저 수온시기 시화호 식물플랑크톤과 원생동물의 수온상승에 따른 반응

Abstract

한국연안에서 저 수온시기에 출현하는 식물플랑크톤과 원생동물플랑크톤들의 수온상승에 대한 반응을 조사하기 위해 현장물을 이용한 실내 배양실험을 진행하였다. 2010년 11월과 2011년 3월에 시화호에서 채수한 해수를 18개의 10L 배양용기에 균등히 분주하였다. 현장온도, 현장온도보다 2℃, 그리고 6℃를 증가시킨 배양실에 배치하였다. 동시에 영양염의 영향을 조사하기 위하여 9개의 배양용기에는 영양염을 주입하였으며, 나머지 배양용기에는 아무 처리도 하지 않았다. 영양염을 주입하지 않은 배양용기와 영양염을 주입한 배양용기를 3개씩 현장수온이 유지되는 배양실에 배치하였다. 다른 영양염을 주입하지 않은 배양용기와 영양염을 주입한 배양용기 3개씩을 현장수온보다 2℃가 높은 온도가 유지되는 배양실에 배치하였으며, 나머지 영양염을 주입하지 않은 배양용기와 영양염을 주입한 배양용기 3개씩을 현장수온보다 6℃가 높은 온도가 유지되는 배양실에 배치하였다. 15일 동안 매일 300ml의 균등한 시료를 채집 분석하여 식물플랑크톤과 원생동물플랑크톤의 밀도 변화를 조사하고, 클로로필과 영양염(NO2+NO3, NH4, PO4, SiO2)의 농도 변화를 조사하였다.

2010년 11월 29일에 채수한 해수의 온도는 6.7℃이었기 때문에 6.7℃, 8.7℃, 12.7℃의 온도 구간에서 실험이 진행되었다. 영양염을 추가하지 않은 배양용기에서는 시간이 경과함에 따라 3개의 모든 온도 조건에서 클로로필의 변화에 큰 차이가 없었다. 그러나 영양염을 추가한 배양용기에서는 시간이 경과함에 따라 3개의 모든 온도 조건에서 클로로필이 상승하였다. 따라서 영양염이 풍부하지 않은 조건에서 수온이 2℃ 상승할 경우 클로로필 농도에 영향을 주지 않으나, 6℃ 상승할 경우 영향을 줄 가능성이 판단된다.

2011년 3월에 채수한 해수의 온도는 4.3℃이었기 때문에 4.3℃, 6.3℃, 10.3℃의 온도 구간에서 실험이 진행되었다. 영양염을 추가하지 않은 배양용기에서는 시간이 경과함에 따라 3개의 모든 온도 구간에서 클로로필이 상승하였다. 온도가 높아질수록 클로로필의 농도도 높아졌다. 영양염을 주입한 배양용기에서도 시간이 경과함에 따라 3개의 모든 온도구간에서 클로로필이 상승하였고, 온도가 높아질수록 클로로필의 농도 역시 높아졌다. 따라서 영양염이 풍부하지 않은 조건과 영양염이 풍부한 조건 모두에서 현장수온인 4.3℃일 때 2℃와 6℃가 증가되면 클로로필 농도에 영향을 줄 가능성이 판단된다.

2회의 실험에서 식물플랑크톤의 군집 중 규조류가 우점하였다. 2010년 11월에는 Chaetoceros spp., Skeletonema costatum, Thalassiosira spp.가 우점하였다. 영양염을 주입하지 않은 배양용기에서는 시간이 경과함에 따라 6.7℃에서는 규조류의 밀도가 변하지 않았지만 8.7℃에서는 증가한 반면 12.7℃에서는 감소하였다. 영양염을 주입한 배양용기에서는 6.7℃와 8.7℃에서 규조류의 밀도가 증가하였으나, 12.7℃에서는 감소하였다. 가장 우점하였던 S. costatum의 밀도는 총 규조류의 밀도와 비슷한 경향을 나타내었다. 따라서 저 수온 시기에 수온의 변화가 작을 (i.e. 2℃) 경우에는 S. costatum의 밀도가 증가하는 반면, 수온의 변화가 클 (i.e. 6℃) 경우에는 밀도를 감소되거나 큰 변화가 없을 가능성이 판단된다.

2010년 11월에 채수한 해수에서 Prorocentrum minimum, Heterocapsa triquetra, Heterocapsa rotundata가 광합성 와편모류 군집 중 우점하였다. 영양염을 주입하지 않은 배양용기에서 시간이 경과함에 따라 6.7℃에서 P. minimum의 밀도는 변하지 않았으나, 8.7℃와 12.7℃에서는 뚜렷한 증가 경향을 나타내었다. 영양염을 주입한 배양용기에서의 P. minimum 밀도도 영양염을 주입하지 않은 배양용기에서와 비슷한 경향을 나타내었으나 영양염을 주입하지 않은 배양용기에서보다 영양염을 주입한 배양용기에서의 밀도 값이 더 높았다. 그러나 H. triquetra의 밀도는 영양염을 주입하지 않은 배양용기와 영양염을 주입한 배양용기 모두에서 시간이 경과함에 따라 3개의 모든 온도 조건에서 감소하였다. 특히 저 수온에서보다 수온이 상승할수록 밀도 값이 더 낮아졌다. 따라서 저 수온시기에 수온상승은 P. minimum의 밀도를 증가시키나, H. triquetra의 밀도는 감소시킬 가능성이 판단된다.

2011년 3월에 채수한 해수에서는 Heterocapsa triquetra, Heterocapsa rotundata가 광합성 와편모류 군집 중 우점하였다. 영양염을 주입하지 않은 배양용기와 영양염을 주입한 배양용기 모두에서 시간이 경과함에 따라 3개의 모든 온도 조건에서 H. triquetra와 H. rotundata는 감소하였다. 따라서 저 수온시기에 수온의 상승은 H. triquetra와 H. rotundata의 밀도를 감소시키거나 거의 영향을 끼치지 않을 가능성이 판단된다.

2010년 11월에 채수한 해수에서 종속영양성 와편모류인 Pfiesteria piscicida와 Pfiesteria 유사종 (PLD), Amphidinium longum, Protoperidinium bipes가 원생동물플랑크톤 군집 중 우점하였다. 영양염을 주입하지 않은 배양용기와 영양염을 주입한 배양용기 모두에서 시간이 경과함에 따라 3개의 모든 온도 조건에서 PLD 밀도의 변화가 거의 없었다. 그러나 영양염을 주입한 배양용기에서는 12.7℃일 때만 증가하였다. 영양염을 주입하지 않은 배양용기와 영양염을 주입한 배양용기 모두에서 시간이 경과함에 따라 A. longum와 P. bipes의 밀도는 감소하였다. 따라서 저 수온시기에 수온이 12.7℃까지 상승할 경우에 PLD 밀도는 증가하는 반면, A. longum와 P. bipes의 밀도는 영향을 받지 않을 가능성이 판단된다.

2011년 3월에 채수한 해수에서는 PLD와 무각 섬모류가 원생동물플랑크톤 군집 중 우점하였다. 영양염을 주입하지 않은 배양용기와 영양염을 주입한 배양용기 모두에서 시간이 경과함에 따라 3개의 모든 온도 조건에서 PLD와 무각 섬모류의 밀도는 감소하였다. 따라서 저 수온시기에 수온이 10.3℃까지 상승할 경우에 PLD와 무각 섬모류의 밀도는 크게 영향을 받지 않을 가능성이 판단된다.

본 연구 결과를 종합해 볼 때, 저 수온시기에 수온이 6℃가 상승할 경우에는 식물플랑크톤 군집이 클로로필의 농도를 상승시키는 것으로 판단된다. 반면에 2℃가 상승할 경우에는 때때로 증가시키는 것으로 판단된다. 종 수준에서 2℃가 상승할 경우에 S. costatum의 밀도는 증가하였지만, 6℃가 상승할 경우에는 감소되거나 큰 변화가 없었다. 그러나 광영양성 와편모류인 P. minimum의 밀도는 수온이 6℃ 상승할 경우에 증가하였고, 밀도 값도 높아졌다. 따라서 시화호에서 6℃의 수온상승은 S. costatum보다 P. minimum 에 더 호의적인 조건일 것이다. 더불어 2010년에 수온이 6℃ 상승하였을 때 PLD의 밀도가 증가하였지만 2011년에는 증가하지 않았다. 이는 온도조건 외에 먹이의 농도 등에 의한 영향이 PLD 밀도의 변화에 영향을 준 것으로 판단된다. 그러므로 저 수온시기에 6℃의 수온상승은 식물플랑크톤과 원생동물플랑크톤의 종 수준에서 다르게 영향을 줄 것으로 판단된다.

I investigated responses by phytoplankton and heterotrophic protists collected from Shiwha Bay, Korea in the cold seasons to water temperature increase. Water samples were collected in November 2010 and March 2011 and distributed eighteen 10-liter incubation bottles. To explore nutrient effects simultaneously, I added nutrients to nine bottles, while I did not add nutrients to the rest bottles. Three enrichment bottles and three non-enrichment bottles were placed a incubation chamber maintaining the temperature at the time when the water samples were collected. Another 3 enrichment and 3 non-enrichment bottles were placed in another chamber maintaining a temperature 2℃ higher than in-situ temperature, and the other 3 enrichment and 3 non-enrichment bottles were placed in the other chamber maintaining a temperature 6℃ higher than in-situ temperature. I took 300-ml aliquotes from each bottles on the daily basis for 15 days and then analyzed the abundances of phytoplankton and heterotrophic protists, chlorophyll concentration, the concentrations of nitrate+nitrite, ammonia, phosphate, and silicate.

The water temperature in November 29, 2010 was 6.7℃, and thus I established 6.7℃, 8.7℃, and 12.7℃ for the target temperatures. In the non-enrichment bottles, the chlorophyll concentrations in these 3 different temperatures did not markedly change with increasing elapsed incubation time. However, in the enrichment bottles, the chlorophyll concentrations at all 3 different temperatures. Furthermore, the magnitude of the increase at 12.7℃ was considerably greater than that at 6.7℃ or 8.7℃. This evidence suggests that non-enrichment conditions and the 2℃ elevation of in situ temperature, 6.7℃, may not affect the chlorophyll concentration, while the 6℃ elevation may affect it.

The water temperature in March 5, 2011 was 4.3℃, and thus I established 4.3℃, 6.3℃, and 10.3℃ for the target temperatures. In the non-enrichment bottles, the chlorophyll concentrations in these 3 different temperatures increased with increasing elapsed incubation time. The magnitude of the increase at the higher temperature was considerably greater than that at the lower temperature. Similarly, in the enrichment bottles, the chlorophyll concentrations at all 3 temperatures increased. The magnitude of the increase at the higher temperature was considerably greater than that at the lower temperature. This evidence suggests that under both non-enrichment and enrichment conditions, both 2℃ and 6℃ elevation of in situ temperature, 4.3℃, may affect the chlorophyll concentration.

Diatoms dominated the phytoplankton assemblages in these two experiments. Skeletonema costatum, Chaetoceros spp., and Thalassiosira spp. were the dominant diatom species in the experiment of November 2010. In the non-enrichment bottles, with increasing elapsed incubation time, the abundance of total diatoms did not change at 6.7℃, but the abundance clearly increased at 8.7℃, while that decreased at 12.7℃. In the enrichment bottles, the abundance of total diatoms at 6.7℃ and 8.7℃ increased, whereas the abundance at 12.7℃ increased and then decreased. The abundance of S. costatum, the most dominant species, had a pattern similar to that of total diatoms. This evidence suggests that the small water temperature elevation (i.e. 2℃) may increase the abundance of the cold water populations of S. costatum, whereas the large water temperature elevation (i.e. 6℃) may lower or may not affect them.

In the water samples collected in November 2010, Heterocapsa rotundata, Heterocapsa triquetra, and Prorocentrum minimum were the dominant phototrophic dinoflagellates. In the non-enrichment bottles, with increasing elapsed incubation time, the abundance of Prorocentrum minimum did not change at 6.7℃, but the abundance clearly increased at 8.7℃and 10.7℃. In the enrichment bottles, the trend in the abundance of P. minimum was similar to that in the non-enrichment bottles, but the magnitude of the increase enrichment bottles was greater than that in non-enrichment bottles. However, in both non-enrichment and enrichment bottles, te abundance of Heterocapsa triquetra decreased at all 3 different temperature. In particular, the magnitude of the decrease at the higher temperature was greater than that at the lower temperature. This evidence suggests that a water temperature elevation may increase the abundance of the cold water populations of P. minimum, while that may lower the abundance of the cold water populations of H. triquetra.

In the water samples collected in March 2011, H. rotundata and H. triquetra were the dominant phototrophic dinoflagellates. In both non-enrichment and enrichment bottles, with increasing elapsed incubation time, the abundance of H. rotundata and H. triquetra decreased at all temperature. This evidence suggests that a water temperature increase may not affect or lower the abundance of the cold water populations of H. rotundata and H. triquetra.

In the water samples collected in November 2010, the heterotrophic dinoflagellates Amphidinium longum, Pfiesteria piscicida and Pfiesteria-like dinoflagellates (hereafter PLDs), and Protoperidinium bipes were the dominant heterotrophic protists. In the non-enrichment bottles, with increasing elapsed incubation time, the abundance of PLDs did not change at all 3 different temperatures. However, in the enrichment bottles, the abundance of PLDs increased only at 12.7℃. In both non-enrichment and enrichment bottles, with increasing elapsed incubation time, the abundance of A. longum and P. bipes decreased. This evidence suggests that a water temperature increase up to 12.7℃ may increase the abundance of the cold water populations of PLDs, but may not affect that of A. longum and P. bipes.

In the water samples collected in March 2011, PLDs and naked ciliates were the dominant heterotrophic protists. In both non-enrichment and enrichment bottles, with increasing elapsed incubation time, the abundances of PLDs and naked ciliates decreased at all 3 different temperatures. This evidence suggests that a water temperature increase up to 10.3℃ may not affect that of PLDs and ciliates.

Based on the results of the present study, I concluded that the water temperature elevation of 6℃ clearly increased the chlorophyll concentrations of the cold season populations of phytoplankton, whereas the water temperature elevation of 2℃ sometimes increased. At the species level, the abundance of the diatom S. costatum at the 2℃ elevation increased, but the abundance at the 6℃ elevation decreased or did not change. However, the abundance of the phototrophic dinoflagellate P. minimum increased at the 2℃ increase, and furthermore the abundance also increased with a greater magnitude. Thus, 6℃ water temperature increase in Shiwha Bay may give a favor for P. minimum over S. costatum. Additionally, water temperature elevation by 6℃ in 2010 increased the abundance of PLDs, but the elevation in 2011 did not clear increased it. This evidence suggests that factors other than temperature such as prey concentrations may affect the variation in the abundance of PLDs. Therefore, water temperature elevation by 6℃ may give differential effects on the cold season populations of the phytoplankton and heterotrophic protists at the species level.