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1990년대 전 세계 어업 생산량은 약 8,890만 톤에서 2020년에는 약 9,030만 톤으로 정체되어있는 반면에, 전 세계 양식 생산량은 1990년대 약 2,180만 톤에서 2020년에는 약 8,750만 톤으로 급격히 증가하였다. 또한, 전 세계 1인당 연간 수산물 소비량은 1960년대 약 9.9 kg인 반면에, 2020년에는 20.2 kg로 나타났으며 이러한 수산물의 소비량은 앞으로도 계속 증가할 것으로 전망되고 있다 (FAO, 2022a).

반면에 기후 변화, 어획 자원 고갈 등의 영향으로 어업 생산량은 감소하고 있으며, 증가하는 수산물 소비량을 충족시키기 위해서 양식 생산량이 지속적으로 증가하고 있다. 하지만, 이러한 양식업의 성장은 양식과정에서 생성되는 배출수 증가로 이어지고 결국 수생 생태계의 국제 환경 규제 강화로 이어지고 있다(Jeong et al., 2022).

또한, 최근 유엔식량농업기구(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)는 영양가있고 지속가능한 수산물 생산을 위하여 ‘Blue Transformation’을 선언했다. ‘Blue Transformation’의 로드맵에서 지속가능한 양식을 확대시키고 전 세계 사람들의 수산물 수요를 만족시키고자 하고 있으며, 이를 이루기 위한 전략 중 하나로 양식의 환경 영향을 최소화하고 자원을 효과적으로 사용하기 위해 노력하고 있다 (FAO, 2022b).

이와 같은 국제적인 트렌드에 따라 아쿠아포닉스(Aquaponics), 바이오플락기술(BFT, Biofloc Technology), 순환여과식 양식시스템(RAS, Recirculating Aquaculture System) 등 보다 지속적이고 환경친화적인 양식 방법에 대한 관심이 높아지고 있다.

아쿠아포닉스는 수산양식(Aquaculture)의 ‘Aqua’와 수경재배(Hydroponics)의 ‘ponics’의 합성어로 어류와 식물을 동시에 양식하고 재배하는 방법이다(Kim et al., 2022). 아쿠아포닉스는 어류를 양식하면서 발생되는 배설물과 사료찌꺼기 등의 유기물에서 분해된 질산염 등의 무기물을 식물의 영양분으로 활용함으로 수질을 개선하여 사육수를 재사용하는 기술이다. 아쿠아포닉스는 환경친화적, 물 소비 최소화, 높은 생산량, 공간 절약, 인공비료 무첨가, 잡초나 해충으로부터의 피해 저감, 노동력 절감, 그리고 지속가능성 등의 장점을 가져 전세계적으로 관심이 높아지고 있는 기술이다(Diver, 2006; FAO, 2014; Tyson et al., 2011).

BFT 양식 기술은 양식과정 중 생성되는 양식 생물의 배설물 및 사료찌꺼기를 타가영양성 미생물을 이용하여 제거함으로써 사육수를 버리지 않고 지속적으로 사용할 수 있는 친환경 양식기술이다(Azim and Little, 2008; Khanjani and Sharifinia, 2020). 또한, 외부로부터 유입되는 질병으로부터 안전하며, 사육수 내 미생물총(biofloc) 형성을 유도한 후 이를 양식생물이 다시 섭식하게 함으로써 사료효율이 높을뿐만 아니라 환경 규제로부터 자유로우면서 양식생산성을 높일 수 있는 기술이다(Lee et al., 2019a; 2019b).

또한, BFT 사육수 내 미생물이 양식 과정에서 발생된 어류에게 유해한 암모니아와 아질산을 상대적으로 덜 유해한 질산염의 형태로 변환시키며, 사육수 내 무기탄소가 충분히 존재한다면 타가영양세균에 의한 암모니아 제거가 지속적으로 가능하다. 이로 인해 사육수와 유입수의 사용량을 최소화하여 배출수에 의한 환경 오염은 줄이고, 고밀도 사육이 가능한 장점이 있다. 하지만 BFT 사육수 내 질산염은 지속적으로 축적되기 때문에 결국 사육수 교환을 통해서 제거할 수 밖에 없는 실정이다.

최근에는 사육수 내 축적되는 질산염을 효과적으로 제거하기 위해서 BFT와 사육수 내 질산염을 식물의 영양분으로 활용하는 아쿠아포닉스를 결합한 FLOCponics 기술이 활발히 연구되고 있다(Deswati et al., 2022a; 2022b; Kim et al., 2019, Lee et al., 2019; 2021; Pinheiro et al., 2020; Pinho et al., 2017; 2022; 2023; Rocha et al., 2017; Saseendran et al., 2021; Yu et al., 2023).

특히, Hwang et al.,(2021)은 BFT와 FLOCponics 시스템 에서 뱀장어(A. japonica)와 상추류를 대상으로 4주간 사육 실험한 결과 BFT 보다 FLOCponics를 적용한 실험구에서 더 높은 성장률을 나타냈다. 또한, Kim et al.,(2022)은 BFT와 FLOCponics 시스템에서 메기(Silurus asotus)와 상추류를 대상으로 4주간 사육 실험한 결과 BFT 보다 FLOCponics 시스템을 적용한 실험구에서 더 높은 성장률을 나타냈다.

현재까지 BFT와 FLOCponics 시스템에 대한 비교 연구가 활발하게 진행되어 왔으며, 몇몇 연구 결과에서 FLOCponics 시스템을 적용한 경우 더 높은 성장률이 나타난 것으로 보고되었다(Hwang et al., 2021; Kim et al., 2022). 하지만, FLOCponic 시스템 적용 시 어종에 따른 식물 생산량과 어류 성장에 대한 연구는 아직 보고된 바 없다.

따라서, 본 연구의 목적은 내수면 주요 양식 어종인 뱀장어(A. japonica)와 메기(S. asotus)를 이용하여 BFT와 FLOCponics에 각각 적용 시 양식 방법에 따른 실험어의 성장 비교와 실험어종을 FLOCponics에 각각 적용했을 때 재배작물로 이용한 엽채류인 카이피라(Lactuca sativa)의 성장 및 사육수의 수질특성을 비교하는데 있다.

본 연구에서는 뱀장어와 메기를 BFT와 FLOCponics에 각각 적용한 것과 실험어와 카이피라의 성장을 조사하였다. 4주간의 사육 실험 결과FLOCponics에서 사육한 실험구가 BFT에서 사육한 실험구보다 모든 어종에서 총 무게와 일일성장률이 증가한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 BFT 시스템에 Aquaponics 시스템을 결합한 FLOCponics 시스템에서 어류를 사육시 BFT 시스템에서 사육했을 때 보다 더 높은 성장도를 나타낸다는 많은 연구 결과와 유사하게 나타났다(Hwang et al., 2021; 2023; Kim et al., 2019; 2022,).

Kim et al.(2022)은 메기를 대상으로 BFT와 FLOCponics를 적용한 피델을 사육한 결과 FLOCponics를 적용한 실험구에서 더 높은 증체율을 나타냈다. Hwang et al.(2021)은 뱀장어(A. japonica)를 대상으로 BFT와 FLOCponics에 카이피라를 각각 100포기, 200포기를 재식하여 실험한 결과 BFT 실험구보다 FLOCponics를 적용한 실험구에서 더 높은 뱀장어의 성장도를 나타냈다고 보고했다. 이와같은 결과는 BFT에 아쿠아포닉스를 적용시 재배식물이 사육수에 있는 무기영양분을 흡수함으로써 수질을 개선시켜 양식 생물에게 더 나은 수질환경을 제공하여 사육 생물의 생산성을 향상 시킨다는 다른 연구 결과와 비슷한 경향을 나타냈다(Hwang et al., 2021; Kim et al., 2022).

본 연구에서는 뱀장어와 메기를 대상으로 FLOCponics에 카이피라를 적용하여 양액을 이용한 수경재배와 성장도를 비교한 결과, 뱀장어 FLOCponics에서 가장 높은 카이피라 성장도를 나타냈으며, 메기 FLOCponics와 수경재배와는 유의적인 차이가 나타나지 않았다. 이와 같은 결과는 BFT 뱀장어 사육수에는 식물성장에 필요한 질산, 인 등 무기성분들이 충분하다는 연구 결과에 기인한 것으로 판단된다(Hwang et al., 2021). 또한, BFT 기반 아쿠아포닉스에서 메기를 적용하여 생산된 피델과 양액을 적용한 수경재배에서 생산된 피델의 총무게, 잎무게, 잎길이, 잎넓이를 측정한 결과, BFT 기반 아쿠아포닉스 시스템을 적용한 실험구에서 유의적으로 더 높은 성장도를 나타났다(Kim et al., 2022).

양식 생물의 단백질 대사과정 및 사료 찌꺼기의 유기물 분해에 의해서 암모니아가 생성되며, 암모니아는 질화과정에 의해서 산화되어 아질산이 생성되고 암모니아 및 아질산이 사육수에 축적되면 양식어류에 치명적인 피해를 준다(Schoore et al., 1995). Kim et al., (2022)은 BFT와 BFT 기반 아쿠아포닉스에서 메기와 피델을 4주간 사육시 암모니아 수치가 BFT 실험구에서는 5.23 mg/L, BFT 기반 아쿠아포닉스 실험구에서는 3.14 mg/L로 나타났으며, 모든 실험구의 생존율은 95.2 % 이상을 나타냈다고 보고했다. Hwang et al., (2021)이 진행한 BFT 기반 아쿠아포닉스 연구 결과 또한 사육 기간 동안 암모니아가 BFT 기반 아쿠아포닉스 실험구에서 1.0 mg/L 이하, BFT 실험구에서 일정기간 3.0 mg/L이상의 수치를 나타냈으나 모든 실험구에서 뱀장어의 생존률을 96.6% 이상 유지되었다. Jeong et al., (2022)은 BFT와 유수식에서 메기 배합사료내 단백질 함량을 달리하여 4주간 사육 실험을 진행하였으며, 사육 기간 동안 사육 수조의 암모니아 수치는 모든 실험구에서 4.52 mg/L 이하로 나타났으며, 모든 실험구에서 메기의 생존율은 100%였다. 본 연구에서는 4주간의 사육 실험 기간 동안 모든 실험구에서 95.7% 이상의 생존율을 나타냈으며, 모든 사육 수조의 암모니아가 1.14 mg/L, 아질산이 0.96 mg/L수치를 나타내어 안정적인 수질관리가 유지된 것으로 판단된다.

BFT 사육수에 있는 타가영양세균 및 자가영양세균은 암모니아를 아질산으로, 아질산을 질산염의 형태로 전환시키며, 질산염은 암모니아와 아질산보다 어류에게 상대적으로 덜 치명적이다. 하지만 질산염이 고농도에서 장시간 어류에게 노출되면 어류에게 부정적인 영향을 미친다는 연구결과가 보고된 바 있다(Tilak et al., 2007). 때문에 BFT에서도 고밀도 양식을 할 때 축적되는 질산염을 제거하기 위해서는 사육수 교환이 필수적이다.

아쿠아포닉스 시스템에서 식물은 성장을 위해 사육수 내의 질산염을 이용한다. 본 연구에서 4주간의 사육 실험 동안 질산염을 측정한 결과 실험 개시 이후 지속적으로 증가하는 경향을 나타냈다. 4주간의 사육 실험 종료시 BFT에 메기를 적용한 실험구의 질산염은 121.20 mg/L를 나타냈지만, FLOCponics 실험구의 질산염은 97.80 mg/L를 나타났으며, 뱀장어 BFT 실험구의 경우 148.80 mg/L, 뱀장어 FLOCponics의 경우 119.84 mg/L를 나타내어 두 어류 모두 FLOCponics 시스템이 BFT 시스템 보다 질산염이 감소하는 경향을 나타냈다. 이와 같은 결과는 사육수 내 질산염이 식물 성장을 위한 영양분으로 사용됐을 뿐만 아니라 카이피라가 생물학적 여과역할을 하여 어류에게 정화된 사육수를 제공하므로써 어류의 성장에도 도움이 됐을 것으로 판단된다.

Hwang et al., (2021)은 BFT와 BFT기반 아쿠아포닉스 시스템에서 카이피라의 재식량을 달리하여 뱀장어를 4주간 사육했으며, 사육 실험 종료시 BFT 실험구의 질산염 수치는 40 mg/L 이상 나타났지만, 모든 BFT 기반 아쿠아포닉스 실험구는 30 mg/L 이하로 나타났다. 또한, 4주간의 사육 실험 종료시 뱀장어의 성장도 측정 결과 BFT 기반 아쿠아포닉스(200포기), BFT 기반 아쿠아포닉스 (100포기), BFT 실험구 순서로 높게 나타나 식물의 재식량과 뱀장어의 성장도와의 관련성이 있음을 확인하였다.

따라서, 본 연구에서는 뱀장어와 메기를 대상으로 FLOCponics 시스템을 적용했을 때 식물의 생물학적 여과재 효과로 인한 양식생산성 향상과 더불어 인공양액의 공급 없이도 식물재배가 가능함을 확인하였다. 특히, 뱀장어를 FLOCponics에 적용하여 사육하였을 경우 카이피라의 높은 생산성을 기대할 수 있어 양식어업인의 추가적인 소득증대에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.