금강하구역의 담수 식물플랑크톤 출현 현황 및 염분구배에 따른 우점종 성장 특성

1. 서 론

금강하구와 같이 인공구조물인 ‘둑’으로 해양환경과 담수환경이 경계 지어져 하구 고유의 특징인 ‘하구순환’이 비정상적인 소위 ‘닫힌 하구’는 조석에 의한 지속적인 해수의 유동과 인위적 수문조절에 의한 담수의 불규칙한 유입이 복합적으로 작용하여 수질 환경 및 생태계 군집 구조가 매우 복잡한 특성을 보인다. 하구역은 다양한 생물들의 서식, 산란, 생육처로 높은 생산성을 지닌 중요한 생태계로서, 이용과 보존의 가치 상충으로 관심이 지속되는 환경이다(McLusky and Elliot[2004]; Lee et al.[2018]). 1988년 금강하구둑 완공 이후 1994년부터 시작된 수문작동을 통한 담수의 방류는 하구역에 급격한 퇴적학적, 물리학적, 화학적(수질) 변화를 가져왔다(Choi et al.[1995]; Lee et al.[1999]; Yang et al.[1999]; Kwon and Lee[1999]). 특히 하계 강우기에 집중된 대량 담수 방류에 따라, 하구둑 건설 이전에 비해 저염분의 분포 범위가 크게 확장되었고(Choi et al.[1995]; Lee et al.[1995]; Lee et al.[1999]; Yih et al.[2005]), 이러한 염분 분포의 변화는 연안 생태계의 구조와 기능을 변화시키는 요인으로 작용하였다(Yih et al.[2005]). 염분을 포함한 수질 환경의 급격한 변화에 가장 민감하고 빠르게 영향을 받는 생물 군집은 생태계 먹이망의 근간을 이루는 식물플랑크톤이며(Hellawell[1986]; Williams et al.[2002]; Suthers and Rissik[2009]), 이러한 식물플랑크톤의 군집 및 생물량 변동은 1차생산력에 직접적인 변화로 증폭되어 전체 생태계 변화의 중요한 요인으로 작용할 수 있다(Shin[2013]). 그럼에도 불구하고, 금강하구둑 수문 가동 이후, 수리학적 변화, 물리적·화학적 변화에 대한 연구에 비해 식물플랑크톤 군집 구조 변화에 담수방류가 미치는 영향은 2005년 금강하구둑 담수 방류에 의한 춘계 식물플랑크톤 군집의 단주기 변동을 연구한 Yih et al.[2005]의 연구와 2010년 계절별 1회씩 9개 정점에서 수행된 Shin[2013]의 연구 이외에 최근의 연구는 거의 없다. Yih et al.[2005]의 연구에 의하면 4월 중순부터 5월 말까지의 춘계 방류시기에 담수 기원의 남조류 구성비가 매우 높아지고, 남조류를 포함한 담수플랑크톤이 우세한 군집이 약 15일간 지속됨을 확인하였지만, 연구기간이 춘계에 한정적이었다. Shin[2013]의 연구에서는 식물플랑크톤 종조성에 있어 녹조류가 규조류 다음으로 우점하는 분류군이며, 남조류의 출현 비율은 규조류나 녹조류보다 비교적 낮은 것으로 판단하고 있다.

2009년부터 시작된 4대강 사업 이후 대부분의 사업하천에서 남조류 번성에 의한 ‘녹조’현상이 빈번히 발생 중이며, 본 연구지역인 금강의 중, 상류 지역의 녹조 역시 점차 심화되는 것으로 보고되고 있다(MOE[2014]; Chong et al.[2015]; Kim et al.[2016]). 하구둑 내측에서 번성한 녹조는 방류에 의해 하구역 또는 해역으로 유입됨으로서, 플랑크톤 군집구조의 변동을 야기하고, 상당기간 수괴에 존재하거나 이후 염분 스트레스를 받아 대량 사멸되어 연안수질 환경에 영향을 줄 수 있다. 또한, 사멸 유기물이 저서 생태계에 유입되면 대형저서동물 군집에도 어떠한 형태로건 영향을 줄 수 있다. 최근 일본에서는 Microcystin을 생성하는 남조류가 담수 환경에서 대번성한 후, 이사하야만으로 방류되었고, 이들이 가진 독성물질이 만의 퇴적물과 대형저서동물에 집적되었다는 연구 결과가 있었다(Umehara et al.[2017]). 또한 남조류에 의해 생성된 Microcystin의 하구역 및 해역 유입과 생물 농축, 그리고 인간 건강에 까지 미칠 수 있는 영향에 대한 문제점을 강조한 최근의 review 연구에서도(Preece et al.[2017]) 하구역을 포함한 연안 환경에서 남조류기원 독성물질 축적에 대한 모니터링과 물질 순환 연구의 중요성을 강조하고 있다. 이러한 선행 연구들과 더불어 본 연구지역인 금강하구둑의 내측 금강하류 역시 녹조 번성시기에 높은 농도의 Microcystin이 검출되고 있음(unpublished data)을 감안할 때, 금강하구역에 담수기원의 녹조생물은 얼마나 유입되고, 유입된 이후 하구역 염분환경에서 얼마나 생존, 성장, 사멸하며, 이들이 가진 다양한 형태의 물질들은 어떠한 경로로 순환, 변환되는지의 생태계 먹이망 연구를 포함한 전체적인 물질순환 연구가 반드시 필요하다. 따라서 본 연구는 금강하구역에 유입되는 담수플랑크톤의 양적, 질적 변화를 모니터링하고, 연안환경 유입에 따른 생태계 영향을 확인하기 위하여 금강하구역에 위치한 1개 조사정점에서 2014년 12월부터 2015년 10월까지 다빈도 장기조사(주 1회, 11개월)를 실시하여 담수 방류에 의한 식물플랑크톤 군집구조 변동 현황을 파악하였고, 담수기원 플랑크톤이 다량 출현한 시기(녹조 유입)에 우점종들의 종주를 확보하여 염분구배에 따른 성장특성 실험을 실시함으로서, 연안환경에 유입된 담수기원 플랑크톤의 생태계 물질 순환연구의 기초 자료를 마련하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 현장 조사

금강하구역에서 4계절 동안의 담수 플랑크톤 유입 특성을 확인하기 위해 하구둑 외측 직선거리 약 4.5 km에 위치한 군산 내항(도선장)에 고정 정점을 선정하였다(Fig. 1).

Fig. 1.

Sampling site in the Geumgang Estuary from Dec. 2014 to Oct. 2015.

시료의 채집은 2014년 12월부터 2015년 10월까지 주 1회, 만조시 표층 시료를 채집하였고, 휴대용 다항목 수질측정기(YSI Model 30, USA)로 수온, 염분, pH, 용존산소 등의 기초 수질항목을 동시 측정하였다.

2.4 녹조생물 염분구배 성장률 실험

두 종의 우점 녹조생물의 염분구배에 따른 성장률 확인을 위한 염분 조건은 0 psu부터 35 psu까지 5 psu 간격으로 총 8개 구간에서 실시하였고, 염분의 구배는 서해안 고군산군도 지역에서 채수한 원수(염분 34 psu)를 자연 증발과 초순수 증류수 혼합을 통하여 제조하였다. 급격한 염분 변화에 의한 쇼크영향을 최소화하기 위하여 5 또는 25 psu 조건에서 유지하던 각 종주를 실험 약 1주일 전부터 각 실험 조건과 유사한 상태로 1일 5 psu씩 변화를 주어 적응 및 유지하였고, 이러한 사전 적응시 세포 농도 또는 활성도(엽록소 색깔 및 크기 변화 등)에 대한 변화를 확인한 후 실험을 실시하였다. 실험은 각 조건별로 사전배양(pre-incubation)된 배양종주에서 각각 5 ml을 micro-pipette로 취하여 Lugol 용액으로 고정한 후 광학 현미경하에서 계수하여 각 조건별 실험종주의 농도를 확인하였고, 실험은 5 ml씩의 CB Media를 담아둔 배양시험관(culture tube)에 500 cells ml^-1의 농도가 될 수 있도록 각각 분주하고, 총 10 ml가 되도록 CB Media를 채워주었다. 배양 조건은 온도 20 ^oC, 광도 100 μE m^-2s^-1(continuous light cycle)이었고, 1일 간격으로 동일 시간대(오후 2~3시)에 in vivo chlorophyll 형광값을 측정하였다. 실험 시작 직전과 7일, 14일 후 각 실험종의 세포 농도 대비 in vivo chlorophyll 형광값을 측정하여 상관관계를 확인함으로 형광값을 통한 세포 농도를 환산하였다(Fig. 2, 3). 각 실험종의 성장률(Growth rate, μ)은 지수성장기(Exponential growth phase) 구간의 결과를 다음 식으로 산출하였다.

$\[ \mathrm{\mu }\left(d^{-1}\right)=\left[\ln \left(\frac{C_t}{C_0}\right)/dt\right] \]$

여기서 C_t = 지수성장기 후의 개체수(cells ml^-1)

            C₀ = 실험 초기(t=0)의 개체수(cells ml^-1)

            d_t = 성장률을 산정한 지수성장기 기간(day)

Fig. 2.

Relationship between cell density and in vivo fluorescence of Phormidium lucidum.

Fig. 3.

Relationship between cell density and in vivo fluorescence of Mychonastes cf. homosphaera.

염분구배에 따라 지수성장기에 도달하는 기간이 다르기 때문에 염분별로 성장곡선이 최대치 이후 포화(Saturation)되는 기간까지를 기준으로 하였고, 초기농도는 각 조건에 대한 적응 기간을 좀 더 고려하여 실험 시작 이후 개체군 농도변화가 확연히 시작되는 시간을 기준으로 하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 식물플랑크톤 군집 변동

2014년 12월부터 2015년 10월까지 연구정점에서 출현한 식물플랑크톤은 총 171종이었다. 전체 조사기간 중 가장 다양하게 출현한 분류군은 규조류이었고, 다음으로 녹조류, 와편모조류, 남조류순이었으며, 이러한 분류군별 출현종수 결과는 동일한 연구정점에서 2004년 2월부터 6월까지 수행된 Yih et al.[2005]의 연구와 유사한 결과(최대 184종)이었다. 하지만 2014년 4, 7, 10, 12월 금강하구역 9개 정점에서 수행된 식물플랑크톤 군집구조 연구(Shin [2013])에서 확인한 233종 보다는 적은 출현종수 결과이다. 식물플랑크톤 출현량은 평균 7,545 cells ml^-1(최소 27 cells ml^-1, 최대 225,723 cells ml^-1)이었다(Table 1, Fig. 4). 기존의 연구들과 비교하였을 때, Shin[2013]의 143~12,016 cells ml^-1(평균 2,010 cells ml^-1), Shim and Yang[1982]의 97~1,707 cells ml^-1(평균 700 cells ml^-1), Jeong et al.[1985]의 60~1,330 cells ml^-1, 군산 연안해역 연구결과인 Shim and Yoo[1985]의 16~295 cells ml^-1 보다 월등히 높은 결과이다. 이러한 높은 결과는 간헐적인 고농도 담수플랑크톤의 유입에 의한 것으로 판단되는데, 예를 들어 2016년 6월 29일 연구 정점에서 고농도의 녹조가 확인되었고, 종조성 분석 결과, 남조류인 Phormidium lucidum의 농도가 166,579 cells ml^-1로 매우 높았으며, 독성 함유 가능종인 Microcystis sp. 31,370 cells ml^-1, Anabaena sp. 5,916 cells ml^-1, 녹조류인 Mychonastes cf. homosphaera의 농도는 21,144 cells ml^-1이었다. 2016년 6월 29일 결과를 제외한 식물플랑크톤 출현량 평균은 2,903 cells ml^-1로 Shin[2013]의 결과와 유사한 수준이다. 조사기간 중 2014년 12월부터 2015년 5월까지 남조류 및 녹조류 출현비율은 미비하였지만(평균 7.5%), 2015년 6월부터 10월말까지의 출현 비율은 전체 식물플랑크톤 출현량 중에 47.2%로 규조류 출현 비율(44.1%)과 유사한 수준이었다(Fig. 5). 금강하구역에서의 남조류는 하구둑 건설 이전부터 하계 집중 강우기에 부영화된 담수와 함께 자주 출현하는 것으로 보고되었고(Shim and Yang[1982]), 시화호에서도 하천을 통해 높은 개체수가 유입(Shin et al.[2000])되는 것으로 보고된 바 있다.

Table 1.

Maximum, minimum and average abundance of phytoplankton classes in the Geumgang Estuary from Dec. 2014 to Oct. 2015

Fig. 4.

Variations of total phytoplankton abundance and salinity in the Geumgang Estuary from Dec. 2014 to Oct. 2015.

Fig. 5.

Temporal variations in the relative compositions of phytoplankton classes in the Geumgang Estuary from Dec. 2014 to Oct. 2015.

Fig. 6.

Growth curves of (A)Phormidinium lucidum and (B) Mychonastes cf. homosphaera at 8 different salinites.

Fig. 7.

Growth rates of Phormidium lucidum and Mychonastes cf. homosphaera at 8 different salinites.

4. 결 론

금강하구역에서 식물플랑크톤 군집구조에 대한 다빈도·장기 조사를 실시하여, 하구둑 수문을 통한 담수방류 결과 나타나는 담수성 식물플랑크톤 및 녹조의 하구역 유입 현황을 확인하였다. 2015년 강우기(6월~10월)에 남조류 및 녹조류가 하구역 전체 식물플랑크톤의 약 47% 이상의 비율로 출현하며, 비록 일시적이기는 하지만 고농도 녹조가 하구역에서 나타나기도 하였다. 또한 녹조 형성의 원인 우점종 배양체의 염분구배에 따른 성장률 실험 결과, 종에 따라서는 이들 녹조가 연안환경에서 즉시 사멸되지 않은 상태로 상당기간 생존, 성장할 수 있는 것으로 확인되었다. 이러한 조사와 실험 결과는 담수방류를 통해 하구역 또는 해역으로 유입되는 담수 플랑크톤 군집은 기존의 연안(하구역 및 해역) 플랑크톤 생태계 군집변화를 상당기간 초래할 수 있고, 결국에는 먹이망을 통해 전체 연안생태계 구조 및 기능에 복잡한 영향을 미칠 가능성이 높음을 시사한다. 따라서, 최근 하구둑 상류 측 금강호에서 빈번히 발생하는 녹조 문제에 대한 관심과 더불어, 관련 연구의 범위를 연안 해역에까지 확장할 필요가 있으며, 녹조원인 생물이 함유한 유해물질(Microcystin 등)의 다양성 및 이의 먹이망을 통한 생태계 영향에 대한 보다 체계적이고 지속적인 모니터링 및 연구가 시급하다.

Acknowledgments

본 연구는 해양수산부 재원으로 해양수산과학기술진흥원(하구역 종합관리스시템 개발 연구)과 환경부 재원으로 국립생물자원관(NIBR201839201)의 지원을 받아 수행하였습니다.

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