Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.51 No.4 pp.299-310
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2018.51.4.299

Temporal and Spatial Distribution of Microbial Community and Odor Compounds in the Bukhan River System

Jeong-Hwan Byun1,2, Mina Yu1, Eunjeong Lee1, Soon-Ju Yoo1, Baik-Ho Kim2*, Myeong-Seop Byun1*
1Han River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research, Gyeonggi 12585, Republic of Korea
2Department of Life Science, Hanyang University, Seoul 04763, Republic of Korea
Corresponding author: Tel: +82-31-770-7270, Fax: +82-31-773-2268, E-mail: zacco@korea.kr Tel: +82-2-2220-0960, Fax: +82-2-2298-0319, E-mail: tigerk@hanyang.ac.kr
29/10/2018 10/12/2018 12/12/2018

Abstract


Odor compounds (geosmin, 2-MIB) have been causing problems in the Bukhan River system, but the causative organisms have not been clearly identified. To evaluate the relationship between dynamics of microbial community and odor compounds, two times monthly monitoring of water quality and microbial community from the three serial lakes (Lake Uiam, Lake Cheongpyeong and Lake Paldang) in the Bukhan River system were conducted from April to October 2017. The odor compounds were analyzed by HS-SPME analysis method using GC/MS. Bacteria communities were identified at the class level by NGS analysis. Actinobacteria and Betaproteobacteria were dominant taxon in bacteria community of three serial lakes. In the case of phytoplankton communities showed that seasonal changes by Bacillariophyceae and Cryptophyceae in spring, Cyanobacteria in summer, and Bacillariophyceae and Cryptophyceae in autumn. Dominant species was Dolichospermum (=Anabaena), Microcystis and Pseudanabaena in Bukhan River system in all study period. At the same time the odors geosmin and 2-MIB were also detected at high concentration. There is a significant positive correlation between proportion of Actinobaceria and 2-MIB concentration (r=0.491, p<0.01). In addition, proportion of cyanobacteria showed a significant correlation of geosmin (r=0.381, p<0.05) and 2-MIB (r=0.386, p<0.05) concentration. In this study, odor compounds in the Bukhan River system are considered to be a direct relationship between with Actinobacteria and cyanobacteria.



북한강 수계 미소생물 군집 및 이취미 물질의 시공간적 분포 특성

변 정환1,2, 유 미나1, 이 은정1, 유 순주1, 김 백호2*, 변 명섭1*
1국립환경과학원 한강물환경연구소
2한양대학교 생명과학과

초록


    Ministry of Environment
    2018-01-01-074

    서 론

    한국의 주요 강은 댐의 건설로 인한 인공호를 포함하는 구조적 특성을 가지고 있다. 특히, 북한강 수계는 풍부한 유량과 큰 경사도로 이루어져 있어 댐을 건설하는데 유리 한 조건으로 작용하며, 화천댐, 소양댐, 춘천댐, 의암댐, 청 평댐 그리고 남한강 수계 및 경안천과 합류되는 팔당댐까 지 많은 다목적 댐이 건설되었다 (Park, 2006). 그러나 이 러한 인공호의 건설은 수체의 체류시간을 증가시키는 원 인이 되고, 영양염 등의 축적으로 호소의 부영양화 현상 이 빈번하게 일어난다. 호소에서 부영양화 현상이 발생하 면 이화학적 변화로 미소생물의 이상증식 등이 발생해 수 중 생태계 및 수자원 이용에 심각한 문제를 야기하게 된다 (Hayes and Burch, 1989;Lawton and Codd, 1991;Park and Jheong, 2003).

    특히, 방선균 및 남조류 등이 대발생 할 경우 2차 대사 산물로 생성되는 이취미 물질이 흙, 곰팡이 냄새를 발생 시켜 고도의 정수처리를 하지 않을 경우 음용수를 공급 하는 과정에서 심미적인 문제를 일으킨다. 국내에서 이 취미 문제를 일으키는 대표적인 이취미 물질은 geosmin 과 2-Methylisoborneol (2-MIB) 물질이며, geosmin은 Gerber and Lechevalier (1965)에 의해 방선균으로부터 분 리한 물질에서 처음 발견되었고, 2-MIB 역시 방선균과 남 조류 등의 생물에서 유래한 이취미 물질로 보고되었다 (Bentley and Meganathan, 1981). 방선균 이외에 이취미 물 질을 생성하는 남조류는 Dolichospermum (=Anabaena), Aphanizomenon, Lyngbya, Oscillatoria, Phormidium, Planktonthrix, Pseudanabaena속 등이 보고되었으며 (Peterson et al., 1995;Sugiura et al., 1997;Izaguirre and Taylor, 1998;Sugiura and Nakano, 2000;Saadoun et al., 2001;Zimba et al., 2001), 이취미 물질은 독성은 없으나 심미적 불쾌감을 주는 물질로 4~10 ng L-1의 농도의 범위 에서 인간이 감지할 수 있으며, 일본의 경우 음용수 규제 기준을 10 ng L-1 이하로 설정하고 있다 (Suffer et al., 1995;Whelton and Dietrich, 2004). 우리나라의 경우 규제기준은 없지만, 먹는물 수질 감시 항목으로 지정하여 권고기준 20 ng L-1 이하로 관리하고 있다 (MOE, 2011).

    최근 이취미 물질은 국외뿐 아니라 국내에서 역시 큰 관 심을 받고 있는 환경문제로 주목받고 있다. 우리나라의 경 우 2011년 북한강 수계에서 남조류가 이상증식을 일으켜 상수원으로 이용되는 팔당호에서 이취미물질 중 Geosmin 이 높은 농도로 검출되어 문제가 된 사례가 있었으며, 2014년에는 이취미 물질 중 2-MIB가 북한강 수계에 높 은 농도로 검출되어 문제가 되었다 (You et al., 2013;Byun et al., 2015). 이후 여름과 가을철에 북한강, 팔당호 등에 서 지속적으로 이취미 물질의 발생이 보고되었다 (NIER, 2014). 하지만, 수계 내 남조류 미출현 시 이취미 물질 발 생에 대한 연구는 미비한 실정으로, 갈수기 및 저수온기에 발생하는 이취미 문제에 대해 연구가 필요하다.

    따라서 본 연구는 북한강 수계내의 환경요인, 미소생물 (박테리아, 식물플랑크톤) 군집, 이취미 물질의 관계를 통 해 미소생물 군집 변화와 이취미 물질의 동태를 파악하고 자 이취미 물질이 발생하는 북한강 수계의 의암호, 청평호, 팔당호 지점을 선정하여, 2017년 4월부터 10월까지 조사 를 실시하였다.

    재료 및 방 법

    1. 조사지점 및 기간

    조사지점은 2011년부터 이취미 물질이 빈번하게 발생했 던 북한강 수계 중 의암호의 중도선착장 (UA; 37°51ʹ19ʺ, 127°42ʹ49ʺ), 청평댐 앞 (청평호; 37°43ʹ26ʺ, 127°25ʹ37ʺ), 팔 당댐 앞 (PD; 37°31ʹ22ʺ, 127°17ʹ1ʺ) 등 3개 정점을 선정했으 며 (Fig. 1), 환경요인의 경우 2017년 4월부터 10월까지 월 1회, 이취미 물질 및 미소생물의 경우 2017년 4월부터 10 월까지 월 2회씩 조사를 실시하였다.

    2. 환경요인 분석

    조사지점별 수질조사항목은 호소환경조사지침의 시료채 취 원칙에 따라 채수하였으며, 실험실 분석항목은 현장 시 료를 냉암소에서 보관하여 실험실로 옮긴 후 분석하였다.

    수질조사항목 중 수온 (Water temperature), 수소이온농 도 (pH), 용존산소 (Dissolved oxygen)는 현장수질측정기 (YSI-6600D, America)를 이용하여 현장에서 측정하였다. 영양염류 분석의 경우 용존총질소 (DTN)는 카드뮴 환원 법, 용존총인 (DTP)은 아스코르빈산 환원법으로 각각 측정 된 결과를 물환경정보시스템에 공개된 자료를 활용하였다.

    이취미 물질인 Geosmin, 2-MIB는 먹는물 수질감시항목 지침 (MOE, 2011)에 따라 기체크로마토그래피/질량분석 기 (GC/MS) (Varian, US/CP3800)를 이용하여 HS-SPME (Head Space-Solid Phase Micro-Extraction)법을 적용하여 분석하였다. 분석 전 시료 전처리를 위해 화이버를 270℃ 에서 1시간 이상 헬륨가스를 유량 1 mL min-1로 흘려 활 성화하고 20 mL 유리병 (vial)에 시료 10 mL와 정제된 염 화나트륨 (NaCl) 3 g을 넣어 70℃, 400 rpm으로 교반하면 서 SPME 화이버에 30분간 흡착시켰다. 시료의 전처리 결 과 흡착시킨 시료를 270℃에서 4분간 탈착시켜 GC/MS로 분석하여 각 분석성분의 시간별 위치를 확인하여 면적을 구하고 절대검정곡선법을 적용하여 이취미 물질 농도를 구하였다. 절대검정곡선은 정제수 10 mL에 표준혼합용액 (47525-U, SUPELCO)을 0.005~0.2 μg L-1까지 단계적으 로 첨가하고 HS-SPME GC/MS로 분석하여 각 분석화합물 의 농도 (μg L-1)를 가로축 (x축)에, 각 분석화합물에 해당하 는 위치의 면적을 세로축 (y축)에 취하여 작성하였다. 작성 된 검정곡선식의 y (i) 값에 각 분석화학물 위치 면적 (Ax) 을 대입한 후 X (i)값을 계산하여 분석물질의 농도 (Cs, ng L-1)를 구하였다.

    Cs= (Ax- b)/a (μg L 1 )

    위 식에서 a는 검정곡선의 기울기, b는 검정곡선의 절편 값을 나타낸다.

    3. 미소생물 분석

    조사지점별 채수는 반돈 (Van Dorn) 채수기로 표층수 (수 심 30 cm)에서 현장수를 채수하였으며, 식물플랑크톤의 동 정과 계수를 위해 채수한 시료를 250 mL 폴리에틸렌 채집 병에 넣고, 루골 (Lugol) 용액으로 (최종농도 1%, v/v) 고정 하였다. 고정시료는 48시간 이상 침강시킨 후 조류 농도 에 따라 Siphon을 이용하여 상등액을 제거하는 방법으로 2~5배 농축한 후 식물플랑크톤을 동정하였다. 동정은 광 학현미경 200~1000배 (Nikon eclipse E600, Japan)를 이 용하여 종 수준까지 하였고, 동일 속에서 뚜렷한 식별 형 질의 차이를 보이지 않는 종은 미동정종 (sp.)으로 처리 하였다. 출현종의 동정은 규조류는 Cox (1996), 남조류는 Akiyama et al. (1981), 와편모조류는 Abe (1981) 등의 문헌 을 참고하였다.

    식물플랑크톤의 정량분석을 위해 고정된 시료를 잘 혼 합한 후 1 mL를 Sedgwick-Rafter Chamber에 넣고 5분 이 상 안정시킨 후 광학현미경 200~400배 (Nikon eclipse E600, Japan)에서 군체 또는 세포 수를 계수하였다.

    박테리아 동정을 위해 채수한 시료 중 200 mL를 0.25 μm 멤브레인 필터 (membrane filter, Whatman, England) 에 여과하였으며, DNA extraction kit (MO Bio, Germany) 의 프로토콜에 따라 DNA를 추출하였다. 추출된 DNA는 차세대염기서열분석 (NGS; Next Generation Sequencing) 방법을 이용하였다. 박테리아 Operational taxonomic unit (OTU)은 97% sequence 유사성에 따라 구분하였다. 동정 의 정확성을 위해 박테리아를 강 (Class) 수준까지 동정하 였으며, 차세대염기서열 분석은 실험실에서 DNA 추출 후 LTSW 분석 센터 (www.bccio.16mb.com, HongKong)에 의 뢰를 분석하여 수행하였다.

    박테리아 현존량은 DAPI staining 방법을 이용하여 세포 수 현존량을 관찰하였으며, DAPI staining은 DAPI staing Kit (GenScript, China)를 이용하여 염색후 형광을 이용해 광학현미경 (Nikon eclipse 80i, Japan) 상에서 계수하였다.

    북한강 수계에 출현한 미소생물과 환경요인 및 이취 미 물질의 상관관계를 분석하기 위해 조사기간 동안 분 석된 결과를 바탕으로 비모수 상관분석인 Spearman의 상 관지수 분석법을 이용하여 상관관계를 분석하였다 (SPSS Statistics 21. IBM).

    결과 및 고 찰

    1. 환경요인 및 이취미 물질 변화

    조사기간 동안 북한강 수계의 강수량은 ’17년 4월부터 10월까지 950 mm 이상의 많은 강우 (’15년 약 600 mm, ’16년 약 815 mm)가 발생하였으며, 그 중 몬순기인 7월에 500 mm 이상의 강우가 집중 발생하였다 (Fig. 2). 수온의 경우 12.4~28.7℃의 범위로 나타났으며, 조사지점 간 큰 차이는 없었다. 평균 수온은 21.0℃로 일반적인 국내하천 의 4~10월 사이의 수온과 유사한 경향을 나타냈다 (Lee et al., 2002;Park et al., 2006;Shin and Lee, 2014, Byun et al., 2016). pH의 경우 7.4~8.8의 범위로 나타났으며, 조사지점 간 큰 차이는 없었다. 전기전도도는 93~267 μmhos cm-1의 범위로 나타났으며, 청평호의 전기전도도가 의암호, 팔당 호에 비해 낮게 나타났다. 용존산소 (DO)의 경우 8.0~12.1 mg L-1의 범위로 계절별로 농도 차이가 나타났으며, 팔당 호에서 6월과 9월에 높게 나타났다. 생화학적 산소요구량 (BOD)은 4월부터 6월까지 의암호에서 1.6 mg L-1로 조사 지점 중 가장 높게 나타났고, 7월부터 10월까지는 팔당호 에서 1~2.2 mg L-1로 조사지점 중 가장 높게 나타났으며, 청평호는 조사기간 동안 1 mg L-1 이하로 낮게 나타났다. 의암호의 경우 BOD가 높게 나타난 3월부터 6월까지 박테 리아 현존량이 청평호, 팔당호에 비해 높게 출현해 BOD가 높은 값으로 나타난 것으로 판단되며, 팔당호의 경우 BOD 가 2.2 mg L로 가장 높게 나타난 3월 7일은 식물플랑크톤 현존량이 5,933 cells m L-1로 높게 나타나 식물플랑크톤에 의한 BOD 증가로 판단된다.

    영양염 중 용존총질소 (DTN)는 1.16~5.28 mg L-1의 범 위로 나타났으며, 5월을 제외한 조사기간 동안 의암호에서 가장 높게 나타났다. 용존총인 (DTP)의 경우 0.007~0.107 mg L-1의 범위로 나타났으며, 조사기간 동안 의암호에서 가장 높게 나타났다. 모든 조사지점에서 7월에 용존총질 소 (DTN)와 용존총인 (DTP) 농도가 증가하였는데, 이는 몬 순기에 많은 강우로 인해 토양에 축적되어 있던 유기물이 유입되어 영양염 농도가 높게 나타난 것으로 판단된다. 용 존총질소 (DTN) 및 용존총인 (DTP) 농도는 의암호에서 가 장 높은 농도가 나타났으며, 의암호를 제외한 다른 조사지 점 간 차이는 크지 않았다. 북한강 수계는 전체적으로 영 양염류의 농도가 중, 빈영양 수준의 수질을 나타내지만, 의 암호의 경우 춘천하수처리장의 방류수와 춘천시를 통과하 며 국지적으로 오염된 공지천의 유입으로 인산염 및 질산 염의 농도가 비교적 높게 나타난 것으로 판단된다 (Park et al., 2004).

    이취미 물질 중 geosmin의 경우 0~100 ng L-1의 범위 로 나타났다. 의암호에서 4~6월까지 전체 조사지점 중 geosmin이 가장 높게 나타났으며, 8월 14일에 청평호, 팔 당호에서 geosmin이 100 ng L-1의 매우 높은 농도로 나타 나다가 급격하게 감소하였다. 이후 전체조사 지점에서 낮 은 농도를 유지하다가 10월 24일에 의암호에서 26 ng L-1 로 높게 나타났다. 봄철인 4~5월에 먹는물 수질 감시기준 농도인 20 ng L-1 이상의 농도가 의암호에서 검출되었고, 다른 지점에서는 20 ng L-1 이하의 농도로 검출되었다. 여 름철의 경우 8월에 청평호와 하류인 팔당호에서 8월 14일 에 100 ng L-1 이상의 높은 농도의 geosmin이 검출되었다. 이후 모든 조사지점에서 감시기준보다 낮은 7 ng L-1 이하 의 농도로 검출되었으며, 10월 24일 의암호에서 26 ng L-1 의 geosmin이 검출되었다.

    2-MIB의 경우 몬순이 시작되기 전까지 모든 조사지점 에서 6 ng L-1 이하의 낮은 농도로 나타났다. 7월 10일 청 평호에서 처음 먹는물 수질 감시기준 이상의 25 ng L-1의 농도로 나타난 이후, 7월 24일 청평호와 팔당호에서 각각 76, 24 ng L-1의 높은 농도의 2-MIB 농도가 나타났으며, 이 후, 급격히 감소하여 9월 4일까지 모든 조사지점에서 5 ng L-1 이하의 낮은 농도로 유지되었다. 의암호에서 9월 19일 에 15 ng L-1로 증가하기 시작하여, 10월 10일에 68 ng L-1, 10월 24일에 110 ng L-1까지 꾸준히 증가하였으며, 10월 24일에는 청평호에서 역시 67 ng L-1의 감시기준을 초과하 는 높은 농도의 2-MIB가 나타났다.

    2. 미소생물 군집 변화

    1) 박테리아

    북한강 수계에서 조사기간 동안 박테리아는 31 분류군 이 출현하였다. 전체 군집 중 10% 이상의 비율로 출현했 던 분류군은 Actinobacteria, Betaproteobacteria, Alphaproteobacteria, Flavobacteria, Saprospirae로 나타났으며, 위의 분류군은 담수, 해양, 토양 등 전반적 환경에 다양하 게 분포되어 있는 종으로 보고되어 있다 (Bernardet et al., 1996; Parveen et al., 2011;Newton et al., 2011;Kang et al., 2013;Bai et al., 2017). 전 지점에서 가장 높게 출현했 던 분류군은 Actinobacteria와 Betaproteobacteria로 각 정 점의 군집 전체에서 30% 이상을 차지하였으며 (Fig. 3), 이 결과는 Actinobacteria와 Betaproteobacteria가 담수생태계 에서 우점도가 높은 생물군이라는 보고와 같은 결과이다 (Klausen et al., 2005;Newton et al., 2011).

    각 정점에서 박테리아 현존량 및 군집변화를 살펴보면, 의암호의 경우 10.4~39.8 105 cells mL-1의 범위로 나타났 고, 10월 24일에 가장 높은 현존량을 나타냈으며, 5월 15 일에 가장 낮게 나타났다. 박테리아 현존량은 몬순기 이후 에 급증하였는데, 이는 토양에 존재하는 박테리아가 강우 의 영향으로 수계에 다량 유입되면서 박테리아 현존량이 직접적으로 증가하고, 동시에 높은 농도의 영양염이 수체 내로 유입되어 박테리아가 증식하기 유리한 조건으로 작 용하였을 것으로 사료된다. 특히, 이 시기에 우점분류군으 로 출현한 Betaproteobacteria 분류군은 용존영양염을 이용 해 성장하는 분류군으로 용존총질소 및 용존총인이 높게 나타났던 의암호에서 Betaproteobacteria의 현존량을 증가 시켰을 것으로 판단된다 (Niemi et al., 2009;Louati et al., 2015). 시기별 우점 분류군 변화는 4월에 Actinobacteria 가 높은 비율로 우점 출현했으며, 5, 6월에 Actinobacteria, Betaproteobacteria, Alphaproteobacteria가 혼재되어 우점 출현하였다. 이후 7월부터 꾸준히 Betaproteobacteria가 우 점 출현하였다.

    청평호의 경우 5.8~27.6 105 cells mL-1의 범위로 나타났 고, 10월 24일에 가장 높은 현존량을 나타냈으며, 4월 10 일에 가장 낮게 나타났다. 청평호의 박테리아 현존량은 몬 순기 이후에 증가하였으며, 상류지점인 의암호 지점과 유 사한 패턴을 나타냈다. 청평호 역시 강우의 영향으로 토 양의 박테리아가 수계에 유입되면서 현존량이 증가하였 을 것으로 판단된다. 우점 분류군 변화는 조사기간 동안 Actinobacteria와 Betaproteobacteria가 혼재되어 우점 출현 하였다.

    팔당호의 경우 4.8~14.7 105 cells mL-1의 범위로 나타 났고, 10월 24일에 가장 높은 현존량을 나타냈으며, 5월 8 일에 가장 낮게 나타났다. 팔당호 역시 몬순기 이후에 박 테리아 현존량이 증가하였으나, 의암호, 청평호 지점에 비 해 증가량이 낮았는데, 팔당호의 경우 북한강 수계뿐 아 니라 남한강 수계와 경안천이 동시에 유입되는 지점으로, 남한강 및 경안천 등의 유입이 박테리아 현존량에 영향을 주었을 것으로 판단된다. 우점 분류군 변화는 8월 28일, 9 월 11일 조사를 제외한 조사기간 동안 Actinobacteria가 지속적으로 우점 출현하였으며, 8월 28일, 9월 11일에는 Betaproteobacteria가 우점 출현하였다.

    전체적으로 박테리아 현존량은 의암호에서 가장 높게 나타났으며, 현존량 변화는 전체 조사지점에서 유사한 패 턴을 나타냈다. 박테리아 군집 변화는 의암호를 제외한 청 평호, 팔당호 지점에서 유사하게 나타났는데, 의암호의 경 우 청평호, 팔당호 지점에 비해 상대적으로 유량이 적고 조사지점의 수심이 낮아 강수 발생시 유입되는 박테리아 현존량이 다른 지점에 비해 상대적으로 높게 나타났으며, 군집 구조 역시 다르게 나타난 것으로 사료된다.

    2) 식물플랑크톤

    북한강 수계에서 조사기간 동안 식물플랑크톤은 6 강 27목 37과 49속 102종이 출현하였다. 각 정점별 식물 플랑크톤 현존량 및 군집 변화를 살펴보면, 의암호의 경 우 200~16,340 cells mL-1의 범위로 나타났고, 6월 26 일에 가장 높은 현존량을 나타냈으며, 7월 10일에 가 장 낮게 나타났다. 시기별 우점종 변화는 봄철인 4~6월 에 주로 Cyclotella, Synedra, Fragilaria 속 등의 규조류 가 우점 출현했으며, 수온이 상승함에 따라 은편모조류의 Rhodomonas, 녹조류인 Pandorina 속이 우점 출현하였다 (Table 1). 여름철인 7, 8월의 경우 강우 발생기인 7월 10 일, 8월 28일에 높은 수온에도 불구하고 규조류 Nitzschia 속이 우점 출현하였는데, 이는 몬순기 강우에 의한 영향 으로 판단된다. 한반도의 몬순은 여름철에 2번의 집중호 우가 뚜렷하게 나타나는 특성을 가지고 있으며 (Ha et al., 2005), 7월 10일의 경우 첫 번째 집중호우 시기에 발생 한 130.5 mm의 집중강우로 인한 희석효과로 식물플랑크 톤 현존량이 낮아져 80 cells mL-1의 낮은 현존량으로 출 현한 Nitzschia palea가 우점종으로 나타났을 것으로 사 료된다. 8월 28일의 경우 두 번째 집중강우 이후 실시된 조사로 1,402 CMS의 많은 댐 방류량 (평균 방류량 167 CMS)에 의한 flushing 효과에 의해 Nitzschia palea가 150 cells mL-1의 낮은 현존량으로 우점 출현했을 것으로 사 료된다 (Ward and Stanford, 1983;Byun et al., 2014). 여름 철 강우가 발생하지 않았던 시기는 남조류인 Microcystis, Dolichospermum (=Anabaena) 속이 우점 출현했는데, 이 는 몬순기 초기 집중강우 이후 유입된 높은 농도의 영양 염 (N, P)과 수온에 의해 발생된 것으로 판단되며, 최근 북 한강 수계에 보고된 식물플랑크톤 출현 특성과 유사한 경 향성을 보였다 (Byun et al., 2014, 2015). 가을철인 9~10월 에는 규조류 Nitzschia, Rhizosolenia, 녹조류 Kirchneriella, 은편모조류 Rhodomonas 속 등이 우점 출현하였다.

    청평호의 식물플랑크톤 현존량은 800~4,020 cells mL-1 의 범위로 나타났고, 7월 10일에 가장 높은 현존량을 나 타냈으며, 10월 10일에 가장 낮게 나타났다. 시기별 우 점종 변화는 봄철인 4~6월에 주로 Synedra, Fragilaria 속 등의 규조류가 우점 출현했으며, 수온이 상승함에 따 라 은편모조류인 Rhodomonas 속이 우점 출현하였다. 여 름철인 7, 8월은 강우 발생기에 규조류 Synedra, 은편모 조류 Rhodomonas 속이 우점 출현했는데, 7월 10일의 경 우 의암호와 다르게 11 mm의 적은 양의 강우가 발생해 Rhodomonas sp.가 1,420 cells mL-1의 비교적 높은 현존 량으로 출현한 것으로 사료된다. 8월 28일의 경우 의암호 와 마찬가지로 1331 CMS의 많은 강우로 인한 희석효과 및 댐 방류에 의한 flushing 효과에 의해 식물플랑크톤 전 체 현존량이 낮게 나타났으며, Synedra acus가 250 cells mL-1의 낮은 현존량으로 우점 출현했을 것으로 사료된다. 청평호 역시 집중강우 이후 강우가 발생하지 않았을 때 유입된 높은 농도의 영양염 (N, P)과 수온에 의해 남조류 Dolichospermum, Pseudanabaena 속이 우점 출현하였다. 가을철인 9~10월에는 은편모조류 Rhodomonas 속이 지속 적으로 우점 출현하였다.

    팔당호의 식물플랑크톤 현존량은 1,170~7,280 cells mL-1의 범위로 나타났고, 10월 24일에 가장 높은 현존량 을 나타냈으며, 5월 8일에 가장 낮게 나타났다. 우점종 변 화는 조사기간 동안 규조류 Cyclotella, Aulacoseira, 은편 모조류의 Rhodomonas 속이 혼재되어 우점했으며, 수온이 높았던 여름철에 녹조류 Scenedesmus 속이 우점 출현하였 다. 팔당호 지점의 경우 상류지점인 의암호, 청평호와 우점 종 천이가 다르게 나타났는데, 팔당호의 경우 북한강 수계 뿐 아니라 남한강 수계와 경안천 등이 유입되어 수체에 많 은 영향을 미치며, 북한강 수계에서 유입되는 유량보다 남 한강에서 유입되는 유량이 더 크기 때문에 의암호, 청평 호 지점과 우점종 천이가 다르게 나타난 것으로 사료된다 (Han et al., 1995; Kim, 1998; Byun et al., 2014; Yoo et al., 2018). Fig. 4

    3. 미소생물과 이취미 물질의 상관관계

    조사기간 동안 북한강 수계에서 발생한 이취미 물질 (geosmin, 2-MIB)은 Actinobacteria와 남조류 (Cyanobacteria) 의 현존량이 높게 출현하였을 때 농도가 높게 검 출되었다 (Fig. 5). 이취미 물질 중 geosmin의 경우 의암호 에서 4월 10일 조사부터 5월 8일 조사까지 각각 31, 29, 20 ng L-1, 10월 24일에 26 ng L-1로 먹는물 수질감시기준 농 도인 20 ng L-1 이상의 농도로 나타났으며, Actinobacteria 의 현존량이 상대적으로 높게 출현하였을 때 높은 농도로 발생하였다. Actinobacteria는 이취미를 생성한다고 보고되 어 있는 분류군으로 Actinobacteria의 현존량이 높게 출현 했을 때 geosmin 농도 역시 높게 나타나는 것으로 보아 의 암호에서 발생한 geosmin은 Actinobacteria가 원인일 것 으로 판단된다 (Jiang et al., 2007;Zuo et al., 2010;Auffret et al., 2011). 다른 조사지점인 청평호, 팔당호에서는 8월 7일에 100 ng L-1의 높은 농도로 나타났다. 이와 동일한 시기에 박테리아는 의암호와 마찬가지로 Actinobacteria 가 우점 분류군으로 출현하였다. 식물플랑크톤은 남조 Dolichospermummacrospoum, Dolichospermum circinale 가 아우점종으로 출현하였는데, 남조 Dolichospermum 속 역시 geosmin을 합성하는 분류군으로 보고되어 있 어, 이 시기에 발생한 geosmin은 Actinobacteria와 남조 Dolichospermum 속이 원인일 것으로 판단된다 (Miwa and Morizane, 1988;Hayes and Burch, 1989;Tsujumura and Okubo, 2003;Wang et al., 2005).

    이취미 물질 중 2-MIB의 경우 의암호 지점에서 4~9월 까지 먹는물 수질감시 기준 농도 미만으로 나타났으며, 10 월 10일, 25일 조사 시 각각 68, 110 ng L-1의 높은 농도의 2-MIB가 검출되었다. 이와 동일한 시기에 박테리아 중 이 취미 물질을 합성할 수 있는 Actinobacteria가 우점 분류 군으로 출현하였으며, 현존량 역시 조사기간 중 가장 높 게 나타나 의암호에서 발생한 2-MIB는 Actinobacteria 에 기인한 것으로 판단된다 (Klausen et al., 2005;Koksal et al., 2012). 청평호의 경우 7월 10일, 24일, 10월 24일 조사 시 각각 25, 76, 67 ng L-1로 먹는물 수질감시 기준 농도 이상으로 검출되었으며, 같은 시기에 박테리아 중 Actinobacteria가 우점 분류군으로 출현하였다. 7월 24일 조사의 경우 Actinobacteria 현존량이 7월 10일과 유사하 게 나타난 것에 비해 2-MIB 농도가 높게 나타났는데, 이는 동일한 시기에 2-MIB 물질을 합성한다고 보고되어 있는 남조 Pseudanabaena sp.가 우점 분류군으로 출현하여, 7월 24일 조사에 2-MIB 농도가 높게 나타났을 것으로 판단된 다 (Izaguirr et al., 1982; Jüttner and Watson, 2007; Kim et al., 2015). 팔당호의 경우 7월 24일에 2-MIB 농도가 24로 먹는물 수질감시 기준 농도 이상으로 나타났으며, 같은 시 기에 Actinobacteria가 우점 분류군으로 출현해, 팔당호에 서 발생한 2-MIB 역시 Actinobacteria에 기인한 것으로 판 단된다.

    조사기간 동안 북한강 수계에 출현한 박테리아, 남조류 와 환경요인 및 이취미 물질 간의 상관성을 알아보기 위 해 상관분석을 실시하였다 (Table 2). 그 결과 박테리아는 용존산소 (r= - 0.393, p<0.05)와 음의 상관관계, 용존총 질소 (r=0.456, p<0.01), 용종총인 (r=0.696, p<0.01) 등 의 영양염과 양의 상관관계로 나타났으며, 이는 용존영양 염을 높은 효율로 이용한다고 보고된 Betaproteobacteria, Alphaproteobacteria 등의 분류군이 높은 비율로 출현함 에 따라 용존영양염과 양의 상관관계로 나타난 것으로 판단된다 (Niemi et al., 2009;Newton et al., 2011;Louati et al., 2015). 이취미 물질을 합성한다고 보고되어 있는 Actinobacteria는 용존총질소 (r= - 0.330, p<0.05)와 음 의 상관관계, 이취미 물질 중 2-MIB (r=0.491, p<0.01) 와 양의 상관관계로 나타났다. 식물플랑크톤 중 남조류 는 이취미 물질인 geosmin (r=0.381, p<0.05), 2-MIB (r=0.386, p<0.05)와 양의 상관관계로 나타났으며, 남조 Pseudanabaena sp.는 2-MIB (r=0.416, p<0.01)와 양의 상관관계로 나타났다. 이와 같은 결과는 북한강 수계에서 출현하는 Pseudanabaena 속이 2-MIB와 높은 양의 상관관 계를 가진다는 Byun et al. (2015) 결과와 일치한다.

    조사기간 동안 발생한 이취미 물질 (geosmin, 2-MIB)은 이취미 물질을 생성한다고 알려진 Actinobacteria 및 남조 류와 유의한 상관관계를 나타났다. 따라서, 북한강 수계에 발생한 이취미 물질은 Actinobacteria 및 남조류에 의해 발 생하는 것으로 사료되며, 남조류가 출현하지 않을 때 발생 하는 높은 농도의 이취미 물질은 Actinobacteria가 주요 원 인 분류군으로 작용할 수 있음을 시사한다. 하지만, 국내 하천 및 호수에 대한 연구 중 Actinobacteria를 포함한 박 테리아 군집에 대한 연구는 미비한 실정으로 추후 박테리 아 군집과 다양한 환경요인 및 다른 생물군과의 상호작용 대한 다양한 연구가 필요하다.

    적 요

    본 연구는 2017년 4월부터 10월까지 북한강 수계 3개의 연속댐 (의암호 (UA), 청평호 (CP), 팔당호 (PD))의 미소생물 군집과 이취미 농도와 관계를 알아보기 위해 환경요인, 이 취미 물질, 미소생물 군집 등을 조사하였다. 3개 저수지의 박테리아 군집은 주로 Actinobacteria와 Betaproteobacteria 가 우점 분류군으로 나타났으며, 계절성은 나타나지 않 았다. 식물플랑크톤 군집은 봄철, 규조류 및 은편모조류 여름철 남조류, 가을철 규조류 및 은편모조류 순서로 우 점하는 계절성을 보였으며, 북한강 수계에서 출현한 남 조류는 Dolichospermum spp., Microcystisaeruginosa, Pseudanabaena spp. 속이 우점 출현하였다. 북한강 수계 에 출현한 미소생물 중 이취미 물질을 발생하는 분류군 은 Actinobacteria와 남조 Anabaena, Pseudanabaena 속 등이며, 이취미 물질인 Geosmin과 2-MIB가 높게 나타났 을 때, 높은 현존량으로 출현하였다. 미소생물과 이취미 물 질의 상관관계는 Actinobacteria의 경우 2-MIB (r=0.491, p<0.01)와 유의한 상관성을 나타냈으며, 남조류의 경우 geosmin (r=0.381, p<0.05), 2-MIB (r=0.386, p<0.05) 와 유의한 상관성을 나타냈다. 따라서, 북한강 수계에서 나 타나는 이취미 물질은 Actinobacteria 및 남조류의 출현과 직접적인 관계가 있을 것으로 사료되며, 남조류 미출현 시 발생하는 높은 농도의 이취미 물질은 Actinobacteria가 생 성하는 것으로 판단된다.

    사 사

    본 연구는 환경부 국립환경과학원 한강물환경연구소 조 사연구사업인 남조류 기원 이취미 발생에 대한 분자생물 학적 특성 (NIER-2018-01-01-074)의 일환으로 수행되었 음.

    Figure

    KSL-51-299_F1.gif

    A map showing the sampling sites in Bukhan River system.

    KSL-51-299_F2.gif

    Monthly fluctuation of environmental factor in three serial lakes of Bukhan River system from April to October 2017. UA; Lake Uiam, CP; Lake Cheongpyeong, PD; Lake Paldang.

    KSL-51-299_F3.gif

    Monthly fluctuation of relative abundance of bacteria in three serial lakes of Bukhan River system from April to October 2017. UA; Lake Uiam, CP; Lake Cheongpyeong, PD; Lake Paldang.

    KSL-51-299_F4.gif

    Monthly fluctuation of relative abundance of phytoplankton in three serial lakes of Bukhan River system from April to October 2017. UA; Lake Uiam, CP; Lake Cheongpyeong, PD; Lake Paldang.

    KSL-51-299_F5.gif

    Monthly fluctuation of relative abundance of Actinobacteria, cyanobacteria and odor compounds in three serial lakes of Bukhan River system from April to October 2017. UA; Lake Uiam, CP; Lake Cheongpyeong, PD; Lake Paldang.

    Table

    Dominant phytoplankton species and bacteria class abundance in three serial lakes in Bukhan River system from April to October 2017.

    Speaman correlation coefficient between biological and physicochemical variable in Bukhan River System from April to October 2017.

    Reference

    1. Auffret, M. , A. Pilote, E. Proulx, D. Proulx, G. Vandenberg and R. 2011. Villemur. Establishment of a real-time PCR method for quantification of geosmin-producing Streptomyces spp. in recirculating aquaculture systems. Water Research 45: 6753-6762.
    2. Bai, L. , C. Cao, C. Wang, H. Xu, H. Zhang, V.H. Slaveykova and H. Jiang. 2017. Toward Quantitative Understanding of the Bioavailability of Dissolved Organic Matter in Freshwater Lke during Cyanobacteria Blooming. Environmental Science & Technology 51: 6018-6026.
    3. Bentley, R. and R. Maganathan. 1981. Geosmin and methylisoborneol biosynthesis in stretomyces; evidence for anisoprenoid pathway and its absence in non-differentiating isolates. FEBS Letters 125: 220-222.
    4. Betnardet, J.F. , P. Segers, M. Vancanneyt, F. Berthe, K. Kersters and P. Vandamme. 1996. Cutting a Gordian Knot:Emended Classification and Description of the Genus Flavobacterium, Emended Description of the Family Flavobacteriaceae, and Proposal of Flavobacterium hydatis nom. nov. (Basonym, Cytophaga aquatilis Strohl and Tait1978). International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 46: 128-148.
    5. Byun, J.H. , I.H. Cho, S.J. Hwang, M.H. Park, M.S. Byeon and B.H. Kim. 2014. Relationship between a Dense Bloom of Cyanobacterium Anabaena spp. and Rainfalls in the North Han River System of South Korea. Korean Journal of Ecology and Environment 47(2): 116-126.
    6. Byun, J.H. , S.J. Hwang, B.H. Kim, J.R. Park, J.K. Lee and B.J.  Lim. 2015. Relationship Between a Dense Population of Cyanobacteria and Odorous Compounds in the North Han River System in 2014 and 2015. Korean Journal of Ecology and Environment 48(4): 263-271.
    7. Gerber, N.N. and H.A. Lechevalier. 1965. Geosmin and earthy-smelling substances isolated from actinomycetes. Applied Microbiology 13: 935-938.
    8. Ha, K.J. , K.S. Yun, J.G. Jhun and C.K. Park. 2005. Definition of onset/retreat and intensity of changma during the boreal summer monsoon season. Journal of the Korean MeteorologicalSociety 41(6): 927-942.
    9. Han, M.S. , Y.Y. Auh, J.K. Ryu, K.I. Yoo and Y.K. Choi. 1995. Ecological Studies on Pal’tang River-reservoir System in Korea 2. Change in Phytoplankton Community Structure.Korean Journal of Limnological Society 28(3); 335-344.
    10. Hayes, K.P. and M.D. Burch. 1989. Odorous compounds associated with algal blooms in South Australian waters. Water Research 23: 115-121.
    11. Izaguirre, G and W.D. Taylor1998. A pseudanabaena Species from Castaic Lake, California, That Produces 2-methylisoborneol.Water Research 32(5):1673-1677.
    12. Izaguirre, G. , C.J. Hwang, S.W. Krasner and M.J. McGuire. 1982. Geosmin and 2-methylisoborneol from Cyanobacteria in Three Water Supply Systems. Applied and Environmental Microbiology 43: 708-714.
    13. Jiang, J. , X. He and D.E. Cane. 2007. Biosynthesis of the earthy odorant geosmin by a biofunctional Streptomyces coelicolor enzyme. Nature Chemical Biology 3(11): 711-715
    14. Jüttner, F. and S.B. Watson. 2007. Biochemical and Ecological Control of Geosmin and 2-methylisoborneol in Source Waters, Applied and Environmental Microbiology 73(4): 4395-4406.
    15. Kang, J.Y. , J. Chun and R. Rippka. 2013. Flavobacterium Aciduliphilum sp. nov., Isolated from Freshwater, and Emended Description of the Genus Flavobacterium. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology63: 1633-1638.
    16. Kim, Y.J. 1996. Ecological Study of Phytoplankton Community and Trophic States Using Indicators in Lake Paltang. KoreanJournal of Limnological Society 19(4): 323-345.
    17. Klausen, C. , M.H. Nicolaisen, B.W. Strobel, F. Warnecke, J.L. Nielsen and N.O.G. Jørgensen. 2005. Abundance of actinobacteria and production of geosmin and 2-methylisoborneol in Danish streams and fish ponds. FEMS Micobiol Ecology 52: 265-278.
    18. Koksal, M. , W.K.W. Chou, D.E. Cane and D.W. Christinason. 2012. Structure of 2-Methylisoborneol synthase from Streptomyces coelicolor and implications for the cyclizationof a non-canonical C-methylated monoterpenoid substrate. Biochemistry 51(14): 3011-3020.
    19. Lawton, L.A. and G.A. Codd. 1991. Cyanobacteria (blue green algal) Toxins and Their Significance in U.K. and European Waters. Journal of the Institution of Water & Environmental Management 5: 460-465.
    20. Lee, J.E. , J.G. Park and E.J. Kim. 2002. Trophic States and Phytoplankton Compositions of Dam Lakes in Korea. Algae17(4): 275-281.
    21. Louati, I. , N. Pascault, D. Debroas, C. Bernard, J.F. Humbert and J. Leloup. 2015. Structural Diversity of Bacterial Communities Associated with Bloom-Forming Freshwater Cyanobacteria Differs Accoding to the Cyanobacterial Genus. PLOS ONE 10(11): e0140614.
    22. Ministry of Environment (MOE). 2011. Drinking water quality monitoring guideline.
    23. Miwa, M. and K. Morizane. 1988. Effect of Chelating Agents on the Growth of Blue-Green Algae and the Relese ofGeosmin. Water Science and Technology 20(8): 197-203.
    24. National Institute of Environmental Research (NIER). 2014. Physiological and Ecological Characteristics of Algae in the Lake Paldang (I), National Institute of EnvironmentalResearch, pp. 62.
    25. Niemi, R.M. , I. Heiskanen, R. Heine and J. Rapala. 2009. Previously Uncultured β-Proteobacteria Dominate in BiologicallyActive Granular Activated Carbon (BAC) Filters. Water Research 43: 5075-5086.
    26. Newton, R.J. , S.E. Jones, A. Eiler, K.D. McMahon and S. Bertilsson. 2011. A Guide to the Natural History of FreshwaterLake Bacteria. Microbiology and Molecular Biology Reviews 75(1): 14-49.
    27. Park, H.K. and W.H. Jheong. 2003. Long-term changes of algal growth in Lake Paldang. Journal of Korean Society on Water Quailty 19(6): 673-684.
    28. Park, H.K. , M.S. Byeon, E.K. Kim, H.J. Lee, M.J. Chun and D.I.  Jung. 2004. Water Quality and Phytoplankton Distribution Pattern in Upper Inflow Rivers of Lake Paldang. Journal of Korean Society on Water Quality 20(6): 488-498.
    29. Park, J.E. 2006. A modeling study for the impact prediction of serial impoundments on downstream temperature distribution. Master thesis, Ewha Womans University, Korea.
    30. Park, J.H. , B.L. Moon and O.M. Lee. 2006. The Phytoplankton Composition and Trophic States at Several Lake of Suwon-si, Korea. Algae 21(2): 217-228.
    31. Parveen, B. , J.P. Reveilliez, I. Mary, V. Ravet, G. Bronner, J.F.  Mangot, I. Domaizon and D. Debroas. 2011. Diversity andDynamics of Free-ling and Particle-associated Betaproteobacteria and Actinobacteria in Relation to Phytoplankton and Zoolpankton Communities. FEMS Microbiology Ecology 77: 461-476.
    32. Peterson, H.G. , S.E. Hrudey, I.A. Cantin, T.R . Perley and S.L. Kenefick. 1995. Physiological Toxicity, Cell Membrane Damage and the Release of Dissolved Organic Carbon and Geosmin by Aphanizomenon flos-aquae after Exposure to Water Treatment Chemicals. Water Research 29(6): 1515-1523.
    33. Saadoun, I.M.K. , K.K. Schrader and W.T. Blevins. 2001. Environmental and Nutritionalfactors Affecting Geosmin Synthesis by Anabaena sp. Water Research 35: 1209-1218.
    34. Shin, H.J. and O.M. Lee. 2014. The Dynamic of Phytoplankton Communities and the Biological Water Quality Assessmentat Three Artificial Weirs in Downstream of Namhan- river. Journal of Korean Society on Water Environment 30(6): 612-621.
    35. Suffet, I.M. , J. Mallevialle and E. Kawczynski. 1995. Advances in Taste-And-Odor Treatment and Control, American Water Works Association Research Foundation in Denver, Colorado, pp. 385.
    36. Sugiura, N. , O. Nishimura, Y. Inamor, T. Ouchiyama and R. Sudo. 1997. Grazing characteristics of musty-odor-compound- producing Phormidium tenue by a microflagellate, Monas guttula. Water Research 31(11): 2792-2796.
    37. Sugiura, N. and K. Nakano. 2000. Causative Microorganisms for musty Odor occurrence in the Eutrophic Lake Kasumigaura.Hydrobiologia 434(1-3):145-150.
    38. Tsujimura, S. and T. Okubo. 2003. Development of Anabaena Blooms in a Small Reservoir with Dense Sediment Akinete Population, with Special Reference to Temperature and Irradiance. Journal of Plankton Research 25: 1059-1067.
    39. Wang, S.H. , A.R. Dzialowski, J.O. Meyer, F. de Noyelles, N.C. Lim, W.W. Spotts and D.G. Huggins. 2005. Relationships Between Cyanobacterial Production and the Physical and Chemical Properties of a Midwestern Reservoir, USA. Hydrobiologia 541: 29-43.
    40. Ward, J.V. and J.A. Stanford. 1983. The serial Discontinuity Concept of Lotic Ecosystems, p. 29-42. In: Dynamics of Lotic Ecosystems (Fontaine, T.D. and S.M. Bartell, eds.). Ann Arbor Science, Ann Arbor, USA.
    41. Whelton, A.J. and A.M. Dietrich. 2004. Relationship Between Intensity Concentration and Temperature for DrinkingWater Odorants. Water Research 38: 1604-1614.
    42. You, K.A. , M.S. Byeon, S.J. Youn, S.J. Hwang and D.H. Rhew. 2013. Growth Characteristics of Blue-green Algae (Anabaena spiroides) Causing Tastes and Odors in the North-Han River, Korea. Korean Journal of Ecology and Environment 46: 135-144.
    43. Zimba, P.V. , C.C. Grimm, C.P. Dionigiand and C.R. Weirich. 2001. Phytoplankton Community Structure, Biomass, and Off‐flavor: Pond Size Relationships in Louisiana Catfish Ponds. Journal of the World Aquaculture Society 32(1): 96-104.
    44. Zuo, Y. , L. Li, T. Zhang, L. Zheng, G. Dai, L. Liu and L. Song. 2010. Contribution of Streptomyces in sediment to earthy odor in the overlying water in Xionghe Reservoir, China. Water Research 44: 6085-6094.