소양강 상류 하천에서 부착조류의 안정동위원소분석을 통한 오염원 분석

Abstract

본 연구는 비점오염원을 비롯한 하천에 영향을 줄 수 있는 주변 오염원의 영향을 효과적으로 평가하기 위해 하천의 부착조류의 안정동위원소분석을 수행하였다. 대규모 하천을 대상으로 기존에 이루어진 생물학적·이화학적 지수 중심의 단순한 하천수질환경평가에서 벗어나 소양호 상류 유역의 지류 하천을 대상으로 부착조류의 생물학적 지수의 수질 대표성을 검토하였으며 총체적인 수질환경평가를 시도하였다. 본 연구에서는 서로 다른 북한강 상류의 4개 수계에 대한 하천(북천-한계천, 내린천, 인북천, 소양강)에서 배수구역을 중심으로 총 9개 지점을 조사 지점으로 선정하여 현장조사를 하였다. 하천 주변의 토지 이용은 농경지중심과 임야 중심으로 뚜렷한 분포차이를 보였고, 그에 따른 부착조류의 군집 분포를 분석하였다. 기존 연구결과와 문헌 조사를 통해 토지 이용과 분포 특성을 통해 하천 주변 환경에 대한 개괄적인 평가를 하였다. 소양강 상류 하천 유역은, 농경지 중심 지역에서는 오염된 수역의 대표종인 남조강이 높은 출현률을 보였고, 임야 중심 지역에서는 남조강, 녹조강, 규조강이 비교적 고르게 출현하였다. 따라서 오염원의 분포와 부착조류의 현존량 및 군집 분포는 밀접한 연관이 있으며, 기존 하천수질환경평가(생물·이화학적 지수)가 이러한 하천오염원의 특성과 영향을 평가 지수들이 충분한 설명을 하는지 검토하였다. BOD, SS 그리고 종다양도, 균등도의 생물지수들은 조사지점 대부분에서 유사한 값을 보였으며, 국내 하천에서 현재 사용되고 있는 부착조류와 이화학적 지수를 활용한 하천수질등급을 판정 기준은 외국에서 만들어진 것으로, 소양강 상류 하천 조사 지점의 하천 수질에 대해 전체적으로 빈부수성이며 양호하다는 단편적인 결과를 나타내었다. 따라서 하천수질과 영양 상태에 대한 평가에 사용되는 기존 생물지수 및 하천등급판정기준은 수체 내 영양염류에 민감하여 부영양화 판정에 효과적인 부착조류의 생지화학적 특성을 충분히 활용하지 못하였다. 반면, 조사 지점에서 부착조류의 안정동위원소비는 하천의 특성에 따라 변동하는 경향을 보여 생물학적 지수로의 활용 가능성을 보였다. 기질에서 분리된 순수한 부착조류의 δ15N는 임야 중심 지역에서 오염원의 영향이 큰 농경지역으로 갈수록 무거운 값을 보였고, δ13C는 가벼워졌다. 기질에서 분리한 부착조류 군집의 δ15N값을 비교해 보면, 동일 수계인 북천과 한계천은 각각 4.04‰, 4.92‰로 서로 비슷하였으나, 내린천(7.84‰), 소양강(3.72‰)로서 하천들 간에 차이를 보였다. 특히 내린천에서 부착조류가 높은 질소비를 가지는 것으로 나타났고, 이는 고랭지 농업과 같은 외부로부터의 영양염류 공급이 많음을 의미하고 있다. 반면 오염도가 상대적으로 높은 인북천 본류에서 평균 δ15N값은 5.21(±0.9‰)로서 내린천 보다는 낮았지만, 북천과 한계천 그리고 소양강본류에 비해서는 다소 높았다. 탄소동위원소비(δ13C)를 보면 북천과 한계천에서 각각 -15.71‰, -17.18‰로서 차이를 보였고, 본류수계인 내린천이 -21.19‰, 소양강은 -14.66‰로서 하천 수계들 간에 상당한 차이를 보였으며, 이는 유기물의 기원특성이 다를 수 있음을 의미한다. 본 연구에서는 부식물 및 유기물로부터 분리 배양한 부착조류의 안정동위원소비 결과를 중심으로 분석을 하였다. 기질 위의 부착조류 외의 부식물을 포함한 결과는 분석 과정에 영향을 주어 분산된 결과를 보였다. 이러한 차이를 보이는 것은 수체 내의 영양염류의 공급정도, 수 환경 특성에 따른 부착조류 성장의 차이, 기질 내 미생물 군집 호흡의 차이 등에 따른 동위원소분별작용(Isotopic fractionation)의 차이에 기인한 것으로 사료된다. 또한 분리 배양된 부착조류의 결과는 기존 방식에 비해 부착조류 현존량과 더 높은 상관도를 보였다(약 2배정도 높은 결정계수, r2=0.35, P=0.04). 분리된 부착조류의 안정동위원소비가 수질 대표성을 갖는다고 판단하였다. 기존 하천수질환경평가의 결과와 부착조류의 안정동위원소분석을 통해 하천에 대해 총체적인 분석을 할 수 있었다. 소양호 상류 유역의 지류 하천은 대 하천에 비해 정기적인 수질 조사에 한계가 있는 소규모 하천 유역이지만, 최근 급작스런 부영양화 현상 등에 의한 수질 환경 사고가 발생하는 지역이다. 이에 대해 대 하천을 대상으로 하는 기존의 수질 조사 및 평가 방식을 통한 오염원 및 부착조류 군집 분석은 한계가 있었으며, 안정동위원소 분석은 대체적인 생물지수로서의 가능성을 보였다. 소양호 상류 하천이라는 지역적인 특성에 한정되어, 본 연구에서 안정동위원소 분석 결과는 농경지 영향에 따른 오염원의 분포 현황 및 부착조류의 현존량과 밀접한 연관을 분석하였지만, 추후 다양한 오염원의 유입에 따른 부착조류의 군집특성과 안정동위원소 변동의 지속적인 연구를 통해 대 하천 유역에 대한 수질 대표성을 갖출 수 있는 생물 지수로 구축될 수 있을 것이다.;In order to confirm the usefulness of the N stable isotope ratio of attached algae as an indicator for monitoring the N sources in watersheds, we measured the isotope ratio of periphyton(mainly composed of attached algae) along the Inbuk stream, and compared them with the N loading estimated from administrative data. Periphyton communities changed locally, especially Cyanophyceae group increased in proportion as farmlands share of surroundings. In the river, DIN and other biotic index(Dominance, Diversity, Evenness, DAIpo index) did not indicate basin characteristics depending on pollutants from surroundings. Resultingly, environmental index, used now in water quality assessments, have been performed in a piecemental criteria. On the other hand, there are significant positive relationships between the N loading and P15N value. P15N from well-cultivated regions, Nerin stream(7.84‰) and Inbuk-stream(5.21±0.9‰), showed an increase from woodlands, So-yang river(3.72‰) and Buk-stream(4.04‰). The increase in P15N of periphyton might reflect the increase in relative contribution by sewage and livestock waste, especially the increase in fertilizer. P13C also varied with pollutants and periphyton density, especially from farmlands. P13C from well-cultivated regions, Nerin stream(-16.91‰) was lighter than woodlands, So-yang river(-17.03‰) and Buk-stream(-14.91‰). and Inbuk-stream had the heaviest P13C value(-14.16±1.5‰). In this study, we performed the experiment of separating periphyton from substrates with detritus and bacterium before analyzing stable isotopes of periphyton samples. Results of comparing general samples and samples separated from substrates, showed that the relationship between separated samples and peripyton's density(r2=0.309, P<0.05) is more significant than between general samples and peripyton's density(r2=0.32, P>0.05). Isotopic fractionation, according to detritus and bacterium, made this different results. In the So-yang lake upriver, Inbuk stream basin and Nerin stream basin, anthropogenic N loading into the river increased from farmlands and military camp and its composition changes downstream. Therefore, the present study indicates the usefulness of the N stable isotope ratio of periphyton as an indicator for monitoring N sources in a river system.