○ 해양생물 복합배양시스템 (LMB)은 해양바이오 산업 소재 공급을 위해 생물소재를 안정적 으로 배양할 수 있도록 구축된 시스템으로 부차적으로 관광산업과 용암해수산업과의 융합 을 통한 경제적 창출을 목적으로 하고 있음
○ 이 시스템은 고기능성 식의약품의 원료 생산기술 개발에 이용될 생물자원의 복합배양에 활용될 것으로 기존 aquarium 전시수족관을 보다 조명, 물의 흐름, 배양을 목적으로 하 는 생물의 생리생장에 적합한 사육환경조건을 유지할 수 있는 수질관리시스템 등이 안정 적으로 호환될 수 있게 설계되어야 할 것임
가 . 배양시스템
■ 취수시설
○ 용암해수는 화산암반층에 의해 자연여과되어 수심 200 m이하에 존재하는 해수로서 육지 부 지하관정으로 취수 및 관리가 가능하며, 취수 후 특별한 여과없이 저수조로 보낼 수 있음
■ 메인 수조
○ 메인 수조는 사육수를 안전하게 수용할 수 있고 장기간 생물을 배양하는데 불편함이 없 고, 내구성이 강해야 하며, LMB 시스템의 부차적인 목적에도 부합할 수 있는 관람기능을 연계할 수 있는 디스플레이 기능을 부여할 수 있는 재질이 선택되어야 함
○ 최근 생물을 안정적으로 배양하는데 강도의 면과 디스플레이 기능을 부여할 수 있는 투명 성있어야 하는 재질로 아크릴 투명 판재는 현재까지 가장 적합한 재질로 평가되고 있음.
현재 배양수의 용량에 따라 아크릴 접합판재의 두께가 증가시키는 기술들이 개발 되고 있 음. 이 LMB 시스템에서 배양수의 저장 용량에 알맞은 판재의 두께가 결정돼야 할 것임
[그림 3-36] 아크릴을 이용한 aquarium 메인수조
■ 여과 시스템
○ 취수정에서 펌프를 이용하여 올린 물은 저수조가 없이 바로 사육수조로 보내는 직결식 배 관방법이 있지만 사육수조내의 수압조정을 균일하게 유지하는 문제나 여과의 필요성이 있 는 곳 또는 지하해수와 자연해수를 혼합하여 적절한 수온으로 조정한다든지 용존산소량이 부족된 물에 산소공급을 위하여 저수조를 설치하는 경우가 많음
○ 저수조의 규모는 종전에는 펌프의 고장, 정전 등 불시의 사고에 대비하여 대규모의 저수 조를 시설하는 예가 많았지만 근래에는 전체 사육수조의 실수량의 3% 정도의 범위로 비 교적 작게 만들어 사용함
○ LMB는 복합배양시스템으로 해조류, 무척추동물 등 다양한 종의 혼합사육이 가능한 기능 을 부여해야 하는 과제가 있음. 따라서, 안정적인 여과시스템이 갖추기 위해 기계적 여과, 화학적 여과 그리고 생물학적 여과의 물처리가 진행될수 있는 순환여과시스템이 마련되야 할 것임
○ LMB에서 올바른 여과 시스템의 선택은 배양목적생물의 종과 생물의 양이 중요한 관건 임. 여과 시스템은 배양수에서 조류 파편, 사료, 배양 대상종의 대사산물 등의 유기물과 독성 화합물을 제거하여 수질을 유시시키는 역할을 함. 이 시스템에서는 배양목적 종과 양에 따라 수질을 효율적으로 관리하기 위해서는 선택적으로 기계적 여과, 화학적 여과 그리고 생물학적 여과 기능을 가동해야 할 것임
∙ 기계적 여과는 사육수로부터 입자상 물질을 제거하는 과정임. 이를 위해, 사육수조에서 물속의 작은 입자를 여과제에 흡착시켜 제거 할 수 있도록 설계됨. 소규모의 사육수조 에는 filter loss, pad, micron paper pleats 그리고 diatomaceous earth 등이 이용되지 만 대용량의 사육규모에서는 고속 모레 여과시스템이 적절함
∙ 화학적 여과는 배양수를 화학 필터제나 수지를 통과시켜 독성을 제거하는 과정임. 이 과정을 통해 부영양화 물질을 제거하여 수질을 개선하는데 효과를 얻을 수 있음. 그러 나 화학적 여과의 처리이전에 물변화의 화학적 조성변화를 모니터링 하여 처리여부를 결정하는 것이 경제적으로 효과적인 물관리 방법이 될 것임.
∙ 생물학적 여과는 박테리아를 이용하여 질소 순환과정을 일어나게 하여 여과하는 과정 임. 생물학적 여과시스템에서 유독물질은 박테리아에 의해 암모니아→ 아질산→아질산 염→질산→탈질화의 과정으로 진행됨
모래여과기 외부형태 모래여과기 모식도
[그림 3-37] 모래여과기
○ 이와 같은 과정을 ‘질소 순환’이라고 하는데 제대로 작동하려면 생물학적 여과시스템 내에 서 박테리아가 충분히 증식할 수 있는 산소 공급이 이루어져야 함. 생물학적 필터의 용량 은 박테리아 성장 및 물이 산소를 충분히 함유가 가능한 표면적에 의해 결정됨
[그림 3-38] 박테리아 조성을 위한 다양한 생물학적 여과제
■ 사육수의 흐름
○ LMB 시스템에서 서로 적정 유속을 다를 수 밖에 없는 해조류, 무척추 동물에 접합적인 유속이 설계되야 할 것임. 현재, 산호수조인 경우 일반적으로 제시되고 있는 적정 회전률 은 시간당 수조 용량의 10배 정도의 유속이 요구됨. 산호 Acropora와 Montipora와 같은 종은 30~40회 이상의 회전률에서 잘 번식하고, 유속이 적당하지 않으면 적정 생장이 일 어나지 않음.
○ 유속은 가스 교환률을 결정하는 중요한 척도이므로, LMB 시스템에서 주요 배양 대상종 중에 하나인 해조류의 광합성과 호흡에 적합한 유속환경이 조성되어야 할 것임. 현재, 실 험실적 규모에서 해조류 배양에 적정 유속에 대한 정보는 매우 미미하므로, 향후 실험을 통해서 적정유속이 구명되고, 적용되어야 할 것으로 판단됨.
■ 조명
○ 메인 수조의 조명은 배양되고 있는 생물 생장에 적합한 파장과 관람하는 관람객의 시각에 적합한 접점을 찾아 설치되어야 함. 최근 조명기술의 발달로 조명기기는 다양화되고, 경제 적으로 효율적인 제품이 출시되고 있음. 그러나 아쿠아리움 배양시스템용 전용 조명기기 의 개발은 이루어지지 않고 있음. 이에 따라 각 생물이 원하는 적정 파장을 고려한 광설 계와 적용이 필요함.
○ 지금까지 조명기기 중 메탈램프 (metal halide lamps)를 활용한 제품이 많이 애용되어 왔 으나 내구성이 낮고, 발열량이 높은 단점이 있음. 최근 발광 다이오드 (LED) 기술의 발전 으로 해양생물 배양수조에 적용할 수 있는 형태로 발전되고 있음.
○ LED기반 조명 시스템은 기존 조명에 비해 초기 비용이 훨씬 높지만, 전력을 덜 소모되는 장점과 훨씬 더 긴 수명을 가지고 있기 때문에 장기적으로 경제적으로 효율적임. 또한 LED 시스템은 매우 작은 전구 수백개가 한 모듈을 이루어 제작되기 때문에 해양생물의 적합한 파장대의 광설계가 가능하고, 컴퓨터 시스템을 통한 일출 및 일몰 시간 해양생물 이 필요로 하는 파장대의 시뮬레이션 출력을 제어 가능함. 그리고 생물의 생리대사를 고 려한 달빛과 달의 위상을 시뮬레이션 할 수 있는 능력을 가짐.
○ LMB에는 자연조건에 가까운 환경이 조성이 되어 대상생물의 적합한 생리생장을 유도할 수 있는 조건이 구현되어야 함. 이러한 점에서 LED를 활용한 광설계는 생물의 생리대사,
나 . 어류 종 선택
○ LMB에는 고기능성 식의약품의 원료 생산기술 개발에 이용될 생물자원의 복합배양에 활 용될 것으로 다양한 생물이 생리대사에 적합한 조건이 조성돼야 하므로 접점의 배양조건 을 갖추어야 함.
○ 어류의 경우 인공사료공급으로 단백질 생산용 어류가 사육될 경우 해조류 및 다른 해양생 물의 사육조건에 접점을 찾기 힘듦. 따라서 크기성장이 빠른 어류의 사육을 지양하고, 관 상목적의 관광산업 연계 및 생명공학연구 소재로 활용 기대가 있는 종이 적합하며, 16~18℃
범위의 용암해수 수온조건에 사육이 적합한 종이 목표종이 되어야 함.
○ 따라서, LMB에서 운용목적을 고려한 어류 배양은 아열대성으로 남해와 동해로 서식지역 을 확장하고 있는 1) 제주 토속 해수관상생물개발, 2) 생명공학연구소재로 활용을 위한 범위 설정이 적합할 것임. 위 목적을 달성하기 위해 적합한 어종은 다음과 같음.