[논문]수리지화학적 추적자(222Rn, 주요용존이온)와 미생물 군집 분석을 통한 도심 지역 하천에서의 지하수 유출 특성 평가

오용화; 김동훈; 이수형; 문희선; 조수영

doi:10.7857/jsge.2020.25.2.016

[국내논문] 수리지화학적 추적자(222Rn, 주요용존이온)와 미생물 군집 분석을 통한 도심 지역 하천에서의 지하수 유출 특성 평가
Determining Characteristics of Groundwater Inflow to the Stream in an Urban Area using Hydrogeochemical Tracers (222Rn and Major Dissolved Ions) and Microbial Community Analysis 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.25 no.2, 2020년, pp.16 - 23

오용화 (한국지질자원연구원 지질환경연구본부 지하수연구센터) , 김동훈 (한국지질자원연구원 지질환경연구본부 지하수연구센터) , 이수형 (한국지질자원연구원 지질환경연구본부 지하수연구센터) , 문희선 (한국지질자원연구원 지질환경연구본부 지하수연구센터) , 조수영 (한국지질자원연구원 지질환경연구본부 지하수연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, 222Rn activity, major dissolved ions, and microbial community in ground- and surface waters were investigated to characterize groundwater inflow to the stream located in an urban area, Daejeon, Korea. The measured 222Rn activities in groundwater and stream water ranged from 136 to 231 Bq L-1 and 0.3 to 48.8 Bq L-1, respectively. The spatial distributions of 222Rn activity in the stream strongly suggested groundwater inflow to the stream. The change of geochemical composition of the stream water indicated the effect of groundwater discharge became more pronounced as the stream flows downstream. Furthermore, microbial community composition of the stream water had good similarity to that of groundwater, which is another evidence of groundwater discharge. Although groundwater inflow could not be estimated quantitatively in this study, the results can provide useful information to understand interactions between groundwater and surface water, and determine hydrological processes governing groundwater recharge and hydrogeological cycles of dissolved substances such as nutrients and trace metals.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Sampling locations of stream water and groundwater in the Hwasan Stream.
그림 Fig. 2. Variation in 222Rn activities and precipitation (a) and temperature (b) in groundwater (St.0) and expected groundwater source (St.9-1) during the sampling period (between January and May 2019).
그림 Fig. 3. Variations in ²²²Rn activities in stream water in the Hwasan Stream between July 2018 and May 2019.
그림 Fig. 4. Piper diagram for groundwater (St.0, closed triangle) and stream water (open circle) in May 2019.
그림 Fig. 5. Microbial taxonomic compositions of groundwater and stream water samples at plylum level.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 도심 지역에 위치한 화산천에서 하천수와 지하수의 ²²²Rn 농도, 수리화학적 자료, 미생물 자료를 이용하여 지하수 유출 특성을 평가하였다. 본 연구에서 이용된 다양한 생지화학적 지하수 추적 방법은 지하수 유출여부와 유출 지점 파악 등 하천에서의 지하수 유출 특성을 파악하기에 매우 적절한 방법이라 판단된다.
본 연구에서는 계룡산에서 시작하여 도심 지역인 대전을 통과하는 화산천(약 7 km)과 주변 지하수 관정에서 1년 동안 총 9차례에 걸쳐 시공간적으로 하천수와 지하수중 ²²²Rn 농도를 조사하고, 주요 용존이온, 미생물 군집분포 자료 분석을 통해 하천으로 유입되는 지하수 유출특성을 파악하고자 하였다.

제안 방법

차세대염기서열분석(next-generation sequencing, NGS)은 MacrogenInc.(Korea)의 Miseq(illumina, Inc.) 장비를 이용하여 미생물의 16S ribosomal RNA(16S rRNA) 유전자의 V3-V4 영역을 대상으로 제조사의 방법에 따라 수행하였다. NGS 결과로 얻어진 염기서열들은 CD-HIT-OUT(Li etal.
222Rn 농도 분포 특성을 통해 St.9 부근 지표로 유출되는 수체의 특성을 확인하기 위하여 미생물 군집 분석을수행하였다(Fig. 5). 지하수와 지표수의 미생물 군집 비교를 위하여 관정 지하수(St.
이 장비는 알파/베타 핵종을 동시에 측정할 수 있는 파형분석(Pulse Shape Analysis, PSA) 기능을 가지고 있어 알파선과 베타선에 의해 생성된 펄스의 형태 차이를 이용하여 이들을 분리할 수 있으므로 한번 측정을 통하여 시료의 알파방출 핵종과 베타방출 핵종을 동시에 측정할 수 있다. ²²²Rn에 대한 계측효율을 구하기 위하여 ²²⁶Ra 표준용액 8 mL를 취하여 섬광용액(OptiphaseHisafe3) 12 mL와 잘 혼합한 후 PSA 준위 100에서 알파선의 총 피크영역에서 측정하였다. 초기값은 시료 제조후 바로 측정한 값을 이용하였다.
하천수와 지하수 중 주요 용존양이온과 용존음이온 농도는 각각 Inductively coupled plasma-optical emissionspectrometry(ICP-OES; Optima 7300 DV; Perkin Elmer,USA)와 Ion-exchange chromatography with conductivitydetection(IC; ICS-1500; Dionex, USA)를 이용하여 측정하였다. HCO₃^-(total alkalinity) 농도는 Automatic titrator(T50 Titrator; Mettler-Toledo, USA)를 이용하여 측정하였다. Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, Cl^-, SO₄^2-, NO₃^- 농도의detection limit은 각각 0.
) 장비를 이용하여 미생물의 16S ribosomal RNA(16S rRNA) 유전자의 V3-V4 영역을 대상으로 제조사의 방법에 따라 수행하였다. NGS 결과로 얻어진 염기서열들은 CD-HIT-OUT(Li etal., 2012)를 사용하여 저품질 서열과 모호한 서열, 키메라서열 등을 제거하고, 97% 이상의 서열 유사도를 바탕으로 군집화하여 종 수준의 OUT (operational taxonomicunits)를 선별하였다. 각 OUT의 대표 서열은 RDP(Ribosomal Database Project)에 UCLUST(Edgar, 2010)을 이용하여 수행하였다.
또한,표준 시료의 측정 효율 값을 결정하는데 있어서 이들 표준 시료의 재현성을 확보하기 위하여 같은 시료를 3개 제조하여 각각의 측정 효율 값을 얻은 후 측정 효율의 평균값(91.6 ± 3.6%)을 시료 측정 효율 값으로 적용하였다.
바탕 시료는 초순수(deionized water, DW)를 끓여서 222Rn을 제거한 후에 고순도 질소 가스로 세정한 섬광 용액을 혼합하여 만들어 사용하였으며, 실제 계측 시료와 동일한 조건으로 DW를 섬광 용액과 혼합하여 바탕 시료를 만들어서 5시간씩 계측하였다.
), Cb는 background 계수율(cpm), V는시료량(L), t는 background 계측 시간(min), ε는 식 (1)에서 구한 계측효율이다. 본 연구에서 채취된 시료는 섬광 용액과 혼합한 후 방사 평형이 이루어진 4시간후부터 액체섬광 계수기로 측정하였다.
염기서열 분석을 위하여 채취한 시료를 0.22 ㎛ 필터(Advantec)로 여과하였으며 여과된 필터로부터 DNeasyPowerWater Kit(Qiagen)를 이용하여 제조사의 방법에 따라 genomic DNA (gDNA)를 추출하였다.
Rn을 제거한 후에 고순도 질소 가스로 세정한 섬광 용액을 혼합하여 만들어 사용하였으며, 실제 계측 시료와 동일한 조건으로 DW를 섬광 용액과 혼합하여 바탕 시료를 만들어서 5시간씩 계측하였다. 이 바탕 시료를 사용하여 실험 과정에 의한 바탕값을 얻어 계측효율 및 검출하한치를 얻는데 이용하였다. PSA 준위 100에서 알파선 총 피크영역에서의 검출하한치는 식(2)을 이용하여 계산하였으며(Currie, 1968; Pasternack and Harley, 1971), 시료용액 8 mL에 대해 300분 계측했을 때 검출하한치는 0.
주요 용존양이온과 용존음이온 분석을 위하여 시료를 0.45 µm membrane 필터를 이용하여 부유물질을 제거한후 각각 30 mL를 폴리에틸렌 용기에 채취하였다(Jeong etal., 2015).
5). 지하수와 지표수의 미생물 군집 비교를 위하여 관정 지하수(St.0)와 St.9 상류 지표수(St.9-2)를각각 비교군으로 선정하였고, 지표 유출수와 하류 지표수시료를 채취하여 각 시료 간 미생물 군집 특성을 비교하였다. 문(phylum) 수준에서 비교하였을 때, 지하수(St.
지하수와 하천수의 현장 수질(수온, 전기전도도, 용존산소, pH)은 2019년 1월과 5월에 수질측정장비(WTW Multi3420)를 이용하여 현장에서 시료 채취 직전에 측정하였다. 하천수와 지하수 중 222Rn 농도 측정을 위해 대기와의 접촉을 최소화하여 12 mL의 액체섬광물질(Optiphase Hisafe3)이 들어있는 22 mL 용기에 8 mL의 시료를 주입하여 충분히 혼합한 후, 실험실로 운반하여 24시간 이내에 측정하였다(Cho et al.
지하수와 하천수의 현장 수질(수온, 전기전도도, 용존산소, pH)은 2019년 1월과 5월에 수질측정장비(WTW Multi3420)를 이용하여 현장에서 시료 채취 직전에 측정하였다. 하천수와 지하수 중 222Rn 농도 측정을 위해 대기와의 접촉을 최소화하여 12 mL의 액체섬광물질(Optiphase Hisafe3)이 들어있는 22 mL 용기에 8 mL의 시료를 주입하여 충분히 혼합한 후, 실험실로 운반하여 24시간 이내에 측정하였다(Cho et al., 2012; Cho et al., 2019).
하천수와 지하수 중 주요 용존양이온과 용존음이온 농도는 각각 Inductively coupled plasma-optical emissionspectrometry(ICP-OES; Optima 7300 DV; Perkin Elmer,USA)와 Ion-exchange chromatography with conductivitydetection(IC; ICS-1500; Dionex, USA)를 이용하여 측정하였다. HCO₃^-(total alkalinity) 농도는 Automatic titrator(T50 Titrator; Mettler-Toledo, USA)를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

2018년 7월부터 2019년 5월까지 총 9차례에 걸쳐, 화산천 12개 지점과 지하수 1개 지점에서 222Rn 농도를 측정하였다(Fig. 1). 샘플링 지점의 고도는 계룡산에 위치한St.
2019년 5월에는 지하수와 하천수 중 주요 용존양이온(Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺), 용존음이온(Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-,HCO₃^-) 농도, 미생물 군집 분석을 위한 시료를 채취하였다. 주요 용존양이온과 용존음이온 분석을 위하여 시료를 0.
2019년 7월부터 2018년 5월까지 9회에 걸쳐 측정된 화산천 주변 관정 지하수(St.0) 중 222Rn 농도는 136–231Bq L-1의 범위를 보였으며, 평균값은 202±27 Bq L-1였다(Fig. 2a).
HCO₃^- 시료의 경우, 125 mL 폴리에틸렌 용기를 이용하여 시료를 채취하였다. 미생물 군집 분석을 위해 시료 2 L를 무균 채수병에 채취하였고 냉장 상태(4^oC)를 유지하며 실험실로 운반하였다.
연구 지역인 화산천은 대전광역시 유성에 위치한 계룡산 상류에서 발원하여, 성전천, 진잠천과 함께 갑천으로합류되는 하천이다(Fig. 1). 화산천 부근의 지질은 주로중생대 복운모화강암과 충적층으로 이루어져 있다.
하지만 214Po의 반감기가 워낙 짧아 수 분 내에 피크가 형성되어 이를 총 알파피크 영역의 바탕 값으로 사용하는 것은 무리가 있을 수있기 때문에, 초기값은 214Po 피크 영역을 제외한 550–750 channel을 이용하였다.

이론/모형

, 2012)를 사용하여 저품질 서열과 모호한 서열, 키메라서열 등을 제거하고, 97% 이상의 서열 유사도를 바탕으로 군집화하여 종 수준의 OUT (operational taxonomicunits)를 선별하였다. 각 OUT의 대표 서열은 RDP(Ribosomal Database Project)에 UCLUST(Edgar, 2010)을 이용하여 수행하였다. 미생물 군집의 종 다양성과 균등도, 샘플 간 유사도 등은 QIIME version 1.
각 OUT의 대표 서열은 RDP(Ribosomal Database Project)에 UCLUST(Edgar, 2010)을 이용하여 수행하였다. 미생물 군집의 종 다양성과 균등도, 샘플 간 유사도 등은 QIIME version 1.9.1(Caporaso et al., 2010)을 이용하여 수행하였다.
하천수와 지하수 중 ²²²Rn 농도 측정은 한국지질자원연구원의 극저준위의 알파, 베타핵종의 측정에 효과적인 것으로 알려진 액체섬광계수기(Liquid Scintillation Counter;LSC; Perkin Elmer, Wallac 1220 Quantulus)를 이용하여 수행하였다. 이 장비는 알파/베타 핵종을 동시에 측정할 수 있는 파형분석(Pulse Shape Analysis, PSA) 기능을 가지고 있어 알파선과 베타선에 의해 생성된 펄스의 형태 차이를 이용하여 이들을 분리할 수 있으므로 한번 측정을 통하여 시료의 알파방출 핵종과 베타방출 핵종을 동시에 측정할 수 있다.

성능/효과

2018년 12월부터 2019년 5월까지 5차례에 걸쳐 이 수체의 온도 측정 결과, 외부 기온이 -4oC에서 25oC까지 변화하는 동안 비교적 일정한 13.5 ± 0.6oC의 평균값을 보였으며, 이는 관정 지하수(St.0)에서 측정된 수온과 유사하였다.
2019년 1월부터 5월까지 4회에 거쳐 측정된 지하수 온도는 13.8–16.5°C 범위로 측정되었으며, 평균값은 15.2 ±1.1°C로, 외부 온도가 약 -4°C에서 25°C로 변하는 동안 일정한 온도를 보이는 전형적인 지하수의 특성을 나타내었다(Fig. 2b).
하지만 ²¹⁴Po의 반감기가 워낙 짧아 수 분 내에 피크가 형성되어 이를 총 알파피크 영역의 바탕 값으로 사용하는 것은 무리가 있을 수있기 때문에, 초기값은 ²¹⁴Po 피크 영역을 제외한 550–750 channel을 이용하였다. ²²²Rn과 딸핵종들이 시간이 경과하면서 ²²⁶Ra의 붕괴에 의해서 서서히 생성되는데 25일이 경과된 후에는 99% 이상 수용액 층에 존재하는 ²²⁶Ra과 방사 평형에 도달했음을 알 수 있었다. 이때의 계수율을 이용하여 얻은 ²²²Rn의 측정 효율(ε)은 시료 조제 후방치 시간에 따른 ²²⁶Ra의 방사 평형을 고려하였으며, 식(1)을 이용하여 계산하였다(Hohorst et al.
St.4를 지나 지속적으로 감소하던 하천수 중 222Rn 농도는, St.9부터 급격히 증가하는 현상을 보였다.
9%)는 지하수에 비해 매우 적게 존재하고 있었다. 두 시료를 비교하였을 때, 지하수와 지표수의 미생물 군집 구성에서 큰 차이가 있음을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 지표 유출수의 특성을 파악할 수 있을 것으로 판단되었다. 유출수 시료(St.
또한, 이 수체의 222Rn의 농도는49-65 Bq L-1 범위를 보였으며, 이는 하천수 평균값(9.6 ±9.8 Bq L-1)에 비해 5배 이상 높지만 관정 지하수의 평균값(202 ± 27 Bq L-1)에 비해 4배 정도 낮은 55 ± 6 Bq L-1의 평균값을 보였다.
문(phylum) 수준에서 비교하였을 때, 지하수(St.0)시료에서는 Proteobacteria가 주요 군집을 구성하고 있었으나, 지표수(St.9–2) 시료에서는 광합성 세균인 Cyanobacteria가 가장 우점하는 것으로 나타났다.
Rn 농도, 수리화학적 자료, 미생물 자료를 이용하여 지하수 유출 특성을 평가하였다. 본 연구에서 이용된 다양한 생지화학적 지하수 추적 방법은 지하수 유출여부와 유출 지점 파악 등 하천에서의 지하수 유출 특성을 파악하기에 매우 적절한 방법이라 판단된다. 특히, 비교적 시료 채취가 간편하며 저비용으로 측정이 가능한 ²²²Rn을 이용한 방법은 하천 유량과 연속성 등의 파악을통해, 정량적으로 지하수 유출량을 산정할 수 있다는데 의미가 크다.
산지에 위치한 상류 지점(St.1)에서 갑천에 합류되기 전하류 지점(St.12)까지 1년간 9차례에 걸쳐 화산천 하천수중 222Rn 농도 측정 결과, 측정 기간 동안 하천수 중 222Rn 농도 범위와 평균값은 각각 0.3–48.8 Bq L-1과 9.6 ± 9.8 Bq L-1로 측정되었다(Fig. 3).
10 부근에서 지하수와 같이 높은 222Rn 농도를 가진 유체의 유입에 의한 것이라 판단되었다. 이러한 가정하에, St.9 주변을 조사한 결과, St.9 바로 상류에서 수로관을 통해 화산천으로 유입되는 수체를 확인할 수 있었다. 2018년 12월부터 2019년 5월까지 5차례에 걸쳐 이 수체의 온도 측정 결과, 외부 기온이 -4oC에서 25^oC까지 변화하는 동안 비교적 일정한 13.
9–2) 시료에서는 광합성 세균인 Cyanobacteria가 가장 우점하는 것으로 나타났다. 지하수(St.0)에서의 미생물 군집은 Proteobacteria (41.9%), OD1(Parcubacteria, 13.9%), Actinobacteria(6.7%), Planctomycetes (4.7%)의 순으로 우점하고 있었으며, 지표수(ST.9-2)는 Cyanobacteria(83.9%)가 대부분을 차지하고 Proteobacteria(11.9%)는 지하수에 비해 매우 적게 존재하고 있었다. 두 시료를 비교하였을 때, 지하수와 지표수의 미생물 군집 구성에서 큰 차이가 있음을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 지표 유출수의 특성을 파악할 수 있을 것으로 판단되었다.

후속연구

본연구는 적은 수의 시료, 지하수위/하천수위/하천유량 자료의 부족 등 한계점을 가지고 있다. 따라서, 향후 연구에서는 표본 집단의 수를 늘리고 수리/수문학적 연구를 바탕으로 하여, 1년 이상의 중장기적인 시간 규모에서 하천에서의 지하수 유출 특성 연구가 수행되어야 할 것이다.
특히, 비교적 시료 채취가 간편하며 저비용으로 측정이 가능한 ²²²Rn을 이용한 방법은 하천 유량과 연속성 등의 파악을통해, 정량적으로 지하수 유출량을 산정할 수 있다는데 의미가 크다. 또한, 본 연구 결과는 지하수 사용이 많은 농촌 지역의 지표수-지하수 상호작용 연구, 산악지역에서의하천수 생성 기작 연구, 특정 지역에서의 물 순환과 함양특성 규명 연구에도 활용될 수 있을 것이라 사료된다. 본연구는 적은 수의 시료, 지하수위/하천수위/하천유량 자료의 부족 등 한계점을 가지고 있다.
또한, 본 연구 결과는 지하수 사용이 많은 농촌 지역의 지표수-지하수 상호작용 연구, 산악지역에서의하천수 생성 기작 연구, 특정 지역에서의 물 순환과 함양특성 규명 연구에도 활용될 수 있을 것이라 사료된다. 본연구는 적은 수의 시료, 지하수위/하천수위/하천유량 자료의 부족 등 한계점을 가지고 있다. 따라서, 향후 연구에서는 표본 집단의 수를 늘리고 수리/수문학적 연구를 바탕으로 하여, 1년 이상의 중장기적인 시간 규모에서 하천에서의 지하수 유출 특성 연구가 수행되어야 할 것이다.
따라서, 이 수체는 지하수와 하천수가 혼합된 형태로 하천으로 유출된다고 판단된다. 이러한 결과는, 하천수와 지하수 중 ²²²Rn를 추적자로 이용하여 하천이나 강에서 지하수가 유출되는 지점을 파악하는데 효과적으로 활용될 수 있음을 시사한다.
따라서, 하천의 유량과 지하수 이용 가능량에 영향을 미치는 하천이나 강에서의 지하수 유출에 대한 연구는 중요하지만, 국내에서는 아직 활발히 진행되고 있지않은 실정이다. 지표면을 통한 강우 유출과는 달리, 하천이나 강에서의 지하수 유출은 강우 종료 이후에도 장기간 지속적으로 하천 유량과 수위에 영향을 주기 때문에, 하천이나 강에서의 지하수 기저 유출에 대한 연구는 기후변화와 관련된 물 수지 분석에 있어 중요할 뿐만 아니라, 지하수 함양량 산정 연구에 중요한 기저유출분리와 관련된 연구에서도 활용될 수 있다. 또한, 지하수 오염이 심한지역에서의 지하수 유출에 의한 오염물질의 지표수로의 유입량 산정과 관련된 연구에서 기본적인 자료를 제공할수 있음으로, 지하수-지표수 상호작용(지하수의 지표수로의 유입 또는 지표수의 지하수로의 유입)에 대한 이해는도심 지역의 지하수 오염 및 활용과 정책 결정에 매우 중요한 요소이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화산천의 집수 구역의 구분은 무엇인가?	화산천 부근의 지질은 주로중생대 복운모화강암과 충적층으로 이루어져 있다. 화산천의 집수 면적은 약 4 km2로, 유성천 집수구역, 도덕봉, 금수봉, 빈계산 등으로 집수 구역이 구분된다. 화산천의 발원지는 계룡산 국립 공원 내 위치하고 있어, 발원지로부터의 인위적인 오염원은 없을 것으로 추정된다.
	화산천이란 무엇인가?	연구 지역인 화산천은 대전광역시 유성에 위치한 계룡산 상류에서 발원하여, 성전천, 진잠천과 함께 갑천으로합류되는 하천이다(Fig. 1).
	대전 도심의 지하수가 중요한 이유는 무엇인가?	또한, 매립지나 공장에서 배출되는 다양한 오염물(TCE, PCE 등)은 도심의 지하수를 오염시키기도 한다(Yun, 2014). 대전에 위치한 갑천 유역의 지하수 관정 수는 약 22,000개이고, 이들 관정에서 연간 약 6,000 m3의 지하수가 생활용수로 이용되고있기 때문에(Kim and Hong, 2011), 도심 지역에서의 지하수 이용 또한 농촌 지역 못지 않게 중요한 실정이다.

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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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