[논문]안정동위원소비를 활용한 생태지위면적 분석의 수생태계 평가 가능성 분석: 영산강 승촌보의 저서성 대형무척추동물을 대상으로

서동환; 오혜지; 김현우; 장민호; 최보형; 신경훈; 이경락; 이수웅; 장광현

doi:10.14249/eia.2018.27.6.685

[국내논문] 안정동위원소비를 활용한 생태지위면적 분석의 수생태계 평가 가능성 분석: 영산강 승촌보의 저서성 대형무척추동물을 대상으로
Application of Stable Isotopic Niche Space to Large River Monitoring: Analysis of Benthic Macroinvertebrates of the Seongchon Wier 원문보기

환경영향평가 = Journal of environmental impact assessment, v.27 no.6, 2018년, pp.685 - 694

서동환 (경희대학교 환경학및환경공학과) , 오혜지 (경희대학교 환경학및환경공학과) , (경희대학교 환경학및환경공학과) , (경희대학교 환경학및환경공학과) , 김현우 (순천대학교 환경교육학과) , 장민호 (공주대학교 생물교육학과) , 최보형 (한양대학교 해양융합공학과) , 신경훈 (한양대학교 해양융합공학과) , 이경락 (국립환경과학원 유역생태연구팀) , 이수웅 (국립환경과학원 유역생태연구팀) , 장광현 (경희대학교 환경학및환경공학과)

초록
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본 연구에서는 저서성 대형무척추동물의 탄소와 질소 안정동위원소비를 이용하여 생태지위면적을 계산하고 수생태계 평가 활용 여부를 분석하였다. 평가를 위해 영산강 승촌보의 상류와 하류에 서식하고 있는 저서성 대형무척추동물의 생태지위면적을 6월과 8월 두차례에 걸쳐 비교하여 보로 인한 영향 유무를 집중호우 전후 시기로 구분하여 평가하였다. 또한, 수질과 군집지수 및 생물지수 (BMI)를 각각 측정하고 계산하여 계산된 생태지위면적과의 연관 관계를 알아보고자 하였다. 생태지위면적의 계산은 R 프로그램의 SIBER 패키지에서 제공하는 Bayesian Stable Isotope 기능을 이용하여 수행하였다. 승촌보 지역의 집중호우 이전 시기인 6월과 집중호우 이후 시기인 8월의 수질과 생물지수는 집중호우 전과 후 차이를 나타냈으나, 승촌보의 상류와 하류 지점에서 보로 인한 차이의 뚜렷한 경향은 나타나지 않았다. 반면, 저서성 대형무척추동물의 생태지위면적은 6월과 8월 조사에서 모두 상류 지역과 비교하여 하류 지역에서 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 보로 인한 하천의 물리적 변화가 수질과 관계없이 저서성 대형무척추동물의 생태지위면적에 영향을 줄 수 있음을 의미하며, 종조성 변화와 같은 서식처 선호도에 따른 구성 생물의 변화와 같은 직접적인 영향 외에 서식처 환경 변화를 통한 종합적인 영향을 반영하는 것으로 판단된다. 따라서, 안정동위원소를 이용한 생태지위면적 값으로 먹이의 다양성, 선택성, 종의 생태적 지위, 경쟁 수준 등을 정량적으로 평가하여 기존의 지수를 이용한 평가방법을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We measured ecological niche space (ENS) using carbon and nitrogen stable isotope ratios of benthic macroinvertebrates to estimate its applicability for large river assessment. In particular, we compared ENSs of selected macroinvertebrates between upper and lower area of Seungchon Weir in Yeongsan River to estimate the impact of weir on biological community. We also measured basic water quality and community indices including benthic macroinvertebrates index (BMI) to estimate their correlations with calculated ENS. ENS was calculated using the Bayesian Stable Isotope in R statistics (package "SIBER"). The results showed that seasonal variations in water quality and community indices were found, but there was no apparent tendency between upper and lower area of the Seungchon Weir in June (before rainy season) and August (after rainy season). However, ENS of benthic macroinvertebrates markedly decreased across the weir in both June and August regardless of changes in water quality. This means the physical change of the stream due to the weir cause decrease of ecological isotopic niche space of benthic macroinvertebrates regardless of water quality, suggesting physical modification by the weir can affect the interaction between habitat condition and macroinvertebrates. Therefore, the ecological isotopic niche space can be a useful supplementary indicator for the river ecosystem assessment.

주제어

표/그림 (8)

그림 Figure 1. Survey site of water quality and benthic macroinvertebrates in Yeongsan River.
표 Table 1. Summary of benthic macroinvertebrates index.
표 Table 2. Water quality of the survey site at June and August
표 Table 3. Species of benthic macroinvertebrates analyzed for ecological niche space
그림 Figure 2. Ecological isotopic niche space of benthic macroinvrtebrates in June (a) and August (b) at the upper and lower area of Seongchon Weir.
그림 Figure 3. Average population density of benthic macroinvrtebrates in June (a) and August (b) at the upper and lower area of Seongchon Weir.
표 Table 4. Ecological isotopic niche space of benthic macroinvrtebrates in seongchon weir (Yeongsan River)
표 Table 5. Average diversity index (H’) and average Benthic Macroinvrtebrates Index (BMI) of benthic 5 macroinvrtebrates at the upper and lower area of Seongchon Weir.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 승촌보에 서식하고 있는 저서성 대형무척추동물의 안정동위원소비 분석을 통한 생태지위면적의 정량적 분석을 통해 생태지위면적이 하천생태계의 지표로 이용 가능한지 판단하고자 하였다. 승촌보에 서식하고 있는 저서성 대형무척추동물의 생태지위면적은 6월과 8월 조사 모두 상류 지역과 비교하여 하류 지역에서 감소하는 경향을 나타내었다.
또한, 저서생물의 경우 홍수기 동안 발생하는 토사유입 및 다양한 서식처의 영향으로 인해 저서생물군집 및 먹이환경이 변화할 수 있으므로 이와 같은 강우로 인한 변화가 보 상하구간에서 어떻게 작용하는지 평가하기 위해 홍수기 전후인 6월과 8월에 조사를 실시하였다. 이 결과를 통해 생태지위면적이 하천 생태계 평가 가능 여부를 검토하였으며, 기존의 생태계 평가 방법과 더불어 생태계 먹이망과 관련한 추가정보를 제공하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 4대강의 보로 인한 하천 생태계 영향을 평가하기 위해 저서성 대형무척추동물의 안정 동위원소비를 분석하여 생태지위면적을 측정, 보의 상·하 지점을 비교하였다. 또한, 저서생물의 경우 홍수기 동안 발생하는 토사유입 및 다양한 서식처의 영향으로 인해 저서생물군집 및 먹이환경이 변화할 수 있으므로 이와 같은 강우로 인한 변화가 보 상하구간에서 어떻게 작용하는지 평가하기 위해 홍수기 전후인 6월과 8월에 조사를 실시하였다.
조사는 2017년 6월과 8월, 홍수기 전·후에 걸쳐 두 차례에 걸쳐 낙동강 승촌보의 상류 지역과 하류 지역에서 진행하였다 (Figure 1). 조사 지점 별 수심과 수질은 현장에서 다항목 수질측정기를 이용하여 측정하였으며, 수온, 수소이온농도지수 (pH), 전기전도도 (EC), 용존산소 (DO)를 측정하였다. 각 조사구간에 대해 횡단면을 따라 5개 지점 (좌우안, 좌중앙, 중앙, 우중앙)에서 수심을 측정하고, 수심 1 m 간격으로 수질항목을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 4대강의 보로 인한 하천 생태계 영향을 평가하기 위해 저서성 대형무척추동물의 안정 동위원소비를 분석하여 생태지위면적을 측정, 보의 상·하 지점을 비교하였다. 또한, 저서생물의 경우 홍수기 동안 발생하는 토사유입 및 다양한 서식처의 영향으로 인해 저서생물군집 및 먹이환경이 변화할 수 있으므로 이와 같은 강우로 인한 변화가 보 상하구간에서 어떻게 작용하는지 평가하기 위해 홍수기 전후인 6월과 8월에 조사를 실시하였다. 이 결과를 통해 생태지위면적이 하천 생태계 평가 가능 여부를 검토하였으며, 기존의 생태계 평가 방법과 더불어 생태계 먹이망과 관련한 추가정보를 제공하고자 하였다.
각 조사구간에 대해 횡단면을 따라 5개 지점 (좌우안, 좌중앙, 중앙, 우중앙)에서 수심을 측정하고, 수심 1 m 간격으로 수질항목을 측정하였다. 생물학적산소요구량(BOD), 화학적산소요구량 (COD), 부유물질 (SS), 총인 (T-N), 총질소 (T-P), 총유기탄소 (TOC), 유량 자료는 물환경정보시스템의 자료를 활용하였다(http://water.nier.go.kr).
조사는 2017년 6월과 8월, 홍수기 전·후에 걸쳐 두 차례에 걸쳐 낙동강 승촌보의 상류 지역과 하류 지역에서 진행하였다 (Figure 1). 조사 지점 별 수심과 수질은 현장에서 다항목 수질측정기를 이용하여 측정하였으며, 수온, 수소이온농도지수 (pH), 전기전도도 (EC), 용존산소 (DO)를 측정하였다.
채집, 동정된 저서성 대형무척추동물 중 지점별로 대표종 4종을 선정하여 각 종별 3개체의 안정동위원소비를 측정하였다. 시료는 동결건조 후 분말화를 통해 안정동위원소비 측정을 위한 시료를 준비하였으며, 탄소 측정용 시료는 무기탄소 및 지질 제거 (2:1 Chloroform:Methanol (v/v)) 과 정 을 수 행 했 다(Kim et al.
현장에서 채집한 저서성 대형무척추동물 샘플은 실험실로 운반하여 유기물로부터 저서성 대형무척추동물을 골라내고 플라스틱 병 (Vial, 10~25 ㎖)에 옮겨 80% Ethanol로 보존하고, 채집정보를 기록하였다. 골라내기한 저서성 대형무척추동물 표본은 분류목록 및 검색표를 참고하여 실체현미경 (LEICA S8APO)으로 동정하였다 (Ministry of Environment 2015).

데이터처리

이러한 생태지위면적의 경향을 저서성 대형무척추 동물의 다른 지수 값과 비교하기 위하여 평균 개체밀도, 평균 종다양성지수, 평균 BMI 값을 계산하였다. 평균 개체밀도의 경우 6월 조사의 승촌보 상 지점에서 93.
저서성 대형무척추동물의 생태지위면적은 프로그램 R v.3.0.2 (R Core Development Team 2017)의 패키지 SIAR (Stable Isotope Analyses in R) 중 Stable Isotope Bayesian Ellipses in R (SIBER)을 이용하여 계산하였다. SIBER은 타원기반의 다변량 접근법을 사용하여 다양한 표본크기를 비교할 수 있다.

이론/모형

다양도지수는 Margalef (1958)의 정보이론 (Information Theory)에 의하여 유도된 Shannon-Wiever Function (Pielou 1969)을 이용하여 계산하였다. BMI는 수생태계 건강성 평가 지침 (Ministry of Environment 2013)을 이용하여 계산하였다(Table 1).
다양도지수는 Margalef (1958)의 정보이론 (Information Theory)에 의하여 유도된 Shannon-Wiever Function (Pielou 1969)을 이용하여 계산하였다. BMI는 수생태계 건강성 평가 지침 (Ministry of Environment 2013)을 이용하여 계산하였다(Table 1).
조사는 생물측정망 조사 및 평가지침에 따라 실시하였다. 저서성 대형무척추동물의 현장 채집은 하도의 중앙 지점과 좌·우 중앙 지점에서 Ponar grab(15×15 cm)을 사용해 3회 정량 채집을 실시하여 단위면적당 개체밀도 (ind.

성능/효과

즉, 초식성, 육식성 및 잡식성의 먹이 선택성을 평가할 수 있다. 따라서 안정동위원소비를 이용하여 계산된 생태지위면적은 대상 서식처에서 생물의 이용가능 먹이원의 범위와 그 결과 생태계 내의 영양단계를 종합적으로 나타낸다고 할 수 있다.
승촌보 지역의 저서성 대형무척추동물 생태지위면적은 6월과 8월 조사 모두 상류 지역과 비교하여 하류 지역에서 감소하는 경향을 나타냈다. 이를 통해 저서성 대형무척추동물은 승촌보로 인한 환경의 물리적 변화로 인해 보의 상류와 비교하여 하류의 지역에서 먹이 다양성, 선택성, 그리고 생태적 지위가 감소한 것으로 판단된다.

후속연구

2017). 따라서 먹이 다양성, 영양단계변화, 하천의 오염 등을 평가할 수 있는 안정동위원소비를 이용한 생태지위면적을 이용하여 이러한 한계점을 보완하고 특히 평가결과의 신뢰성을 확보하고 추가 정보를 제공하는 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
본 분석에 사용한 생태지위면적 계산을 위한 ‘SIBER’ 모델은 지점별 최소 5개체 이상의 안정동위원소 분석결과를 필요하지만, 저서성 대형무척추동물의 경우 지점에 따라 통일된 종들을 채집하기 어렵고, 소형 개체의 경우 분석을 위한 시료 확보가 어려운 경우도 발생할 수 있다. 따라서 안정동위원소비 분석 시 저서성 대형무척추동물 중지표 종을 선택하여 분석하거나 기능적 섭식군을 고려한 종 선택을 통한 조사 및 분석의 보완이 고려되어야 할 것으로 사료된다. 또한, 본 조사는 생태지위면적 개념을 시범적으로 적용하기 위해 대형 하천의 제한된 구간을 대상으로 실시하였으므로, 향후 보다 객관적인 검증과 영향평가 지표로써의 활용을 위해서는 다양한 하천을 대상으로 한 횡적 구조물의 영향 및 서식처 특성과 관련한 종 특이적 생태지위면적의 차이에 대한 추가 연구가 필요하다.
또한, 저서성 대형무척추동물의 주요 지수로 사용되는 종다양성지수, BMI 값과 생태지위면적값을 비교한 결과, 종다양성지수와 평균 BMI의 경우는 보의 유무에 따른 일정한 경향이 나타나지 않아 일시적 조사 시 채집되는 개체들의 종조성 정보에 의존하는 지수들의 경우 조사 시기 및 방법 등에 따른 한계점이 존재하는 것으로 판단된다. 따라서 안정동위원소비를 이용한 생태지위면적 값으로 먹이의 다양성, 선택성, 종의 생태적 지위, 경쟁 수준 등을 정량적으로 평가하여 기존의 지수를 이용한 평가방법을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
평가에 사용되는 다양도와 같은 군집지수 및 건강성 평가지수는 군집의 종 조성을 바탕으로 하여 계산되므로 구성 종의 특성에 따른 구조적 특징은 제시할 수 있으나 생물학적 상호작용 및 이를 통한 기능적 특성과 서식처의 먹이환경과 같은 정보를 나타내기엔 부족하다. 따라서 유기물오염 및 부영양화 영향 이외에 서식처의 생태적 특성을 종합적으로 평가할 수 있는 지표의 개발이 필요하다.
따라서 안정동위원소비 분석 시 저서성 대형무척추동물 중지표 종을 선택하여 분석하거나 기능적 섭식군을 고려한 종 선택을 통한 조사 및 분석의 보완이 고려되어야 할 것으로 사료된다. 또한, 본 조사는 생태지위면적 개념을 시범적으로 적용하기 위해 대형 하천의 제한된 구간을 대상으로 실시하였으므로, 향후 보다 객관적인 검증과 영향평가 지표로써의 활용을 위해서는 다양한 하천을 대상으로 한 횡적 구조물의 영향 및 서식처 특성과 관련한 종 특이적 생태지위면적의 차이에 대한 추가 연구가 필요하다.
또한, 저서성 대형무척추동물의 주요 지수로 사용되는 종다양성지수, BMI 값과 생태지위면적값을 비교한 결과, 종다양성지수와 평균 BMI의 경우는 보의 유무에 따른 일정한 경향이 나타나지 않아 일시적 조사 시 채집되는 개체들의 종조성 정보에 의존하는 지수들의 경우 조사 시기 및 방법 등에 따른 한계점이 존재하는 것으로 판단된다. 따라서 안정동위원소비를 이용한 생태지위면적 값으로 먹이의 다양성, 선택성, 종의 생태적 지위, 경쟁 수준 등을 정량적으로 평가하여 기존의 지수를 이용한 평가방법을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
기존의 하천 환경 평가에 이용되는 이화학적 평가 방법과 생물을 이용한 평가방법은 하천의 부영양화와 같은 제한된 범위의 평가가 가능하였다. 안정동위원소비를 이용한 생태지위면적의 경우, 생태계 먹이망 구조, 대상 생물의 영양단계 변화와 같은 하천 환경의 서식처 개념으로써의 종합적인 평가를 통해 기존의 평가항목에 대한 보완적인 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 특히, 생태계 장기변화의 지표생물인 저서성 대형무척추동물을 이용한 생태지위면적 분석으로 하천의 유기물 기원과 먹이망 내 에너지흐름 및 물질순환을 평가하고 기능적 섭식군의 조성과 유기물 조성 변화의 관계를 파악 할 수 있다 (Doi et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수생태계의 건강성을 평가하기 위해 필요한 것은?	수생태계는 다양한 물질과 생물이 종합적으로 상호작용하는 환경으로, 수생태계 건강성을 평가하기 위해선 이화학적 정보뿐만 아니라 생물학적 정보가 필요하다. 수생태계의 생물학적 평가에 관한 연구는 지속적으로 이루어지고 있으며, Kolkwitz & Marsson (1902, 1908, 1909) 이 지표생물을 기준으로 하천생태계를 네 등급으로 나누는 오수생물계열(saprobic system)을 창안한 이후 현재까지 다양한 생물학적 지수가 제안되어 수생태계 평가에 적용되어 왔다(Kong et al.
	수생태계는 무엇인가?	수생태계는 다양한 물질과 생물이 종합적으로 상호작용하는 환경으로, 수생태계 건강성을 평가하기 위해선 이화학적 정보뿐만 아니라 생물학적 정보가 필요하다. 수생태계의 생물학적 평가에 관한 연구는 지속적으로 이루어지고 있으며, Kolkwitz & Marsson (1902, 1908, 1909) 이 지표생물을 기준으로 하천생태계를 네 등급으로 나누는 오수생물계열(saprobic system)을 창안한 이후 현재까지 다양한 생물학적 지수가 제안되어 수생태계 평가에 적용되어 왔다(Kong et al.
	저서성 대형무척추동물의 특징 및 활용도는 무엇인가?	저서성 대형무척추동물은 대부분의 생활사를 하천에서 보내고, 오염물질의 유입과 같은 서식환경의 변화에 민감하게 반응하는 생물학적 지표생물이다. 또한, 채집하기 쉽고 다양하며 낮은 이동성을 가지고 있기 때문에 환경교란을 평가하는 대표적인 지표생물종으로 활용되고 있다 (Cairns & Pratt 1993). 이들을 이용한 환경평가는 일반적으로 지표성이 높은 개체군, 즉 수질을 대변할 수 있는 지표종을 이용하는 방법과 생물군집 내의 개체군 밀도 및 조성과 같은 군집정보를 이용하는 방법으로 구분할 수 있다(Choi & Lee 2012).

저자의 다른 논문 :

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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