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Flora of hull fouling microalgae in the Korean research vessel Jangmok No. 1
Korean J. Microbiol. 2021;57(4):249-254
Published online December 31, 2021
© 2021 The Microbiological Society of Korea.

Jaeyeong Park, Taehee Kim, and Jang-Seu Ki*

Department of Life Science, Sangmyung University, Seoul 03016, Republic of Korea
Correspondence to: E-mail: kijs@smu.ac.kr;
Tel.: +82-2-2287-5449;Fax: +82-2-2287-0070
Received November 26, 2021; Revised December 14, 2021; Accepted December 14, 2021.
Abstract
Microalgae can attach to various substrates in aquatic environments and cause biofouling; however, research on domestic ship hulls is not widely known. In the present study, we report for the first time ship hull fouling microalgae from a research vessel Jangmok No.1. We collected samples from the ship hulls and surface seawaters on September 2, 2021, and analyzed microalgal flora. We identified 11 benthic diatoms such as Achnanthes brevipes, Licmophora sp., Synedra sp. from the hull surface. They were mostly less than 20 μm in size. In contrast, we detected 7 planktonic diatoms and 4 dinoflagellates from water column. The species composition did not match those of the hull attached algae. These results suggest that the hull biofouling is mainly caused by diatoms, which may differ to those in water column.
Keywords : diatom, hull fouling, microalgae, morphology
Body

미세조류는 광합성을 하는 1차 생산자로써 수서 생태계 먹이 사슬에서 중요한 역할을 한다. 이들은 현미경적 크기의 단세포이며, 남조류, 녹조류, 규조류, 와편모조류가 대표적이다. 생태학적으로 이들은 물에 떠다니는 부유성과 기질에 붙어 서식하는 부착성 종으로 구분되며 다양한 환경에서 서식한다.

규조류는 규산염으로 이루어진 세포벽을 가지며 세포벽의 형태는 이들을 분류하는데 중요하다(Crawford, 1981). 규조류의 세포벽은 윗뚜껑(epivalve)과 아랫뚜껑(hypovalve)으로 구분된다. 이 세포벽들은 위아래로 결합하여 세포를 보호하는 형태로 존재한다. 규조류는 형태학적으로 원통형(centric)과 깃털형(pennate)으로 나눠진다. 특히 원통형 규조류는 뚜껑면이 원형인 모양을 하고 있는데 주로 부유성이다(Shim, 1994). 한국에서 출현하는 원통형 규조류는 Bacteriastrum, Chaetoceros, Coscinodiscus 속 등이 존재한다(Shim, 1994). 반면 깃털형 규조류는 뚜껑면이 양끝으로 좁아지는 깃털 모양을 하며 주로 저서성 또는 부착성이다. 이러한 종들에는 Nitzschia, Navicula, Synedra 속이 대표적이다(Shim, 1994).

규조류를 포함한 부착 조류는 전 세계적으로 수심이 비교적 얕은 담수 및 해양 환경에서 분포한다. 이들은 환경에 따라 출현 빈도가 다른데, 담수의 경우 남조류와 규조류가 고루 출현하지만, 해양에서는 규조류가 우점한다(Poulíčková et al., 2008). 부착 조류는 주로 자연 상태에서 대형 조류(epiphytic) 및 암반(epilithic)을 포함한 여러 기질에 부착된 형태로 서식하며, 규조류가 대표적인 부착 조류로 알려져 왔다(Cahoon, 2002). 이들의 출현은 물의 유동성, 광량, 영양 환경 및 기질 특이성에 의해 조절된다(Cahoon, 2002). 특히 부착 기질은 부착 조류가 안정적으로 성장하는데 필수적인 환경을 제공하기 때문에 각 분류군별 기질 선호도에 대한 연구들이 진행되고 있다(Köhler et al., 1999). 부착성 규조류는 해저 바닥에서 일시적으로 부유한 뒤 기질에 부착하는 과정을 반복하는 것으로 알려져 있다. 이들은 기질에 부착할 때 등줄(raphe)로부터 다당류로 이루어진 세포 외 고분자 물질(Extracellular polymeric substance, EPS)을 분비하여 생물막을 형성한다(Callow and Callow, 2002). 이 후, 활강 운동(gliding)으로 생물막을 확장시키며 성장한다(Callow and Callow, 2002). 이러한 생물막은 화학적으로 다른 부착 생물이 부착할 수 있는 환경을 제공한다(Patil and Anil, 2005; Dobretsov and Rittschof, 2020). 또한 부착 조류는 먹이원으로 작용하여 무척추동물 및 기타 섬모충류들의 부착을 유도하기도 한다.

미세조류는 항만시설, 테트라포트(tetrapod), 부이(buoy)와 같은 고정된 해양 인공 구조물과 선체에 부착하여 경제학적 피해를 일으킬 수 있다(Hunsucker et al., 2014; Edmiston et al., 2021). 예를 들어, 부착 생물들은 해양 구조물을 부식시키며, 선박의 경우 부착조류에 의한 생물막이 100 µm 증가함에 따라 운항 속도가 5~15% 감소하는 것으로 알려져 경제학적 손실을 야기한다(Schultz et al., 2011). 또한 일부 저서성 독성 와편모조류는 선체 표면에서 이탈해 주변 해수로 유입될 경우 인근 양식 산업 및 인간의 건강에 피해를 줄 수 있다(Baek, 2012). 더욱이 부착 조류를 포함한 부착 생물이 선박에 붙어 여러 국가에 전파될 때 외래종으로 생태학적 문제를 야기할 수 있다(Patil and Anil, 2005; Smith et al., 2016). 이러한 이유로 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)에서는 선체 부착 생물(ship’s hull fouling) 관리를 위한 논의를 진행하고 있다. 선체 부착 조류로 인한 국내 피해사례는 보고된 적이 없으나, 이는 기초 자료가 부실하기 때문으로 생각된다.

한국에서 보고된 해양 부착성 미세 조류는 규조류, 남조류, 저서 와편모조류가 있다. 이 중 규조류의 보고가 가장 많으며 해조류 및 암반과 같은 자연기질에서 연구되어 왔다(Kim et al., 1991; Lee et al., 1991). 추가적으로, 해양 환경에 아크릴과 같은 소재로 만들어진 인조 기판을 투입시키는 실험을 통하여 일부 부착 규조류가 인공 기질에 부착할 수 있음이 보고된 바 있다(Shim and Jurng, 1987; Shim et al., 1998; Baek et al., 2012). 하지만 인공 기질에 부착하는 미세조류에 대한 연구는 자연 기질에 비해 제한적이다. 또한 대부분의 연구가 소규모 고정형 장치를 대상으로 진행되어, 실제로 운영되는 대형 해양 시설 및 선박을 대상으로 한 연구가 필요하다.

국내 해역의 부착 미세조류로 인한 선체 피해 예방 및 관리를 위해 선체 부착 미세조류의 종 목록 및 부착특성에 대한 자료가 필요하다. 특히 해양 수괴와 선체에 특이적으로 출현하는 분류군을 구분할 필요가 있다. 본 연구의 목적은 국내 선박과 주변 해수의 생물상을 분석하여 선체 특이적 부착성 미세조류를 규명하는 것이다.

부착 시료 분석을 위해 해양과학기술원 장목 1호를 선정하였다. 본 연구선은 전장 24 m, 총 41 t의 소형 연구선으로 국내 연안을 조사하는데 사용된다(Park et al., 2006). 연구선은 조사 기간을 제외하고 남해 연구소 부두에 정박한다. 2021년 9월 2일에 스킨스쿠버가 잠수하여 남해 연구소 부두(34°59'34.9"N, 128°40'32.3"E)에 정박된 조사선에서 시료를 채집하였다(Fig. 1). 특히 부유성 미세조류와 섞이는 것을 방지하기위해, 선체 측면의 생물막이 형성된 곳을 50 ml conical tube로 긁어 낸 후 멸균 해수로 씻어내어 채집하였다. 또한 선체 부착생물을 비교하기 위해 주변 해수를 500 ml 채집하였다.

Fig. 1. Sampling area and research vessel Jangmok No.1. (A) Map of Korea Institute of Ocean Science and Technology (KIOST) dock in jangmok-ri, in Namhae; black dot represents a location where Jangmok No. 1 was anchored. (B) Attached algal samples were collected by scraping the hull side surface; the square in blue represents the location where the side of the hull was sampled by skin scuba.

채집한 시료를 루골 용액으로 최종농도 1%로 고정한 후 광학현미경(Axioskop; Zeiss)을 이용하여 400배율에서 관찰하였다. 광학 현미경 사진은 ProgRes® CF scan CCD camera로 촬영하였으며, 종 사진은 ProgRes® CapturePro 2.10.0.1 software (Jenoptik)를 이용하여 분석하였다. 미세조류의 분류체계는 AlgaeBase를 따랐다(Guiry and Guiry, 2021).

선체에 부착하는 종을 더 정확히 동정하기 위해 배양을 실시하였다. 광학 현미경 하에서 파스퇴르 피펫을 이용하여 세포를 분리하였다. 분리된 세포는 f/2 배지에서 단일 배양 되었다. 배양은 24°C, 명암주기 12 h: 12 h 조건을 유지하였다. 이 후 배양된 세포를 전계방사형 주사 전자 현미경(FE-SEM; Model JEOL, JSM 5410)으로 분석하였다.

본 연구 결과 장목만의 수온은 26.92°C도였고, 염분은 28.98 psu로 측정되었다(Table 1). 특히, 염분은 남해안 평균 33 psu에 비하여 낮았으며, 담수 유입이 있는 항만의 특성을 보였다.

Environmental parameters of study area

Parameter Value
Water Temperature (°C) 26.92
Salinity (psu) 28.98
Chlorophyll (µg/L) 2.06
DO (mg/L) 7.24
pH 9.05


광학현미경 분석 결과 장목 1호 표면과 주변 해수에서 2문(Phylum), 3강(Class), 11목(Order), 14과(Family), 23종(Species)의 미세조류를 검출하였다(Table 2). 장목 1호 선체 측면에서 출현한 주요 종은 모두 규조류(11종)로 파악되었다. 이들은 Bacillariophyceae 강과 Mediophyceae 강으로 구분되었으며, Bacillariophyceae 강은 주로 깃털형 규조류로 구성된다. 본 연구의 장목 1호에서 Bacillariophyceae 강에 속하는 종만 검출되었으며, 파악된 생물은 Achnanthes, Amphora, Caloneis, Cymbella, Diploneis, Licmophora, Navicula, Nitzschia, Synedra이다. 이들 깃털형 규조류는 부착 조류로 보편적으로 알려져 있으며, 이들 중 Navicula는 선체에 부착하는 대표적인 생물이다(Edmiston et al., 2021). 실제로, 국내 연구에서 AchnanthesDiploneis 속은 제주도의 해조류 및 암반에서 출현이 보고된 바가 있다(Lee et al., 1991). 또한 Licmophora sp.는 변산반도 암반 생물막에서 기록되었다(Kim et al., 2016). 특히 Navicula, Cylindrotheca, Synedra 속의 생물들은 인공 기질에서 출현이 보고된 생물들이다(Shim et al., 1998; Beak et al., 2012). 본 연구와 선행 자료는 자연 기질에 서식하는 종들이 선체에도 부착할 수 있음을 시사한다.

Checklist of microalgae species during this study

Phylum Class Order Family Species Surface scraping Water column
Bacillariophyta Bacillariophyceae Bacillariales Bacillariaceae Cylindrotheca closterium +
Nitzschia sp. +
Pseudo-nitzschia sp. +
Cymbellales Cymbellaceae Cymbella sp. +
Fragilariales Fragilariaceae Synedra sp. +
Licmophorales Licmophoraceae Licmophora sp. +
Mastogloiales Achnanthaceae Achnanthes brevipes +
Achnanthes sp. +
Naviculales Diploneidaceae Diploneis sp. +
Naviculaceae Caloneis sp. +
Navicula sp. +
Plagiogrammales Plagiogrammaceae Plagiogrammopsis vanheurckii +
Thalassiophysales Catenulaceae Amphora sp. +
Mediophyceae Chaetocerotales Chaetocerotaceae Bacteriastrum comosum +
Chaetoceros brevis +
Chaetoceros concavicornis +
Chaetoceros laciniosus +
Chaetoceros sp. +
Thalassiosirales Skeletonemataceae Skeletonema costatum +
Miozoa Dinophyceae Peridiniales Protoperidiniaceae Protoperidinium steinii +
Protoperidinium sp. +
Prorocentrales Prorocentraceae Prorocentrum micans +
Prorocentrum sp. +

+, present; -, absent.



장목 1호의 선체 측면에서 출현한 규조류의 대부분은 20 µm 이하의 크기를 가져 매우 작았다(Fig. 2). 이들의 미세구조는 형태학적으로 종 동정에 있어서 핵심적이지만 작은 크기로 인해 광학현미경에서의 분석은 한계를 가진다. 하지만 전자 현미경에서는 미세구조의 관찰이 용이하였다. Amphora sp.는 배면 보기(ventral view)에서 타원형 길이 9.5 µm, 너비 5.5 µm의 크기였다(Fig. 3A). 등줄의 위치는 배쪽 가장자리에 돌출된 형태로 존재하였다. Amphora sp.는 주로 세포 두개가 붙어있는 형태로 관찰되었다(Figs. 2B and 3A). Navicula sp.는 뚜껑면 보기(Valve view)에서 길이 24 µm, 너비 6 µm의 크기였다. 뚜껑면(valve)이 양 끝으로 갈수록 점점 좁아지는 타원형의 모습을 하고 있으며, 등줄은 직선으로 곧게 뻗어 있는 모습을 하고 있었다(Fig. 3C).

Fig. 2. Light micrographs of attachment microalgae found on the ship-side of Jangmok No. 1. (A) Achnanthes brevipes, (B) Amphora sp., (C) Caloneis sp., (D) Cymbella sp., (E) Licmophora sp., (F) Navicula sp., Scale bars: (A) = 20 µm and (B–F) = 10 µm.

Fig. 3. FE-SEM micrographs of attachment diatoms isolated from the ship-side of Jangmok No. 1. (A and B) Amphora sp. with ventral view; Navicula sp. with valve view (C) and girdle view (D). Arrowhead in red represents raphe. Scale bars: (A and B), 2 µm; (C and D), 5 µm.

본 조사에서 규조류 외에 부착조류로 알려진 남조류와 와편모조류는 출현하지 않았다. 선체측면은 상대적으로 빛이 적으며, 남조류는 느리게 성장하는 특성을 가진다(Mur et al., 1999). 또한 정기적인 선체 청소를 받는 장목 1호에서는 출현하지 않은 것으로 생각된다.

주변수에서는 규조류 및 와편모조류를 포함하여 총 12종이 출현하였다(Table 2). 주변수에서 출현한 규조류는 Bacillariophyceae 강에서 Pseudo-nitzschiaPlagiogrammpsis vanheurckii가 출현하였다. Pseudo-nitzschia는 깃털형 규조류지만 부유성인 것으로 알려져있다(Trainer et al., 2012). Mediophyceae 강에서는 Bacteriastrum comosum, Chaetoceros brevis, C. concavicornis, C. Laciniosus, Skeletonema costatum이 출현하였다. Mediophyceae 강은 주로 부유성 규조류로 구성 되어있다. 선체주변 해수에 와편모조류인 Protoperidinium steinii, Protoperidinium sp., Prorocentrum micans, Prorocentrum sp.가 출현하였다(Table 2). Protoperidinium는 부유성 종만을 포함하나, Prorocentrum 속은 부유성 종과 저서성 종을 포함한다(Hoppenrath et al., 2013; Lee and Kang, 2017). Prorocentrum lima는 세포에서 점액질을 분비하여 기질에 부착하는 종이다(Fraga et al., 2012). 하지만 본 연구에서는 선체와 주변 해수에서 모두 발견되지 않아, 부착성 와편모조류는 규조류에 비해 선체에 대한 선호도가 낮은 것으로 사료된다.

장목 1호 선체 측면과 주변수에서 출현한 종은 상이하였다. 장목 1호에서는 부착성 규조류만 검출된 반면, 주변수에서는 부유성 규조류 및 와편모조류가 출현하였다. 이는 선체와 주변수가 물리적으로 구분되어 다른 환경을 제시함을 의미한다.

본 연구에서 출현한 부착 규조류들은 기록종으로 다양한 서식처에서 보고되었으나, 국내 한정으로 운행하는 선박의 선체 표면에서 발견된 것은 최초이다. 일반적으로 선체 표면은 부식 및 생물 부착을 막기위해 방오 도료를 살포하여 보호된다(Hyun et al., 2018). 방오 도료는 독성을 가져 생물체의 부착 및 성장을 저해하기에 인공 기질과는 다른 특성을 보인다(Choi et al., 2011). 본 연구에서는 일부 규조류들이 이러한 환경의 기질에도 부착할 수 있으며 주변수에서 발견되는 미세조류와는 명확하게 구분됨을 확인하였다.

결론적으로 본 연구는 국내 선체에 부착하여 출현하는 부착 미세조류들을 최초로 규명을 하였다. 이는 선박에 피해를 야기하는 부착 생물들의 관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 또한 국제선을 통한 외래성 부착 미세조류의 국내 유입 여부 판단에 활용될 수 있을 것이다.

적 요

미세조류는 수서 생태계에서 다양한 기질에 부착할 수 있으며 생물 오손을 유발한다. 하지만 국내 선체를 대상으로 조사된 바는 없다. 본 연구는 연구 조사선 장목 1호로부터 선체에 부착하는 미세조류를 처음으로 보고하였다. 2021년 9월 2일에 선체 표면과 주변 해수를 채집하였고, 미세조류의 생물상을 분석하였다. 선체 측면으로부터 Achnanthes brevipes, Licmophora sp., Synedra sp. 와 같은 저서성 돌말류 11종을 확인하였다. 이들은 20 µm 이하의 매우 작은 크기였다. 대조적으로 주변 해수에서는 7종의 부유성 돌말류와 4종의 와편모조류가 출현하였다. 해당 종들은 부유성으로 선체 부착 조류와 종 구성이 완전히 달랐다. 이런 결과는 부착성 규조류를 포함하는 선체 부착 조류의 출현이 선체와 주변 해수 간에 차이가 있음을 제시한다.

Acknowledgments

전자현미경 시료분석을 도와주신 국립낙동강생물자원관 이상득 박사님께 감사드립니다. 이 논문은 2021년 해양수산부 재원으로 해양수산과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임(선제부착생물 관리 빚 평가기술개발, 20210651).

Conflict of Interest

The authors have no conflict of interest to report.

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December 2021, 57 (4)
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