Coupled Aquaponics 및 Decoupled Aquaponics 생산 방식에 따른 엽채류의 성장 비교

I. 서 론

인구 증가로 인해 에너지, 식량, 물에 대한 수요가 급증하고 있으며, 이는 무엇보다도 환경 문제와 식량 부족에 직접적인 영향을 미치며, 이러한 식량 부족으로 인해 최근 몇 년 동안 자원의 효율적인 사용을 통해 물 부족을 최소화하고 지속 가능한 농어업 강화를 지원하는 식량생산 시스템인 아쿠아포닉스(aquaponics)가 개발되었다(FAO 2014). 아쿠아포닉스는 수산양식과 농업의 수경재배가 결합된 복합재배 시스템으로, 수산동물(어류, 새우류 등)의 성장과 생존을 위해 공급된 먹이(사료)가 미생물에 의해 각종 무기물과 질산염으로 분해 및 생성된 것을 식물이 성장 영양소로 흡수하면서 양어 수질의 안정화와 식물성장을 이루어지게 하여 사육수의 교환없이 지속적으로 농·수산물을 생산할 수 있는 친환경 생산방법이다(FAO, 2014).

고전적인 아쿠아포닉스 시스템인 CAS (coupled aquaponic system)는 양식시설과 수경재배지 용수가 혼합되는 형태로, 양식 어종 및 식물 모두 동일한 수질 환경을 공유한다(Rakocy et al. 2006). 따라서 이러한 시스템은 반드시 품종별 최적의 재배 조건에 대한 절충안이 필요하다. 반면 개량된 아쿠아포닉스 시스템인 DAS (decoupled aquaponic system)는 양식 어종과 식물의 개별 생산을 최적화할 수 있는 모델로 양식 및 수경재배 장치의 물과 영양분을 서로 분리하여 두 시스템의 수질환경을 제어하는 것으로, 물고기와 식물 모두에게 최적의 성장 조건을 제시한다(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.

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 2022a), DAS 시스템에 연구는 아직 활발이 진행되지 않고 있다. Lee(2022b)는 비단잉어를 이용한 엽채류 생산 아쿠아포닉스 연구에서 CAS와 DAS 시스템을 적용하여 DAS 시스템이 비단잉어의 증체율 증가 및 어류 수질관리에 유리함을 제시하였다.

틸라피아(tilapia)는 전 세계적으로 양식되는 여러 시클리드 종의 일반 이름으로 1990년 379,169톤에서 2020년 6,100,719톤으로 전 세계 연간 생산량이 지속적으로 증가하고 있으며 다양한 양식 틸라피아 종 중에서 북아프리카가 원산지인 나일 틸라피아(Oreochromis niloticus)는 양식에 가장 많이 사용되는 종이다(Fracalossi and Turchini, 2022). 또한 2020년에 4,514,615톤이 생산된 나일 틸라피아는 현재 전 세계적으로 세 번째로 많이 양식되는 어류로, 74개국에서 상업적 생산이 이루어지며 최대 생산국은 중국 1,241,410톤이며, 인도네시아 1,172,633톤, 이집트 954,154톤, 브라질 343,596톤, 태국 205,971톤 순이다(FAO, 2022). 2022년 국내 내수면 어류 전체 양식 생산량은 29,005톤이며, 틸라피아 생산량은 198톤으로 전체 내수면 양식생산량의 0.6%를 차지하며, 2006년 272톤에 비해 약 1/3 가량 감소하였다(KOSIS, 2003).

그러나 최근 기후변화로 내수면 육상양식장 중 순환여과식 및 BFT 도입 양식장에서는 하절기 수온이 30℃ 이상을 넘기는 경우가 빈번하게 발생하고 있으며, 온수성 어류인 잉어의 경우 32℃ 근방에서 집단폐사가 발생할 수 있어(Meuwis and Heuts 1957) 향후 수온 관리가 중요한 문제로 대두될 것으로 전망된다.

틸라피아는 열대성 어류로 생육 최적 수온이 25~34℃로(Xie et al., 2011), 현재 국내에서 생산량이 적으나 기후변화에 따라 하절기 아쿠아포닉스 적용 가능성이 높아질 것으로 전망된다. 따라서 본 연구의 목적은 틸라피아를 이용한 아쿠아포닉스 생산시스템(CAS vs DAS)간 어류 및 엽채류 생산성에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 조사하여 향후 국내 DAS 시스템 연구에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다.

Ⅱ. 연구 방법

1. 실험사료 준비

실험에 사용된 사료는 일반 상업용 메기 사료(2.2~3.5 mm) Supercat F-GR (Cargill Agri Purina, Inc. Seongnam, Korea)를 이용하였으며, 사료의 구성 성분은 <Table 1>와 같다.

<Table 1>

Chemical composition of the experimental diet1

2. 시스템 구성 및 운영

실험에 사용된 CAS 및 DAS 시스템은 Lee(2022)의 이전 연구에서 사용된 시스템으로, 시설 구성도는 [Fig. 1, 2]와 같다. CAS 시스템의 구성도는 어류 원형수조(ø 4.5 m × H 0.7 m) 1개, 섬프수조(L 2 .0 m × W 1.0 m × H 0.9 m) 1개, 2층 구조의 식물베드지(L 2.9 m × W 0.6 m × H 0.1 m) 20개, 680 L바이오헬릭스 여과기(Isan M Tech. Ltd., Korea) 1개, 원형수조와 식물베드지의 물 순환을 위한 펌프(1.5 HP) 1개, 어류 수조 BFT 유지를 위한 벤츄리 에어 공급 시스템 순환펌프(1.0 HP) 1개, 식물베드지 하단에 빛 공급을 위한 형광등 40개로 구성되었다. 식물 재배 포터는 베드지 당 45개로 총 900개의 재배지로 구성되었으며, 식물에 공급되는 물 주수 PVC 배관은 지름 25 mm, 배수 배관은 지름 40 mm를 사용하였고, 최종 집수되어 어류 사육수조로 유입되는 배관은 지름100 mm를 사용하였다.

[Fig. 1]

Water flow in CAS (coupled aquaponic system) (A) Goddek et al. (2016), (B) compartments and water flow of the experimental design, fish tank (∮4.5 m) → sump tank (2 × 1 m) → pump (1.5 HP)→biohelixfilter (680 L) → vegetable bed (2.9 × 0.6 × 0.1 m, No. 20) → fish tank. ETc, crop evapotranspiration; HP, hydroponics; RAS, recirculating aquaculture system.

[Fig. 2]

Water flow in DAS (decoupled aquaponic system) (A) Goddek et al. (2016), (B) compartments and water flow of the experimental design, aquacultre [fish tank (∮4.5 m) → sump tank (2 × 1 m) → pump (1.5 HP) → drum screen (water passing through) → biofilter (400 L) → fish tank (∮4.5 m)], hydroponics [drum screen (drain water) → septic tank (0.9 × 1.1 × 1.5 m) → vegetable sump tank (0.5 × 0.8 × 1.1 m) → vegetable bed (2.9 × 0.6 × 0.1 m, No. 20) → vegetable sump tank (0.5 × 0.8 × 1.1 m). ETc, crop evapotranspiration. ANRC, anaerobic nutrient remineralization component; ETc, crop evapotranspiration; HP, hydroponics; RAS, recirculating aquaculture system

CAS와 비교 실험에 사용한 DAS 시스템의 구성도는 [Fig. 2]에 나타내었다. 어류 사육지 및 식물재배지 구성은 CAS와 같으나 어류에서 발생되는 슬러지는 드럼스크린(망목 : 50 ㎛, 배출량 : 200-300 L / 1일)과 청소 펌프를 통해 슬러지 모음 장소인 정화조(0.9 × 1.1 × 1.5 m, Seungwon, Co., Jungeup, Korea)로 모였다.

슬러지를 수집한 후, 2종류의 바실러스 미생물(Bacillus subtilis, B. licheniformis) 분말제 Pro400x (AqualnTech, Inc., Lynnwood WA, USA)를 주기적(300 g / 1 week)으로 사용하여 유기물 분해 과정을 유도하였다.

정화조 통 안에는 2부분으로 구획화하여 한 부분은 침전조로 사용하였고, 다른 한 부분은 유동상 여과재(∮ 17 × 11 mm) 를 넣어 질산화 미생물이 정착하도록 하였다. 정화조에서 여과된 물은 식물재배지 섬프수조(0.5 × 0.8 × 1.1 m)와 식물재배지로 순환되었으나, 어류 사육지로 용수 유입은 되지 않았다.

Ⅲ. 연구 결과

14주간 진행된 CAS 및 DAS 아쿠아포닉 시스템 내 수질분석 결과는 <Table 2, 3, 4>와 같다. 두 실험구 모두 아질산염 농도가 안정화(<0.1 mg/L) 되기까지 6주가 소요되었고, TAN의 경우 어류입식 후 1-2주간을 제외하고 DAS 실험구가 CAS 실험구에 비해 실험기간 동안 농도가 낮게 유지되었다.

<Table 2>

Change of water quality (DO, pH Temperature, EC, Turbidity, TAN, NO2-N, NO3-N and PO4-p) in CAS for 1-14 weeks1.

<Table 3>

Change of water quality (DO, pH Temperature, EC, Turbidity, TAN, NO2-N, NO3-N and PO4-p) in fish tank of DAS for 1-14 weeks1.

<Table 4>

Change of water quality (DO, pH Temperature, EC, Turbidity, TAN, NO2-N, NO3-N and PO4-p) in plant bed of DAS for 1-14 weeks1

식물 입식 전 5주까지의 DAS 실험구 식물재배지 내 NO₃-N (mg/L) 농도는 5.82±0.26 mg/L, 어류 사육지의 NO₃-N (mg/L) 농도는 10.42±3.53 mg/L, CAS 실험구의 NO₃-N (mg/L) 농도는 18.64±2.11 mg/L으로 조사되었다(<Table 2, 3, 4>). 실험 종료 14주의 DAS 실험구 식물재배지 내 NO₃-N (mg/L) 농도는 42.11±1.92 mg/L, 어류 사육지의 NO₃-N (mg/L) 농도는 43.28±2.62 mg/L, CAS 실험구의 NO₃-N (mg/L) 농도는 61.24±3.14 mg/L으로 조사되었다. DAS 실험구의 경우 엽채류 입식 초기(10주) 1주간 EC 농도는 341.2±27.4 ㎲/cm, CAS 실험구는 462.3±21.3 ㎲/cm 값을 보였고, 실험 종료 기간(14주)에는 DAS 503.4±27.5 ㎲/cm, CAS 702.5±15.8 ㎲/cm 값을 나타내었다(<Table 2, 4>).

두 실험구 모두 실험 입식 10주 시점부터 EC, NO₃-N 및 PO₄-P 농도는 엽채류 성장에 문제가 없는 농도로 유지되었으며, 엽채류 근권부(root) 적정 수온의 범위(20~25℃)에서 CAS 실험구는 23℃ 내외, DAS 실험구는 19℃ 내외로 DAS 실험구의 엽채류 근권부 온도가 4℃ 정도 낮았고, 적정 수온 범위에서 1℃ 정도 낮게 유지되었다(<Table 2, 4>).

실험 종료 14주에 K를 포함한 6종류의 다량원소와 Fe를 포함한 4종류의 미량원소 분석 결과는 [Fig. 3, 4]와 같다.

[Fig. 3]

Macro nutrient concentrations in two experimental groups (CAS and DAS) at the end of experiment. Values (means ± SD for two replicates of experimental groups) with * letters are significantly different (P<0.05). ns, not significant (P>0.05).

[Fig. 4]

Micro nutrient concentrations in two experimental groups (CAS and DAS) at the end of experiment. Values (means ± SD for two replicates of experimental groups) with * letters are significantly different (P<0.05). ns, not significant (P>0.05).

K의 경우 CAS 및 DAS 실험구의 pH 유지를 위해 지속적으로 투입된 KOH의 영향으로 다른 영양소에 비해 높은 농도 값을 나타내었다. 또한 CAS 실험구가 DAS 실험구에 비해 K (CAS 170.1±1.2 mg/L, DAS 119.2±0.5 mg/L), Ca (CAS 32.2±0.8 mg/L, DAS 21.4±0.3 mg/L), Na (CAS 45.8±0.3 mg/L, DAS 19.6±0.2 mg/L) 및 Cl (CAS 61.4±0.4 mg/L, DAS 25.2±0.5 mg/L)의 값이 유의하게 높게 나타났다(P<0.05). 미량원소의 경우 4종류(Fe, Zn, Mn, Cu) 모두 2 실험구에서 유의한 차이를 나타내지 못했다(P>0.05).

CAS 및 DAS 시스템에서 생산된 엽채류 성장도 조사 결과는 <Table 5, 6>와 같다. 엽채류 입식 전 두 실험구의 초기 엽채류 개체별(품종별 12개체) 엽중량은 volare 2.1±0.4 g, skilton 3.3±0.2 g, ovired 1.8±0.3 g, caipira 2.3±0.1 g, ezabel 2.4±0.1 g로 조사되었고 (<Table 6>), 32일간 성장 후 실험구별 전체 엽중량은 CAS 실험구 73,210 g, DAS 실험구 73,370 g로 나타났다(<Table 5>). 5종류의 엽채류 12개체를 무작위 선택(상단 6개체, 하단 6개체)하여 성장도 조사 결과(<Table 6>), ovired lettuce 품종(DAS 41.6±5.9 g, CAS 56.9±4.8 g)을 제외(P<0.05)한 4품종(volare lettuce, skilton lettuce, caipira lettuce, ezabel lettuce)의 가식부 엽중량의 경우 DAS 실험구와 CAS 실험구간 유의한 차이는 나타나지 않았다(P>0.05). 영양염의 흡수와 직결되는 기관인 뿌리의 경우 DAS 실험구는 volare lettuce, skilton lettuce, caipira lettuce 품종이 CAS 실험구에 비해유의하게 높았고(P<0.05), ovired lettuce는 낮았으며(P<0.05), ezabel lettuce는 유의한 차이가 없었다(P>0.05).

<Table 5>

Total productivity of five cultivar of European lettuce (Lactuca sativa) cultivated in CAS and DAS for 10-14 weeks

<Table 6>

Growth for five cultivar of European lettuce (Lactuca sativa. L) cultivated in CAS and DAS for 10-14 weeks

실험구(CAS구, DAS구)별 14주간 사육된 나일틸라피아의 증체율(weight gain) 및 생존율(Survival rate) 결과는 <Table 7>와 같다. DAS 실험구의 경우 CAS 실험구 보다 사료 공급량을 일일 20 % 초과 공급한 결과, 증체율에서 높은 결과를 나타내었다(CAS 176.9%, DAS 225.6%). 생존율은 두 실험구 모두 일부 폐사 개체가 출현하였으나 유사한 값(CAS 99.8%, DAS 99.5%)을 보였다.

<Table 7>

Weight gain (%) and survival rate (%) of Nile tilapia (Oreochromis niloticus) reared in two experimental groups (CAS and DAS) for 14 weeks

Ⅳ. 결 론

Lee(2022b)는 현재 국내 아쿠아포닉스 산업은 농업 중심으로 수산물에 의한 생산성이 매우 적고, 대다수 엽채류 생산에 의존하고 있으며, 이러한 이유는 어류와 엽채류의 생산환경이 달라 어종이 국내 온수성 어종인 잉어류, 메기 등에 한정되고 뱀장어, 연어, 송어 등 고부가가치 어종 도입이 제한되기 때문이라 하였다.

DAS의 경우 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(Kloas et al. 2015).

현재 나일틸라피아를 이용한 연구에서 DAS 실험구의 어류 증체율이 CAS 실험구에 비해 높은 것은 어종과 엽채류 간 개별 환경 관리가 가능하여 어류 수온을 CAS에 비해 높게 유지하였기 때문이다. CAS 실험구의 경우 틸라피아 생육 적정 수온인 25~32℃ (Xie et al., 2011)에 유지할 경우 엽채류의 성장이 낮아질 수 있어 22~23℃에서 유지되었다. 이러한 이유로 CAS 실험구의 어류는 적정 수온이 낮아 DAS 실험구의 어류에 비해 증체율이 떨어졌을 것으로 고려된다.

본 실험의 질산화과정의 수질변화는 Lee(2022b)가 보고한 비단잉어를 이용한 CAS 및 DAS 시스템에서 수질변화 경향과 유사하였다. Lee(2022b)는 비단잉어를 이용한 연구에서 탄산가스 미사용이 빠른 질산화과정을 유도하지 못하는 경향이 있다고 보고하였는데, 초기 빠른 질산화 과정 유도를 위해 탄산가스를 사용한 다른 연구에서는 3~4주 내 아질산염 농도가 안정화되었다(Lee et al., 2019a; Lee et al., 2019b; Lee et al., 2020; Lee and Kim, 2021; Lee 2021; Lee 2022a). 이러한 이유는 질산화세균의 경우 종속영양세균과 달리 성장과 번식을 위해 무기탄소를 사용하며 수중 내 알칼리도 제한 보다는 무기탄소 함량이 낮을 시 번식에 부정적 영향을 미치기 때문이다(Guisasola et al., 2007). 또한 TAN의 경우 DAS 어류수조의 실험구가 CAS 실험구에 비해 실험기간 동안(3-14주) 농도가 낮게 유지되었는데, 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 추측할 수 있다.

DAS 실험구의 식물재배지 내 NO₃-N은 어류 수조에서 발생된 슬러지를 정화조로 수집 후 정화조 내에서 무기물화 및 질산화과정을 거쳐 식물에게 공급되나, 어류 사육수조 내에서 발생되는 NO₃-N의 허실로 CAS에 비해 낮게 나타난 것으로 사료된다(<Table 3, 5>). 이러한 문제점을 보완하기 위해 DAS 시스템의 경우 부족 영양염에 대해 일부 보충하게 되는데(Goddek et al., 2016), 본 실험에서도 시중에서 흔히 구할 수 있는 농업용 복합비료를 실험 6주부터 DAS 시스템 내 정화조로 투입하여 부족한 영양염을 보충하게 되었다(<Table 5>). 이와 관련하여 EC는 pH와 함께 아쿠아포닉스 현장에서 수질 특성을 파악할 수 있는 중요한 요소로 물에 용해된 이온의 양이라 말할 수 있으며 식물 영양분 요구량 파악 중요한 측정 지표이다(Hager et al., 2021). 아쿠아포닉스에서 추천되는 EC 농도는 300-600 ㎲/cm으로 보고되어 있으며(Rakocy et al., 2006), 현재 실험에서 보여지는 DAS 실험구의 식물재배지내 EC는 엽채류 성장에 문제가 없는 것으로 사료되어 진다.

Suzuki and Sakamoto(2015)는 적상추 (red leaf lettuce)로 수경재배 시 20-25℃ 수온 범위에서는 성장 차이가 없음을 보고하였다. 현재 DAS 실험구의 식물재배지 수온이 상추류 적정 수온에 비해 1℃ 정도 낮은 19℃ 내외로 유지되었고, CAS 실험구는 23℃ 내외로 유지되었으나 식물 생산성은 유사하게 파악되었다. 아쿠아포닉스 연구 분야에서 식물 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). 본 연구에서 DAS 실험구의 상추류가 수경재배에서 요구되는 적정수온 보다 다소 낮으나 성장성에 문제가 없었던 이유는 DAS 시스템 내 식물재배에서 공급되는 원수에 지속적인 유용미생물을 사용했기 때문으로 고려된다.

따라서 현재 개별 환경 적용이 가능한 DAS 시스템 국내 도입을 위한 본 연구는 국내 수산 중심의 아쿠아포닉스 산업화를 위한 기초자료 제공에 의의가 있다고 할 수 있다.

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