2.2.1. 용존유기물질 분자크기별 분리

분석을 위한 시료는 자동으로 LC-OCD로 주입되어 이동상 인 인산염완충액(Phosphate buffer, 1.1 mL/min)과 함께 SEC 컬럼(Toyopearl TSK, HW-50S, 250×20 mm)을 통과하면서 체류시간에 따라 분자량이 큰 물질부터 분리되었다. 단백질 과 다당류 등을 포함하는 생체고분자물질인 Biopolymers(≥ 20,000 g/mol)부터 치환된 페놀성분과 폴리카복실산의 혼합 물인 Humic substances(~1,000 g/mol), 휴믹물질의 가수분해 산물인 Building blocks(300~500 g/mol), 마지막으로 Low molecular weight acids(LMWA, ≤ 350 g/mol)및 알콜, 알데하 이드, 케톤 및 아미노산 등의 Low molecular weight neutrals (LMWN, ≤ 350 g/mol)까지 5개의 물질로 순차적으로 분리 되었다. 컬럼을 통해 분리된 물질은 먼저 UV_254nm 검출기에 의해 흡광도가 측정되고, 연속적으로 반응기(Thin Film Reactor, TFR)에서 산화제(Phosphoric acid)와 UV_185nm램프에 의해 이산 화탄소로 산화된 후 고감도 유기탄소 검출기(Organic Carbon Detector, OCD)를 통해 검출되었다.

또한, 휴믹물질의 방향족(Aromaticity) 특성을 나타내고 난 분해성 용존유기물질의 지표로 이용되는 SUVA_254nm(Specific Ultraviolet Absorbance at 254nm)는 컬럼을 통해 분리된 용 존유기물질에 대한 UV_254nm흡광도를 용존유기물질 농도로 나누어 계산되었다. SUVA_254nm가 4보다 크면 방향족성, 난분 해성 및 소수성이면서 분자량이 큰 토양기원(Pedogenic)의 외부생성(Allochthonous) 유기물질로 구분하고, SUVA_254nm가 2보다 작으면 낮은 방향족성, 생분해성 및 친수성을 갖고 분 자량이 작은 수중기원(Aquagenic)의 자생적(Autochthonous) 유기물질로 추정할 수 있다(^{Lee and Kim, 2018}).

2.2.2. 형광용존유기물질 분석

형광을 나타내는 DOM은 생물에서 기원하여 생화학적 작 용을 거치면서 만들어지는 방향족성 휴믹물질(Humic acids, Fulvic acids 등)과 단백질을 구성하는 아미노산 중에서 형광 을 띠는 물질들(Tryptophan, Tyrosine, Phenylalanine)이 있다 (^{Shin et al., 2014}). 일반적으로 복잡한 분자구조와 큰 분자 량, 공액이중결합이 증가할수록 강하고 긴 형광파장을 형성 하고, 분자구조가 간단하고 저분자량일수록 단파장 형광을 나 타낸다(^{Liu et al., 2018}). 다양한 여기파장(Excitation wavelength) 과 방출파장(Emission wavelength)에서 형광세기(Fluorescence intensity)를 측정하여 3차원 형태의 등고선으로 나타낸 것을 형광여기방출스펙트럼(Fluorescence Excitation Emission Matrix Spectra, FEEM spectra)이라 하고, 이는 전 파장에 대 한 형광 스펙트럼을 포함하고 있기 때문에 시료 중 형광용존 유기물질의 특성과 생성기원을 파악하는데 효율적으로 사용 된다(^{Hur et al., 2006}).

유기물질은 생성기원에 따라 외부유입 유기물질(Allochthonous organic matter)과 자생적 유기물질(Autochthonous organic matter) 로 구분되기도 한다. 외부유입 유기물질은 육상기원(Terrestrialderived) 물질로 미생물에 의해 분해된 낙엽이나 토양유기물 질 등이 그 기원이 되고, 자생적 유기물질은 조류(Algae)나 박테리아의 생리작용 및 자기분해에 의한 유기탄소 생성과 그 생물학적 분해에 의한 유기물질을 말한다(^{Hur et al., 2006}). FDOM은 유기물질의 생성기원을 식별하는 지표로 사 용되고 있으며 주로 육상기원의 외부유입 유기물질에서 유래 하는 휴믹계 형광용존유기물질(Humic-like FDOM, FDOM_H) 과 생물학적 생산(Biological production)에 의한 자생적 유기 물질에서 유래하는 단백질계 형광용존유기물질(Protein-like FDOM, FDOM_P)로 구분 할 수 있다(^{Lee and Kim, 2018}).

FEEM spectra를 얻기 위하여 형광분석기의 방출파장(Emission wavelength)을 240 nm~600 nm 범위에서 2.3 nm 간격으로 하여 형광스펙트럼을 자동으로 측정하였고, 이때 여기파장 (Excitation wavelength)은 240 nm~450 nm 범위에서 3 nm 간격으로 하고 적분시간(integration time)은 0.5 s 로 설정하였 다. 바탕 스펙트럼 보정을 위하여 분석할 때마다 3차 정제수에 대한 형광을 측정하여 시료의 형광세기에서 차감하였고, 릴 리산란효과 제거(Rayleigh scattering masking) 등 스펙트럼 적인 보정은 분석기기 매뉴얼에서 제시하는 방법을 따랐다.

3.2.1. CDOC 분리

LC-OCD에 의해 검출된 CDOC 농도는 1.183 mg/L~3.017 mg/L 범위로 7월에 최고 농도를 나타내었다. CDOC를 분리 한 결과 Humic substances가 41.3%~60.5%로 가장 많은 비 율을 차지하여 CDOC의 특성을 결정하는 것으로 나타났고, 그 다음으로 Building blocks 13.9%~23.5%, LMWN 13.7% ~24.5%, Biopolymers 5.4%~22.7%, LMWA 0.0%~1.2% 순으 로 존재하였다(Table 2). 계절적으로 7월에 Humic substances 농도가 뚜렷하게 증가하였고, Biopolymers는 가장 낮은 농도 를 나타내었다(Fig. 2(d)).

SUVA_254nm는 2.55 L/mg·m~4.04 L/mg·m 범위로 소수 성과 친수성, 토양기원과 수중기원, 방향족성이 높은 물질과 낮은 물질 등의 특성이 공존하는 것으로 판단되었다. 계절적 으로 1월부터 4월까지는 3 L/mg·m 이하(2.55 L/mg·m~2.92 L/mg·m)로 생분해성, 친수성 및 낮은 방향족성을 보 였고, 5월 이후 증가하여 7월에 최대 4.04 L/mg·m를 나타 내어 난분해성, 소수성 및 방향족 특성이 증가하였다.

^{Chae et al. (2004)}의 연구에서도 낙동강 원수는 겨울철과 봄철에는 친수성이 높게 나타나고, 여름철에는 소수성이 높 게 나타나는 경향을 보고하였고, ^{Kim et al. (2018)}은 낙동강 본류에서 SUVA_254nm는 5월에서 7월에는 3 L/mg·m 이하, 강우량이 증가하는 8월에는 3 L/mg·m 이상으로 증가하였 다고 보고한 바 있다. 그 외의 연구결과에서도 유역환경, 강 수량, 수온, 채수시기 등에 따라 유기물 조성은 서로 상이하 였으나 계절적으로 강우량이 많은 하절기에 UV흡광도를 유 발하는 휴믹과 펄빅산, 다른 방향족 유기물질 등의 유입으로 휴믹물질 농도와 SUVA_254nm가 상승하였다고 하였다(^{Choi and Lee, 2006}; ^{Park et al., 2018}; ^{Shin, 2014}).

3.2.2. FDOM 형광세기

용존유기물질의 형광세기를 측정하여 3차원 형광여기방출 스펙트럼을 얻을 수 있었으며 연구지점을 대표하여 대동화 명대교(DH) 지점에서의 월별 3차원 형광여기방출스펙트럼을 Fig. 3에 나타내었다. 각 시료마다 공통적인 여기파장(Ex.)과 방출파장(Em.)의 위치에서 식별 가능한 형광세기(Fluorescence Intensity)를 피크 피킹(Peak picking) 방법으로 인식하여 특 성화하였고(^{Song et al., 2019}), 공통적으로 4개의 파장영역 에서 뚜렷한 형광세기를 식별할 수 있었다.

Fig. 3. Seasonal variation of FEEM spectra at Daedong Hwamyeong bridge in the downstream Nakdong River.

식별된 형광피크 위치를 선행 연구에서 해석한 여기파장과 방출파장의 위치 특성과 비교하여 유사한 형광특성을 가진 파 장범위를 확인한 결과 2개의 휴믹계 형광성분[H1: Ex.(297~ 312)nm/Em.(387~424)nm, H2: Ex.240nm/Em.(406~438)nm] 과 2개의 단백질계 형광성분[H1: Ex.(297~312)nm/Em.(387~424)nm, H2: Ex.240nm/Em.(406~438)nm]으로 구분되었다. 휴믹계 형광성분인 H1과 H2는 육상기원 휴믹물질 또는 미 생물 분해에 의한 자생적 휴믹물질에 해당하였고, 단백질계 형광성분인 P1과 P2는 조류(Algae)나 미생물 활동에 의한 자생적 단백질로서 특히 간단한 방향족성 아미노산인 티로 신과 트립토판 성분에 해당하였다(Table 3). 각각의 형광성 분 P1과 P2(r=0.952, p<0.01), H1과 H2(r=0.949, p<0.01)의 상관관계가 컸으므로 이후 결과는 P1과 P2를 더한 총 형광 세기를 단백질계 형광용존유기물질(FDOM_P)로 하고, H1과 H2 를 더한 총 형광세기를 휴믹계 형광용존유기물질(FDOM_H)로 하여 고찰하였다.

형광세기는 각 성분의 파장영역에서 최대 형광세기(Maximum fluorescence intensity)로 표시하여 Fig. 4에 나타내었고 전반 적으로 FDOM_P의 형광세기가 FDOM_H보다 우세하였다. 이는 CDOM 중에서 형광을 방출하는 방향족 탄소구조를 가진 휴 믹물질이 상대적으로 적었음을 나타내고, 앞서 낙동강 하류 의 SUVA_254nm가 2.55 L/mg·m~4.04 L/mg·m 범위로 약 한 방향족 특성을 나타내었던 사실로도 뒷받침할 수 있었다. ^{Shin (2014)}의 연구에서도 FDOM_H는 강 상류와 같이 산림토 양으로부터 방향족성 휴믹물질이 유입될 가능성이 큰 수계 에 많이 포함되어 있는 반면에 농업화 및 산업화, 도시화되 어 인간의 활동이 많은 강 하류와 같이 하수처리장 또는 고 도로 생물처리된 방류수 등이 유입되거나 높은 생물학적 생 산성을 가지는 수계에서는 FDOM_P이 더 높게 나타나는 것으 로 보고하였다.

Fig. 4. Seasonal variation of (a)Fluorescence intensity & (b)Ratio of fluorescence components.

또한, Fig. 4에 의하면 FDOM 형광세기와 CDOC 농도가 계절적으로 서로 다른 거동특성을 나타내는 사실을 확인할 수 있었다. CDOC 농도는 6월 이후 증가하였으나 FDOM 형 광세기는 휴믹계와 단백질계 성분 모두 1월에서 2월에 가장 강하였고, 이후 FDOMP는 6월 이후 감소하였으나 FDOM_H는 7월에서 8월에 다시 증가하였다. 또한 FDOM중 FDOM_H 분 율은 1월에 37%에서 4월에 26%으로 감소하였다가 7월에 최 대 54%까지 증가하였고, FDOM_P 분율은 4월까지 74%까지 증가하였다가 이후 53%까지 감소하였다. ^{Lee and Kim (2018)}이 수행한 낙동강 하굿둑 외해에서 FDOM의 거동을 연구한 결과에서도 외부에서 유입되는 유기물질이 증가하는 7월과 8월에 FDOM_H 농도가 가장 높고 FDOM_P는 생물학적 생산성이 증가하는 3월에 높은 것으로 보고한 바 있다.

3.3.1. 유기물질 지표

TOC는 강우량(r=0.574, p<0.01), 수온(r=0.558, p<0.01), Humic substances(r=0.430, p<0.01), SUVA_254nm(r=0.582, p<0.01)와 양의 상관관계를 나타내었고, CDOC는 강우량(r=0.466, p<0.01), Humic substances(r=0.883, p<0.01), Building blocks(r=0.853, p<0.01), LMWN(r=0.871, p<0.01)과는 양의 상관관계를 나타내었으나 식물플랑크톤(r=-0.691, p<0.01), Chl-a(r=-0.617, p<0.01)와는 음 의 상관관계를 나타내었다. 또한, POC는 식물플랑크톤(r=0.726, p<0.01), 남조류(r=0.683, p<0.01), Chl-a (r=0.476, p<0.01)와 양 의 상관관계를 나타내어 입자성 유기물질 농도는 식물플랑크 톤에 밀접한 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

TOC 및 CDOC와 공통적으로 양의 상관관계를 보인 강우 량은 유량과 직접적인 상관관계(r=0.978, p<0.01)를 가졌으 며, 수온(r=0.464, p<0.01), TP(r=0.786, p<0.01), TOC(r=0.574, p<0.01), CDOC(r=0.466, p<0.01), Humic substances(r=0.736, p<0.01), SUVA_254nm(r=0.777, p<0.01)와는 양의 상관관계를 나타내었으나 Biopolymers(r=-0.730, p<0.01), FDOM_P(r=-0.479, p<0.01)와는 음의 상관관계를 나타내었다. 즉, 강우는 수계에 서 수생식물이나 식물플랑크톤의 생물활동과 관련된 지표인 Biopolymers와 FDOM_P는 감소시키지만 휴믹물질을 포함한 유기물질농도와 방향족 특성은 증가시킴으로서 수문학적 경 로에 의해 외부에서 하천으로 유입(Allochthonous)되는 유기 물질의 특성과 거동에 기여하는 사실을 확인 할 수 있었다.

생물분해 가능한 유기물질 지표인 BOD는 수온(r=-0.657, p<0.01), Chl-a(r=0.819, p<0.01), 식물플랑크톤 중 동절기에 우 점 번성하는 규조류(r=0.880, p<0.01), 편모조류(r=0.777, p<0.01) 와 높은 상관관계를 나타내어 수온이 낮은 동절기에 식물플 랑크톤의 증식과 분해에 의한 자생적(Autochthonous) 유기물 질의 거동을 설명할 수 있는 지표임을 확인 할 수 있었다. 생물 학적 기원을 가진 생분해성 유기물질이 많을수록 낮은 SUVA_254nm를 가지고 친수성이 높아지므로 본 연구에서도 강우 량과 외부유입물질이 적은 동절기에 식물플랑크톤 등 에서 유 래하는 자생적 유기물질이 낙동강 하류 수계의 친수성 및 낮은 방향족성에 기여한 것으로 판단되었다(^{Henderson et al., 2008}).

3.3.2. 휴믹계 형광용존유기물질

FDOMH의 형광세기는 SUVA_254nm(r=0.523, p<0.01), 식물 플랑크톤(r=0.498, p<0.01), 규조류(r=0.414, p<0.01)와 상관 관계를 나타내었으나 유기물질 지표와는 뚜렷한 상관관계가 나타나지 않았다. 일반적으로 용존유기물질중에서 FDOM이 차 지하는 비율(20%~70%)이 낮거나 균일하지 않아서 FDOM 과 용존유기물질의 상관성은 낮거나 없는 것으로 보고되고 있다(^{Coble, 2007}). 따라서 FDOM_H는 용존유기물질의 양이 나 농도보다 유기물질의 방향족 특성에 좌우되었고, 하절기 에는 외부에서 유입되는 휴믹물질에 의해 SUVA_254nm가 증가 하면서 FDOM_H의 형광세기도 증가한 것으로 판단되었다.

또한 최근 연구결과에 따르면 휴믹계 형광은 육상기원의 외부유입 유기물질뿐만 아니라 수생식물이나 식물플랑크톤의 배양과정에서 배출되는 자생적 유기물질에 의해서도 유발되 는 사실이 다수 보고되고 있다. ^{Lapierre and Frenette (2009)}는 하천에 서식하는 대형수생식물로부터 침출되는 용존유기물 질을 분석한 결과 단백질계 형광뿐만 아니라 육상기원 휴믹 물질과는 다른 휴믹계 형광(Em. 406nm)의 방출을 확인하였 다. 또한, ^{Henderson et al. (2008)}의 연구에서도 조류(Algae) 에서 유래한 유기물질의 형광을 분석한 결과 단백질계 형광 과 휴믹계 형광(Em. 410nm)이 모두 확인되었다고 보고하였다.

이번 연구에서는 FDOM_H와 식물플랑크톤 및 규조류와의 유의미한 상관관계를 통해서 생물활동에 의해 자생적으로 유래하는 유기물질도 FDOM_H의 공급원이 될 수 있음을 확 인 할 수 있었다. 특히, 강우량이 적어 유기물질의 외부유입 이 적은 1월에서 3월에 더 강한 휴믹계 형광을 보인 것은 동 절기에 주로 우점하였던 규조류를 비롯한 식물플랑크톤에 의해 발생한 자생적 유기물질이 동절기의 FDOM_H에 기여한 것으로 판단하였다.

3.3.3. 단백질계 형광용존유기물질

FDOM_P는 수생식물이나 조류(Algae)의 성장과 분해과정에 서 유래하는 자생적 용존유기물질에서 기인하는 것으로 알 려져 있고, 산림토양에서도 확인되지만 불안정성이 높아서 수계로 유출되기 전에 미생물에 의해 쉽게 분해되므로 수계 의 FDOM_P는 대부분 식물이나 플랑크톤으로부터 갓 생성된 유기물질로 여겨진다(^{Lee and Kim, 2018}).

FDOM_P의 형광세기는 규조류(r=0.606, p<0.01), 편모조류 (r=0.600, p<0.01), Biopolymers(r=0.432, p<0.01), TN(r=0.619, p<0.01)과 양의 상관관계를 나타내어 생물분해성 용존유기 물질을 나타내는 지표와의 상관관계가 확인되었다. 반면에 강 우량(r=-0.479, p<0.01), 수온(r=-0.623, p<0.01), TP(r=-0.544, p<0.01), Humic substances(r=-0.438, p<0.01), SUVA_254nm (r=-0.461, p<0.01)와는 음의 상관관계를 나타내었으므로 FDOM_P는 수 온이 낮고 강우량과 외부유입물질이 적은 동절기에 자생적 용존유기물질 거동과 관련이 있음을 확인 할 수 있었다.

낙동강 하류에서는 하절기에 대량으로 번성하는 남조류로 인해 녹조발생이 빈번하므로 자생적 유기물질과 함께 단백 질계 형광성분이 증가할 것으로 예상하였으나 FDOM_P의 형 광세기는 오히려 감소하였다.(Fig. 4) 이러한 거동의 원인은 동절기에는 외부유입 유기물질의 감소, 식물플랑크톤 유래 유기물질의 자생적 증가와 미생물 분해활동 감소 등으로 인 해 갓 생성된 생물분해성 용존유기물질이 수계에 축적되어 FDOM_P이 증가하지만, 이후 수온이 상승하고 생물분해성 용 존유기물질에 대한 미생물의 분해활동이 커지면서 FDOM_P 은 빠르게 감소하기 때문인 것으로 판단하였다(^{Park et al., 2018}; ^{Shin, 2014}; ^{Thottahil et al., 2013}).