식물플랑크톤

[ Phytoplankton ]

식물플랑크톤은 강이나 호수, 바다 등 물에 서식하는 플랑크톤 중 광합성을 하는 광독립영양생물(photoautotroph)을 일컫는 말로, 세균(bacterium), 원생생물(protist), 단세포식물 등 여러 계통의 분류군에 속하며, 남세균(cyanobacteria or blue-green algae), 녹조류(green algae), 규조류(diatom), 와편모조류(dinoflagellate) 등을 포함한다.

다양한 식물플랑크톤 (출처: )

식물플랑크톤의 어원은 그리스어의 식물인 phyton (plant)과 표류를 뜻하는 planktos (wanderer or drifter)의 합성어로¹⁾, 물 속에 서식하며 빛에너지를 이용하여 무기 탄소원인 이산화탄소로 유기물을 합성해 생장하는 광합성 생물을 의미한다. 식물플랑크톤은 원생진핵생물(protistan eukaryotes), 세균, 고균 등 다양한 종들을 포함하기 때문에 계통학적 개념에 의한 분류는 성립되지 않아 크기에 따른 구분이 주로 사용된다²⁾.

소형플랑크톤(microplankton): 20~200 mm
미세플랑크톤(nanoplankton): 2~20 mm
초미세플랑크톤(picoplankton): 0.2~2.0 mm

대부분의 식물플랑크톤은 소형 또는 미세플랑크톤에 포함되며, 규조류 및 와편모조류 등 핵막을 지닌 진핵성 생물 종들이 이에 포함된다. 초미세플랑크톤에도 진핵생물 종들이 다소 포함되나 대부분 핵막이 존재하지 않는 원핵생물 종들이 이에 속한다. 남세균 대발생(cyanobacterial bloom, 녹조)의 원인으로 알려져 있는 대부분의 남세균이 이에 속한다.

남세균

남세균은 햇빛 존재 하에서 물과 이산화탄소를 이용하여 영양분을 만들어낸 최초의 광합성 생물이다. 최근에는 많은 녹조 현상의 원인으로 밝혀지면서 생장 억제 관련 연구가 많이 진행되고 있다. 남세균은 핵막이 존재하지 않으며 빛에너지를 흡수하기 위한 광합성 색소가 세포 전체에 흩어져 있는 것이 특징이다. 또한, 남세균 중 일부는 질소고정 능력을 가지고 있어 대기 중 존재하는 무기 질소를 유기 질소로 전환시켜 세포 내에 저장하므로 빈영양상태(oligotrophy)의 환경에서도 생존이 가능하다. 남세균은 생장이 어려운 환경에서 포자를 형성하여 생존을 유지하다가 햇빛, 온도 등이 적절한 환경이 되면 다시 발아하여 생장하기도 한다. 일부 남세균은 일정 개체수 이상 생장할 경우 독소를 생성하여 다른 미생물 및 조류의 성장에 영향을 주고 냄새물질을 분비하여 동물플랑크톤 또는 어패류 등의 포식장요으로부터 회피하기도 한다.

규조류

규조류는 식물플랑크톤의 대표적인 집단으로 적조(red tide)를 발생시키는 생물로 잘 알려져 있다. 지구 상 다양한 환경에 존재하는 규조류는 광합성을 통해 연간 지구에 발생되는 산소의 약 20%를 담당하고 있으며³⁾, 해양 생태계에 요구되는 유기물 생산의 약 50%를 기여한다. 단세포이며 진핵생물인 규조류는 다양한 모양을 가지고 있으며, 단일세포의 크기는 2~200 mm 범위로 미세 또는 소형플랑크톤에 포함되어 있다. 또한, 규조류는 구조적 분류에 따라 양방향성 대칭을 이루는 깃털성 규조류(pennate diatoms)와 반지름 대칭을 이루는 중심립 규조류(centric diatoms)로 구분된다. 거의 모든 규조류는 광합성을 통해 생장에 필요한 유기물을 생산하지만, 몇몇의 규조류는 광합성을 하지 못하는 종속영양생물(heterotroph)로 빛의 유무와 상관없이 유기탄소원을 이용하여 생장한다.

와편모조류

조류 내 하위 계통으로 구분되는 와편모조류는 편모를 지닌 진핵생물로 대부분 해양 환경에서 서식하나 일부 와편모조류는 담수 환경에서도 생장이 가능하다. 이들은 분포는 생태계 내 온도 및 염도, 깊이 등에 따라 다르며, 대부분 광합성을 하는 것으로 알려져 있으나 이 중 상당 수는 광합성도 하지만 자기자신보다 작은 생물체를 흡입하여(phagotrophy) 영양분으로 사용하는 혼합영양생물(mixotroph)로 존재한다⁴⁾. 와편모조류는 해양 진핵생물 중 많은 비율을 차지하는 집단으로, 약 2,000종의 와편모조류가 존재하는 것으로 보이며 이 중 약 1,700종이 해양에 서식하는 것으로 알려져 있다⁵⁾. 이들은 규조류와 달리 규소로 이뤄진 세포벽은 없으나 일부 셀룰로오스(cellulose)로 생성된 세포벽을 가지고 있다. 또한, 와편모조류는 2개의 편모를 가지고 있어 이 편모를 이용하여 스스로 물 속에서 움직이며 생장한다. 와편모조류는 남조류와 비슷하게 일정 이상 개체 수가 생장할 경우 적조 현상을 일으키며, 생태계 내 다른 생명체에 영향을 미치는 독성 물질을 생성하여 세포 밖으로 방출한다.

생태계

식물플랑크톤은 지구 생태계에 매우 중요한 역할을 한다. 수중 생태계의 먹이사슬에 매우 중요한 역할을 하고 있으며, 물 속에 용해된 이산화탄소를 이용하여 유기물을 합성해 여러 종속영양생물에 탄소원을 공급하며 탄소 순환에 큰 기여를 하고 있다. 이와 더불어 식물플랑크톤이 광합성을 통해 생성하는 산소는 전체 산소량의 50~85%로 추정되며⁶⁾, 대기 중 CO₂/O₂의 균형을 조절하는 중요한 역할을 수행하고 있다⁷⁾. 이 외에도, 위에 언급된 남세균과 같이 일부 식물플랑크톤은 질소 기체를 유기 질소로 고정하는 능력을 이용하여 빈영양계에 질소원을 공급하기도 한다.

수중 생태계 먹이사슬에서 식물플랑크톤의 중요성 (출처: GettyImages-85594744)

이와 같이 생태계의 다양한 측면에 긍정적인 영향을 주는 반면, 일부 지역 내 특정 개체의 과증식에 의한 독성 물질 생성 또는 오염물질의 유입으로 인해 생태계를 위험에 빠뜨리는 부정적인 영향의 원인이 되기도 한다. 조류의 증식속도를 결정하는 요소는 탄소, 산소, 수소, 질소, 인 등이다. 조류는 공기와 물을 통해 탄소와 산소, 수소를 공급받지만 한정된 질소와 인에 의해 성장속도가 제한된다. 질소와 인이 다량 포함된 오염물질의 유입으로 물 속의 질소와 인이 풍부해지면 이를 부영양화(eutrophication)라 하며, 조류의 과증식을 유발하게 된다. 규조류 또는 와편모조류의 과증식에 의한 악영향을 적조라 부르며, 이는 조류에 의해 생성된 독성물질이 어패류에 영향을 미쳐 폐사의 원인이 된다. 이와 더불어, 남세균에 의한 녹조 현상은 적조 현상과는 다른 양상으로 생태계에 악영향을 미치는데, 녹조가 발생하면 수면을 뒤덮은 남세균에 의해 빛이 통과하지 못하게 되어 상대적으로 깊은 곳에 서식하는 광합성 생물의 생장에 영향을 준다. 빛을 받지 못해 광합성을 하지 못한 수생생물들이 산소를 생성하지 못하면서 산소 결핍으로 인해 수중 동식물들이 폐사하기도 한다. 유입되는 오염물질의 적정한 처리를 통해 질소 및 인의 배출을 막는다면 녹조 및 적조 발생을 억제하는 데 큰 기여를 할 수 있다.

산업적 응용

최근 식물플랑크톤을 이용한 산업적 연구들이 식품 및 화장품 원료, 비료, 신재생에너지 등 다양한 분야에서 수행되고 있다. 높은 항산화력을 나타내는 아스타잔틴(astaxanthin)은 녹조류인 Haematococcus pluvialis 내 생성되는 카로티노이드(carotenoid)계 색소로 건강기능성식품의 원료로 사용되며 최근에는 기능성 화장품의 원료로도 사용되고 있다. 또한, 디톡스로 잘 알려져 식품보조제로 판매되고 있는 클로렐라(Chlorella sp.)는 최근 작물용 비료 생산에 대한 산업적 연구도 수행되고 있어 다양한 산업 분야에 적용되는 추세이다. 이 외에도, 육상 및 해양을 이용한 대량 배양 기술 개발 및 생물연료(biofuel) 생산, 이산화탄소 저감 기술 개발 등 식물플랑크톤에 대한 많은 연구들이 수행되고 있다⁸⁾.

집필

박두상/한국생명공학연구원, 김기현/한국생명공학연구원

감수

이하나/고려대학교

참고문헌

1. Thurman, H.V. 2007. Introductory oceanography. Academic Internet Publishers. ISBN 978-1-4288-3314-2 .
2. Omori, M. and Ikeda, T. 1992. Methods in marine zooplankton ecology. Malabar, USA: Krieger Publishing Company. ISBN 978-0-89464-653-9 .
3. The Air You're Breathing? A Diatom Made That.
4. Stoecker, D.K. 1999. Mixotrophy among dinoflagellates. J. Eukaryot. Microbiol. 46, 397–401.
5. Gómez, F. 2012. A checklist and classification of living dinoflagellates (Dinoflagellata, Alveolata). CICIMAR Océanides 27, 65–140.
6. How much do oceans add to world's oxygen?. 2015. Earth & Sky
7. Tappan, H. 1968. Primary production, isotopes, extinctions and the atmosphere. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 4, 187–210.
8. Park, H. and Lee, C.G. 2016. Theoretical calculations on the feasibility of microalgal biofuels: utilization of marine resources could help realizing the potential of microalgae. Biotechnol. J. 11, 1461-1470.

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