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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.53 No.1 pp.46-54
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2020.53.1.046

Changes in Community Structure of Chironomidae Caused by Variability of Environmental Factors among Weir Sections in Korean Rivers.

Won-Seok Kim1, Jae-Won Park1, Cheol Hong2, Bohyung Choi3, Ho-Joon Kim4, Yeon-Jeong Park4, Jung-Ho Park5, Haeng-Seop Song5, Ihn-Sil Kwak1,3*
1Department of Ocean Integrated Science, Chonnam National University, Yeosu 59626, Republic of Korea
2National Institute Environmental Research, Incheon 22689, Republic of Korea
3Fisheries Science Institute, Chonnam National University, Yeosu 59626, Republic of Korea
4K-Water Institute, Republic of Korea
5K-ECO, Republic of Korea
*Corresponding author: Tel: +82-61-659-7148, Fax: +82-659-7149 E-mail: iskwak@chonnam.ac.kr
21/01/2020 14/03/2020 16/03/2020

Abstract


Artificial and natural changes such as weir construction and climate change often cause abnormal blooming of organism. Therefore, variations in species community of organisms have been actively investigated to identify influential environmental changes on the fresh water ecosystem. In this study, we investigated Chironomidae community and environmental factors at 5 representative weirs (Ipo, IP; Sejong, SJ; Juksan, JS; Gangjeong-goryung, GG; and Dalsung weir) in 4 Korean major rivers to figure out relationship between Chironomidae community and environmental factors. Environmental factors indicating organic matter (total organic carbon, TOC and Chlorophyll-a, Chl-a) showed lower concentration in IP and SJ compared with other sites (JS, GG and DS). 3 sub-family 18 genus 25 species of Chironomidae community were found in this study. Among them, Chironominae was dominant in JS (Tanytarsus sp.1), GG (Polypedilum scalaenum) and DS (Polypedilum scalaenum), while different sub-family were dominant in IP (Orthcladinae, Tokunagayusurika akamushi) and SJ (Tanypodinae, Tanypus punctipennis). Moreover, based on the dominant species of Chironomidae community and environmental factors, the cluster analysis classified our study sites into 3 groups. These results imply that the diet resource is the most important factor for dominance of Chironomidae in Korean rivers. We also suggest that further study on the identification of diet resources for each Chironomidae specie is required for better understating of distribution in species community of Chironomidae at various ecosystems.



국내 보구간의 환경요인 차이에 의한 깔따구의 군집 구성 변화

김 원석1, 박 재원1, 홍 철2, 최 보형3, 김 호준4, 박 연정4, 박 정호5, 송 행섭5, 곽 인실1,3*
1전남대학교 해양융합과학과
2국립환경과학원 물환경연구부
3전남대학교 수 산과학연구소
4K-Water
5(주)케이에코

초록


    Korea Water Resources Corporation, K-water
    National Research Foundation of Korea
    NRF-2018-R1A6A1A-03024314

    서 론

    계절의 변동, 지리적 특성과 같은 자연적인 생태 특성 (Resh et al., 1988;Kwak et al., 2004;Hong et al., 2017) 및 보나 댐 건설 등으로 인한 수질의 변화와 같은 인위적인 교란 (Park et al., 2006;Driscoll et al., 2016;George et al., 2018)은 하천생태계 내 서식하는 생물 군집 구성에 영향 을 미친다. 특히, 보와 댐 같은 대형 구조물의 건설로 인한 하천의 종적 및 횡적 연속성의 차단은 하천 내 생물상과 군집 기능에 영향을 주게된다 (Kim et al., 2018). 최근 국내 4대강에서 대규모로 발생한 깔따구, 실지렁이, 큰빗이끼벌 레 등의 생물들은 인간의 생활에 직접적으로 영향을 주고 있으나 현재 이에 대한 연구는 미미한 실정이다.

    깔따구 (파리목)는 온도, pH, 용존산소 등 다양한 환경 조건의 변화에도 잘 서식하며 (Rosenberg, 1993;Helson et al., 2006), 생활사가 짧고 성체를 제외한 유충 시기를 저 서에서 서식하는 특징으로 인해 실내 독성 실험 및 위해 성 평가에 활발하게 이용되고 있다 (Park et al., 2010;Kim et al., 2015, 2017). 또한 서식 환경의 특성에 따른 깔따구 종 분포의 차이가 확인되어 왔으며 (Merritt and Cummins, 1996;Vallenduuk and Pillot, 2007;Pillot, 2014;Nava et al., 2015), 따라서 깔따구의 군집 조성은 서식지 환경 평가에 활용이 가능한 것으로 알려져 있다. 예를 들어, Malaysia의 Juru 강에서 총 유기 물질, 질소, 탄소 등의 유기물 및 퇴적 물 내 중금속 농도에 따른 깔따구 군집 조성의 시공간적 차이를 이용하여 하천 생태계의 건강성을 파악하는 연구 가 진행된 바 있다 (Al-Shami et al., 2010).

    국내에서는 하천에 서식하는 저서성 대형무척추동물을 대상으로 보, 댐, 수질 오염 등으로 인한 군집 분포에 대 한 다양한 연구가 보고되고 있다 (Choi et al., 2012;Shin et al., 2013;Hong et al., 2017). 그러나 깔따구를 대상으로 한 연구는 주로 유해물질에 따른 생물학적, 분자적 반응에 대 한 연구가 진행되고 있는 반면 (Park and Kwak, 2008;Park and Kwak, 2018;Kim et al., 2019), 분류학적 어려움으로 인해 군집 조성에 대한 연구는 제한적으로 진행되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국내 4대강 보를 중심으 로 서식하는 깔따구의 종조성과 수환경의 이화학적 요인 들의 상관성 분석을 통해 각 서식 환경 차이에 의한 깔따 구 군집 조성의 변화를 확인하고자 하였다.

    재료 및 방 법

    1. 조사 지역 및 조사 시기

    서식 환경에 따른 깔따구 군집 조성 및 수환경 측정은 한강 상류에 위치한 이포보 (IP; 37°24ʹ17.78ʺN, 127°32ʹ 21.86ʺE), 금강에 위치한 세종보 (SJ; 36°28ʹ18.74ʺN, 127° 15ʹ40.90ʺE), 영산강에 위치한 죽산보 (JS; 34°58ʹ19.29ʺN, 126°37ʹ31.28ʺE), 낙동강에 위치한 강정고령보 (GG; 35°50ʹ 24.42ʺN, 128°27ʹ37.09ʺE)와 달성보 (DS; 35°44ʹ4.90ʺN, 128°25ʹ2.06ʺE)에서 각 조사 수역의 보를 중심으로 보 상 방, 보 하방, 보와 보 사이, 그리고 주요발생지점 등 4개 정 점으로 구분하여 각각 진행하였다 (Fig. 1). 보와 보 사이는 조사 대상 보와 하류에 위치한 보의 중간지점으로, 조사 대상 보에서 약 1,000 m 이상 이격이 발생하는 지점으로 선정하였으며, 주요발생지점은 기존 문헌을 통해 선정하였 다 (NIER, 2015, 2016). 조사 시기는 2018년 3월부터 10월 까지 매월 1회씩, 총 8회 조사를 실시하였다.

    2. 시료 채집과 수환경 측정

    현장에서 깔따구 채집은 각 정점별 0.5 m, 1.0 m의 수심 에서 Ponar Grab (20×25 cm)을 사용하여 3회 정량 채집하 였다. 채집 후 Sieve (mesh size 0.5 mm)를 통해 포집하였으 며, 현장에서 90% 에틸알코올로 고정 후 실험실로 이동하 여 종 수준으로 “수환경오염지표인 깔따구과 개론 (Kwak, 2015)”을 참고하여 동정하였다.

    이화학 자료는 수온 (Water temperature, WT), 용존산소 (Dissolved oxygen, DO), pH, 총 질소 (Total nitrogen, TN), 총인 (Total phosphorus, TP), 총유기탄소 (Total organic carbon, TOC), Chlorophyll-a (Chl-a)를 분석하였다. WT, DO, pH는 각 조사 정점에서 휴대용 다항목측정기 (YSI Model 556MPS)를 통해 측정하였으며, 현장 표층수 (2 L) 를 무균 채수병에 채수하여 실험실로 운반 후 수질오염 공정시험기준 (NIER, 2017)에 따라 TN, TP, TOC, 그리고 Chl-a 분석을 각각 실시하였다.

    3. 생물지수 산출

    종 수준으로 동정된 깔따구를 대상으로 McNaughton’s dominant index를 활용한 우점도 지수 (Dominant index, DI)와 Shannon-Weaner function을 이용한 다양도 지수 (Hʹ)를 각각 산출하였으며 (Shannon and Weaner, 1949), 종 풍부도 지수 (Species richness index, RI)와 균등도지수 (Evenness index, Jʹ)를 Margalef (1958)Pielou (1975)에 의해 정의된 방법을 각각 사용하여 산출하였다.

    4. 통계 분석

    깔따구 군집과 환경요인에 대한 상관성 파악, 집괴 분 석 (cluster analysis)은 R (ver. 3.6.1) 프로그램을 사용하였 다. 상관성 분석은 Pearson’s method로 유의수준 (p-value) P<0.05 이내에서 진행하였으며, 조사 정점별 특성 파악을 위한 집괴분석 (Cluster analysis)은 Ward’s linkage method 와 Euclidean distance를 적용하였다. 분석을 위해 log+1 을 이용하여 자료변환 (data transformation)을 실시하였으 며, 모든 데이터에 대한 정규성 검정 (test of normalize)을 진행하였다. 또한, 환경요인 집단 간의 비교를 위해 oneway ANOVA (analysis of variance)를 실시하고 Tuckey와 Duncan method를 통해 사후 검증하였다.

    결 과

    1. 환경요인

    각 환경요인의 정점 간 유의성은 다양한 경향을 보이는 것으로 확인되었다 (Fig. 2). WT는 IP와 SJ에서 각각 평균 17.8℃, 18.5℃로 비슷한 수준을 보인 반면, JS, GG, DS에 서는 각각 평균 20.5℃, 20.3℃, 20.5℃로 상대적으로 높게 나타나 서로 뚜렷한 차이를 보였다 (P<0.001). DO는 GG 에서 9.2 mg L-1로 가장 높게 나타났으나 조사 정점 간 통 계적인 차이를 보이지는 않았다. pH는 정점 간 유의한 차 이성을 보였으며 (P<0.001), 특히 낙동강에 위치한 GG 와 DS가 각각 8.55, 8.49로 다른 정점에 비해 높게 나타났 다. TN과 TP의 정점 간 유의성은 통계적으로 나타나지 않 았지만, TN은 IP (평균 4.98 mg L-1), TP는 GG (평균 0.06 mg L-1) 에서 전체 조사 지점 중 각각 가장 낮은 농도를 보였다. TOC는 각 조사 지점별 농도 차이가 뚜렷하게 관 찰되었으며 (P<0.001), 특히 IP와 SJ에서 각각 평균 2.64 mg L-1, 3.19 mg L-1로 다른 조사 지점에 비해 상대적으 로 낮은 농도를 보였다. 또한, JS, GG는 각각 평균 3.93 mg L-1, 3.91 mg L-1로 비슷한 수준을 보였으며, DS는 3.19 mg L-1로 조사 지점 중 가장 높게 나타났다. Chl-a는 IP에 서 평균 6.8 mg L-1로 가장 낮게 나타났으며, JS에서 평균 21.6 mg L-1로 가장 높게 나타났다.

    2. 깔따구 군집 변화 및 생물지수

    전체 조사 정점에서 관찰된 깔따구는 총 3아과 18속 25 종이 출현하였다. Chironominae의 출현 종수는 IP에서 12 종으로 가장 많은 종수를 보였으며 JS는 7종으로 가장 낮 은 종수를 나타내었다. Orthocladinae와 Tanypodinae의 종 수는 조사 정점별 큰 차이가 없었다 (Table 1). 조사 정점 별 개체밀도는 IP, JS, GG에서 약 20,000 ind. m-2로 유사 한 반면, SJ와 DS는 각각 16,870 ind. m-2, 13,190 ind. m-2 로 낮은 수준을 보였다 (Fig. 3). 또한, 조사 정점 간 우점 종은 뚜렷한 차이를 나타냈다 (Table 2). IP는 T. akamushi 가 25.8%로 Orthocladinae가 우점하였으며, SJ에선 T. punctipennis가 34.1%로 Tanypodinae가 우점함을 나타내 었다. 그러나, JS, GG, DS는 Chironominae가 약 45% 비율 로 조사 정점 내 우점을 보였다.

    조사 지역별로 채집된 깔따구 개체수를 통해 산출한 생 물지수에서 우점도 지수 (DI)는 GG와 JS가 높은 수준을 보인 반면, 다양도 지수 (Hʹ)와 균등도 (Jʹ)는 IP가 가장 높은 수준을 보이고 있었다 (Table 3). 풍부도 (RI)는 DS와 IP가 높은 것으로 확인되었다. 우점도 지수가 높은 JS는 균등도, 풍부도, 그리고 균등도 등에서 가장 낮은 값을 보이는 특 징이 확인되었다.

    3. 깔따구와 환경요인 간 상관관계 및 집괴분석

    1) 상관성 분석

    각 정점에서 채집된 깔따구과 중 Chironominae는 본 연 구에서 측정된 이화학 자료들과 통계적인 유의성이 확인 되지 않았으나, WT, DO, pH, TN과는 양의 상관성을 보 였으며, TP, TOC, Chl-a 등 유기물 관련 환경인자들과 는 음의 상관성을 보이는 것으로 확인되었다 (Table 4). Orthocladinae와 Tanypodin는 TP를 제외한 대부분의 환경 요소들과 음의 상관성을 가지고 있었으며, 특히 WT, TOC, 그리고 Chl-a와 모두 통계적으로 유의한 수준 (P<0.05)의 상관성이 확인되었다.

    2) 집괴분석

    깔따구 개체수와 환경요인 간 유사성을 파악하기 위한 집괴분석 결과는 조사 정점에 따라 총 3개의 그룹으로 나 뉘었다 (Fig. 4). 그룹 1은 영산강에 위치한 JS으로 환경 요 인 중 높은 WT, TN, Chl-a와 Chironominae가 우점하고 있는 특성을 보이고 있었으며, 그룹 2는 환경요인 중 WT, pH, TOC이 높으며 Chironominae가 다른 아과에 비해 높 은 개체수가 확인된 낙동강에 위치한 GG와 DS로 형성 되었다. 그룹 3은 한강에 위치한 IP와 금강에 위치한 SJ 으로 환경요인 중 WT, TOC, Chl-a가 상대적으로 낮은 수 준을 보였다. 깔따구 개체수는 Chironominae 뿐 아니라 Orthocladine와 Tanypodinae가 비슷한 수준으로 출현하였 다.

    고 찰

    깔따구는 하천 내 서식하는 생물 중 높은 우점성과 함께 하천생태계 내 저차소비자로 서식환경에 민감한 생물로 알려져 있다 (Shearer et al., 2015) 하지만, 국내에서는 아과 별 분포, 서식 환경 등의 기초 연구에 대해 보고되지 않았 다. 본 연구는 국내 4대강에 위치한 보 환경에서 서식하는 깔따구를 대상으로 군집 분포와 종조성, 환경요인들과의 관계에 대해 파악하고자 하였다. 본 연구에서 확인한 깔따 구의 아과별 개체밀도, 우점종 및 군집지수는 IP와 SJ가 유 사하며 JS, GG 그리고 DS에서 유사하게 나타나 지역별 뚜 렷한 개체분포의 차이가 확인되었다.

    Orthocladinae와 Tanypodinae의 서식환경은 Chironominae의 서식 환경과 차이가 있는 것으로 알려져 있 다. 기존연구에 따르면 Orthocladinae와 Tanypodinae는 Chironominae에 비해 수질에 민감하게 반응하는 종으로 (Vallenduuk and Pillot, 2007;Pillot, 2014), 하천 상류에 서 우점하며 용존산소가 풍부한 여울과 유수 지점을 선 호하는 것으로 알려져 있는 반면, Chironominae는 유기 물 오염이 높은 지역에서 높은 개체밀도가 확인된 바 있 다 (Merritt and Cummins 1996;Nava et al., 2015). 본 연구 에서 Chironomina가 우점하고 있던 JS, GG, DS는 TOC와 Chl-α의 농도가 높은 것으로 나타났으며, 이는 주변에 위 치한 도시와 농경지에서 유입되는 다양한 유기물질에 의 한 결과로 사료된다. 따라서 본 연구에서 확인된 깔따구 아과별 유의성을 보인 환경요인 (WT, TOC, Chl-a)과 이러 한 환경요인을 바탕으로 그룹이 나뉜 집괴 분석 결과는 조 사 지역에 따른 환경적 특성과 깔따구의 아과별 서식 환경 의 선호도가 잘 반영된 것으로 생각된다.

    깔따구별 선호하는 먹이원의 차이 또한 군집 조성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 깔따구 종 분류에 대한 주요한 형태 적 판정점인 대악 (mendible)과 하순기절 (mentum)은 아과 별로 먹이 섭식에 대한 직접적 차이를 나타낸다 (Baker and McLachlan, 1979;Berg, 1995;Pillot, 2014). Chironominae 는 주로 여과 섭식자로 저서에 있는 유기물 덩어리를 섭 식하는 반면 (Merritt and Cummins 1996), Orthocladine와 Tanypodinae는 대부분 긁어먹는 무리 (scraper+grazers)로 조류, 유기물, 식물 조각 등 상대적으로 부피가 큰 것들을 먹이원으로 한다 (Sensolo et al., 2012). 따라서 본 연구에서 조사 지점별로 뚜렷하게 나타난 환경요인인 TOC, Chl-a가 식물플랑크톤 혹은 유기 쇄설물 등 크기가 적은 유기물량 을 지시할 수 있음을 고려할 때, 출현한 깔따구 분포의 차 이는 섭식 형태의 차이에 의한 각 아과별 선호도가 높은 먹이원의 조성 차이가 잘 반영된 결과로 보여진다.

    본 연구에서 확인된 기초생산자의 생체량 (Chl-a) 및 유 기물의 지표 (TOC)와 아과별 깔따구의 군집 조성의 상관 성은 추후 깔따구의 군집 조성을 활용한 서식지 평가를 위 해서 각 아과별 먹이원에 대한 자세한 정보의 필요성을 제 시하고 있다.

    적 요

    국내 하천에서 발생하는 준설 및 보 건설은 하천 연속성 차단과 교란을 유도하여 수서 생물서식환경에 변화를 가져 온다. 본 연구에서는 4대강 보 (이포보, IP; 세종보, SJ; 죽산 보, JS; 강정고령보, GG; 달성보, DS)에 서식하는 깔따구 군 집 분포를 조사하고 서식환경에 영향을 주는 여러 환경인자 를 측정하였다. 조사 지역 중 IP, SJ은 다른 조사 지역에 비해 WT, pH, TOC, Chl-a가 낮은 수준을 보였으며, 깔따구 개체 수 결과에서는 Chironominae, Orthocladinae, Tanypodinae 가 비교적 균등한 수준으로 관찰되었다. 반면, JS, GG, DS는 Chironominae가 높은 비율로 우점하며, TOC와 Chl-a의 농 도가 높게 나타났다. 각 조사 정점에 대한 깔따구 군집 조성 의 특징과 환경요인을 반영한 집괴분석 결과 4대강 보는 3 개의 그룹으로 구분되었으며, 이는 정점별 환경 차이와 깔따 구의 대악 및 하순기절의 구조에 따른 먹이원 선호도 차이와 일치하였다. 따라서 본 연구에서는 연구 정점 간 먹이원의 차 이에 의해 깔따구의 군집 구조의 차이가 나타나는 것을 확인 하였으며, 향후 각 깔따구 과 별 주 먹이원에 대한 연구에 대 한 필요성을 제시한다.

    저자정보

    김원석 (전남대학교 해양융합과학과 박사과정), 박재원 (전남대학교 해양융합과학과 학부과정), 홍철 (국립 환경과학원 물환경연구부 전문위원), 최보형 (전남대학교 수산과학연구소 학술연구교수), 김호준 (K-water 수석연구 원), 박연정 (K-water 선임연구원), 박정호 ((주)케이에코 대 표), 송행섭 ((주)케이에코 소장), 곽인실 (전남대학교 해양 융합과학과 교수)

    저자기여도

    개념설정: 곽인실, 방법론: 곽인실, 분석: 김원 석, 박재원, 자료제공: 곽인실, 박재원, 박정호, 송행섭, 자 료관리: 박재원, 원고 초안작성: 김원석, 원고 교정: 김원석, 홍철, 박재원, 최보형, 원고 편집 및 검토: 김원석, 최보형, 곽인실, 과제관리: 곽인실, 연구비 수주: 곽인실, 김호준, 박 연정

    이해관계

    이 논문에는 이해관계 충돌의 여지가 없음

    연구비

    본 연구는 한국수자원공사 과제 (대하천 대발생 생 물 발생원인 분석 및 관리기술개발 연구용역, M180046) 와 한국연구재단 중점연구사업 (NRF-2018-R1A6A1A-030 24314)의 연구지원에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    KSL-53-1-46_F1.gif

    Location of the survey area (IP: Ipo weir, Han river; SJ: Sejong weir, Gum river; JS: Juksan weir, Yeongsan river; GG: Gangjeonggoryung weir, Nakdong river, DS: Dalsung weir, Nakdong river, A: upper part of weir, B: lower part of weir, C: main point of outbreak, D: between weir to weir).

    KSL-53-1-46_F2.gif

    Box plot of environmental factors level in survey weir (IP: Ipo weir, SJ: Sejong weir, JS: Juksan weir, GG: Gangjeonggoryung weir, DS: Dalsung weir). Horizontal line indicates the median, box the interquartile range (IQR), whiskers extend to upper adjacent value and lower adjacent value.

    KSL-53-1-46_F3.gif

    The Number of individuals of Chironomidae communities based on subfamily (A) and dominant species of each subfamily (B) in survey weir (IP: Ipo weir, SJ: Sejong weir, JS: Juksan weir, GG: Gangjeonggoryung weir, DS: Dalsung weir).

    KSL-53-1-46_F4.gif

    A result of cluster analysis based on Chironomidae community and environment factors by Ward’s method. Each box indicates groups (IP: Ipo weir, SJ: Sejong weir, JS: Juksan weir, GG: Gangjeonggoryung weir, DS: Dalsung weir).

    Table

    Number of Chironomidae species in sampling weir.

    The percentage (%) of Dominant and sub-dominant species of Chironomidae in survey weir.

    Average of the community indices of Chironomidae in survey weir.

    The result of correlation analysis between Chironomidae subfamily and environment factor.

    list of Chironomidae species name in the study.

    Reference

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