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관상어에 대한 수요는 2000년대 중반부터 지속적으로 증가되고 있으며, 관상어 관련 상품 산업화를 위한 연구도 병행되고 있다(Lee and Lee, 2008). 이 중 비단잉어는 채색이 다양하여 대중적으로 관심이 높은 어종으로, 수온 및 pH 등 수질변화에 내성이 강하여 다른 관상어에 비해 양성하기가 용이한 것으로 보고되고 있다(Kim et al., 2006; Lee et al., 2010; Kim and Lee, 2014; Kim and Lee, 2015).

물의 사용량을 줄이며 지속적으로 양식이 가능하도록 하고, 이와 더불어 양식 생산성을 높이며 환경문제를 최소화하기 위한 친환경적인 양식 기술에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 양식방법으로 순환여과식양식(recirculating aquaculture system, RAS), 바이오플락양식(biofloc technology, BFT), 아쿠아포닉스(aquaponics)가 대표적이다(Rakocy et al., 2006; Mariscal-Lagarda et al., 2012; Rijn, 2013; Avnimelech et al., 2015).

아쿠아포닉스(aquaponics)는 수산양식과 농업의 수경재배가 결합된 복합재배 시스템으로, 수산양식 생물의 성장과 생존을 위해 공급된 먹이(사료)가 종속 및 독립영양미생물(hetero- and autotrophic microorganisms)에 의해 각종 무기물과 질산염으로 분해 및 생성된 것을 식물이 성장 영양소로 흡수하면서 양어수질의 안정화와 식물성장을 이루어지게 하여 사육수의 교환없이 지속적으로 농ㆍ수산물을 생산할 수 있는 친환경 생산방법이다(FAO, 2014).

Lee et al.(2019a,b)은 어류 양식에 사용되는 배합사료 만으로 식물에 공급하는 영양소를 충당할 수 있도록 기존 상업용 사료에 사용되는 인첨가제(일인산칼슘, 이인산칼슘, 삼인산칼슘)를 일인산칼륨(monobasic potassium phosphate, MKP)으로 대체하였고, 종속 및 독립영양미생물이 혼합된 유용미생물을 활용한 hybrid biofloc technology aquaponics (HBFT-AP) 생산 방식을 적용하여 아쿠아포닉스 운영 시 식물 생산성을 향상시켰음을 보고하였다.

따라서 본 연구에서는 국내 내수면 어종 중 관상어 가치가 높은 황금 비단잉어를 대상으로 일일산칼륨이 첨가된 사료의 공급 및 어류의 배설에 따른 사육수내 수질과 영양염 발생 경향을 조사하고자 하였다. 이와 더불어 엽채류 생산성에서 수경재배 생산방법과 비교하여 차이점을 확인하고 어떠한 차이를 나타내는지 살펴 향후 관상어를 이용한 아쿠아포닉스 6차 산업화를 위한 기초자료로 제공하고자 한다.

HBFT-AP 시스템 및 HP 시스템 운영기간(HBFT-AP 1-10주, HP 7-10주) 동안 수질을 조사한 결과는 <Table 4, 5>에 나타내었다. HBFT-AP구의 경우 DO는 실험 1주차에 8.67±0.32 mg/L에서 실험 종료(10주)에는 7.87±0.09 mg/L의 값을 보여 어류, 식물 및 미생물의 산소 소비에 따라 감소하는 경향이 나타난 것으로 사료된다. 수온 은 평균 23.2-24.5℃의 값을 보여 일정하게 유지되었으며, 전기전도도는 실험 1주차에 평균 151.3±7.4 ㎲/cm의 값을 보였으나, 시간이 지남에 따라 상승하여 실험종료 기간(10주)에는 441.2±9.5 ㎲/cm의 값을 나타내었다.

탁도는 초기 0.4 NTU 값을 나타내었으나, 실험 1주기간의 BFT 적용 시기 동안은 상승(2.13±0.56 NTU)하였다. 이후 유기탄소 중단과 함께 CO₂ 공급에 따라 4주 기간까지 감소하였으나, 5주부터 사료공급의 지속에 따라 상승하기 시작하여 실험종료 10주에는 1.69±0.08 NTU 값을 나타내었다. pH는 초기 7.69의 값을 나타내었으나, 실험 1주기간의 BFT 적용 시기 동안은 소폭 상승하여 7.81±0.11의 값을 보였으나, 이후 CO₂ 공급, 어류 및 미생물 호흡활동에 따른 CO₂ 발생 및 질산화과정에서 발생되는 수소이온(H⁺) 생성으로 감소하여 실험 6주부터는 6.0범위 내에서 유지되었다.

TAN은 실험 1주에는 1.56±0.64 mg/L의 값을 보였으나, 2주부터 감소하다가 4주 이후 pH가 7이하로 떨어짐에 따라 다시 상승하여 실험 종료 10주에는 3.68±0.19 mg/L의 값을 나타내었다. NO₂-N은 실험 1주 0.087±0.021 mg/L의 값에서 실험 3주까지 높은 값(0.742±0.115 mg/L)을 보였으나, 이 후 질산화과정의 안정화에 따라 감소하기 시작하여 실험 5주부터는 0.1 이하의 값을 유지하였다.

NO₃-N은 초기 2.49 mg/L의 값에서 실험 1주 기간의 BFT 적용 시기 동안은 오히려 감소하다가 유기탄소 중단과 CO₂ 공급에 따라 2주 후부터 다시 상승하여 실험종료 시기인 10주에는 37.48±1.12 mg/L의 값을 나타내었다. PO₄-P은 NO₃-N (mg/L)과 유사한 증감 패턴을 보였으며, 실험 초기 1.05 mg/L에서 실험종료 시기인 10주에는 18.57±0.16 mg/L의 값을 나타내었다.

Lee et al.(2019a, 2019b)은 HBFT-AP 시스템 내 질산화 과정의 특징으로 TAN 및 NO₃-N은 지속적으로 상승하나, NO₂-N은 0.1 mg/L 이하로 유지된다고 하였다. 이러한 이유는 낮은 pH 상태에서는 독립영양세균의 질산화 능력은 급격히 감소하고 종속영양세균이 질산화과정을 담당한 결과로 보고하였다. Robertson et al. (1988)은 종속영양세균인 T. pantotropha의 질산화과정은 독립영양세균의 질산화과정과 달리 NH₄+가 NO₂-N의 중간단계 없이 NO₃-N으로 직접 산화됨을 증명하였다. 본 실험에서도 5-10주 기간의 수질 변화 (<Table 4>)를 살펴보면 TAN 및 NO₃-N은 지속적으로 상승하나 NO₂-N은 0.1 mg/L 이하로 유지되었는데, 이 기간의 낮은 산성 유지 상태와 외부의 유기탄소 공급이 없는 점을 고려하면 종속영양세균의 질산화과정에 따른 수질 변화로 추정된다. 또한 식물 입식 시점인 실험 7주 후부터 암모니아 농도가 높음에도 황금 비단잉어의 사료섭취 및 생존에 변화가 없었던 것은 대다수 암모니아가 낮은 pH 상태에서 비이온화된 암모니아 보다 이온화된 암모늄(NH₄⁺-N) 형태로 전환되어 암모니아의 독성이 억제됐기 때문이라 사료된다(Purwono et al., 2017).

HP구의 경우 양액 자동공급기에 의한 지속적 비료 첨가 및 환경조절로 모든 환경 요소들이 식물 입식 후 1주 동안은 일정하게 유지되었으나, 식물 입식 후 2주부터 DO (mg/L), NO₃-N (mg/L) 및 PO₄-P (mg/L)을 제외하고 증감 현상이 나타났다. pH의 경우 식물 입식 1주차의 6.31±0.12 값에서 실험종료 시기에 5.64±0.35의 값을 보여 감소하는 경향이 있었고, EC는 1주차 1,021.4±8.5 ㎲/cm 값에서 실험종료 시에 1,197.3±21.5 ㎲/cm 값으로 증가하는 경향을 나타내었다. 탁도는 1주차 0.77±0.11 NTU에서 실험종료 4주차에 1.23±0.12 NTU 값을 보여 증가하는 경향을 보였다. TAN와 NO₂-N은 3.28 mg/L(1주차)에서 0.14 mg/L(4주차), 0.026 mg/L(1주차)에서 0.007 mg/L(4주차)의 값을 나타내어 실험 기간에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.

HBFT-AP구와 HP구의 엽채류 생산성 비교 결과는 <Table 6> 및 [Fig. 2]와 같다. 엽채류 2종에 대한 4주간 전체 총중량에서 HBFT-AP구는 91,320 g, HP구는 86,440 g으로 생산되어 HBFT-AP구가 높은 생산성을 보였다. 부분적으로 살펴보면 엽중량에서는 HBFT-AP구가 생산성이 높았으나, 뿌리의 중량에서는 HP구가 높은 경향을 나타내었다. 수산생물과 식물이 함께 양식 및 재배되는 아쿠아포닉스 시스템에서 양쪽의 수질 환경을 생물학적 한계 내 적정 범위로 유지하는 것은 중요하며(FAO, 2014), 특히 pH는 식물성장에 있어 가장 중요한 요소 중 하나로 식물의 영양염(macro nutrient 및 micro nutrient) 흡수 능력에 직접적으로 영향을 미친다(FAO, 2014). 수경재배에서 생산되는 식물의 경우 대다수 다량광물질(N, P, K, Ca, S 및 Mg)은 pH 6.5에서 7.0 범위에서 잘 흡수되는 반면 미량광물질(Fe, B, Cu, Zn, Mn 및 Mo)는 pH 6.5 이하에서 흡수가 잘 되는 것으로 알려져 있다(FAO, 2014; Thorarinsdottir RI, 2015).

[Fig. 2] 
Growth of four leafy vegetables in HBFT-AP and HP system during 7-10 weeks. (A) HBFT-AP 1st week, (B) HP 1st week, (C) HBFT-AP 4th week, (D) HP 4th week.

일반적으로 배양액의 pH는 5.5에서 6.5가 좋으며, pH가 4.5이하로 떨어지면 Ca, Mg, K 등과 같은 알칼리성 염류가 불용화되고, 반대로 pH가 7이상일 때에는 제2철(Fe³⁺)같은 것이 침전되어 식물이 이용할 수 없게 된다(Moore, 1974; Islam et al., 1980).

HBFT-AP구와 HP구의 엽채류 입식은 두 실험구 모두 최적의 pH 환경조건에서 수행되었고, 더불어 HBFT-AP구의 경우 아쿠아포닉스 식물성장을 위한 EC 추천 농도인 300 ㎲/cm 이상 값의 조건을 갖추었을 때 입식되었다(Rakocy et al., 2006). 식물성장 기간(7-10주) 동안 측정된 NO₃-N 및 PO₄-P의 경우 AP구에서 높은 값을 보였으며, 또한 최종 실험종료 시 분석된 10종류의 영양소 분석에서도 AP구가 모든 영양소에서 높은 값을 나타내었다(<Table 7>).

그러나, 최종 엽채류 생산성에서 HBFT-AP구가 다소 높았던 이유는 일반 수경재배에 비해 많은 용수를 사용하는 아쿠아포닉스의 특성 때문으로 사료된다. 본 실험에서는 HBFT-AP구 16톤, HP구에서 4톤의 용수가 사용되었다. 비록 HBFT-AP구가 모든 영양소에서 HP구에 비해 상대적 농도가 낮았으나, 전체 양으로 환산 시 HP구 보다 높았다(<Table 7>). 또한 현재 아쿠아포닉스 연구분야에서 생산성이 수경재배에 비해 떨어지지 않는 이유는 식물성장 촉진 미생물(PGPM, plant growth promoting microbes)의 역할로 설명되고 있다(Yep and Zheng, 2019). 특히 아쿠아포닉스 내 존재하는 유용미생물들은 Fe 등 부족한 미량원소의 활용성을 증대시키는 것으로 알려져 있어, 주기적으로 미생물 첨가가 추천되고 있다(Zou et al., 2016; Bartelme et al., 2018). 본 실험의 HBFT-AP구에서는 초기 유용미생물 10종류와 함께 시간이 경과함에 따라 다양한 미생물이 번식하였음을 추정할 수 있으며, 이러한 미생물의 역할이 엽채류의 성장에 영향을 미쳐 HP구 보다 다소 생산성이 높은 것으로 추정된다.

HBFT-AP구에서 사육관리된 황금 비단잉어의 생리적 건강상태 파악을 위해 혈액분석을 수행한 결과는 <Table 8>과 같다. 초기 유수식 관리에 비해 전혈 부분에서는 PCV (%) 및 Hb (g/dL)의 수치가 유의한 차이를 보이며 상승되는 경향을 나타내었고(P<0.05), 혈장 부분에서는 inorganic phosphorus (mg/dL) 및 K (mEq/L)의 수치가 유의한 차이를 나타내었다(P<0.05). Lee et al.(2019a,b)와 Lee et al.(2020)는 메기와 뱀장어를 이용한 HBFT-AP 생산 시험에서 어류 혈액 변화의 가장 큰 특징으로 전혈의 Hb (hemoglobin) 및 PCV (hematocrit)의 수치 상승을 밝혀 왔다. 본 실험의 결과도 이전 결과와 유사하게 HBFT-AP구에서 사육 관리된 황금비단잉어의 경우 초기에 비해 높은 값을 보였다. 이러한 이유는 PCV와 Hb의 두 항목은 주로 어체내 산소 운반능력과 영양학적 빈혈의 판단이 되는 지표로, 폐쇄된 환경의 낮은 pH 상태에서 황금 비단잉어의 생체 대사 과정에 필요한 산소운반 능력을 증대시키기 위해 환경에 적응된 결과인 것으로 사료된다.

실험 전 사육 관리된 황금 비단잉어의 공급 사료는 일반 시판용 담수어 사료이나 현재 실험에서 공급된 사료는 MKP가 첨가된 자체 제작 사료로, 이러한 사료 구성분이 변함에 따라 혈액 내 P와 K의 성분이 유의적인 차이를 나타낸 것(P<0.05)으로 보이며, 또한 외부 수중 환경의 높은 영양염 농도가 이온 평형 유지에 영향을 미친 것으로 추정되나 지속적인 연구가 수반되어야 할 것으로 사료된다.

국내 아쿠아포닉스 산업은 현재 도입 및 태동 시기로 고부가가치 산업화로 도약하기 위한 사료, 유용 미생물 및 시스템 등의 다양한 분야에서 많은 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.