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세계적으로 인구의 지속적인 증가로 인해 양식식품에 대한 수요도 증가하고 있으며 이에 따른 양식생산에 대한 확장과 강화가 요구되고 있다(Davidson et al., 2012; Tacon et al., 2015). 한편, 2010년부터 2017년까지 잡는 어업에 의한 수산물 생산량은 매년 평균 0.9%씩 증가한 반면 양식에 의한 생산은 매년 4.8%씩 증가하고 있어 양식업의 중요성이 점점 커지고 있다(FAO, 2018). 그러나 이러한 양식산업의 성장은 양식장에서 배출되는 폐수로 인해 수생 생태계의 파괴와 국제적인 환경 규제의 대상이 되고 있다(Amirkolaie, 2008; Cripps and Bergheim, 2000; Pillay, 2004).

그러므로 세계적으로 환경문제를 유발하지 않고 사육수에서 주요 독성 오염물질인 질소산화물(암모니아, 아질산, 질산염)을 제거하기 위한 친환경 양식방법에 대한 개발이 진행되고 있다. 그 대표적인 양식방법으로 순환여과시스템(recirculating aquaculture system, RAS)과 바이오플락 기술(biofloc technology, BFT)을 이용한 양식방법이 있다. 이러한 양식방법은 배출수의 최소화와 최소한의 유입수 공급으로도 질병으로부터 안전하다고 알려져 있다. 그 중에서도 RAS에 대한 많은 연구와 장치의 개발이 있어 왔다(Vinatea et al., 2018). 그 결과, 하루에 사육수의 10% 정도만을 배출하는 친환경 양식방법으로 알려져 있다(Avnimelech, 2012). 그러나 사료공급과 사육생물의 배설물로 인해 생성된 유기물을 필터 여과를 통해 제거함으로서 사육수 내 총 에너지의 손실이 발생하게 된다. 또한, 초기 높은 시설비용과 높은 유지보수 비용으로 인한 경제적 부담 때문에 쉽게 활용되지 못하고 있는 실정이다.

그 반면 BFT는 어류 사육 시 불가피하게 생기는 유기물 찌꺼기와 어류의 배설물 등, 독성으로 작용하는 질소산화물을 미생물의 활동을 통해 제거하는 기술로서, 배출수 및 사육수의 교환을 최소화함으로써 미래의 친환경 양식기술로 주목받고 있다. 이 기술은 높은 수준의 미생물 총(biofloc)을 형성하는데 기초한다. 그 원리는 사료공급으로 인해 발생되는 유기물과 대사활동으로 발생되는 독성 암모니아를 호기성 분해하기 위해 충분한 산소의 공급과 사육수 내 탄소(Carbon, C)와 질소(Nitrogen, N)의 적절한 비율을 조성하게 함으로써 광합성 및 자가영양세균(autotrophic bacteria)이 우점하는 군집을 타가영양세균(heterotrophic bacteria)이 우점하는 군집으로 전환시켜 사육수 내에서 질소화합물을 효율적으로 제거하는데 있다. 현재까지 밝혀진 바로 C/N비가 15:1의 환경에서 단위 기질당 성장속도와 바이오 매스 생산이 자가영양세균에서 보다 타가영양세균에서 10배 더 높기 때문에 질소화합물의 고정은 BFT 내 플락에서 훨씬 더 빠르게 일어난다고 알려져 있다(Avnimelech, 1999; Hargreaves, 2006). 따라서 타가영양세균은 어류에 독성으로 작용하는 사육수 내 질소화합물을 자가 단백질원으로 동화시켜 질소를 효율적으로 제거한다. 이는 자가영양생물이 질소를 제거하는 양에 비해 40배 높은 값에 해당한다(Avnimelech, 1999). 이 뿐만 아니라 증식된 세균은 사육수 내 다른 미생물 및 미세 유기물 등과 결합하여 영양분이 높은 플락을 형성하게 되는데(Ahmad et al., 2017), 이 플락은 사육생물의 추가먹이원으로 재 섭식 된다. 위에서 언급한 원리를 통한 BFT의 수질개선의 결과는 배출수를 최소화 할 수 있으며 고성장 및 고밀도 사육이 가능하게 할 수 있다.

현재까지 BFT에 대해, 해산새우류와 틸라피아(Oreochromis niloticus)에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔으며(Azim and Little, 2008), 다양한 방법으로 플락 형성과정을 연구하였으나, 대부분의 연구에서는 biofloc 배양을 사육생물 사육과 동시에 진행하였다. 이러한 방법은 초기 biofloc 배양 시 발생되는 암모니아, 아질산 등의 어류에 독성으로 작용하는 질소화합물의 값이 불안정하여 질소산화물에 내성이 높은 어류를 제외하고는, 특히 치어 생산을 하는 경우에는 어류의 대사와 생리에 치명적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. 한편 현재까지의 대부분의 연구는 주로 해수를 이용한 연구가 진행되어져 왔으며 담수에서 biofloc이 형성되기까지의 수질특성 변화에 대한 연구는 부족한 실정이다.

따라서 본 연구의 목적은 탄소원으로 당밀(molasses)을 사용하여 인공적인 biofloc이 형성되는 과정에서의 수질의 특성을 30일 동안 관찰하고 분석하여, biofloc 형성 초기에 발생할 수 있는 문제점을 방지하고, 양식어업인이 BFT를 이용함에 있어 더욱 신속하게 biofloc을 형성시키고 BFT 양식에 쉽게 접근할 수 있도록 정보를 제공하는 것에 있다.

본 연구는 양식어업인이 BFT를 이용함에 있어서 더욱 신속하게 biofloc을 형성시키고 BFT 양식에 쉽게 접근하도록 정보를 제공하기 위해 수행되었다. BFT 양식 시 양식생물의 초기입식과 같이 Biofloc을 생성할 때 갑자기 발생하는 질소화합물이 사육생물에게 치명적인 독성으로 영향을 미칠 수 있다(Avnimelech, 2012). 이에 대한 피해를 최소화시킬 목적으로, Biofloc 사육수 생성과 관련해서 Biofloc을 인공적으로 형성시키기 위하여 탄소원으로 당밀(molasses), 질소원으로 배합사료를 사용하였으며 biofloc이 형성되는 과정을 30일 동안 관찰하였다. DO와 pH의 경우, 초기에는 불안정한 변화가 일어났으나 이후 점차 안정되었다. 용존 고형물과 biofloc의 양도 3일 차에 가장 높은 값을 나타냈으나 이후 전체적으로 감소하는 경향이 나타남을 확인할 수 있었다. 어류에 독성으로 작용하는 NH₃⁺-N, NO₂^--N와 NO₃^--N를 측정한 결과도 마찬가지였다. Imhoff cone을 사용한 floc의 양 관찰에서도 18일 차 이후 점점 감소하는 경향이 나타났다. 이는 생성된 floc을 이루는 세균들이 질소화합물을 점점 소비하며 줄어들었을 것이며, 감소한 질소화합물로 인해 floc의 양도 줄어들었다고 볼 수 있다.

당밀을 활용한 biofloc 형성 시 시간에 따른 수질은, 처음부터 일정 기간 동안에 당밀과 첨가된 사료에 의한 수질 악화 현상이 일시적으로 나타나게 되는데(Crab et al., 2007), 점차 biofloc의 형성 및 미생물의 작용으로 수질이 개선되는 현상이 나타났다. 전반적으로 18일 이후부터는 매우 양호한 수질을 보였다.

본 연구의 결과, 담수 내에서 biofloc을 형성시키는 과정을 가시적으로 알 수 있는 측정치를 제공할 수 있었으며, 사육생물 없이 biofloc을 형성시키는 방법을 통해 시간은 더 소요되지만 Avnimelech(2012)의 BFT 사육 방법에 비해 질소화합물로부터 사육생물의 피해를 감소시키는 대안적 방법을 제시할 수 있었다. 더불어 본 연구를 통해 양식어업인이 BFT 양식을 이용함에 있어 효율적이고 안정적으로 접근할 수 있는 방법을 제시할 수 있었다.

사육생물의 종류에 따라, 수온, 질소화합물 등 성장에 적합하거나 부적합한 사육수의 환경범위는 다양하다. 그러므로 본 연구에서 도출한 시간 경과에 따른 각종의 환경데이터는 사육하는 어종에 따라, 양식어업인이 참고하기에 필요한 자료가 될 것이다. 또한, 본 연구와 조건을 달리하는 다양한 연구가 수행되어 보다 신뢰 높은 데이터가 축적되어야 할 것이다.