식물성 플랑크톤

3. 생태

식물성 플랑크톤은 광합성을 통해 에너지를 얻기 때문에 해양, 바다, 호수 등 물이 있고 햇빛이 잘 드는 표층 (유광층)에서 서식한다.^[99][100] 이들은 전 세계 광합성 활동의 약 절반을 담당하며,^[99][100] 해양 및 담수 먹이 그물의 기초를 형성한다. (화학합성은 예외)^[99][100]

식물성 플랑크톤은 질산염, 인산염, 규산과 같은 영양염류와 철, 망간, 아연과 같은 미량 원소에 의존한다.^[108] 이들의 영양 성분은 레드필드 비율에 의해 조절되며, 이는 해양 생태계의 영양 순환에 중요한 영향을 미친다. 용승, 강물 유입, 대륙 풍화, 빙하 용해 등은 식물성 플랑크톤에게 영양분을 공급하는 주요 요인이다.^[108] 남극해와 같은 일부 해역에서는 철분 부족으로 인해 식물성 플랑크톤의 성장이 제한되기도 한다.^[108]

대부분의 식물성 플랑크톤 종은 광독립영양생물이지만, 일부는 혼합영양생물이고, 색소가 없는 종은 종속영양생물이다.^[101][102]

• 노란색: 편모조류 (다른 큰 식물성 플랑크톤)
  
• 녹색: 프로클로로코쿠스 (질산을 사용할 수 없는 작은 식물성 플랑크톤)
  
• 청록색: 시네코코쿠스 (다른 작은 식물성 플랑크톤)
  

3. 1. 해조류와의 관계

4. 다양성

식물성 플랑크톤이라는 용어는 수생 먹이 그물에서 모든 광합성 독립영양 미생물을 포괄한다. 그러나 대부분의 독립영양 생물이 식물인 육상 군집과는 달리, 식물성 플랑크톤은 원생생물 진핵생물과 세균 및 고세균 원핵생물을 모두 포함하는 다양한 그룹이다. 알려진 해양 식물성 플랑크톤 종은 약 5,000종이 있다.^[35] 자원이 부족함에도 불구하고(생태적 지위 분화를 제한) 이러한 다양성이 어떻게 진화했는지는 불분명하다.^[36]

수적으로 볼 때, 식물성 플랑크톤의 가장 중요한 그룹은 규조류, 시아노박테리아 및 와편모조류를 포함하지만, 다른 많은 조류 그룹도 존재한다. 한 그룹인 코콜리토포리드는 상당한 양의 다이메틸 설파이드 (DMS)를 지구 대기로 방출하는 데 부분적으로 기여한다. DMS는 산화 환원되어 황산을 형성하며, 주변 에어로졸 입자 농도가 낮은 지역에서 대부분의 경우 증가된 구름 덮개와 구름 알베도를 초래하는 구름 응결 핵의 개체수에 기여할 수 있다. 이는 소위 CLAW 가설에 따른다.^[37][38] 서로 다른 유형의 식물성 플랑크톤은 다양한 생태계 내에서 서로 다른 영양 단계를 지원한다. 사르가소 해나 남태평양 환류와 같은 빈영양 해양 지역에서 식물성 플랑크톤은 광합성 피코플랑크톤과 나노플랑크톤(피코편모류 및 나노편모류라고도 함)과 같은 작은 크기의 세포가 지배하며, 대부분 시아노박테리아(''프로클로로코쿠스'', ''시네코코쿠스'')와 ''마이크로모나스''와 같은 피코진핵생물로 구성된다. 용승이나 높은 육상 투입이 지배적인 더 생산적인 생태계 내에서 더 큰 와편모조류가 더 지배적인 식물성 플랑크톤이며 생물량의 더 큰 부분을 반영한다.^[39]

5. 성장 전략

식물성 플랑크톤은 자원 할당 방식에 따라 다음과 같은 세 가지 주요 성장 전략으로 분류된다.

• 생존자 (Survivors): 질소(N)와 인(P)의 비율(N:P 비율)이 30보다 높다. 자원 획득 능력이 뛰어나 자원이 부족한 환경에서도 성장을 유지할 수 있다.^[45]
• 번성자 (Bloomers): N:P 비율이 10보다 낮다.^[45] 성장 속도가 빨라 자원이 풍부한 환경에서 폭발적으로 성장하는 지수 성장에 적합하다.
• 일반주의자 (Generalists): N:P 비율이 레디필드 비와 유사하다. 자원 획득과 성장에 균형을 이루는 전략을 사용한다.

6. 풍부도에 영향을 미치는 요인

식물성 플랑크톤은 여러 영양소에 결정적으로 의존한다. 이들은 주로 성장에 비교적 많은 양이 필요한 질산염, 인산염 또는 규산과 같은 대량 영양소이다. 표층 해양에서의 이용 가능성은 생물학적 펌프와 깊은 영양소가 풍부한 물의 용승 사이의 균형에 의해 결정된다. 식물성 플랑크톤은 철(Fe), 망간(Mn), 아연(Zn), 코발트(Co), 카드뮴(Cd) 및 구리(Cu)와 같은 미량 금속에도 의존하며, 이는 성장 및 군집 구성에 영향을 미친다.^[18] 이러한 금속의 제한은 공동 제한 및 식물성 플랑크톤 군집 구조의 변화로 이어질 수 있다.^[19][20]

남극해와 같은 해양의 넓은 지역에서는 식물성 플랑크톤이 종종 미량 영양소 철의 부족으로 제한된다.^[21] 이는 일부 과학자들이 철 비료를 인간이 생산한 이산화탄소 (CO₂)가 대기에 축적되는 것을 억제하는 수단으로 옹호하게 했다.^[22] 대규모 실험에서는 철(일반적으로 황산철과 같은 염의 형태)을 해양에 첨가하여 식물성 플랑크톤의 성장을 촉진하고 대기 중 CO₂를 해양으로 끌어들였다. 그러나 생태계를 조작하는 것에 대한 논란과 철 비료의 효율성 문제로 인해 이러한 실험은 늦춰졌다.^[23][24] 해양 과학계는 잠재적인 해양 탄소 제거(mCDR) 접근 방식으로서 철 비료 연구에 대해 여전히 분열된 태도를 보이고 있다.^[25][26]

식물성 플랑크톤은 생존을 위해 비타민 B에 의존한다. 해양의 특정 지역은 일부 B 비타민과 그에 상응하는 식물성 플랑크톤이 크게 부족한 것으로 확인되었다.^[27]

인위적인 온난화가 전 세계 식물성 플랑크톤 개체군에 미치는 영향은 활발한 연구 분야이다. 수온, 수직적인 층상화 변화, 온도에 따른 생물학적 반응 속도, 대기 중 영양소 공급의 변화는 미래의 식물성 플랑크톤 생산성에 중요한 영향을 미칠 것으로 예상된다.^[28][29]

NAAMES 연구는 오리건 주립 대학교와 NASA의 과학자들이 2015년부터 2019년까지 진행한 5년간의 과학 연구 프로그램으로, 해양 생태계에서 식물성 플랑크톤 역학이 대기 에어로졸, 구름 및 기후에 미치는 영향을 조사했다. 이 연구는 지구상에서 가장 큰 식물성 플랑크톤 번식지 중 하나인 북대서양의 아북극 지역에 초점을 맞추었다. NAAMES는 연간 식물성 플랑크톤 주기의 특정 단계를 목표로 하여, 번식 형성 시기와 연간 번식 재창조를 유도하는 패턴에 대한 논쟁을 해결하고자 했다. 또한, NAAMES 프로젝트는 식물성 플랑크톤 번식 주기가 구름 형성과 기후에 미치는 영향을 이해하기 위해 일차 생산에 의해 생성된 에어로졸의 양, 크기 및 구성을 조사했다.

일반적으로 식물성 플랑크톤의 분포는 영양염의 분포에도 영향을 받는다. 영양염 중 용존 무기태 물질, 질산염, 인산염, 규산, 미량 금속 원소 등이 필요하며, 이 분포는 육지로부터의 유입이나 비, 해양 심층수 등의 저층수의 용승, 생물 펌프 등의 영향에 의한 것이다. 남극해 등의 HNLC 해역에서는 철의 부족이 있다.^[88]

7. 생산성에 영향을 미치는 요인

식물성 플랑크톤은 생물학적 펌프의 핵심 매개체이다. 변화하는 환경 조건에 대한 식물성 플랑크톤의 반응을 이해하는 것은 미래의 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도를 예측하는 데 필수적이다.^[54] 온도, 일사량 및 영양염 농도는 이산화탄소와 함께 식물성 플랑크톤의 생리학과 화학량론에 영향을 미치는 주요 환경 요인이다.^[54] 식물성 플랑크톤의 화학량론 또는 원소 조성은 해양 먹이 사슬을 통해 영양 품질을 결정하고 에너지 흐름에 영향을 미치기 때문에 동물성 플랑크톤의 일종인 코페포드, 어류 및 새우와 같은 2차 생산자에게 매우 중요하다.^[55] 기후 변화는 식물성 플랑크톤 군집을 크게 재구성하여 영양 단계 연쇄 반응으로 이어져 해양 먹이 그물에 영향을 미치고, 이로 인해 해양 내부로 운반되는 탄소량이 변경될 수 있다.^[56][52]

8. 식물성 플랑크톤의 역할

식물성 플랑크톤은 해양 먹이 사슬의 기초 생산자로서, 광합성을 통해 에너지를 얻고 상위 영양 단계의 생물에게 에너지를 전달한다.^[99][100] 이들은 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출하여 지구상의 산소 유지에 큰 역할을 하며, 지구 전체 산소 생산량의 약 절반을 담당한다.^[87]

식물성 플랑크톤이 고정한 탄소는 대부분 해양과 담수 생물 먹이 그물의 기반이 된다.^[99][100] 예를 들어, 식물성 플랑크톤은 크릴에게 먹히고, 크릴은 다시 수염고래에게 먹히는 먹이 사슬이 존재한다.

9. 인위적 변화

10. 수산 양식에서의 활용

식물성 플랑크톤은 수산 양식과 해양 양식 모두에서 중요한 먹이원이다. 해양 양식에서는 자연적으로 발생하여 해수 순환을 통해 유입되지만, 수산 양식에서는 직접 얻어 투입해야 한다. 수역에서 채취하거나 배양할 수 있지만, 채취 방법은 거의 사용되지 않는다. 식물성 플랑크톤은 윤충류 생산에 사용되며,^[61] 윤충류는 다시 다른 유기체를 먹이는 데 사용된다. 또한, 진주, 조개, 대형 조개를 포함한 다양한 수산 양식 연체동물의 먹이로도 사용된다. 2018년 연구에서는 위성에서 얻은 해양 색상 데이터를 이용하여 전 세계 바다에서 탄수화물, 단백질, 지질 측면에서 자연 식물성 플랑크톤의 영양 가치를 추정하였고,^[62] 식물성 플랑크톤의 칼로리 가치가 해양 지역과 시기에 따라 크게 다르다는 것을 발견했다.^[62][63]

인공적인 조건에서 식물성 플랑크톤을 생산하는 것은 그 자체로 일종의 수산 양식이다. 식물성 플랑크톤은 다른 양식 생물의 먹이,^[61] 수족관의 사육 무척추동물을 위한 영양 보충제 등 다양한 목적으로 배양된다. 배양 규모는 1L 미만의 소규모 실험실 배양에서 상업적 수산 양식을 위한 수만 리터에 이르기까지 다양하다.^[61]

배양 규모에 관계없이 효율적인 성장을 위해서는 특정 조건이 필요하다. 배양되는 플랑크톤의 대부분은 해양 플랑크톤이며, 비중 1.010~1.026의 해수를 배양 배지로 사용할 수 있다. 이 물은 생물학적 오염을 방지하기 위해 멸균되어야 하며, 오토클레이브에서 고온 처리하거나 자외선에 노출시켜 멸균한다. 플랑크톤의 성장을 돕기 위해 다양한 비료가 배양 배지에 첨가된다. 또한, 플랑크톤을 부유 상태로 유지하고 광합성을 위한 용존 이산화탄소를 공급하기 위해 배양액을 통기하거나 교반해야 한다. 지속적인 통기 외에도 대부분의 배양액은 정기적으로 수동으로 혼합하거나 교반한다. 빛도 공급되어야 하는데, 조명의 색온도는 약 6,500K가 적절하지만, 4,000K에서 20,000K 이상까지도 사용 가능하다. 빛 노출 시간은 하루 약 16시간이 가장 효율적인 인공 주간 길이이다.^[61]

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