[논문]한국의 하천환경 평가를 위한 저서성 대형무척추동물의 과 범주 생물지수 개발

공동수; 민정기; 노성유

doi:10.15681/kswe.2019.35.2.152

한국의 하천환경 평가를 위한 저서성 대형무척추동물의 과 범주 생물지수 개발
Development of Benthic Macroinvertebrates Family-Level Biotic Index for Biological Assessment on Korean Stream Environment 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.35 no.2, 2019년, pp.152 - 164

공동수 (경기대학교 바이오융합학부) , 민정기 (경기대학교 바이오융합학부) , 노성유 (국립환경과학원 물환경연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a Benthic Macroinvertebrates Family Index (BMFI) was developed using 100 indicator groups (99 families including Chironomidae with 2 phena). Families were assigned a score between 1 and 10 depending on their sensitivity to organic pollution. The BMFI was composed of the sensitivity and relative abundance of the indicator taxa. Sensitivity values of each group were generally similar to Biological Monitoring Working Party (BMWP) scores or Walley, Hawkes, Paisley, Trigg (WHPT) scores of UK, Japanese BMWP scores, and the FBI tolerance values of North America. However, sensitivity values of some taxa were significantly different from those of foreign countries, which seemed to have resulted from discrepancy in species composition, difference of taxonomic classification system, or methodological difference for estimation of sensitivity. As an annual average level, BMFI showed significant correlation with concentration of 5-day biochemical oxygen demand (BOD5) (correlation coefficient r = -0.80, n = 569 sites), total suspended solids (r = -0.68), and total phosphorus (r = -0.79). In addition, BMFI revealed strong correlation with Shannon-Weaver's species diversity (r = 0.85), Margalef's species richness (r = 0.85) and McNaughton's dominance (r = -0.84). Correlation between BMFI and water quality parameters or community indices such as species diversity did not show significant difference compared to that of species-level indices such as BMI (Benthic Macroinvertebrates Index). This means that BMFI is a more useful indicator in terms of easy identification of organisms. BMFI was used to assess the environmental status of 3,017 sites of Stream Ecosystem Survey conducted by the Korean Ministry of Environment between 2016 and 2018. As a result, about half of all sites appeared to be in good condition, and a quarter in poor condition.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Scheme of BOD₅ concentration according to saprobic series from Kong, Min et al. (2018), Kong, Son et al. (2018)
표 Table 2. Sensitivity values according to saprobic values
표 Table 3. Scheme of relative abundance (hi) according to rank percentage of individual abundance (R_i)
표 Table 4. Community indices used in this study
표 Table 5. Comparative analysis on sensitivity values and tolerance values of Benthic Macroinvertebrate Family
표 Table 5. Comparative analysis on sensitivity values and tolerance values of Benthic Macroinvertebrate Family (continued)
표 Table 5. Comparative analysis on sensitivity values and tolerance values of Benthic Macroinvertebrate Family (continued)
그림 Fig. 1. Relationship between Benthic Macroinvertebrates Family Index (BMFI) and (a) water quality (BOD₅, total suspended solids (TSS), and total phosphorus (T-P)) (b) community indices (Shannon-Weaver's species diversity (H'), Margalef's species richness (R), McNaughton's dominance index (DI)).
그림 Fig. 2. Frequency of environmental status evaluated by BMFI in the 3,017 sites of Stream Ecosystem Survey by Ministry of Environment during 2016 ~ 2018.
표 Table 6. Scheme of BMFI based on criteria of BOD5, TSS and TP concentration

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 2016 ~ 2018년 조사 자료는 전국 범위의 전체 조사지점에 대한 첫 번째 결과로서 큰 의미를 갖는다. 본 연구에서는 전체 조사지점 중 건천화 또는 접근이 어려워 채집이 불가능하였거나 지표군이 전혀 출현하지 않아 평가가 불가한 지점을 제외한 3,017개 지점에 대하여 BMFI 값을 산출하고 건강성을 평가하였다.
이러한 배경에서 본 연구는 국내 하천의 일반적인 유기 오염에 대한 저서성 대형무척추동물의 과 수준의 민감치를 산정하고 하천환경에 대한 평가지수 및 평가 기준을 개발 하기 위해 수행된 것이다. 산정된 지표군별 민감치는 국외 에서 발표된 관련 지표치(민감치 또는 내성치)와 비교하였다.

제안 방법

Yoon et al. (1992a) 로부터 Kong, Son et al. (2018)에 이르기까지 지표종의 saprobic value를 ‘오탁지수’로 칭하여 왔으나 이는 저서동 물지수 등 관련 지수의 명칭과 혼동될 수 있으므로 본고에 서는 이를 오탁치로 표현하였다.
개발된 BMFI 지수를 환경부 물환경측정망의 생물측정망 3,039개 지점의 2016 ~ 2018년 조사자료에 적용하여 저서성 대형무척추동물 측면에서 수생태계의 건강성을 평가하였다. 생물측정망은 2016년에 신설되었으며 총 3,039개 조사지점중 219개 지점은 매년 조사되고 나머지 지점은 3년 주기로 순연하여 조사되고 있다.
노린재목(Hemiptera)과 딱정벌레목(Coleoptera)은 표수성인 종류도 있고 비행능이 있는 성충 시기에 물속에서 생활하는 종류가 많기 때문에 지표군으로 포함하는 것이 적합하지 않을 수 있으므로 본 연구에서는 하천에서 유충상태로 흔히 출현하는 과들만 포함시켰다. 표수성인 소금쟁이과와 이동성이 큰 물땡땡이과(Hydrophilidae)의 민감치는 국외의 사례에 비하여 상대적으로 매우 낮은 수준으로 평가되었는데 이에 대해서는 추후 자료가 더욱 축적된 상태에서 재평가할 필요가 있다고 본다.
이러한 배경에서 본 연구는 국내 하천의 일반적인 유기 오염에 대한 저서성 대형무척추동물의 과 수준의 민감치를 산정하고 하천환경에 대한 평가지수 및 평가 기준을 개발 하기 위해 수행된 것이다. 산정된 지표군별 민감치는 국외 에서 발표된 관련 지표치(민감치 또는 내성치)와 비교하였다. 본 연구에서 도출된 지수는 하천환경의 평가에 직접활용될 수 있으며, 아울러 과 수준 민감치는 향후 영국의 RICT에서 적용하고 있는 EQR 체계를 도입하는 경우 WHPT score와 같은 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
민감치(sensitivity value)는 오탁치의 역개념으로서 영국의 BMWP score와 같이 1에서 10의 자연수로 부여하였다. 오탁치가 소숫점 첫째짜리까지 0인 과의 민감치는 10, 오탁 치가 3.0을 초과하는 과는 1을 부여하였고, 그 사이의 오탁치를 가진 과에 대해서는 보간법으로 민감치를 부여하였다(Table 2).
각 등급의 BMFI 기준 값은 각 수질항목의 등급치를 식 (8)의 다중회귀식에 대입하여 도출하였다. 회귀식에서 도출된 최하위 등급의 BMFI 경계값은 3.1, 최상위 등급의 경계값은 6.9로 나타났는데, 가독성을 높이기 위해 등급간 경계치를 일정한 폭(BMFI 값으로 1.3)으로 조정하여 최종 기준치를 설정하였다.

대상 데이터

당시 환경부·국립환경과학원의 저서성 대형무척추동물 조사지점은 총 960개였으나 이중에 환경부 물환경측정망의수질측정망 지점과 일치하는 540개 지점을 선별하였고 수질은 동 측정망 자료를 활용하였다.
선정된 지표군은 총 99개 과였는데 이중 깔따구를 2개의 형태군(red type과 non-red type)으로 나누어 총 100개의 지표군에 대한 민감치를 산정하였다(Appendix 1).
당시 환경부·국립환경과학원의 저서성 대형무척추동물 조사지점은 총 960개였으나 이중에 환경부 물환경측정망의수질측정망 지점과 일치하는 540개 지점을 선별하였고 수질은 동 측정망 자료를 활용하였다. 이에 한강수계관리위 원회의 조사지점 29개를 합친 총 조사지점은 569개였고 연중 또는 연간 반복된 조사를 포괄한 총 표본단위는 7,086개였다.

이론/모형

BMFI의 평가등급 체계를 설정하기 위한 BOD₅, TSS, T-P 농도의 등급치는 Kong, Son et al. (2018) 에 따랐다(Table 6). 각 등급의 BMFI 기준 값은 각 수질항목의 등급치를 식 (8)의 다중회귀식에 대입하여 도출하였다.
과별 민감치는 Kong, Son et al. (2018)의 BMI 개발 시 적용된 절차에 따라 도출하였다. 오수생물계열은 BOD₅ 농도를 기준으로 극빈부수성의 1 mg L^-1 로부터 2배수로서 5 단계로 나눈 체계를 따랐다(Table 1).
영국의 법령에서는 관련평가를 UKTAG의 방법에 따르도록 규정하고 있고(UK Legislation, 2015), UKTAG은 Clarke and Davy-Bowker (2014)의 민감치에서 출현유무에 대한 민감치는 제외하고 상용로그 개체수 범위의 4단계 민감치만을 채택하고 있지만(WFD-UKTAG, 2014) 이를 정리하여 비교하는 것은 다소 복잡하기 때문에 본 고에서는 Clarke and Davy-Bowker (2014)의 출현유무에 대한 민감치만 인용하여 비교하였다.

성능/효과

1. 과별 민감치는 기존에 국외에서 제시된 지표치와 대체로 유사한 경향을 보였으나 일부 분류군의 값은 상당한 차이를 보였다. 이는 각국의 생물 종의 분포나 분류학적 체계의 차이 또는 민감성에 대한 평가 방식의 차이에 따른 것으로 보인다.
3. 깔따구과의 민감치는 일부 국가에 따라 복부 혈새의 유무 또는 색깔의 차이에 따른 형태군으로 나누어 평가되고 있고 우리나라는 색깔로 구분하여 왔는데, 계수의 정확성과 재현성 측면에서는 구조적 형질인 복부 혈새로 구분하는 것이 더욱 적절한 것으로 판단된다. 향후 형태적 특징들을 구분하여 장기적으로 자료를 축적한 후 형질별 효율성을 검토할 필요가 있다.
4. BMFI 지수는 기존에 발표된 상위분류군 수준의 SBMI와 비교할 때 이화학적 수질과의 상관성에 큰 차이가 없었다. 따라서 단순히 이화학적 수질을 판정하기 위한 것이라면 동정 수준에 대한 요구도가 낮은 SBMI 지수가 BMFI지수보다 더욱 용이하다고 할 수 있다.
5. BMFI 지수를 환경부 생물측정망 3,017개 지점의 2016 ~ 2018년 조사자료에 적용한 결과로 볼 때 우리나라 하천의 생물학적 유기오염도는 양호(good) 등급 이상이 약 절반이고 불량(poor) 이하의 등급이 4분위 수준이라고 할 수 있다. 생물측정망 자료는 이화학적인 모니터링이 수행되지 않는 지역을 포함하여 국가 전체의 환경상태를 파악하는데 유용할 뿐만 아니라 장기적이고 종합적인 환경상태를 평가할 수 있다는 측면에서 매우 중요한 것으로 인식되어야 한다.
, 2018)과 비교할 때 BMFI는 환경요인에 대하여 다른 지수들과 비슷한 수준의 상관도를 가진다고 평가할 수 있다. 각 변수의 변이를 반영하여 표준화된 회귀계수(standardized regression coefficient)는 BOD₅에 대하여 -0.46, TSS는 -0.10, T-P는 -0.29로서 BOD₅ 가 다른 수질항목에 비하여 BMFI에 상대적으로 영향도가 큰 것으로 나타났다.
1). 같은 자료에서 BOD₅, TSS, T-P에 대한 BMI의 상관계수는 각각 -0.80, -0.68, -0.78이었고, SBMI의 상관계수는 각각 0.79, 0.69, 0.77이었다. 과 수준의 민감치에 의한BMFI, 종수준의 오탁치에 의한 BMI, 상위분류군의 오탁계량치에 의한 SBMI의 수질에 대한 상관도는 서로 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다.
곤충강 하루살이목(Ephemeroptera)의 과별 지표성은 국외의 사례와 큰 차이가 없는 수준이었으나 빗자루하루살이과 (Isonychiidae)의 민감치는 일본이나 북미의 지표치에 비해 다소 높은 수준으로 평가되었다. 빗자루하루살이류는 앞다리 종아리마디에 열지어 나 있는 강모를 가지고 물속의 미세한 유기물을 걸러먹는 무리(collector-filterer)로서 국내의 평지하천에서 주로 출현하는 종류인데 피라미하루살이과(Ameletidae) 등의 청수성 하루살이류와 비교해 볼 때 민감치가 상대적으로 높게 평가된 것으로 보인다.
77이었다. 과 수준의 민감치에 의한BMFI, 종수준의 오탁치에 의한 BMI, 상위분류군의 오탁계량치에 의한 SBMI의 수질에 대한 상관도는 서로 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다.
2%에 불과하였기 때문에 추후 더욱 많은 자료가 축적되었을 때 재검토될 필요가 있다. 더불어 일례로서 하루살이과(Ephemeridae)의 여러 종들의 서식구계 및 민감치가 다르고, 알락하루살이과(Ephemerellidae) 중 등줄하루살이(Teloganopsis punctisetae)는 다른 종들과 민감성에 차이가 있는데 동정의 편의성과 정확성을 위해 이러한 종 수준의 예외성은 과범주지수에서 반영되지 않는다는 점을 감안해야 한다.
복족류 과들의 민감치는 대부분 국외의 지표치와 유사한경향으로 설정되었으나 물달팽이과(Lymnaeidae)의 민감치는 영국과 일본의 지표치에 비해서는 상대적으로 높은 수준이었다. 물달팽이과 종류 중 국내 하천에서 주로 출현하는 물달팽이(Radix auricularia)는 오염된 하천에서도 일부 출현하지만 빈 ~ 중부수성 수역에서 더욱 높은 출현도를 보이고 있어 그 특성이 반영된 것으로 보인다.
본 연구에서 설정된 편형동물류의 플라나리아과(Planariidae)의 민감치는 영국의 당초 BMWP score (Paisley et al., 2014)나 WHPT score (Clarke and Davy-Bowker, 2014; Paisley et al., 2014)보다는 다소 높은 수준이고, 일본의 Dugesiidae에 대한 민감치(Nojaki, 2012)와 북미의 Modified FBI의 내성치(SWCSMH, 2015)와 비교하면 비슷한 수준으로 볼 수 있다.
6%로 낮았기 때문에 보다 많은 자료가 축적된 후 재평가될 필요가 있다. 애기각다귀과(Limoniidae)와 각다귀과(Tipulidae)의 지표성은 국외에서는 분리하지 않고 있으나 국내의 경우 애기각다귀류가 다른 각다귀류에 비해 청수성 수역에서 주로 출현하고 있기 때문에 지표치를 세분하는 것이 적합할 것으로 보인다.
환대강은 본 연구뿐만 아니라 국외의 사례에서도 오수성 생물군으로 평가되었다. 영국과 일본에서는 빈모류의 지표성을 과별로 세분하지 않은 반면 본 연구와 북미에서는 이를 세분하였는데, 빈모류의 다른 분류군에 비해 실지렁이붙이과(Lumbriculidae)의 민감치가 상대적으로 높고 낚시지렁이과(Lumbricidae)의 민감치는 약간 높은 수준으로 평가되었다.
전체적으로 ‘매우 양호(very good)’ 등급은 21%, ‘양호(good)’ 등급은 31%, ‘보통(moderate)’ 등급은 23%, ‘불량(poor)’ 등급은 19%, ‘매우 불량(very poor)’ 등급은 6%로 평가되었다.
총 569개 조사지점별 평균치로서의 BMFI와 BOD₅, TSS, T-P 농도의 상관계수는 각각 -0.80, -0.68, -0.79였다(Fig. 1). 같은 자료에서 BOD₅, TSS, T-P에 대한 BMI의 상관계수는 각각 -0.

후속연구

2. 일부 분류군의 민감치는 경험적으로 인식되고 있는 수준과 다소간의 차이를 보이고 있는데 이러한 분류군의 지표치에 대해서는 향후 장기적이고 광범위한 조사자료를 축적하여 재검토 및 보완할 필요가 있다.
이는 각국의 생물 종의 분포나 분류학적 체계의 차이 또는 민감성에 대한 평가 방식의 차이에 따른 것으로 보인다. 다소의 제한점에도 불구하고 본 연구를 통해 제시된 과별 민감치는 향후 특정 지점의 환경평가는 물론 참조하천에 대한 예측에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
산정된 지표군별 민감치는 국외 에서 발표된 관련 지표치(민감치 또는 내성치)와 비교하였다. 본 연구에서 도출된 지수는 하천환경의 평가에 직접활용될 수 있으며, 아울러 과 수준 민감치는 향후 영국의 RICT에서 적용하고 있는 EQR 체계를 도입하는 경우 WHPT score와 같은 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
빗자루하루살이류는 앞다리 종아리마디에 열지어 나 있는 강모를 가지고 물속의 미세한 유기물을 걸러먹는 무리(collector-filterer)로서 국내의 평지하천에서 주로 출현하는 종류인데 피라미하루살이과(Ameletidae) 등의 청수성 하루살이류와 비교해 볼 때 민감치가 상대적으로 높게 평가된 것으로 보인다. 전체 표본 단위 중 빗자루하루살이과의 출현빈도는 1.2%에 불과하였기 때문에 추후 더욱 많은 자료가 축적되었을 때 재검토될 필요가 있다. 더불어 일례로서 하루살이과(Ephemeridae)의 여러 종들의 서식구계 및 민감치가 다르고, 알락하루살이과(Ephemerellidae) 중 등줄하루살이(Teloganopsis punctisetae)는 다른 종들과 민감성에 차이가 있는데 동정의 편의성과 정확성을 위해 이러한 종 수준의 예외성은 과범주지수에서 반영되지 않는다는 점을 감안해야 한다.
파리목(Diptera)의 과별 지표성은 전반적으로 국외 사례와 비슷한 경향으로 평가되었으나 물가파리과(Ephydridae)와 집파리과(Muscidae)의 민감치가 상대적으로 낮았는데 이들의 출현빈도가 각각 2.8%와 1.6%로 낮았기 때문에 보다 많은 자료가 축적된 후 재평가될 필요가 있다. 애기각다귀과(Limoniidae)와 각다귀과(Tipulidae)의 지표성은 국외에서는 분리하지 않고 있으나 국내의 경우 애기각다귀류가 다른 각다귀류에 비해 청수성 수역에서 주로 출현하고 있기 때문에 지표치를 세분하는 것이 적합할 것으로 보인다.
노린재목(Hemiptera)과 딱정벌레목(Coleoptera)은 표수성인 종류도 있고 비행능이 있는 성충 시기에 물속에서 생활하는 종류가 많기 때문에 지표군으로 포함하는 것이 적합하지 않을 수 있으므로 본 연구에서는 하천에서 유충상태로 흔히 출현하는 과들만 포함시켰다. 표수성인 소금쟁이과와 이동성이 큰 물땡땡이과(Hydrophilidae)의 민감치는 국외의 사례에 비하여 상대적으로 매우 낮은 수준으로 평가되었는데 이에 대해서는 추후 자료가 더욱 축적된 상태에서 재평가할 필요가 있다고 본다. 하천에서 주로 출현하는 물땡땡이류인 점박이물땡땡이(Berosus signaticollis punctipennis)와 점물땡땡이속(Laccobius)은 하천구간에 한해서는 상대적으로 환경상태가 악화된 정수역에서 출현하는 경향이 있다.
따라서 일본의 경우와 같이 복부의 혈새의 유무, 즉 구조적인 특징으로 구분하여 지표성을 부여하는 것이 더욱 합리적일 것으로 보인다. 향후 각종 조사사업에서 이러한 형태적 특징들을 구분하여 자료를 축적한 후 평가에 더욱 적정한 형질의 유형을 선택하고 그에 부합되는 지표성을 부여할 필요가 있다고 판단된다.
깔따구과의 민감치는 일부 국가에 따라 복부 혈새의 유무 또는 색깔의 차이에 따른 형태군으로 나누어 평가되고 있고 우리나라는 색깔로 구분하여 왔는데, 계수의 정확성과 재현성 측면에서는 구조적 형질인 복부 혈새로 구분하는 것이 더욱 적절한 것으로 판단된다. 향후 형태적 특징들을 구분하여 장기적으로 자료를 축적한 후 형질별 효율성을 검토할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BMWP score는 1976년에 영국의 몇 명의 전문가로 결성된 생물학적 모니터링 작업반에서 처음 논의 됐는가?	이러한 제약을 줄이면서도 비교적 정확한 환경평가가 가능한 분류학적 범주는 무엇인가? 이에 대한 논의의 대표적인 첫 사례가 1970년대 후반 영국에서 마련된 BMWP score라 할 수 있다. BMWP score는 1976년에 영국의 11명의 전문가로 결성된 생물학적 모니터링 작업반(Biological Monitoring Working Party, BMWP)에서 처음 논의되었다. BMWP는 지방환경관서, 하천정화위원회(스코틀란드), 담수 생물협회, 중앙물계획단위체 및 대학에 소속된 생물학자들 과의 반복적인 설문, 조사, 토론을 바탕으로 하천평가를 위한 저서성 대형무척추동물의 점수 체계를 개발하였다.
	미국에서 과 수준의 지표치에 의한 평가지수는 무엇이 시초인가?	미국에서 과 수준의 지표치에 의한 평가지수는 Hilsenhoff (1988)의 Family biotic index (FBI)가 시초인데 이는 Wisconsin주의 하천에서 얻어진 자료로 개발된 것이다. FBI는 Plafkin et al.

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동의어: Packet Collision Rate

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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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