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문제 정의
- 그에 따라 본 연구는 부착조류를 부식물과 분리한 시료와 부식물에 동화되어 있는 부착조류 시료의 동위원소비의 차이를 비교 분석하여 실험이 부식물의 영향을 최소화하는지 검토하였다. 그 결과 소양강 상류하천에서 부착조류는 분리배양 후 탄소 및 질소 안정동위원소 값이 무거워졌고, 이는 부식물이 반영할 수 있는 다양한 오염원의 복합적인 영향에서 기인한다고 판단하였다.
- 본 연구는 토지 이용이 수질 환경에 미치는 영향을 파악하기 위해 부착조류를 이용한 질소 및 탄소 안정동위원소비의 변동의 폭 파악을 위한 연구를 수행하였으며, 오염원의 유입 정도의 차이가 수계별로 변동의 폭이 큰 북한강 상류 지역과 인북천 본류 지역에서 수행되었다.
제안 방법
- 24시간정도 빛을 쪼여주면 순수 부착조류들은 광합성을 하기 위해 미세 물질들만 통과할 수 있는 mesh를 통과하여 실리카겔에 흡착될 수 있도록 한다. 24시간 후, 부착조류가 흡착된 mesh는 450℃에서 4시간 동안 미리 태워서 준비한 GF/F 여과지(직경 25mm)를 이용하여 여과하여 무게를 재고, 동결 건조하여 데시케이터에 보관하기 전에, 현미경을 통해 시료의 90% 이상이 부착조류로 이루어져 있는지 3회 반복하여 검경하여 부식물의 잔존 여부를 확인하였다.
- 본 연구는 부착조류의 군집분석과 안정동위원소분석을 함께 하여 부착조류의 생지화학적 특성을 최대한 활용하였다. 이는 하천 주변 오염원의 근원을 파악하고 오염도를 평가할 수 있는 부착조류의 탄소 및 질소 안정동위원소비(δ13C, δ15N)의 생지화학적 특성에 기인한다(Peterson, 1999).
- 본 연구에서는 안정동위원소분석을 시행하기 이전 동결 건조 하기 전에 분리 배양 과정을 도입하여 순수 부착조류를 기질에서 분리해내도록 하였다. 부착조류의 분리 배양을 위해 채집해온 돌을 천장 부분이 뚫린 플라스틱 용기에 담고, 부착조류가 올라올 수 있도록 mesh로 그 위를 덮어준다.
- 부착조류 고유의 생지화학성 특성에 근거하는 안정동위원소 분석에 있어 기질의 부식물질을 포함한 박테리아나 미생물, 곰팡이, 원생동물 등의 영향을 최소화하기위해 부착조류를 기질로부터 분리 배양하는 실험을 하였고 그 결과, 부착조류만 분리해낸 샘플과 부식물을 포함한 부착조류 샘플의 안정동위원소비의 결과는 Table 1에서 차이를 보였다.
- 연구의 수행을 위해 북한강 상류지역에서와 인북천 본류 지역 모두에서 순수 부착조류를 수집하였으며, 부식질을 포함한 부착조류 시료에 대해 질소 안정동위원소비 값과 탄소 안정동위원소비 값은 얻었다. 부착조류의 수집과 분리배양은 아래의 방법에 의해 수행되었으며, 질소 및 탄소 안정동위원소비의 변동의 폭을 파악하였다. 소양강 상류 유역은 북한강 상류 지역과 인북천 본류 지역으로 나뉠 수 있으며 이에 따른 오염원의 유입 정도의 차이가 수계별로 변동의 폭이 차이에 영향을 미칠 수 있다.
- 상관도 분석 결과에 따라 소양호 상류하천환경평가에 분리 배양을 통한 부착조류 시료의 안정동위원소비 결과를 활용하기로 하였고, 분리배양을 통한 부착조류의 질소안정동위원소비와 현존량의 관계에 대해 자세히 분석하였다. 하천에서 질소 안정동위원소비는 다양한 범위 안의 값을 나타내었지만, 결과적으로 부착조류의 현존량과 양의 상관관계를 보이며 변동하였다.
- 안정동위원소비는 질량분석기를 이용하여 분석된 표준시료와 분석시료간의 동위원소값의 차이를 dX(‰)로 표현하였고, 표준물질은 탄소에 대해 Vienna PeeDee Belemnite (VPDB), 질소는 대기 N2를 표준물질로 정의하였다.
- 연구의 수행을 위해 북한강 상류지역에서와 인북천 본류 지역 모두에서 순수 부착조류를 수집하였으며, 부식질을 포함한 부착조류 시료에 대해 질소 안정동위원소비 값과 탄소 안정동위원소비 값은 얻었다. 부착조류의 수집과 분리배양은 아래의 방법에 의해 수행되었으며, 질소 및 탄소 안정동위원소비의 변동의 폭을 파악하였다.
- 부식물과 동화해 있는 부착조류 시료와 분리 배양을 통해 분리된 부착조류 시료 각각에서 전처리를 통해 데시케이터에 보관된 건조된 여과지 시료는 자동원소분석기(Automated elemental analyzer, Eurovector 3000 Series)에 주입되어 고온 (1,030℃)에서 연소되고, 동위원소 분석을 위한 유도기체로는 헬륨(He)을 이용하였다. 연소 후 발생하는 CO2 가스에 대하여 안정동위원소 질량분석기를 장착한 continuous flow-through inlet system(Isotope Ratio Mass Spectrometer, Isoprime CF-IRMS, Micromass, UK)을 이용하여 질소와 탄소안정동위원소 비를 분석하였다. 안정동위원소비는 질량분석기를 이용하여 분석된 표준시료와 분석시료간의 동위원소값의 차이를 dX(‰)로 표현하였고, 표준물질은 탄소에 대해 Vienna PeeDee Belemnite (VPDB), 질소는 대기 N2를 표준물질로 정의하였다.
대상 데이터
- 부식물과 동화해 있는 부착조류 시료와 분리 배양을 통해 분리된 부착조류 시료 각각에서 전처리를 통해 데시케이터에 보관된 건조된 여과지 시료는 자동원소분석기(Automated elemental analyzer, Eurovector 3000 Series)에 주입되어 고온 (1,030℃)에서 연소되고, 동위원소 분석을 위한 유도기체로는 헬륨(He)을 이용하였다. 연소 후 발생하는 CO2 가스에 대하여 안정동위원소 질량분석기를 장착한 continuous flow-through inlet system(Isotope Ratio Mass Spectrometer, Isoprime CF-IRMS, Micromass, UK)을 이용하여 질소와 탄소안정동위원소 비를 분석하였다.
- 소양강 상류 하천 가운데 인북천 상류에서 부착조류의 분리 배양을 통한 질소와 탄소 안정동위원소비(℘15N, ℘13C)의 변동.
- 소양강 상류 하천 가운데 인북천 하류에서 부착조류의 분리 배양을 통한 질소와 탄소 안정동위원소비(℘15N, ℘13C)의 변동.
성능/효과
- 결과적으로 농경지 중심지역인 내린천 상류, 인북천 상류지역에서 δ15N가 임야 중심지역인 한계천 및 북천에서의 값보다 높았다.
- 그에 따라 본 연구는 부착조류를 부식물과 분리한 시료와 부식물에 동화되어 있는 부착조류 시료의 동위원소비의 차이를 비교 분석하여 실험이 부식물의 영향을 최소화하는지 검토하였다. 그 결과 소양강 상류하천에서 부착조류는 분리배양 후 탄소 및 질소 안정동위원소 값이 무거워졌고, 이는 부식물이 반영할 수 있는 다양한 오염원의 복합적인 영향에서 기인한다고 판단하였다. 기질에 있는 박테리아와 같은 미생물은 수체 내의 탄소 및 질소의 이용에 있어 부착조류와 경쟁한다.
- 본 연구에서 하천 주변 높은 농경지 점유로 인해 오염원의 유입이 발생하며, 무거운 질소가 축적되어 높은 δ15N 값을 나타내야 하는 내린천의 경우, 부식물을 포함한 부착조류의 δ15N 값은 매우 낮다(내린천 δ15N=3.80, 조사지역 평균 δ15N=5.17).
- 본 연구의 안정동위원소 분석은 크게 부착조류와 부식물의 분리 배양 실험을 통한 안정동위원소 비의 결과 비교와 하천에서 부착조류의 오염원에 따른 안정동위원소비의 변동으로 구분하여 볼 수 있다(Table 1).
- 본 연구를 통해 대 하천을 대상으로 하는 기존의 수질환경평가지수를 이용한 지류 하천의 소규모 유역 분석은 한계가 있음을 알 수 있었다. 부영양화의 가능성이 큰 농경지 주변 소규모 하천의 수질 평가에 있어 외국에서 사용되는 부영양화 기준은 매우 단순하여 우리나라 하천 생태에 불일치 하는 결과를 보였다. 결과적으로 부착조류의 생지 화학적 특성을 효과적으로 반영하는 안정동위원소 분석의 추가적인 적용은 하천 수질평가의 정확성과 신뢰성을 높일 수 있을 것을 기대할 수 있다.
- 부착조류의 현존량이 약 50,000~100,000cells/cm2범위를 보이는 한계천(HGC)과 북천(BUK)의 질소 안정동위원소비(δ15N) 값은 약 4‰로서 상당히 낮은 반면, 부착조류의 총 현존량이 약 180,000~270,00cells/cm2 로 북천 수계에 비해 약 2배를 보이는 내린천과 소양강의 부착조류의 질소안정동위원소비 값은 약 4~7‰로 약 두 배 정도 높게 나타났다(Fig. 3).
- 북한강 상류 하천의 지점들에 비해서는 다소 가벼운 값을 보였지만, 기존 연구들에 의해 밝혀진 환경 탄소 안정동위원소비의 값과 비교 분석한 결과 조사 지점 전 지역의 부착조류는 대기로부터 공급되는 CO2의 안정동위원소비와 비슷한 값을 보였다.
- 분석 대상 원소에 따른 변동을 살펴보면, 북한강 상류지역에서와 인북천 본류 지역 모두에서 순수 부착조류를 분리 배양했을 경우는 부식질을 포함한 부착조류 시료에 비해 질소 안정동위원소비 값은 커졌으며, 탄소 안정동위원소비 값은 작아지는 경향을 보였다.
- 서화천이 유입되는 최상류 지역부터 북천과 합류되기 전까지 총 다섯 지점으로 이루어져 있는 인북천 상류에서 질소동위원소비의 종적인 분포(IBC1,2,3,4,5)를 보면, 인북천 최상류인 IBC5지점에서 IBC3까지 질소 안정동위원소비 값은 비슷한 경향을 보이고 북천과 합류되는 하류(IBC-1)지점에서 낮은 값을 보였다. 조사 지점들 간에 2‰가 넘는 유의미한 값의 차이를 보이면서, 배수지역은 같을지라도 다양한 오염원의 복합적인 영향 및 부착조류 군집 특성과 같은 다양한 요소들이 이러한 안정동위원소비 결과의 약간의 차이들을 설명할 수 있을 것으로 예상한다.
- 소양호 상류 하천에서 부착조류의 질소안정동위원소비는 3.61~7.84‰ 분포를 보였으며, 인북천 수계는 서화천이 유입되는 최상류 지역부터 북천과 합류되기 전까지 총 다섯 지점으로 이루어져 있어 인북천 최상류 지역인 IBC4,5 지점에서 하류 지역인 IBC1,2,3 지점으로 내려오면서 거리에 따른 값의 변동을 보였다(Fig. 4).
- 그리고 Peterson(1999)은 비료에 의한 질소 유입이 있는 수계와 상대적으로 청정하여 외부 오염에 의한 질소 유입이 거의 없는 수계의 부착조류의 질소 흡수율을 측정하였고, 부착조류의 분별 작용이 오염된 수계에서 10‰ 가량 크게 일어나 무거운 오염원의 질소의 흡수가 상승하는 것을 확인하였다. 이러한 연구 결과에 비추어 볼 때, 소양강 상류하천에서 질소 안정동위원소의 변동을 통해 농경지의 분포를 예측할 수 있을 것으로 판단하였다. 결과적으로 농경지 중심지역인 내린천 상류, 인북천 상류지역에서 δ15N가 임야 중심지역인 한계천 및 북천에서의 값보다 높았다.
- 결과적으로 농경지 중심지역인 내린천 상류, 인북천 상류지역에서 δ15N가 임야 중심지역인 한계천 및 북천에서의 값보다 높았다. 탄소 안정동위원비는 농경지에 의한 오염으로 부착조류의 현존량이 많은 내린천 상류와 인북천 상류지역보다 임야 중심의 청정한 한계천 및 북천으로 갈수록 높아지는 경향을 보였다. 이는 δ13C 값은 부착조류 현존량이 증가할수록 정비례하여 증가하는 경향을 보인다는 Walter 외(2006)의 연구 결과와 함께 부착조류의 생지화학적 특성에 따른 탄소안정동위원소비의 생물지수로의 활용을 위한 기초자료가 될 수 있다.
- 상관도 분석 결과에 따라 소양호 상류하천환경평가에 분리 배양을 통한 부착조류 시료의 안정동위원소비 결과를 활용하기로 하였고, 분리배양을 통한 부착조류의 질소안정동위원소비와 현존량의 관계에 대해 자세히 분석하였다. 하천에서 질소 안정동위원소비는 다양한 범위 안의 값을 나타내었지만, 결과적으로 부착조류의 현존량과 양의 상관관계를 보이며 변동하였다. 부착조류의 현존량이 약 50,000~100,000cells/cm2범위를 보이는 한계천(HGC)과 북천(BUK)의 질소 안정동위원소비(δ15N) 값은 약 4‰로서 상당히 낮은 반면, 부착조류의 총 현존량이 약 180,000~270,00cells/cm2 로 북천 수계에 비해 약 2배를 보이는 내린천과 소양강의 부착조류의 질소안정동위원소비 값은 약 4~7‰로 약 두 배 정도 높게 나타났다(Fig.
후속연구
- 부영양화의 가능성이 큰 농경지 주변 소규모 하천의 수질 평가에 있어 외국에서 사용되는 부영양화 기준은 매우 단순하여 우리나라 하천 생태에 불일치 하는 결과를 보였다. 결과적으로 부착조류의 생지 화학적 특성을 효과적으로 반영하는 안정동위원소 분석의 추가적인 적용은 하천 수질평가의 정확성과 신뢰성을 높일 수 있을 것을 기대할 수 있다.
- 최근 농경지 이외에도 Elliott과 Brush(2006)은 도시의 영향에 의한 생활하수에 의해 질소안정동위원소비가 최고 5‰ 상승한다는 결과를 얻어냈다. 본 연구는 농경지에 의한 집중적인 오염원의 영향이 특징적인 소양호 상류 유역이라는 소규모 하천 유역을 대상으로 하였지만, 추후 다양한 오염원의 분포에 따른 안정동위원소분석 결과가 추가된다면, 대 하천 유역에 대한 광범위한 적용을 기대할 수 있을 것이다.
- 본 연구를 통해 대 하천을 대상으로 하는 기존의 수질환경평가지수를 이용한 지류 하천의 소규모 유역 분석은 한계가 있음을 알 수 있었다. 부영양화의 가능성이 큰 농경지 주변 소규모 하천의 수질 평가에 있어 외국에서 사용되는 부영양화 기준은 매우 단순하여 우리나라 하천 생태에 불일치 하는 결과를 보였다.
- 이는 부식물에 축적된 질소 의 값이 결과의 분석에 영향을 주어 오류가 발생한 것으로 볼 수 있다. 추후 반복 실험에 의해 부식물을 포함한 부착조류 시료와 분리 배양 후 분리 시료의 안정동위원소 결과가 충분히 구축된다면, 부식물의 영향을 줄이기 위한 실험의 효과를 확실하게 확인할 수 있을 것이며, 실험의 폭넓은 활용을 가능하게 할 것으로 판단된다.
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