Challenges of Microalgae Integration in Recirculating Aquaculture Systems: Bridging Potential and Practice

단순히 물고기를 기르는 것을 넘어, 물고기가 먹을 먹이까지 직접 키우고 물고기가 헤엄치는 물까지 정화하는, 하나의 폐쇄된 루프 안에서 작동하는 양식장을 상상해 보십시오. 이것이 바로 순환 여과식 양식 시스템(RAS)이 약속하는 바입니다. 이러한 육상 시설에서는 물을 강이나 바다에 버리는 대신 끊임없이 여과하고 재사용합니다. 이 시스템은 박테리아를 이용해 독성 있는 물고기 배설물을 무해한 영양분으로 바꾸지만, 물에는 여로도 질소와 인이 용존되어 있어 해로운 수준까지 쌓일 수 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 이러한 남은 영양분을 단순히 폐기물로 처리하는 대신, 유용한 무언가를 키우는 데 사용할 방법을 찾아왔습니다. 여기에 미세조류, 즉 물에 떠다니는 미세한 식물이 등장합니다. 이 작은 생명체들은 천연의 에너지원입니다. 이들은 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하며, 물고기가 사용할 수 없는 용존 영양분을 먹고 자랍니다. 만약 이들을 물고기 양식장 내부에서 직접 키울 수 있다면, 물을 정화하고, 물고기를 위한 신선한 먹이를 제공하며, 탄소까지 포집하여 진정한 순환형 생태계를 만들 수 있을 것입니다.

킬 대학교(Kiel University)와 브레머하펜 응용과학대학교(Hochschule Bremerhaven) 연구진의 최근 검토 보고서는 이 아이디어가 실제로 상업적 규모에서 작동할 수 있는지에 대해 냉철하고 명확하게 살펴보고 있습니다. 연구팀은 미세조류를 양식장에 통합하는 것이 실행 가능한 현실인지, 아니면 단지 유망한 이론에 불과한지를 확인하기 위해 수백 편의 연구를 조사했습니다. 그들은 이 개념이 과학적으로 타당하며 여러 이점을 제공한다는 점을 확인했지만, 실험실에서 실제 양식장으로 나아가는 길은 상당한 실무적 장애물에 가로막혀 있다는 것을 발견했습니다. 연구진은 미세조류가 과잉 영양분을 흡수하고 수질을 개선하는 생물학적 필터 역할을 할 수 있음을 확인했습니다. 또한 미세조류는 물고기와 새우의 건강과 성장을 촉진할 수 있는 영양가 높은 보충제 역할도 합니다. 그러나 연구는 이러한 장점에도 불구하고, 이 기술이 아직 광범위한 도입을 위한 준비가 되지 않았다고 결론지었습니다. 주요 장애물은 지식의 부족이 아니라, 무질서하고 변화무쌍한 환경 속에서 조류를 살아있게 하고 생산성을 유지하는 것의 어려움, 그리고 성장한 미세한 생물들을 수확하는 데 드는 높은 비용입니다.

이러한 통합이 가져올 잠재적 이점은 상당합니다. 일반적인 물고기 양식장에서 먹다 남은 사료와 물고기 배설물은 물속에 녹아들어, 관리하지 않으면 물고기에게 해를 끼칠 수 있는 영양분 수프를 만듭니다. 미세조류는 이러한 영양분을 섭취하여 새로운 바이오매스로 전환할 수 있습니다. 이 과정은 물을 깨끗하게 할 뿐만 아니라 물고기에게 필수적인 산소를 생성합니다. 더욱이 조류 자체에 단백질과 건강한 지방이 풍부하기 때문에, 양식 동물의 식단에서 값비싼 어분(fishmeal)을 대체할 수 있습니다. 연구진은 통제된 환경에서 클로렐라(Chlorella)나 테트라데스무스(Tetradesmus)와 같은 특정 종류의 조류가 물속의 질소와 인을 대량으로 제거할 수 있음을 보여주었다고 언급했습니다. 일부 실험에서는 시스템에 조류를 추가했을 때 어린 물고기와 새우의 생존율이 높아졌으며 질병에 대한 저항력도 강화되었습니다. 또한 조류는 물의 화학적 성질을 안정시켜 pH가 급격히 변해 동물들에게 스트레스를 주는 것을 방지합니다.

하지만 소규모의 통제된 실험에서 대규모의 상업적 양식장으로 전환하는 단계에서 어려움이 시작됩니다. 일차적인 과제는 양식장이 매우 혼란스러운 곳이라는 점입니다. 물의 질은 물고기가 얼마나 먹는지, 탱크에 얼마나 많은 물고기가 있는지, 필터가 얼마나 잘 작동하는지에 따라 끊임없이 변합니다. 미세조류는 민감합니다. 이들은 번성하기 위해 특정한 양의 빛, 온도, 영양분이 필요합니다. 큰 탱크 안에서 조류가 너무 빽빽하게 자라면 아래쪽에 있는 조류에 도달하는 빛을 차단하여 전체 배양 속도가 느려지거나 사멸하게 됩니다. '자기 차광(self-shading)'이라고 알려진 이 현상은 주요한 병목 구간입니다. 또한, 조류는 물고기 배설물 속에 존재하는 박테리아 및 다른 미생물들과 경쟁해야 합니다. 때때로 이러한 원치 않는 경쟁자들이 우세해지면서 조류 배양층이 붕괴되기도 합니다. 연구진은 살균되지 않은 양식장 환경에서 조류의 안정적이고 순수한 배양 상태를 유지하는 것이 매우 어렵고, 종종 일관되지 않은 결과를 초-래한다는 것을 발견했습니다.

조류가 잘 자란다 하더라도, 이들을 물에서 건져내는 것은 거대한 기술적, 경제적 문제입니다. 미세조류 세포는 미세하며 매우 희박한 농도로 떠다니기 때문에 물에서 분리하기가 매우 어렵습니다. 이들을 수확하는 과정에는 원심분리기나 특수 필터와 같은 고가의 장비와 상당한 에너지가 필요합니다. 연구는 조류를 수확하고 건조하는 비용이 사료 원료로서의 가치를 상회하는 경우가 많다는 점을 강조합니다. 많은 경우, 조류를 키우기 위해 조명, 펌프, 수확 기계를 가동하는 데 드는 에너지가 기존의 물고기 사료를 구매하는 것보다 더 비싸게 만듭니다. 연구진은 폐수를 사용하여 조류를 키우는 것이 비료 비용은 절감할 수 있지만, 시스템 운영에 필요한 기계와 전기 비용을 충당할 만큼 충분한 비용을 아껴주지는 못한다고 지적합니다.

또 다른 결정적인 문제는 물의 투명도입니다. 물고기는 먹이를 먹기 위해 먹이를 볼 수 있어야 하며, 시각에 의존하여 이동하고 스트레스를 피합니다. 만약 물이 밀도가 높은 녹색 조류 구름으로 가득 차면 물이 탁해지는데, 이는 물고기를 혼란스럽게 하고 섭식 활동을 줄이며 스트레스 수준을 높일 수 있습니다. 연구진은 물을 정화할 만큼의 조류는 확보하되, 탱크를 녹색 수프처럼 만들지 않을 정도의 미묘한 균형을 맞춰야 한다는 점을 발견했습니다. 이 균형을 실시간으로 관리하는 것은 어려운 일인데, 왜냐하면 조류는 서로 다른 속도로 자라고 죽는 반면, 물고기는 예측할 수 없는 시간에 배설물을 만들어내기 때문입니다. 현재의 기술로는 이러한 조건을 자동으로 모니터링하고 조정하는 데 한계가 있어, 양식업자들이 조류가 얼마나 많아야 적당한지 추측에 의존하게 만듭니다.

경제적 상황이 가장 큰 장벽으로 남아 있습니다. 이 검토 보고서는 다양한 비용을 분석한 결과, 대규모 조류 연못이 주로 폐수 처리를 목적으로 사용될 때는 어느 정도 수익성을 띨 수 있지만, 물고기 사료를 생산하기 위해 양식장에 추가하는 것은 거의 비용 효율적이지 않다는 것을 밝혀냈습니다. 반응기, 조명, 수확 장비에 대한 자본 투자액이 높고, 전기와 노동력 등 운영 비용은 훨씬 더 높습니다. 연구는 전통적인 물고기 사료 가격이 급등하거나 조류 수확 비용이 극적으로 낮아지지 않는 한, 상업적 양식장들은 아마도 기존의 방식을 고수할 것이라고 제안합니다. 숫자가 맞아떨어지는 유일한 시나리오는 매우 특정한 고부가가치 상황이거나, 조류를 단순히 물고기 사료가 아닌 바이오 연료나 의약품 생산 등의 다른 목적으로 재배하는 경우뿐입니다.

결론적으로, 이 논문은 물고기 양식장이 스스로 먹이를 키우고 스스로 물을 정화한다는 아이디어가 과학적으로는 가능하지만, 대부분의 양식업자에게는 아직 실질적인 현실이 아니라고 결론짓습니다. 이 기술은 작고 세밀하게 통제된 실험에서는 작동하지만, 대규모 규모에서 신뢰할 수 있고 저렴하게 작동한다는 것은 아직 입증되지 않았습니다. 연구진은 향-후의 성공이 조류를 수확하는 더 나은 방법의 개발, 더 거칠고 복잡한 환경에서도 키우기 쉬운 조류 품종의 제작, 그리고 물을 밝히고 섞는 데 드는 비용을 낮추는 방법에 달려 있다고 강조합니다. 이러한 공학적, 경제적 과제들이 해결되기 전까지, 순환 여과식 양식 시스템에 미세조류를 통합하는 것은 표준적인 산업 관행이라기보다는 틈새적인 실험 단계에 머물 가능성이 높습니다. 잠재력은 존재하지만, 이를 양식업의 일상적인 부분으로 만드는 길은 여전히 멀고 험난합니다.