한강유역 조류경보제에 남조류 우점 예측인자 도입에 관한 연구 Study on Introduction to Predicting Indicator of Cyanobacteria Dominance in Algae Bloom Warning System of Hangang Basin원문보기
한강유역 조류경보제의 클로로필-a 농도는 남조류의 우점을 예측할 수 없어 본 연구에서는 남조류 개체수에 영향을 미치는 환경인자를 분석하여 남조류 우점 예측인자를 제시하였다. 2012년 1월~2013년 9월까지 하천의 계절변화에 따른 조류의 우점종을 분석한 결과, 저수온기인 1~4월에는 규조류, 5~6월에는 녹조류, 7~8월에는 남조류가 우점하는 것으로 나타났다. 또한, 남조류 개체수 증감에 영향을 미치는 영양염류(TN, TP), 기온, 강수량, 댐 방류량과의 상관성을 분석한 결과, 기온보다는 낮은 댐 방류량으로 댐 내의 체류시간이 길어져 남조류 개체수가 급속히 증가한 것으로 나타났다. 마지막으로 남조류 개체수와 TN:TP 농도 비를 분석한 결과 TN:TP 농도 비가 29 이하로 낮아질 때 남조류가 우점하는 것으로 분석되어 한강유역 조류경보제에 남조류 우점 예측인자인 TN:TP 농도 비를 도입할 필요가 있다.
한강유역 조류경보제의 클로로필-a 농도는 남조류의 우점을 예측할 수 없어 본 연구에서는 남조류 개체수에 영향을 미치는 환경인자를 분석하여 남조류 우점 예측인자를 제시하였다. 2012년 1월~2013년 9월까지 하천의 계절변화에 따른 조류의 우점종을 분석한 결과, 저수온기인 1~4월에는 규조류, 5~6월에는 녹조류, 7~8월에는 남조류가 우점하는 것으로 나타났다. 또한, 남조류 개체수 증감에 영향을 미치는 영양염류(TN, TP), 기온, 강수량, 댐 방류량과의 상관성을 분석한 결과, 기온보다는 낮은 댐 방류량으로 댐 내의 체류시간이 길어져 남조류 개체수가 급속히 증가한 것으로 나타났다. 마지막으로 남조류 개체수와 TN:TP 농도 비를 분석한 결과 TN:TP 농도 비가 29 이하로 낮아질 때 남조류가 우점하는 것으로 분석되어 한강유역 조류경보제에 남조류 우점 예측인자인 TN:TP 농도 비를 도입할 필요가 있다.
The chlorophyll-a concentration in algae bloom warning system of Hangang basin did not predict the cyanobacteria dominance. In this study, suggest the predicting indicator of cyanobacteria dominance through analyzing the environmental factors affecting on the cell count of cyanobacteria. Firstly, th...
The chlorophyll-a concentration in algae bloom warning system of Hangang basin did not predict the cyanobacteria dominance. In this study, suggest the predicting indicator of cyanobacteria dominance through analyzing the environmental factors affecting on the cell count of cyanobacteria. Firstly, the dominance of algae was analyzed with seasonal variation during Jan. 2012~Sep. 2013. The diatom dominated phytoplankton communities during the period of January~April. In the May~June, the green algae dominated. And, the dominance of algae was changed to cyanobacteria in the July~August. Also, the environmental factors affecting to cyanobacteria blooms ; nutrients (TN, TP), temperature, precipitation, dam-discharge were evaluated during the study period. Rather than temperature factor, relatively low dam discharge causes cyanobacteria to grow rapidly and create a blooms. The low dam-discharge may increase the water retention time. Finally, it is proved that a low ratio of TN to TP (<29:1) can favour the development of cyanobacteria blooms. Thus, the predicting indicator (TN:TP) have need to apply to the alarm bloom warning system of Hangang basin.
The chlorophyll-a concentration in algae bloom warning system of Hangang basin did not predict the cyanobacteria dominance. In this study, suggest the predicting indicator of cyanobacteria dominance through analyzing the environmental factors affecting on the cell count of cyanobacteria. Firstly, the dominance of algae was analyzed with seasonal variation during Jan. 2012~Sep. 2013. The diatom dominated phytoplankton communities during the period of January~April. In the May~June, the green algae dominated. And, the dominance of algae was changed to cyanobacteria in the July~August. Also, the environmental factors affecting to cyanobacteria blooms ; nutrients (TN, TP), temperature, precipitation, dam-discharge were evaluated during the study period. Rather than temperature factor, relatively low dam discharge causes cyanobacteria to grow rapidly and create a blooms. The low dam-discharge may increase the water retention time. Finally, it is proved that a low ratio of TN to TP (<29:1) can favour the development of cyanobacteria blooms. Thus, the predicting indicator (TN:TP) have need to apply to the alarm bloom warning system of Hangang basin.
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문제 정의
그 예로 Schindler 등6)은 TP 농도가 증가할수록 남조류가 우점한다고 하였으며, Smith 등7)은 TN:TP 농도 비에 따라 질소 고정 남조류의 우점이 결정된다고 하였다. 그러나, 지역마다 대기환경과 수질이 다르기 때문에 본 연구에서는 암사취수원이 위치한 한강유역에 적합한 남조류 우점 예측인자를 제시하고자 한다. 구체적인 연구절차는 다음과 같다.
본 연구에서는 남조류 발생의 영향인자를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
앞서 언급한 결과에서와 같이 TN과 TP 농도가 남조류 발생과 상관성이 높은 것으로 나타났기 때문에 남조류 우점을 예측하기 위해 TN과 TP 수질항목을 이용하고자 한다. Fig.
제안 방법
구체적인 연구절차는 다음과 같다. 2012년과 2013년 계절변화에 따른 우점종(규조류, 남조류, 녹조류)을 분석 후 남조류 개체수와 환경인자인 영양염류(TN, TP), 기온, 강수량, 댐 방류량과의 상관성을 평가하였다. 영양염류인 TN:TP 농도 비와 남조류 발생과의 상관성을 분석 후 남조류 우점 여부를 예측할 수 있는 TN:TP 농도 비를 제시하였다.
강수량이 적어 댐의 수위가 제한수위 미만으로 떨어지는 경우에는 방류를 하지 않는데, 방류량이 적을 경우에는 댐 내부의 정체시간이 증가되어 남조류 성장에 유익한 환경을 제공할 수도 있어 2012년과 2013년 강수량과 팔당댐 방류량에 따른 남조류 발생정도를 평가하였다.
바탕시험액을 대조액으로 하여 220 nm에서 검액의 흡광도를 측정하고 미리 작성한 검량선으로부터의 질소의 양을 구하여 시료중의 총질소 농도를 산출하였다.
이 용액의 일부를 층장 10 mm 흡수셀에 옮겨 시료용액을 따로 물 50 mL를 취하여 시료의 시험방법에 따라 시험하여 바탕시험액으로 하였다. 바탕시험액을 대조액으로 하여 880 nm에서 시료용액의 흡광도를 측정하고 미리 작성한 검량선으로부터 총인의 양을 구하여 시료중의 총인의 농도를 산출하였다.
2012년과 2013년 계절변화에 따른 우점종(규조류, 남조류, 녹조류)을 분석 후 남조류 개체수와 환경인자인 영양염류(TN, TP), 기온, 강수량, 댐 방류량과의 상관성을 평가하였다. 영양염류인 TN:TP 농도 비와 남조류 발생과의 상관성을 분석 후 남조류 우점 여부를 예측할 수 있는 TN:TP 농도 비를 제시하였다.
조류는 주요 원소의 수가 특색 있는 원자비(C : N : P = 106 :16 : 1)로 존재하며, 질소와 인이 조류생성에 중요한 인자이기 때문에 2012년과 2013년 계절에 따른 총질소와 총인의 변화를 분석하였다.
취수장의 용량은 1,710,000 m3/d 으로 제1취수장과 제2취수장으로 구분되어 있으며, 서울시 인구 3,510,000 명에게 급수가 가능하다. 조사기간은 2012년 1월~2013년 9월이며, 제1취수장(1,390,000 m3/d)의 샘플링 관로와 연결되는 실험실에서 시료를 채취 후 무균병에 담아 분석하였다.
이때 세즈웍-라프터 챔퍼의 규격은 길이 50 mm, 폭 20 mm, 깊이 1 mm이다. 현미경(Axiovert 200 microscope, Zeiss)을 이용하여 챔버 내에서 일정한 크기의 격자를 무작위로 10회 이상 반복 계수한 후 다음 계산식으로부터 1 mL의 조류개체수를 산출하였다.
이론/모형
조류개체수 측정은 수질오염공정시험기준8)의 식물성플랑크톤-현미경계수법을 이용하였으며, 검경배율 100~1,000배 시야에서 조류의 종류를 분석한 후 세즈웍-라프터 챔버(sedgwick-rafter cell)를 이용하여 정량 분석하였다. 구체적인 분석방법은 다음과 같다.
총인은 자외선/가시선 분광-산화법을 사용하였으며, 구체적인 실험방법은 다음과 같다. 시료 50 mL를 분해병에 넣고 과황산칼륨용액(4 W/V%) 10 mL를 넣어 마개를 닫고 섞은 다음 고압증기멸균기에 넣고 가열하였다.
총질소는 자외선/가시선 분광-산화법을 사용하였으며, 구체적인 실험방법은 다음과 같다. 시료 50 mL를 분해병에 주입하고 알카리성 과황산칼륨 용액 10 mL를 넣어 마개를 닫고 섞은 다음 고압증기멸균기에 넣고 가열하였다.
성능/효과
1) 계절변화에 따른 우점종을 분석한 결과, 총조류 중 규조류가 2012년은 93%, 2013년은 96%로 조사되어, 저수온기인 1~4월에 규조류가 많이 발생되었다. 녹조류는 5~6월에 많이 번식하였으며, 7~8월에는 규조류가 급격히 감소하고 남조류가 우점하는 것으로 조사되었다.
2) 남조류 발생 영향인자인 영양염류(TN, TP), 기온, 강수량, 댐 방류량을 분석한 결과, TN 농도와 남조류 개체수는 음의 상관성, TP 농도와 남조류 개체수는 양의 상관성이 있는 것으로 나타났다. 2013년은 2012년 보다 평균기온이 높았지만 남조류 개체수는 1/10 이하로 감소되어 남조류의 급격한 증가에 대한 기온의 영향은 낮은 것으로 나타났다.
한편, 2013년의 경우(Fig. 3(d)), 3월 하순~5월 중순 사이에 TP 농도가 0.027 mg/L에서 0.063 mg/L로 증가할 때 남조류 개체수는 120 cells/mL까지 증가하였으며, 8월 중순~9월 상순에도 TP 농도가 0.033 mg/L에서 0.064 mg/L로 증가할 때 남조류 개체수는 최대 140 cells/mL까지 증가하는 것으로 나타났다.
3) 2012년과 2013년에 TN, TP의 농도와 남조류 개체수의 상관성을 분석한 결과, TN:TP 비가 29 이상인 경우 남조류가 거의 발생되지 않았으며, 29 이하로 낮아질 때 남조류의 우점이 높아지는 것으로 나타났다. 따라서, 클로로필-a 농도와 남조류 개체수로 발령하는 한강유역 조류경보제에 남조류 예측인자인 TN:TP 농도 비를 도입하여 남조류 우점을 사전에 파악하여 정수처리공정의 효율성을 증대시킬 필요가 있다.
결과적으로 2012년과 2013년 TN:TP 비가 29 이하로 낮아질 때 남조류 개체수가 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 TN:TP비가 29:1 (by weight) 이하로 떨어질 때 남조류 개체수가 증가하고, 29:1 이상으로 증가할 때 감소한다는 Smith 등16)과 Liqiang 등17)의 연구와 유사한 결과인 것으로 나타났다. 또한, Amano 등18)도 TN:TP의 비가 0에 가까울 때 남조류인 마이크로시스티스의 성장이 최소화 되고, TN:TP의 비가 최적의 값을 나타낼 때 마이크로시스티스 성장이 최대화 된다는 연구결과도 TN:TP의 비가 남조류 우점과 상관성이 높다는 것을 알려주는 결과이다.
결론적으로, 2012년 여름철에 비해 2013년에 남조류 대발생이 일어나지 않는 이유는 지속적인 댐 방류로 인해 체류시간이 짧아졌기 때문이다. 현행 댐 방류기준에 강수량에 따른 댐 제한수위 뿐만 아니라 남조류 개체수 발생 정도를 도입하여 원수에서 맛․냄새 물질 발생을 저감할 필요가 있다.
따라서, 2012년 7월 중순~8월 중순 시기에 낮은 강수량과 댐 방류량으로 댐 내의 정체시간 증가로 남조류 개체수가 2013년 비해 10배 이상 증가한 것으로 판단된다.
따라서, 현재 클로로필-a와 남조류 세포수로 발령하는 조류경보제에 Table 3과 같이 남조류 우점 예측인자인 TN:TP 농도 비를 도입하면 정수장에서 수질관리의 효율성이 높아져 시민들에게 안전하고 깨끗한 물을 공급할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 제시한 남조류 우점 예측인자는 한강유역을 대상으로 모니터링을 하였기 때문에 한강유역 조류경보제에만 적용해야 할 것이며, 향후 타 유역에서도 모니터링을 실시하여 적용범위를 넓힐 필요가 있다고 사료된다.
또한, 남조류의 성장속도는 많은 다른 종들보다 낮아 체류시간이 높을수록 남조류 발생정도가 높은 것으로 나타났다.15)
은 남조류의 최대 성장속도는 기온이 25℃ 이상일 때 도달하고, 남조류의 최적기온(optimum temperature)은 녹조류와 규조류보다 높아 여름철에 많이 발생한다고 보고하였다. 본 연구결과에서는 2013년 7~8월 평균기온이 25℃ 이상으로 나타났지만 2012년에 비하여 남조류 발생 정도가 1/10로 낮아지는 것으로 조사되었다. 유 등13)은 2011년 11월 28일~12월 30일 사이에 북한강 수계에서 기온상승 및 하강에 따른 남조류 개체수 증감을 조사한 결과, 수온이 4℃ 이하인 경우에 남조류 개체수가 급격히 감소되어 기온이 남조류 발생에 큰 영향을 미친다는 연구결과를 발표하였다.
의 규조류는 10℃와 15℃에서 우점이 되며, 25℃에서는 남조류가 우점종이 되는 것으로 나타났다. 본 연구결과에서도 2012년과 2013년 7~8월 평균기온은 25℃ 이상으로 측정되고, 이 시기의 평균수온도 24℃로 나타나 여름철에 남조류가 우점종이 되는 것으로 조사되었다.
유 등13)은 2011년 11월 28일~12월 30일 사이에 북한강 수계에서 기온상승 및 하강에 따른 남조류 개체수 증감을 조사한 결과, 수온이 4℃ 이하인 경우에 남조류 개체수가 급격히 감소되어 기온이 남조류 발생에 큰 영향을 미친다는 연구결과를 발표하였다. 본 연구에서는 북한강 수계가 연결되는 한강유역에서 2012년 11월 28일~12월 30일 사이에 남조류는 최대 20 cells/mL로 거의 발생되지 않았으며, 오히려 여름철에 남조류가 우점하여 최대 1,640 cells/mL까지 증가하는 것으로 조사되었다.
전체적으로 TN 농도가 감소할 때 남조류 개체수가 증가하는 것으로 나타나 서로 음의 상관성을 가지는 것으로 판단된다.
총조류 중 규조류가 2012년 93%, 2013년 96%로 연중 규조류가 대부분을 우점하고 있는 것으로 나타났으며, 2012년 2월(최대 21,790 cells/mL)과 2013년 2월(최대 18,130 cells/mL)에 규조류가 가장 많이 발생하였다. 규조류는 깨끗한 하천 환경에서 존재하며, 봄철 초기에는 상층혼합층에 영양물질이 풍부하고 충분한 빛을 포함하여 규조류가 빠르게 번식하는 것으로 알려져 있다.
후속연구
따라서, 현재 클로로필-a와 남조류 세포수로 발령하는 조류경보제에 Table 3과 같이 남조류 우점 예측인자인 TN:TP 농도 비를 도입하면 정수장에서 수질관리의 효율성이 높아져 시민들에게 안전하고 깨끗한 물을 공급할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 제시한 남조류 우점 예측인자는 한강유역을 대상으로 모니터링을 하였기 때문에 한강유역 조류경보제에만 적용해야 할 것이며, 향후 타 유역에서도 모니터링을 실시하여 적용범위를 넓힐 필요가 있다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
남조류는 무엇인가?
남조류는 클로로필-a를 가지고 광합성을 통해 산소를 만드는 세균이며,1) 2-MIB(곰팡이냄새)와 Geosmin(흙냄새) 등과 같은 맛․냄새 물질을 발생시킨다. 2012년 여름철 팔당호 Geosmin은 795 ppt까지 증가하였으며, 암사 취수원도 379 ppt까지 상승하여 수질관리에 많은 어려움이 발생하였다.
남조류가 발생시키는 맛, 냄세 물질은 무엇인가?
남조류는 클로로필-a를 가지고 광합성을 통해 산소를 만드는 세균이며,1) 2-MIB(곰팡이냄새)와 Geosmin(흙냄새) 등과 같은 맛․냄새 물질을 발생시킨다. 2012년 여름철 팔당호 Geosmin은 795 ppt까지 증가하였으며, 암사 취수원도 379 ppt까지 상승하여 수질관리에 많은 어려움이 발생하였다.
2012년 국내에 발생한 남조류의 특징은 무엇인가?
남조류는 클로로필-a를 가지고 광합성을 통해 산소를 만드는 세균이며,1) 2-MIB(곰팡이냄새)와 Geosmin(흙냄새) 등과 같은 맛․냄새 물질을 발생시킨다. 2012년 여름철 팔당호 Geosmin은 795 ppt까지 증가하였으며, 암사 취수원도 379 ppt까지 상승하여 수질관리에 많은 어려움이 발생하였다. 기상예보처럼 남조류 발생을 예측해 주는 수질예측시스템이 존재하였다면, 수질관리에 많은 도움이 될 수 있었을 것이다.
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