[논문]중·소하천에서 부착미생물군집의 성장에 따른 불소 제거 효과 평가

김태경; 류서영; 박윤아; 이종준; 주광진; 장광현; 오종민

doi:10.14249/eia.2018.27.6.595

중·소하천에서 부착미생물군집의 성장에 따른 불소 제거 효과 평가
Evaluation of Fluoride Removal Effect with Growth of Attached Microbial Community in Middle and Small Stream 원문보기

환경영향평가 = Journal of environmental impact assessment, v.27 no.6, 2018년, pp.595 - 603

김태경 (경희대학교 환경응용과학과) , 류서영 (경희대학교 환경학 및 환경공학과) , 박윤아 (경희대학교 환경응용과학과) , 이종준 (경희대학교 환경응용과학과) , 주광진 (경희대학교 환경응용과학과) , 장광현 (경희대학교 환경학 및 환경공학과) , 오종민 (경희대학교 환경학 및 환경공학과)

초록
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본 연구는 경기도 중소하천에서 하상의 부착미생물군집의 시간에 따른 생장 변화와 부착미생물군집의 성장에 따른 불소의 제거 효율을 파악하기 위해 수행하였다. 방류수가 유입되는 지점인 P1과 그 곳에서 약 2 km 유하한 하류 지점인 P2에서 12주 동안의 현장 모니터링을 실시하고, 조사 지점의 수질과 부착미생물군집의 생체량 분석을 진행하였다. 부착미생물군집의 성장량은 7차 조사 시점까지 증가하다 이후 탈리현상이 발생하는 것으로 관찰되었으며, 부착미생물군집의 성장에 영향을 미치는 요인으로는 유량, 유속, 영양물질(질소, 인) 등으로 조사되었다. 한편, 부착미생물군집 체내의 불소 함유량 또한 7차 조사 시기까지 증가하다 8차 시점부터 감소하는 경향을 보였다. 이는 부착미생물군집의 탈리현상에 의해 불소의 함유량 또한 감소하였음을 사사한다. 이를 통해 하천 관리의 방안으로서 부착미생물군집의 활용법에 대한 평가 및 관리에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 부착미생물군집을 활용한 기법의 적용 시에는 부착미생물군집의 성장에 영향을 미칠 수 있는 요인에 대한 기초 조사 및 탈리 시점에 따른 부착판 교체 방안 등이 포함되어야할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to understand the growth of attached microbial community in small and medium streams of Gyeonggi-do and the removal efficiency of fluoride with changes in growth. The sites monitoring were carried out for 12 weeks at the P1 and P2(P1 is the point where the discharge water flows. P2 is the downstream point of about 2 km flow), and investigated the water quality and the biomass analysis of the attached microbial community. The growth of the attached microbial community increased up to the 7th investigation, and it was observed that detachment phenomenon occurred. Influencing factors about growth of the attached microbial community were flow rate, velocity, and organic material(T-N & T-P). Meanwhile, fluoride content of attached microbial community also tended to increase until the 7th investigation, and decrease from the 8th. It is assumed that fluoride content has also be reduced with the detachment phenomenon of the attached microbial community. It is expected that this will contribute to the evaluation and management of the use of attached microbial community as a means of stream management. The application of techniques using the attached microbial community should include basic investigation of factors that may affect the growth of the attached microbial community and replacement of the attachment plate according to the time of removal.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Four types of artificial bricks for growth of attached microorganisms.
표 Table 2. Analysis equipment and methods for the experiment.
그림 Figure 1. Hydrological characteristics of the investigation target (a : flow rate, b : velocity).
표 Table 3. Basic properties of the target stream.
그림 Figure 2. Temporal changes of water quality parameters (a : BOD, b : TOC, c : T-N, d : T-P, e : F-).
그림 Figure 3. Temporal changes of ash-free dry weight(AFDW, a) and chlorophyll a(Chl-a, b) biomass for attached microbial community at the P1. In each graph, CB is concrete brick, RB is clay brick, BB is basalt brick and RCB is red clay brick.
그림 Figure 4. Temporal changes of ash-free dry weight(AFDW, a) and chlorophyll a(Chl-a, b) biomass for attached microbial community at the P2. In each graph, CB is concrete brick, RB is clay brick, BB is basalt brick and RCB is red clay brick.
표 Table 4. Pearson correlation coefficients between velocity, flow rate, BOD, TOC, T-N, T-P, ash-free dry weight(AFDW) and chlorophyll a(Chl-a) at the P1.
표 Table 5. Pearson correlation coefficients between velocity, flow rate, BOD, TOC, T-N, T-P, ash-free dry weight(AFDW) and chlorophyll a(Chl-a) at the P2.
그림 Figure 5. Temporal changes of fluoride uptake by the attached microbial community at the P1 and P2. In each graph, CB is concrete brick, RB is clay brick, BB is basalt brick and RCB is red clay brick.
표 Table 6. Pearson correlation coefficients between ash-free dry weight(AFDW), chlorophyll a(Chl-a) and fluoride in the body of the attached microbial community. The analysis was conducted with whole data obtained from the P1 and P2.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 부착미생물군집의 성장에 따른 불소 제거 효과에 대한 평가를 진행하였다. 하상에 존재하는 부착미생물군집의 성장에 영향을 미치는 요인을 파악하고, 탈리반응 등 성장의 변화 과정에 대해 확인하였다.
본 연구는 수계 환경에 따른 부착미생물군집의 성장 변화를 알아보고, 이에 따른 미량 오염물질인 불소의 제거 효과를 알아보고자 수행하였다. 본 연구의 목적은 1) 수계 환경에 따른 부착미생물군집의 성장차이를 확인하고, 2) 부착미생물군집의 성장에 따른 불소의 제거 효과를 파악하는데 있다.
본 연구는 부착미생물군집의 성장에 따른 불소 제거 효과에 대한 평가를 진행하였다. 하상에 존재하는 부착미생물군집의 성장에 영향을 미치는 요인을 파악하고, 탈리반응 등 성장의 변화 과정에 대해 확인하였다. 동시에 부착미생물군집을 활용하여 수체 내불소 저감 효과에 대해 평가하였다.

제안 방법

Table 2. Analysis equipment and methods for the experiment.
하상에 존재하는 부착미생물군집의 성장에 영향을 미치는 요인을 파악하고, 탈리반응 등 성장의 변화 과정에 대해 확인하였다. 동시에 부착미생물군집을 활용하여 수체 내불소 저감 효과에 대해 평가하였다.
따라서 유속은 현장에서 유속계(2100-STDX, Swoffer, USA)를 이용하여 측정하였고, 유속 면적법을 이용하여 유량을 산정하였다(Ministry of Environment 2017). 또한 쇠자와 줄자를 이용해 수심과 하폭을 측정하여 유량을 산출하였다. 한편, 수질 조사를 위한 수시료 채취는 P1 및 P2 지점에서 수행하였다.
부착미생물 서식을 위한 부착판은 P1과 P2에 10 cm~15 cm 간격으로 종류 당 12개씩 설치하였다. 부착 재료의 다양성에 의한 편차를 줄이기 위해 4종류의 다양한 부착판을 사용하여 실험을 진행하였다. 모든 부착판은 모래나 퇴적물에 의해 덮이지 않도록 하상을 평평하게 다지고 넓은 판을 설치한 다음 그 위에 조성하였다.
부착미생물군집 생체량 조사는 2018년 4월 6일부터 2018년 6월 15일까지 7일 간격으로 총 12회 진행 하였다. 설치한 하상 인공 부착판은 우선 소류성 퇴적물을 제거하기 위하여 물속에서 흔들어 교란시켰고, 증류수 및 브러쉬를 이용하여 5 cm × 5 cm 크기로 부착미생물군집을 채취하였다.
부착미생물군집 생체량은 건조중량(dry weight, DW), 회분제거건조중량(ash-free dry weight, AFDW) 및 클 로 로 필a(chlorophyll a, Chl-a) 함량을 통해 측정하였다(Hill et al. 1977; Mosiseh & Bunn 1977; Vis et al.1998).
부착미생물의 불소 흡수를 통한 수중의 불소 제거 효과는 부착미생물 체내 함량을 통하여 알아보았는데, 이는 부착미생물 시료를 수질 실험과 동일한 방법으로 분석하였다. 부착미생물군집의 성장과 불소 흡수량 간의 상관관계 또한 피어슨 상관분석을 통해 조사하였다(SAS Institute 2008).
설치한 하상 인공 부착판은 우선 소류성 퇴적물을 제거하기 위하여 물속에서 흔들어 교란시켰고, 증류수 및 브러쉬를 이용하여 5 cm × 5 cm 크기로 부착미생물군집을 채취하였다.
수시료는 1 L 크기의 시료 용기를 현장에서 하천수로 2~3회 세척한 후 수심 2/3 지점에서 시료 용기에 가득 채워 실험실로 운반하였다. 실험실로 운반된 수시료는 수질오염공정시험 기준에 준하여 생물학적 산소요구량(biological oxygen demand, BOD), 총 질소(T-N) 및 총 인(T-P)을 분석 하였다. 총 유기탄소(total organic carbon, TOC)와 불소 이온(F^-) 농도는 각각 TOC analyzer (TOC-V CSN, Shimadzu, Japan)와 Ion chromatography (792 Basic IC, Metrohm, Switzerland)를 이용하여 측정하였다.
유량 및 수질조사는 2018년 3월 30일부터 2018년 6월 15일까지 7일 간격으로 총 13회 진행하였다. Park et al.
실험실로 운반된 수시료는 수질오염공정시험 기준에 준하여 생물학적 산소요구량(biological oxygen demand, BOD), 총 질소(T-N) 및 총 인(T-P)을 분석 하였다. 총 유기탄소(total organic carbon, TOC)와 불소 이온(F^-) 농도는 각각 TOC analyzer (TOC-V CSN, Shimadzu, Japan)와 Ion chromatography (792 Basic IC, Metrohm, Switzerland)를 이용하여 측정하였다.실험 항목별 분석은 Table 2에 정리하여 나타냈다.
(1985)의 방법에 따라 분석하였고, Chl-a 함량은 수질공정시험법에 따라 측정하였다. 한편, 부착미생물군집의 생장에 영향을 주는 주요 요인들을 확인하기 위해 수질항목(유속, 유량, BOD, TOC, T-N, T-P)과 생체량(AFDW, Chl-a) 간의 상관관계 분석을 실시하였다. 상관분석은 SAS를 이용하여 피어슨 상관계수 산정을 통해 수행하였다(SAS Institute 2008).
또한 쇠자와 줄자를 이용해 수심과 하폭을 측정하여 유량을 산출하였다. 한편, 수질 조사를 위한 수시료 채취는 P1 및 P2 지점에서 수행하였다. 수시료는 1 L 크기의 시료 용기를 현장에서 하천수로 2~3회 세척한 후 수심 2/3 지점에서 시료 용기에 가득 채워 실험실로 운반하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 경기도 화성시에 위치한 중소하천을 조사 대상으로 선정하였다. 대상 하천은 주변에 크고 작은 공장들이 위치해 있으며 불소를 함유한 방류수가 유입되고 있다. 조사 지점은 불소가 함유된 방류수가 유입되는 지점(P1)과 그로부터 2 km 유하한 지점(P2)을 선정하였다.
본 실험에서는 기존 자연하상재료인 자갈을 대신하여, 부착미생물 시료 채취의 편의성을 위해 벽돌모양의 부착판을 준비하였다. 부착판은 콘크리트, 점토, 현무암, 황토 성분으로 조성된 4가지 종류를 구입하였다(Table 1).
본 연구에서는 경기도 화성시에 위치한 중소하천을 조사 대상으로 선정하였다. 대상 하천은 주변에 크고 작은 공장들이 위치해 있으며 불소를 함유한 방류수가 유입되고 있다.
본 실험에서는 기존 자연하상재료인 자갈을 대신하여, 부착미생물 시료 채취의 편의성을 위해 벽돌모양의 부착판을 준비하였다. 부착판은 콘크리트, 점토, 현무암, 황토 성분으로 조성된 4가지 종류를 구입하였다(Table 1). 부착미생물 서식을 위한 부착판은 P1과 P2에 10 cm~15 cm 간격으로 종류 당 12개씩 설치하였다.
한편, 수질 조사를 위한 수시료 채취는 P1 및 P2 지점에서 수행하였다. 수시료는 1 L 크기의 시료 용기를 현장에서 하천수로 2~3회 세척한 후 수심 2/3 지점에서 시료 용기에 가득 채워 실험실로 운반하였다. 실험실로 운반된 수시료는 수질오염공정시험 기준에 준하여 생물학적 산소요구량(biological oxygen demand, BOD), 총 질소(T-N) 및 총 인(T-P)을 분석 하였다.
대상 하천은 주변에 크고 작은 공장들이 위치해 있으며 불소를 함유한 방류수가 유입되고 있다. 조사 지점은 불소가 함유된 방류수가 유입되는 지점(P1)과 그로부터 2 km 유하한 지점(P2)을 선정하였다. P1에서 약 1 km 유하한 지점에서는 다른 하천과 합류하는 지점이 존재하여 평균 약 100,000 m³/day의 유량이 증가하는 특징이 있다.

데이터처리

Table 6. Pearson correlation coefficients between ash-free dry weight(AFDW), chlorophyll a(Chl-a) and fluoride in the body of the attached microbial community. The analysis was conducted with whole data obtained from the P1 and P2.
부착미생물의 불소 흡수를 통한 수중의 불소 제거 효과는 부착미생물 체내 함량을 통하여 알아보았는데, 이는 부착미생물 시료를 수질 실험과 동일한 방법으로 분석하였다. 부착미생물군집의 성장과 불소 흡수량 간의 상관관계 또한 피어슨 상관분석을 통해 조사하였다(SAS Institute 2008).
한편, 부착미생물군집의 생장에 영향을 주는 주요 요인들을 확인하기 위해 수질항목(유속, 유량, BOD, TOC, T-N, T-P)과 생체량(AFDW, Chl-a) 간의 상관관계 분석을 실시하였다. 상관분석은 SAS를 이용하여 피어슨 상관계수 산정을 통해 수행하였다(SAS Institute 2008).

이론/모형

DW와 AFDW는 APHA et al.(1985)의 방법에 따라 분석하였고, Chl-a 함량은 수질공정시험법에 따라 측정하였다. 한편, 부착미생물군집의 생장에 영향을 주는 주요 요인들을 확인하기 위해 수질항목(유속, 유량, BOD, TOC, T-N, T-P)과 생체량(AFDW, Chl-a) 간의 상관관계 분석을 실시하였다.
(2005)의 연구에서는 부착미생물군집 형성에 미치는 여러 요인 중 유속의 영향이 가장 크다고 보고하고 있다. 따라서 유속은 현장에서 유속계(2100-STDX, Swoffer, USA)를 이용하여 측정하였고, 유속 면적법을 이용하여 유량을 산정하였다(Ministry of Environment 2017). 또한 쇠자와 줄자를 이용해 수심과 하폭을 측정하여 유량을 산출하였다.

성능/효과

P1과 P2에서 부착미생물 내 불소 함량은 대략 7차조사 시점까지 계속 증가하다 이후 감소하는 경향을 보인다(Figure 5). 1차~7차 조사 시기까지의 상관분석 결과 부착미생물 내 불소 함량은 부착미생물 성장량과 유의하게 양의 관계로 나타났다(Table 6). 이는 부착미생물이 성장하면서 불소를 체내로 흡수하는 것을 의미한다.
P1과 P2에서의 수질 분석 결과는 Figure 2에 제시하였다. P1에서의 BOD와 TOC의 조사 결과 유량이 증가하는 6차 조사 시점부터 수중의 농도가 감소하는 경향을 보였는데, 이는 유기물질의 함량이 적은 방류수의 대량 유입으로 인한 희석효과의 결과로 추측된다. 반면, P2에서의 BOD와 TOC의 조사 결과전체 기간에서 큰 변동이 없었는데, 이는 방류수 이외에도 기타 오염원 및 유입 경로가 있음을 의미한다.
방류수가 유입되는 지점에서는 유속 및 유량이 부착미생물군집의 성장에 영향을 미치는 주요한 요인 이었던 반면, 하류 지점에서는 질소와 인 등 영양물질이 성장에 영향을 미치는 주된 요인이었다. 이를 통해 부착미생물군집의 성장에 영향을 주는 요인은 제한적이지 않으며, 서식 및 주변 환경에 의해 성장에 있어 차이가 발생하는 것으로 추측할 수 있었다.
EC의 경우 P1에서 평균2,514 μS/cm, P2에서 평균 2,191 μS/cm로 매우 높게 조사되었는데, 이는 방류수에 다량의 이온성 물질이 포함된 것이라고 추측할 수 있다. 이온성 물질을 포함한 방류수가 방류된 직후 지점인 P1에서는 평균 EC 농도가 높게 측정되었고, 유하하면서 다른 하천과 합류하여 희석 효과가 발생한 P2 지점에서는 P1에 비해 약간 낮은 것으로 조사되었다.
이는 일정 시기에 도달하면 부착미생물군집이 더 이상 성장하지 못하고 탈리반응이 일어나는 것으로 보인다. 지속적인 성장을 나타낸 1차~7차 조사 시기동안 P1에서 부착미생물의 성장에 영향을 주는 환경요인으로는 유속 및 유량이 주요한 것으로 나타났다(Table 4). 이는 Park et al.
P2에서도 성장의 경향은 P1과 비슷한 것으로 나타났다(Figure 4). 한편, 지속적인 성장을 나타낸 1차~7차 조사 시기 동안 P2에서 부착미생물의 성장에 영향을 주는 환경요인으로는 T-N과 T-P인 것으로 나타났다(Table 5). Seon(2008)은 T-N 및 T-P는 주요한 영양물질로써 부착미생물군집 성장에 필요한 요인이라고 보고하였다.

후속연구

본 연구를 바탕으로 부착미생물군집을 활용한 방법은 하천 내 낮은 농도의 오염물질 제거에 비용효과적인 방법으로 제안될 수 있다. 하지만, 부착미생물군집의 성장에는 유량, 유속, 수체 내 영양물질(질소, 인 등)의 다양한 요인이 존재하므로 해당 기법을 적용할 때에는 주변 환경에 대한 기초 조사가 필요한 것으로 판단된다.
한편, 부착판 종류에 따라서도 부착미생물군집의 성장 및 불소 제거 효율에 있어 차이가 나타날 수 있으나, 본 연구에서는 확실한 차이를 확인할 수 없었다. 이는 추가적인 후속 연구를 통해 규명되어야 하며, 이 또한 부착미생물군집을 하천 오염물질 제거에 활용할 때 고려해야 할 것이다.
본 연구의 목적은 1) 수계 환경에 따른 부착미생물군집의 성장차이를 확인하고, 2) 부착미생물군집의 성장에 따른 불소의 제거 효과를 파악하는데 있다. 이를 통해 하천 관리의 방안으로서 부착미생물군집의 활용법에 대한 평가 및 관리에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구를 바탕으로 부착미생물군집을 활용한 방법은 하천 내 낮은 농도의 오염물질 제거에 비용효과적인 방법으로 제안될 수 있다. 하지만, 부착미생물군집의 성장에는 유량, 유속, 수체 내 영양물질(질소, 인 등)의 다양한 요인이 존재하므로 해당 기법을 적용할 때에는 주변 환경에 대한 기초 조사가 필요한 것으로 판단된다. 또한 탈리반응의 발생으로 인해 지속적인 저감 효과를 얻을 수는 없으므로, 부착판의 적절한 교체 시기 등에 대한 기준을 설정할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부착미생물군집의 특징은?	하상 기질에 주로 부착되어 존재하는 부착미생물군집은 생산자인 부착조류, 분해자인 세균류, 소비자인 원생동물류와 수서곤충 등 다양한 생물군집이 농축된 생태계로서 군집 간 상호작용을 통해 높은 자연정화 능력을 가지며, 유기물 대사에서 매우 큰 비중을 차지한다(Park et al. 2006).
	하천의 주 오염원은?	우리나라는 최근 도시화 및 개발 사업에 따른 유입오염원 증가 등의 원인으로 인해 수질과 수계 환경이 악화되고 있다. 하천의 주 오염원인 생활하수, 공장폐수, 축산폐수 등은 영양염류인 질소와 인뿐만 아니라 생태계에 영향을 미칠만한 오염물질이 다량 포함 되어 있다. 하지만 질소와 인 등의 영양염류로 인한 조류의 발생 등의 가시적인 문제 이외에 미량원소에 의한 비가시적인 오염의 축적은 심각성을 눈으로 접하기 어려워 상대적으로 관리에 소홀해 왔다.
	수중오염물질의 저감에 관한 연구의 부족한 오염물질 분야는 무엇인가?	2009). 질소나 인과 같은 고농도의 오염물질에 대한 처리방법에 관한 연구는 활발히 이루어지고 있는 반면, 불소와 같은 미량원소에 대한 처리 및 관리방안에 대해서는 연구가 부족한 실정이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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