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Cyanobacteria Community and Growth Potential Test in Sediment of Lake Paldang

팔당호 퇴적층 남조류의 군집과 남조류 성장잠재성 분석

  • Kim, Yong-Jin (Han River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research) ;
  • Baek, Jun-Soo (Han River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research) ;
  • Youn, Seok-Jea (Han River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research) ;
  • Kim, Hun-Nyun (Han River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research) ;
  • Lee, Byoung-cheun (Han River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research) ;
  • Kim, Gueeda (Han River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research) ;
  • Park, Songeun (Han River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research) ;
  • You, Kyung A (National Institute of Environmental Research) ;
  • Lee, Jae-Kwan (Han River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research)
  • 김용진 (국립환경과학원 한강물환경연구소) ;
  • 백준수 (국립환경과학원 한강물환경연구소) ;
  • 윤석제 (국립환경과학원 한강물환경연구소) ;
  • 김헌년 (국립환경과학원 한강물환경연구소) ;
  • 이병천 (국립환경과학원 한강물환경연구소) ;
  • 김귀다 (국립환경과학원 한강물환경연구소) ;
  • 박송은 (국립환경과학원 한강물환경연구소) ;
  • 유경아 (국립환경과학원) ;
  • 이재관 (국립환경과학원 한강물환경연구소)
  • Received : 2016.02.15
  • Accepted : 2016.04.06
  • Published : 2016.05.30

Abstract

We analyzed cyanobacterial community including akinete, resting cell, and benthic cyanobacteria in sediment of Bukhan, Namhan-River, Paldang-Lake, and Kyeongan-Stream and compared the physicochemical factors for water and pore water. We also performed cyanobacteria growth potential test through incubating sediment. As a result of physicochemical analysis, the concentrations of nutrients were similar for each depth of Bukhan-River. For Namhan-River and Lake Paldang sites, the concentrations of TP and DTN in bottom and deep water had higher levels. DTN in water body composed of NO3-N(73%) while DTN in pore water composed of NH3-N(77.8%). Benthic cyanobacteria in the sediment such as Oscillatoria tenuis, O. limosa, Phormidium tenue, Pseudanabaena limnetica, and Lyngbya sp. were dominant (between 0.0∼243.3×103 cells/g, w/w). Cell densities of cyanobacteria in sediment depth of 0∼2 cm in most sites were higher compared to those in other depths. The cell density of cyanobacteria in sediment correlated with pH, conductivity, BOD5, TP, DTP, and chl. a. Increased phytoplankton and organic matters were found to be able to inhibit the growth of benthic cyanobacteria. Results of cyanobacteria growth potential test after incubating sediment revealed that harmful cyanobacteria (Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, and Oscillatoria) appeared at 7 days post culturing. Base on these results, the methods used in this study are considered to be able to determine the appearance of harmful cyanobacteria.

1. Introduction

퇴적층은 호소에서 영양염류의 순환에 중요한 기능을 하며, 호소의 급격한 농도변화에 관여함으로 호소수질을 결정하는 인자로 작용한다(Søndergaard et al., 2003; Zhang and Mei, 2015). 퇴적층에 분포하는 조류는 직‧간접적으로 퇴적층에서 용출되는 영양염류의 농도에 영향을 주는 것으로 보고되고 있으며(Dodds, 2003; Tyler and McGlathery, 2003), 조류성장은 수층으로 용출되는 영양염류를 감소시키기도 하지만, 광합성에 따른 용존산소의 증가는 용해되지 않은 영양염류 혼합물을 이온화 상태로 전환시키기도 한다(Carlton and Wetzel, 1988; Dodds, 2003).

퇴적층에서 조류는 식물플랑크톤의 휴지기 상태(resting stage)인 휴면세포(resting cell), 휴면포자(akinete) 및 접합자(zygospore) 등의 형태로 퇴적층에 침강되어 있거나, 퇴적표층에서 생육하는 저서성 조류(benthic algae)가 영양세포 상태로 관찰된다(Sze, 1997). 휴지기 상태의 조류는 계절변화와 수온상승 시 휴지기를 마치고 영양세포로 성장하면서 표층으로 부유하여(Yamamoto and Nakahara, 2009), 식물플랑크톤 군집을 형성하고, 조건에 따라 대발생을 일으키기도 한다(Li et al., 2013). 퇴적층에 존재하는 Microcystis 휴면세포의 현존량은 수체로 부유하여 성장하는 Microcystis 의 규모를 결정하는 것으로 연구되었으며(Latour and Giraudet, 2004), Anabaena의 휴면포자 역시 성장에 적합한 환경조건이 갖추어지면 발아 후 성장하여 대량발생할 수 있기 때문에 퇴적층에 존재하는 휴면포자의 현존량이 잠재적인 Anabaena의 발생량이 된다(Kim et al., 2015).

저서성 조류는 수심이 낮고 유속이 빠른 하천에서는 주로 규조류가 우점하고 있으나(Baek et al., 2014), 호소에서는 휴지기 상태의 규조류를 제외하고 저서성 남조류의 현존량이 대체로 높다. 저서성 남조류는 Oscillatoria, Phormidium 등이 주로 출현하며(Kim et al., 2015), geosmin과 2-MIB와 같은 이취미물질의 원인조류로도 알려져 있다(Jüttner and Watson, 2007). 이처럼 퇴적층에서 발생하는 남조류는 과다증식으로 인한 경관저해, 독소 및 이취미 생성 등 상수원 수질관리에 많은 문제를 일으킬 수 있지만 이와 관련된 기초연구가 현재까지 많이 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 수층과 퇴적층의 이화학적 환경요인과 퇴적층 내 남조류 분포를 조사하여 관계를 분석하였으며, 퇴적층 배양을 통하여 퇴적층 남조류 분석법을 개선하고자 하였다.

 

2. Materials and Methods

2.1. 조사 지점 및 조사기간

팔당호 퇴적층 남조류 분포조사를 위해 북한강 2개 지점(SB: 삼봉리, P4: 한강물환경연구소 앞), 남한강 1개 지점(P3: 경기도 양평군 양서면 신원리), 팔당호 및 경안천 합류부 3개 지점(P2: 경기도 남양주시 조안면 능내리 팔당댐, P5: 광주시 남종면 분원리, KK: 광주시 퇴촌면 광동리 광동교)을 대상으로 수행하였다(Fig. 1).

Fig. 1.Survey sites for benthic cyanobacteria and sediment. Bukhan-River (SB: Sambong, P4: front of the Han River environment research center, Namhan-River (P3: front of Wolgye-sa), Paldang-Lake (P2: front of dam, P5: Paldang-Lake) and Kyeongan-Stream (KK: Kyeongan-Stream).

시료의 채집은 2015년 4월∼ 10월까지 봄, 여름, 가을 총 3회를 나누어 계절조사를 하였으며, core sampler를 사용하여 퇴적깊이 15 cm 이상의 깊이로 퇴적층을 채집하였다. 물 시료는 각 지점에서 수심별(0, 4, 8 m 등)로 채집하였으며, 퇴적층 채집 시 core sampler에 채집된 퇴적층 상등수를 퇴적층과 분리하여, 분석하였다.

2.2. 조사항목 및 분석방법

이화학적 환경요인은 수질 현장측정기(YSI 6600, USA)를 사용하여 수온, pH, 용존산소(DO), 전기전도도(EC) 및 탁도(turbidity)를 측정하였고, 수심별 물 시료와 퇴적층의 상등수(바닥층)는 총질소(T-N), 용존성 총질소(DTN), 총인(T-P), 용존성 총인(DTP), 암모니아성 질소(NH3-N), 질산성질소(NO3-N), 인산염인(PO4-P), 부유물질(SS), 생물학적 산소요구량(BOD5) 및 엽록소 a (chl. a)를 수질오염공정시험기준(MOE, 2007)와 Standard method(APHA, 2005)에 준하여 분석하였다. 간극수의 분석은 각 지점의 퇴적층을 분취하여 3,000 rpm으로 30분간 원심분리 후 증류수에 희석하여 분석하였다.

남조류 시료는 채집된 퇴적층을 0∼2 cm, 2∼5 cm로 구분하여, 각 층별로 습중량 1 g (w/w)을 분취, 90 μm Nylon재질의 체(sieve)로 이물질을 제거 후 50 mL 증류수에 희석하여 Lugol’s solution으로 고정하였다. 퇴적층 남조류는 남조류 휴면세포(cyanobacteria resting cell)와 저서성 남조류(benthic cyanobacteria)를 분석하였으며, Sedgwick-Rafter counting chamber를 사용하여 위상차 현미경(Nikon, Japan)하에서 100∼1,000 배율로 개체수를 산출하였다. 남조류의 검경은 Komárek and Anagnostids (2005)의 분류체계에 따라 정리하였고, Chung (1993), Hirose et al. (1977), John et al. (2002)을 참고하였다(Fig. 2).

Fig. 2.Observation of cyanobacteria akinetes (a, b), resting cell (c: Microcystis sp.) and benthic cyanobacteria (d: Oscillatoria sp.) in sediment.

휴면포자(akinete)의 분석은 각 층별 퇴적층을 습중량 1 g(w/w)을 증류수에 분산시켰다. 분산은 초음파기(WUC-A03, Korean)로 30초간 2회 처리하여 현탁액을 일정하게 분쇄하였다. 분산액은 90 μm, 60 μm Nylon재질의 체로 순차적으로 분리하였으며, 최종적으로 10 μm Nylon 체로 여과한 퇴적물 시료를 Panning methods (Matsuoka and Fukuyo, 2000)를 사용하여 휴면포자를 분리하였다. 분리된 휴면포자는 10 mL 부피로 희석하여 100∼400배율로 현존량을 산출하였다.

퇴적층의 배양은 250 mL 삼각플라스크에 채집된 퇴적층 75 g을 BG11배지 150 mL와 균등혼합 시킨 후 자연 침강으로 무게가 가벼운 휴면포자 및 휴면세포가 퇴적표층에 농축되게 하였다. 배양조건은 퇴적층 배양연구(Kim et al., 2014; Kim et al., 2015)에서 남조류의 성장이 빠르고 활발한 온도 25℃, 광조건 40 μmol/m2‧S, 광주기 16(L):8(D)로 배양하였다. 퇴적층 배양 시료는 유해조류 발생연구(Han River Watershed Management Committee, 2014)의 결과에서 휴면포자 현존량이 140 cells/g로 조사지점 중 가장 높았던 북한강 시우천 합류부의 퇴적층을 배양하여 표층으로 부유하는 남조류를 1일 단위로 10일간 확인하였으며, 이 결과를 바탕으로 6개 지점 퇴적층(10월 시료)을 4개의 층(0∼2 cm, 2∼5 cm, 5∼10 cm, 10∼15 cm)으로 구분하여 배양한 후 남조류의 출현과 현존량을 분석하였다.

 

3. Results and Discussion

3.1. 조사지점의 이화학적 수질

조사지점 수온은 18.5±7.7 ∼ 21.6±8.1℃의 범위로 P3(남한강) 지점의 수온이 가장 높았고, 북한강 수계인 SB(삼봉)와 P4(한강물환경연구소 앞)가 낮았다. pH는 7.5±0.5∼8.2±0.4의 범위로 지점 간 큰 차이를 보이지 않았으며, 수온이 높았던 P3가 가장 높았다. DO는 8.7±0.8∼10.9±0.6 mg/L의 범위로 P3지점이 높았고, 전기전도도는 129.3±18.9∼343.0± 43.6 μS/cm의 범위로 북한강 수역이 대체로 낮으며, KK(경안천)가 다른 지점에 비해 평균 1.5배 높게 나타났다. 탁도는 대부분의 지점에서 5 NTU이하로 낮았으며, 수심이 낮은 KK와 P5(팔당호 합류부)가 5.7±4.5∼12.0±9.0 NTU의 범위로 가장 높게 나타났다(Table 1).

Table 1.Mean values of physicochemical factor in Bukhan-River (SB, P4) Namhan-River (P3), Paldang-Lake (P2, P5) and Kyeongan-Stream (KK) from Apr. to Oct. in 2015

BOD는 0.9±0.2∼3.0±0.9 mg/L의 범위로 경안천에서 가장 높았으며, 경안천을 제외한 모든 지점에서 2.0 mg/L 이하로 양호한 수질을 나타냈다(NIER, 2014). chl. a는 8.3±9.6∼24.5±23.9 mg/m3의 범위로 KK에서 가장 높았으며, 각 지점에서 계절에 따라 농도차이가 큰 것으로 나타났다. 계절별로 수온, pH, 용존산소 등 일반적인 수질항목은 연중변화량과 큰 차이가 없었으며(Kim et al., 2015; NIER, 2014), 각 계절별 평균농도는 지점별로 유사하였다. chl. a의 농도는 모든 지점에서 10월에 가장 높았으며, P5와 KK의 경우 남조류인 Aphanizomenon flos-aquae 가 50.6∼122.7×103 cells/mL의 범위로 출현하여 chl. a 증가의 주요 원인으로 나타났다(Table 1)(NIER, 2015).

북한강, 남한강 및 팔당호 6개 지점의 수심별 영양염류 농도는 Fig. 3과 같으며, TN 농도는 0.837∼4.512 mg/L의 범위로 4월의 KK지점의 바닥층에서 가장 높았다. 계절별로 4월에 모든 지점에서 TN농도가 높으며, SB, P4, P3 및 P2(팔당댐 앞)지점은 4월에 2.5 mg/L, 7월과 10월에 1.3 mg/L 전후로 표층에서 하층까지 농도가 유사하였다. TN의 농도는 KK를 제외하고 연평균 2.0 mg/L의 수준으로 봄과 겨울에 농도가 높으며, 남한강 지점인 P3가 북한강(SB, P4) 과 P2보다 농도가 높았다(Kim et al., 2015; Lee et al., 2010). KK의 TN은 계절에 따른 변동 폭이 크며, 연평균 3.781 mg/L의 높은 농도로 경안천 유역의 오염원으로부터 다양한 형태의 질소가 유입되는 것으로 나타났다(Lee et al., 2010). 또한 P5는 KK 인접한 지점으로 KK에서 유입되는 TN농도의 변화에 직접적인 영향을 받아 높은 농도를 유지하였다.

Fig. 3.Variations of nutrient (TN, NO3-N, TP, PO4-P) concentration at Bukhan-River (SB, P4), Namhan-River (P3), Lake Paldang (P2, P5) and Kyeongan-Stream (KK) from Apr. to Oct. in 2015.

DTN 및 NO3-N는 TN과 농도변화가 유사한 것으로 나타났으며, 팔당호 TN의 73%가 NO3-N의 형태로 존재하는 것으로 조사되었다(Han River Watershed Management Committee, 2008; Lee et al., 2010). NH3-N의 농도는 0.016∼0.580 mg/L의 범위로 4월 P5표층에서 가장 높았으며, 4월 KK 바닥층에서 가장 낮았다. SB, P4, P3 및 P2의 각 계절에 따른 수심별 농도는 대체로 유사하였으나, 7월 P3의 바닥층과 P2 20 m 수심에서 0.55 mg/L로 높았다(Fig. 3).

TP의 농도는 0.007∼0.092 mg/L의 범위로 4월 KK 표층에서 가장 높았으며, 7월 SB 표층에서 가장 낮게 나타났다. TP의 경우 TN과 다르게 수심에 따라 농도가 다르게 나타났고, 4월의 P4를 제외한 전 지점과 7월의 P3, 및 P2, 그리고 10월의 SB, P2, P5 및 KK 지점에서 수심이 깊어질수록 TP의 농도가 증가하였다. 특히 P3의 경우 모든 계절에서 바닥층의 TP 농도가 높았으며, 7월의 경우 수층과 바닥층의 농도차이가 약 3배 차이를 나타냈다. PO4-P의 농도는 0∼0.019 mg/L의 범위로 대부분의 지점에서 0.002 mg/L 이하로 낮았으나, 4월의 KK 표층과 7월의 P3의 하층과 바닥층, P2의 15∼20 m의 수심에서 농도가 높았다(Fig. 3). 수심이 낮은 P5와 KK는 강우기에 퇴적층 성상의 변화로 퇴적층에서 용출이 많이 일어나지 않지만, 그 외의 시기에는 용출이 활발히 일어나는 것으로 연구되었으며(Lee et al., 2009), P5와 KK의 4월과 10월에 나타난 표층과 심층의 급격한 농도변화의 원인으로 판단된다.

3.2. 퇴적층 간극수 중 영양염류 농도변화

각 지점의 퇴적층 간극수를 추출하여 영양염류 농도를 분석한 결과 DTN은 0.225∼16.760 mg/L의 범위로 7월 P3에서 가장 높았고, 4월의 경우 모든 지점이 0.5 mg/L 이하로 나타났다. 수층에서 DTN과 NO3-N의 농도 경향이 서로 유사하였으나, 간극수의 경우 DTN과 NH3-N의 경향이 유사하였다. 간극수의 DTN은 77.8%가 NH3-N의 형태로 존재하고 있는 것으로 조사되었으며, NH3-N의 농도는 0.002∼ 13.860 mg/L의 범위로 P3 7월에 가장 높았다. NO3-N는 0.004∼0.044 mg/L의 범위로 10월 P2에서 가장 높았으며, 모든 지점에서 4월과 7월 보다 10월의 NO3-N농도가 높았다(Fig. 4). 일반적으로 수층의 NO3-N는 늦가을과 초봄까지 높은 농도를 보이다가 늦봄과 여름에 식물플랑크톤의 성장에 따른 NO3-N의 흡수가 증가하면서 농도가 낮아지는 것으로 알려져 있다(Horne and Goldman, 1994). 본 연구의 퇴적층에서도 NO3-N의 계절별 농도변화가 수층에서와 같은 경향을 나타냈다.

Fig. 4.Seasonal variations of nutrient (DTN, NO3-N, DTP, PO4-P) concentration in porewater at Bukhan-River (SB, P4), Namhan-River (P3), Lake Paldang (P2, P5) and Kyeongan-Stream (KK) from Apr. to Oct. in 2015.

DTP의 농도는 0.005∼0.120 mg/L의 범위, PO4-P는 0.0∼0.047 mg/L의 범위로 수층의 인 농도에 비해 4∼10배가량 높다. 수층에서 영양염류의 변화가 크게 나타났던 P5와 KK는 대체적으로 농도가 낮았으며, 이는 퇴적층에서 수층으로 용출되는 속도와 관련이 있을 것으로 판단된다(Lee et al., 2009). 다른 지점에 비해 DTN의 농도가 매우 높았던 P3는 반대로 DTP와 PO4-P의 농도가 낮게 나타났으며, P4의 경우 7월에 다른 지점에 비해 DTP와 PO4-P의 농도가 높았다(Fig. 4).

팔당호 퇴적층의 영양염류는 강우 전 시기보다 강우 이후 2∼5배가량 증가하는 것으로 연구되었으며(Lee et al., 2009), 본 연구에서도 강우기(7월) 이후 퇴적층의 영양염류의 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 수심이 낮고 용출속도가 빠른 P5와 KK는 퇴적층에서 수층으로 영양염류가 빠르게 공급되고 있는 것으로 사료되며, 이러한 영양염류의 공급은 식물플랑크톤의 성장에 영향을 미칠 것으로 판단된다 (NIER, 2015).

3.3. 퇴적층에 존재하는 휴면포자(akinete) 및 남조류 군집

휴면포자(akinete)는 염주말 목(Order Nostocales) 남조류에 해당되는 Anabaena, Aphanizomenon 및 Nostoc 등의 조류가 서식환경이 적합하지 않을 때 형성하는 세포로 영양세포에서 분화하여 퇴적층에서 휴면상태로 존재한다(Kang et al., 2014; Komárek and Anagnostids, 2005; Sze, 1997). 특히 Anabaena 는 북한강 및 팔당호에 출현하는 대표적인 유해조류(NIER, 2014; You et al., 2013)로 성장에 적합한 환경조건이 갖추어지면 발아하여 대량발생할 수 있기 때문에 퇴적층에 존재하는 휴면포자의 현존량은 남조류 발생의 잠재성을 가진다(Kim et al., 2015).

북한강, 남한강 및 팔당호 지역의 휴면포자 분포조사 결과 0∼30 cells/g (w/w) 범위로 출현하였으며, 4월 P4의 2∼5 cm 깊이에서 가장 현존량이 높았다. 대부분의 지점에서 휴면포자가 관찰되지 않았으며, 4월에는 P4 외에 P2의 0∼2 cm 깊이에서 10 cells/g (w/w)만 관찰되었다. 7월에는 SB의 2∼5 cm, 10월은 SB과 P2의 0∼2 cm에서 10 cells/g (w/w)이하로 출현하였다(Table 2). 2014년 10월에 조사된 팔당호 휴면포자 현존량은 북한강 수역에서 최대 500 cells/g (w/w), 팔당댐 앞에서 최대 350 cells/g (w/w)로 나타났으며(Kim et al., 2015), 같은 해 11월에 조사된 북한강 수역의 휴면포자 정밀조사는 최대 120 cells/g (w/w) (Han River Watershed Management Committee, 2014)으로 2014년과 비교할 때 휴면포자 현존량이 대체로 낮았다.

Table 2.Distribution of akinetes in Bukhan-River (SB, P4) Namhan-River (P3), Lake Paldang (P2, P5) and Kyeongan-Stream (KK) from Apr. to Oct. in 2015

퇴적층 남조류의 현존량 분석결과 0.0∼243.3×103 cells/g (w/w)범위로 출현하였으며, 7월의 SB의 0∼2 cm 깊이에서 가장 현존량이 높았다(Fig. 5). 퇴적층 깊이에 따라 SB, P4, P5 및 KK의 남조류 현존량은 2∼5 cm 깊이보다 0∼2 cm에서 현존량이 높았으며, P3와 P2는 각각 4월과 10월에 2∼5 cm에서 남조류의 현존량이 높았다. Kim et al. (2014)의 퇴적층배양 연구에서 저서성 남조류의 현존량이 3,000×103 cells/cm2 이상으로 증가하였을 때, 퇴적표층에 매트를 형성하고 수층으로 부상하였다. 본 연구에서는 남조류의 현존량이 배양실험의 결과보다 낮았으며, 각 조사 지점에서 남조매트는 형성되지 않았을 것으로 판단된다. 또한 팔당호 퇴적층의 온도별 배양연구(Kim et al., 2015)에서 북한강의 SB와 P3에서 저서성 남조류의 현존량이 본 연구의 수온범위와 유사한 15∼25℃조건에서 158.7∼1,141.3×103 cells/cm2의 범위로 높게 나타났으며, P2, P5 및 KK에서 현존량이 낮게 나타난것 등 현장조사 결과와 배양결과가 유사하게 나타났다(Fig. 5).

Fig. 5.Cell density of benthic cyanobacteira at North Han-River (SB, P4), South Han-River (P3), Lake Paldang (P2, P5) and Kyeongan-Stream (KK) from Apr. to Oct. in 2015.

퇴적층 출현종은 Oscillatoria tenuis, O. limosa, Phormidium tenue, Pseudanabaena limnetica, Lyngbya sp. 등과 같은 저서성 남조류가 출현하였으며, 출현종 구성도 퇴적층 온도별 배양연구(Kim et al., 2015)의 결과와 유사하였다. 출현종 가운데 Oscillatoria tenuis, O. limosa, Phormidium tenue, Pseudanabaena limnetica 등은 이취미 원인종으로 알려져있으며, 특히 2-MIB의 생성과 관련이 높은 것으로 알려져있다(Jüttner and Watson, 2007). 퇴적층에서 저서성 남조류 외에 Microcystis가 4월 P2의 0∼2 cm 깊이에서 1.6×103 cells/g (w/w)로 출현하였으며, 10월 P2와 P3의 0∼2 cm 깊이에서 Anabaena와 Aphanizomenon이 0.2∼6.7×103 cells/g (w/w)범위로 출현하였다. 4월은 수온이 11℃ 수준으로 Microcystis가 표층으로 부상하기 전 퇴적층에서 휴면세포 상태로 존재하였으며, Anabaena와 Aphanizomenon는 10월에 수온이 감소하는 시기로 표층에서 높은 현존량으로 출현한 남조류(NIER, 2015)가 퇴적층으로 침강된 것으로 판단된다.

퇴적층 남조류의 현존량과 수층의 수심별 평균 이화학적 환경요인, 바닥층의 영양염류, 퇴적층 간극수의 영양염류 결과를 상관분석하였으며, 그 결과 퇴적층 남조류의 현존량은 수층의 pH, 전기전도도, BOD5, TP, DTP, 및 chl. a와 음의 상관관계를 나타냈고, 바닥층(bottom)의 TP 및 DTP와 관련이 있는 것으로 나타났다(Table 3). 이러한 결과는 퇴적층배양연구(Kim et al., 2014)에서 저서성 남조류가 증가하는 시기에 TP 및 DTP가 감소하며, 저서성 남조류의 성장이 퇴적층에서 수층으로 인이 용출되는 것을 저해하는 것으로(Zhang and Mei, 2015) TP 및 DTP와 저서성 남조류의 현존량은 서로 음의 상관관계가 성립된다. 또한 식물플랑크톤의 성장은 pH, BOD, TP의 농도를 증가 시키며, 강우 등에 의해 탁수 및 부유물의 증가는 전기전도 및 DTP의 농도를 증가 시킬 수 있다. 이것은 식물플랑크톤과 강우에 의한 부유물 등에 의해 퇴적층에 도달하는 빛의 양을 감소시키는 등 저서성 남조류의 성장을 저해(Hasson, 1988)하는 것으로 해석될 수 있다.

Table 3.1. B: Bottom, 2. P: pore water, * P<0.01, ** P<0.05, n=18

퇴적층 간극수와 남조류 현존량은 상관분석결과에서는 유의한 결과를 나타내지 않았으며, 간극수의 영양염류 농도가 수층에 비해 매우 높은 농도로 유지되고 있는 것으로 조류의 성장에 제한요인으로 크게 작용하지 못 할 것으로 판단된다. 다만, 퇴적층에 분포하는 조류의 현존량이 퇴적층에서 수층으로 용출되는 영양염류의 농도에 영향을 미치며(Dodds, 2003; Tyler and McGlathery, 2003), 계절에 따른 남조류의 현존량이 큰 차이를 보였던 P3에서 남조류 현존량이 급격히 감소하였을 때 DTN의 농도가 증가하는 것으로 나타났다. P3지점의 DTN은 대부분 NH3-N의 형태로 존재하며(83.7%) NH3-N의 형태로 질소를 이용하는 조류현존량의 감소는 간극수에서 DTN의 농도가 높게 유지된 원인으로 판단된다.

3.4. 퇴적층배양에 따른 유해남조류 발생실험

휴면포자의 현존량은 잠재적인 남조류의 발생량이 되며, Anabaena와 같은 염주말 목(Order Nostocales) 발생가능성을 파악 할 수 있다. 하지만, 본 연구결과와 같이 휴면포자의 현존량이 낮을 경우 대상지점에 휴면포자가 검출되지 않을 수 있으며, 조사지점과 시기에 따라 그 결과가 상이하게 나타날 수 있다. 의암호에 위치한 춘천하수처리장 방류수 부근의 휴면포자 분포 조사 결과(NIER, 2014) 반경 약 500m 내에 19개 지점의 퇴적깊이별 휴면포자 현존량이 0∼17,900 cells/g (w/w)범위로 다양하게 나타났다. 또한 휴면포자의 분석은 전처리 과정과 검경방법이 숙련도를 요하는 분석법이며, 분석에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.

북한강의 경우 남조류 발생 시기에 Anabaena가 주로 출현하지만, Microcystis가 주요 우점종으로 출현하는 낙동강의 경우 휴면포자 현존량이 큰 의미를 갖지 못한다. Microcystis의 경우 휴면포자와 유사한 방법으로 퇴적층에서 휴면세포를 검경할 수 있지만, 퇴적층 내 이물질 등으로 인하여 검경이 난해하다. 본 연구에서는 연구방법에서와 같이 휴면포자의 현존량이 높았던 북한강 시우천 합류부 퇴적층배양을 통하여, Anabaena 및 Microcystis 등의 유해남조류의 출현여부를 분석하였다.

퇴적층 배양결과 배양 3일째 표층에서 Microcystis가 출현하였으며, 배양 7일까지 최대 6,512 cells/mL의 현존량으로 출현하였다. Anabaena는 배양 5일째 출현하여, 8일까지 지속적으로 증가하였고, 배양 9일 이후 출현하지 않았다. Oscillatoria는 배양 6∼8일째에 출현하였으며, Aphanizomenon은 배양 7일째에서만 출현하였다(Table 4). Anabaena의 경우 퇴적층 배양연구(Kim et al., 2014)에서 휴면포자 현존량이 2,200 cells/g(w/w)에서 배양 4일 후에 120 cells/g(w/w)로 감소한 후 배양 5일째 표층에서 Anabaena가 130∼752 cells/mL 범위로 7일간 출현한 것으로 연구되었으며, 이러한 결과에 따라 최적 환경조건에서 퇴적층을 배양 할 경우 배양 5∼8일에 Anabaena가 퇴적층에서 발아하여 표층으로 부유하는 것으로 판단된다(Table 4).

Table 4.Cell density of harmful algae during incubation in sediment at Siu-Stream

시우천 퇴적층 배양의 결과를 토대로 팔당호 6개 지점의 퇴적층을 퇴적깊이에 따라 각 층별(0∼2, 2∼5, 5∼10, 10∼15 cm)로 7일간 배양하였으며, 배양된 시료에서 표층수를 채집하여 분석하였다. 분석결과 유해남조류인 Oscllatoria (P2), Microcystis (전지점), Anabaena (P2, P4, P5, KK, SB), Aphanizomenon (P5, SB)이 출현하였으며, Oscllatoria의 경우 최대 15,846 cells/mL, Microcystis는 최대 2,245 cells/mL의 현존량을 나타냈다(Table 5). 퇴적깊이에 따른 분포는 대부분의 지점에서 퇴적깊이 5 cm 이상의 깊이에서는 남조류가 출현하지 않았으나, P4의 경우 퇴적층의 하층에 해당하는 10∼15 cm에서 Microcystis가 1,995 cells/mL, Anabaena가 17 cells/mL로 출현하였다. 이러한 결과는 과거에 발생한 남조류가 퇴적층에 퇴적된 것으로 판단되며, 퇴적된 남조류 휴면세포와 휴면포자는 오랜 시간이 지나도 성장에 적합한 환경조건이 갖추어지면 발아하여 표층으로 부유될 가능성이 있다는 것을 의미한다.

Table 5.Cell density of harmful cyanobacteria during incubation (7day) in sediment Bukhan-River (SB, P4) Namhan-River (P3), Lake Paldang (P2, P5) and Kyeongan-Stream (KK)

퇴적층 배양을 통한 유해남조류 성장 잠재성 분석은 남조류의 정량적인 발생을 예측하기에 다소 어려움이 있으나, 남조류의 존재 유무를 파악하는 정성적인 측면에서 의미가 있을 것으로 판단된다. 또한 퇴적층에서 발생하는 남조류에 관한 연구 중에 환경조건에 따른 남조류의 발생과 성장(Hašler et al., 2004; NIER, 2014; Yamamoto and Nakahara, 2009)에 관한 연구 등을 참고하여 배양된 퇴적층(본 연구는 75 g)의 양을 일정 범위의 수역에 적용하면 대상지역에서 발생 가능한 남조류의 규모를 추정할 수 있을 것으로 판단된다.

 

4. Conclusion

북한강, 남한강 및 팔당호 수역의 퇴적층 및 수층의 이화학적 환경요인과 퇴적층내 존재하는 남조류 분포와 남조류 성장잠재성 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

Acknowledgement

Grant : 4대강 유역환경 현안대응 특성화연구

Supported by : 국립환경과학원

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