Assessment of biological effects on marine organisms exposed to underwater noise from offshore wind farms = 해상풍력발전단지 건설 및 운영에 따른 수중소음 발생이 해양생물에 미치는 생물 영향평가

국문 초록 (Abstract)

지속가능한 발전 목표를 달성하기 위한 재생에너지 수요가 증가함에 따라, 해상풍력발전은 주요 대체 에너지원으로 각광받고 있다. 그러나 이러한 확산과 함께, 해상풍력발전 건설 및 운영 과정에서 발생하는 수중소음이 해양생태계에 미치는 잠재적 영향에 대한 우려 또한 커지고 있다. 이와 관련된 연구는 주로 유럽과 북미 해역 및 서식종을 중심으로 수행되었으며, 동아시아 해역 및 서식종에 대한 연구는 아직 부족하여 지역 특이적 평가의 필요성이 강조되고 있다. 본 연구는 동아시아 해역에 적합한 수중소음 생물영향평가 기초자료를 마련하고자, 1) 파일 항타 소음에 노출된 어류의 행동 변화 및 반응 역치 규명과 2) 공사(파일 항타) 및 운영(터빈 작동) 소음에 노출된 어류의 생리적 반응 평가를 연구 목표로 설정하였다. 이를 위해 통제된 실험실 환경에서 생리 및 행동 지표 변화를 측정하는 수조 실험을 수행하였다. 또한 어류와 무척추동물을 대상으로 한 기존 연구를 종합하여 수중소음 영향에 대한 현재의 이해를 체계화하고 보다 폭넓은 생태학적 맥락을 제공하고자 하였다.
첫째로, 해산 치어 3종(농어, Lateolabrax japonicus; 감성돔, Acanthopagrus schlegelii; 강도다리, Platichthys stellatus)을 대상으로 해상풍력발전 공사 중 발생하는 파일 항타 소음에 대한 행동적 반응(유영 속력, 무리 응집력, 회피)을 평가하였다. 138 dB re 1 μPa zero-to-peak 음압수준의 항타 소음 노출은 L. japonicus와 A. schlegelii에서 유영 속력 및 무리 응집력의 급격한 변화를 유도하였고, 약 40%의 개체가 노출 5분 후에도 소음에 대한 습관화를 보이지 않았다. 특히, L. japonicus는 소음이 종료된 이후에도 소음원에 대한 뚜렷한 수평적 회피 행동을 지속하였다. 이러한 반응은 노출 종료 후에도 일정 시간 지속되었으며, 충격음에 대한 높은 민감도를 반영한다. 반면, P. stellatus는 소음 노출에 대해 유의한 행동 변화를 나타내지 않았다. 이는 비교적 낮은 강도의 충격음이라 하더라도 어종에 따라 행동 반응이 크게 다를 수 있으며, 어종별 형태적 특성 및 행동적 생태에 기인할 수 있음을 시사한다.
둘째로, 해산 치어 2종(부세, Larimichthys crocea 및 넙치, Paralichthys olivaceus)을 대상으로 해상풍력발전 공사 및 운영으로 발생하는 수중소음에 대한 생리적 반응(산소소비율, 삼투압 농도, 카테콜아민 농도)을 평가하였다. L. crocea는 단기(1시간) 및 연장된(24시간) 항타 소음 노출 모두에서 산소소비율이 유의하게 증가하여 대사 활성 및 스트레스 반응이 촉진되었음을 나타냈다. 24시간 노출 시 산소소비율은 대조구(0.225 mg O2 g−1 h−1) 대비 0.316 mg O2 g−1 h−1로 유의하게 증가하였고(p < 0.01), 삼투압 농도 또한 224에서 271 mOsm kg−1로 유의하게 상승하였다(p < 0.05). 반면, P. olivaceus는 연장된 노출 후 산소소비율이 유의하게 감소하여 소음 스트레스에 의한 대사 억제 가능성을 시사하였다 (0.113에서 0.105 mg O2 g−1 h−1로 감소, p < 0.01). 터빈 작동 소음 노출에 대해서는 두 종 모두 유의한 생리적 반응을 보이지 않았다. 카테콜아민 농도는 소음 노출 전후로 변화가 없었으며, 삼투압은 산소소비율과 유사한 경향을 나타냈다. 특히 두 종 모두 야행성 습성을 지니고 있어 수중소음 노출 시 야간에 산소소비율의 변동이 증가하는 경향을 보였으며, 이는 스트레스 반응의 일주기적 변조 가능성을 시사하였다.
본 연구는 해상풍력발전에서 발생하는 수중소음이 해산어의 행동 및 생리 반응을 종합적으로 교란할 수 있음을 실험적으로 규명하였으며, 무척추동물을 포함한 다양한 분류군에 대한 기존 연구를 분석하여 생태계 차원의 파급효과를 제시하였다. 특히 수중소음에 대한 반응은 종 특이적 생리 특성과 일주기성에 따라 다르게 나타났으며, 이는 분류군의 다양성과 생물학적 특성을 반영한 영향평가의 필요성을 강조한다. 특히 이상 행동 반응, 대사율 및 스트레스 지표 변화는 해양 개체군 및 생태계 기능에 누적 영향을 미칠 가능성을 내포하고 있다. 본 연구 결과는 수중소음 공해를 해양환경 관리전략 및 평가체계에 통합할 필요성을 강조하며, 국내 해역 특성에 부합하는 수중소음 영향기준 마련의 기초자료로 활용될 수 있다. 특히 동아시아 연안에 서식하는 주요 어종을 대상으로 수행된 실험 기반 자료는 지역 맞춤형 정책 수립 및 해양공간계획 수립 시 중요한 과학적 근거를 제공할 수 있다. 향후 연구에서는 종 특이성, 생활사 단계별 민감도, 장기·누적 노출 영향평가, 그리고 수중소음 외에 다른 인위적 스트레스 요인(전자기장, 부유사 등)과의 복합적 상호작용에 대한 심층 연구가 요구된다. 이를 위해 행동학, 생리학, 생태학, 음향학을 통합한 융합적 접근이 요구되며, 이러한 연구는 해양생물의 소음 취약성을 정량화하고 해양생태계의 지속가능한 발전과 해상풍력발전의 환경 친화적 운영 방안을 마련하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the increasing demand for renewable energy to achieve future sustainable development goals, offshore wind farms (OWFs) have emerged as a critical alternative energy source. However, alongside this expansion, concerns regarding underwater noise pollution generated during OWF construction and operation have grown, owing to its potential to disrupt marine ecosystems. While numerous studies have investigated these effects in Europe and North America, research targeting local marine species in East Asia remains scarce, emphasizing the urgent need for region-specific assessments. The present study aimed to assess biological responses to OWF-related noise through 1) identification of behavioral changes and response thresholds in fishes subjected to pile driving noise, and 2) evaluation of physiological responses in fishes exposed to construction (pile driving) and operational (turbine operation) noise. To achieve these aims, controlled laboratory experiments were conducted to measure changes in behavioral and physiological parameters. In addition, a literature review was conducted to synthesize current knowledge on the effects of underwater noise on fishes and invertebrates, placing the experimental findings in a broader ecological context.
To address the first objective, the effects of pile driving noise generated during OWF construction were evaluated on the behavior of three juvenile marine fishes (Lateolabrax japonicus, Acanthopagrus schlegelii, and Platichthys stellatus) that are commonly found and cultured in East Asian seas. Playback experiments using pile driving noise at 138 dB re 1 μPa (zero-to-peak) demonstrated rapid behavioral alterations. L. japonicus and A. schlegelii exhibited significant reductions in swimming speed and group cohesion, with approximately 40% of individuals remaining un-habituated even after five minutes. Particularly, L. japonicus displayed clear horizontal avoidance of the noise source, a behavior that persisted beyond the termination of noise exposure, indicating strong sensitivity to impulsive sounds. In contrast, P. stellatus showed no noticeable behavioral change, suggesting interspecific differences in noise responsiveness that may be linked to morphological and ecological traits. These findings affirm that even relatively low-intensity impulsive noise can elicit significant behavioral disturbances in sensitive fish species.
To address the second objective, the physiological responses of juvenile marine fishes to underwater noise from offshore wind farm construction and operation were assessed. Oxygen consumption rate (OCR), osmolality, and catecholamine levels were measured in Larimichthys crocea and Paralichthys olivaceus following controlled exposure to noise stimuli. L. crocea exhibited a significant increase in OCR under both short-term (1 h) and prolonged (24 h) pile driving noise exposure, with 24-h exposure resulting in a higher OCR compared to controls (0.316 vs. 0.225 mg O2 g−1 h−1, p < 0.01), indicating heightened metabolic activity and stress. Conversely, P. olivaceus showed a significant decrease in OCR after prolonged exposure, with OCR reduced from 0.113 to 0.105 mg O2 g−1 h−1, (p < 0.01), suggesting a potential suppression of metabolic functions under extended noise stress. In contrast, physiological responses to turbine operation noise were not significant in either species. Catecholamine levels remained unchanged following noise exposure, while osmolality generally mirrored OCR trends, with osmolality in L. crocea increasing from 224 to 271 mOsm kg−1 after 24-h pile driving exposure (p < 0.05). Notably, nocturnal increases in OCR were more prominent under noise conditions, indicating diel modulation of stress responses.
This study demonstrates that underwater noise from OWFs can disrupt both behavioral and physiological processes in marine fishes, with broader implications for ecosystem function and resilience. The observed alterations in behavioral patterns, metabolic rates, and stress physiology emphasize the need for integrating underwater noise as a critical factor in marine environmental management strategies. The synthesized findings on invertebrate responses further underscore the potential for community-wide impacts of underwater noise, especially when multiple taxa and ecological interactions are considered. These results highlight that species-specific traits and diel activity patterns can strongly influence vulnerability to acoustic stressors, reinforcing the importance of incorporating biological and ecological diversity into impact assessments. Future research should prioritize long-term and cumulative impact assessments that reflect realistic exposure scenarios, particularly for ecologically or economically important species in underrepresented regions such as East Asia. In addition, interdisciplinary approaches combining physiology, behavior, ecology, and acoustics will be essential for accurately predicting and mitigating noise impacts in marine ecosystems. Collectively, these findings contribute to the scientific foundation for establishing evidence-based exposure thresholds and conservation guidelines, thereby supporting the sustainable development of OWFs in diverse marine environments.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• TABLE OF CONTENTS iv
• LIST OF ABBREVIATIONS vii
• LIST OF TABLES ix
• LIST OF FIGURES xi
• CHAPTER 1. Introduction 1
• 1.1. Backgrounds 2
• 1.2. Objectives 14
• CHAPTER 2. Pile driving noise impacts behavioral patterns of important east asian juvenile marine fishes 17
• 2.1. Introduction 18
• 2.2. Materials and methods 20
• 2.2.1. Fish characteristics and study environment 20
• 2.2.2. Experimental design 22
• 2.2.3. Sound characteristics 23
• 2.2.4. Behavioral analysis 27
• 2.2.5. Statistical analysis 29
• 2.3. Results 31
• 2.3.1. Onset of behavioral changes 31
• 2.3.2. Temporal changes in and habituation of behaviors 37
• 2.3.3. Spatial distribution of fish relative to noise source 40
• 2.3.4. Effects of pile driving noise on fish behavior: Mini-review 42
• 2.4. Discussion 46
• 2.4.1. Behavioral effects of pile driving noise on juvenile fishes 47
• 2.4.2. Potential effects of noise disturbance on juvenile fish in natural nurseries 50
• 2.4.3. Potential effects of noise disturbance on juvenile fish in aquaculture areas 51
• 2.4.4. Future directions for the biological impact assessment in OWF construction 52
• 2.5. Conclusions 53
• CHAPTER 3. Monitoring of the physiological responses of marine fishes to construction and operation noise from offshore wind farms 54
• 3.1. Introduction 55
• 3.2. Materials and methods 57
• 3.2.1. Experimental design 57
• 3.2.2. Test species 59
• 3.2.3. Sound characteristics 60
• 3.2.4. Experimental procedure 62
• 3.2.5. Oxygen consumption analysis 63
• 3.2.6. Biochemical analysis: catecholamine and osmolality 65
• 3.2.7. Statistical analysis 66
• 3.3. Results and discussion 67
• 3.3.1. Physiological responses of fish to short-term pile driving noise 67
• 3.3.2. Physiological responses of fish to prolonged underwater noise 72
• 3.3.3. Effects of anthropogenic stressors on fish respiratory processes 77
• 3.4. Conclusion 85
• CHAPTER 4. Conclusions 86
• 4.1. Summary 87
• 4.2. Environmental implications and limitations 90
• 4.3. Future research directions 92
• REFERENCES 95
• ABSTRACT (IN KOREAN) 107
• APPENDIX 110