Assessment of ecotoxicological and geochemical effects on marine organisms exposed to suspended sediment from sand mining = 해사채취로 인해 발생하는 부유퇴적물이 해양 생물에 미치는 생태독성 및 지화학적 영향 평가

국문 초록 (Abstract)

해양 골재채취 및 연안개발과 같은 인간활동으로 인해 발생한 부유퇴적물은 해양생태계에서 주요한 물리적 스트레스 요인으로 부각되고 있다. 부유퇴적물은 일반적으로 탁도 증가 효과로만 인식되어 왔으나, 발달단계별 민감성, 생물학적 특성 기반 민감성, 그리고 아급성 생리적 교란 등과 같은 생물학적 영향에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. 부유퇴적물에 대한 표준화된 기준농도 부재를 고려할 때, 생물 특성과 발달단계를 명시적으로 반영한 평가체계의 필요성이 대두된다. 본 연구에서는 미세조류, 이매패류, 어류를 대상으로 다양한 생태적 기능과 생리적 특성을 대표하는 3개 분류군을 설정하여, 다중 종-다중 지표 기반의 실험 설계를 통해 부유퇴적물의 생태독성학적 영향을 평가하였다. 성장 저해, 발달 독성, 생리적 장애 등 다양한 반응을 통합하는 다중증거접근을 활용하여 강건한 영향 기준을 도출하고, 부유퇴적물 위해성 평가를 위한 생태적 통찰을 제시하고자 하였다.
주요 생산자인 미세조류에 대한 아급성 영향을 평가하기 위해, 연안 환경에서 채취한 부유퇴적물을 이용한 생물검정을 수행하였다. 6종 미세조류를 대상으로 성장 저해를 평가하고, Dunaliella tertiolecta, Isochrysis galbana, Phaeodactylum tricornutum 3종에 대해 유세포분석법과 펄스진폭변조 형광측정법을 이용하여 다양한 생리지표를 측정하였다. 이 중 D. tertiolecta는 성장 저해 EC50 값이 6700 mg L–1로 가장 낮았고, 에스터라제 활성이 가장 크게 억제되었다. 종 특이적인 부유퇴적물 반응이 확인되었으며, D. tertiolecta는 대부분 지표에서 가장 높은 민감성을 보였고, P. tricornutum은 Fo’, Fm’, Y(NPQ) 등의 펄스진폭변조 형광 지표에서 가장 민감하게 반응하였다. 본 결과 및 기존 문헌 리뷰를 바탕으로, 잠정 예측 무영향농도는 12.1 mg L–1로 산정되었다. 본 연구는 부유퇴적물 독성에 대한 기초 자료를 제공함과 동시에 향후 연구 방향에 기준을 마련하였다.
저서무척추동물을 대상으로 한 발달단계 민감도 평가에서는, SS에 노출된 6종 이매패류의 알, 유생, 치패, 성체 단계를 비교하였다. 아급성 및 치사 반응을 정량화한 결과, 개체 크기에 따라 명확한 내성 차이가 나타났다. 바지락(Ruditapes philippinarum)의 경우, 유생 대비 성체의 LC50 값이 약 40배 증가하였고, 모든 종에서도 상대 체장이 클수록 부유퇴적물에 대한 내성이 높았다(r = 0.898). 종민감도분포 분석 결과, 발달단계를 포함 여부에 따라 보호 기준이 크게 달라졌으며, 치패와 성체만 포함 시 5% 종의 위해농도는 671 mg L–1이었으나, 알과 유생을 포함하면 220 mg L–1로 감소하였다. 이를 통해 도출된 잠정 예측 무영향농도 값은 22 mg L–1로 제시되었으며, 어린 단계의 높은 민감성이 강조되었다. 발달단계를 기반으로 하는 부유퇴적물 평가체계의 필요성이 재확인되었다.
상위 영양단계 생물을 대상으로 한 실험에서는, 농어(Lateolabrax japonicus), 조피볼락(Sebastes schlegelii), 강도다리(Platichthys stellatus), 넙치(Paralichthys olivaceus) 4종 어류를 대상으로 부유퇴적물 농도(0–10,000 mg L–1)별 산소소비율, 삼투압, 치사율을 평가하였다. 농어는 산소소비율 민감도가 가장 높았으며, EC50은 15,812 mg L–1로 나타났다. 반면, 조피볼락는 가장 낮은 생존율을 보이며 LC50은 340,921 mg L–1로 확인되었다. SS 노출에 따른 산소소비율의 주야간 변동이 모든 종에서 관찰되었으며, 이러한 결과는 해양 생태계 평가 시 일주 리듬 고려의 필요성을 시사하였다. SS에 대한 어류의 민감성은 서식유형, 행동 특성, 발달단계에 따라 달라지는 것으로 나타났으며, 생물 특성 기반 평가가 중요함을 강조하였다.
종합적으로, 본 연구는 부유퇴적물 노출에 따른 생태학적 영향을 평가할 때 생물 특성과 발달단계를 통합적으로 고려할 필요성을 제시하였다. 분류군 간 특성 비교를 통해 주야간 행동패턴과 생태적 지위가 민감성에 미치는 영향을 확인하였다. 종민감도분포 분석에서는 초기단계 생물을 포함할 경우 보호기준 농도가 현저히 낮아지는 경향이 나타나 기존 성체 중심의 기준 설정의 한계를 지적하였다. 또한, 산소소비율과 에스터라제 활성 등 생리적 지표가 다양한 생물군에서 부유퇴적물 노출에 대한 민감한 조기경보 지표로 기능함을 확인하였다. 본 연구는 현실적이고 특성 기반의 퇴적물 관리전략 수립의 필요성을 강조하며, 다중증거접근법을 통한 해양생태계 위해성 평가의 신뢰성 향상에 기여할 수 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Suspended sediment (SS) generated from anthropogenic activities such as marine sand mining and coastal development has emerged as a key physical stressor in marine ecosystems. While SS is often recognized for its turbidity-related effects, its biological consequences have remained underexamined, particularly in terms of developmental sensitivity, trait-based susceptibility, and sublethal physiological disruptions. Given the lack of standardized SS thresholds in sediment quality guidelines, a trait-explicit and stage-informed framework is urgently needed. This study adopted a multi-taxa, multi-endpoint experimental design to examine the ecotoxicological effects of SS across microalgae, bivalves, and fish—three taxonomic groups representing distinct ecological roles and physiological characteristics. By integrating multiple lines of evidence (MLOE), including growth inhibition, developmental toxicity, and physiological impairment, this work aimed to derive robust effect thresholds and provide ecological insight into SS risk assessment.
To quantify sublethal SS effects on primary producers, microalgal bioassays were conducted using SS collected from coastal environments. Growth inhibition was assessed for six microalgal species, and multiple endpoints were measured using flow cytometry and pulse-amplitude modulation (PAM) fluorometry for three species (Dunaliella tertiolecta, Isochrysis galbana, and Phaeodactylum tricornutum). Among these, the median effective concentration (EC50) for growth inhibition of D. tertiolecta (6700 mg L–1) was notably lower compared to the other species, and among several endpoints, esterase activity was the most inhibited. Species-specific responses to SS exposure were identified, with D. tertiolecta exhibiting greater susceptibility across most endpoints. Meanwhile, measurements of Fo’, Fm’, and Y(NPQ) in P. tricornutum using PAM fluorometry revealed greater sensitivity. Based on the results of this study and review, the tentative predicted no-effect concentration (PNEC) was calculated as 12.1 mg L–1. Overall, this study provides novel insights into SS ecotoxicity, establishing a crucial baseline for future investigations.
To evaluate developmental sensitivity across benthic invertebrates, SS-induced biological responses were experimentally assessed in six bivalve species spanning four ontogenetic stages: egg, larva, juvenile, and adult. Sub-lethal and lethal endpoints were quantified, revealing strong size-dependent tolerance. In Ruditapes philippinarum, the median lethal concentration (LC50) values increased nearly 40-fold from larva to adult, and across all species, relative body size positively correlated with threshold concentrations (r = 0.898). Species sensitivity distributions (SSD) showed substantial variation depending on stage inclusion. The hazardous concentration for 5% of species (HC5) dropped from 671 mg L–1 (juvenile–adult) to 220 mg L–1 when early stages were incorporated, yielding a PNEC of 22 mg L–1. These results highlight the vulnerability of early stages and demonstrate the need for ontogeny-informed SS risk assessments to derive protective sediment guidelines.
To further explore SS effects in higher trophic organisms, the physiological responses of four marine fish species (Lateolabrax japonicus, Sebastes schlegelii, Platichthys stellatus, and Paralichthys olivaceus) were assessed under SS exposure generated by marine sand mining. Using oxygen consumption rate (OCR), osmolality, and mortality as endpoints, the effects of SS concentrations ranging from 0 to 10,000 mg L–1 were evaluated. L. japonicus exhibited the highest sensitivity in OCR, with an EC50 of 15,812 mg L–1, responding more rapidly to SS exposure. In contrast, S. schlegelii demonstrated the highest mortality, with an LC50 of 340,921 mg L–1. SS exposure caused diel variations in OCR across species, highlighting the necessity of accounting for such differences. Based on the results of this study and review, species sensitivity to SS is influenced by habitat type, activity patterns, and developmental stage, emphasizing the importance of incorporating species-specific traits to accurately evaluate the ecological impacts of suspended sediment on marine ecosystems.
Collectively, this thesis emphasizes the importance of integrating biological traits and developmental stages into assessments of SS impacts. Trait-based comparisons across taxa revealed that susceptibility to SS was strongly influenced by diel behavior and ecological niche of each species. SSD-based modeling showed that inclusion of early developmental stages significantly reduced protective thresholds, thereby challenging sediment guidelines established using data from adults alone. In addition, physiological endpoints such as oxygen consumption and esterase activity served as sensitive early-warning indicators of SS exposure across various organisms. These findings underscore the need for ecologically realistic and trait-explicit sediment management strategies and reaffirm the effectiveness of a MLOE approach in improving the predictive accuracy of ecological risk assessments under intensifying sediment-related disturbances.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER. 1. Introduction 1
• 1.1. Backgrounds 2
• 1.2. Objectives 10
• CHAPTER. 2. Ecotoxicological effects of suspended sediments on marine microalgae using flow cytometry and pulse-amplitude modulation (PAM) fluorometry 13
• 2.1. Introduction 14
• 2.2. Materials and methods 16
• 2.2.1. Cultivation of microalgae 16
• 2.2.2. Sampling and sample preparation 18
• 2.2.3. Particle size analysis 19
• 2.2.4. Exposure of samples to microalgae 21
• 2.2.5. Growth inhibition of microalgae 24
• 2.2.6. Flow cytometry analysis 25
• 2.2.7. PAM fluorometer analysis 29
• 2.2.8. Data analysis and statistics 31
• 2.3. Results and discussion 32
• 2.3.1. Growth inhibition of microalgae 32
• 2.3.2. Inherent properties and viability of microalgae 36
• 2.3.3. PSII efficiency of microalgae 41
• 2.3.4. Relationship between endpoints 45
• 2.3.5. Species sensitivity distribution for SS 51
• 2.4. Conclusions 53
• CHAPTER. 3. Developmental stage-dependent sensitivity of marine bivalves to suspended sediment: Thresholds and species sensitivity distribution-based assessment 54
• 3.1. Introduction 55
• 3.2. Materials and methods 57
• 3.2.1. Test species 57
• 3.2.2. Suspended sediment sampling and preparation 60
• 3.2.3. Egg-stage exposure tests 61
• 3.2.4. Larval stage exposure tests 63
• 3.2.5. Juvenile stage exposure tests 64
• 3.2.6. Adult stage exposure tests 65
• 3.2.7. Literature review and data collection 66
• 3.2.8. Statistical analysis 67
• 3.3. Results and discussion 68
• 3.3.1. Stage-dependent sensitivity of Ruditapes philippinarum to suspended sediment 68
• 3.3.2. Stage-dependent sensitivity to suspended sediment across bivalve species 71
• 3.3.3. Correlation between developmental stage and SS effect thresholds in bivalves 77
• 3.3.4. Effect of early developmental stage inclusion on species sensitivity distributions 85
• 3.4. Conclusions 90
• CHAPTER. 4. Physiological effects of suspended sediments on marine fish across habitat, development, and behavioral factors 91
• 4.1. Introduction 92
• 4.2. Materials and methods 94
• 4.2.1. Test species 94
• 4.2.2. Suspended sediment sampling and preparation 97
• 4.2.3. Experimental design and procedure for oxygen consumption rate 98
• 4.2.4. Experimental design and procedure for osmolality and mortality 101
• 4.2.5. Literature review and data collection 102
• 4.2.6. Statistical analysis 103
• 4.3. Results and discussion 104
• 4.3.1. Effect of suspended sediment concentration on oxygen consumption rate 104
• 4.3.2. Effect of suspended sediment concentration on osmotic pressure, and mortality 108
• 4.3.3. Analysis of sensitivity in oxygen consumption rate to SS and diurnal comparison 113
• 4.3.4. Species sensitivity comparison for suspended sediment 119
• 4.5. Conclusions 133
• CHAPTER. 5. Conclusions 134
• 5.1. Summary 135
• 5.2. Environmental implications and limitations 139
• 5.3. Future research directions 141
• REFERENCES 144
• ABSTRACT (IN KOREAN) 162