안정동위원소 분석 기법(Stable isotope analysis, SIA)은 환경과학, 생태학, 지구생물화학, 법의학, 고고학 등 다양한 연구 분야에 활용되고 있다. 본 총설에서는 수산 및 양식 연구에 안정동위원 소 비 분석 기법을 활용하기 위해 필요한 배경 지식을 소개하고자 한다. 특히, 자연 값(natural abundance)을 이용하는 연구에 초점을 두었고 원소가 생물의 조직으로 통합되는 과정에서 발 생하는 분별작용(동위원소 비의 변화)에 대한 원리와 안정동위원소 비가 유용한 도구로서 어 떤 목적으로 생태, 환경학 분야에 이용되는지, 나아가 수산 및 양식 분야에 활용 가능한 예들 을 제시하고자 한다. 본 논문을 통한 안정동위원소 분야의 이해로 향후 수산학 및 양식 연구 에서 안정 동위원소 비의 다양한 활용이 기대된다.

호소 생태계에 대한 생물측정망 조사 및 평가지침은 동물플랑크톤 조사의 편의성을 고려하여 출현 종 수와 개체 군밀도, 군집 지수 등을 상대적으로 비교하기 위해 수심 5 m 이하의 얕은 호소-수변부에서 사선끌기, 수심 20 m 이상 호소-전수심 수직끌기, 그 이상의 깊은 호소-20 m까지의 수심을 대상으로 한 수직끌기를 제시하고 있다. 본 연구에 서는 지침에서 제시하는 방법 중 사선끌기법과 20 m 수직 끌기법을 각각 전수심을 대상으로 한 조사 방법과 비교하여 동물플랑크톤 군집 정보의 차이 및 특성에 대해 분석 하였다. 군집 지수의 경우 수심이 얕은 호수에서의 사선끌 기법/수직끌기법 비교에서는 차이를 보이지 않은 반면, 수 심이 깊은 호소에서는 끌기 수심을 20 m로 제한할 경우보다 전수심 수직끌기를 적용했을 때 다양도 및 풍부도 지수 가 상승하는 것으로 나타났다. 또한, 사선끌기 및 20 m 수직끌기를 통해 채집한 동물플랑크톤 시료로부터 표면~저층 상층부까지의 전수심을 채집 대상으로 설정한 경우보 다 약 3배 정도 높은 개체군 밀도가 계산되어, 동물플랑크톤 총 개체 밀도가 크게 과대 평가되는 것으로 나타났다. 이러한 차이는 동물플랑크톤 수직 분포 특성상 발생하는 수층별 동물플랑크톤 개체 밀도 차이 및 여과된 원수량의 차이에서 비롯된 결과로 판단되며, 이에 따라 호소를 대변 하여 수체 간 또는 수체 내 변동을 보다 정확히 파악하고 호 내 2차 생산과 관련한 기능적 정량 지표로서 동물플랑크톤 군집 정보의 활용을 고려할 경우, 수심에 따른 개체 군밀도 분포와 전체 개체수 환산 시 수층별 기여율을 고려한 전수심 수직끌기 방법의 적용이 보다 적절할 것으로 분석되었다.

오존은 수돗물 정수장에서 이용되는 소독 물질로 미세오염 물질들을 비롯해서 박테리아나 병원성 미생물체를 효과적으로 제거하는 것으로 많은 연구가 보고되어 있다. 본 연 구에서는 실내 사육 중인 붉은 체색을 지닌 Glyptotendipes tokunagai를 대상으로 서로 다른 농도의 오존 노출에 따른 영향을 파악하기 위해 치사율, 체색 변화와 heat shock protein 70 (HSP70) 유전자 발현을 측정하였다. 오존에 노출 된 G. tokunagai에서 농도-시간 의존적으로 치사율 증가가 관찰되었다. 또한 체색 변화는 오존 농도에 따라 붉은색의 체색이 체절마다 엷어지며 탈색되고 경직되는 현상이 보였다. HSP70 유전자 발현은 저농도인 0.2~0.5 ppm에서 노출 10분과 20분에 유의한 수준으로 높게 나타났으나 (P<0.05), 30 분 노출 후에는 발현량이 감소하는 경향을 보였다. 생리적으로 저산소층에 대해 적응능력이 뛰어난 깔따구 경우에도 오존은 매우 강력한 치사 효과를 유발하여 30분 노출 후 경직과 헤모글로빈 파괴로 인한 탈색이 유발되는 것을 보여주었다. 따라서 본 결과는 수돗물 정수장에서 병원성 미생물을 제거하는 데 사용되는 오존이 수생물에 주는 영향성을 파악하는 기초자료로서 활용될 수 있을 것이다.

국내 하천에서 발생하는 준설 및 보 건설은 하천 연속성 차단과 교란을 유도하여 수서 생물서식환경에 변화를 가져 온다. 본 연구에서는 4대강 보 (이포보, IP; 세종보, SJ; 죽산보, JS; 강정고령보, GG; 달성보, DS)에 서식하는 깔따구 군집 분포를 조사하고 서식환경에 영향을 주는 여러 환경인자를 측정하였다. 조사 지역 중 IP, SJ은 다른 조사 지역에 비해 WT, pH, TOC, Chl-a가 낮은 수준을 보였으며, 깔따구 개체수 결과에서는 Chironominae, Orthocladinae, Tanypodinae 가 비교적 균등한 수준으로 관찰되었다. 반면, JS, GG, DS는 Chironominae가 높은 비율로 우점하며, TOC와 Chl-a의 농도가 높게 나타났다. 각 조사 정점에 대한 깔따구 군집 조성의 특징과 환경요인을 반영한 집괴분석 결과 4대강 보는 3개의 그룹으로 구분되었으며, 이는 정점별 환경 차이와 깔따구의 대악 및 하순기절의 구조에 따른 먹이원 선호도 차이와 일치하였다. 따라서 본 연구에서는 연구 정점 간 먹이원의 차이에 의해 깔따구의 군집 구조의 차이가 나타나는 것을 확인 하였으며, 향후 각 깔따구 과 별 주 먹이원에 대한 연구에 대한 필요성을 제시한다.

지구 온난화에 따른 기온 상승, 보나 댐의 건설로 인한 체류시간의 변화는 식물플랑크톤의 이상증식을 일으키며 이로 인한 수계의 부영양화, 녹조 현상은 상수원 수질 악화에 영향을 미쳐 심각한 사회적 문제로 대두되고 있다. 본 연구와 같이 일차생산력과 환경요인들의 상관관계를 확인하는 것은 일차생산력의 조절인자 파악에 매우 효과적이다. 또한 HPLC-CHEMTAX 분석 방법은 간편하며 짧은 시간 안에 식물플랑크톤의 색소 비 값을 기반으로 각 군집의 상대적인 기여도 추정이 가능하다. 이러한 연구 방법들을 적용할 경우 수 생태 건강성 평가 및 식물플랑크톤 이상증식에 영향을 주는 군집조성을 빠르게 파악할 수 있어 조류 예보제 및 수계관리에 있어 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Recently, quantitative analyses of food web structure based on carbon and nitrogen stable isotopes are widely applied to environmental assessments as well as ecological researches of various ecosystems, particularly rivers and streams. In the present study, we analyzed carbon and nitrogen stable isotope ratios of POM (both planktonic and attached forms), zooplankton, benthic macroinvertebrates and fish collected from 6 sites located at Nakdong River. Samples were collected from upstream areas of 5 weirs (Sangju, Gangjeong- Goryeong, Dalseong, Hapcheon-Changnyeong, and Changnyeong-Haman Weirs) and one downstream area of Hapcheon-Changnyeong Weir in dry season (June) and after rainy season (September). We suggested ranges of their carbon and nitrogen stable isotope ratios and calculated their trophic levels in the food web to compare their temporal and spatial variations. Trophic levels of organisms were relatively higher in Sangju Weir located at upper part of Nakdong River, and decreased thereafter. However, the trophic levels were recovered at the Changnyeong-Haman Weir, the lowest weir in the river. The trophic level calculated by nitrogen stable isotope ratios showed more reliable ranges when they were calculated based on zooplankton than POM used as baseline. The suggested quantitative ecological information of the majority of biological communities in Nakdong River would be helpful to understand the response of river food web to environmental disturbances and can be applied to various further researches regarding the quantitative approaches for the understanding food web structure and function of river ecosystems as well as restoration.

Stable isotope approach for aquatic ecology and environmental sciences has been introduced as very useful technique since 1980s and also has been applied to investigate various issues in aquatic ecology and environmental study last 10 years in Korea. Especially carbon and nitrogen isotope ratios have been mainly used to understand food web energy flow and ecosystem structure. In addition, nitrogen isotope ratio has been applied for nitrogen cycle and source identification as well as biomagnification studies. However, large temporal or spatial variations of nitrogen isotope ratio of primary producer have been found in many aquatic environments, and it is regarded as the critical problems to determine trophic level of aquatic animals. Recently, the compound specific isotope analysis of nitrogen within individual amino acids has been developed as an alternative method for trophic ecology. This article introduces the progress history of stable isotope application in aquatic ecology and environmental sciences, and also suggests new direction based on future prospects in stable isotope ecology and environmental study.

Compound specific isotope analysis of amino acids (CSIA-AAs) is being highlighted as an alternative approach for overcoming some restrictions in application of stable isotope analysis of bulk tissue (SIA) for trophic position (TP) estimation. However, this approach has rarely been applied in Korea. The present study determines TP of two Polychaeta (Nephtyidae and Glyceridae) and two fish species (Platycephalus indicus and Lophius litulon) collected from the Geum River estuary using nitrogen isotope ratio of amino acid and compared with the TP values estimated by SIA. The Polychaeta species, sampled in two sites, showed similar TP between SIA (2.7 and 3.1) and CSIA-AAs (2.6 and 3.1). However, for both fish species, TP values displayed a large difference between SIA (3.1 and 2.3) and CSIA-AAs (3.8 and 3.7). In this study TP values estimated by CSIA-AAs showed more similar to the previously reported gut content analysis of both fishes compared with the results of SIA. Current study suggests the applicability of nitrogen isotope ratio of amino acid to understand coastal ecosystem structure and trophic ecology.

In order to reconstruct a benthic foodweb structure and assess the role of benthic microalgaes as a diet source for benthos, we analyzed the carbon and nitrogen stable isotopes of diverse benthos (bivalves, crustaceans, gastropods and fishes) and potential diets (particulate organic matter, sedimentary organic matter, benthic microalgae, seagrass, and macroalgaes) in the intertidal mudflat surrounding Yeongheung Island. The δ13C values of the diets indicated wide ranges (- 26.5‰ to - 8.4‰) while benthos showed a small range of δ13C values (-12.1‰ to - 17.8‰), although they were in the same range. Except for green algaes among the macroalgaes as well as sedimentary organic matter, δ15N values of the diet candidates (5.7±1.0‰) were lighter in comparison to those of the benthos (11.8±1.9‰). Based on the δ13C and δ15N data, the benthos were classified into 3 groups, indicating a different diet and trophic position. But benthic microalgae is the most important diet source for all three benthos groups based on their stable isotope ratios, suggesting benthic microalgae should be a main diet to the intertidal ecosystem. Hence this study highlights that the biomass of benthic microalgae as biological resource should be evaluated for the management of the intertidal ecosystem of Yeongheung Island.

섬진강 하구역의 계절별 일차생산력의 변화는 하계 8월 에 가장 높은 일차생산력을 보이고 있으며, 수온과 광 조 건이 향상되고 주변 육지로부터 유입되는 영양염의 영향 으로 높은 결과를 보이고 있다. 특히 섬진강 하구역의 상 류정점들은 육상기원 영양염의 유입이 다른 정점들에 비 해 활발하게 이루어 짐으로 더 높은 생산력을 보이고 있다. 식물플랑크톤 색소 조성 결과 diatoms의 지표색소인 Fucoxanthin이 조사시기와 정점에 상관없이 높은 농도 를 나타냈다. 이는 현미경 종 동정 결과와 일치함을 보이 고 있으며 일차생산력과 보조색소 분석 결과 그리고 종 동정 결과를 비교하여 볼 때 규조류 (Skeletonema costatum) 가 일차생산력에 가장 크게 기여하는 것으로 사료 된다. 본 연구를 통해 자연형 하구인 섬진강에서 시 공간적 일차생산력 변동을 확인할 수 있었으며 또한 식물플랑크 톤의 대략적인 군집구조와 일차생산력 계절 변동을 평가 할 수 있었다. 이러한 연구결과는 향후 섬진강 하구 내 생태 모니터링에 대한 기초자료로 활용될 수 있을 것으 로 판단되며 수계 내 건강성 평가 및 수질관리를 위한 연구에 유용한 자료로 활용될 것으로 사료된다.