1. 서 론
동중국해는 대한민국, 일본, 중국과 대만에 걸쳐있는 북서 태평양에 위치한 광활한 연해이다. 대한민국과 중국 사이의 대부분 해역이 대륙붕으로 이루어져 있고(Wageman et al., 1970;Choi, 1984), 동쪽과 남쪽으로는 대륙사면이 나타나며, 오키나와 주변 해구의 깊이는 약 3,000 m에 달하는 등 지역 적인 특징이 뚜렷하다(Lefevre et al., 2000). 동중국해 대륙붕 으로는 대만난류가 북상하거나 중국연안수가 남하하며, 황 해 중앙 수역으로 대마난류의 분지류인 황해난류가 북상하 며 대륙사면을 따라 저층수가 용승하는 등 이 해역은 연중 다양한 해류와 수괴가 혼합되는 복잡한 해황(Ichikawa and Beardsley, 2002;Chang and Isobe, 2003;Isobe, 2008)으로 생태 계 특성에 영향을 미친다(Lie et al., 2003).
동중국해는 일반적으로 31~34 psu의 염분 범위를 보이고 있으나, 장강 저염수의 강한 유입이 발생할 경우 26 psu 이하 까지 낮아진다(Lie et al., 2003;Kim et al., 2009). 이 수괴는 동 중국해에 공급되는 규산염과 질산염의 대부분을 공급하며, 인산염은 하구에서 식물플랑크톤에 의해 대부분 소모된다 (Edmond et al., 1985). 장강에서 배출되는 높은 영양염 농도로 인해 장강 하구에서는 봄부터 여름까지 크기가 큰 식물플랑 크톤인 규조류와 와편모조류의 생물량이 크게 증가한다(Li et al., 2007;Zhou et al., 2008). 장강의 하류에 위치한 지역의 산업화와 경작지에서의 질소원 비료 사용의 증가, 양식업 발달로 인한 사료 소비량 증가는 장강 저염수에 포함되어 있는 질소원의 지속적인 증가를 불러일으켰으며, 그 결과 동중국해 해역은 질소보다 인에 의해 식물플랑크톤의 성장 이 제한을 받는 환경이 되었다(Wang, 2006;Liu et al., 2016).
장강 저염수에 의해 변화하는 식물플랑크톤 분포를 이해 하기 위해 다양한 분석 방식이 사용되고 있다. 광합성 색소 인 엽록소 a 농도 정량을 통한 크기별 생물량 측정(Zhou et al., 2012)을 비롯하여 식물플랑크톤이 분류군별로 보유하고 있는 광합성 보조 색소의 농도를 이용한 CHEMTAX 분석 (Kim et al., 2020;Furuya et al., 2003) 또한 식물플랑크톤 정량 분석 및 우점율 분석에 폭넓게 사용되는 분석법이다. 더불 어 유세포 분석법인 flow cytometry와 이를 더 발전시켜 이미 지 촬영까지 가능하게 한 FlowCAM의 개발은 군집 구조 분 석을 위해 도입되고 있다(Zhao et al., 2019;Jakobsen and Carstensen, 2011). 최근에는 MODIS와 같은 인공위성을 이용 하여 넓은 범위에서 크기별 식물플랑크톤 생체량 혹은 기여 도 등을 분석하기도 한다(Sun et al., 2018). 식물플랑크톤 분 석 기법 중 하나인 NGS 분석 방법을 통한 계통 연구는 Faria et al.(2014)에 의해 동중국해의 광합성 초미소 진핵생물(PPE) 분석이 시작된 이래 다양하게 활용되고 있으며(Wang et al., 2019), 광합성 초미소 원핵생물(PPP) 다양성 분석 역시 동중 국해에서 널리 활용되고 있다(Choi and Noh, 2009;Choi et al., 2011). 다양한 분석 방식들은 복합적으로 이용되어 더 정밀 하고 효과적인 생태 군집 구조와 다양성을 밝혀내고 있다 (Choi, 2012;Zhao et al., 2019).
식물플랑크톤은 환경 변화에 민감하게 반응하기 때문에 장강 저염수에 의한 해양의 물리·화학적 변화는 식물플랑크 톤 군집 구조와 다양성을 크게 변화시킬 것이며 더 나아가 생태계 전반에 크게 영향을 미칠 것이다. 그러므로 동중국 해에서의 저염수 세력이 강한 시기에 다양한 방식에 의한 식물플랑크톤 군집 구조와 다양성 변화를 공간적으로 파악 하는 것은 중요하나(Gong et al., 2006;Gomes et al., 2018;Song et al., 2017), 기존의 연구는 일회성 조사에 그치거나, 한정된 분석 기법만을 사용하여 활용 가능한 자료가 부족한 것이 현실이다. 장강 저염수가 동중국해로 세력을 확장하는 시기 인 하계에 다수의 태풍이 동중국해를 통과하기 때문에 승선 조사를 실시하기 어려운 것이 자료 부족의 주요 원인 중 하 나이다(Liu et al., 2020;Hu et al., 2020). 따라서 본 연구에서는 장강 저염수가 세력을 확장하는 2020년 8월 중순에 승선 조 사를 실시하여 식물플랑크톤의 공간적 분포 특성을 파악하 고, 그와 같은 시기에 이어도 해양과학기지(IORS)에서 동일 한 실험을 실시하여 고정점에서의 분석 결과가 지역해를 대 표할 수 있는지를 확인하고자 한다. 아울러 다양한 분석 기 법을 사용하여 활용 가치가 높은 자료를 생산하고자 한다.
2020년 하계는 중국 남부 지방에 60년 동안 가장 높은 강 수량을 기록한 해로(Wei et al., 2020), 대량의 저염수가 동중 국해로 유입되었다. 동중국해와 대한민국 남부 해역은 다른 해보다 강한 저염수에 의해 식물플랑크톤 군집 구조와 다양 성이 크게 바뀔 것으로 예상된다. 본 연구는 이번 조사를 통 해 매년 여름 발생하는 장강 저염수 유입에 따른 해양 환경 변동과 이에 반응하는 식물플랑크톤 분포 특성을 규명하여 환경과 식물플랑크톤의 역학 관계를 이해하고, 향후 활용될 수 있는 결과를 제시하고자 한다.
2. 재료 및 방법
2.1 조사 정점
본 조사는 장강 저염수가 동중국해를 거쳐 대한민국 제주 도와 남해 방향으로 확장되던 2020년 8월 15일부터 8월 17일 까지 한국해양과학기술원 해양조사선 이어도호를 이용하여 진행되었다. 조사 정점은 1, 2 그리고 3 정선의 총 12개 정점 중 일부 정점은 표준 수심에서, 나머지 정점은 표층만 조사 를 수행하였다(Fig. 1). 승선 조사 시기와 비슷한 시기의 자료 비교를 위하여 2020년 8월 15일부터 8월 21일까지 IORS에서 관측을 진행하였다.
2.2 기초 환경 특성
물리 특성(수온과 염분)과 광합성 생물의 엽록체에 의한 형광 방출을 조사하기 위하여 Conductivity-Temperature-Depth (CTD, SBE 911 plus, Sea-bird scientific, USA)를 수직 프로파일 링하여 자료를 획득하였다. 정점별 질산염(NO3), 인산염(PO4) 과 규산염(SiO2)의 농도 분석을 위해 깊이별 해수를 GF/F에 여과하여 15 mL conical tube에 담아 시료를 획득하였고, 냉동 보관하여 실험실까지 이동하였다. 시료는 실험실로 돌아와 영양염 자동분석기(Smartchem 200, AMS alliance, Italy)를 사용 해 분석하였다.
2.3 식물플랑크톤의 크기별 엽록소 a 농도
식물플랑크톤의 엽록소 a 농도 측정을 위하여 시료 500 mL 을 GF/F(지름 25 mm)에 여과하여 액화질소에 보관하였다. 표 층에서는 크기별 식물플랑크톤 분획을 위해 시료를 pore size 20 μm와 3 μm polycarbonate (PC) 막 여과지로 선여과한 후, 500 mL을 GF/F로 여과해 액화질소에 보관하였으며, 표층 이 외의 수심에서는 3 μm PC 막 여과지로 선여과한 후, 500 mL 을 GF/F로 여과해 액화질소에 보관하였다. 실험실로 돌아 와 액화질소에 보관하였던 여과지를 Arar and Collins(1997) 의 방법을 참조하여 95 % acetone이 6 mL이 담긴 15 mL conical tube에 넣어 4℃의 암소에서 24 시간 추출하였다. 이 후 polytetrafluoethylene 필터를 이용하여 여과지와 acetone을 분리하였고 Turner 10AU fluorometer (Turner Designs, USA)를 이용해 측정하였다.
2.4 FlowCAM과 flow cytometry를 이용한 크기별 군집 구조 분석
조사 해역에 분포하는 미소형(20~3 μm)과 소형 식물플랑크 톤의(> 20 μm) 개체수를 파악하기 위해 Bench-top FlowCAM VS-IV (Yokogawa Fluid Imaging System, Japan)를 이용하여 현 장에서 100배율 분석을 실시하였고, 해수 500 mL에 Lugol 고 정액 3 mL을 분주하여 고정한 뒤 실험실에 돌아와 40배 분 석을 실시하였다. 촬영된 시료는 등가 구면 지름(ESD)에 따 라 200~20 μm와 20~3 μm로 분류하여 해수 1 mL당 식물플랑 크톤 개체수를 계산하였고, 우점종을 포함한 주요 출현종의 이미지 자료는 VisualSpreadsheet®3 (Yokogawa Fluid Imaging System, Japan)를 이용하여 정리하였다(Fig. 2a).
초미소(< 3 μm)와 미소형 플랑크톤 개체수 분포를 조사하 기 위해 깊이별 해수 40 mL을 10 % formaldehyde와 0.5 % glutaraldehyde 혼합액 4 mL을 첨가한 후 냉동 보관하였다. 이 후 실험실에서 40 μm의 나일론 망으로 걸러준 시료 100 μL를 NovoCyte Bench-top Flow Cytometer (Agilent Technologies, USA) 로 측정하고, 분석에는 Marie et al.(2000)의 방법을 참조하였 다(Fig. 2b).
2.5 현미경 검경을 통한 분류군별 현존량 및 종조성 변화
식물플랑크톤 분류군별 현존량 분석을 위하여 현장에서 채수한 표층 해수 500 mL에 Lugol 고정액 3 mL을 첨가하여 암소에서 보관하였다. 고정된 정량 해수 시료는 중력을 이 용하여 최종 농축비가 50배가 될 때까지 농축을 실시하였 다. 획득한 시료는 DIC 광학현미경(Eclipse 80i, Nikon, Japan; Axio Imager M2, Carl Zeiss, Germany)을 이용하여 정량 분석 과 사진 촬영을 진행하였다. Shim(1994)과 Tomas(1997)의 도감 과 AlgaeBase(http://www.algaebase.org), World Register of marine species(https://www.marinespecies.org)와 같은 웹 사이트를 참조 하여 동정을 실시하였고, 현존량 분석은 농축된 시료 200 μL 를 계수판에 분주한 후 단위 해수당 현존하는 식물플랑크톤 을 계수하였다.
2.6 DNA 추출 및 정제
표층 시료 300 mL을 polyesthersulfone 막 여과지에 여과하 여 Sodium Chloride-Tris-EDTA (STE) 완충액 1 mL을 첨가한 후 액화질소에 보관하였고, DNA 추출은 실험실에 돌아온 후 Somerville et al.(1989)의 방법을 참조해 진행하였다. 여과 지에 5 mg mL-1의 lysozyme을 분주하고 37℃에서 30분간 배 양한 후 Sodium Dodecyl Sulfate (SDS)와 proteinase K를 첨가 하여 55℃에서 2시간 동안 배양하였다. 배양이 끝난 여과지 에 Phenol:chloroform:isoamyl alcohol 0.5 mL을 분주하고 혼합한 뒤 원심분리하여 상등액을 취하고, Chloroform:isoamyl alcohol 1 mL을 분주하여 같은 방법으로 섞은 뒤 원심분리하여 상등 액을 획득하였다. 이때 획득한 상등액을 Spin Column에 옮겨 Isopropyl Alcohol 0.5 mL과 Sodium acetate 70 μL를 첨가한 후, DNA를 걸러내기 위하여 원심분리를 실시하였다. 마지막으 로 Washing buffer를 이용해 Spin Column에 잔존하는 불순물 을 제거하고 70℃로 가열한 AE buffer를 이용하여 순수한 DNA를 정제하였다.
2.7 염기서열 분석
PPE의 plastid 16s rRNA 증폭을 위해 PLA491F (5’-GAGGAA TAAGCATCGGCTAA-3’), universal primer 907R (5’-CCGTCAAT TCCTTTGAGTTT-3’)을 이용하였고, PPP의 16S-23S rDNA Internal Transcribed Spacer (ITS) 증폭을 위하여 ITS-F (5'-GGATCACCT CCTAACAGGGAG-3‘), ITS_R (5'-GGACCTCACCCTTATCAGGG -3‘) 프라이머를 이용하였다(Choi et al., 2016). 증폭된 PCR 산 물은 AMPure XP beads (Beckman Coulter, USA)를 이용하여 정 제하였다. Miseq sequencing을 위해 indexing PCR을 통해 각 시 료별로 Barcode primer를 합성하였다(https://emea.illumina.com/). 반응이 끝난 산물은 AMPure XP beads를 이용하여 동일하게 정제하였으며, 정제된 산물을 Nanodrop 1000 spectrophotometer (Thermo Scientific, USA)를 이용해 정량하였다. 마지막으로 모든 PCR 산물을 정량해서 ChunLab (Seoul, Korea)의 Illumina MiSeq 2×300 PE platform (Illumina, USA)을 이용해 염기서열을 얻었고, 이때 얻어진 염기서열은 Choi et al.(2013)의 방법을 이용하여 분석하였다. 획득한 각 sequence의 우점도 계산의 용이성을 위해 출현한 PPE의 Operational Taxonomic Unit(OTU) 중 한 정점에서라도 출현율이 5 % 이상인 OTU만 분석을 진 행하였고, 출현한 PPP의 OTU 중 한 정점에서라도 출현율 이 1 % 이상인 OTU만 분석을 진행하였다. 본 연구에 사용된 sequence들은 SRA archive NCBI의 SRA Database에 등록하였다 (accession no. PRJNA773203 and PRJNA773188).
3. 결 과
3.1 기초 환경 특성
2020년 8월 동중국해 해역의 물리 특성 분석 결과를 Fig. 3에 나타냈다(깊이별 자료는 Appendix I에 첨부). 염분은 1-1 정점의 표층에서 최소값인 23.40 psu를 나타내 장강 저염수 의 영향을 강하게 받음을 확인하였고, 3-4 정점에서 표층이 30.46 psu의 염분을 보이며 정점 간 염분의 차이가 뚜렷하게 나타났다(Fig. 3a). 표층에서의 다양한 염분 변화와 달리 저 층에서는 전체 정점에서 32~33 psu의 염분 범위로 큰 변화를 보이지 않았다. 수온은 조사 정점을 기준으로 남쪽에서 높 았고, 북쪽에서는 낮은 경향을 보였다(Fig. 3b). 2-1 정점에서 가장 높은 수온인 29.76℃가 관측되었으며, 2-2와 3-1 역시 정점이 높게 나타났다. 그 외 정점에서는 29℃를 넘지 않아 정점 2-1과 3-1 수역이 외양성 난류 수괴의 영향을 받음을 추정할 수 있었다. 형광값은 대부분 정점의 SCM 층에서 가 장 높았는데, 특히 1-2와 1-3 정점의 10 m에서 각각 2.36과 2.93으로 최대값을 나타냈다(Fig. 3c).
조사 해역의 화학적 특성 분석 결과 질산염은 1-1 정점의 표층에서 8.73 μM로 가장 높았고, 염분 조사 결과와 마찬가 지로 이 정점에서 장강 저염수의 영향을 가장 강하게 받는 것으로 나타났다(Fig. 3d). 인산염은 1-3과 1-4 정점에서 각각 최대값인 0.30와 0.25 μM로 확인되었다(Fig. 3e). 규산염은 1-1 정점의 표층에서 10.35 μM로 가장 높았고, 일부 정점(1-2, 1-3, 2-3)의 표층에서도 3.96-6.67 μM 범위의 값을 보였다(Fig. 3f). 표층의 질산염/인산염 비는 15 이하의 낮은 값을 보인 3 정점(1-3, 1-4, 3-4)을 제외하고 28~173 범위로 인산염 제한을 받고 있음을 나타냈다(Appendix I).
3.2 크기별 엽록소 a 농도
본 조사 해역의 식물플랑크톤 엽록소 a 농도와 크기에 따 른 기여율은 위의 Table 1에서 확인할 수 있다. 전체 식물플 랑크톤 엽록소 a 농도는 1-3 정점의 표층에서 8.22 μg L-1로 최대값이었고, 10 m까지 높은 농도를 보였다. 정선 1을 제외 한 정선 2와 3에서는 엽록소 a 농도가 2.00 μg L-1보다 낮았으 며, 대마난류수의 영향을 받는 2-1과 3-1 정점은 엽록소 a 농 도가 1.00 μg L-1 미만이었다. 초미소 식물플랑크톤 엽록소 a 농도는 2-1 정점의 10 m에서 0.52 μg L-1로 최대였으며, 이어 3-1 역시 10 m에서 0.47 μg L-1의 높은 값을 나타냈다. 전체 엽 록소 a 농도가 가장 높았던 1-3 정점의 10 m에서 초미소 식 물플랑크톤 엽록소 a 농도는 0.25 μg L-1로 2-1과 3-1 정점들 에 비해 낮은 값을 보였다.
총 12개 정점에서 식물플랑크톤의 크기에 따른 엽록소 a 농도 기여율을 파악하였고, 대부분의 정점에서 소형 식물플 랑크톤의 기여율이 높게 나타났다. 장강 저염수가 유입되 는 1-1과 1-2 정점에서 소형 식물플랑크톤의 기여율은 각각 71 %와 60 %로 확인되었고, 대마난류수의 영향을 받는 정점 2-1과 3-1에서 초미소 식물플랑크톤의 엽록소 a 기여율은 50 %로 증가한 것을 확인할 수 있었다.
3.3 분류군별 식물플랑크톤 개체수
FlowCAM을 이용하여 표층의 식물플랑크톤을 분석한 결 과 1-3 정점의 소형 식물플랑크톤의 개체수가 3.96×102 cells mL-1로 최대값이었고(Table 2), 대마난류수의 영향을 받는 3-1 정점은 0.05×102 cells mL-1로 최소값이었다. 획득한 이미지 자 료를 위 Fig. 4에 나타내었다. 1-1 정점에서는 와편모조류인 Noctiluca scintillans, Tripos furca 및 Prorocentrum micans 등과 연안성 규조류인 Guinardia flaccida를 비롯하여 Chaetoceros spp.가 우점하였다. 식물플랑크톤 개체수가 최대였던 1-3 정 점에서는 1-1 정점과 비슷한 종조성을 보였으며, 대마난류가 영향을 미치는 3-1 정점에서는 질소고정 PPP인 Trichodesmium spp.가 출현한 것을 확인할 수 있다.
Flow cytometry 분석 결과 미소형 식물플랑크톤 개체수는 1-3과 2-1 정점에서 각각 6.8×103 cells mL-1와 3.1×103 cells mL-1로 가장 많았고(Table 3), PPE의 개체수 또한 1-3과 2-1 정점에서 각각 6.06×103 cells mL-1와 7.15×103 cells mL-1로 대 마난류의 영향이 강한 정점에서 가장 높게 나타났다. Synechococcus는 2-2와 3-2 정점의 중층에서 각각 19.96×104 cells mL-1와 29.29×104 cells mL-1로 가장 높았고, 2-1과 3-1 정 점의 표층에서 각각 5.83×104 cells mL-1과 9.94×104 cells mL-1 로 높은 개체수를 보였다.
3.4 현미경 검경을 통한 식물플랑크톤 우점 분류군별 현존량
광학 현미경을 이용하여 분석한 조사 해역 표층의 우점 식물플랑크톤 현존량을 Table 4에 나타냈다. 규조류는 9속 13종, 와편모조류는 13속 30종, 그 외에 착편모조류의 출현 을 확인하였으며, 와편모조류 출현종이 가장 다양한 것으로 나타났다. 1-1 정점에서 총 30종이 출현해 다양성이 가장 높 았고, 2-1과 3-1 정점에서 17종이 출현하여 다양성이 가장 낮 게 나타났다. 1-3 정점에서 와편모조류인 Noctiluca scintillans 의 개체수가 40,250 cells L-1으로 확인되었다. 2-1 정점과 3-1 정점은 낮은 개체수를 보였다. 조사 해역의 주요 출현 분류 군은 규조류인 Guinardia flaccida, Nitzschia spp.와 와편모조류 인 Gonyaulax monacantha, Gyrodinium spirale, Heterocapsa spp., Prorocentrum micans 그리고 Tripos furca로 확인되었다. 3-1 정 점에서는 질소 고정 PPP인 Trichodesmium spp.가 출현한 것을 확인할 수 있다.
3.5 NGS 분석을 이용한 초미소 식물플랑크톤 다양성
NGS 분석을 통해 초미소 식물플랑크톤의 다양성을 위 Fig. 5에서 확인할 수 있다(이들의 계통수는 Appendix II에 첨 부). PPE는 총 163개의 OTU가 나타났고, 11개 분류군이 5 % 이상 우점율을 보이는 것으로 나타났다. PPE 중 와편모조류 에 속하는 Amphidinium testudo와 가장 가까운 분류군이 정점 1-3에서 94 %의 우점율로 가장 높게 나타났으며(Fig. 5a), 착 편모조류는 정점 2-1의 표층과 SCM 층에서 각각 55 %와 48 % 로 우점하였다. 또한, 정점 3-1의 표층과 10 m에서 각각 31 % 와 26 %로 우점하였다. 대롱편모조류 중 Nannochloropsis sp.와 가까운 종은 3-2 정점의 표층에서 22 %로 우점하였고, 대부분 정점의 저층에서는 녹조류인 Bathycoccus sp.와 Micromonas sp.가 우점한 것으로 나타났다. PPP는 29개의 clades가 나타났 고, 11개의 clades가 1 % 이상의 우점율을 보였다. 이 중 최우 점 분류군은 clade II로 확인되었다(Fig. 5b). 1-3 정점은 clades I과 IV가 각각 33 %와 62 %로 우점하였고, clades I과 IV는 일 부 다른 정점(2-2, 2-3, 3-4)에서도 최우점 혹은 차우점하였다. 그리고 clade IX는 일부 정점(1-1, 1-4, 1-5)의 표층에서 차우점 하였고, clade WPC1은 정점 3-2의 저층에서 우점율이 높게 나타났다.
3.6 IORS에서의 시계열 자료
IORS 관측과 이어도호 조사 중 시기적으로 근접한 결과 를 정리하여 Fig. 6에 나타냈다. CTD를 이용해 획득한 수온, 염분과 형광값은 표층과 유사한 값을 얻었으며(Fig. 6a and Fig. 6b), 시간이 지날수록 IORS의 형광값이 증가하는 차이를 나타냈다(Fig. 6c). 하지만 질산염을 비롯한 인산염과 규산염 은 두 조사 결과에서 변화 양상에 차이가 있었다. 전체 식물 플랑크톤의 엽록소 a 농도와 초미소 식물플랑크톤의 엽록소 a 농도의 변화 양상은 유사한 것으로 확인되었다. Flow cytometry를 이용한 미소형과 초미소 식물플랑크톤 분류군별 개체수는 표층에서 유사한 수준을 보였으나, PPE는 차이를 보였다.
표층에서 이어도 과학기지의 자료와 승선 조사 자료를 이 용하여 이어도 해양과학기지가 조사 해역의 대표성을 지닐 수 있는지 유클리드 거리를 기반으로 하여 계층적 군집화를 수행하였다(Fig. 7). IORS 정점은 크게 1-1, 3-2, 1-5 그리고 2-2 정점과 군집을 이루는 것을 확인하였다. 대마난류의 영 향을 받는 2-1과 3-1 정점 역시 한 군집으로 확인되었다.
2-2 정점과 IORS의 NGS 분석 비교 결과를 Fig. 8에서 확인 할 수 있다. PPE 우점율을 비교했을 때(Fig. 5a and Fig. 8a), 정점 2-2와 IORS 모두 최우점 분류군은 와편모조류에 속하 는 Amphidinium testudo와 가장 가까운 분류군이었으며, IORS 에서는 8월 15일 약 98 %의 높은 우점율을 보이다 8월 17일 약 90 %로 감소한 것으로 나타났다. 그 외 저층에서 녹조류인 Micromonas sp., 은편모조류 그리고 착편모조류인 Phaeocystis globosa 와 가까운 분류군이 두 조사에서 동일한 분포를 보였다.
PPP는 두 조사 모두 clade II가 최우점하였다. 그러나 정점 2-2에서 약 60 %로 우점하던 clades I과 IV는 IORS에서 약 34 % 로 우점율이 낮게 나타났다. 그리고 Clade WPC1은 두 조사의 저층에서 높게 나타났고, 2-2 정점에서는 Prochlorococcus의 출현이 1 % 미만이었지만, 8월 21일 IORS 표층에서는 Prochlorococcus HLII/VI가 1%의 우점율로 출현하였다.
4. 토 의
4.1 장강 저염수가 소형 식물플랑크톤의 생물량에 미치는 영향
Kim et al.(2009)는 장강 저염수 유입 시 동중국해의 염분 은 약 30 psu까지 감소하는 것으로 보고하였다. 본 연구에서 도 조사 해역의 표층 염분은 약 30 psu였고, 조사 해역 서쪽 에서 염분 25 psu 이하의 장강 저염수 수괴가 확인된 것으로 보아(Fig. 3a) 조사가 시행된 2020년 8월 16일 이전부터 동중 국해는 장강 저염수의 영향을 받고 있음을 확인할 수 있었 다. Yoon et al.(2005)과 Jiang et al.(2015)은 장강 저염수가 수 송하는 질산염과 규산염에 의해 규조류와 와편모조류의 생 물량이 증가한다고 하였으며, Chen et al.(2004)는 장강 저염 수가 유입될 때 동중국해의 소형 식물플랑크톤의 기여율이 최대 81 %까지 증가하는 것으로 보고하였다. 이번 연구에서 조사 해역 남서쪽에서 높은 농도의 질산염과 규산염이 유입 되었고(Fig. 3d and Fig. 3f), 조사 해역 서쪽에서 높은 농도의 총 엽록소 a가 분포하였다. 이 때 소형 식물플랑크톤의 기여 율은 40 % 이상이었으며(Table 1), FlowCAM 분석과 현미경 검경 결과 우점 분류군이 규조류와 와편모조류로(Fig. 4 and Table 3) 기존 연구 결과와 일치했다. 조사 해역에 우점하던 규조류와 와편모조류 중 Guinadia flaccida와 Nitzschia spp.를 포함한 많은 종이 장강 하구나 연안에 분포하는 식물플랑크 톤이었고(Qingshan et al., 2006), 장강 하구에서 멀어진 해역일 수록 출현이 감소하는 것으로 알려져 있다(Yoon, 2003). 즉, 이번 조사 시기에 조사 해역에 출현이 확인된 소형 식물플 랑크톤은 장강 하구에서 장강 저염수에 의해 이동해 동중국 해에 유입되었으며, 동중국해 해역은 장강 저염수에 의해 식물플랑크톤 종조성과 생물량에도 영향을 받는다는 점을 시사한다.
1-3 정점에서 와편모조류인 Noctiluca scintillans의 개체수가 다른 정점보다 특이적으로 높게 나타났다(Table 4). 동중국해 에서 출현하는 N. scintillans는 독립영양단계인 녹색 플랑크톤 이 아닌 종속영양단계의 적색 플랑크톤이지만(Harrison et al., 2011), 특정 정점에서 높게 나타난 점과 더불어 이들의 개체 수는 식물플랑크톤 군집 구조에 영향을 줄 수 있기 때문에 확인하고자 하였다. 이들의 생물량은 먹이원인 규조류의 생 물량과 양의 상관성이 있으며(Padmakumar et al., 2010;Kitatsuji et al., 2019), 장강 하구의 규조류 생물량 증가는 고농도의 질 산염과 규산염(Lie et al., 2003) 그리고 대만난류에 의해 용승 되는 고농도의 인산염이 중요한 역할을 한다(Chen, 2008). 저 층의 인산염은 장강 저염수의 세력이 강할수록 용승되기 힘 든 것으로 알려져 있지만(Pei et al., 2009), 조사가 시행되기 전인 8월 10일 전후로 태풍 장미가 동중국해를 통과하였다 (https://www.weather.go.kr/w/typhoon/typ-history.do). 이로 인해 장 강 저염수의 세력이 일시적으로 약화되고, 표층과 저층의 수 직 혼합히 활발해져 인산염이 용승되어 동중국해로 유입된 것으로 추정된다. 결과적으로 본 연구 조사에서 동중국해 해역에 유입되는 인산염의 주요 수송 동인은 태풍으로 판단 되며, 이러한 결과는 Hung et al.(2013), Gong et al.(1996)의 연 구와도 비슷한 경향을 보였다. 따라서 규조류의 생물량 증 가가 N. scintillans의 생물량이 증가에 영향을 미칠 수 있는 것으로 사료되며, Miyaguchi et al.(2006)의 결과와 일치하였 다. 하지만 N. scintillans의 생물량은 규조류뿐만 아니라 이들 의 다른 섭식원인 분변립, 원생생물, 요각류 등에 의해서도 변동하기 때문에(Kang, 2020) 다양한 요소에 의한 영향을 확 인하는 것이 필수적이다.
4.2 장강 저염수의 유입에 따른 초미소 식물플랑크톤 다양성 변화
조사 해역의 남서쪽이 총 엽록소 a 농도가 낮았지만, 초미 소 식물플랑크톤의 엽록소 a 우점율과 개체수는 높게 나타 났다(Table 1 and Table 3). Zhao et al.(2019)와 Kim et al.(2020) 은 장강 저염수가 유입되지 않은 하계 동중국해는 대마난류 에 의해 PPP인 Synechococus와 Prochlorococcus가 우점하는 것 으로 보고하였고, Lee et al.(2018)은 낮은 염분을 가진 장강 저염수에 의해 이들의 성장이 제한된다고 하였다. 본 조사 에서도 남동쪽 이외 정점들은 장강 저염수 유입에 의해 PPP 의 엽록소 a 기여율이 낮아졌다(Table 1). 하지만 PPP는 장강 저염수 유입 전까지 동중국해에서 높은 우점율을 나타내기 때문에 이들의 분류군 변화를 이해하는 것은 매우 중요하 다. 아울러 이 해역에서 많은 연구가 이루어지지 않은 PPE 의 다양성에 대해서도 파악하고자 하였다.
PPP 중 Prochlorococcus는 고수온, 빈영양 해역을 선호하는 데(Johnson et al., 2006), 본 조사 해역의 높은 영양염 농도로 인하여 전체 해역에서 1 % 미만의 매우 낮은 우점율을 차지 하였다. Synechococcus 분류군 중 clade II가 대부분의 조사 해 역에서 가장 높은 우점율을 보였다(Fig. 5b). 이 분류군은 주 로 고수온 환경을 선호하고 빈영양 해역에서 높은 개체수를 보인다(Zwirglmaier et al., 2008;Mella-Flores et al., 2011). 장강 저염수가 새롭게 유입된 정점에서는 clade II의 우점율이 낮게 나타났고 clades I과 IV의 우점율이 높게 나타났다. Zwirglmaier et al.(2008)과 Sohm et al.(2016)은 clade I와 IV가 함께 출현하 는 경향이 있다고 설명했으며, 두 분류군이 질산염과 인산 염에 대해 양의 상관성을 보인다고 했다. 본 조사 역시 질산 염과 인산염 농도가 높은 장강 저염수 주변 수역에서 우점 율이 높았다(Fig. 3d and Fig. 3e). 이에 따라 조사 해역 서쪽에 서는 clade IX의 우점율이 5 % 이상으로 확인되었다(Fig. 5b). 특히 장강 저염수의 영향을 강하게 받는 정점에서 이들의 우점율이 23 %로 다른 정점에 비해 높았는데, clade IX는 Choi et al.(2011)의 연구에서 동중국해의 염분이 낮은 지역에 서 출현하는 것으로 확인되었고, Ahlgren and Rocap(2012)은 연안의 용승역에서 우점도가 높아진다고 하였다. 본 연구 조사에서도 연안의 염분이 낮으며 용승역인 저층에서 높은 우점도를 보인 것으로 보아 동일한 경향을 확인하였다.
장강 저염수의 영향을 받는 정점에 분포하는 PPE 중 최우 점 분류군은 와편모조류인 Amphidinium testudo와 가장 가까 운 종이었다(Fig. 5a). 이들은 길이 20~28 μm의 소형 플랑크톤 이기 때문에(Herdman, 1924) PPE의 NGS 결과에 우점한 것은 이 종이 아닌 이와 가까운 분류군으로 여겨진다. 하지만 A. testudo와 가까운 sequence를 가진 이 분류군이 조사 해역에서 우점하며 염분이 낮은 동중국해의 표층과 중층에서 우점하 는 것으로 보아 광염성 분류군이거나 저염분을 선호하는 분 류군임을 시사한다. 조사 해역에서 최우점하였기 때문에 추 가적인 연구를 통한 분석이 필수적이다. 장강 저염수가 강 한 영향을 미친 정점에서는 저층에서 은편모조류와 착편모 조류인 Phaeocystis globosa와 Crysochromulinaceae sp., 녹조류 인 Micromonas sp.와 가까운 종들의 우점율이 높았고(Fig. 5a), 이들은 고영양 환경을 선호하기 때문에(Alric et al., 2020;Christaki et al., 2017) 영양염이 풍부한 저층에서 우점율이 높 았던 본 조사 결과와 일치하였다. 대마난류가 영향을 미친 조사 해역 남쪽에서는 착편모조류인 Phaeocystaceae와 가까운 분류군의 우점율이 높게 나타났다(Fig. 5a). 이들의 상위 분 류군인 Prymnesiophyceae는 영양염 농도가 낮은 외해역에 분 포하는 것으로 보고된 과거의 연구 결과와 같았다(Not et al., 2008;Lepère et al., 2009).
4.3 다양한 분석 기법을 이용한 동중국해 식물플랑크톤 분석의 장점과 필요성
식물플랑크톤은 크기가 매우 다양하며(Finkel et al., 2010), 보유한 엽록체의 양이 상이해(Tomas, 1997) 엽록소 a 농도와 현존량이 다른 경향을 나타낼 수 있다. 그렇기 때문에 이들 이 가진 특성을 면밀히 파악하기 위하여 다양한 분석 기법 이 수행되어야 한다. FlowCAM은 소형과 미소형 식물플랑크 톤을, flow cytometry는 미소형과 초미소 식물플랑크톤의 분 류군별 개체수를 파악하기 위해 사용되며, 특정 분류군의 개체수를 빠르고 간편하게 측정할 수 있기 때문에 식물플랑 크톤 분석에 널리 쓰인다(Phinney and Cucci, 1989;Moutier et al., 2017). 본 조사에서도 FlowCAM을 이용하여 정선 1에서 소형 식물플랑크톤의 종조성과 개체수를 파악할 수 있었고, flow cytometry를 이용하여 남동쪽 정점의 Synechococcus의 높 은 개체수를 통해 대마난류의 영향을 확인하였다(Table 2, Fig. 4 and Table 3). 하지만 FlowCAM과 flow cytometry는 flow cell의 폭보다 큰 식물플랑크톤의 분석은 어렵다. 이번 조사 에서 1-3 정점의 N. scintillans의 경우 직경이 2000~200 μm이 기 때문에(Tada et al., 2000), 선여과 과정에서 대부분이 여과 되어 FlowCAM 분석 결과 거의 출현하지 않았다. 광학 현미 경을 이용한 분석은 관찰 가능한 식물플랑크톤의 크기에 제 약이 없기 때문에 FlowCAM이 가진 단점을 보완할 수 있지 만(Table 4), 크기가 작은 식물플랑크톤은 현존량이 과소평가 될 수 있다. 이번 광학 현미경을 이용한 현존량 분석에 있어 서도 기존 동중국해 문헌에서 언급된 현존량보다 낮게 측정 되는 경향이 확인되었다(Jiang et al., 2015). 크기가 작은 식물 플랑크톤에 대하여 동정 및 계수에 대한 오차가 발생하였기 때문으로 생각되며, 이는 flow cytometry나 FlowCAM을 이용하 여 보완이 가능하다. 광학 현미경과 FlowCAM, flow cytometry 을 이용하여 미소 이상 크기의 식물플랑크톤은 군집 구조와 다양성 분석이 가능하지만, 더 작은 초미소 식물플랑크톤의 다양성은 확인이 어렵다. 이를 극복하기 위하여 분자생물학 적인 방법인 NGS를 이용하여 PPE와 PPP의 다양성을 분석함 으로써 기존의 방식이 가지는 한계를 보완하였다. 결과적으 로 장강 저염수의 세력이 강한 정점에서 크기에 따른 우점 분류군이 변화할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 따라 서, 다양한 분석 기법은 장단점이 존재하므로 다양한 방식 을 활용하여 상호보완을 통해 변수를 줄이고 이용 가치가 높은 결과를 도출하여야 한다.
4.4 IORS가 가질 수 있는 동중국해 해역 식물플랑크톤 연구의 대표성
장기 체류를 통해 외해역에서 연속적인 정보를 획득할 수 있는 IORS(Byun et al., 2021)는 하계 장강 저염수 수괴 이동 의 경로이자 대마난류가 대한민국 남부를 거쳐 가는 동선이 며, 북서태평양에서 발생하는 태풍의 주요 경로이다(Liu et al., 2020;Hu et al., 2020). 승선 조사를 이용한 공간 분포 조 사와 더불어 IORS에서 8월 15일부터 21일까지 7일간 체류 조사를 실시하여 고정점에서의 관측이 동중국해 해역 식물 플랑크톤 분석에 대한 기준이 될 수 있을지 비교해보았다. 본 연구에서는 체류 조사를 통하여 과학기지에서의 조사가 동중국해의 일반적인 식물플랑크톤 분포 특성을 대변할 수 있을 것으로 예상하였다. 수온과 염분을 비교하였을 때, 정 점 2-2와 IORS의 결과는 유사했다(Fig. 6a and Fig. 6b). CTD 형광과 엽록소 a 농도는 본 조사 시 비슷한 값을 보였고, IORS 조사 후기에 크게 증가하였다(Fig. 6c and Fig. 6g). 영양 염 분석 결과는 조사 항목 모두 차이를 보였는데, IORS 조사 후기로 갈수록 공간 분포 조사의 영양염 농도와 비슷해지는 경향을 보이는 것으로 보아 고정점으로 수송되는 영양염 농 도는 동일 일자에는 달랐으나 경향을 추적할 수 있을 것으 로 판단된다. Flow cytometry 분석 결과 PPE를 제외한 분류군 이 비슷한 값을 나타냈다(Fig. 6j-l). PPE는 공간 분포 조사에 서 더 높은 개체수를 보였는데, 영양염 농도 변화와 마찬가 지로 IORS 조사 후기에서 개체수가 증가하는 것으로 보아 경향 추적에 이용될 수 있다. NGS 분석에서 표층에서 유사 한 값으로 어느 정도 경향성이 일치하였고, 세부 분류군 조 성에 있어 분류군의 정확도 차이를 보였다(Fig. 8). 이는 추가 적인 분석을 통해 해상력을 올려 비교와 분석이 필요할 것 으로 보이며 현재는 상위 분류군에서의 경향 변화를 설명할 수 있을 것으로 보고 있다. 도출된 결과를 바탕으로 하여 군 집화를 수행하였고(Fig. 7), IORS는 가장 가까운 정점 2-2 및 정선 1과 같은 군집으로 묶이는 결과로 보아 저염수가 유입 되는 환경의 동중국해를 대표할 수 있는 것으로 생각된다. 대마난류의 영향을 받는 2-1와 3-1 정점은 별개의 군집화가 이루어졌기 때문에 해당 군집화 결과가 보이는 해역의 특성 을 잘 나타낸 것으로 보인다.
IORS에서의 다양한 분석은 결과적으로 장강 저염수가 유 입되는 동중국해 해역과 유사한 경향을 보여주었고, 단기적 인 변화까지 추적할 수 있었다. 하지만 특이적으로 발생하는 N. scintillans의 대번성을 파악하기엔 어려움이 있었다. 공간 조사와 고정점 연속 관측을 동시에 수행할 수 있다면 이 해역 의 식물플랑크톤 군집 구조와 다양성 변화를 선제적으로 분 석하고 향후 변동 예측까지 분석할 수 있을 것으로 기대한다.
5. 결 론
하계 동중국해 해역의 공간 분포 조사 결과, 장강 저염수 의 영향을 받은 조사 해역 남서쪽은 담수 기원의 낮은 염분 과 육지 기원의 높은 질산염, 규산염 그리고 인산염 농도를 나타냈다. 대마난류의 영향을 받은 조사 해역 남동쪽은 높 은 염분과 낮은 질산염, 규산염 그리고 인산염 농도를 나타 냈다. 해역에 영향을 미치는 두 수괴의 특성이 상이하여 분 포하는 식물플랑크톤의 군집 구조와 다양성이 영향을 받았 다. 장강 저염수의 영향을 받는 남서쪽 해역은 높은 농도의 영양염 유입과 장강 하구에 서식하던 소형 식물플랑크톤의 외해역 이동에 따라 총 엽록소 a 농도가 높았고, 소형 식물 플랑크톤인 규조류와 와편모조류의 개체수가 높게 나타났 다. 반면 대마난류의 영향을 받아 영양염 농도가 낮은 남동 쪽에서는 총 엽록소 a 농도가 낮았으며, 초미소 식물플랑크 톤의 기여율이 높았다. NGS 분석 결과 PPP인 Synechococcus 는 총 29개의 clades가 나타났고, PPE는 총 163개의 OTU가 나타나 높은 다양성을 보였다. 다양한 분류군들은 선호하는 환경에 맞춰 다양성과 우점 분류군이 차이를 나타냈다. PPP 에 속하는 Synechococcus clades 중 한 시료에서 한 번이라도 1 % 이상의 우점율을 보인 clade는 11개였으며, 빈영양 환경 을 선호하는 Prochlorococcus는 남쪽 해역에서 HL 생태형이 출현하였다. 장강 저염수의 영향을 받는 정점에서는 고수온 성인 clade II가 우점 분류군이었으며 고영양 환경을 선호하 는 clades I과 IV는 영양염류 농도가 높은 중층에서 우점율이 높았다. PPE는 저염 환경을 선호하는 Amphidinium testudo가 우점 분류군이었고, SCM 층에서 고영양 환경을 선호하는 녹조류가 최우점하였다. 대마난류의 영향을 받는 해역에서 는 빈영양 해역을 선호하는 다양한 착편모조류가 우점 분류 군이었다. 이어도 해양과학기지(IORS: Ieodo Ocean Research Station)의 조사는 주변 정점들과 비교하여 식물플랑크톤 군 집 구조와 다양성의 유사성을 확인할 수 있었으며, 고정점 에서 연속적인 7일간의 자료를 획득하였다. 연구 결과는 IORS가 동중국해의 하계 장강 저염수 확장 시기에 생태계 변화 추적에 활용될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 향 후 장기적인 관점에서 IORS를 활용하여 기후변화에 따른 하 계 동중국해의 환경과 생태계 변화 추적을 위한 효율적 방 안 수립이 필요하다. 또한, 지속적 자료 획득을 통해 국가적 차원의 기후변화 대응 방안 수립에 기여할 수 있는 방안을 찾는 논의가 필요하다.
