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 incu...
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.
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.
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문제 정의
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.
제안 방법
채집하였다. 물 시료는 각 지점에서 수심별(0, 4, 8 m 등)로 채집하였으며, 퇴적층 채집 시 core sampler에 채집된 퇴적층 상등 수를 퇴적층과 분리하여, 분석하였다.
Micro- cystis의 경우 휴면포자와 유사한 방법으로 퇴적층에서 휴면세포를 검경할 수 있지만, 퇴적층 내 이물질 등으로 인하여 검경이 난해하다. 본 연구에서는 연구방법에서와 같이휴면포자의 현존량이 높았던 북한강 시우천 합류부 퇴적층 배양을 통하여, Anabaena 및 Microcystis 등의 유해 남조류의 출현여부를 분석하였다.
북한강, 남한강 및 팔당호 수역의 퇴적층 및 수층의 이화학적 환경요인과 퇴적층내 존재하는 남조류 분포와 남조류성장 잠재성 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
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.
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 상등 수를 퇴적층과 분리하여, 분석하였다.
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), Micro- cystis (전지점), Anabaena(P2, P4, P5, KK, SB), Aphanizo- menon(P5, SB)이 출현하였으며, Oscllatoria의 경우 최대 15, 846 cells/mL, Microcystis는 최대 2, 245 cells/mL의 현존량을 나타냈다(Table 5).
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 Komarek and Anagnostids (2005)의 분류체계에 따라 정리하였고, Chung (1993), Hirose et al.
, 2015)에서 남조류의 성장이 빠르고 활발한 온도 25°C, 광조건 40 μmol/m2 ･S, 광주기 16(L):8(D)로배양하였다. 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.
대상 데이터
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).
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).
이론/모형
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 Komarek and Anagnostids (2005)의 분류체계에 따라 정리하였고, Chung (1993), Hirose et al. (1977), John et al. (2002)을 참고하였다(Fig. 2).
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.
이화학적 환경요인은 수질 현장측정기(YSI 6600, USA) 를 사용하여 수온, pH, 용존산소(DO), 전기전도도(EC) 및탁도(turbidity)를 측정하였고, 수심별 물 시료와 퇴적층의상등수(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 분 취하여 3, 000 rpm으로 30분간 원심분리 후 증류수에 희석하여 분석하였다.
성능/효과
1) 북한강 수계는 수심에 따라 영양염류의 농도가 큰 차이가 없으며, 남한강과 팔당댐 앞은 수심이 깊어질수록 TP 와 DTN의 농도가 증가하는 것으로 나타났고, 수심이 낮은 경안천과 팔당호 합류부는 계절에 따른 영양염류의 농도변화가 크게 나타났다.
2) 수층에 존재하는 DTN는 대부분 NO3-N(73%)이 형태로 존재하나, 간극수의 DTN은 대부분 NH3-N(77.8%)의 형태로 존재하는 것으로 나타났으며, 퇴적층에서 영양염류는 강우기 이후 수심이 낮은 경안천과 팔당호 합류부에서 수층으로 빠르게 공급되는 것으로 판단된다.
4 의 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.
DTP, chl. a와 음의 상관관계를 나타냈으며, 식물플랑크톤 및 유기물의 증가는 저서성 남조류의 성장을 저해하는 것으로 판단된다.
퇴적층 남조류의 현존량과 수층의 수심별 평균 이화학적환경요인, 바닥층의 영양염류, 퇴적층 간극수의 영양염류결과를 상관분석하였으며, 그 결과 퇴적층 남조류의 현존량은 수층의 pH, 전기전도도, BOD5, TP, DTP, 및 chl. a와음의 상관관계를 나타냈고, 바닥층(bottom)의 TP 및 DTP와관련이 있는 것으로 나타났다(Table 3). 이러한 결과는 퇴적층배양연구(Kim et al.
각 지점의 퇴적층 간극수를 추출하여 영양염류 농도를 분석한 결과 DTN은 0.225~16.760 mg/L의 범위로 7월 P3에서가장 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.
수층에서 DTN과 NO3-N의 농도 경향이 서로 유사하였으나, 간극수의 경우 DTN과 NH3-N의 경향이 유사하였다. 간극수의 DTN은 77.8%가 NH3-N의 형태로 존재하고 있는것으로 조사되었으며, NH3-N의 농도는 0.002~ 13.860 mg/L 의 범위로 P3 7월에 가장 높았다. NO3-N는 0.
(2014)의 퇴적층 배양 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.
북한강, 남한강 및 팔당호 6개 지점의 수심별 영양염류 농도는 Fig. 3과 같으며, TN 농도는 0.837~4.512 mg/L의범위로 4월의 KK지점의 바닥층에서 가장 높았다. 계절별로 4월에 모든 지점에서 TN농도가 높으며, SB, P4, P3 및 P2(팔당댐 앞)지점은 4월에 2.
7일간 배양하였으며, 배양된 시료에서 표층수를 채집하여 분석하였다. 분석결과 유해남조류인 Oscllatoria(P2), Micro- cystis (전지점), Anabaena(P2, P4, P5, KK, SB), Aphanizo- menon(P5, SB)이 출현하였으며, Oscllatoria의 경우 최대 15, 846 cells/mL, Microcystis는 최대 2, 245 cells/mL의 현존량을 나타냈다(Table 5). 퇴적깊이에 따른 분포는 대부분의지점에서 퇴적깊이 5 cm 이상의 깊이에서는 남조류가 출현하지 않았으나, P4의 경우 퇴적층의 하층에 해당하는 10~15 cm에 서 Microcystis가 1, 995 cells/mL, Anabaena가 17 cells/mL로 출현하였다.
유해남조류 4속(Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, Oscillatoria)이 모두 출현하였으며, 퇴적층 배양을 통하여 유해남조류의 출현여부를 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
퇴적깊이에 따른 분포는 대부분의지점에서 퇴적깊이 5 cm 이상의 깊이에서는 남조류가 출현하지 않았으나, P4의 경우 퇴적층의 하층에 해당하는 10~15 cm에 서 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.
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).
퇴적층 간극수와 남조류 현존량은 상관분석 결과에서는 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.
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 cm 에서 남조류의 현존량이 높았다. Kim et al.
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 cm 에서 남조류의 현존량이 높았다.
4월은 수온이 11°C 수준으로 Micro- cystis가 표층으로 부상하기 전 퇴적층에서 휴면세포 상태로 존재하였으며, Anabaena와 Aphanizomenon는 10월에 수온이 감소하는 시기로 표층에서 높은 현존량으로 출현한남조류(NIER, 2015)가 퇴적층으로 침강된 것으로 판단된다. 퇴적층 남조류의 현존량과 수층의 수심별 평균 이화학적환경요인, 바닥층의 영양염류, 퇴적층 간극수의 영양염류결과를 상관분석하였으며, 그 결과 퇴적층 남조류의 현존량은 수층의 pH, 전기전도도, BOD5, TP, DTP, 및 chl. a와음의 상관관계를 나타냈고, 바닥층(bottom)의 TP 및 DTP와관련이 있는 것으로 나타났다(Table 3).
후속연구
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.
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