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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.50 No.4 pp.470-477
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2017.50.4.470

The Epilithic Diatom Community and Biological Water Quality Assessment of Naeseongcheon Located at the Upper Region of Nakdong River.

Jae sin Choi, hak Lee Jae, Han-Soon Kim*
Department of Biology, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
Corresponding author : +82-53-950-5344, +82-53-953-3066, kimhsu@knu.ac.kr
20170909 20171214 20171214

Abstract

The aims of this study were to analyze the physico-chemical factors and the characteristics of epilithic diatom community from 15 sites of the Naeseongcheon and tributaries located in the upper region of the Nakdong river from May to October 2016. The biological water quality was assessed using DAIpo and TDI. A total of 163 diatom taxa were identified with 2 orders, 3 suborders, 9 families, 35 genera, 145 species, 16 varieties and 2 forms. Cocconeis placentula var. lineata appeared at every examined sites. Achnanthes lanceolata, Nitzschia fonticola, Nitzschia inconspicua and Reimeria sinuata were common taxa of the Naeseongcheon. Nitzschia inconspicua and Achnanthes minutissima were major dominant species. As a result of the CCA, Electrical conductivity and total nitrogen concentration were important factors determining the diatom species composition. In the result of the biological assessment using DAIpo, the Naeseongcheon was rated at class B with an average of 62.38. In the result of assessment using TDI, the Naeseongcheon was rated at class C with an average of 66.12.


낙동강 상 류 수계인 내성천의 부 착돌말 군집과 부 착돌말지수를 이용한 생물학적 수 질평가

최 재신, 이 재학, 김 한순*
경북대학교 생물학과

초록


    Nakdonggang National Institute of Biological Resources

    서 론

    인간 활동에 의해 자연계에 방출되는 유해오염물질의 대부분은 최종적으로 수생태계로 유입되며, 영양염류를 포 함한 이들 오염물질은 특정 수서생물의 먹이사슬을 통해 수생태계 전반에 걸쳐 영향을 미치게 된다. 영양염뿐만 아 니라 서식처의 물리적 특성 또한 수서생물의 생육에 중요 한 요인이 된다. 따라서 어떤 지역의 생물상의 특성은 그 수계 전반의 환경을 대표하기 때문에 선진국뿐 아니라 최 근 우리나라에서도 생물학적인 평가기법을 이용하여 수생 태계의 환경을 평가하고 있다 (Kim et al., 2008; Park et al., 2014; Choi et al., 2015).

    지표생물을 이용한 수질평가는 일차생산자인 조류로부 터 저서 대형무척추동물 및 어류에 이르기까지 다양한 생 물을 이용해 왔다. 특히 부착돌말은 다양한 수계에서 생육 하며, 환경 변화에 대한 반응이 빠르고, 다양한 환경요인들 에 대해 생태적으로 민감한 많은 종들이 존재할 뿐 아니 라, 기질에 부착하여 성장하므로 장기간의 수환경 변화를 반영할 수 있는 특성을 가지기 때문에 이들을 수질 오염 의 지표생물로 이용하여 왔다 (Watanabe et al., 1986, 1990; Van dam et al., 1994; Peszek et al., 2015). 최근 이런 부착 돌말의 특성을 이용해 수질의 변화를 판단할 수 있는 지 수들이 아시아 (Watanabe et al., 2005), 유럽 (Prygiel and Coste, 1993; Kelly and Whitton, 1995)과 북미 (Lowe and Pan, 1996; Stevenson and Pan, 1999) 등에서 개발되어 이 용되고 있다.

    우리나라에서는 유기물에 대한 내성 정도에 따른 생태 군별 상대빈도로 수질을 평가하는 DAIpo (Watanabe et al., 2005)를 주로 이용하였다. 이는 DAIpo가 우리나라의 수환 경과 분류학적 유사성이 높고, 생태군별 종의 동정이 세분 되어 있어서 종 분류에 더 신뢰도가 높고 수질 등급을 구 분하는 데 유리하기 때문이다(KME, 2007). 그러나 우리나 라의 수생태계는 넓은 영양염 구배를 가질 뿐 아니라 돌 말의 성장과 수질 악화에 영양염이 주원인이므로, 영양염 을 기준으로 하는 TDI (Kelly and Whitton, 1995)도 최근에 는 같이 이용하여 평가하고 있다 (Hwang et al., 2006). 이 를 이용한 국내의 연구에는 금강, 영산강과 섬진강의 연구 (Hwang et al., 2006), 복하천과 달천의 연구 (Kim et al., 2009), 남대천, 연곡천과 사천천의 연구 (Kim and Lee, 2010), 조양강의 연구 (Kim et al., 2012a), 신천의 연구 (Park et al., 2014)와 금호강의 연구 (Choi et al., 2015) 등이 있다.

    우리나라의 최대 하천인 낙동강 수계의 부착돌말 군집을 이용한 수질평가에 대한 연구는 본류에 대한 Lee (1998)의 연구, 중류 지역에 대한 Park et al. (2004)의 연구와 지류들 에 대한 연구 (Park et al., 2014; Choi et al., 2015) 등이 있다. 그러나 낙동강의 제1지류로써, 낙동강 상류 수계의 수질에 영향을 미치는 내성천의 부착돌말 군집에 대한 연구나 내 성천의 수질을 생물학적으로 평가한 연구는 수행된 바가 없는 실정이다.

    본 연구에서는 낙동강의 상류 수역인 내성천과 그 지류 들의 이화학적 환경요인을 조사하고, 부착돌말류의 종 분 포 및 군집 특성을 분석하였다. 또한 이들을 이용한 생물 학적 수질평가 방법인 DAIpo와 TDI로 내성천의 수질을 생물학적으로 평가하여 낙동강 수계의 주요 서식지 내 부 착돌말류 다양성 조사를 통한 담수환경 정보 축적 및 담수 서식지 보전과 관리전략 수립을 위한 기초자료로 제공하 고자 한다.

    재료 및 방 법

    1.조사지역

    본 연구는 낙동강 상류에 위치한 내성천과 지류들을 대 상으로 총 15개의 지점을 선정하여 2016년 5월, 8월과 10 월에 조사를 실시하였다. 내성천은 봉화군 물야면에서 발 원하여 봉화 시내를 가로질러 106.29 km를 흘러 낙동강 과 합류하는 낙동강의 제1지류이다. 본 연구에서는 내성천 본류에 6개 지점 (N)과 지류에 9개 지점 (T)을 선정하였다 (Fig. 1).

    2.채집 및 분석

    수온, pH, DO, 전기전도도, 탁도는 휴대용측정기 (Horiba U-50series)를 이용하여 현장에서 측정하였으며, 영양염 (TN, TP) 분석을 위한 시료는 1 L 플라스틱병에 채수하고 냉암소에서 보관하여 가능한 한 빨리 실험실로 옮긴 후, 수질오염공정시험기준 (KME, 2014)에 준하여 분석하였다.

    부착돌말 시료는 유속 20~30 cm sec-1 정도의 수심 10~ 30 cm에 있는 편평한 돌을 선택하여 솔로 상면을 긁어서 채집하였다. 종의 동정과 계수를 위한 영구표본은 KMnO4 법 (Hendey, 1974)으로 시료를 세정한 후, Pleurax로 봉입 하여 제작하였다. 부착돌말군집의 특성 분석을 위해 광학 현미경 (Zeiss Axioskop 2) 1,000배 하에서 검경하고, 현미 경사진을 촬영하여 Patrick and Reimer (1966), Krammer and Lange-Bertalot (1986, 1988, 1991), Watanabe et al. (2005) 및 Cho (2011, 2012) 등을 이용하여 종을 동정하였 으며 Simonsen (1979)의 체계에 따라 분류하였다. 또 출현 종의 상대빈도는 임의로 선정된 현미경 시야에서 피각의 수를 500개 이상 계수하였고, 각 지점에서 출현한 종들 중 에서 상대빈도가 가장 높은 종을 우점종으로 하였다.

    생물학적 수질평가를 위해 유기물지수인 DAIpo (Diatom Assemblage Index to Organic Pollution)는 Watanabe et al. (2005)의 방법에 따라 구하였는데, DAIpo는 조사기간 동 안 출현한 청수성종과 오염성종의 상대빈도에 근거하여 산출하였다. DAIpo의 범위는 0~100이며 0은 가장 오염된 상태이며 100은 가장 청청한 상태를 의미한다. 영양염지수 인 TDI (Trophic Diatom Index)는 Kelly and Whitton (1995) 의 방법에 따라 구하였는데, TDI는 조사기간 동안 출현한 모든 부착돌말을 대상으로 각 종의 오염에 대한 민감도를 평가하여 일정한 가중치와 오염지표값을 각각 부여하여 계산하여 산출하였다. 또한 산출된 지수는 4등급 (A: 최적, B: 양호, C: 보통, D: 불량)으로 평가하였다 (KME, 2007).

    이화학적 수질 항목이 부착돌말의 종조성에 미치는 영향 을 파악하기 위한 정준상관분석 (Canonical Correspondence Analysis)은 CANOCO (Canonical Community Ordination) 프로그램 (ver. 5; Ter Braak and Šmilauer, 2013)을 사용하 였다. 부착돌말지수들과의 상호관계는 Pearson’s 계수를 이 용하였고, 분석은 SPSS (ver. 23)를 사용하였다.

    결과 및 고 찰

    1.이화학적 환경요인

    내성천과 지류들의 수온 변화는 12.8~30.0℃의 범위였 으며 대체로 8월에 높고 10월에 낮은 계절적 차이를 보였 다(Table 1). pH는 평균 6.83~8.38의 범위로 중성에서 약 알칼리성을 나타내어 국내 하천 연구들 (Kim et al., 2012b; Choi et al., 2015)과 유사한 값을 나타내었다. 용존산소는 4.52~13.28 mg L-1의 범위로 10월에 높고 8월이 낮게 나 타나 수온에 의존적인 경향을 보였다. 탁도는 0~10.98 NTU의 범위로 지류보다 본류가 더 높았으며, 특히 8월에 높은 값을 나타내어 여름에 집중된 강우의 영향을 받은 것 으로 판단된다. 전기전도도는 51~426 μS cm-1의 범위를 나타내었다. 총질소는 1.126~5.292 mg L-1의 범위로 대체 로 8월에 높게 나타났으며, 특히 지류의 T2와 T6에서 평 균 3.757 mg L-1 이상의 높은 농도를 나타내었다. 총인도 0.010~0.113 mg L-1 의 범위로 8월에 높게 나타났으나, 10 월의 N2와 N3에서 현저히 높은 농도를 나타내었다.

    2.부착돌말 군집

    조사기간 동안 내성천과 지류들에서 출현한 부착돌말류 는 총 163종이었으며, 이들은 2목 3아목 9과 35속 145종 16변종 2품종으로 분류되었다. 2016년 10월의 N1에서 17 분류군으로 가장 적게 출현하였고, 5월의 T9에서 60분류 군으로 가장 많이 출현하였다. 조사시기별 평균 출현 종수 는 39종으로, 5월에 42종, 8월과 10월에 각각 38종이 출현 하였다. 지점별 평균 출현 종수는 N4에서 50종으로 가장 많은 종이 출현하였으며, N1에서 29종으로 가장 적은 종이 출현하였다 (Table 3).

    부착돌말류의 속별 구성은 Navicula속이 31종으로 가 장 다양하게 출현하였으며, Nitzschia속이 19종, Fragilaria 속이 18종, Gomphonema속이 15종, Achnanthes속이 13종, Cymbella속이 12종, Amphora, CocconeisCyclotella속 이 5종, Surirella속이 4종, Aulacoseira속이 3종, Caloneis, Cyclostephanos, Diatoma, Eunotia, Gyrosigma, Hannaea, Pinnularia, SynedraThalassiosira속이 2종, Asterionella, Bacillaria, Cymatopleura, Diploneis, Encyonema, Ephithemia, Frustulia, Hantzschia, Melosira, Meridion, Neidium, Pleurosira, Reimeria, RhoicospheniaStauroneis속은 각 각 1종씩 출현하였다.

    본 연구에서 출현한 대부분의 분류군들은 주로 중성에 서 알칼리성 수역에서 출현하는 분류군들로 Cocconeis placentula var. lineata는 모든 지점에서 출현하였으며, Achnanthes lanceolata, Nitzschia fonticola, Nitzschia inconspicuaReimeria sinuata는 몇 지점을 제외한 대부분 의 지점에서 출현하여 내성천의 보편적인 분류군들로 조 사되었다. 또한 대부분 낮은 산성수계에서 생육하는 분류 군인 Eunotia 중에서, 다른 종들보다 전기전도도가 낮고 pH 6.5~7.5 사이의 약알칼리 수역에서도 출현하는 Eunotia minor가 출현하였다 (Alles et al., 1991). 특히 Pleurosira laevis는 금호강의 지류인 신천 (Kim et al., 2008)에서 처음 보고된 이래 낙동강 수계에서 간혹 발견되는 희귀종으로, 높은 온도와 영양염에서 출현하는 부영양화 오염 지표종 이다 (Cho, 2012; Park et al., 2017).

    조사지점의 우점종들은 Achnanthes convergens, Achnanthes linearis, Achnanthes minutissima, Cocconeis placentula var. lineata, Cymbella turgidula, Fragilaria pinnata, Gomphonema clevei, Gomphonema minutum, Navicula atomus, Navicula minima, Navicula subminuscula, Nitzschia fonticola, Nitzschia inconspicua, Nitzschia paleaReimeria sinuate로 15종이었다. 가장 빈번하게 나타난 우점종은 Nitzschia inconspicua로 13개 지점에서 우점 종으로 출현하였으며, Achnanthes linearisAchnanthes minutissima가 5개 지점에서 각각 우점종으로 출현하여 내성천의 주요 우점종으로 조사되었다. 그중 Nitzschia inconspicua는 알칼리성 수역에 대표적으로 출현하는 보 편종 (Watanabe et al., 2005)이고, Achnanthes linearisAchnanthes minutissima는 중성수역에서 동시에 발생하거 나 우점하는 종들로 이들은 낙동강 수계에서 흔히 보고되 는 종들이다 (Cho, 2012). 본류와 지류들의 대부분 지점들 에서 우점종의 변화가 있었으나, N5와 N6은 전 조사기간 동안 Nitzschia inconspicua가 43.73%~87.57%의 상대빈 도로 우점하여 안정된 군집을 나타내었다 (Table 2). Watanabe et al. (2005)의 생태군 기준에 따르면 5월의 4개 지 점, 8월의 1개 지점과 10월의 3개 지점에서 Cocconeis placentula var. lineata 등의 청수성종이 우점하고 나머지 지점들은 모두 Nitzschia inconspicua 등의 광적응성종이 우 점하였으나, 8월에만 6개 지점에서 Navicula subminuscula 등의 오염성종이 22.08%~41.67%로 우점하였는데, 이는 8월에 증가한 영양염들과 탁도의 영향으로 수질이 악화되 었기 때문인 것으로 사료된다 (Kim et al., 2012a).

    이화학적 환경요인들과 출현종 (상대빈도 5% 이상)들과 의 상관관계를 나타내는 정준상관분석 (Canonical Correspondence Analysis) 결과, 종조성에 영향을 미치는 가장 큰 환경요인은 전기전도도로 나타났다 (Fig. 2). Achnanthes delicatula, Achnanthes subhudsonis, Amphora pediculus, Cocconeis placentula var. euglypta 등은 전기전도도에 음 (-)의 관계를 보였으며, Watanabe et al. (2005)의 생 태군 기준에 따르면 청수성종과 광적응성종들이었다. Achnanthes exigua, Navicula pupula, Navicula seminulum, Nitzschia palea 등은 전기전도도에 양 (+)의 관계를 보였으 며 오염성종들과 광적응성종들이었다. 또한 영양염중 총질 소 역시 부착돌말 종조성에 영향을 미치는 것으로 나타나, 부착돌말류들의 성장에 영양염류의 영향도 큰 것으로 나 타났다 (Hwang et al., 2006).

    3.생물학적 수질평가

    부착돌말을 이용한 수질평가 결과, 내성천의 DAIpo는 38.05~96.75의 범위를 보였으며, 5월의 N1에서 95.72로 가장 높았고 8월의 N3에서 30.64로 가장 낮았다. 지류들의 DAIpo는 5월의 T1에서 96.75로 가장 높았으며, 8월의 T2 에서 28.13으로 가장 낮았다. TDI는 30.30~94.70의 범위 를 보였으며, N1에서 평균 TDI가 33.16으로 가장 낮게 나 타났으며 N6에서 91.43으로 가장 높게 나타났다 (Table 3).

    부착돌말지수들 (DAIpo와 TDI)을 환경부·국립환경과 학원 (2007)에서 제시한 4등급 체계와 비교하면, 내성천의 최상류 지점 (N1)에서 DAIpo와 TDI는 조사기간 동안 모 두 A등급을 나타내었다. N2, N3와 N4에서 DAIpo는 대부 분 B~C등급, TDI는 C~D등급으로 나타났으며, 특히 N3 는 8월에 DAIpo와 TDI 모두 D등급이었다. N5와 N6는 조 사기간 동안 DAIpo는 C등급을, TDI는 D등급을 나타내었 다. 또 내성천으로 유입되는 지류의 상류인 T1과 T3에서 DAIpo는 A등급을, TDI는 A~B등급으로 나타났으며 계절 적인 변화는 없었으나 본류로 유입되는 지점인 T2, T5, T6 와 T7에서 DAIpo는 C~D등급을, TDI는 D등급으로 낮아 졌다. 대부분의 지류 지점들이 8월에 등급이 낮아졌는데, 특히 T2의 유입 후 N3에서 등급이 급격히 낮아졌다.

    내성천의 수질등급은 평균 DAIpo가 62.38로 B등급이 나, 본류로 유입되는 하류들의 평균 DAIpo는 49.11로 C등 급을 나타내었다. 또 평균 TDI는 66.12로 C등급이나, 본류 로 유입되는 하류들의 평균 TDI는 78.73으로 D등급을 나 타내어 내성천은 본류가 지류보다 등급이 높았다. 또 내성 천의 최상류 지점은 조사시기에 관계없이 A등급을 유지하 고 있으나, C~D등급을 나타내는 지류들 (T2, T5와 T7)의 유입 후 본류의 등급이 낮아졌다. 특히 T2의 유입 후 N3 의 등급이 급격히 낮아졌고, 상류에 산업단지와 농공단지 가 위치한 T7의 평균 DAIpo는 38.28로 조사기간 중 모두 D등급으로 조사되어 내성천 본류로 유입되는 지류들에 대 한 관리가 필요할 것으로 사료된다.

    4.부착돌말지수와 화학적 수질의 비교

    부착돌말지수 (DAIpo와 TDI)들은 전기전도도와 0.68과 0.62의 상관관계를 각각 나타내었다 (Table 4). 총질소와도 0.58과 0.56으로 각각 높은 상관성을 나타내어 수질오염에 지표성이 높은 것으로 나타났다 (Lee, 1998; Kim, 2001). 영 양염은 대체로 8월에 높게 나타났는데 이는 계절적인 영 향으로 판단되며 DAIpo는 B등급인 5월과 10월에 비해 8 월에는 평균 59.25로 C등급이었다. 또 TDI도 8월에는 평 균 71.83으로 D등급을 나타내었다 (Figs. 3, 4).

    특히 주변에 농경지와 주거지역이 있는 T2는 총질소와 총인이 모두 8월에 높게 나타났다. T2의 유입 후 N3의 부 착돌말지수 (DAIpo와 TDI)들의 변화는 심하였으며 등급 도 급격히 낮아졌다. 또한 총질소는 대체로 본류보다 지류 에서 높게 나타났으며 부착돌말지수들을 이용한 생물학적 수질평가의 결과와 같았다. 이는 영양염에 의한 유기물량 증가와 수질 악화로, 지류의 유입 시 본류의 수질에 영향 을 줄 수 있을 것으로 사료된다. 총인은 총질소보다 낮은 상관성을 나타내었는데 이는 금호강과 신천 등에서의 결 과와 일치하며 (Park et al., 2014; Choi et al., 2015), 내성천 의 수질도 총질소의 영향을 더 받는 것으로 나타났다.

    또 부착돌말지수들 (DAIpo와 TDI)은 서로 상당히 높은 상관성 (0.93)을 보였는데, Kim et al. (2009, 2010)의 결과 (0.83, 0.51~0.89)보다 더 높은 상관성을 보였다. 이는 수 질의 경향성이 뚜렷한 상, 하류에 조사지점이 선정되었기 때문으로 사료된다. 이처럼 부착돌말지수들에 의한 생물학 적 수질평가는 수질의 차이가 뚜렷한 수역에서는 상관성 이 높으나 경향성이 뚜렷하지 않는 수역에서는 상관성이 낮아질 수 있어서 이화학적인 수질요인들의 분석을 통해 더 세밀하게 평가를 할 수 있을 것으로 사료된다.

    적 요

    본 연구는 낙동강 상류에 위치한 내성천과 지류들을 대 상으로 총 15개의 지점에서 2016년 5월, 8월 및 10월의 총 3회에 걸쳐 이화학적 환경요인들과 부착돌말 군집의 특 성을 분석하고, 생물학적 방법인 DAIpo와 TDI를 이용하 여 수질을 평가하였다. 내성천 수계에서 출현한 부착돌말 류는 2목 3아목 9과 35속 145종 16변종 2품종으로 구성된 총 163종이 출현하였다. Cocconeis placentula var. lineata 는 모든 지점에서 출현하였으며, Achnanthes lanceolata, Nitzschia fonticola, Nitzschia inconspicuaReimeria sinuate는 내성천의 보편적인 분류군들로 조사되었다. Nitzschia inconspicuaAchnanthes minutissima가 주요 우점종으로 출현하였다. CCA 분석 결과, 부착돌말 종조성 은 전기전도도와 총질소에 가장 많이 영향을 받는 것으로 나타났다. DAIpo를 이용한 생물학적 수질평가 결과, 내성 천의 DAIpo는 평균 62.38로 B등급이나, TDI로 평가한 결 과, 내성천의 TDI는 평균 66.12로 C등급으로 나타났다.

    사 사

    본 연구는 국립낙동강생물자원관의 「담수 생물자원 (미 세조류) 발굴 및 주요 서식지 내 부착돌말류 다양성 연구」 에 의해 지원되었습니다.

    Figure

    KSL-50-470_F1.gif

    A map showing the sampling sites at Naeseongcheon from May to October 2016.

    KSL-50-470_F2.gif

    Canonical correspondence-analysis (CCA) ordination of the two axes showing the scores for the species and the environmental variables (○: saproxenous taxa, △: indifferent taxa, ●: saprophilous taxa, Ac: Achnanthes convergens, Ad: Achnanthes delicatula, Ae: Achnanthes exigua, Al: Achnanthes linearis, Am: Achnanthes minutissima, As: Achnanthes subhudsonis, Ap: Amphora pediculus, Co: Cocconeis placentula var. euglypta, Cs: Cymbella silesiaca, Ct: Cymbella turgidula, Ga: Gomphonema angustum, Gc: Gomphonema clevei, Gm: Gomphonema minutum, Gp: Gomphonema parvulum, Ha: Hannaea arcus var. subarcus, Mv: Melosira varians, Na: Navicula atomus, Ng: Navicula gregaria, Nm: Navicula minima, Np: Navicula perminuta, Nu: Navicula pupula, Ns: Navicula seminulum, Rs: Reimeria sinuate, Ra: Rhoicosphenia abbreviata, Nif: Nitzschia fonticola, Nii: Nitzschia inconspicua, Nip: Nitzschia palea, Nipl: Nitzschia paleacea).

    KSL-50-470_F3.gif

    Variations of T-N and T-P at Naeseongcheon from May to October 2016.

    KSL-50-470_F4.gif

    Variations of DAIpo and TDI at Naeseongcheon from May to October 2016.

    Table

    Physico-chemical factors at Naeseongcheon from May to October 2016.

    Dominant species and relative abundance (%) at Naeseongcheon from May to October 2016.

    Species number, DAIpo and TDI at Naeseongcheon from May to October 2016.

    Correlation comparison of items of water quality at Naeseongcheon from May to October 2016.

    1TDI(100-X)
    *P<0.01,
    **P<0.05, n=45.

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