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순환여과식 어류 양식(recirculating aquaculture system, RAS)과 수경재배(hydroponics)는 가용 수자원을 더 잘 사용하기 위해 1950년대 건조 지역에서부터 출현하였으나, 이러한 시스템에서 발생하는 오염물의 처리는 문제가 있어 아쿠아포닉스가 출현하는 계기가 되었다(Joyce et al., 2019).

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 농·수산물을 생산할 수 있는 친환경 생산방법이다(FAO, 2014).

전통적인 수경재배 시스템인 CAS (coupled aquaponic system)는 영양이 풍부한 물을 물고기에서 식물로 또는 그 반대로 보내는 단일 순환과정으로 이루어지며, 식물과 어류의 성장에 필요한 다양한 영양소 및 환경 사항에 대해 이상적인 재배 조건에 대한 절충안을 제시하나, 생산물의 개별 생산시스템에 비해 효율성과 생산성을 감소시킨다고 보고되고 있다(Goddek et al., 2019).

최근에는 각 생물 시스템의 분리를 허용하여 시스템별 용수를 더욱 잘 운용하도록 장치의 공정 과정을 늘림과 동시에 오염물에서 영양분을 더 잘 재활용할 수 있는 방법이 제시되고 있으며, 이러한 아쿠아포닉 시스템이 DAS (decoupled aquaponic system) 이다(Goddek et al., 2019). DAS는 어류에서 생산되어진 고형물 및 입자성 오염물을 식물재배지로 보내기 전 별도 장치에 모은 후, 슬러지에 포함된 영양소를 식물이 잘 활용하도록 기계적 또는 화학적 처리를 하여 식물재배지로 용수를 보내게 된다. CAS와 가장 큰 차이점은 식물재배지의 용수는 식물재배지 내에서 자체 순환을 하는 대신 어류 사육지로 순환되지 않는다는 것이다.

DAS의 수산생물 및 식물에서 병원체 또는 기타 환경적 요인에 의해 생산성에 문제가 발생할 경우 각 시스템의 구성 요소를 분리하여 구성 요소별 전반적인 제어 및 효율성을 극대화할 수 있고, 더불어 수산생물과 식물의 환경 및 생리적 요구 사항 간의 한계를 극복할 수 있다.

관상어에 대한 수요는 2000년대 중반부터 지속적으로 증가되고 있으며, 관상어 관련 상품 산업화를 위한 연구도 병행되고 있다(Lee and Lee, 2008). 이 중 비단잉어는 체색이 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). 또한 Lee(2021)은 비단잉어를 대상으로 아쿠아포닉스 생산 연구를 진행하여 비단잉어도 충분히 아쿠아포닉스의 대상 어종이 될 수 있음을 보고하였다.

현재 아쿠아포닉스 연구분야에서 생산성이 수경재배에 비해 떨어지지 않는 이유는 식물성장 촉진 미생물(PGPM, plant growth promoting microorganism)의 역할로 설명되고 있으며(Yep and Zheng, 2019), 특히 아쿠아포닉스내 유용미생물은 엽채류의 황백화 현상에 깊게 관여하는 Fe 등 부족한 미량원소의 활용성을 개선시키는 것으로 보고되고 있어 주기적으로 미생물 첨가가 추천되고 있다(Zou et al., 2016; Bartelme et al., 2018).

현재까지 국내 아쿠아포닉스의 대다수 연구는 CAS 시스템에 기반하여 연구를 진행 중이나(Lee et al., 2019a; Lee et al., 2019b; Lee et al., 2020; Lee and Kim, 2021., Lee 2021; Lee 2022), DAS 시스템에 연구는 전무한 실정이다.

따라서 본 연구의 목적은 비단잉어를 이용한 아쿠아포닉스 생산에서 유용미생물의 사용과 더불어 시스템(CAS vs DAS)간 차이가 어류 및 엽채류 생산성에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 조사하여 향후 국내 DAS 시스템 연구에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다.

실험구(CAS구, DAS구)별 14주간 사육된 비단잉어의 성장 결과는 <Table 3>과 같다.

DAS 실험구의 경우 드럼스크린과 슬러지 청소 펌프 설치를 감안하여 CAS 실험구 보다 사료 공급량을 일일 30 % 초과 공급하였다. 증체율(weight gain, WG) 및 일간성장률(specific growth rate, SGR)은 DAS 실험구가 높은 값을 보였으나, 사료효율(feed efficiency, FE)은 CAS 및 DAS 실험구가 유사한 값을 보였고, 생존율(Survival rate)은 2 실험구 모두 폐사 개체가 출현하지 않아 동일하였다. 본 실험의 경우 사료의 허실을 방지하기 위해 만복공급이 아닌 제한공급 방식으로 이루어진 결과에 따라 사료효율에서는 유사한 값을 나타내었고, DAS 실험구가 CAS 실험구에 비해 공급량이 많은 관계로 증체량이 증가한 것으로 사료된다.

현재 실험의 수질분석 결과는 <Table 3, 4, 5>와 같다. 본 실험에서 수행된 수질관리 방법과 이전 HBFT-AP (hybrid biofloc technology aquaponics) 수질 운영의 차이점은 초기 BFT 운영에 있어 탄산가스를 병행 사용하지 않았다는 점과 유기탄소를 장기간 사용한 부분이다.

14주간 진행된 CAS 및 DAS 아쿠아포닉 시스템 내 어류 사육 수조의 수질분석 결과에서 이전의 결과(Lee et al., 2019a; Lee et al., 2019b; Lee et al., 2020; Lee and Kim, 2021., Lee 2021; Lee 2022)와 비교 시 가장 큰 특징은 아질산 농도 감소 기간이 3주 이상 길어졌다는 것이다. 이는 초기 질산화 세균의 번식과 관련이 있는데, 질산화세균은 종속영양세균과 달리 성장과 번식을 위해 무기탄소를 사용하며 수중 내 알칼리도 제한보다는 무기탄소 함량이 낮을 시 번식에 부정적 영향을 미친다고 하였다(Guisasola et al., 2007). CAS 실험구가 DAS 실험구에 비해 아질산 농도가 낮게 나타난 것은 CAS 실험구의 여과기 용량이 DAS 시스템에 비해 크다(CAS 680 L vs DAS 400 L)는 점과 CAS는 단일 순환방식에 따라 식물재배지 내 식물 뿌리 또한 질산화세균의 번식 공간으로 활용되었기 때문이라 사료된다. Kaxozi et al.(2021)은 단일순환 아쿠아포닉스에서 수중 내 질소화합물의 감소에 대한 식물 뿌리의 중요성을 언급했다. 본 실험에서 DAS 실험구 내 어류로부터 유래된 슬러지를 기계 장치를 통해 제거했음에도 CAS 실험구에 비해 아질산 농도가 높아진 결과를 나타내어 이를 해결하기 위해서는 여과기 용량을 높여 질산화 미생물의 번식 공간을 확대해 줄 필요가 있을 것으로 사료된다.

그러나 유기탄소가 중단된 6주 후부터 TAN (total ammonia) 감소에 있어서는 DAS 실험구가 효율적인 것으로 나타났는데, 이는 암모니아 발생은 종속영양 세균의 유기물 분해 과정과 어류의 아가미로부터 발생되지만 DAS 실험구의 경우 기계 장치로부터 어류 사육조 내 슬러지를 빠르게 제거하여 TAN 농도를 CAS에 비해 지속적으로 낮게 유지한 것으로 사료된다(<Table 4, 5>). 식물 입식(7주) 후 DAS 실험구의 식물재배지 내 NO₃-N (mg/L) 농도를 살펴보면 1주간 평균이 15.12±2.08의 값을 보여 CAS 실험구의 21.47±3.72의 값에 비해 낮음을 알 수 있다. DAS 실험구의 식물재배지 내 영양염은 어류 수조에서 발생된 슬러지를 정화조로 수집 후 정화조 내에서 무기물화 및 질산화과정을 거쳐 유입되나 어류 사육수조 내에서 발생되는 무기영양염의 허실로 CAS에 비해 낮게 나타난 것으로 사료된다. 이를 보완하기 위해 DAS 시스템의 경우 부족 영양염에 대해 일부 보충하게 되는데(Goddek et al., 2016), 본 실험에서는 시중에서 흔히 구할 수 있는 농업용 복합비료와 국내 내수면 유해 어종인 블루길, 베스의 발효 액상비료를 EXP1와 EXP2 기간 동안 정화조에 투입하였다(<Table 5>). EXP1와 EXP2 실험 종료 시(10주, 14주) CAS 실험구는 EC (㎲/cm) 487.2±11.2 및 712.3±24.5, NO₃-N (mg/L) 44.63±3.21 및 66.32±2.56, PO₄-P (mg/L) 19.14±0.98 및 22.57±0.32의 값을 보였고(<Table 4>), DAS 실험구는 EC (㎲/cm) 342.8±19.8 및 687.4±45.8, NO₃-N (mg/L) 28.74±2.67 및 56.23±6.21, PO₄-P (mg/L) 4.21±1.26 및 20.24±2.28의 값을 나타내었다(<Table 6>).

EXP1와 EXP2 실험 종료 시(10주, 14주) K를 포함한 6종류의 다량원소와 Fe를 포함한 4종류의 미량원소 분석 결과는 [Fig. 5, 6]와 같다. K와 Ca의 경우 CAS 및 DAS 실험구 사육수의 pH 유지를 위해 지속적으로 투입된 KOH 및 Ca(OH)₂의 영향으로 EXP1 기간(7~10주)에 비해 EXP2 기간(11~14주)에 높은 농도 값을 나타내었다. 또한 CAS 실험구가 DAS 실험구에 비해 EXP1 및 EXP2 실험에서 유의하게 높은 K (EXP1 CAS 85.3±1.2 mg/L, DAS 48.5±0.5 mg/L, EXP2 CAS 148.4±1.2 mg/L, DAS 78.5±0.8 mg/L)와 Ca (EXP1 CAS 37.2±0.8 mg/L, DAS 21.8±0.3 mg/L, EXP2 CAS 40.2±0.6 mg/L, DAS 25.4±0.1 mg/L) 값을 나타내었다(P<0.05).

[Fig. 5] 
Macro and micro nutrient concentrations in two experimental groups (CAS and DAS) at the end of EXP1 (7~10 weeks). Values (means ± SD for two replicates of experimental groups) with * letters are significantly different (P<0.05). ns, not significant (P>0.05).

[Fig. 6] 
Macro and micro nutrient concentrations in two experimental groups (CAS and DAS) at the end of EXP2 (11~14 weeks). Values (means ± SD for two replicates of experimental groups) with * letters are significantly different (P<0.05). ns, not significant (P>0.05).

EXP1에서 Mg를 제외한 다량원소 5종은 CAS 실험구에서 DAS 실험구에 비해 높은 농도를 나타내었으나(P<0.05), EXP2에서는 반대로 Na, Cl, SO₄ 농도가 DAS 실험구에서 유의적으로 높은 값을 보였다(P<0.05). 미량원소의 경우 EXP1 실험에서 4종류 미량원소는 모두 유의한 차이를 나타내지 못했으나(P>0.05), EXP2 실험에서 Fe는 DAS 실험구(0.61±0.02 mg/L)가 CAS 실험구(0.25±0.01 mg/L)에 비해 유의하게 높은 값을 보였으며(P<0.05), 나머지 3종류는 유의한 차이를 나타내지 못했다(P>0.05).

이러한 경향은 EXP2 실험기간 동안 DAS 실험구의 정화조 내 투입한 베스 및 블루길 발효 액상비료의 높은 Na, Cl 및 Fe 농도(<Table 2>)에 기인한 것으로 사료된다.

EXP1 및 EXP2의 엽채류 생산실험의 결과는 <Table 7>와 같다. EXP1의 초기 엽채류의 개체별(품종별 10개체 샘플) 뿌리, 줄기를 제외한 엽중량은 Fairly 0.87±0.31 g, Decarte 0.35±0.11 g, Gauguin 0.42±0.13 g, Ezabel 1.21±0.24 g, Ovired 0.57±0.15 g로 조사되었고, 25일간 성장 후 실험구별 전체 엽중량은 CAS 실험구 28,293 g, DAS 실험구 26,807 g로 나타났다(<Table 7>). CAS 실험구가 DAS 실험구에 비해 전체 엽중량이 높은 것은 엽채류 입식 초기 DAS 실험구의 식물재배지 수질 환경 중 EC, NO₃-N, PO₄-P 농도가 CAS 실험구의 농도보다 낮아기 떄문으로 사료된다(<Table 4, 6>).

EC는 pH와 함께 아쿠아포닉스 현장에서 수질특성을 파악할 수 있는 중요한 요소로 물에 용해된 이온의 양이라 말할 수 있어 식물 영양분 요구량 파악 중요한 측정 지표이다(Hager et al., 2021). 아쿠아포닉스에서 추천되는 EC 농도는 300-600 ㎲/cm으로 보고되어 있으나(Rakocy et al., 2006), DAS 실험구의 경우 입식 초기 1주간 EC 농도는 231.8±14.5 ㎲/cm 값을 보여 입식 시점이 빨랐음을 알 수 있고 이에 따라 초기 성장이 더뎌 실험 종료 4주에서 CAS 실험구에 비해 성장이 늦어진 것이다(<Table 7>).

EXP2의 초기 엽채류의 개체별(품종별 10개체 샘플) 뿌리, 줄기를 제외한 엽중량은 Volare 1.21±0.27 g, Decarte 0.41±0.09 g, Xaroma 0.74±0.25 g, Ezabel 1.12±0.15 g, Skelton 0.86±0.22 g로 조사되었고, 25일간 성장 후 실험구별 전체 엽중량은 CAS 실험구 67,749 g, DAS 실험구 71,247 g으로 나타났다(<Table 7>). EXP1와 달리 DAS 실험구가 CAS 실험구에 비해 전체 엽중량 생산이 높게 나타났는데, 이는 실험 기간이 경과함에 따라 DAS 실험구의 식물재배지 수질 환경은 EXP1와 달리 아쿠아포닉스 운영에 적합하게 변화되었으며, 더불어 미량원소 중 Fe의 농도가 CAS에 유의하게 높게 나타났기 때문이다(P<0.05). Thorarinsdottir(2015)은 아쿠아포닉 시스템 내에서Fe는 엽록체와 전자전달 사슬에 이용되는 미량원소로 광합성에 있어 매우 중요한 제한요소로 작용하며 Fe 부족 시 잎과 식물 전반에 황색으로 변하며 결국 괴사하게 되므로 인위적인 첨가가 필요하다 하였다. CAS 실험구에 비해 DAS 실험구의 높은 Fe 농도는 엽채류 성장에 큰 영향을 미쳤을 것으로 고려할 수 있다.

또한 엽채류 근권부(root) 수온의 범위에서 CAS 실험구는 25℃ 내외, DAS 실험구는 20℃ 내외로 DAS 실험구의 엽채류 근권부 온도가 5℃ 정도 낮았다. Suzuki and Sakamoto(2015)는 적상추(red leaf lettuce)로 수경재배 시 20~25℃ 수온 범위에서는 성장 차이가 없음을 보고하였으며, 이러한 결과를 바탕으로 본 실험의 결과와 비교 시 수온에 의한 영향은 큰 작용을 하지 않았을 것으로 유추된다. Lee et al.(2019b)는 아쿠아포닉스에서 엽채류의 성장과 용수 내 영양염 관계에서 절대량 보다 영양소 상호관계가 중요함을 보고하였다. 특히 K와 Ca는 길항작용을 하는 영양소로 용수 내 적정비(3:1) 유지는 중요하다. EXP1와 EXP2 실험기간 동안 CAS 및 DAS 실험구 모두 K와 Ca의 비는 유사하게 유지되어 CAS 실험구가 DAS 실험구에 비해 높은 K 및 Ca 농도를 유지하였음에도 엽채류 성장 차이에 긍정적 영향은 없었을 것으로 사료된다.

EXP1과 EXP2 사이의 엽채류 생산성의 가장 큰 차이는 조도에 의한 원인으로 설명할 수 있으며, 엽채류 성장에 광량 및 광질은 중요한 요소로 보고되고 있다(Lu 2021). [Fig. 3, 4]에서 엽채류 입식 후 실험 기간별 조도(lux)는 동절기(12~3월) 실험 기간 동안 7~10주간은 흐린 날씨, 비 및 눈의 지속으로 맑은 날이 적었고, 또한 광주기 역시 짧았으나 시간이 경과함에 따라 11~14주 기간에는 맑은 날씨와 광주기가 길어져 조도량도 증가하여 엽채류 성장이 EXP1 기간에 비해 EXP2 기간에 2~3배 증가된 것으로 사료된다.

현재 정부에서는 블루길, 베스 퇴치사업을 실시하고 있으며, 이러한 유해자원을 활용하기 위해 반려동물 사료 및 어묵 생산화 등 여러 방안을 고려하고 있다. 본 연구에서도 블루길, 베스를 발효시킨 액상 비료는 현재 밭농사 및 원예에 사용하고 있어 DAS 시스템에 적용 시 어떠한 영향을 미치는지 살펴보았다.

Na는 상추류(lettuce)에 대해 배지 내 100 mg/L를 초과하지 않는 것이 일반적으로, 이러한 이유는 배지 내 높은 Na는 엽채류에 빠르게 흡수되어 K 의 흡수를 방해하기 때문이며, 특히 순환식 시스템에서 K는 작물의 최적 성장을 위해 고려되는 아주 중요한 요소이다(Lee et al., 2019b). Cl은 식물 체내 건조함량(0.2~2.0% dw)이 상당히 높지만 식물에 쉽게 흡수되며 식물체 내에서 매우 유동적이고, 광합성 과정과 기공 개방 조절에 관여하며 용수 내 Cl 농도의 감소보다 과량으로 존재 시 식물 수축을 유발하여 성장을 감소시킨다(Maucieri et al., 2019). 본 EXP2 실험에서 DAS 식물재배지 내 Fe 증가는 긍적적 요인으로 작용했으나 Na와 Cl 농도도 동시 증가하여 블루길, 베스의 발효 액상비료의 지속적인 사용은 부적당한 것으로 고려될 수 있으며([Fig. 6]), 추후 연구가 필요한 사항으로 사료된다.

현재 국내 아쿠아포닉스 산업은 농업 중심으로 수산물에 의한 생산성이 매우 적고, 대다수 엽채류 생산에 의존하고 있다. 이러한 이유는 어류와 엽채류의 생산환경이 달라 어종이 국내 온수성 어종인 잉어류, 메기 등에 한정되고 뱀장어, 연어, 송어 등 고부가가치 어종 도입이 제한되기 때문이다. 본 연구에서 개별 환경 적용이 가능한 DAS 시스템 도입 연구는 국내 수산 중심의 아쿠아포닉스 산업화를 위한 field test 규모의 첫 시도로, 향후 DAS 시스템 발전을 위한 기초자료 제공에 의의가 있다고 할 수 있다.