Effects of the rising CO2 and temperature on marine phytoplankton physiology

Abstract

해양 이산화탄소 농도 증가는 해수중의 pH를 낮추고 표층 수온을 증가시킨다. 현재까지 선행된 많은 연구 결과들은 이러한 해양 환경 변화가 해양 식물플랑크톤의 생리상태에 지대한 영향을 미칠 것으로 예측하고 있다 (e.g. Hays et al., 2005). 예를 들면, Riebesell (2004)은 해수중 CO2 농도 증가는 해양 식물플랑크톤의 광합성, 미량원소 구성 및 석회화 작용에 심대한 영향을 끼친 다고 보고하였다. Tortell et al. (2002)도 증가된 CO2 는 식물플랑크톤 종 천이에 영향을 끼친 다고 보고하였다. 식물플랑크톤은 증가된 표층 수온에 대해서 분포 범위, 세포 크기 및 군집 조성의 변화등을 통해서 민감하게 반응 하는 것으로 알려져 있다 (Hays et al., 2005; Kudela et al., 2006). 또한 Eppley (1972)의 연구에 따르면 식물플랑크톤의 대사 작용은 증가된 수온에 의해서 가속화 될 수 있다고 하였다. 이와 같이, 많은 연구들이 전지구적 기후 변화가 식물플랑크톤에 영향을 끼친다고 보고 하였지만, 아직까지 식물플랑크톤 군집의 변화 정도와 방향에 대해서는 이해가 부족한 실정이다.

따라서 본 학위 논문 연구에서는 기후변화의 두가지 주요한 요소인 이산화탄소와 수온에 대해서 식물플랑크톤 종 반응 뿐만 아니라 전체 식물플랑크톤 군집반응도 알아 보고자 하였다. 이러한 연구 목적에 도달하기 위해, 첫번째는 실험실 실험과 부유 중형생태계를 이용해서 다양한 이산화탄소와 수온 조건에서 식물플랑크톤 그룹 및 종, 영양염 이용능력, 탄소 소모율 변화등을 조사하였으며, 두번째는 유해적조 생물의 성장률, 세포 부피 및 지방산 농도 및 조성 변화를 통해서 미래 해양에서의 HABs 의 성장 및 독성 정도를 예측해 보고자 하였다. 본 논문 연구에서 현재와 미래의 해양 조건은 A2 Scenarios of the Intergovemmental Panel on Climate Change Special Report on Emissions Scenarios (IPCC, 2007) 의 모델 결과를 기반으로 해서 설정하였다. 다음 아래의 문단에서 본 논문의 방법들과 결과들을 가지고 식물플랑크톤 생리 및 생태적 관점에서 토론하였다.

Study 1에서는 미래의 증가된 이산화탄소와 수온이 4종 (Skeletonema costatum, Chaetoceros debilis, Chaetoceros didymus, Thalassiosira nordenskioldii) 의 규조류 성장에 미치는 영향을 알아 보고자 다음과 같은 조건하에서 배양 실험을 실시 하였다: present pCO2: 400ppm, temperature: 20°C; acidification pCO2: 1000ppm, temperature: 20°C; global warming pCO2: 400ppm, temperature: 25°C; greenhouse pCO2: 1000ppm, temperature: 25°C. 수온이 높은 실험구에서 S. costatum 은 낮은 성장률을 보인 반면, C. didymus 는 높은 성장률을 보였고, C. debilis 와 T. nordenskioldii 는 수온 조건에 관계 없이 비슷한 성장률을 보였다. 조사되어진 4종 모두 이산화탄소 농도 증가에 따른 성장률 변화는 관찰되지 않았다. Chaetoceros spp.는 증가된 이산화탄소 실험구에서 세포당 pH 변화율이 증가하는 경향을 보인 반면, S. costatum 과 T. nordenskioldii 는 현재 조건 대비 이산화탄소 농도가 높은 실험구에서 뚜렷한 pH 변화를 관찰할 수 없었다. 이는 해수 중 이산화탄소 농가가 증가하면 Chaetoceros spp. 가 다른 2종에 비해 더 많은 CO2 를 흡수 할수 있음을 나타낸다. 따라서 세포의 성장과 세포당 pH 변화 결과를 고려하였을 때 C. debilis 와 C. didymus 가 S. costatum 과 T. nordenskioldeii 보다 이산화탄소와 수온이 증가하는 미래 해양 환경 조건에서 보다 잘 적응 할 수 있을 것으로 예측된다.

Study 2에서는 증가된 이산화탄소와 수온이 연안 해양 환경에 어떠한 부가적인 영향을 미치는 지에 대해서 알아 보고자 하였다. 본 연구는 메조코즘을 이용해서 수행하였다. 각각의 메조코즘 백(bag)은 장목만 연안수를 이용해서 해수를 채웠으며, CO2 와 수온을 이용해서 다음과 같은 조건을 설정하였다: present: 380ppm, acidification: 980ppm, greenhouse:980ppm and 주변수온 +3°C. 주요 연구 결과를 보면, 미래의 전 지구적 기후 변화는 온대기후지역의 연안 환경에 매우 심대한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 보다 자세하게 보면, 전 지구적 기후변화는 식물플랑크톤의 영양염 이용능력을 바꾸며, 이는 식물플랑크톤의 종 천이 변화를 유도하였다. 또한 해양 산성화와 해수온 상승이 식물플랑크톤 그룹 및 종의 성장에 직접적으로 영향을 미친다는 사실을 발견했다. 특히 크기가 작은 식물플랑크톤과 와편모조류 몇몇 종은 현재 해양 환경 보다 미래 해양 환경에서 보다 빠르게 성장하는 것으로 나타났으며, 규조류 중에서는 크기가 큰 규조류 보다는 크기가 작고 체인을 형성하는 종(Skeletonema costatum)이 보다 미래 해양 환경에 잘 적응 하는 것으로 나타났다. 이러한 크기가 작은 식물플랑크톤의 성장은 와편모조류와 섬모충류와 같은 상위 영양단계의 포식자(microzooplankton)의 포식압을 증가시키는 요인으로 나타났다. 본 연구 결과는 추가적인 확인 연구가 필요하지만, 크기가 작은 식물플랑크톤과 와편모조류로 이루어진 대발생의 발생 빈도와 세포의 개체수 밀집 정도가 미래 해양 환경 조건에서 증가할 것으로 예측되며, 이는 해양 생태계와 양식산업에 심대한 영향을 미칠수 있을 것으로 예측된다.

Study 3 에서는 수온 변화가 유해 적조 식물플랑크톤 (HABs) 4종 (Akashiwo sanguinea, Alexandrium tamarense, Chattonella ovata, and Prorocentrum minimum)의 성장율, 세포의 부피, 지방산 농도 및 조성에 미치는 영향을 알아 보았다. 이들 종들은 영양염의 과포화된 상태의 배지에 각각 주입 후, 4개의 서로 다른 수온 조건에서 배양을 하였다. Alexandrium tamarense 을 제외한 3개 종은 실험 대상 온도 내에서 잘 성장을 하는 것으로 나타났다. 세포의 부피는 수온 변화에 따라서 거의 변하지 않았다. 총 지방산 농도변화를 보면, A. sanguinea, A. tamarense, C. ovata 는 수온이 증가하면서 감소하는 경향을 보인 반면, P. minimum 의 총지방산 농도는 아무런 변화를 보이지 않았다. 세포의 세포막 유동성 및 독성에 관계가 있는 중요한 생화학적 구성 요소인 PUFAs (polyunsaturated fatty acids)의 농도와 세포내 함량은 A. sanguinea 가 수온이 증가할수록 총 지방산 함량에 대해서 PUFAs 함량이 증가한 경우를 제외하면 수온이 증가할수록 모두 감소하는 경향을 보였다. 이러한 PUFAs 농도 및 세포내 함량 감소는 세포막 유동성을 떨어뜨려서 광합성등과 같은 생합성 과정에 영향을 미치며, 또한 세포가 보다 빨리 성장하거나 혹은 세포가 상처를 입어 보다 독성이 강해져서 감소된 세포의 독성을 보완해주지 않는다면 이들 종의 독성은 감소 될 것으로 판단된다. 이러한 현상은 해양 생태계와 양식 산업에 영향을 줄 것으로 예측된다.

요약하면, 증가된 이산화탄소와 수온의 개별적 혹은 복합적인 영향은 식물플랑크톤 군집 및 종에 따라서 다르게 나타났다. 메조코즘 연구 결과를 보면, 이산화탄소와 수온이 증가한 미래 해양 환경은 크기가 작은 식물플랑크톤과 와편모조류의 성장에 더 적합한 환경으로 나타났다. 이러한 결과는 크기가 작은 식물플랑크톤과 와편모조류로 이루진 대발생이 발생 빈도와 세포의 개체수 밀집 정도가 미래 해양 환경 조건에서 증가될 것으로 예측된다. 그리고 수온 증가는 와편모조류 (HABs) 의 성장을 촉진시키지만 세포의 활성과 독성에 영향을 주는 PUFAs 의 농도를 낮추는 것으로 나타났다. 따라서 미래 해양 환경 조건에서 현재조건 대비 와편모조류는 잘 성장을 할 것으로 예측되지만, 세포의 독성은 낮아 질 것으로 예측된다. 또한 최근 연구결과에 따르면, 식물플랑크톤은 요각류의 중요한 먹이 공급원이며, EPA 와 DHA를 포함하는PUFAs 농도는 요각류의 난 생산력과 부화율에 중요한 역활을 담당한다고 보고 되고 있다 (Shin et al., 2003; Evjemo et al., 2008). Kleppel et al. (1991)의 연구에 따르면 규조류 보다 와편모조류의 생체량의 요각류의 난생산력에 더 영향을 미친다고 보고 하였다. 따라서 미래 해양 환경 조건에서 잘 적응 할 것으로 예측되어지는 와편모조류의 PUFAs 농도 감소는 이를 포식하는 요각류의 난 생산력과 부화율을 저하시킬 뿐만 아니라 요각류를 섭식하는 상위 영양단계의 생물에게도 영향을 미칠 것으로 판단된다. 결론적으로, 미래 해양 환경 변화는 해양 생태계에 심대한 영향을 미칠 것으로 예측된다.