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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.32 No.3 pp.181-188
DOI :

Production of Odorous Compounds by Cyanobacteria in Daechung Reservoir

Hee-Mock Oh*, Yong-Ho Ban1, Dae-Kyun Park, Jin-Whan Lee2, Jueson Maeng1
Environmental Microbiology Research Unit, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology, Taejon 305-333
1Department of Life Science, Sogang University, Seoul 121-742
2Department of Biology, Sangmyung University, Seoul 100-743, Korea
*Corresponding author: Tel: 042) 860-4321, Fax: 042) 860-4598, E-mail: heemock@mail.kribb.re.kr

Abstract


Seasonal characteristics of water quality and phytoplankton community were investigated at two sites, Chudong (Site 1) and Hoenam (Site 2) in Daechung Reservoir from May to November, 1998. We analyzed geosmin and 2-methylisoborneol (MIB) in water and algal cells using gas chromatograph equipped with purge & trap concentrator. Seasonal variations of phytoplankton were found to be related with physical and chemical conditions such as temperature, pH and ratio of total nitrogen to total phosphorus. At Site 1, cyanobacteria were major dominant group, accounting for approximately 54% on the basis of cell numbers, and geosmin was detected at 1.1 and 18.1 ng/mg dry weight in July and August, respectively. At Site 2, the level of cyanobacterial dominance was over 63%, and geosmin levels were 0.7 and 69.8 ng/mg in July and August, respectively, while MIB level was 0.6 ng/mg in July. It is postulated that geosmin and MIB are mainly produced by Anabaena among the cyanobacteria which are dominant throughout the blooming season in July and August in Daechung Reservoir.



대청호내 cyanobacteria에 의한 취기물질 생산

오 희목*, 반 용호1, 박 대균, 이 진환2, 맹 주선1
생명공학연구소 환경미생물전문연구 Unit
1서강대학교 생명과학과
2상명대학교 생물학과

초록


    서 론

    부영양화 호수에서 cyanobacteria는 수화를 형성하여 독소를 분비하거나 이취미 문제를 일으킨다. 대청호에서 하절기에 cyanobacteria 중에서 Microcystis, Anabaena 등이 우점종으로 나타나며, 이들은 부력 조절능이 있어 성층형성시 일주성 수직이동을 한다(오 등, 1995;오 등, 1998). Cyanobacteria의 수화는 심한 경우에 수표면에 scum을 형성하여 경관을 해치거나, 독소 또는 취기물질 을 생산하여 수질관리 측면에서 문제가 대두되고 있다 (Thompson and Rhee, 1993).

    Geosmin, MIB (2-methylisoborneol) 등과 같은 취기 물질은 일부 cyanobacteria, 방선균 등이 생산하며(Naes et al., 1985, 1988, 1989;Wu et al., 1988, 1991; Pollack and Berger, 1996), 정수처리 과정에서 살균 부산물을 형 성하는 등 음용과 레크레이션면에서 부적합한 2차 대사 물질이다. 세포는 일반적으로 환경스트레스하에서 적응 반응으로써 2차 대사물질인 geosmin, MIB와 같은 취기 물질을 생성한다고 알려져 있다(Wood and VanValen, 1990). Geosmin과 MIB는 흙냄새를 유발하며 각각 10 ng/L와 30 ng/L의 극히 낮은 취기 threshold 값을 갖는 다 (Johnsen and Kuan, 1987). 특히, Anabaena는 10 fg/cell의 geosmin을 생성하므로 (Johns and Korth, 1995), 개체군의 밀도가 매우 낮은 수준일 때도 취기문 제를 초래한다. 또한 geosmin과 MIB는 쉽게 산화되지 않으므로 수처리과정에서 제거되기 어려울 뿐 아니라 호수나 저수지에 널리 분포하고 있기 때문에 수질관리 측면에서 매우 중요한 의미를 갖는다(Izaguirre et al., 1982).

    본 연구는 대청호에서 cyanobacteria의 밀도가 증가 하는 봄부터 늦가을까지 계절별로 수온, 용존산소(DO), pH, 영양염류, 엽록소-a, 식물플랑크톤 밀도 등의 이화 학적, 생물학적 수질조사와 함께 대표적 취기물질로 알 려진 geosmin과 MIB를 분석하였다. 이와 같은 실측 자 료를 바탕으로 대청호의 수질 현황을 파악하고, 취기발 생과 우점 cyanobacteria와의 상관관계를 분석함으로서 취기발생의 환경요인 및 원인 조류종을 규명하고자 하 였다.

    재료 및 방법

    1. 조사수역 및 조사시기

    조사수역은 대전광역시의 취수장이 위치한 추동지 점(정점 1)과, 충북 보은군 회남면의 회남교지점(정점 2)을 선정하였다(Fig. 1). 정점 1은 정체수역으로 수심이 낮고 인접한 수중 폭기장치의 영향으로 수층이 매우 불 안정하고, 정점 2는 본류수역으로 수심이 깊고 수층이 안정된 특성을 갖는다. 현장조사 및 시료채취는 1998년 5월 13일, 6월 15일, 7월 27일, 8월 24일, 10월 7일, 그리 고 11월 3일 등 총 6회에 걸쳐 두 정점에서 실시하였 다.

    2. 시료의 채취 및 보관

    시료는 각 정점별로 Van Dorn 채수기(WILDCO Instruments) 를 이용하여 수심 0~0.1m의 표층에서 2 L (1 L×2 bottles)씩 채수하였다. 채수된 시료는 4°C 얼음 상자에 냉장하여 실험실로 운반하고 분석 전까지 냉장 보관하였다. 식물플랑크톤의 세포수를 측정하기 위한 시 료는 표층에서 10 L 채수한 후 이를 plankton net (mesh size 20 μm)로 여과하여 농축한 후 시료 1mL당 Lugol 용액 3 μL를 첨가하여 식물플랑크톤을 고정하였다.

    3. 이화학적 수질

    수온 및 용존산소(DO)는 DO meter (YSI Model 95)로, pH는 pH meter (HANNA)로 현장에서 측정하였다. 총질 소(TN, total nitrogen), 총인(TP, total phosphorus), 총유 기탄소(TOC, total organic carbon)를 제외한 영양염류는 nitrocellulose membrane f ilter (pore size 0.45 μm, Nucleopore Co.)를 사용하여 시료를 여과한 후 측정하였다.

    질소성분 중에서 암모니아성-질소(NH4+-N)는 시료 에 phenate와 hypochlorous acid를 첨가하여 발색시킨 후 630 nm에서, 질산성-질소 (NO3--N)는 Szechrome NB 시약 (Polyscience Inc.)을 사용해 600 nm에서(Wynne and Rhee, 1986) spectrophotometer (Shimadzu, UV- 160A)로 측정하여 정량하였다 (APHA, 1995). TN은 persulfate법에 따라 질소를 질산염으로 산화시킨 후 정 량하였다(D′Elia et al., 1977).

    인성분 중에서 용존무기인 (PO43--P; SRP, soluble reactive phosphorus)은 시료를 phosphomolybdate법 (Murphy and Riley, 1962)으로 발색시킨 후 5 cm light path cuvette을 사용하여 885 nm에서 흡광도를 측정하 여 정량 분석하였다. TP는 persulfate법에 따라 인을 인 산염으로 산화시킨 후 정량하였다(Menzel and Corwin, 1965).

    총유기탄소량은 여과하지 않은 시료의 TOC를 측정하 였는데, 시료를 먼저 초음파 분쇄기(Lab-sonic System, 600-W)로 sonication한 후 탄소분석기(Shimadzu, TOC -5000A)를 이용하여 정량하였다.

    4. 생물학적 수질

    엽록소-a 농도를 측정하기 위하여 시료 30 mL을 Whatman GF/C filter로 여과한 후 이 여과지를 9mL chloroform-methanol (2 : 1 v/v) 혼합용액에 넣고 vortex 한 후, 암소에서 냉장 보관하여 엽록소를 추출하였다. 4~5시간이 지난 후 이 용액에 증류수를 5.4 mL 가하고 다시 vortex한 후 암소에서 밤새 냉장 보관하였다. 이 용액에서 chloroform층을 취해 f luorometer (Sequoia- Turner Model 450)로 fluorescence를 측정하여 엽록소- a 농도를 산출하였다(Wood, 1985).

    식물플랑크톤의 동정은 Lugol 용액으로 고정된 시료 를 현미경 하에서 속 수준까지 실시하였고 (Mizuno, 1964;정, 1993), 세포수는 Burnham et al. (1973)의 방법 에 따라 Fuchs-Rosenthal ultraplane counting chamber 를 사용하여 6회 반복하여 측정하였다.

    5. 취기물질의 분석

    취기물질은 물 시료 40 L를 냉장하여 실험실로 운반 한 후, dissolved form과 cellular form으로 나누어 분석 하였다. 시료에 포함된 geosmin, MIB와 같은 취기물질 은 purge and trap concentrator (Tekmar 3000)가 장착 된 gas chromatograph (Varian Star 3400 CX)를 사용하 여 분석하였다(Stahl and Parkin, 1994).

    결과 및 고찰

    1. 물리적 환경

    1998년 대전지역의 일별 강수량은 기상청의 자료를 인용하였다. 7월, 8월의 월 강수량은 각각 256 mm, 782 mm로 조사시기의 전후에 많은 비가 내렸다(Fig. 2a). 수온은 ’98년 5월부터 11월까지 18~27°C로 유지되었 으며, 정점 1과 2에서 7월 하순에 각각 26.9°C, 26.5°C로 가장 높았다(Fig. 2b). 수온이 21°C 이상일 때 cyanobacteria가 높은 비율로 출현한다는 보고 (McQueen and Lean, 1987)를 고려할 때 5월~10월의 수온은 cyanobacteria가 우점하기에 충분한 것으로 판단된다.

    DO는 정점 1에서 5월 중순에 9.3 mg/L로 높았으며, 8 월 하순에는 4.8 mg/L로 급격히 낮아진 후 차츰 회복되 는 경향을 보였다(Fig. 2c). 정점 2에서 DO는 7월 하순 에 11.0 mg/L로 최대값을 나타내었다. 정점 1에서 8월 하순의 급격한 DO 감소는 집중적인 강우로 인한 수계 의 불안정에 기인한 것으로 판단된다.

    계절별 pH의 변화를 조사한 결과(Fig. 2d), 정점 1에 서 7월 하순에 일시적으로 pH 9까지 증가하였으나 대부 분의 시기에 pH 7을 유지하였다. 정점 2에서는 5월부터 증가하여 6월 중순에 pH 10까지 상승하다가 7월 하순 에 pH 7로 감소하였으며 8월 하순 이후 pH 8로 회복되 는 경향을 보였다. 따라서 pH 7~9 정도의 높은 pH에서 cyanobacteria의 bloom이 왕성하다는 보고 (Steinberg and Hartmann, 1988)와 같이, 대청호는 하절기에 cyanobacteria의 우점에 유리한 생태적 조건이 유지되는 것으로 판단되었다.

    2. 영양염류의 농도

    인, 질소 및 탄소의 계절별 변화 및 정점별 분포는 Fig. 3과 같다. 용존무기인(SRP)의 농도는 정점 1에서 5 월 중순에 0.009 mg/L에서 6월 중순에 0.012 mg/L로 증 가하였다가 7월 하순에 0.001 mg/L로 가장 낮았다. 정점 2에서 SRP는 5월, 6월 중순에 평균 0.005 mg/L로 유지 되다가 7월 하순에 0.002 mg/L로 낮게 조사되었다. 이와 같이 SRP 농도는 수온이 상승하여 식물플랑크톤의 밀 도가 증가하기 시작하는 7월 하순에 가장 낮았다. Heiskary and Walker (1987)는 호수의 부영양화 상태를 판정하는 기준으로 총인(TP)의 농도를 0.03 mg/L 이상 으로 제시하였는데, 본 조사에서 TP는 최소 0.170 mg/L 및 최대 0.376 mg/L이며, 정점 1과 2에서 평균 0.246 mg/L과 0.248 mg/L로써 대청호가 부영양화 되었음을 나타내었다.

    인과 더불어 식물플랑크톤의 생장과 분포에 직접적으 로 영향을 주는 질소성분 중에서 암모니아성-질소 (NH4+-N)의 농도는 정점 1에서 7월 하순에 0.052 mg/L 로 가장 높았으며 8월 하순에는 0.002 mg/L로 낮았다. 정점 2에서 NH4+-N의 농도는 6월 중순에 0.045 mg/L 로 가장 높았다가 식물플랑크톤이 번성하게 되는 7월 하순에 0.004 mg/L로 낮았다. 질산성-질소(NO3--N)는 두 정점에서 평균 1~2 mg/L의 범위에서 유지되었고, 5 월 중순과 6월 중순에는 정점 1과 2에서 각각 평균 1.800 mg/L 및 1.600 mg/L로 높게 유지되었다. 총질소 (TN) 농도는 정점 1에서 6월 중순에 3.384 mg/L로 낮게 조사된 것을 제외하고는 정점 1과 2에서 bloom이 형성 되는 7월 하순에서 10월 초순까지 4.5~5.0 mg/L정도로 일정하게 유지된 후 11월 초순에 차츰 감소하는 경향을 보였다.

    총유기탄소(TOC)는 정점 1에서 5월, 6월 중순에 평균 1.680 mg/L로 유지되다가 7월, 8월 하순에 각각 4.249 mg/L, 3.463 mg/L로 증가하였으며, 정점 2에서도 5월, 6 월 중순에 평균 2.10 mg/L로 유지되다가 7월, 8월 하순 에 각각 2.445 mg/L, 2.784 mg/L로 증가하였다. 즉, TOC 는 계절적으로 식물플랑크톤의 밀도가 높은 7월, 8월 하 순에 높게 조사되었다.

    3. 생물학적 수질특성

    식물플랑크톤 생물량의 지표로서 조사된 엽록소-a 농 도는 Fig. 4와 같다. 정점 1에서 5월 중순에 18.7 μg/L인 엽록소-a 농도는 8월 하순까지 평균 5.0 μg/L 정도로 유 지되었으나 10월 초순에는 47.8 μg/L로 크게 증가하였 다. 정점 2에서 5월, 6월 중순에 평균 7.5 μg/L이었으나 cyanobacteria의 밀도가 높은 7월 하순에는 40.7 μg/L로 증가하였으며 8월 하순과 10월 초순에 각각 13.0 μg/L, 29.6 μg/L로 감소하는 경향을 보였다. 즉, 정점 1은 7월 하순에 수중 폭기장치에 의한 수주의 혼합으로 표층의 엽록소 a 농도가 낮게 조사된 것으로 판단된다. 한편 수 층이 안정된 정점 2에서 5월, 6월을 제외하고는 모든 조 사시기에 엽록소 a 농도가 부영양화의 기준인 10 μg/L (Heiskary and Walker, 1987)를 크게 초과하였다.

    각 정점에서 식물플랑크톤의 개체수에 의한 분포백분 율은 Fig. 5와 같다. 정점 1에서 5월 중순에 규조류가 우 점하다가 6월 중순 이후에 Microcystis의 등장과 그후 Anabaena의 출현으로 인해 7월, 8월 하순에 cyanobacteria가 우점하다가 10월 초순에 다시 규조류인 Aulacoseira (Melosira)가 70% 이상 우점하였다. 정점 2에서도 5월, 6월 중순에는 규조류가 평균 50%로 우점하다가 7 월, 8월 하순에는 cyanobacteria가 우점하며 11월 초순 에는 다시 규조류가 우점하였다.

    대청호에서 cyanobacteria의 일종인 Microcystis는 7 월, 8월에 걸쳐 우점종으로 자리잡고 있다가 10월 초순 에 규조류로 천이 되는 과정에서 소멸되는 현상을 보였 다(오 등, 1995;오 등, 1997, 1998). 특히 식물플랑크톤 분포에서 특징적인 사항은 cyanobacteria의 일종으로 질소고정이 가능한 Anabaena가 정점 1과 2에서 조사된 cyanobacteria 중에서 평균 19% 및 45%의 높은 밀도를 보이는 것이다.

    4. 취기물질 분석

    Cyanobacteria가 생산하는 대표적 취기물질인 geosmin과 MIB를 dissolved form과 cellular form으로 나누 어 분석한 결과는 Table 1과 같다. 모든 시료에서 dissolved form은 검출되지 않았고, cellular form은 정점 1 에서 7월, 8월 하순에 geosmin이 각각 1.10 ng/mg dry wt, 18.09 ng/mg dry wt 그리고 정점 2에서 MIB가 7월 하순에 0.60 ng/mg dry wt로 검출되었으며, geosmin이 7 월, 8월 하순에 각기 0.72 ng/mg dry wt, 69.80 ng/mg dry wt로 검출되었다.

    5. 취기발생 요인분석

    조사기간중 cyanobacteria 중에서 Anabaena의 분포백 분율 및 조류내 geosmin의 농도 변화는 Fig. 6과 같다. 정점 1의 경우 Anabaena의 분포백분율은 7월, 8월 하 순에 각기 25%, 32%를 차지하였고, 이때 geosmin의 양 이 1.1 ng/mg dry wt 및 18.09 ng/mg dry wt로 검출되었 다. 정점 2에서는 Anabaena의 분포백분율이 7월, 8월 하순에 각각 12%, 56%로 크게 증가하였으며, geosmin 농도도 이와 유사한 양상으로 0.72 ng/mg dry wt 및 69.80 ng/mg dry wt로 증가하였다. 또한, 정점 2에서 7월 하순에만 geosmin과 MIB가 동시에 검출되었는데 이 시기에 식물플랑크톤의 밀도가 4,846 cells/mL로 높았 고(Data are not shown), cyanobacteria가 54% 이상 존 재하였다(Fig. 5). 따라서, geosmin이 높게 검출된 7월, 8 월에 식물플랑크톤 중에서 cyanobacteria의 밀도가 높 았으며, cyanobacteria 중에서도 Anabaena의 분포백분 율이 높음을 고려할 때, Anabaena는 대청호에서 geosmin과 MIB의 주 생산종이라 판단된다.

    휘발성유기물질 중에서 음용수의 취기문제를 유발하 는 대표적인 물질인 geosmin과 MIB를 생산하는 주요 수중미생물은 방선균, 곰팡이 그리고 cyanobacteria중 OscillatoriaAnabaena로 보고되었다 (Naes et al., 1985, 1988, 1989;Wu et al., 1988, 1991;Pollack and Berger, 1996). Geosmin과 MIB의 농도는 OscillatoriaAnabaena가 성장할 때 엽록소-a의 농도와 비례적인 상관관계를 나타내었다 (Naes et al., 1985;Wu et al., 1991). 대청호에서도 7월, 8월 하순에 식물플랑크톤의 증가로 인하여 TOC와 엽록소-a 농도가 증가하였고 (Figs. 3, 4), cyanobacteria 중에서 Anabaena의 분포백분 율이 증가함과 동시에 geosmin도 높은 농도로 검출되었 다 (Fig. 6). 한편, 대청호에서 7월, 8월 하순에 표층의 NH4+-N과 NO3--N의 농도가 상대적으로 낮게 조사되 었다.

    따라서, 대청호에서 7월, 8월에 식물플랑크톤의 밀도증 가에 따라 표층에서는 NH4+-N과 NO3--N과 같은 무 기염류가 상대적으로 부족하게 된다. 이때 질소고정능이 있는 Anabaena의 밀도가 증가하면서 geosmin과 같은 취기물질의 발생이 증가하는 것으로 사료된다.

    적 요

    본 연구는 대청호에서 식물플랑크톤의 우점종 변화양 상과 취기물질 생산종을 밝히기 위해 1998년 5월부터 11월까지 월별로 2개 정점(추동, 회남교)을 선정하여 이 화학적 수질과 식물플랑크톤의 분포를 조사하였으며, 대 표적 취기물질인 geosmin과 2-methylisoborneol (MIB) 의 분포를 purge & trap concentrator가 장착된 gas chromatograph로 조사하였다. 조사기간에 나타난 식물 플랑크톤의 계절적 분포는 수온, pH 및 총질소/총인 등 과 상관관계가 있는 것으로 분석되었다. 조사된 식물플 랑크톤 중에서 cyanobacteria가 평균 54% (세포수 기준) 의 우점을 나타낸 추동수역(정점 1)에서는 geosmin이 7 월, 8월 하순에 세포건량기준으로 각기 1.1 ng/mg, 18.1 ng/mg이 검출되었고, 63% 이상의 우점을 보인 회남교수 역(정점 2)에서는 geosmin이 7월, 8월 하순에 각각 0.7 ng/mg 및 69.8 ng/mg, MIB가 7월 하순에 0.6 ng/mg 검 출되었다. 따라서 geosmin과 MIB는 조사기간중 cyanobacteria가 우점하게 되는 7월, 8월에 주로 Anabaena에 의해 생산되는 것으로 판단된다.

    사 사

    본 연구는 한국과학재단 국제공공연구과제(985-0500 -001-2)와 과학기술부 중점국가연구개발사업 (98-N1- 05-03-A-01)으로 수행되었음.

    Figure

    KJL-32-3-181_F1.gif

    Sampling sites in Daechung Reservoir.

    KJL-32-3-181_F2.gif

    Seasonal changes of (a) precipitation, (b) water temperature, (c) dissolved oxygen, and (d) pH in epilimnetic zone in Daechung Reservoir. Each arrow in Graph (a) indicates sampling date.

    KJL-32-3-181_F3.gif

    Seasonal changes of (a) soluble reactive phosphorus (SRP), (b) total phosphorus (TP), (c) ammonium-nitrogen (NH4+-N), (d) nitrate-nitrogen (NO3--N), (e) total nitrogen (TN), ( f ) total organic carbon (TOC) concentrations in epilimnetic zone in Daechung Reservoir. Each symbol represents a mean value of triplicates. Vertical bars represent standard errors.

    KJL-32-3-181_F4.gif

    Seasonal changes of chlorophyll-a (Chl-a) concentration in epilimnetic zone in Daechung Reservoir. Each symbol represents a mean value of triplicates. Vertical bars represent standard errors.

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    Seasonal relative distribution of phytoplankton in epilimnetic zone in Daechung Reservoir.

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    Relationship between the percentage of Anabaena in cyanobacteria and geosmin contents in epilimnetic zone in Daechung Reservoir.

    Table

    Cellular concentrations of geosmin and MIB in the algae sampled at two sites in Daechung Reservoir from May to November, 1998.

    Reference

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