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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.48 No.2 pp.115-121
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2015.48.2.115

Analysis of the Epilithic Diatom Community and Comparison of Water Quality in the Kumho River

Jaesin Choi, Hyunsik Chae, Han-soon Kim*
Department of Biology, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea
Corresponding author: Tel: +82-53-950-5344, Fax: +82-53-953-3066, kimhsu@knu.ac.kr
April 6, 2015 June 5, 2015 June 6, 2015

Abstract

In order to assess the water quality of Kumho river using Diatom Assemblage Index to organic water pollution (DAIpo) and to campare from the previous water quality, 5 sites in Kumho river were selected and assessed total of 6 times, every April and September from April 2010 to September 2012. As a result, 116 taxa were found in 2 Order, 3 Suborder, 7 Families, 26 Genera, 103 species and 13 varieties. Saprophilous species of 10 dominant species including Achnanthes minutissima, were increased as going to downstream sites. Correlation coefficients (r) between epilithic diatom communities and physicochemical factors were from - 0.62 to 0.71. Correlation coefficients (r) between TN and diatom indices (DAIpo, TDI) were 0.57 and 0.65, respectively. Therefore, epilithic diatom communities were greatly influenced by TN. The Correlation between DAIpo and TDI measured to be high in correlation coefficient (r=0.62) from the result of correlation analysis. Mean of DAIpo values ranged between 37.24 ~ 74.98 and decreased as going to downstream sites. Saprobic level was estimated as β-oligosaprobic at st. 1, α-oligosaprobic at st. 2 and β-mesosaprobic at st. 3. But st. 4 and 5 which were α-mesosaprobic and polysaprobic in the previous results, were improved as β-mesosaprobic. The RPId, general assessment of the water quality using DAIpo, was 52.27, which means the water quality of Kumho river was middle level.


금호강의 부 착규조 군집분석과 수 질 변화비교

최 재신, 채 현식, 김 한순*
경북대학교 생물학과

초록


    Ministry of Environment

    서 론

    하천생태계의 중요한 생산자인 부착규조류는 수계의 제 반 환경에 따라 정량적 변화를 보이며, 이동성이 없어 천 이 초기부터 전 생활사 동안의 장기간의 수환경 변화를 종 합적으로 반영할 수 있는 특성을 가지고 있기 때문에 수질 을 평가하는 지표생물로 많이 이용되어 왔다 (Descy, 1979; Watanabe et al., 1990). 특히 하천 생태계의 건강성 평가 를 위해서 미국과 유럽에서는 부착규조 군집에 기초한 지 수들이 개발되어 수질 평가에 성공적으로 사용되고 있고, 하천 건강성 평가를 위한 기준으로 이용되고 있다 (Lange- Bertalot, 1979; Kelly and Whitton, 1995; Isabelle et al., 2009). 우리나라에서는 부착규조를 이용한 하천의 수질 평 가 방법들 중에서 Watanabe and Asai (1990)가 제안한 유 기오탁의 내성 정도에 따른 생태별 분류군을 이용하는 방 법 (DAIpo)과 Kelly and Whitton (1995)이 제안한 영양염 지수 (TDI)를 이용한 생물학적 수질 평가가 많이 사용되고 있다 (Hwang et al., 2006; Kim et al., 2009; Kim and Lee, 2010; Kim and Won, 2011; Kim et al., 2012; Park et al., 2014).

    우리나라 4대강 중의 하나인 낙동강의 수질에 가장 큰 영향을 미치는 금호강에 대한 생물학적 수질 평가는 저 서 무척추동물 (Yoon et al., 1992)과 담수어류 (Kang et al., 2001)에 의한 것이 있으며, 부착규조에 의한 연구는 금호 강의 지류인 신천 (Chung et al., 1985; Choi et al., 1993; Choi et al., 1998), 동화천 (Hong and Chung, 1990)의 수 질 평가가 있었다. 금호강 본류에 대한 연구는 Kim (1989) 에 의한 NDCI를 통한 수질 평가와 Lee and Chung (1992), Chung et al. (1993)에 의한 DAIpo (Diatom Assemblage Index of Organic Water Pollution)에 의한 평가가 있었으나 2000년대 이후에는 더 이상의 연구가 진행되지 않았다. 또 한 이들의 연구들은 금호강의 중, 하류에만 조사정점을 선 정하여 금호강 전반의 수질을 평가할 수 있는 조사는 이루 어지지 않았다. 금호강은 낙동강의 영양염 부하에 가장 큰 영향을 미치고 있으며, 낙동강 페놀 사건 (1991) 및 1994년 수돗물 악취 파동 이후 정부와 대구시는 금호강 수질 개선 사업을 수행해 오고 있다.

    본 연구는 대도시 하천이며 낙동강의 주요 지류인 금호 강의 수질과 건강성 정도를 부착규조 군집을 이용한 유기 오탁지수 (DAIpo)와 영얌염 지수 (TDI)로 평가하였고, 수 질개선 사업 이전에 조사된 Chung et al. (1993)의 부착규 조 군집과 수질을 비교하고, 전반적인 수질 변화를 RPId (River Pollution Index based on DAIpo. Watanabe et al., 2005)로 평가하였다.

    조사 지 역 및 방 법

    금호강은 경북 포항시 죽장면 입암리에서 발원하여 경 북 달성군 죽곡동에서 낙동강과 합류하며 유역면적은 2,087.9 km2이고 본류의 길이가 118.4 km인 낙동강에서 두 번째로 긴 지류이다. 영천시, 경산시와 대구시를 관류하고 있는 금호강은 수계 주변의 각종 오염원에 의해 심하게 부 영양화되어 낙동강 오염의 주 요인이 되고 있다. 시료의 채집은 금호강 본류의 5개 정점을 선정하여 2010년 4월에 서 2012년 9월까지 매년 4월과 9월에 실시하였는데 정점 1은 2010년 9월에 채집을 하지 못하였다 (Fig. 1).

    이화학적 요인으로 수온과 전기전도도는 WTW-LF91 membrane EC meter로, pH는 HI8314 membrane pH meter 를 사용하여 현장에서 측정하였다. 시료의 채집은 수심 10~30 cm에서 상면이 편평한 돌을 선정하여 상면을 솔로 긁어 정량 채집을 하였다. 채집한 시료는 영구표본을 제작 하기 위해 Permanganate method (Hendey, 1974)로 세정하 였고 Pleurax로 봉입하였다. 출현종의 동정과 상대빈도 등 을 구하기 위하여 광학현미경 (Zeiss Axioskop 2) 1,000배 하에서 검경 및 계수하였다. 군집분석은 각 정점마다 출현 종의 상대빈도를 이용하여 Shannon-Weaver (1963)의 다양 도지수와 Simpson (1949)의 우점도지수를 구하였고 통계 분석은 SPSS (12.0) 프로그램을 사용하였다.

    금호강의 수질은 부착규조의 생태군별 상대빈도를 이용 한 생물학적 수질모니터링 방법인 유기오탁지수 (DAIpo) 와 영양염지수 (TDI)로 산출하였으며, 이를 이전의 연구 (Chung et al., 1993)와 비교하여 수질 변화의 양상을 분석 하였다. 또한 각 정점의 DAIpo를 이용하여 하천 전체의 수질 변화를 한 눈에 알아볼 수 있는 오염지도를 작성하였 고, 길이가 다른 하천들간의 수질오염 정도를 수치로 쉽게 알 수 있는 RPId를 구하여 금호강의 종합적인 수질 정도 를 평가하였다.

    Diatom Assemblage Index (DAIpo): Watanabe et al., (2005)

    DAIpo=50+0.5 x ( Σ Xi- Σ Sj) ΣXi: 모든 조사지점에서 모든 호청수성종의 상대 풍부 도 (%)의 합

    ΣSj: 모든 조사지점에서 모든 호오탁성종의 상대 풍부 도 (%)의 합

    결과 및 고 찰

    1.이화학적 요인

    본 조사에서 평균 수온은 4월보다 9월이 더 높아 계절 성을 보였으며 정점 2에서 수온의 변화폭이 크게 나타났 는데, 이는 정점 2는 영천댐의 방류수의 영향을 받은 것으 로 판단되며 상류에서 하류로 갈수록 수온이 조금씩 높아 졌다. 평균 pH는 정점 1에서 7.62로 가장 낮게 나타났으 며 정점 4에서 8.21로 가장 높게 나타났고 대체적으로 약 알칼리성을 나타내었다. 평균 전기전도도는 정점 1에서 74.82 μS cm-1을, 정점 5에서는 589.8 μS cm-1을 나타내어 상류에서 하류로 갈수록 그 수치가 증가하고 변화의 폭도 크게 나타났다 (Table 1).

    2.부착규조 군집

    조사기간을 통하여 출현한 부착규조는 116종이였으며, 이는 Simonsen (1979)의 분류체계에 따라 2목, 3아목, 7과, 26속, 103종, 13변종으로 분류되었다. 출현한 종 수는 2011 년 9월의 정점 1에서 5종으로 가장 적은 종이 출현하였고, 2011년 4월의 정점 5에서 42종으로 가장 많은 종이 출현 하였다 (Table 2). 또한, 전체적으로 4월이 9월보다 많은 종 이 출현하는 계절적 변화를 보였으며 상류에서 하류로 갈 수록 출현종이 증가되는 양상을 보였다. 종다양성지수와 우점도지수는 서로 상반되는 양상을 보였으며, 종다양성지 수는 정점 3에서 2.03으로 가장 높았으며, 정점 2에서 1.1 로 가장 낮았다. 우점도지수는 정점 2에서 0.55로 가장 높 았고 정점 1에서 0.24로 가장 낮게 나타났다. 또 정점 2의 종다양성지수가 급격히 낮아지고 우점도지수가 가장 높게 나타난 것은 Achnanthes minutissima가 초우점했기 때문이 다 (Fig. 2).

    주요 우점종은 호청수성종인 Achnanthes convergens, Cocconeis placentula var. euglypta, Cocconeis placentula var. lineata와 광적응성종인 Achnanthes minutissima, Navicula gregaria, Navicula minima, Nitzschia fonticola, Nitzschia inconspicua가 우점하였으며, 하류 정점들에서는 호 오탁성종인 Fragilaria construens var. venter, Navicula subminuscula 등이 우점하였다. 정점별 우점종의 변화는 정 점 1에서 호청수성종인 Achnanthes convergens, Cocconeis placentula var. lineata와 광적응성종인 Achnanthes minutissima, Nitzschia fonticola가 우점하였고 호오탁성종은 출현하지 않았다. 정점 2는 조사기간 동안 광적응성종 인 Achnanthes minutissima가 72.73% ~82.66%의 범위 로 높은 우점도를 나타내었고, 2010년 4월과 2012년 9월 만 Achnanthes convergens가 40.18%와 70.47%로 우점 하였으나 Achnanthes minutissima가 39.93%와 14.89% 로 각각 아우점 하였다. 이전 연구 (Chung et al., 1993)에 서도 정점 2는 Achnanthes minutissima가 46.3%와 33.1% 로 우점하여 우점종의 변화가 거의 없는 안정된 수계를 유지하고 있는 것으로 나타났다. 정점 3은 호청수성종인 Cocconeis placentula var. euglypta, 광적응성종인 Navicula gregaria, Nitzschia fonticola, 호오탁성종인 Navicula subminuscula 등 다양한 종들이 우점하였는데, 이전 연구에 서는 광적응성종인 Nitzschia fonticola와 호오탁성종인 Nitzschia amphibia가 우점하였다. 하류 정점인 정점 4와 5는 광적응성종인 Navicula gregaria, Navicula minima, Nitzschia fonticola, Nitzschia inconspicua와 호오탁성종인 Fragilaria construens var. venter, Navicula subminuscula가 우점하였고 호청수성종은 우점하지 않았다. 이전 연구에서 는 Cyclotella meneghiniana, Navicula accomoda, Nitzschia palea, Nitzschia amphibia가 우점하였는데 이 종들 중 Navicula accomoda, Nitzschia palea, Nitzschia amphibia는 강 부수성수역에 출현하는 종 (Park et al., 2004; Watanabe et al., 2005)으로 이번 연구에서는 출현 빈도도 낮아져서 우 점종의 변화가 뚜렷하였다.

    본 조사 기간 동안 출현한 총 116종은 오탁 내성도에 따 라 Cocconeis placentula var. lineata를 포함하는 호청수성 종 41종, Achnanthes minutissima를 포함하는 광적응성종 60종과 Navicula subminuscula를 포함하는 호오탁성종 15 종으로 분류 (Watanabe et al., 2005) 되었다. 조사 지점에 따른 생태군별 구성비는 광적응성종이 39.45%~64.94% 를 차지하였고 하류로 갈수록 호청수성종이 54.06%에서 8.96%로 줄어들고 호오탁성종은 0.48% ~41.09%로 증 가하였다 (Fig. 3B). 이전 연구와 비교하면 전반적으로 호 청수성종이 많아지고, 호오탁성종이 감소하여 수질이 다 소 개선되었다. 정점 2는 이전보다 광적응성종의 비가 조 금 감소하고 호청수성종의 비가 증가하였으나 호오탁성 종이 거의 출현하지 않았는데, 이는 주변 지역에서의 오 염 유입이 많이 줄어든 것과 정수성 댐의 영향으로 판단된 다. 정점 3이 이전에 비해 호오탁성종이 증가한 것은 도시 확장 및 산업시설의 증가로 영양염의 농도가 증가했기 때 문으로 추측된다. 정점 4와 5는 이전보다 호청수성종과 광 적응성종의 비가 증가하면서 호오탁성종의 비가 줄어들었 다. 전체적으로 상류에서 하류로 갈수록 호청수성종의 비 가 줄고 호오탁성종의 비가 늘어나는 전형적인 자연형 하 천의 생물군집의 생태구조를 나타내었다.

    3.생물학적 수질 평가

    부착규조 군집과 이화학적 요인과의 상관관계 (r)는 - 0.62~ 0.71의 범위로 상관성의 범위가 넓었다. 총질소 는 BOD와는 0.71로, 전기전도도와는 0.70으로 높은 양의 상관성을 나타내었지만 pH와 DO는 다른 요인들과 상관 이 없는 것으로 나타났다. 규조지수인 DAIpo와 TDI와의 관계는 0.62로 높은 음의 상관성을 나타내어 Hwang et al. (2006)의 연구에서 두 지수의 상관계수가 0.65인 결과와 유사하였다. 또 두 지수 모두 다른 요인들보다 총질소와 총인에 대하여 0.47~ 0.65의 범위로 높은 상관관계를 나 타내었는데, 특히, DAIpo와 총질소는 0.57의 상관을 나타 내었고 총인과는 0.52의 상관을 나타내었다. TDI도 총인보 다 총질소와 0.65의 높은 상관성을 나타내어 금호강은 총 인보다 총질소의 영향을 더 받는 것으로 나타나 Park et al. (2014)의 결과와 일치하였다 (Table 3).

    DAIpo는 2011년 9월의 정점 1에서 94.45로 가장 높았 으며, 2012년 9월에 정점 4에서 17.91로 가장 낮았다. TDI 는 2010년 9월의 정점 5에서 90.84로 가장 높았으며, 2010 년 4월의 정점 1에서 28.99로 가장 낮았다. 전 조사기간의 평균DAIpo는 상류인 정점 1에서 74.98로 가장 높았고 영 천댐을 지난 정점 2는 67.05였다. 정점 3은 46.00으로 평 균DAIpo가 낮아졌는데 이는 영천시를 지나면서 하양읍과 진량읍 등에서 나온 오염물질이 유입된 것으로 여겨진다. 경산시를 관류하는 남천이 유입되는 정점 4의 평균DAIpo 는 37.24였다. 대구 도심의 생활하수가 유입되는 신천과 대구시에 위치한 공단 (3공단, 서대구공단, 염색공단)들의 폐수 등이 달서천을 통해 유입되는 정점 5는 평균DAIpo 가 37.81로 상류에서 하류로 갈수록 수치가 낮아지는 경향 을 보였다. 평균DAIpo의 변이 정도가 정점 3과 4에서 넓 은 것은 정점 주변에 밀집된 도시의 영향인 것으로 판단 된다 (Fig. 4). 평균TDI는 정점 1에서 44.04였고 정점 2에 서 33.39로 가장 낮았다. 정점 3은 69.4로 평균TDI가 높아 졌으며 정점 4는 78.68이였다. 정점 5의 평균TDI는 80.9로 가장 높아 상류에서 하류로 갈수록 수치가 높게 나타났으 며, 평균DAIpo와 평균TDI에 의한 금호강의 수질은 상류 에서 하류로 갈수록 오염이 되는 경향을 보였다.

    금호강의 이전 연구인 Chung et al. (1993)의 보고에 의 하면, 10월 (1991년)의 정점 2는 DAIpo가 61.92였고 정점 3은 47.43, 정점 4는 17.87, 정점 5는 5.74로 보고 되었으 며, 4월 (1992년)의 정점 2가 63.63, 정점 3이 43.10, 정점 4 는 14.42, 정점 5는 2.76으로 보고 되었다. 이번 조사의 결 과와 비교하면, 영천댐을 지난 정점 2에서의 평균DAIpo는 62.78이였고 이번 조사에는평균DAIpo가 67.05로 수질이 미세하지만 조금 개선되었는데 이는 안정된 수질 관리가 되고 있는 영천댐의 영향으로 판단된다. 반면 영천시를 지 난 후의 정점 3의 평균DAIpo는 45.27이였는데, 이번 조사 에서도 46.00으로 유사한 수질로 평가되었다. 하류의 정점 인 정점 4와 5의 평균DAIpo는 16.14와 4.25로 수질 오염 이 심하였으나 이번 조사에서 평균DAIpo는 37.24와 37.81 로 나타나 하류의 수질이 상당히 개선된 것으로 조사되었 다 (Fig. 5).

    Watanabe et al. (2005)에 의해 제안된 DAIpo값과 오염 계급과의 관계로 평가한 금호강의 정점별 평균수질은 상 류인 정점 1은 β-빈부수성수역이고, 정점 2는 α-빈부수성 수역이었다. 중류인 정점 3과 하류인 정점 4와 5는 β-중부 수성수역이나 하류로 갈수록 오염이 되는 경향을 나타내 었다. 이전 연구에 비해 정점 2는 α-빈부수성수역으로 오 염계급의 변화는 없었으나 수질이 조금 개선되었고 정점 4와 5는 α-중부수성수역과 강부수성수역으로 수질오염이 심하였으나 이번 조사에서 β-중부수성수역으로 나타나 하 류의 수질이 상당히 개선된 것으로 나타났다. 최근 Park et al. (2014)에 의하면, 1991년에 중, 하류 지역이 매우 오염 된 신천이 1997년부터 2007년까지 상당히 수질이 개선되 었다고 보고하여 이번 연구와 유사한 결과를 나타냈다.

    DAIpo를 이용해 산출된 RPId는 52.27로 금호강은 전 체적으로 중간 정도의 수질로 평가되었다. 또 각 정점의 DAIpo를 이용하여 하천 전체의 수질 양상을 알아볼 수 있는 오염지도를 통해 금호강의 이전 생물학적 수질 결 과와 비교하면 정점 2는 수질이 조금 개선되었는데 이는 2002년에 시행된 임하댐-영천댐 도수로 공사로 수량유지 가 향상되었기 때문인 것으로 판단된다. 정점 3은 이전 수 질과 거의 변화가 없는데, 이는 지천에만 하수처리시설이 있어서 본류 주변에 발달한 도시와 산업시설의 영향으로 수질개선에 큰 영향을 미치지 못한 것으로 판단된다. 한 편, 정점 4와 5는 이전에 비해 하수처리장의 증설 또는 신 설, 배출허용기준 강화 등의 영향으로 수질이 상당히 개선 (Yang, 2011) 되었지만 여전히 수질이 나빠서, 수질개선을 위해 영양염 제거가 필요하며 인구가 밀집한 정점 3의 오 폐수 유입에 대한 대책과 금호강 하류에 위치한 염색공단 등 대규모 공단시설로부터 유입되는 폐수의 처리 등 지속 적인 투자와 대책이 필요할 것으로 여겨진다.

    적 요

    부착규조 군집의 유기오탁지수 (DAIpo)에 의해 금호강 의 수질을 평가하고 이전 수질과 비교하기 위하여 금호강 에 5개의 정점을 선정하고, 2010년 4월부터 2012년 9월까 지 매년 4월과 9월 총 6회에 걸쳐 채집조사를 실시하였다. 116종이 출현하였으며 2목, 3아목, 7과, 26속, 103종, 13변 종으로 분류되었다. Achnanthes minutissima 등 10종이 우 점하였고 하류로 갈수록 호오탁성종이 늘어났다. 부착규조 군집과 이화학적 요인과의 상관관계 (r)는 -0.62 ~0.71 의 범위로 상관성의 범위가 넓었다. 두 규조지수 (DAIpo, TDI)가 총질소와 높은 상관성 (r=0.57, r=0.67)을 나타내 어 총질소가 부착규조 군집에 영향을 미치는 것으로 나타 났다. 상관분석 결과, DAIpo와 TDI는 상관계수 0.62로 나 타났다. 평균DAIpo는 37.24~ 74.98이었고 상류에서 하류 로 갈수록 수치가 낮아졌다. 금호강의 정점별 평균수질은 정점 1은 β-빈부수성수역, 정점 2는 α-빈부수성수역, 정점 3는 β-중부수성수역으로 이전의 수질과 변화가 거의 없었 다. 그러나 정점 4와 5는 α-중부수성수역과 강부수성수역 으로 수질오염이 심하였으나, 이번 조사에서 β-중부수성수 역으로 나타나 하류의 수질이 상당히 개선된 것으로 나타 났다. DAIpo를 이용한 종합적 수질평가인 RPId는 52.27로 금호강은 중간 정도의 수질로 평가되었다.

    Figure

    KSL-48-115_F1.gif

    A map showing the sampling sites in the Kumho river (♦: sewage treatment plant).

    KSL-48-115_F2.gif

    Mean species diversity (Hʹ) and dominant index (DI) of the epilithic diatom communities at each sampling site in the Kumho river.

    KSL-48-115_F3.gif

    Ecological groups (%) based on pollution tolerance at each sampling site during the surveyed period in the Kumho river (Sp: saprophilous taxa, In: Indifferent taxa, Sx: saproxenous taxa, A: 1993, B: mean of 2010~ 2012).

    KSL-48-115_F4.gif

    Fluctuation and mean values of DAIpo at each sampling site in the Kumho river.

    KSL-48-115_F5.gif

    Pollution map in the Kumho river.

    Table

    Mean values of physico-chemical factors at each sampling site in the Kumho river (n=6).

    Species number, DAIpo and TDI at each sampling site in the Kumho river.

    Pearson correlation coefficients (r) of diatom-based pollution indices (DAIpo and TDI) with physico-chemical factors in the Kumho river

    Cond.: conductivity,
    *: p<0.05
    **: p<0.01, N=28

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