Benthic attached diatoms (BADs), a major primary producer in lotic stream and river ecosystems are micro-sized organisms and require a highly magnified microscopic technique in the observation work. Thus, it is often not easy to ensure accuracy and precision in both qualitative and quantitative analyses. This study proposed a new technique applicable to improve quality control of aquatic ecosystem monitoring and assessment using BADs. In order to meet the purpose of quality control, we developed a permanent mounting slide technique which can be used for both qualitative and quantitative analyses simultaneously. We designed specimens with the combination of grid on both cover and slide glasses and compared their efficiency. As a result of observation and counting of BADs, the slide glass designed with the color-lined grid showed the highest efficiency compared to other test conditions. We expect that the method developed in this study could be effectively used to analyze BADs and contributed to improve the quality control in aquatic ecosystem health monitoring and assessment.

수생태계 생물학적 온전성을 평가하기 위하여 국내 하천 및 하구 923개 지점의 자료를 근거로 한국형 다중형 돌말지수 (KMDI)를 개발하고, 이를 금강수계 233개 지점을 대상으로 온전성평가를 실시하여 단일형 돌말지수들과 비교 검토하였다. KMDI의 개발은 1) 먼저 선행문헌들을 참고로 300개 이상의 메트릭을 추출하고, 2) 이 중 설명력이 높은 46개 후보 메트릭을 선택하며, 3) 각 메트릭 값들의 변이성, 중복성, 변별력, 환경에 대한 민감성 등을 검증하고, 최종적으로 5가지의 메트릭을 선정하였다. KMDI는 매트릭의 단순합으로 표현하고, 환경요인들에 대한 신뢰성 검토 결과, 토지이용, BOD, TN, 전기전도도 등에 대해 높은 민감성 및 설명력을 보였으나 단일형 돌말지수들 보다는 동일 지점의 생물학적 온전성은 다소 높게 평가되는 특성을 보였다. 추후 국내는 물론 지역에 상관없이 적용가능한 설명력 높은 매트릭의 발굴 및 정확한 돌말류 분석 연구가 뒷따라야 될 것으로 판단되었다.

River water quality and organisms have a very close relationship with the human living environment and health, so it is very important to ensure and maintain the ecological integrity of the aquatic ecosystem. In that sense, benthic diatoms have relatively little mobility, can explain the effects of long-term exposed pollution sources, and are very suitable indicator organisms for river ecosystem evaluation. Diatom ecologists have been developed various diatom indices to assess water quality and stream ecosystem over the world. However, they so far have insufficient identification of taxa, are strongly regional, and are difficult to apply as they are domestically. Unfortunately, there has not been developed an independent diatom index suitable for the Korean stream. Therefore, management of water quality and aquatic ecosystem suitable for domestic rivers can be made, and development or improvement of comprehensive multivariate diatom index for the integrated assessment of water quality and aquatic ecosystem is urgently needed.

본 연구는 2017년 4월부터 10월까지 북한강 수계 3개의 연속댐 (의암호 (UA), 청평호 (CP), 팔당호 (PD))의 미소생물 군집과 이취미 농도와 관계를 알아보기 위해 환경요인, 이취미 물질, 미소생물 군집 등을 조사하였다. 3개 저수지의 박테리아 군집은 주로 Actinobacteria와 Betaproteobacteria가 우점 분류군으로 나타났으며, 계절성은 나타나지 않았다. 식물플랑크톤 군집은 봄철, 규조류 및 은편모조류 여름철 남조류, 가을철 규조류 및 은편모조류 순서로 우점하는 계절성을 보였으며, 북한강 수계에서 출현한 남조류는 Dolichospermum spp., Microcystis aeruginosa, Pseudanabaena spp. 속이 우점 출현하였다. 북한강 수계에 출현한 미소생물 중 이취미 물질을 발생하는 분류군은 Actinobacteria와 남조 Anabaena, Pseudanabaena 속 등이며, 이취미 물질인 Geosmin과 2-MIB가 높게 나타났을 때, 높은 현존량으로 출현하였다. 미소생물과 이취미 물질의 상관관계는 Actinobacteria의 경우 2-MIB (r=0.491, p<0.01)와 유의한 상관성을 나타냈으며, 남조류의 경우 geosmin (r=0.381, p<0.05), 2-MIB (r=0.386, p<0.05)와 유의한 상관성을 나타냈다. 따라서, 북한강 수계에서 나타나는 이취미 물질은 Actinobacteria 및 남조류의 출현과 직접적인 관계가 있을 것으로 사료되며, 남조류 미출현 시 발생하는 높은 농도의 이취미 물질은 Actinobacteria가 생성하는 것으로 판단된다.

With land-use (cover) and water quality, the distributional characteristics of epilithic diatom communities were studied with 193 samples from estuaries of Korean peninsula between 2015 and 2016. Of total 394 taxa classified, Nitzschia perminuta (19.6%) and N. inconspicua (14.0%) were the 1st and 2nd dominant species. Using a cluster analysis, the epilithic diatom communities of Korean estuaries were divided into four groups (G1-G4). Ecological characteristics of each group were followed: G1 was located in estuaries of the East Sea, and characterized by high forest land-use and high DO and low nutrients; G2 was the eastern part of the South Sea, and characterized by low turbidity and nutrients; G3 was the western part of the South Sea, and characterized by high agriculture, low electric conductivity and low salinity; G4 was the Yellow Sea, and characterized by high nutrients. The environmental factors having significant correlation with diatom distributions were as follows: TN to G1, turbidity to G2, agriculture to G3, and TP to G4. Moreover, the important factors affecting the occurrence of indicator species were forest land-use for Fragilaria construens var. venter in G1, turbidity for Rhoicosphenia abbreviata in G2, urban land- use and total phosphorus (TP) for Bacillaria paradoxa and Hantzschia amphioxys of G3, and TP and turbidity for N. ovalis and Stephanodiscus invistatus of G4. These results collectively indicate that the distribution of epilithic diatom communities in Korean peninsula was largely effected by water quality and land cover/use.

To evaluate the relationship between dynamics of cyanobacteria and odorous compounds, a monthly monitoring of water quality and phytoplankton were conducted at the three serial lakes (Lake Ui-am, Lake Cheong-pyeong and Lake Pal-dang) in the North Han River for 11 times from May 2014 to March 2015. In the three serial lakes, phytoplankton communities showed that seasonal changes in Bacillariophyceae- Cyanophyceae-Bacillariophyceae. Anabaena and Pseudanabaena were dominant species in August and September 2014. At the same time the odors (Geosmin, 2-MIB) were also detected with high concentration. Relationship between environmental factors and cyanobacterial abundance showed a significant correlation with Anabaena circinalis and geosmin (r=0.983, p<0.01). In the case of Pseudanabaena limnetica showed a significant correlation of total nitrogen (r=0.685, p<0.01) and NO3-N (r=0.723, p<0.01). In addition, similarly Pseudanabaena limnetica and 2-MIB (r=0.717, p<0.01) was high. The odorous compounds appeared in the North Han River water were considered to be a direct relationship with cyanobacteria.

In order to understand the relationship between the distribution of epilithic diatoms and the habitual environments, land-use, water qualities, and epilithic diatoms were studied at 141 sampling sites in the midwestern stream of Korean peninsula (Geum river, Mangyeong river, Dongjin river, and Sapgyo river). The total 183 diatom taxa was appeared in the study, while the dominant species were found to be Nitzschia palea (10.9%) and Achnanthes convergens (8.4%). Based on the abundance of epilithic diatoms, a cluster analysis results indicate that the sampling sites divided the sampling sites into 4 groups (G) at the 25% level. In term of geographic and aquatic environments, G-I and -II accounted for the upper and mid streams of the Geum river, and had large forest areas and good in water quality. G-III accounted for farmland and urban, and high concentration nutrient levels (TN and TP) and electric conductivity. G-IV accounted for mostly farmland, and high levels in turbidity, BOD, nutrient and electric conductivity. CCA results showed that the saproxenous taxa Meridion circulare was the indicator species of G-I, which strongly influenced by altitude and forests. In G-II, the indifferent taxa Navicula cryptocephala was influenced by Chl-a, AFDM, and DO. In G-III and -IV, the indifferent taxa Fragilaria elliptica and saprophilous taxa Aulacoseira ambigua were influenced by electric conductivity, turbidity, and nutrient counts. Meanwhile, random forest results showed that the predicting factor of indicator species appearance in G-I, -II, and -III was found to be electric conductivity whereas in G-IV it was found to be turbidity. Collectively, the distribution of diatoms in the midwestern of Korean peninsula was found to depend more on the land-use and its subsequent water qualities than the inherent characteristics of the aquatic environment.

유해조류의 생물학적 제어를 위하여 여과능이 입증된 패류와 동물플랑크톤을 혼합적용하고, 현장적용 가능성을 검토하였다. 실험수는 매년 남조 Microcystis aeruginosa가 대발생하는 일감호 (서울)의 현장수, sediment, 배지를 대형 수조에 일정량 넣고 인위적으로 조류대발생을 일으켜 유지하고 있는 실험수를 이용하였다. 실험은 동물플랑크톤만 처리한 Z군 (40 individuals L-1), 패류만 처리한 M군 (2 individuals L-1), 동물플랑크톤과 패류를 모두 첨가한 ZM군 (Z, M군의 밀도를 합한 것)으로 설계하였다. 수심별 조류제어 효과를 확인하기 위하여 표층, 중층에서 각각 일정량의 실험수를 꺼내 엽록소량의 경시적 변화를 측정하였다. 결과, 중층의 모든 처리구에서 Chl-a의 감소를 보였으며 24시간째 Z군은 63.2%의 제어율을 보인 반면, M군과 ZM군은 각각 79.8%, 90.8%의 제어율을 나타내 뚜렷한 억제효과를 보였다. 표층의 경우, Z군과 ZM군은 각각 51.9%, 63.4% 등으로 50% 이상의 억제효과를 보인 반면, M군의 경우 대조군의 27.4%로서 가장 낮은 제어율을 보였다. 결과를 종합하면, 두 생물제재의 혼합이 수층에 상관없이 그 효과는 입증되었으나 남조 M. aeruginosa의 부유성을 감안한다면, 패류의 적용수심이 조류제어에 매우 중요한 인자임을 알 수 있었다. 따라서 생물제재의 혼합적용이 보다 높은 효과를 보였으며 조류의 생리적 특성과 생물 제재간의 상호관계에 대한 세밀한 연구가 요구되었다.

본 연구는 최근 북한강 수계에서 번성하고 있는 Anabaena strain의 16S rDNA 염기서열을 이용한 종 수준의 동정과 geosmin 합성 유전자의 탐침을 통해 이취미 물질의 잠재 생산능력을 분석하였다. 현장(경기도 양평군 조암면 삼봉리 수역)에서 분리 배양한 Anabaena는 직선형과 나선형 두 가지의 형태적 변이를 보였다. 이들은 세포의 크기와 사상체에서 형태적 차이를 나타냈으며, A. circinalis 및 A. crassa와 유사한 형태적 특징들을 보여주었다. 그러나 16S rDNA 계통수 및 유연관계를 분석한 결과, 직선형과 나선형 모두 동일한 A. circinalis 종으로 확인되었다(98%~100%의 유전적 유사도). 또한 직선형과 나선형 strain 모두에서 geosmin을 합성하는 유전자 구간이 발견되어, 북한강 수계에 존재하는 Anabaena circinalis는 종의 형태적 변이에 관계없이 geosmin을 생산할 수 있음을 보여주었다. 본 연구의 결과는 유전자 수준에서 A. circinalis의 geosmin 생산에 대한 직접적인 증거를 제공하는 국내 최초의 보고로서 북한강 수계에서 geosmin 증가의 원인종 확인 및 관리에 중요한 자료를 제공한다.

부영양화 호소수에 대한 국내 서식 펄조개(A. woodiana)의 유기물 제어 실험 결과, 펄조개 30개체를 대상으로 패각 크기 4.3~15.5 cm (평균 9.54 cm)에 따른 유기물 여과율은 0.08∼0.86L g-1 h-1, 단위 건중량당 펄조개의 여과율은 0.09L g-1 h-1를 나타내었다. 펄조개의 배설물 생산량 (PF)은 0.00∼11.10mg g-1 h-1, 단위 건 중량당 배설물 생산량은 0.37mg g-1 h-1를 나타내었다. 또한, 클로로필-a와 부유물질 제거율(RA, %)은 느린 유속에서 82.1%, 71.0% 빠른 유속에서는 65.4%, 57.5%의 제거율을 나타냈고, 반응표면분석 결과, 패각 크기는 14.3~15.6 cm, 유속은 22∼30Lh-1 구간에서 여과율 6.21L mussel-1 d-1의 최적값을 나타내었다. 또한, 배설물 생산능은 패각 크기는 14.3~16.3 cm, 유속은 36∼44Lh-1 구간에서 배설물 생산이 4.2mg g-1 d-1의 최적값을 나타내었다.

In this study, we evaluated the temporal changes of water quality in the 90 reservoirs in Korea and the relationships between water quality and their environmental factors in the reservoirs for effective management of reservoirs. The majority of study reservoirs were categorized as the eutrophic state based on Carlson’s trophic index. Among 90 reservoirs, more than 55.0% were nutrient-rich based on TSITP in each month, where more than 50.0% were nutrient-rich based on TSIChl-a from June to November. Seasonal Mann- Kendall test was used to analyze temporal variation of water quality in the selected 60 reservoirs using monthly data from 2004 to 2008. The results showed that 27 (45.0%) reservoirs showed the improvement of water quality based on TP and Chl-a concentrations, while 14 (23.3%) and 11 (18.3%) reservoirs displayed the degradation of water quality based on TP and Chl-a concentrations, respectively. Meanwhile, a self-organizing map classified the study reservoirs into five groups based on differences of hydrogeomorphology (altitude, catchment area, bank height, lake age, etc.). Physicochemical factors and land use/cover types showed clear differences among groups. Finally, hydrogeomorphology of reservoirs were related to water quality, indicating that the hydrogeomorphological characters strongly affect water quality of reservoirs.

2012년 5월부터 2013년 4월까지 북한강 수계 3개의 연속댐(의암호, 청평호, 팔당호)의 수리-수문, 수질 및 식물플랑크톤 현존량 등을 월 1회씩 총 12회에 걸쳐 조사하였다. 3개 저수지의 식물플랑크톤 군집은 몬순전기에는 돌말류, 몬순기에는 남조류, 몬순후기에는 다시 돌말류가 우점하는 계절성을 보였으며, 팔당호에서는 몬순후기 저온기에 녹조류가 높은 밀도를 나타냈다. 조사기간 동안 가장 높은 현존량을 보였던 남조 Anabaena spp.는 의암호에서 2012년 6월에 출현하여 7월에 최고치(43,850cells mL-1)를 보이고 높은 수준을 유지하다가 11월에 소멸되었다. 이에 비해 청평호 (31,648 cells mL-1)와 팔당호 (7,136 cells mL-1)에서는 공히 7월에 처음 출현하여 8월에 최고치를 보이다가 9월에 완전히 사라졌다. 수환경과 남조 Anabaena spp. 현존량과의 관계를 보면, 3개 저수지 모두 강우 (r=0.72, r=0.83, r=0.88, P⁄0.01 for all)를 비롯한 유입량, 유출량 및 영양염에 대하여 높은 상관성을 나타냈다. 따라서 2012년 봄철 갈수기 동안 북한강 수계 3개 저수지에서 일어난 Anabaena 대발생 및 소멸은 강우의 직, 간접적인 영향을 받았으며, 의암호는 강우 이후에도 상당기간 동안 다른 남조류가 비교적 높은 현존량을 유지하고 있어 상수원 저수지의 이취미 및 독소발생 가능성은 지속될 것으로 판단되었다.

수심이 얕고 부영양화 특성이 강한 신구저수지에서는 강우시기에 집중 호우등으로 인하여 유입수로를 통하여 외부기원 유기물이 유입되는 경향이 있다. 이러한 외부기원 유기물은 환경변화(탁도, 수온약층, POC/PN), 입자성 유기물의 δ13C 및 δ15N 값으로 특성 지어진다. 동물플랑크톤의 경우, 강우기 이전에는 내부기원 유기물을 먹이원으로 하는 것으로 여겨지나 강우기 이후에는 내부기원 유기물 이외에 외부에서 유입된 외부기원 유기물을 섭식하고 있는 것으로 나타나고 있다. 특히 B. longirostris이 다른 동물플랑크톤 (D. brachyurum, D. thmoasi)에 비하여 기원이 다른 입자성 유기물을 섭식하고 있음을 시사하고 있다. 이러한 변화는 상위섭식자인 어류의 먹이원 변화를 야기하며, Z. platupus은 내부기원유기물 혹은 이를 먹이원으로 하는 하위 소비자를 섭식하지만, C. carpio와 P. parva은 강우기 이후에는 외부기원 유기물 혹은 이를 먹이원으로 하는 하위 소비자를 섭식하는 것으로 여겨진다. 수심이 얕고 유입 수로가 존재하는 농업용 저수지의 경우에는 강우 후 외부기원 유기물이 수생태계 에너지 흐름에 크게 영향을 주는 것으로 사료된다.

한반도 서남부 하천을 대상으로 2013년 5월(몬순의 영향이 없었던 시기)에 환경요인 및 부착돌말 군집을 각각 조사하였다. 조사는 상류에 1개 이상의 댐이나 인공 보가 형성된 조절하천(19개 지점)과 설치되어 있지 않은 비조절하천(19개 지점)으로 나누어 수질 및 부착돌 말 군집조사를 실시하였다. 조사결과, 부착돌말 출현특 성에 따라 한반도 서남부 하천은 비조절하천(G1), 혼합 형하천(G2), 조절하천(G3) 등 3개 유형으로 구분되었다. G1은 수질이 양호하고 다양한 부착돌말류가 출현한 반면, G3은 비록 수질은 불량하였으나 부착돌말 현존량 이 크게 증가하거나 감소하지 않았다. 또한 G2의 경우 조절하천에 비해 수질은 양호하였지만 부착돌말의 종수는 가장 낮게 나타났다. 본 조사에서 출현한 부착돌말 우 점종은 생태범위가 비교적 넓은 담수와 기수 보편종들로 서 G1에서 Nitzschia palea (17%), Navicula seminuloides (11%), G2에서 Nitzschia inconspicua (19%), Navicula perminuta (9%), G3에서 Nitzschia inconspicua (15%), Nitzschia palea (14%)으로 수질환경에 큰 영향을 보이지 않았으나 종수의 감소를 가져왔다. 그러나 G2와 G3 과 같은 조절하천에서 비록 부착돌말 현존량은 높지 않았으나 부영양 상태(높은 영양염 및 엽록소량 등)를 나타내 하구역의 정확한 수환경 상태파악을 위하여 국내 연안에서 종종 조류발생을 일으킬 수 있는 부유성 돌말 류에 대한 조사도 반드시 병행되어야 할 것으로 판단되었다.

2012년 북한강수계 전역에 걸쳐 대발생을 일으킨 남조 Anabaena의 분자생물학적 특성을 검토하였다. 시료는 2012년 7월 13일에 남조 Anabaena 밀도가 높았던 3개 호소- 의암호, 청평호, 팔당호에서 각각 채집하였다. 분석은 선행연구 문헌을 근거로 하는 형태학적 분석, 16S rRNA 염기서열 분석을 통한 분자계통학적 분석을 동시에 실시 하였다. 결과를 종합하면 북한강수계 3개 호소에서 조류 대발생을 일으킨 남조 Anabaena는 모두 동일종 Anabaena crassa (Lemmermann) Komark.-Legn. & Cronberg 이며, 동시에 출현하고 본 종과 형태 및 분자생물학적으 로 매우 유사한 A. circinalis는 환경요인에 따라 형태변 이가 쉽게 일으키는 동일종으로 밝혀졌다.

부영양호 신갈지의 수질개선을 위하여 이미 개발된 천 연물질 혼합제(PMC)의 수질개선능(WQI)에 수온변화가 어떠한 영향을 미치는지 현장실험을 실시하였다. 실험결 과 식물플랑크톤, BOD, 총인 등은 20􀆆C 이하에서는 70% WQI 이상을 보였으나 25􀆆C 이상에서는 40% WQI 이하로 오히려 감소하였다. 한편 수온의 증가에 따라 남조류에 대해서는 WQI는 감소하였고, 규조류는 수온변화에 상관 없이 90% 이상 높은 WQI를 나타냈으며, 박테리아와 총 질소는 수온과 상관없이 매우 낮은 WQI를 보였다. 이상 의 결과들은 PMC의 수질개선능이 수온과 밀접한 관계를 가지며, 25􀆆C 이상의 고온기에 Microcystis aeruginosa가 우점하는 남조대발생보다 겨울철 저온기에 우점하는 규 조류에 더 효과적일 것으로 판단되었다.

한반도 동해안에 분포하는 대표적인 석호중의 하나인 화진포호에서 2010년 봄철(4~6월)에 돌말 Skeletonema costatum가 대발생하였다. 본 연구는 대발생기와 소멸기 동안 저수지의 식물플랑크톤 군집의 특성을 파악하고 수 질을 근거로 하는 호수의 영양지수를 산출하여 수질을 평가하였다. 분석결과 국내에서 가장 높은 세포밀도(¤105 cells mL-1)를 보였으며, 수온은 20􀆆C 전후였으나 더 높았 던 여름철(7월 이후)에는 소멸하였다. 저수지의 수질은 높은 염분도, BOD, COD, 인산염, 낮은 N/P비, 투명도 등 으로 부영양~과영양 상태로 나타났다. 식물플랑크톤 군 집은 돌말류가 높은 세포밀도를 보인 조류발생기 동안에 는 높은 우점도와 낮은 다양도를 보였으며, 소멸기에는 다시 회복되는 특성을 나타냈다. 결국 2010년 화진포호 의 Skeletonema costatum 대발생은 봄철 가뭄이 장기간 진행되고 하천수의 유입이 감소함으로써 비롯된 것으로 판단되며 매년 반복될 가능성을 시사해 주었다.

본 연구는 하천에서 가뭄으로 인해 나타나는 갈수현상 을 단기간의 유량의 감소로 모사하여 수질 및 부착돌말류 군집에 미치는 생태학적 영향을 인공수로에서 분석하였 다. 아크릴로 제작한 실내 인공수로에 부착돌말 인공기질 로는 슬라이드글라스를 설치하고, 부영양 저수지의 표층 수를 유입시켜 실험수로 이용하였다. 실험기간 중 부착돌 말 군체형성기 동안 모든 실험군의 유량은 6 L min-1, 이 후 유량감소기 동안 각 실험군의 유량은 NDF(No depletion of flow rate (Control): 6 L min-1), LDF (Low depletion of flow rate: 3 L min-1), 그리고 HDF (High depletion of flow rate: 1 L min-1)로 설정하였다. 유량감소의 영향을 비교하기 위하여 16일간의 실험기간 동안 유입수와 배출 수의 수온, 전기전도도, 용존산소, pH, 탁도, 부유물질, 영 양염 및 Chl-a 농도를 분석하였으며, 또한 부착기질의 Chl-a와 AFDM(ash free dry matter), 그리고 부착돌말류 의 조성과 세포밀도를 1일 간격으로 분석하였다. 광도는 처리 유량이 적어질수록 유의하게 증가했다(F=229.5, p= 0.000). NH4-N는 NDF보다 HDF에서 현저하게 높은 농 도를 유지하였다. 유입수의 SS 농도(100%) 대비 배출수의 SS 농도는 HDF에서 88%로 감소하였으며 LDF (97%)와 NDF (99%)에 비하여 높은 감소율을 보였다. 기질의 Chla는 NDF에 비하여 유량감소 처리군에서 약 2배 이상 유의하게 증가하였다(F=8.399, p=0.001). 또한 기질의 AFDM과 부착돌말류 총밀도는 NDF에 비하여 두 처리군 에서 유의하게 증가하였다(F=9.390, p=0.001; F=6.088, p=0.007). 실험기간 동안 대조군과 처리군 모두에서 Aulacoseira ambigua, Achnanthes minutissima, Aulacoseira granulata 등 총 3종의 부착규조류가 총 밀도의 10% 이 상을 보인 우점종으로 나타났고, 제1 우점종인 A. ambigua 는 LDF에서 가장 높은 밀도를 보였으며 HDF, NDF순 으로 생물량이 낮았다(F=8.551, p=0.001). 본 연구 결과, 인공 하천생태계에서 가뭄(갈수) 효과는 수질과 부착돌말 류 현존량에 유의한 변화를 야기하였으며, 특히 부착돌말 류 현존량이 유의하게 증가하였다. 이는 실제 하천에서 가뭄에 의한 생태계의 변화를 이해하는데 유용한 기초자 료를 제공할 것으로 사료된다.