2.1 채수 위치 및 시료채취

경기도 남부권의 농업용 저수지를 대상으로 남세균의 발생과 독소물질 잔류량 조사를 수행하였다. 농업용 저수지는 강이나 강류로부터 유입되는 물의 유속을 조절하며, 자연재해(홍수, 폭우)로부터 물 공급을 안전하게 유지하는 역할을 한다. A 저수지와 B 저수지는 수자원 보호와 안정적인 농업용수 공급을 위해 현재 이용 중인 농업용 저수지로 2020년과 2021년에 본 연구진에 의해 수행된 경기도 남부권 농업용 저수지 8곳에 대한 조류 발생 기초조사 결과로부터 남세균의 발생이 지속적으로 관찰되었던 곳으로 선정하였다(Fig. 1). A 저수지와 B 저수지에 대한 현황 정보를 Table 1에 나타내었다.

Fig. 1. Locations of agricultural reservoirs of southern Gyeonggi-do investigated in this study.

유해 남세균 발생 조사는 2022년 여름철에 수행하였으나, 6월과 7월은 각각 가뭄에 의한 시료 채취의 한계와 집중 호우로 인한 저수지 월류, 희석에 의한 조류 미발생으로 인하여 조사를 수행하지 못하였다. 따라서, 8월, 9월, 10월에 시료 채취를 통해 남세균 발생 현황과 독소 분석을 수행하였다. 수질 시료의 채취 위치는 저수지 중류이고 연안에서 중심 방향으로 약 40 m 떨어진 정점에서 이루어졌으며, 구체적으로 A 저수지의 채수 위치는 37.0893°N 127.2861°E이며, B 저수지의 채수 위치는 37.0192°N 127.1857°E이다. 수질시료의 채취는 표층수(surface water)와 저층수(bottom water)를 대상으로 반돈식 채수기를 이용하여 진행하였으며 표층의 경우 수면에서 15 cm 아래에서 시료를 채취하였으며 저층은 바닥에서 15 cm 위에서 시료를 채취하였다. 저층 시료를 채취하는 과정에서 퇴적층의 재부유에 의한 입자성 오염물질 유입을 최소화하기 위하여 수심 체크 후 채수기를 퇴적층의 교란을 방지하며 설치하였다. 시료 채취 방법 및 보관은 수질오염 공정시험방법을 기준으로 진행하였으며, 채취한 시료는 멸균된 1 L 채수병 용기에 담아 1시간 이내에 실험실로 이송하여 분석 전까지 4°C로 냉장 보관하였다. 분석은 채수 시점에서 24시간 이내에 완료하였다.

2.2 시료 분석방법

채취된 시료에 대해 수질 분석, 4종의 유해 남세균(Microcystis sp., Anabaena sp., Oscillatiria sp., 및 Aphanizomenon sp.) 개체수 분석과 남세균이 생산하는 독소인 microcystin-LR (MC-LR), microcystin-RR (MC-RR), microcystin-YR (MC-YR), anatoxin-a에 대한 분석을 수행하였으며 구체적인 방법은 아래와 같다.

3.1 농업용 저수지 수질분석 결과

농업용 저수지의 유해 남세균 발생은 지역 유입수 특성, 저수지 인근 환경, 강수량 및 일조량을 포함하는 기후 특성 등 다양한 요인에 영향을 받는다. 우리나라 대부분의 저수지는 농업용 저수지이며 이는 저수지의 유역면적의 비가 높을수록 생활계 오염원과 축산계 및 토지계에서 배출되는 비점오염원으로부터 오염물질이 유입될 가능성이 높아진다. 오폐수 유입 증가로 인한 영양염류 농도 증가는 남세균의 대량 증식으로 이어지며 이에 따라 독소 생성 및 잔류물 증가로 이어질 수 있다.

Table 2는 2022년 8월, 9월, 10월의 조사 대상 농업용 저수지에서 채취한 수질 시료의 수온, pH, 부유물질(SS), 총유기탄소량(TOC), 총질소(TN), 총인(TP) 농도 분석 결과이다. pH의 경우 표층수보다 저층수에서 낮은 경향을 보였으며, A 저수지의 경우 평균 7.83, B 저수지의 경우 평균 8.23으로 측정되었다. 시기별로는 두군데 저수지 모두 9월에 측정된 pH가 가장 높았다. 호소 생활환경기준(^{Ministry of Environment, 2023})에 따르면 9월에 측정된 B 저수지의 표층수 시료를 제외하고는 모두 적정 pH 범위(6.5-8.5) 내에 있었다. 용존산소농도는 두 저수지 모두 양호한 특성(호소 생활환경 기준 상 좋음(5.0 mg/L 이상) 또는 매우좋음(7.5 mg/L 이상)에 해당함)을 보였으며, A 저수지보다는 B 저수지의 DO 농도가 전반적으로 높은 것으로 분석되었다. SS의 경우 표층에 비해 저층에서 농도가 높게 나타났으며, 조사한 8월, 9월, 10월에 각각 A 저수지의 경우 평균 14, 6, 5.5 mg/L, B 저수지의 경우 14, 10, 8.5 mg/L로 측정되어 B 저수지의 농도가 A 저수지보다 약간 높게 나타났다. 호소 생활환경기준에 따르면, A, B 저수지 모두 SS 농도는 평균적으로 보통 수준(5-15 mg/L)으로 평가되었으나, A 저수지는 8월, B 저수지는 8, 9월에 저층의 경우 나쁨 수준(15 mg/L 이상)으로 측정되었다.

TOC의 경우 전반적으로 8월, 9월이 높고, 10월에 크게 낮아지는 특성을 보였다. 모든 저수지에서 표층보다 저층에서 약간 높은 TOC 농도가 검출되었으나 큰 차이를 보이지는 않았다. 유역면적이 넓은 A 저수지에 비해 B 저수지의 TOC 농도가 높은 수준을 보였다. 8월과 9월에 채취한 시료 분석결과에 의하면 A 저수지의 경우 호소 생활환경기준 상 나쁨 수준(8 mg/L 이하)이며, B 저수지는 매우 나쁨 수준(8 mg/L 초과)으로 평가된다. 하지만, 두 저수지 모두 10월의 TOC 농도는 모두 매우 좋음(2 mg/L 이하)으로 개선되는 결과를 보였다.

TN은 조사 대상 저수지에서 비슷한 결과를 보였으며, TOC 농도 변화와 유사한 경향을 보인다. 수심에 따른 차이는 거의 없었으며 평균 농도가 10월을 제외한 시점에서 호소 생활환경기준의 매우나쁨(1.5 mg/L 초과)에 해당되었다. 10월에 A 저수지는 좋음(0.3 mg/L 이하), B 저수지는 매우 좋음(0.2 mg/L 이하) 수준의 수질로 분석되었다. TP는 TOC나 TN과는 다른 경향을 보였으며, A 저수지의 경우 10월>9월 >8월, B 저수지의 경우 9월>10월>8월 순으로 높은 농도를 나타냈다. 호소 생활환경기준에 따라 분류하면 A 저수지와 B 저수지 모두 분석 대상 전기간에서 매우 나쁨 수준(0.15 mg/L 초과)으로 나타났다. 2017년 8-10월 경기도의 다른 저수지 3곳을 분석한 연구결과(^{Jeong et al., 2017})에서도 TN의 농도는 최대 4.694 mg/L에서 최소 1.369 mg/L, TP의 농도는 최대 0.103 mg/L에서 최소 0.031 mg/L, TOC의 농도는 최대 6.3 mg/L에서 최소 3.2 mg/L로 본 연구에서 얻은 결과와 유사한 범위에 있는 것을 보여주며, 경기도 인근 저수지의 수질오염지표 농도가 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다.

조사된 2곳의 농업용 저수지는 밀집된 거주지에 위치하지 않으며 축산 농가와 경작지로 주위가 둘러쌓여있는 특징을 공통적으로 가지고 있다. 따라서 수질 특성은 오염 농도와 변화 특성에서 크게 차이가 나지는 않았다. 시기별 농도의 변화는 다량의 우수 유입에 따라 축산계 및 농업계 오염물의 유입이 많은 8, 9월의 유기물 및 영양염류 농도가 높은 특징을 보여주며 이는 농업지역 저수지의 일반적인 특성과 유사한 것으로 판단된다. 높은 유기물 및 영양물질의 농도뿐 아니라, 하절기의 높은 수온과 많은 일조량은 남세균이 대량 발생하기에 좋은 환경으로 판단된다.

3.2 농업용 저수지 남세균 발생현황

2022년 8-10월 조사 대상 저수지의 남세균 발생 현황을 확인하기 위하여 4종의 유해 남세균(Microcystis sp., Anabaena sp., Oscillatiria sp. 및 Aphanizomenon sp.) 개체수를 분석한 결과를 Fig. 2에 표시하였다. A 저수지의 경우 Microcystis속 남세균이 우점종이었고, 수온이 높았던 8월, 9월, 10월 순으로 Microcystis 개체수가 많이 관찰되었다. 이는 25-35°C에서 최적의 성장성을 보이는 Microcystis 남세균의 특징에 부합하는 것으로 보인다. Anabaena속 남세균은 시기별 세 개의 시료에서 비슷한 농도로 관찰되었으며, 다른 2가지 속(Oscillatiria 및 Aphanizomenon)의 남세균은 관찰되지 않았다. 유해 남세균의 최대 합계 개체수는 8월 표층수에서 관찰된 1.8×10⁴ cells/mL로 친수활동구간 남세균 발생 관심단계 발령 기준인 4종 남세균 합계 2.0×10⁴ cells/mL보다 낮았다. 하지만 8월, 9월, 10월에 채취된 표층수와 저층수 시료 모두에서 1.0×10⁴ cells/mL 이상의 남세균이 관찰되어 관심단계 기준에 거의 근접한 발생량을 확인할 수 있었다(^{National Institute of Environmental Research, 2020}).

Fig. 2. Seasonal change of harmful cyanobacteria abundance in agricultural reservoirs in southern Gyeonggi-do. (A) reservoir A and (B) reservoir B.

B 저수지의 경우 A 저수지에 비해 남세균 검경 개체수는 적었으나, Oscillatiria 속을 제외한 Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon 3종류의 남세균이 관찰되었다. 또한 A 저수지와 달리 계절에 따라 우점종이 달라지는 현상을 보여 8월에는 Microcystis가 대부분을 차지했으나, Anabaena가 9월 시료에서 상당한 수준으로 관찰되기 시작하여 10월 시료에서는 Microcystis를 제치고 우점종이 될 정도로 많이 관찰되었다. 앞에서 설명한 바와 같이 microcystis는 25°C 이상에서 최적 성장을 보이지만 Anabana는 20-25°C에서 최적의 성장성을 보이는 것에 의한 영향으로 판단된다. 또한, Aphanizomenin이 적은 양이기는 하지만 모든 시료에서 관찰되었다. B 저수지의 8월, 9월, 10월 채취 시료 모두 A 저수지와 동일하게 유해남세균 합계 개체수가 2.0×10⁴ cells/mL 이하였기 때문에 조류경보 관심 단계에 해당되지 않는 농도였다.

조사대상 A와 B 저수지의 남세균 발생 현황을 기존에 발표된 선행 연구의 결과와 비교하여 Table 3에 제시하였다. 선행 연구결과 중 여름철(7월-10월)의 분석결과를 사용하여 본 연구의 결과와 비교할 수 있도록 하였다. 선행 연구는 주로 상수원을 대상으로 한 것으로 A와 B 저수지의 발생농도는 팔당호보다는 높고 대청호보다는 낮은 수치를 보였고, 회야호의 남세균 발생농도와 유사한 범위에 있었다.

3.3 마이크로시스틴과 아나톡신 분석 결과

분석대상 기간에 조사대상 농업용 저수지에서 발생한 유해 남세균은 Microcystis, Anabaena, Aphanizomenin의 세 종류였다. 세 종의 남세균은 cyanotoxin을 생성하며 Microcystis는 microcystin, Anabaena는 microcystin과 anatoxin, Aphanizomenin은 saxitoxin을 생성하는 것으로 알려져 있다. 본 연구의 대상인 A 저수지에서는 Aphanizomenin이 관찰되지 않았고 B 저수지에서는 적은 개체수가 확인되었으나 두 군데 모두에서 saxitoxin 잔류량은 검출되지 않았다. Microcystin과 anatoxin은 두 곳의 저수지에서 채수한 많은 시료에서 검출되었다. Microcystin 동질체 중 3종(LR, RR, YR)과 anatoxin-a를 정량분석한 결과는 Fig. 3에 도시하였다. A 저수지와 B 저수지에서 채취한 시료에 존재하는 남세균 조체와 수체 독소물질량의 합은 각각 (A)-1, (B)-1에 나타내었으며, 수체에 존재하는 독소물질만 분석한 결과는 (A)-2, (B)-2에 나타내었다. 남세균에 의해 생성된 독소물질은 주로 세포 내에 존재하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 세포 사멸에 의해 독소물질의 수체로의 유출과 유츌된 독소의 자연분해가 일어날 수 있다. 시료 채취 시점의 남세균 내 독소량과 수체에 잔류하고 있는 독소량을 구분하여 평가하기 위해 본 연구에서는 수체 내 독소 농도와 조체 내 및 수체 독소물질의 합계 농도를 각각 분석하였다. Microcystin-LR (MC-LR), microcystin_RR (MC-RR), microcystin-YR (MC-YR) 및 anatoxin-a가 검출된 양을 저수지별로 비교하면 아래와 같다.

Fig. 3. Seasonal changes of four toxins concentrations from harmful cyanobacteria agricultural reservoirs in agricultural reservoirs of southern Gyeonggi-Do (A) reservoir A and (B) reservoir B. ((A)-1 and (B)-1 represent total concentration, which is the sum of concentrations in the cell body and water. (A)-2 and (B)-2 represent extracellular concentration, which is concentration in water.)

A 저수지의 경우, 조체와 수체에 존재하는 독소물질의 합계 최대농도는 MC-LR 0.2776 μg/L, MC-RR 0.3721 μg/L, MC-YR 0.0306 μg/L, anatoxin-a 0.1291 μg/L로 나타났다(Fig. 3 (A)-1). 수체에만 존재하는 독소 최대농도는 MC-LR 0.0825 μg/L, MC-R 0.1245 μg/L, MC-YR 0.0136 μg/L, anatoxin-a 0.0777 μg/L로 나타났다(Fig. 3 (A)-2). B 저수지의 경우, 조체와 수체에 존재하는 독소물질의 합계 최대농도는 MC-LR 0.1495 μg/L, MC-RR 0.2037 μg/L, MC-YR 0.0153 μg/L, anatoxin-a 0.3274 μg/L로 나타났다(Fig. 3 (B)-1). 수체에만 존재하는 독소 최대농도는 MC-LR 0.0155 μg/L, MC-RR 0.0214 μg/L, anatoxin-a 0.2998 μg/L이고, MC-YR은 검출되지 않았다(Fig. 3 (B)-2). 모든 시료에서 검출된 독소물질의 농도는 WHO 권고기준인 MC-LR 농도 1 μg/L보다 낮게 분석되었다. 대상 농업용 저수지의 cyanotoxin 잔류농도를 기존 선행연구들과 비교하여 Table 4에 제시하였으며, 선행 연구의 데이터가 제한적이긴 하지만 회야호나 대청호의 독소물질 농도와 본 연구의 결과가 유사한 농도범위를 가지는 것으로 확인되었다(대청호의 MC 농도는 동질체 구분없이 표시되어 있음).

독소물질의 시기별 분석결과를 구체적으로 살펴보면, A 저수지의 경우 8월 표층에서는 MC_RR만 검출되고 저층에는 anatoxin-a 및 MC-LR, MC-RR이 검출되었다. 9월은 표층, 저층 모두 MC-RR과 anatoxin-a가 검출되었으며 10월에는 표층과 저층에 MC-LR, RR, YR이 검출되었다. Fig. 2 (A)를 보면 A 저수지의 경우 모든 시료에서 Microcystis와 Anabaena가 검출되었으며, Fig 3 (A)-1과 2에 나타낸 바와 같이 두 종류의 유해 남세균이 생성하는 microcystin과 anatoxin-a가 검출되었다. 남세균의 개체수는 상대적으로 8월과 9월이 10월보다 많았으나. 독소 농도는 10월이 높게 나타났다. 이 결과는 Microcystis의 성장은 25°C 이상에서 최대화되지만 microcystin 생성은 상대적으로 낮은 온도인 20°C 이하에서 최대로 활성화된다는 기존 연구 결과(^{Imai et al., 2009}; ^{Lee et al., 2010})와 부합하며, 저수지 독소잔류량은 남세균에 의한 생성뿐 아니라 분해에 의해서도 영향을 받는 것으로 보인다. 8월 표층 시료에서 anatoxin-a가 검출되지 않은 것도 강한 자외선과 높은 농도의 유기물에 의한 독소의 광분해 및 N-부산물로 전환이 원인일 수 있다(^{Park et al., 2019}; ^{Tak et al., 2018}). B 저수지도 동일한 경향을 보여, 일조량 많고 총유기탄소 농도가 높았던 8월에는 남세균은 검출이 되지만, 독소물질은 검출이 되지 않은 것을 확인할 수 있다. A 저수지와 마찬가지로 높은 수온으로 인한 독소 생산 제한과 자외선과 유기탄소 성분으로 인한 자연분해가 원인일 수 있다. 9월에 채취한 시료에서는 A와 B 저수지 모두에서 독소물질의 수체내 존재량이 조체와 수체의 합과 크게 차이가 나지 않았다.

8월, 9월에 A, B 저수지에서 채취한 시료에서는 관찰된 유해 남세균 개체수에 비해 독소물질의 양이 많지 않고(B저수지 9월 시료는 상당한 양이 존재하지만), 10월에 채취한 시료에서는 남세균 개체수에 비해 많은 독소물질이 분석되었다. 타연구자에 의한 남세균에 대한 연구결과에 의하면 TN, TOC의 농도 높고 일조량이 큰 시기에는 남세균이 성장을 주로 하고 독소물질 생성이 활발하게 이루어지지 않으며(본 연구의 8, 9월 시료처럼), 질소와 인의 농도가 낮은 환경에서는(본 연구의 10월 시료처럼) 군집형태의 성장을 하는 것으로 알려져 있다(^{Li et al., 2014}). 기존에 보고된 연구에서 군집이 60㎛ 이상으로 성장을 하면 독소 생성량이 증가한다는 것이 밝혀졌으며 이러한 현상이 낮은 수온과 더불어 10월의 독소물질농도가 높은 이유로 여겨진다(^{Álvarez et al., 2020}; ^{Wang et al., 2013}).

독소물질의 자연적 분해에 대한 연구결과를 살펴보면, microcystin은 많은 세균에 의해 분해가 되는 것으로 보고되어 있다. MC-LR의 경우 자연에서 분해가 어렵지만, 일정량 분해는 이루어지며(^{Watanabe et al., 1992}), MC-RR의 경우 Sphingomonas sp. 세균에 의해 분해 가능하고(^{Valeria et al., 2006}), MC-YR의 경우 M-LR보다는 분해가 잘되는 것으로 알려져있다(^{Watanabe et al., 1992}). 8월, 9월에 Microcystis sp.와 Anabaena sp.가 존재하였음에도 생성물인 microcystin이 검출되지 않은 것은 높은 농도의 유기탄소와 질소량, 많은 일조량, 높은 수온으로 남세균 성장에 최적의 상태라 독소 생성량이 적었으며, 독소의 자연분해에는 상대적으로 유리한 조건이 조성된 것때문으로 보인다. 10월에 Anabaena가 존재하였음에도(특히, B저수지는 상당한 개체수가 존재함) antoxin-a가 검출되지 않았으며, 이를 설명하기 위해서는 anatoxin-a 생성과 자연적 분해에 대한 생물학적 연구가 추가적으로 필요할 것으로 보인다.