2.1. 연구대상지역

의암호는 점오염원 및 비점오염원의 유입이 심하고 의암 호 좌안(공지천 하류)에 위치한 하수처리장 방류수가 호 내 로 유입되고 있어 수질이 악화되고 있는 실정이다(^{Lee, 2005}). 의암호는 외부로부터 유입되는 오염물질을 관리하여 수질을 개선하려는 연구가 많이 진행되었으나 개선에 대한 효과는 크지 않았으며(^{Huh et al., 2004}; ^{Park et al., 2013}), 녹조현상과 이취미에 의한 민원 발생이 빈번한 실정이다 (^{Lee et al., 2016}; ^{You, et al., 2013}). 메소코즘(mesocosm) 실험의 실험조(testbed) 설치 지점은 퇴적층이 충분하게 형 성되어 있고 휴면포자가 풍부하게 분포하고(자료 미제공), 조류발생 지역, 수심이 2 ~ 3 m로 낮아 설치가 용이한 지점 을 고려하여 의암호와 합류되는 공지천 하류로 선정하였다 (Fig. 1a).

Fig. 1. Location of Lake Uiam and installation site of mesocosm.

2.2. 조사 지점, 기간 및 실험 조건

조사 기간은 2015년 6월부터 10월까지였으며, 시료는 주 2회 채수하였다. 메소코즘 실험 조건은 퇴적물을 제거하지 않은 조건(TB-1)과 퇴적물 표층을 2 ~ 5 cm 제거한 조건 (TB-2), 실험조 외부 지점(TB-con)을 추가로 조사하여 대조 군으로 설정하였다(Fig. 1b).

2.3. 실험조 구조 및 설치

메소코즘의 각 실험조는 연간 수위변동(약 1 m)에 따라 상하이동이 되도록 부이를 부착하여 제작하였으며, 상하이 동이 원활하도록 설치하였다.

구조 및 형태는 1기당 육면체로서 가로 4 m, 세로 6 m, 높이 4.5 m로 운영하였으며, 내부로 조류유입 방지를 위해 4면을 조류차단막으로 감쌌다. 조류차단막은 나일론(400 μm)-플랑크톤네트(20 μm)-나일론(400 μm) 순으로 3중막으 로 제작하였다. 차단막 하부는 수심 변동에 의해 차단막이 들려 외부 물질이 유입되지 않도록 예상된 변동 수위보다 길게 차수막을 설치하였다. 실험조 설치는 실험 조건에 따 라 압축공기를 분사하여 퇴적물을 제거한 후 설치하였다.

2.4. 채수 및 분석 방법

일반 수질항목인 수온, pH, DO (Dissolved Oxygen), 전 기전도도는 다항목수질측정기(YSI, 6600, USA)를 사용하여 현장에서 측정하였다. 영양염류, 이취미 물질과 식물플랑크 톤 분석에 사용될 시료는 각 실험조 내부의 3곳을 설정하 여 플라스틱 채수기(4L, Wildco. USA)로 수심 0.5 m에서 채수한 후 2L씩을 현장에서 균질하게 혼합하였다. 혼합된 시료는 4 °C로 암·냉보관하여 실험실로 운반하여 분석하였 다. 총질소(total nitrogen, TN), 용존성 총질소(dissolved total nitrogen, DTN)와 총인(total phosphorus, TP), 용존성 총인 (dissolved total phosphorus, DTP)은 수질오염공정시험법 에 따라 분석하였으며(^{ME, 2016}), 이취미 물질(Geosmin)은 먹는물 수질감시항목 운영지침(^{ME, 2011})에 따라 GC/MS (Brunker, 450GC/320MS)를 이용하여 HS-SPME법으로 분 석하였다.

2.5. 식물플랑크톤 및 저서성대형무척추동물 분석

세 지점의 식물플랑크톤 분석용 시료는 Lugol's 용액으로 최종농도 2 %가 되도록 첨가, 고정하였다. 식물플랑크톤의 종조성과 출현량을 조사하기 위하여 고정된 시료는 식물플 랑크톤의 밀도에 따라 농축 또는 희석하였으며, 시료의 분 석은 Sedgwick-Rafter counting chamber를 사용하여 위상차 현미경(Nikon, Eclipse 80i, Japan)으로 100 ~ 1,000 배로 동 정 및 계수하였다. Fig. 2.

Fig. 2. Schematic diagram of testbed.

퇴적층 제거에 따른 서식 생물군의 변화를 파악하기 위 해서 저서성대형무척추동물을 분석하였으며, 채집은 퇴적물 을 제거하기 전인 2015년 6월 1일과 퇴적물 제거 후 2015 년 11월 2일에 실시하였다. 채집방법은 grab sampler를 사 용하여 가로 25 cm, 세로 25 cm 두께 5 cm를 채집하였으 며, 1 mm 체로 거른 후 현장에서 알코올로 최종농도가 95 % 용액이 되도록 고정하였다. 고정된 시료는 실험실로 운 반하여 고르기(sorting)하였으며, 80 % 알코올에 보존한 후 검경하였다.

3.1. 메소코즘 내·외부 수질환경인자 변동양상

두 가지 조건의 실험조(TB-1; 퇴적층 미제거, TB-2; 표층 제거)와 실험조 외부(TB-con)에 대한 주요 이화학적 수질 변화는 Fig. 3에 나타냈다. 실험기간 동안 평균 수온은 TB-1은 24.7 °C, TB-2는 24.7 °C, TB-con은 25.2 °C로 비슷 하였으며, 최소 17.0 °C에서 최대 30.3 °C였다. 시기별 변화 도 서로 유사한 변동을 보였으며, 실험시작부터 수온이 증 가하기 시작하여 8월 중순에 가장 높고 이후 감소하는 경 향을 나타내었다. pH는 실험기간 동안 평균이 8.5 ~ 8.6로 서 실험조 간에 서로 유사하였다. 실험조의 평균 DO는 TB-1에서 10.5 mg/L, TB-2에서 11.1 mg/L로 실험군별로 서 로 유사하였으며, 외부 지점인 TB-con도 11.8 mg/L로 실험 조와 비슷한 값을 보였다. 평균 전기전도도는 TB-1이 139 μS/cm, TB-2는 135 μS/cm였으며, 외부지점인 TB-con은 154 μS/cm로 실험조보다 높은 값을 나타내었다(Fig. 3). 전 기전도도는 수체 내에 이온의 농도에 좌우되며, 유입되는 하천이나 유입수에 영향을 받을 수 있다. 또한 전기전도도 의 차이를 통해 수체의 특징을 간접적으로 파악할 수 있다 (^{An, 2001}; ^{Wetzel, 2001}). 외부지점에 위치한 TB-con은 전 기전도도가 높은 공지천과 춘천하수처리장 방류수의 영향 으로 전기전도도가 실험조보다 높았으며, 이로 인해 실험조 내·외부의 수질 특성이 다르다는 것을 간접적으로 판단할 수 있었다.

Fig. 3. Variations of physico-chemical factors for testbeds (TB-1, TB-2) and outside (TB-con).

영양염류의 농도는 두 실험조 사이에서 차이가 적었으나, 외부지점은 상대적으로 높았다. 평균 TP 농도는 TB-1이 0.017 mg/L, TB-2는 0.017 mg/L이었나, TB-con은 공지천(6 월 ~ 10월 평균 0.055 mg/L)의 영향으로 평균 농도가 0.028 mg/L로 내부보다 39 % 이상 높았다(Fig. 4). DTP의 농도는 실험조에서 평균이 각각 0.010 mg/L로 같았으며, 외부지점 (TB-con)의 평균 농도도 0.011 mg/L로 실험조 지점과 유사 하였다.

Fig. 4. Variations of nutrients (TP, DTP, TN, DTN) concentrations for testbeds (TB-1, TB-2) and outside (TB-con).

실험조의 TN 농도는 조사기간 평균이 TB-1, TB-2, TB-con에서 각각 1.797 mg/L, 는 1.681 mg/L, 2.563 mg/L로 외부가 내부보다 30 % 이상 높은 값을 나타내었다. DTN 은 실험조 내부가 각각 평균 1.617, 1.826 mg/L로 외부 지 점인 TB-con(2.459 mg/L)보다 낮은 농도를 보였다. 시기별 질소의 농도변화는 조사시작부터 8월 말까지 지속적인 감 소를 보이다가 이후 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 4). 용출 실험에서 수체 내 질소는 퇴적물의 흡착, 미생물이나 macroalgae의 소비 등의 이유로 감소할 수 있다고 알려져 있으며(^{Cho and Chung 2007}; ^{Dalsgaard, 2003}; ^{Wu et al., 2008}), 습지와 같은 닫힌 수계에서 질소의 감소는 수생식물 과 미생물 등에 의한 소비, 탈질화 등에 의해 발생될 수 있다(^{Son et al., 2009}). 7월말부터 9월초까지 질소원이 감 소한 본 연구도 차단막으로 막혀 있는 실험지로서 질소원 이 퇴적물로 흡착되거나 부착조류, 수초 등의 생물에 의한 소비로 감소된 것으로 판단된다. 그러나 9월 이후 증가는 퇴적물에서 재용출이나 수초의 고사에 의한 질소원 증가와 유입원의 영향 및 유량의 희석도에 따른 영향을 원인으로 볼 수 있으나 정확한 원인에 대한 판단은 추가적인 조사가 필요한 것으로 보인다.

3.2. 메소코즘 내·외부 식물플랑크톤군집의 발생

TB-1의 식물플랑크톤 세포수는 369 ~ 12,256 cells/mL의 범위였고 규조류는 전체 세포수의 약 38 %, 녹조류는 47 % 의 상대출현빈도를 보였다. 6월초부터 Mougeotia 등의 녹 조류가 증가하기 시작하였고 7월에는 일시적으로 규조류의 세포수가 많아졌다. 이후 다시 Scenedesmus 등의 녹조류가 증가하였으나 9월부터는 전반적으로 세포수가 감소하였다. TB-2는 502 ~ 4,742 cells/mL로 다른 지점에 비해 적은 세 포수를 보였다. 분류군중 녹조류는 전체 세포수의 약 36 % 를 차지하여 가장 높은 상대출현 빈도를 나타내었다. 시기 별 식물플랑크톤은 7월과 8월에 녹조류가 우점을 보였다. 외부 지점인 TB-con은 2,110 ~ 15,403 cells/mL로 실험조의 두 지점보다 많은 세포수를 보였으며, 분류군 중 규조류가 전체 세포수 중 45 %를 차지하였다(Fig. 5). 실험조는 조류 차단막으로 쌓여있어 외부보다 수체의 움직임이 거의 없었 다. 이로 인하여 실험조 내부 지점은 정체성 수역에서 출 현하는 녹조류의 출현빈도가 높았다.

Fig. 5. Temporal variations of phytoplankton for testbeds (TB-1, TB-2) and outside (TB-con).

Anabaena, Microcystis 등의 남조류는 환경요인만 갖추 어 진다면 퇴적층에 존재하는 휴면세포 및 포자들이 발아 하여 증식할 수 있는 가능성을 지니고 있다. 그러나 남조 류 평균 세포수는 TB-1에서 40 cells/mL가, TB-2는 155 cells/mL로 외부지점인 TB-con(평균 576 cells/mL)에 비해 세포수가 적었다. TB-con은 공지천 하류에 위치하고 있어 영양염류의 농도가 높고 남조류의 발생이 높았던 공지천의 영향을 크게 받아서 많은 세포수의 남조류가 조사되었던 반면에 차단막으로 쌓여있는 TB-1과 TB-2는 모두 발생량 이 적었다. 퇴적물 제거 전 실험조 설치 지점에서 퇴적층 (깊이 0 ~ 10 cm)의 휴면포자는 14 cells/g이 존재하였다. 실 험조 설치 직후인 6월에 TB-1에서는 휴면포자가 30 cells/g 이 나타났으나 최적물을 제거한 TB-2에서는 3 cells/g으로 감 소된 결과를 보였다(미발표자료). 남조류의 발아(germination) 및 발생(recruitment)이 일어날 6월 초에 차단막으로 쌓여 있는 실험조는 수체의 혼합이 제한되어 있고 또한 외부에 서 부유물질, 유기물 등이 유입되지 못하기 때문에 물속으 로 투과된 빛에 대한 간섭이 적어 바닥까지 빛이 도달하였 다. Anabaena의 발아율은 광량이 200 μmol·m^-2·s^-1 이상으로 증가하면 현저히 감소하는 것으로 보고되어 있다(^{HGWMC, 2015}). 따라서 실험조 내부의 바닥층 광량이 400 μmol·m^-2·s^-1 이상 높은 상태가 유지되면서 Anabaena 등과 같은 남조류 의 휴면포자 및 세포의 발아를 방해한 것으로 판단된다. 또한 퇴적물 제거 전보다 제거 후 휴면포자가 감소되어 남 조류의 발생이 적었던 것으로 보인다.

실험기간 동안 실험조 내·외부에서 식물플랑크톤의 평균 세포수는 TB-1, TB-2, TB-con이 각각 2,625 cells/mL, 1,663 cells/mL, 6,177 cells/mL로 조사되어 퇴적물을 제거한 TB-2 가 제거되지 않은 TB-1보다 37 % 감소된 세포수를 보였다. 또한 실험조 외부 지점인 TB-con의 식물플랑크톤 세포수는 실험조보다 42 ~ 73 %가 많았다(Fig. 5). 구조물로 폐쇄된 현장 실험지에서 수생식물의 형성은 식물플랑크톤 증식을 억제하는 경향이 있다(^{Song et al., 2013}). 실험조 중 TB-1 과 TB-2의 경우에 안정된 수체로 인해 수생식물들이 성장 하였다. TB-2에서 수생식물은 식물플랑크톤의 성장이 활발 히 일어날 시기인 7월부터 바닥면에 수생식물이 형성하여 필수 미량원소의 소비 및 빛의 차단 등으로 인해 TB-2의 식물플랑크톤 생물량이 TB-1보다 적었던 것으로 판단된다 (^{Song et al., 2013}). 또한 퇴적물 제거 전·후 휴면포자의 수가 감소한 것으로 보아 퇴적물에 휴면상태로 존재하는 식 물플랑크톤의 감소가 TB-1보다 적은 TB-2의 식물플랑크톤 생물량의 원인이 될 수도 있는 것으로 보인다. 구조물로 막 힌 실험조는 내·외부가 차단되어 영양염류가 감소하였고, 이는 식물플랑크톤 증식의 억제로 이어져 실험조보다 외부 에서 더 많은 식물플랑크톤이 발생하였다. 넓은 구역의 퇴 적물 제거나 차단막 설치는 현장 적용에 문제점 발생할 수 있으나 식물플랑크톤 생물량의 감소효과가 있어 다른 연구 에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

3.3. 메소코즘 내·외부의 이취미 물질 변동

Geosmin은 이취미를 유발하는 물질로서 남조류와 방선균 등에서 발생하며(^{Cane et al., 2006}: ^{Sugiura et al., 1998}), 남 조류의 세포수나 성장단계에 따라 농도가 다르게 발생한다 (^{Kim et al., 2014}). Geosmin 평균 농도는 TB-1와 TB-2, TB-con에서 각각 7 ng/L, 10 ng/L, 23 ng/L로서 외부지점이 가장 높았다. 실험조의 geosmin 농도는 6월부터 7월초까지 증가하여 TB-1에서는 최대 19 ng/L, TB-2는 최대 51 ng/L를 보였으나 이후 급격히 감소하여 7월 중순부터는 10 ng/L 이 하의 낮은 농도를 유지하였다. 외부지점인 TB-con은 geosmin 농도가 지속적으로 증가하여 7월말에 최대 56 ng/L까지 증 가한 후 9월 중순까지 20 ng/L 이상의 높은 농도를 보였다 (Fig. 6). 실험조의 설치로 인한 안정화된 수체가 조류의 발 생을 억제하여 geosmin 농도는 남조류의 발생량이 많은 외 부에서 높고 실험조에서 낮은 것으로 판단된다.

Fig. 6. Variations of geosmin concentrations for testbeds (TB-1, TB-2) and outside (TB-con).

3.4. 퇴적층 제거 전·후 저서성대형무척추동물 군집 생물상

퇴적층 제거 전 채집한 시료에서 저서성대형무척추동물 군집 생물상은 환형동물문의 실지렁이 4.3 Ind./m², 절지동 물문의 깔다구 72.2 Ind./m², 깔다구(붉은형) 0.5 Ind./m²로 총 77 Ind./m²이 출현하였으며, 단순하고 안정된 하상에서 높은 밀도로 출현하는 깔다구가 극우점을 보였다. 실험조 설치 후 5개월이 지난 시점에서 실험조 내·외부 지점의 퇴 적물에서 관찰된 저서성대형무척추동물은 TB-1에서 주름다 슬기 0.5 Ind./m², 재첩 2.2 Ind./m², 실지렁이 37.2 Ind./m², 동 양하루살이 0.5 Ind./m², 깔다구 70 Ind./m², 별날도래 0.5 Ind./m²로 총 6종이 110.9 Ind./m²이었다. TB-2는 실지렁이 17.8 Ind./m², 깔다구 15.6 Ind./m²로 총 2종으로 33.4 Ind./m² 이었고, TB-con은 재첩 1.1 Ind./m², 실지렁이 15.6 Ind./m², 깔다구 9.2 Ind./m², 깔다구(붉은형) 1.6 Ind./m²로 총 4종에 27.5 Ind./m²이었다(Table 1). 저서성대형무척추동물은 퇴적 물 깊은 곳(깊이 30 cm)까지 서식할 수 있기 때문에(^{Zhong et al. 2008}) 퇴적물이 2 ~ 5 cm 제거된 TB-2에서는 완전히 제거지 않은 것으로 보인다. TB-1과 TB-2는 차단막으로 인 해 수체가 안정화되어 외부 지점인 TB-con보다 군집이 다 양해지고 생물량이 증가한 것으로 판단된다. 다만 계절이 다른 시기에 1회 조사로 국한되어 현장의 모든 경우를 대 변할 수는 없으나 퇴적물 제거가 깊이에 따라 저서성대형 무척추동물 군집에 다르게 영향을 미칠 수 있으며, 실험조 와 같은 구조물의 설치는 저서성무척추동물의 서식처에 안 정을 주어 군집의 발달에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다.