연재 김범철 교수의 호수의 과학 52
적조의 발생원인
육상의 질소 유입이 적조를 만든다
김범철
·강원대학교 환경학부 교수
·전 한국하천호수학회장
·전 4대강조사평가위원회
공동위원장
적조(赤潮)란 영어 ‘red tide’라는 용어를 번역한 것인데 붉은색 바닷물이 밀려온다는 뜻이다. 붉은색을 띠는 이유는 붉은색 플랑크톤이 번성하기 때문인데, 주요 원인생물은 와편모조류라는 독특한 종류이다. 와편모조류는 광합성을 할 수 있는 식물플랑크톤의 속성을 가지고 있는 한편, 운동성이 활발하고 다른 미생물도 잡아먹을 수 있는 동물플랑크톤의 속성도 가지고 있어, 지금은 주로 식물플랑크톤으로 분류하고 있지만 예전에는 동물플랑크톤으로 분류하는 학자도 있었다.
바다의 플랑크톤은 규조류가 우점하며 와편모조류는 소수종이지만, 주목을 많이 받는 이유는 간헐적으로 대량 발생하여 독성이 아주 강한 적조를 생성하기 때문이다. 플랑크톤 가운데에는 독소를 생성하여 자신을 잡아먹지 못하게 방어하는 기작(機作)을 가진 종류들이 많이 있는데, 담수에서는 녹조현상을 일으키는 남조류가 독소를 생성하는 대표적 플랑크톤이고 바다에서는 적조를 일으키는 와편모조류가 대표적 유해생물이다.
그런데 호수와 바다의 독소 종류는 다르다. 호수의 녹조현상에서 발생하는 독소는 주로 간을 손상시키는 독소인데 바다의 적조에서 발생하는 독소는 신경을 마비시키는 신경독이다. 담수에서도 신경독이 생성되지만 간독에 비하여 흔하지는 않다. 간독은 몇 시간에 걸쳐 서서히 독성이 나타나는데, 신경독은 즉시 근육을 마비시키는 효과를 가지므로 근육이 마비된 동물을 호흡곤란으로 죽게 한다.
와편모조류의 대량 발생으로 적조 생성
와편모조류 가운데 우리나라를 비롯하여 아시아 지역에서 유독성 적조를 잘 일으키는 종류가 코클로디니움 폴리크리코이데스(Cochlodinium polykrikoides)인데 이 종은 어류에 강한 독성을 나타내어 주변의 어류가 대량 폐사하는 원인이 된다. 어류뿐 아니라 무척추동물, 물고기를 잡아먹는 조류, 물개, 해우 등의 포유류에게도 피해를 준다. 양식장의 어류는 적조를 피해 도망갈 수 없으므로 큰 경제적 피해가 발생한다. 어류의 근육에는 독소가 축적되지 않아 안전하지만 내장을 먹거나 조개류를 먹는 경우에는 독성 피해를 입을 수 있다. 적조가 발생하면 어획을 중단시키므로 요즘은 사람이 중독될 우려는 없지만, 조개는 적조가 없어진 후에도 상당기간 독소를 함유하고 있는 사례도 있어 지역주민들이 바닷가 홍합을 채취하여 먹고 중독되는 사례가 발생하기도 하였다.
적조는 먼 바다에서는 잘 발생하지 않고 주로 연안에서 발생하는데 그 이유는 수온이 높고, 염분이 낮으며 영양소가 풍부하여 와편모조류 발생에 유리한 조건을 갖추고 있기 때문이다. 이러한 조건은 자연적으로도 나타나므로 세계 어디에서나 적조는 발생한다. 그러나 우리나라 남해안과 같이 인간 활동에 의한 오염이 있는 곳에서는 발생빈도가 높고 밀도도 높게 발생한다. 그중 인간이 영향을 미치는 중요한 요소는 질소의 증가이다.
생태학에는 ‘제한영양소’라는 개념이 있다. 다른 영양소가 아무리 풍부하더라도 가장 결핍되어 있는 영양소가 생물의 양을 결정짓는다는 뜻이다. 호수에서는 인이 제한영양소인데 육상과 바다에서는 질소가 제한영양소이다. 육상에서 사용하는 비료의 제1성분이 질소인데, 호수와 하천에서는 질소가 제한영양소가 아니므로 호수에 유출되어도 녹조현상의 주요 원인이 되지 않는다. 그런데 이 질소가 바다로 흘러가면 영양결핍을 해소해주어 와편모조류에게 유리한 조건이 만들어지는 것이다. 미국에서는 이 때문에 육지로부터 배출되는 질소의 양을 법적으로 규제하는 지역도 있다.
적조가 발생한 모습. 대부분 육지에서 가까운 근해에서 발생한다.
우리나라 근해에서 적조 피해를 주로 일으키는 와편모조류(코클로디니움).
편모를 가지고 빠르게 헤엄칠 수 있으며 여러 개의 세포가 모여 군체를 형성한다.
여름 홍수 후 적조가 많이 발생하는 이유
질소는 단백질의 구성원소이므로 모든 동물의 사료와 식량에는 반드시 함유되어 있다. 비료 외에 가축분뇨, 퇴비, 양식장 어류 배설물, 도시하수 등에도 많은 양이 함유되어 있다. 우리나라 남해안에는 많은 양식장들이 있는데 여기에 투여되는 사료의 질소는 어류 배설물로 배출된다. 여름이면 수온이 높아 어류의 사료 섭취량이 증가하므로 더 많은 질소가 배출된다. 육상에서도 여름에 작물이 왕성하게 자라면서 질소가 많이 필요하기 때문에 질소비료는 주로 여름에 뿌려진다. 비료로 뿌려진 질소는 일부가 대기로 휘발되고 나머지는 빗물에 녹아 바다로 흘러간다. 인 비료가 많은 양이 토양에 흡착되어 육상에 머무는 것과 달리 질소는 물에 잘 녹는 물질이므로 토양에 축적되지 않고 유출되며 매년 새로이 뿌려주어야 한다.
우리나라는 몬순기후 지역에 위치하여 여름에 강우가 집중되므로 육상으로부터 질소의 유출도 여름에 집중된다. 홍수기에 다량 유출되는 강물은 많은 양의 질소를 함유하고 있어 수천억톤의 바닷물을 부영양화시킬 잠재력이 있다. 수온이 높은 여름에 다량의 담수가 유출되어 근해의 염분이 낮아지는데 여기에 더해 질소를 다량 공급하므로 와편모조류의 증식에 유리한 조건을 만들어준다. 그러므로 우리나라에서는 여름 홍수 후에 적조가 많이 발생하는 것이다.
육상의 연간 질소 사용량을 보면 비료로 41%, 가축사료로 36%, 식량으로 20%가 사용된다. 이 중 가축사료는 질소의 일부가 퇴비로 만들어져 농경지에 뿌려진다. 육상 질소의 77%가 농업과 축산업에서 사용된 것이니 바다로 흘러가는 질소의 대부분이 농업과 축산업에서 발생한 셈이다. 육상에서 작물이 잘 자라도록 질소비료를 뿌려 주었는데 바다에서 적조가 증가하는 부작용이 나타나는 것이니 어찌 보면 농부의 이익과 어부의 피해가 충돌하는 현상이라고도 표현할 수 있겠다.
■ 육지의 근원별 질소 사용량 비교
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비료 동물사료 식량(하수)
47만톤 (41%) 40만톤 (36%) 22만톤 (20%)
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