2.1. 조사 지점 및 조사 시기

본 연구는 낙동강 상류 지역인 경상북도 봉화군 석포면 및 소천면 일대 7개 지점을 선정하여 2016년 8월 26일에 인공 기질을 설치하였으며, 그 후 7일 간격인 2016년 9월 2일, 9일, 16일, 23일에 기질 수거 및 수질항목 조사를 실 시하였다 (Table 1). 조사 지역의 상류 지점인 st.1 - 3은 중 금속 유입의 대조 하천으로 선정하였으며, st.4 지점은 제 련소의 배출구가 인근에 위치하여 중금속 유입이 우려되는 지점이다. st.5 - 7은 제련소의 하류 구간으로 직·간접적인 영향이 예상되는 지역이다 (Fig. 1).

Fig. 1. Map Showing the Sampling Stations in the Upper Region of the Nakdong River.

2.2. 인공 기질 제작 및 설치

부착규조는 기질에 따른 부착 특성 및 천이 양상이 다르 기 때문에 기질 선택이 매우 중요하며 (^{Choi et al., 2004}), 천이 과정에 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위해 군집 형성 과정에 대한 이해는 인공 기질의 사용이 필요하다 (^{Danilov and Ekelund, 2001}). 본 연구에서는 유리를 인공 기질로 선 택하여 22 cm × 7 cm로 제작하였으며, 하천의 흐름에 인공 기질이 손상되지 않도록 수평 방향으로 설치하였고, 벽돌을 이용하여 하상에 고정하였다. 설치된 지점은 평균 수심이 약 30 cm 정도가 되는 곳을 선정하였다 (Fig. 2).

Fig. 2. Artificial Substrates for the Algal Attachment and the Plastic Racks Immersed in the Water Columns at the 7 Sites, Each Containing 4 Glass Substrates.

2.3. 부착규조 및 환경요인 분석

부착규조 시료는 인공 기질인 유리판의 양면을 솔로 긁 어 채집하였고 포르말린 용액으로 고정하였다. 정량 분석은 Sedwick-Rafter chamber를 사용하여 출현 세포수를 ml 당 세포수로 계수하였다 (^{Schoen, 1988}). 종의 동정을 위해 영구 표본을 제작하였으며, 시료의 세정은 KMnO₄ 법 (^{Hendey, 1974})을 사용하였고, Pleurax로 봉입하였다. 제작된 슬라이 드는 광학현미경(Nikon Eclipse 80i)으로 400 ~ 1000 배하에 서 관찰하였고, 디지털카메라(Nikon DS-5M)로 촬영하였다. 출현종의 동정은 Krammer and Lange-Bertalot (¹⁹⁸⁶, ¹⁹⁸⁸, ^1991a, ^1991b)를 주로 이용하였고, 분류 체계는 ^{Simonsen (1979)} 체계에 따라 분류하였다.

이·화학적 환경요인 중 수온, 전기전도도 (EC), pH, 용존 산소농도 (DO)는 현장 수질 측정기 (YSI556MPS), 유속은 CR-7 유속계 (YOKOGAWA)를 각각 사용하여 현장에서 측정하였다. 채수한 시료는 실험실로 운반하여 수질오염공 정시험방법 (^{MOE, 2011})에 따라 BOD, NO₂-N, NO₃-N, NH₃-N, PO₄-P, Chl-a, AFDM (ash free dry matter)과 중금 속 항목 아연 (Zn), 카드뮴 (Cd), 비소 (As)를 분석하였다.

2.4. 통계 분석

부착규조의 군집 변화와 환경요인간의 상관관계를 비교 해 보기 위한 정준대응분석 (Canonical Correspondence Analysis)은 CANOCO (Canonical Community Ordination) 프로그램 (v. 4.5; Ter Braak and Šmilauer, 2002)을 사용하 였다. 수질 항목 중 부착규조 군집에 영향을 미칠 수 있는 항목으로 수온, pH, EC, DO, BOD, 유속, Zn, Chl-a, AFDM, NO₃-N, NH₃-N, NO₂-N, PO₄-P 등 13개 요인을 선 발하였으며, 출현이 확인된 52종의 부착규조 중 상대적으 로 출현 밀도가 높은 16종을 선별하였다. 부착규조 군집과 각 환경요인간의 유의성은 SPSS (v.18, Korea)를 이용하였 으며, 유의 수준은 0.05를 기준으로 하였다.

3.1. 이·화학적 환경요인 및 생물량 변화

조사 기간 동안 이·화학적 환경요인의 조사 결과는 Table 2와 같았다. 현장 수질 항목 중 수온은 평균 18.6 °C로 조사 기간 동안 큰 변화를 보이지 않았고, pH는 7.3 ~ 8.8의 범위 로 유사하게 나타났다. BOD는 0.23 mgL^-1 ~ 1.64 mgL^-1의 범위로 하천생활환경기준 (환경정책기본법 시행령 환경기 준 제2조)에 의해 ‘좋음 (Ib)’의 등급에 해당되었다. 전기전 도도는 평균 250 μS cm^-1으로 조사 시기별로는 큰 차이를 보이지 않았으나, 조사 지점별로는 대조 지점 (st.1 - st.3, st.7)과 중금속 검출 지점 (st.4 - st.6)에서 각각 208 μS cm^-1 와 306 μS cm^-1으로 조사되어 다소 차이를 보였다. 영양염 류 항목 중 NH₃-N와 NO₃-N는 각각 평균 0.157 mg L^-1과 0.255 mg L^-1로 나타났으며, NO₂-N는 평균 0.021 mg L^-1로 분석되었다. PO₄-P는 평균 0.003 ~ 0.010 mg L^-1의 범위로 조사되었다. 본 조사의 영양염류 농도는 하천 차수가 비슷 한 국내 다른 수계의 하천과 비교하여 낮은 것으로 조사되 어 비교적 수질이 양호하였다 (^{Cho et al., 2012}; ^{Huh et al., 1999}; ^{Hwang et al., 2006}). 조사 지점의 유속은 17.5 cm sec^-1 ~ 87.5 cm sec^-1의 범위 (평균 38.2 cm sec^-1)로 확인 되었으며, 대조 지점 (st.1 - st.3, st.7)과 중금속 검출 지점 (st.4 - st.6)에서 각각 평균 37.2 cm sec^-1와 39.5 cm sec^-1로 조사되어 큰 차이가 없었다 (Table 2).

부착규조의 생물량을 대변하는 클로로필-α와 AFDM은 전 지점에서 모두 천이가 진행될수록 증가하는 것으로 나 타났다. 천이 초기인 1 ~ 2주에 비교적 빠른 증가폭을 보였 으며, 이후 점차 둔화되었다. 클로로필-a 농도는 0.09 μg cm^-2 ~ 3.09 μg cm^-2의 범위 (평균 1.64 μg cm^-2)였으며, AFDM은 0.34 mg cm^-2 ~ 1.35 mg cm^-2의 범위 (평균 0.64 mg cm^-2)로 조사되어 비교적 생물량이 낮았다. 본 조사 지 점은 유속이 빠르고 영양염 및 유기물에 의한 오염도가 낮 으며, 생물량이 비교적 적은 것으로 조사되었다. 이러한 특징 은 하천 상류에서 나타나는 전형적인 특징이다 (^{Kalf, 2002}) (Fig. 3).

Fig. 3. Ash-free Dry Mass (AFDM) Values and Chlorophyll-α (Chl-a) Concentrations in the Biofilms of the Different Sites During the Experiment

중금속 항목 중 카드뮴 (Cd)과 비소 (As)는 전 조사 지 점에서 검출되지 않았다. 아연 (Zn)의 경우, 대조 지점인 st.1 - st.3과 st.7에서는 검출되지 않았으나, 중금속 검출 지 점인 st.4 - st.6에서는 평균 0.033 mg L^-1의 농도로 검출되 었다. 지점별로는 제련소의 배출구가 인근에 위치한 st.4에 서 평균 0.119 mg L^-1로 가장 높게 나타났으며, 배출구에서 멀어질수록 감소되는 경향을 보였다 (Table 2). 부착규조 성장을 위한 필수 중금속 (Fe, Zn, Cu 등) 농도의 최적 범 위는 일반적으로 좁다 (^{Filippis and Pallaghy, 1994}; ^{George, 1990}; ^{Martin and Coughtrey, 1982}). 일부 부착규 조 분류군의 경우, 0.00065 ~ 0.065 μg L^-1의 아연 농도의 범 위에서 최적의 성장을 보였으며, 그 이상의 농도에서 성장 에 영향을 받았다 (^{Anderson et al., 1978}). 따라서 중금속 은 극히 미량일지라도 부착규조의 물질대사를 방해하여 형 태 변이를 유발할 수 있다 (^{Morin, 2003}).

3.2. 부착규조 종조성 변화

본 연구에서 출현한 부착규조는 52종이였으며, 이는 ^{Simonsen (1979)}의 분류 체계에 따라 2목, 3아목, 7과, 18속, 41종, 11변종으로 분류되었다. 중심 규조목 (Centrales)은 총 2종 으로 전체의 3.8 %였으며, 우상 규조목 (Pennales)는 총 50 종으로 전체의 96.2 %였다. 평균 출현종 수는 21종이었으 며, 전체적으로 상류에서 하류로 갈수록 출현종이 증가되는 양상을 보였다. 조사 기간 동안 출현한 총 52종은 오탁 내 성도에 따라 Achnanthes convergens를 포함하는 호청수성 종 23종, Achnanthes minutissima를 포함하는 광적응성종 20종과 Nitzschia palea를 포함하는 호오탁성종 9종으로 분 류되었다 (^{Watanabe et al., 2005}).

부착규조의 군집 형성 과정을 이해하기 위해 우점종 및 아우점종의 천이 특성을 분석하였다. 조사 기간 동안 우점 분류군의 변화는 Nitzschia palea (1주차) → Achnanthes minutissima (2 ~ 4주차)로 천이되는 양상을 보였으며, 아우 점종은 Achnanthes minutissima (1주차) → Nitzschia palea (2 ~ 3주차) → Achnanthes convergens (4주차) 순으로 변화 하였다. 본 조사 구간과 같이 수질이 비교적 양호하고 유 속이 빠른 하천에서 부착규조의 일반적인 천이 과정은 기 질에 부착하기 유리한 Achnanthes convergens, Cocconeis placentula 등과 같은 수평형 규조종 (horizontally positioned species)이 초기 우점 분류군으로 주로 출현한다 (^{Horne and Goldman, 1994}). 본 조사 구간과 같은 지점에서 수직 형 규조종 (vertically positioned species)인 Nitzsschia palea 의 초기 우점은 매우 이례적인 현상이라 할 수 있다 (^{Duong et al., 2010}; ^{Gold et al., 2003}). 우점 분류군의 분포 양상 은 지점별로도 뚜렷한 차이를 보였다. 중금속 유입 전 지 점인 st.1 - st.3에서는 Achnanthes convergens, Cocconeis placentula, Cocconeis placentula var. euglypta, Cocconeis placentula var. lineata가 전체 출현종의 47% 이상을 차지 하였으며, 이들은 중금속 오염에 민감성을 띄는 종으로 보 고되었다 (^{Falasco et al., 2009}). 중금속 검출 지점인 st.4 - st.6에서는 Nitzschia palea와 Achnanthes minutissima가 전 체 출현종의 40 % 이상을 차지하는 등 중금속 유입 전 지 점들과 상이한 차이를 보였으며 이들은 특히 중금속 오염 에 내성도가 높은 종으로 알려졌다 (^{Cantonati et al., 2014}; ^{Duong et al., 2010}; ^{Gold et al., 2003}; ^{Morin et al., 2007}; ^{Morin et al., 2012}). 본 조사의 최하류 지점인 st.7에서는 Achnanthes convergens가 전체 출현종의 35% 이상을 차지하며 중금속 오염에 민감성을 띄는 종의 비율 이 다시 증가하였다. 이러한 결과를 통해 중금속 유입이 부착규조의 종조성 변화에 직접적인 영향을 미치는 것으로 판단된다(Fig. 4).

Fig. 4. Relative Abundance of the 10 Major Diatom Species (> 9 %) within the Diatom Communities Collected at the 7 Sampling Stations of the Nakdong River During the Experiment. (ACON:Achnanthes convergens, AMIN:Achnanthes minutissima, ASUB:Achnanthes subhudsonis, CPED:Cocconeis pediculus, CPLA:Cocconeis placentula, CEUG:Cocconeis placentulavar.euglypta, CLIN:Cocconies placentulavar.lineata, MVAR:Melosira varians, NMIN:Navicula minima, and NITP:Nitzschia palea).

3.3. 부착규조 주요 출현종 및 환경요인 간의 관계

환경요인과의 상관관계를 나타내는 정준대응분석 (Canonical Correspondence Analysis) 결과, 제 1축과 2축에 의해 총 변이의 55.4 %가 설명되었으며, 종조성에 미치는 가장 큰 환경요인은 Zn으로 나타났다. 또한 Zn의 변화는 부착규 조 생체량 (클로로필-a) (r = 0.430, n = 28) 및 형태 변이종 출현 (r = 0.646, n = 28)과도 유의한 양의 상관성을 나타내 어 (p<0.05), 종조성과 함께 부착규조 군집 구조에 영향을 미치는 주요 요인으로 판단되었다. 부착규조와 환경요인 간의 CCA 결과를 살펴보면, Zn과 EC에 대하여 Navicula minima와 Nitzschia palea는 유의한 양 (+)의 관계를 형성 한 반면 (p<0.05), Cocconeis placentula var. euglypta, Cocconies placentula var. lineata는 유의한 음 (−)의 관계 를 형성하였다 (p<0.05). 유속에 대해 Fragilaria capucina, Fragilaria capucina var. rumpens, Fragilaria capucina var. vaucheriae는 유의한 음 (−)의 관계를 보였다 (p<0.05). 분 석에 대입된 부착규조 및 환경요인 항목을 대상으로 3개의 그룹으로 나누어졌다. 1그룹은 대부분 Zn이 검출되지 않았 던 st.1 - 3 지점이 속해 있었고, 1그룹의 분포 종으로는 Cocconeis placentula var. euglypta와 Cocconies placentula var. lineata 등이 분포하였다. 이들은 중금속 오염에 민감 성을 띄는 종으로 보고되었다 (^{Falasco et al., 2009}). 2그룹 은 Zn이 검출되었던 st.4 - 6지점들이 대부분 속해 있었고, Navicula minima와 Nitzschia palea가 분포하였다. 이들은 중금속 오염에 내성도가 높은 종으로 보고되었다 (^{Cantonati et al., 2014}; ^{Duong et al., 2010}; ^{Gold et al., 2003}; ^{Morin et al., 2007}; ^{Morin et al., 2012}). 3그룹은 st.3 - 7지점들이 속해 있었고, 대부분 4주차 조사에 해당되었다. 이는 천이 가 후기로 갈수록 안정화되어 여러 지점에서 군집 간의 구 조가 유사해진 것이라 사료된다. 3그룹의 분포 종으로는 Achnanthes convergens와 Gomphonema parvulum, Navicula cryptotenella 등이 있었으며, 이는 1그룹에 속한 종들에 비 해 비교적 중금속 오염에 대한 민감도가 낮을 것으로 판단 된다 (Fig. 5).

Fig. 5. Canonical-Correspondence-Analysis (CCA) Ordination of the Two Axes Showing the Scores for the Samples and the Environmental Variables. Each Sample is Represented by Four Letters (S: Station, W: Week, ACON:Achnanthes convergens, FCAP:Fragilaria capucina, FRUM:Fragilaria capucinavar.rumpense, FVAU:Fragilaria capucinavar.vaucheria, SULN:Synedra ulna, AMIN:Achnanthes minutissima, ASUB:Achnanthes subhudsonis, CPED:Cocconeis pediculus, CPLA:Cocconeis placentula, CLIN:Cocconies placentulavar.lineata, CEUG:Cocconeis placentulavar.euglypta, GPAR:Gomphonema parvulum, NCCE:Navicula cryptocephala, NCTE:Navicula cryptotenella, NMIN:Navicula minima, RSIN:Reimeria sinuata, NITF:Nitzschia fonticola, and NITP:Nitzschia palea).

3.4. 형태 변이종의 출현 양상

부착규조 형태 변이종의 출현은 중금속 오염의 유효한 지표로 이용될 수 있으며 (^{Cattaneo et al., 2004}; ^{Falasco et al., 2009}; ^{Pandey et al., 2014}), 중금속 오염이 부착규조 생육 에 생물학적 스트레스 요인으로 작용함을 시사한다 (^{Cantonati et al., 2014}; ^{Duong et al., 2010}; ^{Luís et al., 2011}). 본 조 사에서 출현한 형태 변이종의 상대빈도는 0.72 ~ 3.58 %로 나타났으며, 0.04 ~ 0.10 %의 ^{Pandey (2014)}와 3 %의 ^{Morin et al. (2008)}, 8 %의 ^{Lavoie et al. (2012)} 등 선행 연구들 에서 관찰된 형태 변이종의 비율과 유사하였다. 조사 기 간 동안 출현한 형태 변이종은 Achnanthes minutissima, Achnanthes convergens, Cocconeis placentula, Cocconeis placentula var. euglypta, Fragilaria capucina, Fragilaria capucina var. rumpens, Fragilaria capucina var. vaucheriae, Nitzschia palea로 총 8종이었으며, 이 중 Fragilaria 속의 분류군이 가장 많이 출현하였다 (Fig. 6). 형태 변이종의 출 현은 대조 지점인 st.1 - st.3과 st.7에서는 확인되지 않았으 나, 중금속 검출 지점인 st.4 - st.6에서 형태 변이종의 출현 이 확인되었고, 특히 st.4에서 그 출현 비율이 가장 높게 나 타났다. 한편, 시간에 따른 형태 변이종의 출현 빈도는 중 금속 노출 시간이 증가되는 4주차에서 가장 높은 것으로 조사되었다.

Fig. 6. Abnormal Individuals of theAchnanthes convergens(ACON),Achnanthes minutissima(AMIN),Cocconeis placentula(CPLA),Cocconeis placentulavar.euglypta(CEUG),Fragilaria capucina(FCAP), andFragilaria capucinavar.vaucheriae(FVAU) Collected from the Sampling Sites. (A): normal type; (B): abnormal type; Scale bar = 10 μm.

부착규조 형태 변이종의 유형은 비정상적인 뚜껑의 외 형 (valve outline)이나 비정상적인 등줄 (raphe), 점무늬열 (striae) 구조의 변형, 등줄안다리 (fibulae)의 이상 분포 등 의 특징으로 나누어진다 (^{Falasco et al., 2009}). 본 연구에 서 발견된 형태 변이종은 주로 비정상적인 뚜껑의 외형을 갖는 것으로 조사되었으며, 이러한 특징은 특히 Fragilaria 속에서 뚜렷하게 나타났다. 또한 Fragilaria 속의 형태 변 이종은 다른 분류군에 비해 중금속 유입 지점인 st.4에서 급격히 증가하였으며, 중금속 농도가 증가할수록 출현 빈도 가 증가하였다 (Table 3). 최근 연구에 따르면, Fragilaria 속의 형태 변이종은 중금속 오염 구간에서 다른 속에 비해 비교적 높은 형태 변이율을 보이며 (^{Duong et al., 2008}; ^{Lavoie et al., 2012}; ^{Morin et al., 2008}), 중금속 농도에 따 라 출현 빈도가 급격히 증가된다고 보고되고 있다 (^{Jonge et al., 2008}; ^{Silva et al., 2009}). 이는 향후 추가적인 연구 를 통해 중금속 오염을 나타내는 지표 생물로서 Fragilaria 속의 적용 가능성을 시사한다.