Korean Journal of Fisheries and Aquatic Sciences (한국수산과학회지)

The Korean Society of Fisheries and Aquatic Science (한국수산과학회)
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The Behavioral Response of Purple Sea Urchins Heliocodaris crassispina to Food and an Electrical Stimulus

자극원에 따른 보라성게(Heliocodaris crassispina)의 이동패턴 분석

  • Oh, Taegeon (Department of Projects Management, Korea Fisheries Resources Agency) ;
  • Lee, Jungkwan (Division of Marine Production Management, Chonnam National University) ;
  • Hwang, Hakgin (Department of Projects Management, Korea Fisheries Resources Agency) ;
  • Pyeon, Yongbeom (Division of Fisheries Science, Chonnam National University) ;
  • Han, Inwoo (Division of Fisheries Science, Chonnam National University) ;
  • Oh, Wooseok (Division of Fisheries Science, Chonnam National University) ;
  • Park, Guenchang (Division of Fisheries Science, Chonnam National University) ;
  • Lee, Kyounghoon (Department of Marine Technology, Chonnam National University)
  • 오태건 (한국수산자원관리공단) ;
  • 이정관 (전남대학교 해양생산관리학과) ;
  • 황학진 (한국수산자원관리공단) ;
  • 편용범 (전남대학교 수산과학과) ;
  • 한인우 (전남대학교 수산과학과) ;
  • 오우석 (전남대학교 수산과학과) ;
  • 박근창 (전남대학교 수산과학과) ;
  • 이경훈 (전남대학교 해양기술학부)
  • Received : 2019.07.12
  • Accepted : 2019.10.23
  • Published : 2019.10.31
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Abstract

Sea urchins are hugely destructive of marine forest ecosystems. This study aimed to determine the behavioral response of purple sea Urchins Heliocodaris crassispina to food and an electrical stimulus and to investigate the attraction radius of these stimuli, with an eye to the development of technology for controlling sea urchin numbers. Ten purple sea urchins, housed in circular acrylic tank, were tested against various attractant stimuli. In addition, an experiment was conducted with 200 purple sea urchins in a large water tank to observe movement patterns and the attractiveness of various stimuli. In the smaller experiment, eight out of 10 sea urchins were attracted to food, and these attractive effects were maintained in all except one of the affected urchins. However, the attractant effects of the electrical stimulus were maintained in only three sea urchins. The results of the larger experiment indicated that differences in the attractant power of food and an electrical stimulus were 54%-78%, and approximately 5-15% of sea urchins were attracted by the electrical stimulus.

Keywords

서 론

우리나라 연안해역에서의 바다 숲은 각종 해양생물들의 산란장과 보육장의 기능을 하며, 연안생태계의 기초생산자로서 매우 중요한 역할을 한다(Yoshida, 1970; Taniguchi and Yamada, 1988). 이에 따라, 최근 우리나라에서는 해양오염 및 해양환경변화로 인해 감소된 수산자원을 증가시키기 위해 바다 숲 조성사업을 진행하고 있다. 바다 숲 조성사업은 2009년부터 해중림조성사업의 단점인 해중림 전체가 하나로 연결되어 있어 일부가 파손되면 전체가 영향 받는 단점을 보완하고, 친환경 해중림초 시설과 해조류가 부착할 수 있는 부착기질을 제공하며, 갯녹음 발생의 원인이 되는 조식동물로부터의 구제활동을 말한다(FIRA, 2012). 현재 바다 숲 조성사업은 2009년부터 2018년까지 전국 연안 18,360 ha의 바다 숲을 조성하였으며, 향후 2030년까지 54,000 ha의 바다 숲을 조성할 계획으로 알려져 있다(Park et al., 2016).

갯녹음 현상은 일반적으로 연안에 서식하는 엽상해조류가 제거되고, 석회조류가 암반 표면에 광범위하게 퍼지면서 암반에서식하던 해양생물의 생체량이 급격히 감소하여, 바다 암반이황폐화되는 현상이다(Hwang et al., 2017; Sohn et al., 1982). 최근 조식동물의 개체수가 증가하여 해조장에 갯녹음 현상이 심화되고 있다(Kim et al., 2007). 이에 따라, 해조장 복원사업을 수행할 때에는 갯녹음이 발생되지 않도록 성게와 같은 조식동물의 구제 작업이 필요하다. 실제로 Yoo et al. (2004)의 연구에서는 성게와 같은 조식동물을 제거하지 않고 해조류를 이식하였을 때 한달 만에 전량 유실되었으나, 반대로 조식동물을 제거한 후, 해조류를 이식하여 성공적으로 바다 숲을 조성한 연구 사례가 있다.

조식동물은 해조류를 먹고 사는 동물로서 암반 조하대 또는 수중암초에서 서식하며, 조식동물 중 해조류 섭식으로 가장 많은 피해를 주는 종은 성게류이다(Kwak et al., 2014). 우리나라 연안에 서식하는 성게류는 보라성게(Heliocodaris crassispina), 말똥성게(Hemicentrotus pulcherrimus), 분홍성게(Pseudocen-trotus depressus) 등이 있으며, 형태학적으로는 반구 모형에 큰가시들 사이사이에 작은 가시들이 있고 짙은 보라색 또는 어두운 녹색을 띄고 있다(MBRIS, 2019). 어구를 이용하여 조식동물을 제거하면 해조장이 파괴되기 때문에, 현재 우리나라에서는 잠수부가 직접 조식동물을 채취하는 수동적인 방법으로 구제작업이 이루어지고 있다. 이러한 수동적인 방법은 시간과 비용이 많이 들기 때문에 효율적인 방법이 필요한 데, 일반적으로 해양생물을 포획 또는 채취하는 방법은 자극원을 이용하여 대상 생물을 구집하거나 유집하는 방법이 있다. 해양생물에 영향을 주는 자극원은 생물학적으로 먹이와 생물들 간의 음원 등이 있으며, 물리학적으로 빛, 진동, 전기 등이 있다. 하지만, 각각의 해양생물에 따라 반응하는 자극원과 행동패턴이 다르기 때문에 기초적으로 자극원에 따른 해양생물의 행동특성 및 패턴을 파악하는 것이 중요하다(Kim, 2012).

성게와 관련된 연구는 해조장의 변화(Lafferty and Kushner, 2000; Edmunds and Carpenter, 2001), 조식동물과 해조장의 상관관계(Yoo et al., 2004; Kwan et al., 2010) 등이 있으며, 생태에 관한 연구로는 보라성게의 산란과 성장(Yoo et al., 1982), 실내 표지실험(Hur and Yoo, 1985), 성게의 연령과 생장(Hong and Chung, 1998; Chung et al., 2005)등이 있으나 자극원으로부터의 행동 반응에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 바다 숲 파괴의 주범인 조식동물의 구제 기술을 개발하기 위하여 먹이와 전기자극원에 따른 보라성게의 행동특성과 패턴을 비교 분석함으로써 자극원에 영향을 미치는 성게의유집 효과를 규명하고자 한다.

 

재료 및 방법

아크릴 원형 수조에서의 성게 이동 패턴 실험

본 연구에서는 보라성게의 행동패턴을 분석하기 위해서 디지털 가시화 측정 기법을 사용하였으며(Willert and Gharib, 1991), 고해상도(1920×1080 pixel)와 촬영속도(image cap-ture interval, 30fps)를 지닌 영상카메라(Gopro V4, GoproInc., San Mateo, CA, USA)를 사용하였다. 저장된 영상자료는후처리 영상소프트웨어(Logger Pro3, Vernier, Beaverton, OR, USA)를 사용하여 영상처리와 모션 추적 데이터를 획득하였다. 전기 자극원의 전류와 전압은 일정 전류와 전압의 강도에 따라성게의 반응에 관한 생물학적 실험을 통하여 적절한 강도(3.5V, 0.27 A)를 적용하였다. 우선, 지름 1.00 m, 높이 0.15 m의 원형 아크릴 수조에서 10마리의 성게를 3일 동안 순치하여 소형수조 실험을 수행하였다(Fig. 1). 실험수조의 환경조건은 수온염분측정기(EC300, YSI, USA)를 이용하여 원형 수조 내 성게의 행동이 활발한 환경인 수온 15.2°C, 염분 29.3 psu을 유지하면서 모니터링을 수행하였다. 성게의 체장과 체중 측정은 국립수산과학원(NIFS, 2017)에서 제시한 측정 기준에 맞추어서 측정하였으며, Table 1과 같이 보라성게의 체장(각경, mm), 체고(mm), 중량(g)을 나타내었다. Fig. 2와 같이 원점으로부터 먹이와 전기자극원(3.5 V, 0.27 A)에 성게를 각각 배치 한 후, 오른쪽 성게부터 번호를 매겨 시간이 지남에 따라 자극원으로부터의 거리를 측정하여 자극원에 따른 유집효과를 실험하였다. 

 

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Fig. 1. Circular acrylic water tank.

 

Table 1. The individual features of purple sea urchin Heliocodaris crassispina at acrylic water tank

 

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Fig. 2. Experiments on the feeding and electrical stimuli in a circular acrylic water tank.

 

대형 수조에서의 성게 이동 패턴 실험

지름 6.00 m, 높이 1.00 m의 대형 콘크리트 수조에서 200마리 이상의 성게를 3개월 이상 순치 한 후, 2017년 1월 25일, 2월 3일, 2월 9일, 2월 15일에 걸쳐 총 4회 실험을 수행하였다. 대형수조 내의 수온은 15.0°C, 염분은 30.2 psu로 나타났다. Fig. 3과 같이 먹이 자극원, 지속형 전기자극원, 펄스형 전기자극원을 원점으로부터 매 실험마다 위치를 바꾸어 가며 배치하고, 4시간 동안 보라성게의 운동능력을 확인하였으며 자극원에 유집된 성게의 수와 이동거리를 측정하여 서로 다른 자극원에 대한 유집효과를 실험하였다. 또한, 상용 통계 소프트웨어(PASW statistics 18, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 사용하여 비모수검정으로 유의차를 검정하였다.

 

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Fig. 3. Experiment of purple sea urchin Heliocodaris crassispina attracting in a large water tank.

 

결 과

아크릴 원형 수조에서의 먹이 자극원 유집 실험 결과

원형 아크릴 수조에서 106분동안 총 10개체의 보라성게를 이용하여 먹이 자극원에 따른 유집실험 결과를 2차원적인 이동경로와 시간에 따른 먹이위치와의 거리 관계를 나타내었다(Fig.4). 1번 보라성게의 경우 먹이 자극원으로부터 초기 위치가 가장 가깝지만, 먹이 위치에 근접하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 4번 성게는 자극원으로부터 가장 멀리 떨어져 있어도 100분 후 먹이 위치에 유집되는 것을 확인하였다. 7번 성게는 먹이 자극원으로부터 82분동안 지속적인 유집지속효과를 확인하였다.

 

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Fig. 4. Sea urchin is moving pattern according to the feeding stimulus in acrylic circular water tank.

 

원형 아크릴 수조에서 보라성게의 평균 이동거리는 2.21 m 이며, 속도는 1.25 m/h으로 나타났다. 1번과 10번 성게를 제외한 나머지 보라성게들에서 먹이 자극원에 따른 유집효과가 나타났으며, 유집효과를 보인 성게 중 6번 성게를 제외한 나머지 성게에서 유집지속효과를 확인할 수 있었다(Table 2, Fig.5).

 

Table. 2. Attracting effect of feeding stimulus in acrylic circular water tank of purple sea urchin Heliocodaris crassispina

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Fig. 5. Analysis on the moving pattern of the purple sea urchin Heliocodaris
crassispina according to feeding stimulus.

 

아크릴 원형 수조에서의 전기자극원 유집 실험 결과

원형 아크릴 수조에서 106분동안 총 10개체의 보라성게를 이용하여 전기자극원 유집실험 결과를 정량적으로 분석하였으며, Fig. 6와 같이 2차원적인 이동경로와 시간에 따른 전기자극원 위치와의 거리 관계를 나타내었다. 5번 성게는 전기 자극원으로부터 가장 멀리 떨어져 있어도 90분 후 전기 자극원으로 이동하여 유집효과를 확인할 수 있었으며, 8번 성게는 전기 자극원으로부터 56분동안 지속적으로 유집되어 유집지속효과를 확인할 수 있었다. 반면, 10번 보라성게는 전기 자극원으로부터 초기 위치는 가장 가깝지만, 아무런 움직임을 보이지 않아 유집효과는 없는 것으로 나타났다.

 

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Fig. 6. Moving pattern according to the electrical stimulus in acrylic circular water tank; purple sea urchin Heliocodaris crassispina(a) No.5, (b) No.8, (c) No.10.

 

원형 아크릴 수조에서 보라성게의 평균 이동거리는 2.88 m이며, 속도는 1.62 m/h이다. 4번과 10번 성게를 제외한 나머지 성게에서 전기 자극원에 따른 유집효과가 나타났으나, 3번과5번, 6번 성게에서만 유집지속효과를 확인할 수 있었다(Table 3, Fig. 7).

 

Table 3. Attracting effect of electrical stimulus in acrylic circular water tank of purple sea uurchin Heliocodaris crassispina

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Fig. 7. Moving pattern of the purple sea urchin Heliocodaris crassispina according to electrical stimulus.

 

대형 수조에서의 성게 이동 실험 결과

대형 수조에서 보라성게의 이동능력을 평가한 결과 최대 이동거리는 1번성게가 4.38 m를 이동하였으며, 최소 이동거리는 10번성게가 0.28 m를 이동한 결과이다. 성게의 이동속도는 특정 개체의 건강도 및 활동성에 따라 달라질 수 있는데, 최대 속도는 3번 성게의 23.00 m/h이며, 최소 속도는 10번 성게의 1.40 m/h로 나타났다. 그 결과, 평균 이동거리는 2.37 m, 평균 직선 이동거리는 0.79 m, 평균 속도는 11.85 m/h로 나타났다. 평균 이동거리에 대한 직선 이동거리의 비는 33.64%로 자극원까지 공간적, 시간적으로 이동하는 것을 확인하였고, 실제 이동량의 약 3배 정도 되는 것을 확인할 수 있었다(Table 4).

 

Table 4. Evaluation of purple sea urchin Heliocodaris crassispinamotor fitness in large water tank

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대형 수조에서의 먹이 및 전기자극원 유집 실험 결과

보라성게 200마리를 대형 수조에 투입하여 총 4회 실험한 결과를 Table 5와 같이 나타내었다. 1차 실험 결과에서는 먹이 자극원에 4마리, 펄스형 전기자극원에 4마리, 지속형 전기자극원에 3마리의 성게가 유집 되었으며, 2차 실험에서는 먹이 자극원에 13마리, 펄스형 전기자극원에 15마리, 지속형 전기자극원에 10마리의 성게가 유집되었다. 3차 실험 결과에서는 먹이 자극원에 6마리, 펄스형 전기자극원에 5마리, 지속형 전기자극원에 2마리가 유집 되었으며, 4차 실험에서는 먹이자극원에 15마리의 성게가 유집 되어 5마리가 유집된 전기자극원과 큰 차이를 보였다(Fig. 8). 평균적으로 먹이자극원에는 9마리, 지속형 전기자극원에 5마리, 펄스형 전기자극원에 7마리가 유집 되었으며, 먹이자극원과 전기자극원을 비교하였을 때 먹이자극원과 지속형 전기자극원은 54.1%, 펄스형 전기자극원은 78.4%의 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 서로 다른 자극원에 대한 성게의 유인효과는 비모수 검정을 통해 유의성 검정을 해본 결과, 정량적인 실험결과에서는 자극원에 의해 성게의 유인효과는 확인되었으나, 자극원의 요소별에 대한 성게의 유인효과는 통계적으로 유의차를 보이지 않았다(Kruska-Wallis test; P> 0.346> 0.05).

 

Table 5. The effect of attracting the purple sea urchin Heliocodaris
crassispina in a large water tank

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Fig. 8. The effect of attracting the purple sea urchin Heliocodaris
crassispina in a large water tank; (1) First, (2) Second, (3) Tertiary, (4) Fourth.

 

고 찰

일반적으로 성게와 관련된 연구는 해조장의 변화(Lafferty and Kushner, 2000; Edmunds and Carpenter, 2001), 조식동물과 해조장의 상관관계(Yoo et al., 2004, Kwan et al., 2010), 성게의 먹이 섭식과 산란(Kim et al., 2007), 해조장 복원과 바다숲 조성 관리(Kim and Jang, 2012) 등이 있으며, 생태에 관한 연구로는 보라성게의 산란과 성장(Yoo et al., 1982), 실내 표지실험(Hur and Yoo, 1985), 성게의 연령과 생장(Hong and Chung, 1998; Chung et al., 2005), 보라성게와 말똥성게의 번식에 대한 생태학적 특성(Lee et al., 2000), 북쪽말똥성게의 산란유발 및 초기생장(Lee et al., 2003) 등이 있다. 하지만 성게에 대한 생물학적 특성과 자극원으로부터의 행동 반응에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 자극원으로부터 조식동물들을 유집하여 구제하기 위한 기술을 개발하기 위하여, 디지털 가시화 측정 기법을 적용하여 조식동물의 행동패턴을 분석하고, 자극원에 따른 조식동물의 반응을 분석하여 정량적인 데이터를 확보하고자 하였다. 아크릴 원형수조에서는 자극원에 대한 성게 반응을 테스트 하기 위하여 10개체를 이용하였다. 먹이자극원에 대한 성게의 반응 실험 결과, 10개체 중 8개체에서 먹이에 대한 유집반응을 보였으며, 유집반응을 보였던 개체 중 하나의 개체를 제외한 나머지 개체에서 유집지속성을 확인하였다. 전기 자극원(3.5 V, 0.27 A)에서의 성게 반응 실험 결과, 10개체 중 8개체에서 전기에 대한 유집반응을 보였으며, 유집반응을 보였던 개체 중 세개의 개체에서만 유집지속성을 확인할 수 있었다. 그 결과, 전기 자극원에서의 유집반응은 먹이 자극원과달리 지속력이 약한 것으로 나타났는데, 이러한 이유는 초기에는 전기자극에 의해 유집된 성게가 시간이 지남에 따라 전기 자극에 대한 성게의 반응도가 떨어진 것으로 판단되며, 전기자극원의 가용 시간과 구제장치의 적절한 투입을 고려하면 유집에따른 제거효율을 높일 수 있을 것으로 생각된다. 대형 수조에서의 성게 실험은 각각의 자극원에 따른 유집 반경을 확인하기 위하여 200개체의 성게를 사용하였다. 대형 수조에서의 성게 유집 실험 결과, 먹이 및 전기 자극원(지속형, 펄스형)에 대한 유집효과는 54-78% 정도의 차이를 보였으며, 전기자극에 유집된 성게의 개체수가 5-15% 사이로 측정되었다. 또한, 서로 다른 자극원에 대한 성게의 유인효과는 통계적인 유의성 검정에서는 유의성이 나타나지 않았다. 이러한 이유는 실험의 횟수가 다소 부족하고, 유의성 있는 자료가 충분치 않아 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 생각된다.

성게 이동 실험에서 이동 경로에 먹이가 있을 경우와 이동 경로에 먹이가 없을 경우의 운동 패턴을 조사한 결과에서는 먹이자극원과 0.5 m이내에 근접한 위치에 있지만, 이동 경로에 먹이가 있지 않을 경우에는 먹이 자극원에 유집효과가 없는 것으로 나타났다. 그러나, 먹이 자극원과 1 m이상 떨어져 있어도, 이동경로에 먹이가 있을 경우에는 먹이 자극원으로부터 유집효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.

전기에 대한 어류의 선행 연구들에서는 5 V 이상의 높은 전압을 받으면 피부가 손상되고 마비되는 현상을 보였으며, 본 연구에서도 성게가 5 V 이상의 전압을 받으면 상부의 항문 부위를바닥으로 향하여 배설하는 행위를 보여주었다(Ko et al., 1972;Pratt, 1995; Stewart, 1977). Kim (2012)에 의하면, 어류는 -극으로부터 자극을 피하기 위한 행동의 결과로 머리가 +극으로 향하게 되는 양극반응을 일으키는 것으로 알려져 있다. 또한,Yoo et al. (1982)의 결과에서는 성게가 일반적으로 야행성이 강하고 야간에 활발한 먹이 섭취 활동을 하는데, 빛의 세기를 약5,000 Lux의 경계구간을 기준으로 그 이상에서는 먹이 섭취 활동이 억제되는 것으로 연구 결과가 알려져 있다.

따라서, 자극원으로부터 성게 유집효과는 성게의 섭이상태, 이동 거리상의 먹이 위치, 성게의 양극반응, 조도별 성게의 행동 특성과 전압의 세기 등에 의한 불안정한 요소들에 의해 유집효과의 변동이 크기 때문에 유집효과와 제거효율을 향상시키기 위한 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

 

사 사

본 연구는 국비로 추진된 2017년 바다숲 조성 사업의 기술 개발 과제의 일환으로 수행되었으며, 본 논문을 사려 깊게 검토하여 주신 심사위원님들과 편집위원님께 감사 드립니다.

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