2.1 조사지점

우포늪은 경상남도 창녕군(유어면, 이방면, 대합면, 대지면)에 위치한 우리나라에서 가장 오래된 내륙습지로, 총 수면의 면적이 2.3 km²(230 ha)에 달하는 대한민국 최대의 자연습지다(^{Lee et al., 2011}). 우포늪은 우포(1,278,285 m²), 목포(530,234 m²), 사지포 (364,731 m²), 쪽지벌(139,626 m²), 산밖벌(192,250 m²)로 이루어져 있으며, 이 중 가장 면적이 넓은 우포늪을 대표적으로 호칭한다(^{Kang et al., 2007}; ^{Lee et al., 2011}). 우포늪은 2011년에 천연보호구역으로 지정되었고, 2012년에는 습지개선지역으로 지정되어 기존 8,540 km²에서 7 km²가 확장된 8,547 km² 지역이 습지보호지역으로 변경되었다(^{Lee et al., 2011}). 1998년 3월에 우리나라에서는 두 번째로 람사르 협약에 의한 물새의 서식지로 등록되었다(^{Lee et al., 2011}).

2.2 퇴적물 채취

우포늪의 퇴적층에 저장 및 격리되어 있는 돌말류의 확보를 위한 퇴적토 채취는 2017년과 2023년에 수행되었으며, 퇴적토 채취를 위한 시추는 공경이 NX 규격(75.4 mm)인 시추장비를 이용하여 회전 무수방식으로 시추를 하였으며, 시추 심도는 기반암 또는 기반암 풍화대가 출현하는 심도까지 시추를 실시하였다. 시추는 우포늪의 3개 지점(UPW17-01, 02 and 03)에서 실시되었으며(Fig. 1, Table 1), 현장에서 획득된 시추 시료는 건조 및 산화를 방지하기 위해 진공 포장하여 실험실로 운반하였다. 운반된 시추코어는 nylon string을 이용하여 세로로 절반을 절단하였으며, 분무기와 솔 등을 사용하여 시료의 단면을 정리하였으며 이후, 10 cm 간격으로 퇴적물 시료를 채취 후 유리 vial에 보관하였다.

Fig. 1. Location of the core sampled in the Upo wetland, South Korea.

2.3 퇴적물 내 돌말류 검경

실험실로 운반된 퇴적물은 미량저울(OHAUS CO., USA)로 20 g을 측정하여 50 mL conical tube에 옮겨 담았다. 퇴적물을 옮겨담은 tube에 Ludox 시약(Ludox-HS 40, Sigma Aldrich)을 50 mL까지 채워 넣은 후 교반하였다. 교반은 conical tube 내부의 퇴적물이 Ludox 시약에 완전히 풀어져 퇴적물 내에 돌말류 세포가 Ludox 시약에 노출되도록 진행하였다. 교반이 완료된 샘플은 2,000 rpm에서 15분 동안 원심분리하여 퇴적물 입자와 돌말류 세포를 층분리 하였다. 원심분리가 완료된 시료의 상등액을 20 μm 체(sieve)에 옮겨 담아 돌말류 세포를 걸러냈다. 돌말류 세포는 Ludox 시약을 제거하기 위해 증류수로 세척하였으며, 최종적으로 돌말류 세포를 증류수 10 mL에 농축하여 20 mL 갈색 유리병(vial)에 옮겨 담았다. 돌말류 세포는 1 mL를 격자무늬 Sedgwick-Rafter chamber (SR chamber)에 분주한 후 1,000개 칸을 모두 관찰하였다. 돌말류의 형태적 특징을 분석하기 위하여 미분간섭현미경(Differential Interference Contrast Microscopy) (Eclipse Ni, Nikon, Japan)을 이용하여 400배와 1,000배의 배율로 형태 및 크기를 검경하였으며, 출현한 모든 돌말류에 대해 현미경용 디지털카메라(DS-Ri2, Nikon, Japan)로 사진촬영을 하였으며 세포의 장축과 단축의 길이는 innerview 2.0 (Innerview Co., Ltd, 2010, Korea) 프로그램을 이용하여 측정하였다. 또한 광학현미경으로 볼 수 없는 돌말류의 초미세구조를 보기 위하여 전계방사형주사전자현미경(FE-SEM, MIR-3, Tescan, Czech)을 통해 돌말류의 형태를 촬영하였다.

2.4 기하학적 모양과 방정식 설정

돌말류 속에 맞는 기하학적 형태와 그 형태에 따른 방정식을 만들고자 광학현미경과 FE-SEM의 화상자료를 이용하여 돌말류 형태에 적절한 기하학적 도형을 적용하고, 마지막으로 확인된 형태에 공식을 부여하여 생체량을 계산하는 방법을 사용하였다(^{CEN, 2006}). 그러나 돌말류의 치수(ex. 높이) 중 일부는 분석하는 동안 거의 보이지 않을 경우가 존재하였다. 따라서 도립현미경과 SEM 이미지 만으로는 확인할 수 없는 숨겨진 치수(HD) 경우, 외국 레퍼런스를 활용하여 반영하였다(^{Harrison et al., 2015}; ^{Olenina, 2006}). 세포의 체적에 따른 탄소량 환산은 다음식을 통해 계산하였다(^{Wetzel and Likens, 1990}).

logC = 0.758 logV - 0.422

C는 탄소량(pgC), V는 세포체적(μm³)

3.1 돌말류 형태별 체적 계산

우포늪에서 출현한 돌말류는 28속 80종으로 나타났으며, 형태별 가장 적합한 기하학적 모양과 일치 방정식을 사용하여 우포늪에 출현한 돌말류의 생체량을 결정하는데 사용할 수 있는 9가지 기본 기하학적 모양이 도출되었다(Fig. 2-3, Table 2). 타원구(Cylinder)는 방사형(Centric)을 가진 돌말류가 대부분이다. 2D로 봤을 때는 전형적인 원형을 보이며, 3D로 보면 원통형이다. 윗면(Cross section)은 원형을 가지고 있으며, 측면은 직사각형에 가깝다. 측면부(Transapical section)의 장축(a)과 높이(c)를 측정하고, 윗면(Cross section)의 장축을 측정하여 부피를 산정할 수 있다. 타원구형을 가진 대표 담수 돌말류는 Cyclotella, Melosira, Thalassiosira 속 등이 있다(^{Hoops and Floyd, 1979}; ^{Kaczmarska and Jahn, 2006}; ^{Roubeix and Lancelot, 2008}). 우포늪의 퇴적층에서는 Cyclotella, Stephanodiscus, Melosira, Thalassiosira 속이 출현하였다(Fig.2. A-D, Table 2. A). 타원체(Prism on elliptic base)형은 긴 타원 형태를 보이며 담수환경에서 흔히 출현하는 형태이다. 3D로 보면 긴 원통형으로도 보인다. 면적과 부피를 계산하기 위해서 장축(a)과 단축(b) 그리고 높이를 측정해야 된다. 타원체 형태를 가진 대표 돌말류는 Navicula, Cocconeis, Caloneis 속 등이 있다(^{Mayama and Kobayasi, 1988}; ^{Romero and Jahn, 2013}). 우포늪에서는 Caloneis, Tryblionella 속 등 총 14속이 출현하였다(Fig. 2. E-H, Table 2. B). 오뚜기(Elliptic prism with transapical constriction)형은 면적과 부피를 계산하기 위해서 장축과 단축 그리고 높이를 측정하여야 하며 Diploneis속이 이 형태를 보인다(^{Droop, 1994}). 우포늪에서도 Diploneis속이 출현하였다(Fig. 2. I-J, Table 2. C). 마름모(Prism on parallelogram base)형은 면적과 부피를 계산하기 위해서 장축과 단축 그리고 높이를 측정해야 된다. 마름모 형태로 된 돌말류는 없으나 Gyrosigma, Nitszchia속이 S자 형을 보이기 때문에 2등분을 하여 합치면 마름모 형태를 보기에 된다(^{Smida et al., 2014}; ^{Sterrenburg et al., 2015}). 우포늪에서도 Gyrosigma, Nitzschia속이 출현하였다(Fig. 2. K-L, Table 2. D). 반달(Half-elliptic prism)형의 면적과 부피를 계산하기 위해서는 장축과 단축 그리고 높이를 측정해야 된다. 대표적인 반달형태를 보이는 돌말류는 Cymbella, Encyonema, Amphora 등이 있으며(^{Mann, 1994}; ^{Pappas and Stoermer, 2003}), 우포늪에서는 Cymbella, Amphora 속이 출현하였다(Fig. 3. A-B, Table 2. E). 초승달(sickle-shaped prism)형의 면적과 부피를 측정하기 위해 장축과 단축 그리고 높이를 측정해야 된다. 초승달 형태를 보이는 대표적인 돌말류는 Eunotia, Hantzschia, Hannaea 속 등이 있으며(^{Kwon et al., 2024}; ^{Zidarova et al., 2010}), 우포늪에서는 Hanthzschia, Eunotia, Rhopalodia 속이 출현하였다(Fig. 3. C-D, Table 2. F). 삼각 프리즘(gomphonemoid)형은 2D로 봤을 때 쐐기형태를 보이며 3D로 봤을 때 구두굽 모양을 보인다. 면적과 부피를 계산하기 위해 장축과 단축 그리고 높이를 측정해야 되며 대표적인 돌말류속은 Gomphonema, Gomphoneis 속 등이 있으며(^{Fránková et al., 2009}; Kwon 2024), 우포늪에서는 Gomphonema, Rhoicosphenia 속이 출현하였다(Fig. 3. E-G, Table 2. G). 아령(2 cylinders + elliptical prism)형은 1개의 원기둥에 2개의 원이 양쪽에 붙어 있는 모양을 보이는 형태로 면적과 부피를 계산하기 위해 장축과 단축 그리고 높이를 측정해야된다. 대표적인 돌말류는 Pinnularia속이 있으며(^{Ciniglia et al., 2007}), 우포늪에서도 Pinnularia속이 출현하였다(Fig. 3. H-I, Table 2. H). 마지막으로 원통(cylinder girdle view)형은 2D로 봤을 때 cylinder 형태처럼 원형을 보이지만 3D로 봤을 때 긴 원통형을 보이는 형태이다. 면적을 계산할 때는 장축과 단축을 측정하면 되고 부피는 높이도 측정하면 계산 할 수 있다. 대표적인 돌말류는 Aulacoseira속이 있으며(^{Wang et al., 2017}), 우포늪에도 Aulacoseira속이 출현하였다(Fig. 3. J-K, Table 2. I).

Table 2. Basic geometric shapes and formulas for calculating diatoms’ biovolumes

	Shape	3D shape	2D shape	Calculation (Volume, Area)	Genus
A	cylinder				Cyclotella Melosira Stephanodiscus Thalassiosira
B	prism on elliptic base				Hantzschia Tryblionella Caloneis Cocconeis Navicula AchnanthesAnomoeoneis Neidium Suriella Fragilaria Cymbopleura FrustuliaEncyopsis Stauroneis
C	elliptic prism with transapical constriction				Diploneis
D	prism on parallelogram base				Gyrosigma Nitzschia
E	half-elliptic prism				Amphora Cymbella
F	sickle-shaped prism				Eunotia Rhopalodia
G	gomphonemoid				Gomphonema Rhoicosphenia
H	2 cylinders + ellipiticprism				Pinnularia
I	cylinder girdle view			V A +)	Aulacoseira

Fig. 2. The shape of diatoms biovolume (A-D; cylinder type, E-H; prism on elliptic base type, I, J; elliptic prism with transapical constriction, K, L; prism on parallelogram base).

Fig. 3. The shape of diatoms biovolume (A, B; half-elliptic prism, C, D; sickle-shaped prism, E-G; gomphonemoid, H, I; 2 cylinders + ellipiticprism, J, K; cylinder girdle view).

3.2 돌말류 형태별 체적 및 탄소량 비교

우포늪 퇴적층에서 출현한 돌말류 80종의 평균 체적은 약 6.8 x 10³ ㎛³을 보였으며, 체적이 가장 높았던 종은 Surirella tenera로 1개의 세포당 약 119.9 x 10³ ㎛³을 보였으며, Thalassiosira lacustris가 약 59. 5 x 10³ ㎛³, Cymbella lanceolata가 46.7 x 10³ ㎛³의 순으로 나타났다. 반면, Achnanthes minutissima, Navicula pseudomurrayi는 각각 0.06, 0.11 x 10³ ㎛³로 가장 낮은 체적을 보였다. 최적이 가장 높았던 S. tenera와 가장 낮았던 A. minutissima의 차이는 약 2,000배 정도 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다(Fig. 4). 평균 탄소량은 약 237.4 pg C/cells을 보였으며, 체적이 큰 종일수록 탄소량도 큰 것을 확인 할 수 있었다. Surirella tenera가 2677.9 pg C/cells로 가장 높은 탄소량을 보였으며, Thalassiosira lacustris는 1481.1 pg C/cells, Cymbella lanceolate는 1309.3 pg C/cells순으로 나타났으며, Fragilaria vaucheriae, Navicula pseudomurrayi, Achnanthes minutissima는 각각 13.6, 13.5, 8.4 pg C/cells로 가장 낮은 탄소량을 보였다. 탄소량이 가장 높았던 S. tenera와 가장 낮은 A. minutissima는 약 317배 정도 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다(Fig. 4). 우포늪 퇴적층에서 출현한 돌말류의 형태별 체력과 탄소량을 분석한 결과, 타원구형을 보이는 돌말류의 체적 범위가 가장 크게 나타났으며, 탄소량의 범위도 가장 높게 나타났다. 반면, 삼각 프리즘형은 체적과 탄소량의 범위가 가장 낮게 나타났다. 평균 체적은 오뚜기형이 가장 높았으며, 아령형이 가장 낮았다. 평균 탄소량은 마름모형이 가장 높게 나타났으며, 프리즘형이 가장 낮은 평균 탄소량을 보였다(Fig. 5).

Fig. 4. Biovolume and carbon mass of diatoms cell volume in sediment layers of Upo wetland.

Fig. 5. Cell volume and carbon mass according to diatoms.

자연의 탄소흡수원은 대기의 탄소를 흡수하고 흡수한 탄소를 오랜 세월 동안 반영구적으로 저장하고 격리할 수 있어야한다. 물속에 사는 미세조류는 산림처럼 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수한다고 알려져 있다(^{Meier et al., 2015}; ^{Song et al., 2019}). 하지만, 이러한 미세조류는 수체(Water Body) 뿐 아니라 담수나 해양의 퇴적 표층에서도 다량 서식하면서 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하고, 죽거나 살아있는 상태로 퇴적층에 가라앉아 이산화탄소를 격리하게 된다. 여기서 퇴적토 또는 퇴적층이라는 환경은 흡수 및 저장된 이산환탄소가 퇴적되어 배출되지 않는 환경을 제공해주기 때문에, 반영구적으로 저장 및 격리를 시켜줄 수 있는 최적의 장소가 될 수 있다.

기존의 연구 중 가장 방대한 데이터를 토대로 연구한 사례는 발트해 주변의 다른 국립 연구소에서 정기적으로 모니터링하는 동안 받은 데이터가 주로 사용되었다(^{Olenina, 2006}). 참여한 연구소들은 고배율(400 – 600배)을 사용한 초기 측정을 기반으로 지역에서 발생하는 모든 종의 가장 일반적인 크기를 제시했다. 필요한 경우 각 연구소에서 최소 25개 세포의 치수를 측정할 계획으로 추가 측정을 수행했다. 총 측정 횟수는 종마다 다르지만 모든 지배적인 분류군에 대해 100개 이상의 세포가 모두 함께 측정되었다. 서로 다른 연구소의 데이터를 비교하고 군집된 세포 크기를 크기 등급으로 그룹화했다. 일반적으로 각 크기 등급의 산술 평균이 표준화된 생체 부피로 사용되었다. 하지만 일부 경우에는 측정값 부족(예: Amphiprora paludosa var. paludosa, Gyrosigma macrum, Surirella crumena)으로 인해 크기 등급에 격차가 존재하였으며 생물 부피 목록에 광학현미경으로 측정 및 식별할 수 있는 분류군만이 포함되어 있었다. 또한 종(Species) 수준까지의 식별이 항상 가능한 것은 아니므로 속(Genus) 수준 분류군의 부피도 목록에 포함되었다. 각 분류군에는 가장 잘 맞는 기하학적 모양과 일치하는 방정식이 사용되었다. 발트해에 존재하는 식물플랑크톤 종의 조사 결과, 세포의 생물부피를 결정하기 위해 사용할 수 있는 9가지 기본 기하학적 모양이 도출되었다. 본 연구에서 도출된 돌말류 모양과 방정식은 Table 2에 표시되어 있다. 이전 연구에서 이미 많은 모양이 사용되었지만(^{Edler, 1979}), 다른 모양들은 새롭게 도입되었으며, 일부는 새로운 이름이 부여하였다. 그러나 모든 돌말류 종의 각 모양을 사용되는 몇 가지 기본 기하학적 모양으로 분류하는 것은 불가능하다는 점을 명확히 해야 한다.

최근 해외 연구진들은 식물플랑크톤 체적계산에 대한 적극적인 토론과 발전이 이루어졌다(^{Vidal-Melgosa et al., 2021}; ^{Yang and Zhang, 2020}).

식물 플랑크톤 모니터링 데이터는 여전히 세 가지 주요 측면과 관련하여 일관성이 없음을 보여준다. 특정 종에 대한 다른 이름 또는 잘못된 동의어의 사용, 다양한 종의 기하학적 형태의 사용 및 다른 실험실에서의 다양한 생물부피 계산, 마지막으로 다양한 실험실에서 특정 종에 대한 다양한 크기 클래스를 사용할 때 잘못된 계산 결과가 발생하기 쉽다. 반면에 특정 종의 생체 부피 분산은 지역마다, 계절마다 다를 것이다. 식물플랑크톤 분석 결과의 높은 분산을 줄이기 위해서는 가능한 한 많은 단계를 표준화하는 것이 필요하다. 이러한 문제를 극복하기 위한 첫 번째 단계는 본 연구에서 제안한 것과 같은 다양한 크기 등급, 생체 부피 계산 및 이름의 도입과 합의이다. 이 연구에서 사용된 9가지 기본 기하학적 모양은 모든 식물플랑크톤 모양을 정확하게 반영하기에는 너무 적을 수 있다. 그러나 목표는 가능한 한 돌말류의 정확한 모양과 실제 측정 사이의 절충점을 찾는 것이었다. 예를 들어 돌말류 중심돌말목 Rhizosolenia는 원통형 모양 대신 원통과 두 개의 원뿔을 추가하여 더 정확한 모양을 사용하는 것은 두 가지 더 많은 측정을 추가하지만, 개별 세포 부피를 15-20% 과대평가하는 극단적인 결과를 초래할 수 있다. 마찬가지로, 일부 Chaetoceros 세포는 세포 주위의 부피를 포함하지 않을 경우 약 10% 정도 과소평가될 수 있다. 합의된 기하학적 모양과 방정식의 사용은 각 연구결과 간의 오차를 줄여 약간 다른 모양 및 이에 따른 특정 종의 크기 차이를 최소화 시킬 수 있다.