전자기장 단독 및 구리 복합 노출에 따른 둥근성게(Mesocentrotus nudus)의 생애 단계별 영향 = Stage-specific effects of electromagnetic fields alone and in combination with copper in the sea urchin Mesocentrotus nudus

국문 초록 (Abstract)

해상풍력발전 단지의 급증에 따라 해저 전력 케이블에서 방출되는 전자기장(Electromagnetic field, EMF)이 연안 저서생태계에 새로운 환경 스트레스 요인으로 대두되고 있다. 본 연구는 국내 연안 우점 저서 무척추동물인 둥근성게 (Mesocentrotus nudus)를 주 모델 종으로, 지중해담치 (Mytilus galloprovincialis)를 비교 종으로 선정하여 60 Hz 교류 전자기장이 초기 생활사와 성체 행동에 미치는 영향을 분석하고, 중금속 구리(Copper)와의 복합 노출 영향을 평가하여 해저 전력 케이블에서 발생하는 전자기장 환경영향평가에 활용 가능한 기초 자료를 제공하고자 하였다. 이를 위해 헬름홀츠 코일 기반 전자기장 노출 시스템과 생물 행동 관찰 장치를 구축하고, μT – mT 범위를 포괄하는 단계적 전자기장 세기를 설정하였다.
주 모델 종인 둥근성게의 수정률 및 정상 플루테우스 유생 발생률은 0.05–1 mT 범위에서는 대조구와 유의한 차이를 보이지 않았으나, 5 mT에서 정상 유생 발생이 전면적으로 억제되어 초기 난할 단계에서 발생이 중지되었다. 또한, 이매패류인 지중해담치를 대상으로 한 교차 검증 결과, 48 h 및 72 h D형 유생 발생률이 1, 3 mT에서 유의하게 감소하는 것을 확인하여 둥근성게에서 관찰된 초기 생활사의 세기 의존적 발생 저해 현상이 상이한 분류군에서도 공통적으로 나타날 수 있음을 입증하였다.
둥근성게 초기 생활사를 대상으로 한 전자기장-구리 복합 노출 실험에서 전자기장 단독(≤1 mT)은 수정률과 발생률에 뚜렷한 영향을 주지 않았으나, 5 mT 전자기장 하에서 구리(CuSO4)의 독성이 강화되어 수정 단계의 반수영향농도(EC50)가 51 μg/L에서 19 μg/L로 감소하고 무영향관찰농도(NOEC) 및 최소영향관찰농도(LOEC)가 저농도 방향으로 이동하는 상승 효과(Synergistic effect)가 나타났다. 반면 5 mT 조건에서는 전자기장 단독만으로도 정상 유생 발생이 완전히 저해되어, 발생 단계에서의 시너지 효과는 추가적인 중간 세기에 대한 후속 실험이 필요한 것으로 판단되었다. 전자기장 단일 노출에 따른 둥근성게 성체 행동 실험에서는 총 이동거리가 통계적으로 유의하게 달라지지 않았으나, 30분 노출 동안 개체들의 공간 분포가 고강도 구간(1–3 mT)에서 대조구(Background level) 방향으로 점진적으로 재편되는 양상이 관찰되어, 수 mT 수준의 자기장 구배에 대한 회피 행동(Avoidance behavior)의 가능성을 시사하였다.
이러한 결과는 적절한 매설과 전류 관리가 이루어진 조건에서는 일반적인 해저면 수준의 전자기장이 주로 행동·생리 수준의 변화를 유발할 것으로 예상되지만, 고용량 구간에서는 1 – 수 mT 수준의 자기장이 형성될 수 있으며, 이 경우 둥근성게를 비롯한 저서 무척추동물의 초기 생활사에 발생학적 독성을 유발할 수 있음을 보여준다. 또한 고강도 전자기장 하에서 구리 독성이 증폭되는 경향은 실제 복합 오염 해역에서 위험을 과소 추정할 수 있음을 시사한다. 본 연구는 전자기장 단독 및 복합 노출에 대한 초기 생활사와 성체 행동 반응을 통합적으로 제시함으로써, 향후 해저 전력 케이블 관련 환경영향평가 체계 구축과 관리 기준 설정에 기초 자료를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid expansion of offshore wind farms, electromagnetic fields (EMFs) generated by subsea power cables have emerged as novel environmental stressors for coastal benthic ecosystems. This study selected the sea urchin Mesocentrotus nudus as the primary model species and the Mediterranean mussel Mytilus galloprovincialis as a comparative species to analyze the effects of 60 Hz alternating EMFs on their early life stages (ELS) and adult behavior. Furthermore, the study evaluated the effects of combined exposure with copper (administered as CuSO4) to provide baseline ecotoxicological data for the environmental impact assessment (EIA) of subsea power cables. To this end, a Helmholtz coil-based EMF exposure system and a biological behavior observation device were established to cover a stepwise range of EMF intensities ranging from the μT to mT levels.
In the primary model species, M. nudus, fertilization success and normal pluteus larval development showed no significant differences from the control at 0.05–1 mT; however, normal development was completely inhibited at 5 mT, with development arresting at the early cleavage stage. Comparative assays using the bivalve M. galloprovincialis confirmed that D-shaped larval development rates significantly decreased at 1 and 3 mT at 48 h and 72 h. This demonstrates that the intensity-dependent developmental impairment observed in the sea urchin’s early life stages is a phenomenon that can occur across different taxa.
In combined exposure assays with the ELS of M. nudus, EMF alone (≤1 mT) had no distinct effect on fertilization or development. However, under 5 mT EMF, the toxicity of copper (CuSO4) was enhanced, shifting the half-maximal effective concentration (EC50) from 51 μg/L to 19 μg/L and moving both the No Observed Effect Concentration (NOEC) and Lowest Observed Effect Concentration (LOEC) toward lower concentrations, indicating a synergistic effect at the fertilization stage. Conversely, at 5 mT, EMF alone completely inhibited normal larval development, suggesting the need for additional tests at intermediate intensities to further evaluate synergy during the developmental stage. Under single EMF exposure, adult M. nudus showed no statistically significant changes in total movement distance, but their spatial distribution gradually shifted from high-intensity zones (1–3 mT) toward the control zone (background level) over 30 minutes, suggesting the possibility of behavioral avoidance in response to mT-level magnetic field gradients.
These results indicate that while typical seabed-level EMFs are expected to primarily cause behavioral or physiological changes, intensities near cable surfaces or in high-load sections may reach several mT, which can induce developmental toxicity in the ELS of benthic invertebrates, including sea urchins. Furthermore, the amplification of copper toxicity under high-intensity EMFs suggests that assessing EMF as an isolated factor may underestimate risks in areas where multiple stressors co-occur. This study integrates responses across different life stages and exposure scenarios, providing foundational data for establishing management criteria and EIA frameworks for subsea power cables.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.1.1. 해상풍력발전의 가속화와 해양 공간의 구조적 변화 1
• 1.1.2. 해저 전력 케이블의 전자기장 방출 특성 및 노출 메커니즘 2
• 1.2. 이론적 근거 및 연구 가설 7
• 1.2.1. 연구 대상의 분류학적 편중과 저서 생태계 위해성 평가의 한계 7
• 1.2.2. 분류군과 생활사에 따른 반응 기작의 이원화 가설 10
• 1.3. 연구 목적 13
• 제 2장 재료 및 방법 15
• 2.1. 실험 장비 15
• 2.1.1. 전자기장 발생 장비 15
• 2.1.2. 전자기장 측정 장비 17
• 2.1.3. 생물 행동 분석 시스템 20
• 2.2. 실험 생물 22
• 2.2.1. 둥근성게(Mesocentrotus nudus) 22
• 2.2.2. 지중해담치(Mytilus galloprovincialis) 24
• 2.3. 둥근성게 수정 및 발생률 실험 방법 26
• 2.3.1. 수정률 실험 방법 26
• 2.3.1.1. 배우자 획득 및 준비 26
• 2.3.1.2. 정자와 난자의 건강성 검사 27
• 2.3.1.3. 정자의 노출 밀도 결정 27
• 2.3.1.4. 수정률 실험 28
• 2.3.2. 정상유생 발생률 실험 방법 29
• 2.3.2.1. 수정란 확보 29
• 2.3.2.2. 정상유생 발생률 실험 29
• 2.4. 둥근성게 행동 관찰 실험 방법 33
• 2.4.1. 실험 절차 및 데이터 수집 33
• 2.4.2. 딥러닝 기반 객체 탐지 및 추적 33
• 2.4.3. 행동 정량화 및 분석 34
• 2.5. 지중해담치 발생률 실험 방법 37
• 2.5.1. 수정란 획득 및 준비 37
• 2.5.2. D형 유생 발생률 실험 38
• 2.6. 전자기장 세기 및 중금속 농도 설정 41
• 2.7. 통계 처리 방법 44
• 제 3장 결과 45
• 3.1. 둥근성게 전자기장 단일 영향 45
• 3.1.1. 전자기장 노출에 따른 둥근성게 수정률 변화 45
• 3.1.2. 전자기장 노출에 따른 둥근성게 정상 유생 발생률 변화 48
• 3.2. 둥근성게 전자기장, 중금속 복합 영향 51
• 3.2.1. 전자기장, 중금속 복합 노출에 따른 둥근성게 수정률 변화 51
• 3.2.2. 전자기장, 중금속 복합 노출에 따른 둥근성게 정상 유생 발생률 변화 55
• 3.3. 둥근성게 전자기장 행동 영향 결과 59
• 3.3.1. 전자기장 노출에 따른 둥근성게 개체별 이동거리 측정 59
• 3.3.2. 전자기장 세기 별 체류 개체수 측정 62
• 3.3.3. 전자기장 세기별 노출에 따른 둥근성게 이동 경로 분석 64
• 3.4. 지중해담치 전자기장 단일 영향 68
• 3.4.1. 전자기장 노출에 따른 지중해담치 D형 유생 발생률 변화 68
• 제 4장 고찰 71
• 4.1. 전자기장 단독 노출에 대한 초기 생활사 단계의 민감도 71
• 4.2. 전자기장과 구리의 복합 노출 효과 76
• 4.3. 둥근성게 성체의 회피 행동과 감응 메커니즘 81
• 4.4. 해저 전력 케이블 환경영향평가에 대한 시사점 86
• 4.5. 연구의 적용 범위와 향후 연구 방향 90
• 제 5장 결론 93
• 참고문헌 96
• Abstract 110