서론

국내 서식하는 뱀장어는 극동산 뱀장어(Anguila japonica)로 한국, 일본, 중국 등 동북아시아에서 오래 전부터 양식되어 왔으며, 국내 뱀장어 양식 생산량은 2018년 기준 10,530톤으로 어로 생산량 59톤에 비해 월등히 높은 비중을 차지하고 있다(MOF, 2018). 그러나 양식 종자의 자연 채포 의존에 따른 치어 가격의의 불안정성은 뱀장어 양식 문제의 가장 큰 부분이며, 고밀도 및 빠른 성장을 위한 순환여과시스템(recirculating aquaculture system, RAS) 도입은 기반시설 비용 증가 문제를 발생시킨다.

국내 기후 환경에서 월평균 10°C 이하의 저온 상태가 4개월 이상 지속되고 겨울철에 영하로 내려가는 지역에서는 저수온기동안 양식 어류의 성장률이 떨어지기 때문에 1년 이내에 상품 크기까지 성장시키기 어려워 대부분 실내 사육 수조를 가온하여 양식을 하고 있다. 동절기에는 순환시켜주는 물의 온도가 낮아 난방 비용 절감을 위해 사육수의 교환을 최소로 유지하려는 경향이 있으며, 이로 인해 잉여사료와 배설물의 배출이 원활하지 않아 수질이 악화되는 경우가 많이 생긴다(Cho et al., 2015). 또한 최근 물의 희소성 증대와 자연 수계의 영양염 및 오염 물질에 대한 환경 수용능력 저감으로 수산양식업(aquaculture)에서 발생되는 환경오염 문제에 대해 엄격한 규제를 적용하고 있다(NIFS, 2013).

수산양식에서 이를 해결하기 위한 사육수의 재순환 양식방법으로 recirculating aquaculture system (RAS)와 biofloc technology (BFT)가 대표적이나(FAO, 1986; Avnimelech et al., 2015), 국내 순환여과식양식(RAS)은 완전히 물을 재사용하는 것이 아니라 하루에 전체 순환수의 10% 이하가 환수되고 보충되는 것이 일반적이다(Suh et al., 2001). Russo et al. (1981)은 RAS 생산방법은 용존산소(dissolved oxygen, DO) 부족, 유기물 증가, NH₃-N 등의 무기질소 및 CO₂의 축적 등에 의해 어류의 성장저해 및 질병발생 등의 문제가 야기될 수 있어 수질관리의 중요성을 언급하였고, RAS는 고형물과 NH₃-N의 제거를 위해 여러 장치(침전조, 여과기, 회전원판접촉기, 충전층 반응기, 유동층 반응기, 포말분리기, 자외선살균기 등)가 필요한 것으로 알려져 있다(Losordo et al., 1994; Reyes and Lawson, 1995). 그러나, Schneider et al. (2006)의 보고에 의하면 RAS는 초기자본의 투자가 높아 산업적 확대의 진행이 느리며, 이러한 이유로 국내 내수면 육상수조식 양식에서는 유수식 양식방법에 의한 시설이 많은 편으로 인근 하천수 및 지하수를 취수하여 사육수로 사용하고 간단한 침전시설을 거쳐 배출되는 형태로 경영되고 있으며, RAS 시스템을 구축한 양식장은 뱀장어와 같은 고가의 어류양식에 제한되고 있다. BFT 양식은 국내에서 2000년대 도입된 사육수의 재순환 양식방법으로 양어장 내 수산생물에 의해 발생되는 오염물 중 하나인 NH₃-N을 유기탄소(당밀, 포도당 등)를 사용해 미생물을 증식시키고(C:N비 조절) 미생물총(biofloc) 형성을 유도한 후, 이를 수산생물(어류, 갑각류)이 다시 섭식하게 함으로써 지속적으로 수질을 유지하는 기술로 비용적 측면에서 RAS에 비해 매우 효과적인 양식방법이다. 국내 내수면 양식 대상 어종에서 뱀장어, 메기, 송어는 주요 생산 품종으로, 뱀장어의 경우, 연중 수온 25-30°C 범위에서 양식하는 어종인 관계로 BFT양식의 최적 수온인 25-30°C (Cho et al., 2015)에 적용 가능하다.

아쿠아포닉스(aquaponics)는 수산양식(aquaculture)과 농업의 수경재배(hydroponics)가 결합된 복합재배 시스템으로, 수산양식 생물의 성장과 생존을 위해 공급된 먹이(사료)가 종속 및 독립영양미생물(heterotrophic and autotrophic microorganisms)에 의해 각종 무기물과 질산염으로 분해 및 생성된 것을 식물이 성장 영양소로 흡수하면서 양어수질의 안정화와 식물성장을 이루어지게 하여 사육수의 교환없이 지속적으로 농∙수산물을 생산할 수 있는 친환경 생산방법이다(FAO, 2014). 아쿠아포닉스에서 사용되는 양어사료는 식물이 필요로 하는 13종류 영양소(N, P, K, S, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Al) 중 10종류는 식물이 성장할 수 있는 적정량을 제공하나, Ca, K, Fe와 같은 영양소는 매우 부족할 정도로 존재하여 인위적으로 추가 되어야 한다(Rakocy, 2007). 또한 전세계적으로 보편화된 UVI(university of virgin islands) 아쿠아포닉 시스템에서도 식물성장을 위해서는 수중 내 Ca, K, Fe 및 P와 같은 부족한 영양소를 인위적으로 첨가하도록 제안하고 있다(Rakocy et al., 2006; Bailey and Ferrarezi, 2017).

Lee et al. (2019a)은 어류양식에 사용되는 배합사료 만으로 식물에 공급하는 영양소를 충당할 수 있도록 기존 상업용 사료에 사용되는 인 제재를 일인산칼륨(monobasic potassium phosphate, MKP)으로 대체하여 메기에 공급한 결과 사육수의 인과 칼륨을 증대시켜 식물 생산성을 향상시켰음을 보고하였다. 또한 종속 및 독립영양미생물이 혼합된 유용미생물을 활용한 HBFT-AP (hybrid biofloc technology aquaponics) 생산 방식을 적용하여 양액(nutrient solution)을 사용해 생산되는 수경재배(hydroponics)와 엽채류 생산성 비교 시 생산성에서 차이가 나지 않음을 보고한 바 있다(Lee et al., 2019b).

따라서 본 연구의 목적은 기존 상업용 뱀장어 부상사료와 사료 내 단백질 수준을 달리하여 일인산칼륨을 첨가한 2종류의 부상사료가 뱀장어를 이용한 HBFT-AP 생산 효율성에 어떠한 영향을 미치는지 조사하고자 하였다.

재료 및 방법

실험사료

실험에 사용된 3종류의 사료는 직경 2.2 mm 내외 상업용 시판 뱀장어 부상사료 블루일F-GR (Cargill Agri Purina Ltd., Seongnam, Korea) 1종(조단백질 58%, 조지방 5%)과 Lee et al. (2019a)의 실험 결과에 보고된 MKP (monobasic potassium phosphate)를 첨가한 제작 사료 2종(CP48, CP30)으로(Table 1), 냉동(-20°C) 보관하여 실험에 사용하였다.

Table 1. Ingredient composition of the experimental diets

¹COM58 is commercial Japanese eel diet manufactured by Cargill Agri Purina Ltd., Korea. ²MCP, monobasic calcium phosphate. ³MKP, monobasic potassium phosphate. ⁴Vitamin added to supply the following (per kg diet): vitamin A, 22,000 IU; vitamin D3, 4,400 IU; vitamin E, 320 IU; vitamin K3, 24 mg; thiamine HCl, 50 mg; riboflavin, 60 mg; D-Ca pantothenate, 120 mg; biotin, 2 mg; folic acid, 20 mg; vitamin B12, 100 mg; niacin, 300 mg; pyridoxine HCl, 30 mg; inositol, 600 mg; ethoxyquin, 67 mg. ⁵Mineral added to supply the following (per kg diet): copper sulfate (25.4% Cu), 10 mg; zinc sulfate (22.7% Zn), 60 mg; manganous sulfate (32.5% Mn), 50 mg; magnesium sulfate (24.3% Mg), cobalt chloride (24.8% Co), 2 mg; potassium iodide (76.4% I), 2.0 mg; sodium selenite (45.6% Se), 0.75 mg. ⁶BHA, butyl hydroxyl anisole. COM, commercial diet; CP, crude protein.

실험사료의 성분분석

실험사료 3종의 수분(moisture), 조단백질(crude protein), 조지방(crude lipid), 조회분(crude ash), 조섬유(crude fiber), Mg, Fe, Cu, Mn, Zn, K, Ca 및 P 성분은 부경대학교 사료영양연구소에서 분석하였다(Table 2).

Table 2. Chemical composition of the experimental diets1

¹Values are means of 2 determinations. COM, commercial diet; CP, crude protein.

HBFT-AP (hybrid biofloc technology aquaponics) 시스템 구성

HBFT-AP 시스템 구성은 Lee et al. (2019a)이 보고한 메기와 엽채류 4종의 아쿠아포닉스 실험과 같은 시설로써, 시설구성은 1개 실험구별 어류 사육수조(1.5 m×1.5 m×0.6 m) 2개, 식물베드(1.5 m×1.5 m×0.1 m) 2개, 펌프(0.5 HP) 1개 및 바이오헬릭스 여과기(Isan M Tech. Ltd., Hwaseong, Korea) 1개로 3개조의 실험구로 구성되었다. 실험구별 산소공급을 위해 에어공급관을 설치한 후 6개의 유니분산기(30 cm)를 연결하여 사용하였고, 식물베드지에 2개, 어류 사육지 4개로 분리하여 사용하였다. 시스템 내 사육수는 직경(외경) 50 mm PVC(polyvinyl chloride)관을 통해 어류사육수조, 섬프 수조와 여과기를 거쳐 직경(외경) 25 mm PVC관을 통해 식물베드지로 유입된 후 다시 어류 사육지로 순환되도록 하였다. 또한, 우천 시 대비하여 식물베드 위에 광이 잘 투과되는 비닐을 설치하여 실험기간 동안 유지하였다.

HBFT-AP (hybrid biofloc technology aquaponics) 엽채류 생산

엽채류 생산 실험은 2회(EXP1, EXP2) 10주에 걸쳐 진행되었다. EXP1 (1-4주)와 EXP2(7-10주)의 실험에서 엽채류 성장 측정은 실험 종료 후(EXP1 4주, EXP2 10주), 성장 사진 촬영은 2주 간격으로 수행되었다(Fig. 1 and 2). EXP1의 경우 실험 수조의 사육수 내 영양분이 거의 없는 상태에서 실험어의 입식없이 3종류(COM58, CP48, CP30) 실험 사료만 1일 30 g 공급하였다. 섬프수조 내 사료를 넣은 양파망을 매달아 자연스럽게 사육수로 영양염이 용해되도록 하였고 별도의 청소는 하지 않았다. EXP1에 적용된 엽채류는 카이피라(caipira), 적로메인(red romaine), 비타민(tatsoi) 및 불꽃상추(red lettuce) 4종이었다. EXP2는 EXP1 종료 후, 실험 수조에 뱀장어를 입식하여 2주간 각 실험구별 실험 사료 및 환경 적응을 거쳐 본 실험을 진행하였다. EXP2에 적용된 엽채류는 아바타(abata lettuce), 흑로메인(heuk-Romaine), 불꽃상추(red lettuce) 및 청경채(pak choi) 4종이었다. EXP1과 EXP2의 실험에 사용된 엽채류는 경기도농업기술원 육묘용 온실에서 육묘한 개체를 입식하여 사용하였고, 각 실험구별 엽채류 108개체가 사용되었다.

Fig. 1. Growth of leafy vegetables for 2 weeks (left) and 4 weeks (right) in HBFT-AP (EXP1). A, COM58; B, CP48; C, CP30; HBFTAP, hybrid biofloc technology-aquaponics; COM, commercial diet; CP, crude protein.

Fig. 2. Growth of leafy vegetables for 2 weeks (left) and 4 weeks (right) in HBFT-AP (EXP 2). A, COM58; B, CP48; C, CP30; HBFTAP, hybrid biofloc technology-aquaponics; COM, commercial diet; CP, crude protein.

실험어 배치(EXP2)

뱀장어(Anguilla japonica)는 경기도 여주시 소재 양식장에서 180-250 g인 개체 45 kg을 선별하여 구입한 후 실험에 사용하였다. 본 사육실험에 앞서 어류들은 예비 사육 수조(5.0 m×6.0 m×0.5 m )에서 제작된 CP48 사료에 1개월 동안 적응된 후 실험 수조에 배치되었고, 실험 전 24시간 절식한 후 어류의 체중측정이 수행되었다. 2반복 3개 실험구 6개 실험 수조에 평균 220 g 내외 개체 25마리가 각각 수용되었고, 사료공급은 미섭취 사료에 의한 식물생산성의 오차 배제를 위해 어체중 당 0.5%로 제한하여 1일 2회 공급하였다. 각 실험수조에서 2주간의 예비 사육 후 4주간 본 실험을 진행하였다.

시료측정

EXP1의 엽채류 4종 측정은 각 종류별 전중량 기준 상위 8개체를 선별한 후, 개체별 줄기, 엽수, 엽중량, 뿌리, 엽채 길이를 세분화하여 측정하였다. EXP2의 엽채류 4종은 전수 조사하여 EXP1과 같이 줄기, 엽수, 엽중량, 뿌리, 엽채 길이를 세분화하여 측정하였다. 어체중 측정은 실험어의 사료 절식 24시간 후, 어류마취제인 clove oil (C8392-100ml, Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)로 마취시킨 다음 전체 무게로 측정하였다.

수질관리

EXP1과 EXP2의 수질관리는 Lee et al. (2019a)이 보고한 수질관리 방법을 준용하여 이용하였고, 수온은 26°C, 용존산소(dissolved oxygen, DO)는 7.7 ppm 이상 유지되었다. EXP1은 엽채류 입식과 동시에 사료를 섬프수조 내 투입하였고, 실험 시작 1주 간은 Emerenciano et al. (2017)의 방법에 준하여 사료 투입과 함께 유기탄소원인 정제 포도당을 계산한 후 유용미생물(BFT-ST, EgeeTech, Ltd., Irvine, CA, USA)과 함께 섬프수조에 공급하였다. 1주 후부터 유기탄소의 공급은 중단하고 무기탄소원으로 CO₂ (탄산가스)를 1주일간 각 실험구별 섬프수조에 연속하여 투입하였다. pH가 6.5이하로 떨어지는 실험구(CP58, CP48)의 경우 굴패각으로 가공된 패화석 비료(Hae Gwang Co., Goseong, Korea) 300 g을 양파망에 넣은 후 실험구 섬프수조에 투입하여 pH 6.5 내외로 수질을 유지하고자 하였다.

EXP2은 EXP1와 유사한 방법으로 수질을 관리하였으나, 굴패각 패화석은 EXP2의 엽채류 입식 이후부터 사용되지 않았다. EXP1의 엽채류 성장 실험 종료 후, 시료 측정을 위한 각 종류별 엽채류 8개체를 제외한 나머지 엽채류는 식물 재배지 내 유지된 상태에서 뱀장어 입식이 이루어졌다. 뱀장어 입식 시점부터 2주간의 사육수조 예비 적응 기간 동안 굴패각 패화석 비료는 섬프수조에 계속하여 유지되었고, EXP1에서 굴패각 패화석이 투입되지 않았던 CP30 실험구도 200 g의 굴패각 패화석을 사용하여 3개 실험구별 유사한 pH가 유지되도록 하였다. 사료공급은 뱀장어 입식 2일 후부터 7일까지 1일 10 g을 공급하였고 8일부터 체중의 0.5%를 공급하였다. EXP2의 엽채류 4종 입식 1일 전 EXP1에서 실험된 모든 엽채류가 식물 재배지에서 제거되었고, 섬프수조 내 굴패각 패화석 역시 제거하였다. EXP2의 엽채류 입식 후 즉시 CO₂ (탄산가스)를 각 실험구별 섬프수조에 1주일간 연속하여 투입하였고, 이후 CO₂ (탄산가스)의 공급은 중단하였다.

수질분석

수질측정은 1주 6회 용존산소(DO, mg/L), pH, 수온(°C), 전기전도도(electrical conductivity, EC; μs/cm), 탁도(Turbidity, NTU), TAN (NH₃ + NH₄⁺) (mg/L), NO₂-N (mg/L), NO₃-N(mg/L)와 PO₄-P (mg/L)를 측정하였다. DO, pH, 수온, EC와 탁도는 현장 수질측정기인 YSI PRODSS (YSI Inc., Yellow spring, Ohio, USA)를 사용하였고, TAN, NO₂-N, NO₃-N와 PO₄-P는 분석시약(NitraVer^ⓡX Reagent Set 2605345-KR, Low Range Ammonia Reagent Set 2604545-KR, NitriVer^ⓡ3 Reagent Set 2608345-KR, PhosVer^ⓡ3 Phosphater Reagent, HACH Ltd., Loveland, CO, USA)과 다목적 수질측정기인 DR5000 (HACH Ltd., Loveland, CO, USA)을 이용한 비색법으로 분석하였다. 또한 EXP1과 2의 식물성장 실험 종료 후, 각 실험구별 미량원소를 분석하였다. K (mg/L), Ca (mg/L), Mg (mg/L), Na (mg/L), Fe (mg/L), Zn (mg/L), Mn (mg/L) 및 Cu (mg/L)는 유도결합플라즈마 분광광도계(ICP-OES Optima 8300, Perkin Elmer Co., Waltham, MA, USA)로, Cl (mg/L) 및 SO₄ (mg/L)는 이온크로마토그래피(930 Comact IC Flex, Metrohm Co., Herisau, Switzerland)를 사용하여 분석하였다.

혈액분석

4주간의 어류 본 사육실험 종료 후, 각 실험구의 뱀장어 혈액성상 변화 조사를 위해 24시간 사료 절식이 이루어졌다. 이후 어류마취제인 clove oil (C8392-100 mL, Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)로 마취시킨 다음 헤파린(Heparin sodium salt from porcine intestinal mucosa, K3333-10KU, SigmaAldrich., Darmstadt, Germany)을 처리한 5 cc 주사기를 사용하여 미부정맥에서 실험구별 4마리씩 채혈하였다. 전혈은 hemoglobin (Hb, g/dL)과 hematocrit (PCV, %) 분석에 사용하였고, 이후 4°C, 12,000 rpm, 10분간의 조건이 설정된 원심분리기(Centrifuge 5415 R, Eppendorf Ltd., Hamburg, Germany)를 이용하여 혈장(plasma) 분리 후 glutamic oxaloacetic transaminase (GOT; U/L), glutamic pyruvic transaminase (GPT; U/L), glucose (GLU; mg/dL), inorganic phosphorus (Pi; mg/dL), Na (mEq/L), K (mEq/L)와 Cl (mEq/L)을 분석하였다. PCV는 HAEMATOKRIT 210 (Hettich Ltd., Tuttlingen, Germany)을 이용하여 분석하였으며, Hb 등 다른 혈액 요소는 시판되는 임상진단키트(Fuji DRI-CHEM slide, Fuji photo film co. Ltd., Tokyo, Japan)와 함께 혈액분석기(DRI-CHEM 3500 I, Fujifilm Ltd., Tokyo, Japan)를 이용하여 분석하였다.

통계처리

어류의 성장 실험에서 얻어진 개시 어체중 및 종료 어체중을 통해 조사한 각 실험구별(CP58, CP48, CP30) 성장 항목(증체율, 사료효율, 일간성장률, 단백질이용효율, 일간사료섭취율, 생존율)과 엽채류의 성장 항목(엽수, 엽중량, 엽체길이)은 SPSS Version 10 (SPSS, 1999) 프로그램의 일원분산분석(one-way ANOVA)을 이용하여 분석하였으며, 통계분석의 유의수준은 5% (P<0.05)에서 결정되었다. 분석에 앞서 모든 자료의 변량의 동질성(homogeneity of variance)은 Cochran’s test (Sokal and Rohlf, 1995)를 이용하여 확인하였다. 실험구별 각 변수에 대한 유의차가 발견되었을 시, 사후검정은 Duncan’s multiple range test 분석을 이용하였다(Duncan, 1955).

결과

HBFT-AP 내 수질변화 및 엽채류 생산성 (EXP1)

EXP1의 실험 4주 기간 동안 실험사료 3종에 대한 hybrid BFT 아쿠아포닉(HBFT-AP) 시스템 내 수질변화 분석 결과는 Table 3과 4에 제시되었다. DO의 경우 각 실험구별 7.87±0.03-8.07±0.18 mg/L, 수온은 27.2±1.2-28.8±1.5°C의 유사한 범위의 값을 보였다. pH는 COM58 및 CP48구의 경우 실험 시작 1주 후부터 하강하기 시작하여 2-3주 기간에는 급속히 하강하였다. 이에 따라 pH 6.5 인근 범위를 유지하기 위해 굴패각 패화석 300 g을 양파망에 넣은 후 섬프수조에 투입한 결과, 실험 3-4주 기간 동안 pH는 다시 상승하여 실험 종료 4주 기간에는 COM58구는 7.14±0.03, CP48구는 7.09±0.02의 값을 나타내었다.

Table 3. Change of water quality (DO, pH, Temperature, EC and Turbidity) in HBFT-AP for 4 weeks (EXP1)¹

¹Values represent the mean±SD of the values for 7 days. HBFT-AP, hybrid biofloc technology-aquaponics; DO, dissolved oxygen; EC, electric conductivity; COM, commercial diet; CP, crude protein.

Table 4. Change of water quality (TAN, NO₂-N, NO₃-N and PO₄-P) in HBFT-AP for 4 weeks (EXP1)¹

¹Values represent the mean±SD of the values for 7 days. TAN, total ammonium nitrogen; HBFT-AP, hybrid biofloc technology-aquaponics; COM, commercial diet; CP, crude protein.

CP30의 pH는 7.84±0.06 (1주)-6.94±0.17 (4주)로 감소하였고, 별도의 굴패각 패화석은 투입되지 않았다. 전기전도도(EC)의 경우 COM58구는 실험 초기 157.6±7.2 μs/cm314.5±9.8 μs/cm, CP48구는 159.8±8.9312.6±8.43 μs/cm 그리고 CP30구는 154.1±5.0-267.3±5.6 μs/cm로 증가하였으며, CP30구의 EC값이 실험 종료 시 가장 낮았다. 탁도의 경우 COM58구와 CP48구는 1 NTU이하의 값을 보인 반면 CP30구는 1.45±0.07 (1주)-2.93±0.40 (4주) NTU 값을 나타내었다. TAN 및 NO₂-N의 경우 모든 실험구에서 0.10 mg/L 및 0.03 mg/L 이하의 값을 나타내었다. NO₃-N의 경우 COM58구는 6.90±2.12-23.23±2.47 mg/L, CP48구는 5.52±2.25-22.50±1.23 mg/L 그리고 CP30구는 5.55±1.06-15.53±0.35 mg/L로 증가하였고, PO₄-P의 경우 COM58구는 2.03±0.05-4.44±0.03 mg/L, CP48구는 2.44±1.23-4.71±0.23 mg/L 그리고 CP30구는 2.19±1.64-4.24±0.29 mg/L로 증가하였다.

Table 5. Nutrient concentrations in HBFT-AP for 4 weeks (EXP1)¹

¹Values are means of 2 determinations. HBFT-AP, hybrid biofloc technology-aquaponics; COM, commercial diet; CP, crude protein.

EXP1의 실험 4주 기간 동안 엽채류 성장 결과는 Fig. 1와 Table 6에 나타내었다. COM58구와 CP48구는 pH가 7.0이하로 하강하기 시작한 2주부터 3주까지 엽채류 색채가 정상이었으나 pH 6.5범위를 유지하기 위해 섬프수조에 굴패각 패화석을 투입한 뒤부터 실험종료 4주 후에는 영양부족 현상이 나타나 엽채류 색상이 대부분 황백화 되었고, CP30구는 실험 시작부터 종료까지 대체적으로 황백화 현상이 발생되었다(Fig. 1). 실험에 사용된 4품종 중 caipira lettuce품종을 제외한 3품종(romain lettuce, tatsoi, red lettuce)의 평균 엽채중량, 엽채길이 및 엽채개수는 각 실험구별 차이를 나타내지 못했다(P>0.05). caipira lettuce의 경우 CP48구의 성장이 가장 양호하였으나, COM58구(평균 엽채중량 43.45 g, 엽채길이 17.95 cm, 엽채개수 13.27 no.)와 CP48구(평균 엽채중량 52.54 g, 엽채길이 20.44 cm, 엽채개수 13.56 no.)는 유의한 차이를 나타내지 않았고(P>0.05), CP30구에서 가장 낮은 성장도(평균 엽채중량 25.27 g, 엽채길이 13.29 cm, 엽채개수 11.12 no.)를 보였다(P<0.05).

Table 6. Growth of four leafy vegetables in HBFT-AP for 4 weeks (EXP1)¹

¹Values represent the mean±SD of sampled leafy vegetables. HBFT-AP (hybrid biofloc technology-aquaponics); ns, nonsignificant. COM, commercial diet; CP, crude protein

HBFT-AP 내 뱀장어 생산성 비교 (EXP2)

EXP2의 실험 6주 기간 동안 실험사료 3종의 hybrid BFT 아쿠아포닉(HBFT-AP) 시스템 내 뱀장어 성장에 대한 결과는 Table 7에 나타내었다. 실험 종료 후 증체율(weight gain, WG)의 경우 COM58구(5.29%)와 CP48구(5.82%)는 유의한 차이가 없었으며(P>0.05), CP30구에서 가장 낮은 값(3.66%)을 보였다(P<0.05). 사료효율(feed efficiency, FE) 및 일간성장률(specific growth rate, SGR)의 결과도 증체율에서 나타난 경향과 동일하게 나타났다. FE는 COM58구 33.14%, 구 0.16%/d, CP48구 0.18%/d, 및 CP30구 0.11%/d이며, 모든 실험구의 생존율은100%로 폐사 개체는 출현하지 않았다. 단백질이용효율(protein efficiency ratio, PER)은 CP48구가 0.71로 가장 높은 값을 보였으며, CP 30구는 0.69, COM58구는 0.51의 값으로 유의한 차이를 나타내었다(P<0.05). 일간사료 섭취율(daily feed intake, DFI) 은 COM58구 0.49%/d, CP48구 0.51%/d 및 CP30구 0.49%/d로 유의한 차이가 나타나지 않았다(P>0.05).

Table 7. Growth performance of Japanese eel Anguilla japonica fed the experimental diets in HBFT-AP for 6 weeks (EXP2)¹

¹Values (means±SE of two replicate individuals) with different superscripts in the same line are significantly different (P<0.05); ns, nonsignificant (P>0.05); HBFT-AP (hybrid biofloc technology-aquaponics). ²Weight gain (%)=[final weight (g)-initial weight (g)]×100/initial weight (g). ³Feed efficiency (%)=wet weight gain (g)/dry feed intake×100. ⁴Specific growth rate (%/d)=(Ln final weight (g) - Ln initial weight (g))/experimental days×100. ⁵Protein efficiency ratio=wet weight gain (g)/protein intake. ⁶Daily feed intake (%/av. wt/d)=dry feed intake (g/fish)/[(initial wt+final wt)/2]/experimental days×100. ⁷Survival rate (%)=final fish number/initial fish number×100. COM, commercial diet; CP, crude protein.

HBFT-AP 내 수질변화 및 엽채류 생산성 (EXP2)

EXP2의 실험 4주 기간 동안 실험사료 3종의 hybrid BFT 아쿠아포닉(HBFT-AP) 시스템 내 수질변화 분석 결과는 Table 8과 9에 나타내었다. DO의 경우 각 실험구별 8.03±0.02-8.40±0.25 mg/L, 수온은 25.8±1.1-27.6±0.3°C의 유사한 범위의 값을 보였다. pH는 EXP1과 같이 COM58 및 CP48구의 경우 실험 시작 1주 후부터 하강하기 시작하여 2-3주 기간에는 급속히 하강하였다. 그러나 EXP1과 달리 pH가 6.5 이하로 감소하여도 굴패각 패화석을 투입하지 않았고, 실험기간 3-4주 동안 pH가 6.0이상의 값을 유지하였으며, CP30의 pH는 CP48구 34.88% 및 CP30구 23.34% 이고, SGR은 COM58 7.87±0.08 (1주)-7.06±0.01 (4주)로 하강하였다. 전기전도도(EC)의 경우 COM58구는 실험 초기 309.3±18.7-367.6±1.1 μs/cm, CP48구는 305.7±11.3-358.3±0.9 μs/cm 그리고 CP30구는 270.9±12.7-303.0±0.8 μs/cm로 증가하였으나, CP30구의 EC값이 EXP1과 같이 실험 종료 시 가장 낮았다. 탁도의 경우 COM58구와 CP48구는 EXP1과 같이 1 NTU이하의 값을 보인 반면 CP30구는 0.75±0.37 (1주)-1.25±0.21 (4주) NTU 로 증가하였다. TAN 및 NO₂-N의 경우 모든 실험구에서 0.10 mg/L 및 0.07 mg/L 이하의 값을 나타내었다. NO₃-N의 경우 COM58구는 20.10±1.38-27.00±0.42 mg/L, CP48구는 20.53±1.65-27.15±0.07 mg/L 그리고 CP30구는 15.03±0.41-17.80±0.14 mg/L로 증가하였고, PO₄-P의 경우 COM58구는 4.92±0.52-5.08±0.4 mg/L, CP48구는 5.30±0.28-5.31±0.01 mg/L 그리고 CP30구는 4.73±0.57-5.12±0.01 mg/L의 값을 나타내었다.

Table 8. Change of water quality (DO, pH, Temperature, EC and Turbidity) in HBFT-AP for 4 weeks (EXP2)¹

¹Values represent the mean±SD of the values for 7 days. HBFT-AP, hybrid biofloc technology-aquaponics; DO, dissolved oxygen; EC, electric conductivity; COM, commercial diet; CP, crude protein.

Table 9. Change of water quality (TAN, NO₂-N, NO₃-N and PO₄-P) in HBFT-AP for 4 weeks (EXP2)¹

¹Values represent the mean±SD of the values for 7 days. TAN, total ammonium nitrogen; HBFT-AP, hybrid biofloc technology-aquaponics; COM, commercial diet; CP, crude protein

EXP2의 실험 4주 기간 동안 엽채류 성장 및 수질 변화는 Fig. 2 및 Table 10과 11에 나타내었다. 실험 1주에서 2주 초반까지 모든 실험구에서 pH 7.0 이상 유지되었는데, 이 기간 동안 모든 엽채류가 황백화 현상이 나타났으나 2주 후반부터 CP48구는 pH가 6.5이하로 하강하면서 실험 종료에는 일반 수경재배와 같은 성장과 채색이 유지되었다. CP58구의 경우 CP48구에 비해 pH 6.5이하로 하강하는 시기가 1주 정도 늦게 진행됨에 따라 4종류의 엽채류는 초기에 비해 황백화 현상은 줄어들었으나 실험 종료 시 avatar lettcue의 경우 CP48구에 비해 황백화 현상이 아직 발현되고 있음을 알 수 있고, CP30구의 경우 4주의 실험 기간 동안 pH 7.0이상으로 유지됨에 따라 모든 엽채류의 성장 지연 및 황백화 현상이 진행되었다(Fig. 2). 실험구별 각 엽채류 4종에 대하여 총 108개체(avatar lettuce 26, heuk-romaine lettuce 28, red lettuce 27, pak choi 27)를 입식한 후, hybrid BFT 아쿠아포닉(HBFT-AP) 시스템 내 식물베드에서 25일간 성장한 결과 COM58구의 4종류 엽채류 생산성은 총중량 8,892.20 g (엽중량 8,208.13 g), CP48구는 총중량 11,156.42 g (엽중량 10,091.20 g) 그리고 CP30구는 총중량 7,759.65 g (엽중량 7,102.75 g) 의 결과를 보여 CP48구에서 가장 높은 생산성을 나타내었다. 각 실험구별 엽채류 종류에서 보면 COM58구와 CP48구에서는 avatar lettuce, CP30구에서는 heuk-romain lettuce가 생산성이 가장 양호하였다.

Table 10. Growth of four leafy vegetables in HBFT-AP for 25 days (EXP2)¹

HBFT-AP, hybrid biofloc technology-aquaponics; COM, commercial diet; CP, crude protein.

Table 11. Nutrient concentrations in HBFT-AP for 4 weeks (EXP2)¹

¹Values are means of 2 determinations. HBFT-AP, hybrid biofloc technology-aquaponics. COM, commercial diet; CP, crude protein

혈액분석

예비사육 2주 및 본 실험 4주간의 어류 사육실험 종료 후, 사료절식을 24시간 한 다음 HBFT-AP 내 뱀장어 혈액을 샘플하여 분석한 결과는 Table 12와 같다. 각 실험구별 220 g 내외의 뱀장어 4마리를 선택하여 사용하였으며, GOT (U/L), GPT (U/L), GLU (mg/ dL), Na (mEq/L), K (mEq/L) 그리고 Cl (mEq/L)의 분석 항목은 각 실험구별 유의성이 발견되지 않았다(P>0.05). PCV (%)는 36.00±1.83 (COM58구), 38.50±2.08 (CP48구), 31.25±1.71 (CP30구) 의 값을 보였으며, COM58구와 CP48구는 유의한 차이가 없었으나(P>0.05) CP30구는 두 실험구에 비해 유의하게 낮은 값을 나타내었다(P<0.05). Hb (g/dL)는 12.20±0.57 (COM58구), 12.98±0.38 (CP48구), 11.40±0.59 (CP30구) 의 값을 나타내었고, CP48구와 CP30구에서 유의한 차이를 보였다(P<0.05). Pi (mg/dL)는 6.08±0.35 (COM58구), 7.45±0.56 (CP48구), 5.78±0.67 (CP30구)의 값을 보였고, CP48구에서 가장 높은 값을 나타내어 다른 두 실험구에 비해 유의하게 높은 Pi 값을 나타내었으나(P<0.05), COM58구와 CP30구에서는 유의성이 발견되지 않았다(P>0.05).

Table 12. Hematological analysis of Japanese eel Anguilla japonica fed the experimental diets in HBFT-AP for 4weeks (EXP2)¹

¹Values (means±SD of four individuals) with different superscripts in the same line are significantly different (P<0.05); ns=nonsignificant. ²Hematocrit. ³Hemoglobin. ⁴Glutamic oxaloacetic transaminase. ⁵Glutamic pyruvic transaminase. ⁶Glucose. ⁷Inorganic phosphorus. COM, commercial diet; CP, crude protein; HBFT-AP, hybrid biofloc technology-aquaponics.

고찰

본 연구에 적용된 HBFT-AP생산 방법은 Lee et al. (2019a)에 의하여 제안된 방법으로, 기존 보편화된 UVI 아쿠아포닉 시스템과 달리 물리적 여과기, 생물학적 여과기, 침전조 및 탈질조를 단순화하여 여과기(물리적 생물학적 여과 동시 수행)와 유용 혼합미생물(종속영양세균 및 독립영양세균)만을 활용한 생산방법이다. 또한 semi-pilot 규모에서 성공적으로 시도된 첫 사례 후, 현장 실험(field test)에서도 유사한 결과를 도출하였으며, 메기를 이용한 HBFT-AP생산의 엽채류 생산성은 순환식 수경재배(hydroponics) 생산방법에 비해 생산성이 높았음을 보고하였다(Lee et al., 2019b). 이러한 이전 연구를 기반으로 이번 실험에서는 뱀장어를 대상으로 일인산칼륨(monobasic potassium phosphate, MKP)이 첨가된 사료 내 단백질 수준이 HBFT-AP 생산성에 어떠한 효과를 미치는지 조사하였다.

Bittsanszky et al. (2016)은 일반적으로 아쿠아포닉 시스템에서는 양어 사육조 내 어류의 밀도에 따라 수치는 변화하나 NO₃-N은 충분히 발생하며, 식물의 최적 성장을 위해서는 P, Ca, Fe 및 K가 크게 결핍된다고 보고하였다. 아쿠아포닉 시스템 사육수의 NO₃-N 발생은 어류 사료 내 조단백질(crude protein)과 연관이 있는데, 어류가 섭취한 사료의 배설물과 미섭취된 잔여 사료의 단백질은 수중 종속영양미생물(heterotrophic microorganisms)의 무기화과정(mineralization)에서 암모니아(total ammonia, TAN)로 전변된 후, 독립영양미생물(autotrophic microorganisms)의 질산화과정(nitrification)에 의해 최종 NO₃-N로 형성된다. 이러한 질산화 과정에 참여하는 미생물 중 TAN를 NO₂-N으로 전환하는 세균은 Nitrosomonas, Nitrosococcus 와 Nitrosospira가 있고, NO₂-N을 NO₃-N으로 산화하는 세균은 Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus와 Nitrospira 속들(genera)이 대표적이며, 일반적으로 Nitrosomonas 및 Nitrobacter의 질산화 과정을 수행하는 pH 범위는 6.0-8.5로 알려져 있다(Delwiche and Finstein, 1965; AWWA, 2002; FAO, 2014). 본 연구 EXP1과 EXP2 실험종료 시 사육수 내 NO₃-N 농도는 COM58구에서 22.8 ppm (EXP1)와 27.4 ppm (EXP2), CP48구에서 23.9 ppm (EXP1)와 27.3 ppm (EXP2), CP30구는 15.9 ppm (EXP1)와 18.1 ppm (EXP2)이 생성되어 사료 내 단백질 수준에 따라 사육수의 NO₃-N 농도는 차이가 나타남을 알 수 있으나(Table 9, Table 11), 사료내 단백질 48%와 58%에서 발생되는 NO₃-N 농도는 차이가 없었다. 이러한 이유로 HBFT-AP 내 수질형성에 사용되는 미생물과 이들 미생물이 성장, 증식 및 사멸하는데 사용되는 탄소(C)와 질소(N)의 비율(C:N)과 연관성이 있는데, 종속영양미생물은 탄소원으로 유기탄소를 이용하나 독립영양미생물은 CO₂, HCO₃^-, CO₃^2-와 같은 무기탄소원을 이용한다(Delwiche and Finstein, 1965; AWWA, 2002; FAO, 2014). BFT 양식 기반은 여러 미생물 중 Bacillus와 같은 종속영양미생물을 우점시켜 사육수 내 단백질 대사 산물은 TAN, NO₂-N, NO₃-N을 거의 출현하지 않게 하며 C:N비는 15:1 이상으로 권장된다. Lee and Lee(2014)의 보고에 의하면 1972년 종속영양성 질산화과정을 수행하는 Arthrobacter sp.가 발견된 이후, 많은 연구가 진행되어 Alcaligenes faecalis, Bacillus sp., Diaphorobacteria sp., Acinetobacter calcoaceticus, Agrobacterium sp., Pseudomonas putida, P. stutzeri, Microvirgula aerodenitrificans 등이 발견되었다고 하였다. 종속영양성 질산화 및 호기적 탈질과정은 유기물과 산소를 이용할 수 있는 조건이 동일하여 동시에 질산화와 탈질화가 한 반응기 내에서 일어날 수 있으며, 탈질과정이 진행 되는 동안 반응기 내의 pH의 변화를 균형있게 유지하여 질산화 과정에 일어나는 산성화 과정을 억제해 줄 수 있고, 종속영양성 질산화의 최종 생성물 및 기질이 다양하여 여러 종류의 미생물 혼합배양과 응용 범위도 넓게 확대될 수 있는 장점이 있다(Marazioti et al., 2003). 또한, Kim et al. (2015)의 보고에 의하면 Bacillus strains은 주로 오염된 물을 처리하는 시스템에 우점적으로 서식하며, 질소와 인 외 유기물을 효과적으로 제거한다고 하였다. Emerenciano et al. (2017)의 보고에 의한 방식으로 본 실험에서 사용된 사료의 C:N비를 계산하면 5:1 (COM58구), 7:1 (CP48구) 및 11:1 (CP30구)로 나타났다. EXP1과 EXP2의 실험 1주간은 BFT 수질관리를 적용하여 Bacillus와 같은 종속영양미생물에 의해 수질의 안정화를 도모하였고, 이후 유기탄소는 중단하고 무기 탄소인 CO₂를 공급하여 독립영양미생물에 의해 수질이 유지되도록 하였다. COM58구와 CP48구는 종속영양미생물의 성장 및 증식에 사용되는 유기탄소 중단 후, 무기탄소 CO₂의 공급과 함께 독립영양미생물인 질산화세균이 HBFT-AP 사육수 내 우점되기 시작하여 EXP1과 EXP2 실험 1주후부터 NO₃-N의 발생이 증가하였을 것으로 사료되며, CP30구의 사료는 유기탄소(C):질소(N)비가 COM58구와 CP48구에 비해 높아 종속영양미생물이 질산화세균에 비해 우점하여 NO₃-N의 발생이 적었을 것으로 추측된다(Table 4, Table 9). 이는 EXP1과 EXP2 실험 수질분석 결과의 pH 및 탁도(turbidity) 항목을 살펴보면 간접적으로 유추할 수 있는 것으로, 특히 사육수 내 pH의 발생은 대기와 수중의 CO₂ 확산, 소비 및 축적에 따라 수중의 H₂CO₃, HCO₃^-, CO₃^2-의 비율이 변화되고 이에 따라 H+ 이온이 생성되거나 소비되는 과정과 질산화과정에 따른 질산화세균이 TAN를 NO₃-N로 생성하는 과정에서 H+ 이온이 생성되어 수중의 pH가 변화된다(Delwiche and Finstein, 1965; AWWA, 2002; FAO, 2014). EXP1과 EXP2의 COM58구와 CP48구는 실험 1주후부터 pH가 하강하였고, EXP2의 경우 실험 3주 시점에서는 6.0 이하까지도 하강하였으며(Table 3, Table 8), 이는 CP30구에 비해 질산화과정이 빠르게 진행되었음을 알 수 있고 질산화세균의 분포가 높았음을 추측할 수 있다. 또한 EXP1과 EXP2의 실험기간 동안 탁도의 측정 결과 COM58구와 CP48구는 0.8 NTU 이하의 값을 유지한 반면 CP30구는 0.75-2.93 NTU 값을 나타내어 실험기간 동안 지속적으로 상승하였는데, 이는 질산화세균의 경우 사육지 및 여과재 표면에 부착하여 생존하나 종속영양미생물은 수중에서도 생존하는 관계(Delwiche and Finstein, 1965; AWWA, 2002; FAO, 2014; Avnimelech et al., 2015)로 HBFT-AP 내 잔여 사료가 없는 모든 실험구의 경우 수중의 탁도는 조류, 어류의 분, 미생물 농도에 따라 달라지며, 같은 환경조건에서 CP30구는 종속영양미생물의 농도 상승으로 탁도가 증가되었음을 유추할 수 있다.

수산생물과 식물이 함께 양식 및 재배되는 아쿠아포닉 시스템에서는 양 쪽의 수질 환경을 생물학적 한계 내 적정 범위로 유지하는 것이 중요하다(FAO, 2014). 특히 pH는 식물 성장에 있어 가장 중요한 요소 중 하나로 식물의 영양염 흡수와 직결되며, 수경재배에서 생산되는 식물의 경우 대다수 다량광물질(N, P, K, Ca, S 및 Mg)은 pH 6.5-7.0 범위에서 잘 흡수되는 반면 미량광물질(Fe, B, Cu, Zn, Mn 및 Mo)은 pH 6.5 이하에서 흡수가 용이하여 적정 pH 범위를 6.5 이내로 설정하고 있다(FAO, 2014; Thorarinsdottir, 2015). 또한 어류의 경우 pH 4.0 이하에서는 생존하지 못하며 pH 4.0-5.0 범위에서는 성장이 일어 나지 않아 생산성이 없고, pH 9.0-11.0은 성장이 늦고, pH 11이상에서는 폐사 개체가 출현한다고 하였다(Thorarinsdottir, 2015). EXP1의 모든 실험구에서 관찰된 엽채류 황백화 현상 발생은 pH 안정화에 따른 엽채류의 미량원소 흡수능력이 저하되었기 때문으로 설명할 수 있을 것이며, 특히 CP30구의 경우 종속영양미생물의 우점에 의한 질산화과정 저하도 한 요인으로 생각할 수 있다. EXP2의 엽채류 성장 실험에서도 CP30구의 경우 4주의 실험 기간 동안 pH 7.0 이상으로 유지됨에 따라 모든 엽채류의 성장 지연 및 황백화 현상이 진행되었으나, CP48구는 pH가 6.5이하로 하강하면서 실험 종료 시에는 일반 수경재배와 같은 성장과 채색이 유지되었다. CP58구와 CP48구의 실험 종료 시 엽채류 생산량 차이의 원인은 최종 수질환경 분석 자료에서 나타난 바와 같이 2개 실험구는 사육수 내 유사한 영양염 분포를 보이나 K의 경우 CP48구가 높음을 알 수 있다(Table 11). K는 식물건강과 발달에 중요한 역할을 하는 필수 영양소로 식물 세포 사이의 신호 전달 및 성장에 사용되며, 뿌리 발달, 줄기 강도, 종자발달 및 꽃 또는 과일 성장을 포함하여 성장을 조절할 수 있다. 결핍 시 식물은 성장이 둔화되고 뿌리 발달이 불충분하고 곤충이나 질병에 대한 저항력이 떨어지며, 특히 시각적으로 잎이 노랗고, 갈색으로 변하거나 가장자리가 타거나 갈색 또는 자주색 반점이 생길 수 있다고 하였다(Thorarinsdottir, 2015). 이러한 결과는 pH와 더불어 사육수 내 K는 Lee et al. (2019a, 2019b)이 보고한 HBFT-AP 엽채류 생산성에 중요 요소로 지목한 미량원소인 Fe와 더불어 가장 중요한 영양소 중 하나임을 다시 한번 상기시키는 중요한 증거로 볼 수 있다.

Tables 5 및 8에 제시된 EXP1과 EXP2의 실험 종료 PO₄-P, Ca, Fe 및 K 농도는 동일한 HBFT-AP 환경에서 메기를 이용하여 실험한 Lee et al. (2019a)의 연구 결과에 비해 Ca와 Fe의 농도는 유사하였으나, PO₄-P와 K 농도는 현저히 낮게 나타났다. 이러한 이유는 본 실험에서 사용된 뱀장어 사료 3종과 이전 메기 사료의 원료에 따른 사료 구성의 차이와 뱀장어와 메기의 사료 이용성의 차이로 인한 것으로 추측된다. 또한 어류의 사육 밀도가 Lee et al. (2019a)의 이전 실험은 사육수 1톤 당 메기가 8 kg이 수용된 반면, 이번 실험에서는 사육수 1톤 당 뱀장어가 3 kg이 수용되어 1일 사료 공급량이 적었던 것이 가장 직접적인 원인으로 추정된다. 아쿠아포닉스에 적용되는 어류 사육 밀도는 여과기 설치 여부에 따라 저밀도 사육(사육수 1톤당 어류 1-1.5 kg)과 고밀도 사육(사육수 1톤당 어류 10-30 kg)으로 나뉘며, 외부 여과기의 추가적인 설치가 필요 없는 저밀도 사육은 주로 식물재배지가 담액방식(deep water culture, DWC)으로 이루어져 있다(Rakocy et al., 2006; FAO, 2014). 아쿠아포닉 시스템 내 식물재배지에 영양분으로 공급되는 사료량은 40-100 g/m²으로 추천되고 있으나(Rakocy et al., 2006; FAO, 2014), 어류는 종(species), 성장 시기, 수온, 용존산소(dissolved oxygen, DO), 수중 이온 등에 따라 사료 섭취량이 다르고(Eriegha and Ekokotu, 2017), 아쿠아포닉스에 이용되는 식물재배 방식과 형태(media bed units, nutrient films tech, deep water culture)에 따라서도 사육수 내 존재하는 영양분의 이용성에 차이가 있기 때문에(FAO, 2014) 운영자의 경험이 중요하다고 할 수 있다. 뱀장어를 양식하는 어업인들과 본 저자의 양식 경험에 비추어 뱀장어는 타 어종에 비해 외부 질병과 이에 따른 약품 사용에 대한 저항성, 사육수 내 단백질 분해 대사물질인 암모니아(TAN), 아질산(NO₂-N), 질산(NO₃-N)의 높은 농도에는 상당히 잘 견디나 pH에는 민감하여 사육수가 6.0 이하로 하강할 경우 사료섭취량이 급격히 줄어드는 경향이 있어 본 실험에서는 사육 밀도를 저밀도로 유지하여 지속적 사료공급에 의해 발생되는 CO₂ 축적을 감소시켜 pH의 급격한 하강을 방지하고자 하였다.

어류 사료 내 단백질은 가장 비싼 에너지원이고 성장에 필수적인 영양소인 관계로 양어 사료를 배합하여 제조함에 있어 단백질 요구량은 우선 고려의 대상이 된다(Han et al., 2005). 단백질에 비해 에너지가 부족한 사료를 섭취한 어류는 체내 유지에 필요한 에너지를 충당하기 위해 단백질을 분해하여 에너지원으로 사용하므로 단백질 효율 및 성장도 저하 현상이 일어나고 과다한 질소 배설을 초래한다(Cai and Wermerskirchen, 1996; McGoogan and Gatlin, 1999). 단백질에 비해 에너지가 과잉함유된 사료를 섭취한 어류는 사료 섭취량이 적어지고 단백질이나 아미노산과 같은 다른 필수 영양소를 충분히 공급받을 수 없게 되어 성장이 저하된다(McGoogan and Gatlin, 1999). 뱀장어 사료의 적정 단백질 수준은 45-50% 정도로 알려져 있으나 어종, 사료의 조성, 실험설계, 사육 방법, 수온 및 염분과 같은 환경적 요인 등에 의해 달라질 수 있다(Nose and Arai, 1973; Degani et al., 1985; Keembiyethetty and Wilson, 1998; Tibbetts et al., 2000; De Silva, 2001). 현재 국내 뱀장어 양식에 사용되는 대다수 사료는 분말형태의 배합사료로 물과 혼합한 후 반죽형태로 뱀장어에 공급되고 있다. Kim et al. (2008)은 반죽사료의 경우 부상사료에 비해 단백질 함량이 비슷함에도 불구하고 이용효율이 낮게 나타나 체내 섭취 전에 사료의 유실이 높다고 하였다. 따라서 본 실험에서는 기존 상업용 뱀장어 사료(COM58)와 제작 사료 2종(CP48, CP30)을 선택하여 실험을 진행하였고, Table 7에 나타난 결과와 같이 뱀장어의 적정 단백질을 벗어난 CP30구의 성장이 가장 낮게 나타났다.

EXP2의 뱀장어에 대한 2주간 예비 사육과 HBFT-AP내 4주간 본 사양 실험 종료 후 측정된 혈액학적 지표의 결과에서 가장 큰 특징은 Lee et al. (2019a, 2019b)이 보고한 일인산칼륨(MKP)이 첨가된 사료를 활용하여 HBFT-AP내 저 pH 상태에서 사육된 메기의 혈액 분석 결과와 유사한 부분이다. PCV (%)와 Hb (g/dL) 항목이 pH 6.5이하의 환경이 조성된COM58구(PCV 36.00%, Hb 12.20 g/dL)와 CP48구(PCV 38.50%, Hb 12.98 g/dL)에서는 pH 7.0 이상의 CP30구(PCV 31.25%, Hb 11.40 g/dL)에 비해 유의성 있게 높은 값을 유지하였는데(Table 12), 이러한 결과는 폐쇄된 환경의 저 pH 상태에서 뱀장어의 생체 대사과정에 필요한 산소 운반 능력을 증대시키기 위해 환경에 적응된 결과라 사료된다. Jeon et al. (2003)의 보고에 의하면 극동산 뱀장어의 PCV (%) 수치는 31.8-42.5%, Hb (g/dL)는 11.1-14.0 g/dL의 범위를 나타낸다고 하였으나 개체의 크기와 성비에 따라서 수치의 변화가 크다고 하였다. 그러나 본 실험에서는 혈액 표본 샘플 시 암, 수 구별은 하지 않았으나 유사한 중량을 갖는 뱀장어 개체를 선택하여 최대한 수치의 오차를 줄이고자 하였다. Pi (m/dL)의 경우 MKP가 첨가된 CP48구(7.45 m/dL)는 사료 내 가장 높은 P (3.02%)값을 함유한 결과(Table 2)로 COM58구(6.08 m/dL)와 CP30구(5.78 m/dL)보다 혈액 내 높은 값을 유지한 것으로 보인다. 그러나 실험구별 사육수 내 PO₄-P는 유사하게 나타난 결과(Table 11)를 고려할 시 극동산 뱀장어의 인 이용에 있어 사료 내 인 농도가 높아도 체내에서 배설되는 인 농도의 양은 유사하다는 추측을 할 수 있으나, 추후 연구가 필요한 사항으로 고려된다.

본 실험 결과에서 사료 내 단백질 수준과 사육수 내 존재 되는 미생물에 따라 아쿠아포닉스 pH는 변화하며, 사육수 내 pH가 6.5 이하로 유지될 경우 사육수 내 영양염 농도는 식물 성장에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. Lee et al. (2019b)이 제안한 굴패각 패화석(CaCO₃)을 이용하여 안정된 pH 조절 방법을 적용하여 보았으나 EXP1의 결과(Table 3)에서 나타난 바와 같이 지속적으로 적량을 사용하지 않고 임의량을 투입했을 경우 pH는 역으로 상승하여 엽채류 성장에 부정적 영향을 미침을 알 수 있다. 따라서 이러 문제 해결을 위해 사육수 내 pH 자동 측정기를 도입하고 이와 연계되어 별도로 물과 함께 굴패각 패화석(CaCO₃)에서 우려낸 물을 자동으로 투입하는 장치를 도입한다면 스마트한 HBFT-AP 생산이 이루어질 것으로 사료된다.

사사

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 농생명산업 기술개발사업의 지원을 받아 연구되었습니다(과제번호: 118049-03-2-HD020).