흰다리새우 양식에 사용되는 저염도 지하수(LSWW)의 미네랄 결핍을 보충하기 위해 사료 보충제가 사용되어 왔다. 그동안 양식수의 칼륨 수치를 높이기 위해 사용되었던 미네랄 보충제(K-mag 나 칼륨 비료등)는 양식 비용을 상승시켰다. 이전 실험실 연구에 의하면 킬레이트 칼륨의 사료 보충은 저염도에서 양식되는 태평양 흰다리새우(Litopenaeus vannamei)의 성장율을 개선시키지만 생존율을 개선시키지는 못하는 것으로 알려져 있다. 이 실험 결과가 현장에서도 같은지 확인하기 위해 양식장 물을 사용하여 유수식 실외 탱크에서 두 번의 성장 실험이 수행되었다. 1 차 실험 (6 주 진행)에서는 한 탱크에는 킬케이트 칼륨이 첨가된 사료를 다른 탱크에는 칼륨을 추가하지 않고 진행했다. 칼륨을 사료에 보충해준 탱크는 저스트레스 환경(LSE)으로 간주되고 칼륨을 보충해주지 않은 탱크는 고스트레스 환경(HSE)으로 간주된다. 결과는 적절한 이온 분포가 없는 (즉, HSE) 환경에 칼륨이온의 보충이 태평양 흰 다리 새우의 성장 또는 생존을 향상시키지 못했다. 계속해서 저스트레스 환경(LSE)에서 9주동안 성장 실험을 수행했다. 사료는 기본 사료, 0.5 % 킬레이트 칼륨(K+) 첨가사료, 1.0 % 킬레이트 칼륨(K+) 첨가 사료 또는 0.4 % 아르기닌으로 보충된 사료를 사용했다. 결과는 만족할 만한 성과는 아니지만 킬레이트 칼륨의 사료 첨가가 성장율을 향상시키는 유의한 효과가 관찰되었다. 이 실험의 결과는 내륙 저염도 지하수를 이용한 태평양 흰다리새우 양식에 킬레이트 칼륨의 첨가를 정당화하지는 않는다. 칼륨의 보충 효과는 염분을 함유한 양식수의 Na:K 그리고 Cl:K 비율을 맞추기 위해 사용할 때 더 나은 성장율과 생존율이 관찰되었다.
내륙에서 저염도 지하수(LSWW)를 이용한 새우 양식이 미국을 비롯한 전 세계적으로 성장하고 있다(Boyd and Thunjai 2003: Saoud et at. 2003: McNeivin et al. 2004). 해수 어종의 내륙 양식이 바람직한 몇 가지 이유가 있는데, 생물 안전(Biosecurity), 비용절감 그리고 농업용수로는 부적절한 염분수의 이용이다. 그러나, 이전의 연구에 의하면 내륙의 지하수의 염분농도는 대부분 매우 낮고 이온 분포도도 바닷물과 매우 다르다(Boyd and thunjai 2003; Saoud et at. 2003). 더구나 칼륨(K+) 성분은 대부분 부족하다(Boyd and Thunjai 2003: Saoud et at. 2003: McNeivin et al. 2004).
저염도 문제는 많은 경우 필요한 이온 성분을 양식수에 첨가해 주므로서 해결 가능하다. 제어 가능한 실험실 환경에서 칼륨 성분의 부족은 염화칼륨(KCl)를 사육수에 첨가해 주므로서 해결 가능하다(Davis et al. 2005). 상업용 양식장에선 염화칼륨, K-Mag 등을 추가해주므로 해결이 가능하다. 그렇지만 많은 양의 칼륨 보충은 비용이 많이 든다. 수확을 위해 물을 빼거나 비로 인해 오버플로우 되는 경우 더욱 그렇다. 저염도 환경에서 새우의 삼투현상을 조절하기 위한 또 다른 방법으로 영양제를 추가할 수도 있다(Gong et al. 2004; Roy et al. 2006). 아르기닌(Arginine)이 이러한 영양제중이 하나인데 삼투압을 조절하기위해 나트륨-칼륨을 보내는데 필요한 고에너지 ATP 세포를 조절하기위해 필요한 인산화 작용을 돕는다(Lucu and Towle 2003). Gong et al. (2004), Saoud and Davis (2005)는 칼륨과 에너지 화합물을 저염도 양식의 해결책으로 제시하였다. 칼륨을 킬레이트 상태로 사료에 첨가하므로 저염도 양식의 실험실 규모에서 성장이 개선되었음이 보고되었다(Roy et al. 2007). 본 연구에서는 아르기닌과 칼륨(아미노산과 킬레이트된)의 사료 보충이 태평양 흰다리 새우의 실제 외지 저염도 양식에서의 효능에 대해 알아보았다.
방법
이 과제는 2005년과 2006년 웨스트 알라바마에 위치한 저염도 지하수를 사용하는 2개의 양식장에서 실시하였다. 하나의 실험탱크는 염화칼륨을 투입하여 부족한 이온을 보충하였고 이를 저 스트레스환경(LSE)로 지정하였다. 다른 실험탱크는 아무것도 투입하지 않았고 고 스트레스환경(HSE)로 지정하였다. 각 탱크는 원형으로 (용량 600리터, 표면적 =0.8m2) 양식장 옆에 설치하였다. 물은 양식장에서 지속적으로 펌핑하여 각 실험탱크를 지나 가운데 스탠드 파이프를 통해 다시 양식장으로 돌아가는 구조이다. 실험탱크에는 링블로워로 각 탱크 당 2개의 디퓨저를 통해 산소를 공급하였다. HSE 탱크의 물은 염분 3.0PPT, 칼륨이온(K+) 7.5mg/L(Na:K 비율 = 158.3:1) 였다. LSE탱크의 물은 염분 1.4 PPT 칼륨이온(K+) 8.3mg/L(Na:K 비율 = 44.3:1) 였다. 오번 알라바마에 위치한 오번 대학의 수생물 영양 실험실에서 4가지 사료를 제조하였다. 사료는 단백질 35.2% 지질 8% 였다(Table 1). 두 가지 사료에는 아미노산과 결합된 20% 킬레이트 칼륨(chelated Minerals Corporation, Salt Lake City, Utah)을 첨가하여 하나는 0.5% 하나는 1%로 하였다. 다른 하나의 사료에는 0.4%의 아르기닌을 첨가하였다.
실험1 – 태평양 흰다리새우 치하(무게 = 0.10g)를 각 양식지에 같은 날 8개 탱크에 (20마리/탱크) 입식하였다. 각 양식지의 4개의 탱크에는 기본 사료만 주었고 다른 4개의 탱크에는 칼륨 1%짜리 사료를 주었다. 사료량은 FRC 1.75기준, 새우가 1g까지 자라는 동안 2배로 성장하는 기간을 3~4일로 기준하였다. 그 후로는 성장율 1g/주로 가정하였다. 실험을 시작한 후 6주후에 수확하여 개체수를 세고 중량은 그룹으로 측정하였다. LSE 탱크의 수질은 DO 농도는 10.40±3.9mg/L, 수온 29.6±2.1°C, PH 8.7±0.3, 염도 1.4±0.11‰, 암모니아 0.72±0.23 였다. HSE의 수질은 DO 농도는 10.58±3.7mg/L, 수온 28.9±3.0°C, PH 8.2±0.2, 염도 3.0±0.15‰, 암모니아 0.64±0.23 였다.
실험2 – 두번째 실험은 같은 시스템의 LSE에서만 실시하였다. 이 실험은 칼륨 이온의 농도가 미치는 영향과 아르기닌의 추가가 성장과 생존율에 미치는 영향에 대한 판단을 하기 위함이었다. 태평양 흰다리 새우 치하 20마리(무게=0.34g)를 각 16개 탱크에 입식 하였다. 4가지 종류의 사료를 무작위로 선택된 4개의 탱크에 투입되었다. 사료량은 실험1에서와 같은 방법으로 계산하였다. 9주후에 수확하여 개체수를 세고 무게를 그룹으로 측정하였다. 폰드의 물을 시작할 때 와 실험 끝난 시점에서 채취하여 칼륨 농도와 삼투질 농도를 분석하였다. 각 탱크에서 새우 샘플을 채취하여 혈림프를 분석하여 칼륨농도와 삼투질 농도를 측정하였다. 수질은 DO 농도는 7.24±1.16mg/L, 수온 30.7±2.42°C, PH 9.7±2.8, 염도 1.3±0.03‰ 로 매일 측정하였고 흰다리 새우양식에 적절한 수준을 유지하였고 암모니아 0.75±0.32 로 일주일 간격으로 측정하였으면 양식에 적절한 농도로 유지하였다.
삼투질 농도와 칼륨 농도 분석 – 폰드 물과 혈림프 삼푸질 농도가 Vapor Pressure Osmometer(Wescor, Logan, Utah; 5100C)를 이용하여 측정되었고 단위는 micromoles/kg으로 보고되었다. 물 이온 분석은 ICAP 분광계(Clesceri et al. 1998)를 이용했고 칼륨이온 농도는 Digital Flame Photometer(Cole Parmer, Vernon Hills, Illinois; Model 2655-00)을 이용하여 측정하였다.
체내 미네랄 성분 – 실험 1에서 통째로 말린 새우를 채취하여 산으로 녹인 다음 오번 대학의 실험실에서 ICAP 분광계를 이용하여 미네랄 성분을 분석하였다.
결과 및 토론
두 양식지의 수질은 모두 해양수와 다르고(Table 2), 그로 인해 새우의 성장과 생존율이 다를 것이다. 칼륨의 사료첨가가 새우의 성장율과 생존율에 영향을 끼치지는 않았다(Table 3). 이 결과는 양식수의 이온 종류의 효과를 증명해 준다. 이러한 효과가 단지 사료첨가제로 개선되지 않는다. HSE 에서의 염도(3.0 ‰)가 LSE 에서의 염도(1.4‰)보다 높았지만 염도가 새우의 성장과 생존율에 영향을 끼치지는 않았다. 두 양식지의 칼륨이온 농도는 유사했다(7.5 와 8.3mg/L); 하지만 HSE 의 Na:K 비율(158:1)이 LSE 의 비율(44:1)보다 높았다. 이로 인해 새우의 건강에 해로운 영향을 끼친 것으로 가정된다(Table 2). 비록 여러 연구 저자들이 새우 건강에 칼륨 이온의 영향에 대해 기술 했지만 대부분이 경우 양식수의 이온 발란스(Na:K 비율)가 칼륨 농도보다 더 중요하다는 것에 대해 간과 하거나 강조하지 않았다. Boyd and Thunjai (2003)의 보고에 의하면 내륙의 저염도 지하수의 칼륨 농도는 비슷한 염도를 가지는 바닷물을 희석수에 비해 낮다; 그들은 칼륨을 양식수에 첨가해 주는 것이 생산량을 향상시킨다고 제안했다. Zhu et al(2004)는 인공 해수에서 여러가지 Na:K의 비율이 태평양 흰다리 새우의 치하 성장과, 사료 섭취율, 에너지 할당에 많을 영향을 끼치는 것을 발견했다고 했다. Zhu et al(2004)는 또한 태평양 흰다리 새우 치하의 성장에 가장 적절한 Na:K의 비율은 40:1 ~43:1이라 제안했고, 150:1 이상이면 새우 건강에 해롭다고 했다. 그들의 결과가 이번 실험을 통해 확인되었다. HSE의 Na:K 비율은 158:1 이었고 LSE에서의 비율은 44.3:1 이었다. 더구나 우리 연구실에서 실행된 지난 연구에서 Roy(2006)는 태평양 흰다리 새우의 생존울이 Na:K의 비율이 68:1, 48:1, 29:1에 비해 119:1에서 현저히 낮은 것을 확인했다.
양식수에서 Na+ 과 Cl– 에 비해 칼륨(K+)이 낮은 경우 아가미 기저 세포에 이온 발란스를 망가트려 전기화학적 정체를 복원하기 위해Na+-K+ ATPase 활동을 증가시키다. 이런한 불균형은 또한 Na-K-2Cl 공동 운송체계를 교란시켜 Na+ 과 Cl– 의 분리현상을 일으킨다. 균형을 유지하기 위해서는 기저세포 측의 K+ 레벨은 인터셀룰라 K+로부터 보충되어야 하는데 이는 수중에서 디퓨져로 공급되거나 먹이로 공급되어야 한다. Na:K 혹은 Cl:K 비율의 불균형은 결과적으로 혈림프의 칼륨 농도에 영향을 끼친다. 혈림프에서 낮은 칼륨(K+) 농도는 신경근의 기능에 영향을 끼친다(Robertson 1960). 이러한 연구결과로 칼륨 농도가 낮은 물에서 양식된 새우가 무기력증이나 복부경련 현상을 겪는 것이 설명된다. 칼륨(K+)이 물에 첨가되면 이러한 스트레스 현상이 수일 내에 호전된다(저자의 개인적인 경험). 그러나 칼륨을 사료에 첨가할 경우에는 물에 전달되는 효율이 떨어져 Na:K 비율 조절이 어렵게 된다. 실험 1의 결과를 보면 물에서의 칼륨 농도는 영향이 미미했지만 새우 체내 칼륨 농도는 올라갔다(Table 4). 새우의 혈림프에서 칼륨 농도는 모든 실험에서 물에서의 칼륨 농도나
사료의 칼륨 농도와 상관없이 모두 비슷하게 나타났다. 이러한 결과는 당연하게 근육이나 신경 기능과 세포막 통과 압력 유지에 칼륨의 중요성을 나타낸다.
실험2에서(Table 5) 생존율, 성장률, 사료효율 등은 변화가 없었다. 아르기닌의 첨가가 성장률을 개선시기거나 생존율을 증가시키지 않았다. 사료에 칼륨의 추가가 새우의 혈림프에서 칼륨 농도를 증가시키지 않았다. 그러나, 칼륨(K+ ~8meq/L) 레벨이 주변 물의 칼륨 레벨에 비해 강하게 조정되었다. 비슷한 결과가 Dall and Smith(1981)의 연구에서 4 종류의 Austrailian penaeid shimp 대상으로 보고 되었다. 하지만 Dall and Smith의 연구는 희석된 해양수를 대상으로 하여 Na:K와 Cl:K의 비율이 좀 더 새우 양식 환경에 적합한 경우였다. 이번 연구에서 새우에게 강하가게 또
이번 실험 결과는 태평양 흰다리 새우는 강한 삼투압 조절형으로 나타났다. 하지만 이를 광염성으로 해석해서는 안된다. 비록 태평양 흰 새우가 다양한 염분 농도를 수용할 수 있지만 최하 염분 농도는 종에 따라 다르고(Saoud et al. 2003), 양식수의 이온 성분 분포에 따라 다르고(Zhu et al. 2004; Davis et al. 2005; Roy 2006) 포스트라바의 순치에 따라 다르고(Saoud et al. 2003; McGraw and Scarpa 2004), 수온에 따라 다르다(Tsuzuki et al. 2000). 어쨌든, 이번 내륙 저염도 새우양식에서 칼륨의 사료첨가는 새우의 삼투압 조절에 영향을 끼치지 않은 것 같다.
비록 아미노산으로 킬레이트된 칼륨을 사료에 첨가해준 것이 유이한 효과를 가져다주지는 않았지만, 이번 결과와 다른 두 번의 실험실 실험에서(Roy 2006; Roy et at. 2007) 살펴보면 칼륨 성분 추가가 성장율 증가에 영향을 끼쳤다는 것을 알 수 있었다. 1.0%의 킬레이트 칼륨을 사료에 첨가했을 때 NaCl, MgCl2 그리고 0.5%의 킬레이트 칼륨을 첨가했을 때보다 새우 성장율이 향상되었고, 생존율에는 변함이 없었다(Roy et al. 2007). 하지만 KCl을 사료 첨가제로 사용했을 때는 태평양 흰 새우의 성장율, 생존율, 삼투압 조절에 효과가 없었다. 이는 킬레이트 칼륨 사용이 약간의 혜택을 줄 수 있는 것을 의미한다. 사료에 킬레이트 칼륨을 첨가하는 것은 순치 기간 후 얼마 동안만 삼투압에 대한 스트레스에 도움이 된다. 내장을 통한 섭취된 칼륨은 많은 양이 주변 물로 용출되고 새우는 주변 물보다 높은 칼륨 농도의 혈림프내 칼륨을 유지하기 위해 많은 에너지를 사용해야 한다. 실외에서 행해진 이번 실험에서 결과의 차이가 미미한 또다른 이유는 칼륨이 먹이로부터 보충되어 약간의 부족함을 메워주었던 것도 있을 수 있다. 약간의 결과는 있었지만, 이번 결과가 내륙 저염도 새우양식에 있어서 칼륨성분의 사료 보충제로의 사용을 정당화하지는 않는다. 칼륨 성분은 양식수에 첨가하여 Na:K 혹은 Cl:K의 비율을 조절할 때 새우의 성장율과 생존율을 향상시키는 데 유리하다.