초록 ▼

Ⅰ. 서 론

최근 부영양화 된 호소나 하천에서 여름철에 남조류가 대량 증식하는 녹조 현상이 더욱 빈번하게 발생하고 있다. 남조류 대량 발생은 특히 상수원 관리, 수생태 건강성 보호, 경관(어메너티) 제고 등의 측면에서 문제가 될 수 있다. 녹조 발생에 대한 사회적 우려가 증가됨에 따라 사전 예방적인 녹조관리의 필요성이 증대되고, 이에 따라 조류의 발생 원인과 성장 제한 인자(growth limiting factor) 등에 관한 연구가 요구되고 있다. 조류가 성장하기 위한 조건에는 수온, 일사량, 유속 등의 기상·수문학적

Ⅰ. 서 론

최근 부영양화 된 호소나 하천에서 여름철에 남조류가 대량 증식하는 녹조 현상이 더욱 빈번하게 발생하고 있다. 남조류 대량 발생은 특히 상수원 관리, 수생태 건강성 보호, 경관(어메너티) 제고 등의 측면에서 문제가 될 수 있다. 녹조 발생에 대한 사회적 우려가 증가됨에 따라 사전 예방적인 녹조관리의 필요성이 증대되고, 이에 따라 조류의 발생 원인과 성장 제한 인자(growth limiting factor) 등에 관한 연구가 요구되고 있다. 조류가 성장하기 위한 조건에는 수온, 일사량, 유속 등의 기상·수문학적 요소와 질소, 인, 탄소, 철, 규소 등 생화학적 요소 그리고 포식, 경쟁, 타감 등의 생물학적 요소가 있다. 이들 중 어느 조건이라도 과소 혹은 과다하면 제한 인자가 될 수 있으며 이들 요소를 인위적으로 통제하여 조류 발생을 제어하려는 노력이 이루어져 왔다. 특히 생화학적 제한 인자에 대한 통제는 가장 근본적인 방안으로서 오랫동안 연구되어 왔으며 본 연구에서 다루고자 하는 분야이다.

조류 성장의 제한 인자에 관하여 1970년대에 담수 조류 연구자들 사이에서 처음으로 인이 제한 인자라는 것에 대한 공감대가 형성되었고 이는 여러 나라의 수질 관리 정책에 영향을 미쳤다. 이러한 주장의 핵심 논리는 조류의 발생 정도는 인의 농도에 따라 달라지는 반면 질소의 경우 농도를 낮추더라도 질소 고정 능력이 있는 Anabaena 혹은 Aphanizomenon 등의 남조류가 오히려 우점해서 녹조가 줄어들지 않는다는 것이다. 인의 영향을 시각적으로 보여준 캐나다 실험 호소 지역 (Experimetal Lake Areas, ELA)의 호소 226에서 이루어진 유명한 실험에서도 인이 주입된 쪽 호소에 Anabaena가 발생하였다. 즉 실험 지역은 Anabaena가 상대적으로 우점할 수 있는 기후, 지리적 조건(상대적으로 여름철 수온이 낮은 고위도 지역)이었던 것으로 판단된다. 그러나 전 세계적으로 문제가 되고 있고 최근 우리나라에서 녹조 현상으로 특히 문제가 되고 있는 남조류는 질소 고정 능력이 없는 Microcystis로 여름철의 대부분 기간에 우점한다. 따라서 Microcystis의 우점에 유리한 환경(높은 수온과 안정된 수체, 즉 질소의 농도가 낮아져도 저온성 남조류인 Anabaena 등이 우점할 수 없는 환경)에서는 기존 논리에 대한 재검토가 필요할 수 있다. 이런 맥락에서 최근 질소 또는 질소와인이 동시 제한(co-limitation) 인자임을 보이는 여러 연구가 이루어졌다 . 특히 Paerl et al. (2011)에서는 겨울철과 봄철에 인의 제한상태를 보이며, 남조류(Microcystis)가 우점하는 여름철과 가을에 질소 제한 상태를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 Microcystis가 우점하는 환경에서 질소와 인의 제한 인자로서의 영향에 대한 세밀한 연구가 필요하다. 이와 별개로 어떤 환경에서는 철(Fe) 등 무기이온물질이 특정 남조류의 제한 인자 혹은 동시 제한 인자일 가능성을 제기하는 여러 연구결과가 발표되었다. 또한 Dai et al. (2008, 2012)은 암모니아(NH₃)의 독성에 의해 남조류 성장이 제한될 수 있다는 연구결과를 제시하였다. 이에 따르면 암모니아는 식물성플랑크톤의 영양분으로 사용되는 반면 고농도에서는 독성 물질로 작용하여 남조류의 성장을 억제한다. 따라서 이에 대한 검토도 이루어질 필요가 있다.

이러한 최근의 다양한 연구 성과는 남조류 대량 증식 기작에 대한 기존의 해석에 더하여 새로운 접근이 필요하다는 것을 시사한다. 특히 질소 고정 능력이 없는 남조류가 우점하는 환경에서의 제한인자 연구가 필요하다. 따라서 본 연구는 Microcystis가 우점하는 최근의 낙동강에서 남조류 대량 증식의 기작과 성장 제한 인자를 규명하고 이를 억제하기 위한 방안을 제안하는 것을 목적으로 2년에 걸쳐 수행된다. 이를 위해 주 2회 이상의 집중 모니터링, 남조류 실내 생물학적 정량(bioassay) 실험, 현장 메조코즘 실험 등을 복합적으로 수행한다. 또한 낙동강에 비해 부영양화 정도가 심함에도 불구하고 보 지점에서 남조류의 발생정도와 지속시간이 적은 영산강과의 비교 연구를 통해 낙동강 남조류 대량 증식의 상대적인 원인을 분석한다. 1차년도는 남조류에 대한 성장 제한 인자 탐색을 위해 집중 모니터링과 더불어 질소와 인 및 무기이온 물질의 생물학적 정량 실험을 실내에서 수행하고, 이 중 질소와 인 실험을 낙동강에 설치된 현장 메조코즘에서 추가로 수행하였다. 또한 낙동강과 영산강의 남조류 발생 수준이 다른 이유를 규명하기 위한 암모니아 독성에 대한 반응 실험을 두 강에 설치된 메조코즘에서 각각 수행하였다. 2차년도는 1차년도 실험에서 도출된 성장 제한 인자에 대한 추가적인 생물학적 정량 실험과 현장에서의 희석실험을 통해 남조류 발생 억제를 위해 요구되는 농도 저감량을 제시하고자 한다. 본 보고서의 제2장에서는 조류성장 인자와 발생특성, 집중 모니터링과 생물학적 정량 실험, 현장 메조코즘 실험 방법을 제시하였고, 3장에서 각각의 연구결과, 마지막 4장에서 1차년도 연구결과를 요약하였다.

(출처 : 본문 서론 10~12p)

Abstract ▼

Nitrogen (N) and phosphorus (P) enrichment promotes eutrophication in freshwater systems and often stimulates harmful cyanobacterial blooms. Recent experiences with severe blooms along large river sections stagnated by big weirs in Korea provoked research on cyanobacterial outbreaks control, limitin

Nitrogen (N) and phosphorus (P) enrichment promotes eutrophication in freshwater systems and often stimulates harmful cyanobacterial blooms. Recent experiences with severe blooms along large river sections stagnated by big weirs in Korea provoked research on cyanobacterial outbreaks control, limiting factors of algal growth and effective measures to lower biomass. However, previous studies have suffered from limited field data and lack of well-controlled experimental equipment. To overcome these problems, this study consists of three parts; 1) intensive water quality monitoring at designated experimental areas, 2) lab-scale algal growth potential bioassays, 3) in-situ mesocosm experiments.

The monitoring program (nutrient, mineral, trace chemical, phytoplankton, etc.) was conducted in Nakdong and Youngsan Rivers once a week (twice during cyanobacterial blooms). Some important characteristics of the monitored data were that average N/P ratios of Nakdong River and Youngsan River were 63 and 24, respectively. Also Ca and Mg were high in Nakdong River but Si, Zn and Cu were high in Youngsan River. Especially the ammonia concentration in Youngsan River was significantly high compared to that in Nakdong River.

For the lab experiments, water samples from Nakdong and Youngsan Rivers were collected and added with N and P (2 and 8 times the concentrations of water samples). The water samples were incubated in the culture room with constant light (20 μmol/m²/s) and temperature(25°C) for two weeks. As a result, microcystis growth with N input was higher than the control and P input for the samples from Nakdong River, although the initial cell counts were not high. This means N could be a limiting nutrient in Nakdong River rather than P in the experimental conditions.

Mesocosm experiments were carried out in Hapcheon-Changnyeong Weir of Nakdong River and Juksan Weir of Youngsan River. Four sets of experiments were conducted to investigate the effects of N, P and NH₃-N addition during cyanobacterial bloom period from May to September 2016. The result showed that N only or N and P together can be limiting factor at the mesocosm site area, supporting the result of the lab experiments, which however need to be confirmed by further research in the second year. Also, the result showed that high NH₃-N concentration can suppress cyanobacteria growth, acting as a toxic substance. Si and Fe concentrations decreased during the experiments, but Zn, Cu, Mn, Mo, V, and cations were constant.

This study will be continued until next year for further mesocosm experiments of ammonia, mineral addition and dilution. By the end of the next year, we expect to gain more understanding on critical limiting nutrients and appropriate control measures for algal blooms in both rivers.

(출처 : Abstract 8~9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 표목차 ... 4
• 그림목차 ... 5
• Abstract ... 8
• Ⅰ. 서 론 ... 10
• Ⅱ. 연구내용 및 방법 ... 13
• 1. 연구 내용 ... 13
• 2. 연구 방법 ... 14
• 가. 사전 조사 ... 14
• 나. 제한인자 탐색을 위한 집중 수질모니터링 ... 14
• 다. 남조류 생물학적 정량 실내 실험 ... 15
• 라. 메조코즘을 이용한 남조류 발생 및 제한 실험 ... 17
• Ⅲ. 연구결과 및 고찰 ... 22
• 1. 사전 조사 결과 ... 22
• 가. 낙동강 및 영산강의 남조류 발생 현황 ... 22
• 나. 낙동강 및 영산강의 암모니아 농도 ... 26
• 2. 제한인자 탐색을 위한 집중 수질모니터링 ... 28
• 가. 남조류 성장제어 인자에 대한 정밀 시계열 데이터 구축 ... 28
• 나. 본류 수질분석 ... 33
• 다. 하·폐수처리장 방류수 분석 ... 36
• 3. 남조류 실내 생물학적 정량 실험 ... 38
• 가. 질소, 인 주입 배양실험 ... 38
• 나. 무기이온 주입 배양실험 ... 39
• 4. 메조코즘을 이용한 남조류 발생 및 제한 실험 ... 41
• 가. 질소, 인, 질소·인 주입실험 ... 41
• 나. 암모니아 주입 실험 ... 48
• 다. 질소, 인 희석 실험 ... 55
• Ⅳ. 요 약 ... 57
• 1. 사전 조사 및 집중 수질모니터링 결과 ... 57
• 2. 남조류 성장 인자 규명을 위한 생물학적 정량 실내 시험 ... 57
• 3. 현장 메조코즘을 이용한 남조류 발생 및 제어 실험 ... 58
• 참 고 문 헌 ... 59
• 끝페이지 ... 64