조류 대발생

[ algal bloom ]

수환경에서 식물플랑크톤으로 작용하는 광합성 조류가 비정상적으로 많이 자라나는 현상으로, 환경 제한요인의 생장제한 효과 때문에 잘 자라지 못하던 조류들이 그 제한 효과가 없어지면 단기간에 많이 증식하여 나타나는 현상인데, 가장 흔한 원인은 영양물질의 유입이다. 우점하는 조류 종류에 따라 물 색깔이 바뀔 수 있는데 흔히 녹색으로 변할 경우 녹조라고 부르는데 이는 대부분의 경우 진핵생물 조류에 의한 것이 아니라 광합성을 하는 원핵생물 남세균에 의한 것이다. 또한 일부에서 일본식 용어인 수화(水華)나 水花(물꽃)를 사용하고 있는데 정확한 의미 전달이 되지 않으므로 가급적 이런 용어의 사용을 자제해야 한다.

2006년 6월 22일 덴마크와 스칸디나비아 반도 주변에서 조류 대발생으로 인한 해수 색깔의 변화 (출처: )

조류 대발생은 물에서 광합성을 하는 조류가 크게 증식하여 발생하는 현상으로 발생한 조류의 종류에 따라 색깔이 달라 녹조(green tide), 적조(red tide), 청조(blue tide) 등으로 나뉜다. 전 세계적으로 흔히 발생하며 근래 여름철에 우리나라의 강이나 호수의 물이 녹색으로 변하는 현상을 우리나라에서는 녹조라고 부르는데 이는 진핵생물인 조류에 의한 것이 아니라 원핵생물인 시안세균이라고도 부르는 남세균(cyanobacteria)에 의한 것이므로 정확하게는 조류 대발생이 아닌 남세균 대발생이다. 한편 본래 green tide에서 비롯된 녹조는 연안이나 해변에 파래(Ulva)와 같은 주로 대형 녹조류(green algae)가 대발생하는 현상도 가리키는데 근래 황해의 중국쪽에서 자주 발생하고 있다¹⁾.

해변에 발생한 녹조 (출처: )

해양과 호수에서 대부분의 조류 대발생은 규조류에 의해 일어나 물 색깔을 녹색으로 변화시키는데(녹조) 그 원인 중의 하나는 규조류가 이산화규조 껍질을 가지고 있어서 바이러스 감염이 흔하지 않기 때문이다. 다양한 규조류 종이 대발생하며 Skeletonema, Thalassiosira, Chasetoceros 속의 종들이 봄철 대발생을, Ditylum과 Rhizosolenia 속의 종들이 여름 이후에 대발생을 하는 대표적인 종류이다. 착편모조류(Haptophyte 또는 Prypnesiophyte)에 속하는 석회비늘편모류(coccolithopore)는 대규모 해양 조류 대발생에 규조류 다음으로 중요하다. 이들은 삼투조절제, 포식자로부터의 방어 및 항산화제로 dimethylsulfoniopropionate (DMSP)를 함유하고 효소에 의해 dimethyl sulfide (DMS)로 분해되는데 이들의 대발생 시 방출되는 DMS가 대기의 주요 황 공급원이 되며 또한 구름의 응축핵으로 작용할 정도이다. 이들은 보통 봄의 규조류 대발생 이후 나타나며 Emiliania huxleyi가 가장 대표적인 종이며 Phaeocystis 속의 종들도 흔히 나타난다²⁾.

물의 색깔이 붉은 색으로 변하는 적조는 주로 와편모류(dinoflagellate)에 의해 일어나는데 이들이 광합성을 위한 보조색소로 카로티노이드를 함유하여 대량으로 증식하면 물의 색깔이 적색을 띠게 한다. 연안에서 봄철의 규조류 대발생 이후 셀룰로스 피각(armor)으로 둘러싸인 작은 세포의 와편모류(Prorocentrum, Heterocapsa, Scrippsiella)가 크게 증식하며 이후 피각을 갖지 않은 Gymnodinium 종류들이 나타난다. 해양과 호수에서 큰 규모의 적조는 피각을 갖지 않은 큰 속인 Ceratium의 여러 종들에 의해 가을에 발생한다. 한편 바다에서 계절풍이 영양물질이 많은 깊은 물의 용승을 일으켜 표층수에 와편모류인 야광충(Noctiluca spp.)이 크게 증식할 수 있는데 이들의 생물발광(bioluminescence)에 의해 야간에 푸른 빛을 나타내는 청조(blue tide) 현상이 발생한다. 생물발광은 정족수 감지(quorum sensing)가 관련되므로 개체군의 밀도가 높아야 일어난다.

2017년 Iwaki 섬의 부두에서 발생한 적조. 죽어서 떠있는 물고기들이 보인다. (출처: )

생물발광성 와편모류에 의해 야간에 푸른 빛을 나타내는 청조 (출처: )

조류 대발생의 원인과 발생

광합성 생물이 생장에 필요한 환경 요인으로는 가용한 형태의 영양물질이 가장 중요하다. 특히 자연환경에 많이 존재하지 않아 광합성 생물이 자라나지 못하게 하는 다량영양소(macronutrient)로 질소와 인 그리고 미량영양소(micronutrient)로 철이 다량 공급될 때 조류 대발생이 일어나는데 바다에서는 주로 영양물질이 풍부한 심층수의 용승(upwelling)에 의해 공급된다. 농경지에서 비료의 유출, 지표의 영양물질을 포함한 유거수(runoff)나 폐수 유입에 의한 육지로부터의 공급이 주된 공급원이며, 해중 양식장에서의 사료 공급도 연안에서 중요한 영양물질 공급원이 될 수 있는데 우리나라 남해안에서 발생하는 적조가 그 결과의 예가 된다. 생활하수의 C: N:P 비는 약 20: 19:1인데 조류의 원형질에서 이 비율은 약 101: 16:1이므로 폐수가 처리되지 않고 방류되면 특히 인의 공급에 의해 조류가 크게 번식하게 된다. 폐수가 처리되어도 통상적인 2차 처리에서는 처리수에 여전히 질소와 인이 많이 잔류하므로 3차 처리를 통해 잔류 질소와 인을 크게 낮추어야 조류의 발생을 방지할 수 있다³⁾. 자연 육지수에서 조류의 생장을 제한하는 영양소는 대부분 인이지만 해양에서는 질소가 중요한 제한 영양소로 작용한다. 인구 및 자원 사용의 증가와 농업에서의 비료 사용 증가로 인해 각종 수역에서 부영양화가 점차 증가하며 이로 인해 호수와 연안에서 조류 대발생이 흔하게 일어나고 있다. 4계절이 있는 정체 해역이나 호수에서는 온도 성층(thermal stratification)이 형성되어 영양물질이 가라앉은 하층수가 성층이 깨지면서 수층 전체로 섞이면서 영양물질이 공급되는 가을과 겨울에 조류가 크게 발생할 수도 있다²⁾. 조류 대발생에서 온도는 밀도를 조절하므로 주로 수온이 높고 태양광이 투과되는 표수층에서 발생하게 된다.

조류 대발생의 영향

수환경에서 조류가 많이 번식하게 되면 조류 생체량의 증가 및 분비된 대사산물과 세포물질의 분해 등으로 인해 유기물이 증가하여 생물화학적 산소요구량(BOD)이 증가하며 이에 따라 물에서 용존산소(DO)가 감소하여 심할 경우 무산소 조건이 될 수 있다. 이 경우 절대 호기성인 수서 동식물들이 사멸하게 되고 혐기성 미생물의 대사로 인해 황화수소, 황화물과 아민류 등 악취와 독성 물질이 생성된다. 또한 발생하는 황화물이 철 등의 금속 양이온과 결합하여 검은 색의 금속 황화물이 만들어져 수환경이 검게 변하게 된다. 한편 대형 조류가 많이 자라나면 선박의 운항을 방해할 수 있다. 조류의 세포가 죽으면 광합성 색소가 풀려나와 물 색깔이 점차 검은 색으로 변하게 된다. 이런 물은 음용수나 각종 산업용수 및 위락용수와 수산물 양식 등에 사용하기 어려워질 뿐만 아니라 이를 정화하는데 많은 비용이 들어가며 또한 정화과정 중 화학물질 사용에 따른 또 다른 피해가 발생할 수도 있다. 특히 인간이나 야생생물에 직간접적으로 해를 미치는 조류 대발생을 유해 조류 대발생(harmful algal bloom; HAB)이라 한다⁴⁾. HAB는 주로 독소 생성 조류에 의해 나타나는데 조개 등에 독소가 농축되어 마비성 패류 중독(paralytic shellfish poisoning) 등을 일으키는데, 전 세계적으로 인간에게 약 20%의 치사율을 나타내고 있다. 독소를 생성하는 조류는 와편모류(dinoflagellate)가 많지만 규조류 등 다른 조류 종류들도 독소 생성종들이 존재한다. 조류 독소 종류로는 와편모류 Karenia brevis가 생성하는 신경독소인 Brevetoxin, 홍조류 Chondria armate와 규조류 Pseudo-nitzschia가 생성하는 신경독소인 domoic acid, 여러 종의 와편모류가 분비하는 신경독소인 saxitoxin 등이 가장 잘 알려져 있다. 근래 남해에서 발생하는 적조의 원인인 와편모류 Cochlodinium polykrikoides는 점액질을 분비하여 양식장 어류의 아가미를 막아 질식사를 일으켜서 매년 큰 피해를 일으킨다.

조류 대발생의 방지와 제어

조류 대발생과 이로 인한 문제들의 방지와 제어에는 다양한 방법들이 있다³⁾. 근본적인 방법은 영양물질의 발생과 이의 수계로의 유입을 차단하는 것으로 폐수와 폐기물의 수계로의 직접적인 방류와 투기를 금지하는 것이며 이를 적절한 방법으로 처리해야 할 것이다. 농경지에서의 과도한 비료 살포를 금지하며 폐수의 배출기준을 강화하여 영양물질의 유입을 최소화해야 한다. 이를 위해 근래 우리나라에서는 4대강 수계에 유입되는 오염물질의 총량규제를 실시하고 있다. 부영양화에 의한 조류 생장을 억제하기 위한 방법으로는 제초제나 살조제 처리, 심층 폭기, 물의 강제 순환, 조류 및 수초 제거, 심층수 방류, 퇴적물 준설, 내수면 양식장 규제 및 양식장 사료 제어, 물 교환율 증가, 호수 수위 저하, 기생생물이나 초식성 어류 도입 등의 방법이 있으나 근본적인 방법은 될 수 없으며 모두 하나 이상의 문제점이나 단점을 갖고 있다. 또한 해양이나 큰 규모의 수체에는 적용하기 어렵다⁵⁾.

집필

송홍규/강원대학교

감수

이하나/고려대학교

참고문헌

1. Liu, X., Wang, Z., and Zhang, X. 2016. A review of the green tides in the Yellow Sea, China. Mar. Environ. Res. 119, 189-196.
2. Assmy, P. and Smetacek, V. 2012. Algal blooms. In Schmidt, T. and Schaechter, M. (eds.), Topics in Ecological and Environmental Microbiology, pp. 85-100. Academic Press.
3. Burlingame, G. 2002. Algae blooms-Impact on treatment, taste, and odor problems. In Bitton, G. (ed.), Encyclopedia of Environmental Microbiology, vol 1, pp. 204-213. John Wiley & Sons, Inc.
4. Steidinger, K.A. 2002. Red tides and other harmful algal blooms. In Bitton, G. (ed.), Encyclopedia of Environmental Microbiology, vol 5, pp. 2685-2693. John Wiley & Sons, Inc.
5. 송홍규, 오계헌. 2015. 환경미생물학, pp. 232-241. 도서출판 화수목.

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