풍력발전 건설 시 발생하는 수중소음이 조피볼락(Sebastes schlegelii)의 생리 및 면역요인에 미치는 영향

Ⅰ. 서 론

에너지 수요량은 산업발전과 인구증가 등으로 인해 매해 증가하고 있지만, 전통적인 발전방식에 사용되는 화석연료는 온실가스를 발생시키고, 한정된 매장량 때문에 전 세계적으로 신재생에너지를 이용하기 위한 발전시설이 급격히 증가하고 있다. 우리나라 역시 2030년까지 전체 발전설비 중 20%를 신재생에너지로 대체하는 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 발표하였고, 이 중 풍력발전 및 태양광발전이 많은 비중을 차지할 것으로 전망되고 있다.

풍력발전은 설치장소에 따라 육상풍력과 해상풍력으로 구분되며, 이 중 육상풍력은 발전량이 불안정하고, 설치 시 환경파괴와 소음발생 등의 문제로 인해 부지 확보가 어렵다. 그래서 최근에는 발전효율성이 높은 대형터빈의 적용 및 대규모 단지 조성에 유리한 해상풍력기기의 설치가 증가하고 있으며, 우리나라는 2030년까지 전체 풍력발전용량 중 70% 이상을 해상풍력발전으로 구성할 계획을 발표하였다(Musgrove, 1987; Wenzhou et al., 2011). 그러나 해상풍력기기 또한 건설작업 시 발파 및 항타로 인해 진동, 소음, 먼지가 많이 발생하며, 운용 시에는 블레이드의 회전으로 인한 소음 및 진동이 발생해 주변의 주민과 생물들에게 환경공해의 원인이 되고 있다. 특히 건설공사 중 발생하는 간헐적인 충격음은 운전 중 지속적으로 발행하는 소음보다 해양생물의 행동 및 생리적인 영향에 더욱 큰 피해를 초래했으며, 물리적인 영향으로 인한 직접적인 조직손상 및 폐사 등이 보고된 바 있다(Awbrey and Stewart, 1983; Myrberg 1990; Hastings and Popper, 2005).

어류에게 청각은 의사소통, 사냥, 포식자 감지 등의 활동을 위한 중요한 감각이며, 이러한 청각능력은 내이, 부레, 측선 등의 해부학적 구조에 의해 좌우된다. 일반적으로 어류는 500Hz에서 1000Hz 사이의 주파수를 감지할 수 있지만 부레와 내이가 연결된 조직 구조를 가진 어종들은 부레가 없는 연골어류나 저서어류보다 높은 주파수(최대 3000Hz 이상)의 소리를 감지할 수 있다(Popper et al., 2003; Yoon et al., 2006). 이러한 어종 간 청감의 차이만큼이나 소음에 대한 감수성 및 생물학적 영향도 다르게 나타나는데, 청력이 민감한 종일수록 상대적으로 큰 피해와 영향이 확인되었다(Scholik and Yan, 2001; Amoser and Ladich, 2003; Smith et al., 2004). 그러나 기존의 연구들을 종합해보면 어종에 따라 수중소음에 대한 반응 및 영향은 많은 차이가 있기 때문에 어종별로 세분화된 면역학 및 생리학적 데이터와 분석이 필요한 실정이다.

이 연구는 풍력발전단지의 건설시 수중에서 발생하는 충격음에 대한 양식어종의 영향 및 피해를 평가하고자 2013년에 수행된 연구이며, 우리나라 양식 주력어종인 조피볼락(Sebastes schlegelii)을 대상으로 14일간 인위적인 소음에 노출 후 생리학적 및 면역학적 변화를 확인하고, 추가적인 인위감염 실험을 통해 10일간 생존력을 확인하여 소음 스트레스에 대한 면역학적 영향을 확인하고자 하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 소음 스트레스에 의한 유전자 발현 변화

소음 음압 레벨별 자극시간 경과에 따른 유전자발현 변화를 분석한 결과 380개의 분석대상 유전자 중 각각 53개(125 dB/µPa), 80개(135 dB/µPa), 49개(145 dB/µPa), 56개(155 dB/µPa)의 유전자에서 유의적인 발현변화가 확인되었고, 이 중 공통적으로 확인된 41개 유전자의 발현변화는 heat map으로 나타내었다([Fig. 1]). 결과적으로 스트레스 반응 및 면역관련 유전자들은 대부분 자극 시간이 경과될수록 발현이 증가하여 14일째 가장 높은 수준으로 발현했고, 특히 내이발달 및 유모세포와 연결된 청각신경의 형성을 유도하는 MAF BZIP transcription factor B와 유모세포의 손상을 보호하는 heat shock protein 70 유전자의 발현 또한 14일째 가장 많이 발현되었다(Cordes and Barsh, 1994; Konings et al., 2008; Yu et al., 2013).

[Fig. 1]

Heat map showing the expression levels of 41 genes with patterns according to sound pressure after noise stimulation. The calculated log2 fold change compared to the control sample; red indicates up-regulated expression, and blue indicates down-regulated expression.

2. 소음 스트레스에 의한 혈청성분의 변화

소음은 어류에서 내분비계 스트레스 반응을 유발시키며, 항상성유지를 위해 다양한 생리적인 적응기전이나 보상작용이 발생하지만 스트레스가 심각하거나 오래 지속될 경우 성장, 면역기능, 생식, 행동의 변화가 초래될 수 있고, 반면 약한 스트레스에 지속적으로 노출되면 신경내분비 및 대사반응을 약화시킬 수도 있다(Sverdrup et al., 1994; Reid et al., 1998; Santulli et al., 1999). 우리는 소음 스트레스에 대한 어류 내 내분비계 변화를 확인하기 위해 6가지의 관련 항목(ALB, GLU, GOT, GPT, TCHO, cortisol)을 측정하였다(<Table 1>). 먼저 조피볼락 혈청 내 ALB의 수치는 135 dB/µPa의 소음노출 3시간과 7일 경과 후 대조구에 비해 유의적인 증가를 보였지만, 3일째에는 유의적인 감소가 나타났다. 포유류에서 혈청 내 ALB의 수치는 염증, 쇼크, 영양부족 등의 지표로 알려져 있으며, 어류에서도 소음 스트레스 관련 지표로 입증되었다. Shim and Han(2008)의 연구에서 조피볼락은 212 dB/µPa의 강력한 소음으로 12시간 동안 노출된 결과 ALB 농도는 유의적인 변화가 관찰되지 않은 반면 장어는 212 dB/µPa의 소음에 의해 1시간 내 유의적으로 감소되었다(Shim and Han, 2008; Park et al., 2011). 또 다른 대표적인 스트레스 지표인 GLU의 농도는 대조구에 비해 높게 측정되었지만 개체별 차이로 인해 유의적인 차이는 확인되지 않았다. 이전의 연구에서 장어의 GLU는 30분 만에 유의적으로 발현이 증가하였고, 조피볼락에서도 소음 스트레스를 가한 직후부터 유의적인 증가가 나타났다(Shim and Han, 2008; Park et al., 2011). GPT와 GOT효소는 간 건강의 대표적인 지표로써 이들의 혈액 내 증가는 간의 괴사, 조직변성, 단백질 대사변화 등을 예측할 수 있다(Bruslé and Anadon, 1996). 이번 연구에서 GPT 수치는 유의적인 변화가 관찰되지 않았지만 GOT는 135 dB/µPa의 소음에 노출 후 3시간째 유의적으로 증가한 이후 대조구 수준으로 회복되었다. TCHO 수치는 노출 7일째 145 dB/µPa와 155 dB/µPa 그룹에서 일시적으로 유의적인 감소를 보였지만 7일 후 측정결과에서는 다시 회복되었고, 실험어의 전장 및 체중 변화 또한 실험이 종료된 14일차에 유의적인 변화가 나타나지 않았기 때문에 결과적으로 소음 스트레스가 조피볼락의 사료 섭이, 영양상태, 성장에는 영향을 미치지 않을 것으로 생각된다.

<Table 1>

Clinical biochemistry tests including ALB, GLU, GOT, GPT and TCHO in Korean rockfish.

어류의 3단계 스트레스 반응 중 첫 번째 반응은 시상하부-뇌하수체-신장 축의 활성에 따라 cortisol 호르몬의 분비량이 증가되는 것이며, 스트레스로 과다 분비된 cortisol은 성장 및 번식의 억제, 배아발달 방해 등 어류에 부정적인 영향을 유발할 수 있다(Sturmhofel and Bartke, 1998; Schreck et al., 2001; Nesan and Vijayan, 2012). 또한 면역체계는 신경내분비계와 밀접하게 연결되어있어 경골어류의 면역 반응을 조절하는데, 증가된 cortisol은 사이토카인의 생성을 억제시켜 세포성 면역반응의 저하를 유도할 수도 있다(Holland et al., 2003; Saeij et al., 2003; Castillo et al., 2009). 일반적으로 안정적인 상태의 어류 체내 cortisol 농도는 5 ng/mL 이하로 측정된다고 보고되어 있으며, 우리의 연구에서도 대조구의 cortisol 농도는 위와 유사한 수준으로 측정되었다(Pickering and Pottinger, 1989). 그러나 소음 자극 후 1시간째 모든 실험구에서는 혈청 내 corisol 농도가 상승했고, 특히 135 dB/µPa와 145 dB/µPa의 실험구에서 유의적인 증가가 나타났다. 이후 3시간째 측정에서는 corisol 농도가 감소했으며, 특히 135 dB/µPa와 155 dB/µPa의 소음 구간에서 유의적인 감소가 나타났다([Fig. 2]).

[Fig. 2]

Changes in serum cortisol levels of Korean rockfish according to exposure time to noise stress. Data are presented as means ± S.D. for three fish. Significant differences were noted at *P < 0.05 when compared to the control group.

이전의 연구에서 212 dB/µPa의 강한 소음에 의해 장어와 조피볼락 내 corisol 농도는 GLU와 함께 자극 직후부터 유의적인 발현 증가가 나타났고(Shim and Han, 2008; Park et al., 2011), 우리의 연구에서도 GLU 수치는 자극 1시간째 비교적 가장 높게 상승했다. 결과적으로 혈청학적 분석결과에서는 개체간의 차이로 인해 일부 측정 결과에서 통계적인 유의성이 나타나지 않았지만 스트레스 관련 지표인 GLU와 cortisol의 발현이 초기에 상승했고, 이후에는 지속적인 소음 스트레스에 대한 적응으로 인해 대조구 수준으로 수치들이 안정화된 것으로 생각된다.

3. 소음 스트레스에 의한 면역 활성 변화

혈청의 살균활성 평가결과에서는 소음자극에 의해 1시간째 125 dB/µPa와 155 dB/µPa 그룹에서 살균능이 유의적으로 감소하였으며, 3시간째에는 155 dB/µPa 그룹에서 유의적인 증가가 나타난 뒤 3일째에는 125 dB/µPa을 제외한 모든 그룹에서 유의적으로 감소했다([Fig. 3]). 이후 7일째에는 125 dB/µPa와 135 dB/µPa 그룹에서 유의적인 증가와 155 dB/µPa 그룹에 감소가 나타났으며, 14일째에는 모든 실험구의 살균능이 유의적으로 증가하였다. 결과적으로 소음 스트레스에 의해 모든 실험구에서 혈청 항균능이 일시적으로 감소했으며, 특히 고음압 실험구인 145 dB/µPa와 155 dB/µPa에서 더욱 저하된 항균능을 확인할 수 있었다. 그러나 자극 14일째 모든 실험구에서 높은 항균활성이 나타났으며, 이러한 결과는 [Fig. 1]에서 확인된 스트레스 관련유전자 및 단백질 가수분해효소 관련 유전자의 발현 증가가 혈청 내 항균활성 인자로써 작용했거나 일시적으로 발생한 보상메커니즘으로 판단된다(Basu et al., 2002; Johnson and Pellecchi, 2006; Kim et al., 2009; Zhang et al., 2020).

[Fig. 3]

Serum antibacterial activity against Streptococcus iniae after noise exposure. Data are presented as means ± S.D. for three fish. The difference in the survival rate between the control group and the treatment group was statistically significant at *P < 0.05.

소음 스트레스에 의한 직접적인 면역학적 영향을 확인하기 위해 수행한 인위감염 실험에서는 S. iniae 감염에 의해 고음압 실험구인 155 dB/µPa에서 감염 1일째부터 가장 급격한 폐사가 일어났고, 나머지 실험구에서도 10일째 90%이상의 폐사율이 나타났다([Fig. 4]).

[Fig. 4]

The cumulative mortality rate for 10 days in Korean rockfish artificially infected with Streptococcus iniae after 14 days of noise exposure.

반면 대조구에서는 감염 8일째까지 폐사가 나타나지 않았고, 마지막 10일째 총 20%의 폐사율을 기록했다. 이전 연구결과 소음 스트레스는 지속시간과 강도에 따라 다른 면역반응을 유도했고, 경골어류에서도 장시간의 소음 노출은 숙주의 면역력 감소와 질병 발생에 대한 감수성 증가로 나타났다(McCarthy et al., 1992; Pascuan et al., 2014; Madakkannu and Ravichandran, 2017; Masud et al., 2020). 이러한 결과들은 풍력발전소 건설 시 발생하는 소음이 조피볼락의 면역체계에 부정적인 영향을 미칠 수 있음을 의미하며, 소음관리기준인 140 dB/µPa 이하의 음압에도 지속적인 노출에 의해 면역체계가 손상되어 질병유행 시 치명적인 대량폐사가 발생할 수 있음을 시사한다.

Ⅳ. 결 론

소음 스트레스에 의한 조피볼락의 혈청성분을 분석결과에서 확인된 ALB, GOT, TCHO, cortisol의 유의적인 변화는 소음의 강도 및 노출시간과의 명확한 상관관계가 확인되지 않았고, 실험이 종료된 14일차에는 모든 혈청학적 검사항목에서 대조구와 실험구간의 유의적인 차이가 나타나지 않았다. 그러나 추가적인 인위감염 실험을 통해 확인된 세균성 질병에 대한 증가된 감수성과 폐사율은 소음 스트레스가 조피볼락의 면역력 저하에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단되며, 이러한 결과는 조피볼락 사육 시 주변 소음에 대한 적극적인 관리가 필요할 것으로 사료된다.

Acknowledgments

이 논문은 국립수산과학원 (R2021066)의 지원으로 수행된 연구입니다.

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