1.서 론
우리나라 남해안은 쿠로시오 해류(Kuroshio Current)의 지류 인 황해난류수(Yellow Sea Warm Current), 대마난류수(Tsushima Current), 동중국해를 거쳐 제주도 주변을 시계방향으로 흐르는 제주난류(Cheju Warm Current) 그리고 겨울철 냉각과 수직혼합 으로 형성되는 서해남부연안수(Yellow Sea Coastal Water)와 남 해연안수(South Korean Coastal Water) 등의 영향을 받는다(Na et al., 1990; Lie et al., 2000; Teague et al., 2003). 하계에는 양자 강하구 등의 담수 기원인 중국연안안수(Chinese Coastal Water) 및 동해에서 기원되는 대한해협 저층냉수(Korea Strait Bottom 가 분포하게 되어 Water) , 더욱 복잡한 물리적인 환경이 조성 된다(Teague et al., 2003; Lie and Cho, 2016). 또한 바람 등의 기상적인 요인에 따라 이들 수괴의 침강 및 확장이 되기 때 문에, 남해전선역의 위치가 시공간적으로 달라진다(Yang et al., 1998).
전선역은 서로 다른 특성을 가진 두 수괴가 수렴하는 해 역으로 일차생산 뿐만 아니라 상위영양단계의 생물량이 높 아, 수산자원학적으로 중요한 해역이다(Yanagi, 1987; Matsuda et al., 1995). 남해 전선역의 경우도 난·자치어 등 유용해양생 물의 주요 서식장소로 알려져 있다(Kim, 1992; Choo and Kim, 1998; Moon et al., 2010). 남해 전선역에서 일차생산자와 이화 학적 변수의 상호관계에 관련한 대표 보고는 Kang and Jeon(1999)이 영양염, 식물플랑크톤 및 그 상위영양단계에 있 는 동물플랑크톤의 관련성을 조사하였다. Yoon et al.(2007)과 Baek et al.(2010)은 수괴에 따라 식물플랑크톤이 종조성이 달 라진다고 하였다. 또한 Jeong et al.(2013)은 남해안에서 계절 별로 달라지는 식물플랑크톤의 잠재적 제한 영양염(potential limiting nutrient)은 질산염으로 파악하였으나, 춘계와 하계의 경우에는 인산염으로 보고하였다.
일차생산자는 리비히 최소율의 법칙(Liebig’s law of the minimum)에 따라 생장이 율속이 된다. 제한영양염의 파악은 해수의 질소, 인 그리고 규소의 화학양론(stoichiometry), 즉 “Redfield ratio”(N/P=16; Redfield, 1958)와 “Redfield-Brzezinski ratio”(Si/N=1; Brzezinski, 1985)에 따른 것으로 지금까지 영양 염에 따른 식물플랑크톤의 생장에 관한 연구에 중요한 인자 로 사용되어 왔다(Tilman et al., 1982; Hecky and Kilham, 1988). 호소학의 경우, DIP 농도가 5 μg/L(약 0.16 μM) 또는 300~500 μg/L(21~35 μM)를 초과할 경우, 비가 16 이상과 이하가 되어 도 제한 영양염으로 작용할 수 없다(Reynolds, 1984). 이는 제 한 영양염은 비율도 중요하지만, 절대농도에 대한 식물플랑 크톤 생장의 이해가 필요하다. 하지만 모든 식물플랑크톤의 생장에 직접적인 관련이 있는 영양염 흡수속도(uptake rate), 세포내 영양염 함유량(cellular nutrient quoter)을 파악한다는 것은 불가능하기 때문에, 식물플랑크톤 생리적인 지식을 기 반으로 하는 제한 영양염 지시자(indicator)가 필요하다.
한편 해수 중에 용존 되어 있는 인은 용존무기인(dissolved inorganic phosphorus; DIP) 뿐만 아니라 용존유기인(dissolved organic phosphorus; DOP)이 있으며(Cembella et al., 1984; Oh et al., 2005), 빈영양상태의 해수일지라도 DOP의 농도는 0.1~0.3 μM 로 DIP와 같이 고갈되지 않는다(Suzumura and Ingall, 2004). 여 러 연구에서 DIP의 제한상태에서 일차생산자의 DOP 이용을 보고하였으며(Nishijima et al., 1989; Dyhrman and Palenik, 1999; Oh et al., 2002; Yamaguchi et al., 2004, 2005; Oh et al., 2010), 특히 DOP 중 인산모노에스테르(phosphomonoester)는 해수의 약 알칼리 환경에서 활성도가 높은 인산분해 효소(alkaline phosphatase; APase)에 따라 가수분해 되어, 분해성 인(labile-P) 의 형태로 생태계에서 중요한 역할을 담당한다(Cembella et al., 1984; Oh et al., 2005). APase는 플랑크톤과 박테리아의 세 포벽에 있는 입자성-APase(P-APase)와 해수에 용존 되어 있는 용존태-APase(D-APase)로 구별되며, DIP가 제한 정도에 따라 유도되기 때문에 DIP의 제한정도를 나타내는 지시자로 사용 된다(Kwon et al., 2011). P-APase과 D-APase의 비율은 해역의 DIP 제한 정도에 따라 그 비율이 달라지기 때문에(Kwon et al., 2010), Li et al.(1998)는 각각의 활성도를 측정함으로써 DIP 제한의 시간적인 변화를 추적할 수 있는 가능성을 제시 하였다.
따라서 본 연구는 2017년 추계에 수괴분석을 바탕으로 남 해 전선역을 파악하고, 화학양론적 비가 아닌 식물플랑크톤 의 효소활성(APase)을 기반으로 조사 해역의 제한 영양염이 무엇인지를 밝혔다. 또한 제한영양염의 변화도 토의하였다.
2.재료 및 방법
본 연구는 2017년 4월 3일에 부경대학교 탐사선 나라호 (G/T 1,494 ton)를 이용하여, 부산에서 제주도 까지 10개 정점 에서 수심별 관측을 수행하였다(Fig. 1). 전선역의 위치를 파 악하기 위해 CTD(SBE 911plus, Sea-Bird Electronics Inc.)를 이 용하여 수온, 염분 그리고 용존산소를 조사하였으며, 이 중 7개 수층에서(0, 10, 20, 30, 50, 75, 100 m) Rossette sampler를 이용하여 해수를 채수하였다.
채수된 시료는 선상에서 즉시 유리섬유필터(ɸ 0.47 μm, GF/F, Whatman)를 이용하여 식물플랑크톤 세포가 파괴되지 않는 30 mmHg 이하의 낮은 압력으로 여과하였으며, 분석시 까지 급속냉동고(-20–)에 보관하였다. DIP 그리고 용존무기 질소(dissolved inorganic nitrogen; DIN=NH4-N+NO2-N+NO3-N)는 해양환경공정시험기준에 따라 분광광도계(spectrophotometer; DU 730, Beckman Coulter)로 비색·정량하였다(MOF, 2013). DOP 는 용존총인(dissolved total phosphorus; DTP)에서 DIP를 공제 하여 평가하였으며, DTP는 산화제를 사용한 Koroleff(1983)의 방법으로 측정하였다. Chlorophyll a(Chl.-a)는 해수를 박막여 과지(ɸ 0.45 μm, Millipore)에 여과한 후, 아세톤 추출법에 따 라 선상에서 모두 분석하였다(MOF, 2013).
APase 활성은 짝수 정점에서 수심 30 m까지 분석하였다. 분석방법은 해수시료에 disodium phenylphosphate, tris (hydroxymethyl) amino methane·HCl solution (pH 9)을 첨가하여 일정시간 배양 후, aminoantipyrine 및 ferricyanide를 첨가하여 발색시키고 disodium phenylphosphate의 가수분해로 축적된 phenol 농도를 분광광도계(DU 730, Beckman Coulter)로 비색정 량 하였다(Yamaguchi et al., 2004). P-APase와 D-APase의 분리를 위해서 낮은 여압 하에서(< 30 mmHg) 박막여과지(ɸ 0.22 μm; Millipore)를 이용하여 여과한 후, 그 여액을 D-APase로 간주 하였으며, 총 APase(T-APase)에서 D-APase를 공제하여 P-APase 로 가정하였다. 모든 APase 분석은 선상에서 시료 채수 즉시 수행하였다.
3.결과 및 고찰
수온은 정점 A1과 A2에서 12.8– 부터 15.4– 까지 그리고 정점 A3과 A5에서 12.6– 에서 15.7– 까지 급격한 수온변화를 보였으며, 나머지 정점에서는 큰 수온의 변화가 없었다. 그 리고 정점 A4의 수심 20 m 이심에서 11– 의 낮은 수온역이 분포하였다(Fig. 2). 염분도 정점 A1과 A2에서 34.3 psu에서 34.7 psu, 정점 A3과 A5에서 34.6 psu에서 34.7 psu로 염분변화가 보였으며, 정점 A4의 30 m 이심에서 낮은 수온을 보였던 수 심에서 비교적 낮은 염분농도를 나타내었다(34.1 psu; Fig. 2). 용존산소도 유사하게 정점 A1과 A2(8.8 mg/L에서 8.3 mg/L) 그리고 정점 A3과 A5에서(9.1 mg/L에서 8.1 mg/L) 뚜렷한 변 화가 보였으나, 정점 A4의 30 m 이심의 낮은 수온과 염분으 로 특징지을 수 있는 수괴에 대해서는 뚜렷한 차이가 없었 다(Fig. 2). 따라서 본 조사해역의 전선역은 정점 A3과 A5 사 이에서 뚜렷하게 형성된 것을 알 수 있다.
DIN의 수직적 분포를 보면, 1.87~9.38 μM의 범위로 정점 A1과 A2에서 최대농도를 보였지만(9.38 μM), 정점 A2과 A3 에서는 급격히 낮아지는 경향을 보였다. 특히 정점 A4의 표 층의 경우는 2 μM 이하의 낮은 농도를 나타내었다(Fig. 3). DIP는 0.15~0.67 μM의 범위로, DIN과 유사한 분포경향이었으 며, 특히 정점 A3과 A4의 표층에서 0.2 μM 이하로 낮은 농도 를 나타내었다(Fig. 3). DIN: DIP 비는 5.19~23.2이며, 정점 3에 서 5의 표층에서 Redfield 비(16)보다 높게 나타났고(최대 23.2), 그 외의 정점에서는 Redfield 비와 유사하거나, 낮게 나 타났다(Fig. 3). 하지만, Chl.-a는 정점 A1과 A2, 그리고 정점 A3에서 A5의 표층에서 높게 나타났으며, 최대 농도는 정점 A3과 A5사이에서 2.21 μg/L로 나타나(Fig. 4), 기존의 보고인 전선역 주변해역에서 높은 생물생산이 보인다는 사실과 일 치하였다(Kim, 1992; Choo and Kim, 1998; Moon et al., 2010).
본 연구해역에서 T-APase는 0.11~2.04 nM/min의 범위를 나 타내었으며, 정점 A4에서 측정된 모든 수심에서 높은 활성을 보였다(1.50±0.45 nM/min; Fig. 4). 하지만 그 외의 정점에서는 유사한 활성을 나타내었다(0.11~0.48 nM/min; Fig. 4). Redfield 비(DIN: DIP)는 정점 A4의 표층에서 높은 비를 나타내어, DIP 가 제한인자로 나타났지만(Fig. 3), T-APase는 전 정점에서 검 출되어 DIP제한을 지시하였다. 실제 T-APase와 DIP와는 강한 역의 상관관계를 보여(r = -0.81, p > 0.001; Fig. 5), 전선역과 그 주변해역은 DIP가 제한된 해역으로 고려할 수 있다. 본 연구 에서 유도된 T-APase는 사용된 기질 그리고 비색법 또는 형 광법 등의 분석방법이 다르기 때문에 타 해역과 비교는 힘 들지만, 본 해역에서 사용한 기질(phenylphosphate)과 같은 방 법으로 측정된 해역과 비교하면, 일본의 Uranouchi Inlet(1.20 ~70.1 nM/min; Yamaguchi et al., 2004)과 Tokuyama 만(0.00~142 nM/min; Tanaka, 1984)보다는 낮은 활성을 보였으며, 우리나 라 대표적인 내만역인 가막만(0.51~5.21 nM/min; Kwon et al., 2011)의 활성보다도 낮았다. 일본의 경우는 1979년부터 발효 된 Seto 내해 환경 보전 특별 조치법(Law Concerning Special Measures for Conservation of the Environment of the Seto Inland Sea) 발효로 인 정화기준 강화 및 인이 함유된 세제 제조 금 지에 따라 해양으로 인 유입이 감소되어 춘·하계의 경우 DIP 농도가 검출한계 이하의 값을 보이는 등(Yamamoto et al., 2002), 우리나라 해역보다 DIP가 크게 제한되어 있기 때 문에 높은 활성이 보인 것으로 생각된다.
D-APase는 0.04~0.93 nM/min의 범위이며, T-APase와 같이 정점 A4에서 높은 활성이 보였으며(0.75±0.13 nM/min), 나머 지 정점에서는 낮았지만, 0.30±0.10 nM/min로 검출되었다(Fig. 4). 그리고 P-APase는 정점 A4와 일부 정점의 수심에서만 활 성이 측정되었다(0.50±0.50 nM/min). T-APase중 D-APase의 비율 은 정점 A4에서 30~70%였으며, 나머지 정점에서는 T-APase 의 대부분이 D-APase로 존재하였다. 즉 전선역의 경우 식물 플랑크톤 또는 박테리아의 세포내 활성 및 세포로부터 방 출된 APase가 검출되었음을 의미하지만, 나머지 정점에서는 세포내에서 합성된 APase는 없었으며, 세포로부터 방출된 APase만 존재한다는 것을 나타낸다. 또한 전선역의 경우 DIP의 강한 제한을 시사한 것으로 16이상의 DIN: DIP 비에 따른 DIP제한과 일치한 결과를 나타내었다. 가막만의 경우, T-APase 중 D-APase 활성의 비율이 하계와 동계에서 8~15% 로 대부분이 P-APase로 반대의 경향을 나타내었다(Kwon et al., 2010). 이는 내만역의 DIP 제한 정도가 본 해역보다 강하 다는 것을 의미한다. 반면에서 홍해북부의 경우는 42~74% 로 본 해역과 유사한 DIP 제한 정도를 가지는 것으로 생각 된다(Li et al., 1998).
해수 중에 유리된 D-APase와 식물플랑크톤에 표면에 위 치 한 P-APase를 측정함에 따라 현장해수 중의 DIP의 제한 정도를 4가지 경우로 파악할 수 있다(Li et al., 1998). ①f D-APase와 P-APase가 낮거나 검출되지 않는다면 해역에서 DIP 제한이 없거나 약한 상태이며, ② 낮은 D-APase와 높은 P-APase이면 최근에 DIP가 제한된 해역이고, ③ 높은 D-APase와 P-APase의 경우 장기간 DIP 제한이 있는 해역으로 판단할 수 있다. 마지막으로 ④ 높은 D-APase와 낮은 P-APase 의 경우, 최근에 DIP 제한이 해소된 것을 암시한다. 이를 활 용하여, 본 해역을 검토한 결과, 전선역의 경우, 리비히 최소 율의 법칙에 따라 일차생산자 또는 분해자의 생장에 인이 중 요한 제한인자이며, 높은 생물생산력을 유지하기 위해 지속 적으로 DIP를 소비하고 있지만, DIP만으로도 인원(phosphorus sources)이 불충하여 DOP를 이용하고 있다는 것을 의미한다. 그 외의 해역은 DIP 제한이 최근에 해소되어, DIP만으로 충 분히 생장이 가능하다는 것을 지시한다. 이와 같이 세포내 용존태 유기물의 가수분해 관련 효소 활성도를 측정함으로 써, 기존의 제한 영양염 평가의 공간적인 평가에서 시간적 인 평가가 가능하게 되어, 해역의 생지화학 순환의 근본적 인 이해를 도울 수 있을 것으로 생각된다.
한편 APase의 기원을 밝히기 위해 T-APase 활성과 Chl.-a 의 상관관계를 분석한 결과(r = 0.61; p > 0.001), 식물플랑크톤 과 박테리아 유래가 약 60%와 40 % 정도로 차지하는 것으 로 나타났다(Fig. 5). 같은 빈영양상태의 해역에서도 박테리아 의 생물량이 식물플랑크톤을 초과하는 경우(Cho and Azam, 1990), 유사한 경우(Yanada et al., 2003), 식물플랑크톤의 절반 의 경우(Robarts et al., 1996) 등 차이를 보이기 때문에 APase 는 박테리아와 식물플랑크톤의 생물량의 차이에 따라 발생 하는 것으로 보인다. 하지만 빈영양상태의 해역보다 영양염 이 다소 높을 것으로 기대되는 해역(연안역 또는 전선역의 경우)은 APase의 대부분이 식물플랑크톤 기원인 것으로 보 고되었다(Nausch, 1998; Yamaguchi et al., 2004; Kwon et al., 2011; Huang et al., 2007; Samo et al., 2012). 본 연구해역에서 식 물플랑크톤과 박테리아의 입자성유기탄소(particulate organic carbon; POC)에 대한 기여율에 대한 연구가 전무한 실정이기 때문에 APase의 인과관계를 언급하기에는 힘든 부분이 있지 만, APase의 활성과 Chl-a의 관계를 기초로 living POC는 식물 플랑크톤과 박테리아가 약 60 : 40 비율로 차지할 것으로 생 각된다.
하지만 기원을 APase 밝히기 위한 직접적인 연구는 현실 적으로 어려움이 있다. APase는 식물플랑크톤과 박테리아의 세포벽에 부착하여 있으며, 외부적인 충격과 같은 낮은 스 트레스에도 쉽게 탈착되는 성질을 가지고 있기 때문에 (Chrost 1991), 식물플랑크톤과 박테리아를 분리하기 위한 기 존의 size fraction을 통한 분리 분석은 용존태 APase의 증가를 가져오기 때문에 오차를 발생시킬 수 있다(Nausch, 1998). 따 라서 새로운 APase의 유래를 밝힐 수 있는 실험적 접근이 필 요할 것으로 보인다.
전선역과 주변해역의 DTP 중 DOP의 비율을 보면 전선역은 84%이며, 주변해역은 63%로 전선역에서 높은 DOP 비율을 보였다. 일반적으로 해양에서 DOP을 구성하는 성분에 대한 명확한 답은 분석의 어려움 때문에 가지고 있지 않지만, DOP 는 1990년대 이후 십자류 여과방식(Tangential Flow Filtration) 로부터 해수 중의 용존유기물을 분자량으로 분리할 수 있는 방법이 개발되면서 약 1 nm, 분자량 1,000 da를 경계로 고분 자량 DOP와 저분자량 DOP로 구별된다(Benner, 1991). 더욱이 최근에 고분자량 DOP를 한외여과필터(ultrafiltration)를 통하 여 무기염류로부터 분리·농축이 가능하게 되었으며, 핵자기 공명법(Nuclear magnetic resonance spectroscopy)등과 같은 분석 기술의 발달에 따라 일부 분자 화학구조를 동정할 수 있게 되었다(Suzumura et al., 2015). 고분자량 DOP는 C-P결합에 따 라 phosphomonoester(PME)와 phosphodiester(PDE)로 나뉘고, 난 분해성 phosphonate가 일정부분을 차지하며, PME와 PDE는 각각 APase와 phosphodiesterase에 의해서 식물플랑크톤이 이 용할 수 있는 DIP로 가수분해 된다(Suzumura et al., 1998). 실 험실 실험에서 남해안에서 우점하는 식물플랑크톤의 고분 자량 DOP 이용성 실험에서 대부분의 식물플랑크톤이 이용 성이 높은 것을 확인하였다(Oh et al., 2010). 또한 Oh et al. (2005)과 Kwon et al.(2011)은 APase로 가수분해가 되어진 해 수 중 DOP를 가수분해인산염(Alkaline phosphatase-hydrolyzed phosphorus; APHP)으로 정의하고, 기존에 박테리아에 의해 분 해가 되어 공급되는 DIP 뿐만 아니라 APHP도 생태계에서 중요한 인 공급원으로 설명하였다. 특히 APase 활성에 의해 가수분해 된 APHP를 APase 효소를 가지고 있지 않으며, DIP 반포화상수(half saturation constant; Ks)가 낮은 r-strategy 식물 플랑크톤이 흡수하여 우점하는 경우도 발생할 수 있다. 그 렇기 때문에 본 해역의 전선역과 주변해역의 DOP 중 APHP 와 같은 분해성 DOP의 분포 및 구성(PME와 PDE)의 이해는 “왜? DIP 제한 상태에서 높은 생물생산력을 유지하는지”에 대한 질문에 좋은 해답이 될 것으로 기대된다.
