인 경우 시 간당 해수 160톤 여과를 통해 크기가 16 μm 이상이 생물을 고밀도로 농축할 수 있다고 보고되고 있다(www.fishvil.com). 하지만 드럼디스크 방식은 이동이 용이하지 않아서 드럼디 스크가 설치된 해역 생물 농도에 의존을 해야 하는 단점이 존재한다. 따라서 채집 해역 내 생물 밀도가 낮거나 혹은 생 물상이 네트를 이용한 농축에 적합지 않을 경우 추가적으로 드럼디스크 방식을 이용해서 생물을 농축한다면 보다 효과 적으로 USCG Phase II 형식승인 시험수 생물 농도 조건을 충 족시킬 수 있을 것으로 판단된다.

시작 시험 시 BWMS를 거친 처리수와 시험수에 살아 있는 생물 개체수 밀도를 비교해서 생물사멸효율을 확인해 보았다 (Table 4; Fig. 6). 마산만 Day 0 처리수내 살아 있는 개체수 밀 도는 7 ± 3 cells mL^-1로 초기 생물사멸효율은 89.9 %이며, 장목 만 Day 0 처리수내 살아 있는 개체수 밀도는 58 ± 18 cells mL^-1 로 초기 생물사멸효율은 90.6 %로 나타났다. 전반적으로 처 리 당일에도 불구하고 BWMS의 장비를 통과한 생물은 대부 분 사멸하여 장비의 처리효율이 좋은 것으로 확인되었다. 장목만 농축시료를 대상으로 BWMS처리 5일 경과 후 비처 리수와 처리수의 살아 있는 생물 개체수 밀도를 파악하였 다. Day 5 비처리수 생물 농도는 시작 시험 시 시험수 내 생 물 농도와 유사한 552 ± 94 cells mL^-1이며, day 5 처리수에서는 1.3 ± 1.4 cells mL^-1로 약 99.8 %의 높은 생물 사멸 효율을 보였 다. Day 5 비처리수에서 10-50 μm 크기 생물의 높은 생존율 은 네트를 이용한 생물 농축 방법이 대상 생물 군집이 활성 을 크게 저하시키지 않는다는 것을 의미한다.

현재 IMO 기준을 만족하는 BWMS 시장은 약 80조원으로 예측하고 있으며, USCG Phase II와 같이 기준을 강화하면 처 리설비의 고도화가 발생해서 시장 규모는 더욱 커질 것으로 예측된다. 2010 ~ 2014년까지 우리나라 BWMS 개발 기업은 총 2,569척의 선박에 BWMS를 설치해서 1조 4,425억이 매출 을 달성하였으며, 시장 점유율도 55 %로 세계 1위이다 (해양 수산부). 따라서 선박평형수처리설비 글로벌리더로서 지속 적 성장을 위해선 현재의 IMO 기준과 더불어 보다 강화된 기준인 USCG Phase II를 만족시킬 수 있는 BWMS 개발과 함 께, 이를 체계적으로 평가·관리하는 시스템 구축이 필요할 것으로 판단된다.

4.결 론

본 연구는 자연 생물 군집을 75 % 이상으로 유지해야 하는 USCG Phase II 시험수 조건 품질관리 일환으로, 2015년 1월 에 국가공인 육상시험설비와 인접한 장목만과 마산만에서 각각 2명이 조사 인원이 참여해서 약 6 ~ 8시간 동안 10-50 μm 크기의 생물을 채집·농축하였다. 결과적으로 동계의 낮은 개체수 밀도가 원인이 되어 제한된 시간에 500톤에 >1.0 × 10³ cells mL^-1 의 시험수를 조성할 수 없었으나, 5일 동안 생물활성이 지속 적으로 높게 유지되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 특정 해역 내 우점하는 생물군집에 따라서 네트를 이용한 생물 농축효율이 달라질 수 있었고, 특히 체인을 형성하는 규조 류가 높은 밀도로 존재하는 해역에서는 2척이 선박을 이용 해서 4명의 인력으로 약 6 ~ 8 시간을 네트를 이용한 생물을 농축할 경우 USCG Phase II 육상시험 시험수 기준을 충족할 수 있을 것으로 판단된다. 반면에 와편모조류 및 <10 μm보다 작은 은편모조류를 포함한 편모조류가 매우 높은 밀도 존재 하는 해역에서는 크기가 작은 생물로 인해 네트 농축 효율 이 크게 저하되기 때문에 네트를 이용한 생물 농축과 더불 어 메조코즘 및 드럼디스크 생물농축방식을 같이 병행해서 활용할 수 있는 방안이 필요할 것으로 판단된다. 결과적으 로 본 연구를 통해서 네트를 이용한 10-50 μm 크기의 생물 농축으로 USCG Phase II 육상시험 시험수 기준을 충족할 수 있다는 가능성을 시사할 수 있었다. 본 연구 결과는 향후 USCG Phase II 시험을 위한 시험수 조성 및 매뉴얼 구축에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.