팔당호 내 식물플랑크톤 안정동위원소 분석을 통한 유기물 기원 평가

Evaluation of Organic Matter Sources of Phytoplankton in Paldang Reservoir using Stable Isotope Analysis

  • ABSTRACT

    The organic matter sources of phytoplankton and related environmental factors influencing algal bloom in Paldang reservoir were studied using nitrogen and carbon isotope ratio(δ15N, δ13C). Phytoplankton samples for stable isotope analysis were collected from four points in reservoir using a plankton net. Physicochemical water quality, algal taxa and hydrological data were collected from published monitoring material. Phytoplankton samples were analyzed by IRMS. CN ratio of each sample was very similar to that of phytoplankton from literature cited. δ15N of each sample was decreased during July. Mixing and dilution of nitrogen sources due to increment of influx by concentrated rainfall were considered as the main reason for the decline of δ15N. Based on analyzed δ15N value of each sample, nitrogen source of Bughan river sample was presumed to come from soil. The nitrogen sources of Namhan river and Kyeongan stream samples seemed to be sewage or animal waste. Low δ15N value in August (2012) seemed to be influenced by isotope fractionation due to the blooming of nitrogen-fixation blue-green algae (Anabaena spp.). Variation in δ15N values particularly by blue-green algal bloom was considered the important factor for estimating the organic matter sources of phytoplankton.


  • KEYWORD

    CN ratio , δ15N , δ13C , organic matter sources , phytoplankton

  • 1. Introduction

    하천생태계의 특징은 다양한 서식환경이 유역망을 통하여 수리학적으로 연계되어 있다는 것이다. 따라서 하천에서 일어나는 오염원의 운반작용과 유기체의 활동은 모두 먹이연쇄 구조와 생산성에 중요한 역할을 수행한다(Power and Dietrich, 2002; Woodward and Hildrew, 2002). 그러나 생태계간에 일어나는 수리학적 영향으로 여러 형태의 유기물들이 하천에서 혼합되므로 먹이연쇄과정에 대한 연구는 전통적인 방법에 의해 수행하기에는 어려운 실정이다(Finlay and Kendall, 2007). 하천 유역망 먹이연쇄의 주 영향인자는 외부로부터 유입되는 유기물(allochthonous organic matter)과 내부에서 생성되는 유기물(autochthonous organic matter)로 구분되며, 이들의 유입원은 육상식물, 토양, 수생식물, 조류 그리고 수생 종속영양세균 등이다.

    안정동위원소 자연존재비(natural abundance)를 이용한 연구는 하천 먹이연쇄과정과 그 상호작용 연구에 적합한 방법으로 알려져 있다. 즉, 하천에서 탄소 및 질소 유기물에서 유래하는 안정동위원소비는 변동범위가 넓고, 먹이연쇄를 통하여 에너지 및 영양염류 전이에 대한 유용한 정보도 제공한다. 특히, 하천생태계에서 주요 에너지원으로 사용되는 육상 유기퇴적물의 경우 비교적 좁은 범위의 δ13C 값을 가지나 조류의 경우 넓은 범위의 δ13C 값을 가지므로 이들 두 종류의 탄소원(carbon source)은 종종 동위원소비로 판단할 때 분명히 구분된다(Finlay, 2001). 이러한 특징 때문에 δ13C 값은 수생생태계 유기탄소원과 에너지 흐름을 추적하기 위한 가장 효과적인 도구로서 다양한 연구에 적용되고 있다(Bastow et al., 2002; DeBruyn and Rasmussen, 2002; Finlay, 2001; Finlay et al., 2002; Huryn et al., 2002; McCutchan and Lewis, 2002). 질소 안정동위원소비(δ15N) 역시 담수 생태계 내 질소순환이나 먹이연쇄 상호과정을 효과적으로 추적할 수 있는 것으로 알려져 있으며 주로 질소원(sources)과 순환에 관한 연구나 먹이연쇄 과정에서 영양염류나 에너지원의 정량 등에 적용되고 있다(Kendall et al., 2007).

    팔당호는 1973년 남・북한강과 경안천이 합류하는 지점에 발전을 목적으로 댐을 축조하여 형성된 호수로서 총 저수용량은 244 백만톤 정도이며 체류시간이 짧고 성층의 발달이 미약한 대표적인 하천형 호수이다(Table 1). 팔당호의 수표면적에 대한 유역면적의 비는 618로 국외의 자연호에 비해 매우 크므로 호수 성상의 여러 요인은 유역의 특성에 따라 크게 영향을 받게 된다(Kong, 1992). 팔당호와 관련하여 안정동위원소를 이용한 연구는 매우 제한적인데 Lee et al. (2008)은 팔당호 유역을 포함한 한강의 물을 대상으로 용존질소 농도와 질소 및 산소 동위원소비를 분석하여 질산염 기원에 대한 시공간적 변동을 확인하였고, Choi et al. (2002) 등은 북한강 유역 지하수의 질소오염원을 평가한 사례가 있다. 본 연구에서는 팔당호에 유입되는 북한강 및 남한강과 경안천 유입수역에 대하여 연중 및 강우 전후에 채취된 시료의 탄소 및 질소 동위원소비와, 동 기간 중 조사된 수질, 조류종, 개체수 및 수문조사결과를 바탕으로 호소 내 식물플랑크톤 성장에 영향을 미치는 유기물의 기원과 영향인자들을 추정코자 하였다.

    2. Materials and Methods

    시료의 동위원소(δ15N, δ13C) 및 CN비 조성 분석을 위해 각 조사지점의 시료를 플랑크톤 net (20 μm)를 이용하여 수심 약 2~0.5 m 내외의 표층을 채취하였으며, 채취한 시료는 125 μm sieve를 이용하여 여과 후 원심분리기를 사용하여 고형물을 분리하였다. 회수된 고형물은 동결 건조기를 이용하여 2~3일간 동결 건조 후 건조된 시료는 막자사발(martar and pestle) 혹은 볼밀 분쇄기(ball-mill grinder)를 이용하여 최대한 미세하고 균질한 입자형태로 분쇄시켰다. 분쇄된 시료는 일정한 무게의 비율로 틴 캡(tin capsule)에 넣어 안정동위원소분석기(Elemental Analyzer-Isotope Ratio Mass Spectrometry. vario Micro cube-Isoprime 100. Elementar-GV Instrument. UK)로 탄소 및 질소함량(각각 %로 산출)도출하고 이를 토대로 CN질량비(mass ratio)를 구한 후 14/12를 곱해 CN 원자비(atomic ratio)를 산출하였다. 아울러 δ15N 및 δ13C을 분석하고 결과값을 ‰로 나타내었다.

    조사시기 및 주기는 2013년 5월부터 10월까지 월 1회 채취하였다. 2012년은 6월과 8월 동일한 방법으로 채수하였다. 시료채취지점은 팔당호 및 유입하천(댐앞, 북한강, 남한강, 경안천) 4지점이었다(Table 2, Fig. 1).

    팔당호 수질자료는 한강물환경연구소에서 수행한 팔당호 국가수질측정망 자료(수온, DO 등 일반수질조사항목, Chlorophyll-a,) 및 식물플랑크톤 조사자료(조류개체수, 조류종 등)를 인용하였고(MOE 2012, 2013; HERC, 2012, 2013), 댐유입량 등 수문자료는 ‘국가수자원관리종합정보시스템’(MOLIT, 2013)에서 수집하였다.

    3. Results and Discussion

       3.1. 조사지점의 CN비 검토

    하천에서 부유성 유기물 입자(seston)의 CN 비는 유기물 기원이 무엇이냐에 따라 그 비율이 변동되므로 하천에서의 유기물 기원을 밝히는데 δ13C 또는 δ15N 값 보다 더 유용하게 이용될 수 있는 것으로도 알려져 있다(Kendall et al., 2001), 2013년 5월에서 10월까지 조사된 각 조사지점의 CN 비의 변동 폭은 북한강 4.9 ~ 9.0, 남한강 5.9 ~ 7.4, 경안천 5.7 ~ 8.6 그리고 댐 앞 5.8 ~ 7.0이었다(Fig. 2). 이 결과는 문헌상에서 제시한 담수 식물플랑크톤의 CN 비 범위인 대략 5 ~ 8 정도(Redfield, 1958; LaZerte, 1983)와 거의 일치하고 있으므로 채취된 시료의 대부분은 식물플랑크톤으로 구성되어 있는 것으로 추정된다. 일반적으로 육상식물의 CN 는 15 ~ 50 정도이며, 경작지 토양의 표층부터 15cm 깊이까지 유기물의 CN 비 중간값(median) 범위는 10 ~ 12 정도, 그리고 전체적으로는 8 ~ 25 정도로 알려져 있다(Aitkenhead and McDowell, 2000; Brady, 1990).

       3.2. 조사지점의 δ13C 분포 특성

    각 조사지점별 식물플랑크톤 시료의 δ13C값 분포는 북한강 지점(BHR)이 −32.5 ‰ ~ −28 ‰, 남한강 지점(NHR)이 −31.1 ‰ ~ −26.2 ‰, 경안천 지점(KAS)은 −30.7 ‰ ~ −24.5 ‰, 그리고 댐 앞(PDD)지점은 −30.7 ‰ ~ −23.6 ‰이었다(Fig. 3). 상대적으로 유속이 빠르고 하천의 성격을 가지는 북한강 및 남한강 지점의 식물플랑크톤 시료가 유속이 느리거나 정체된 댐 앞 및 경안천 지점에 비해 낮은 값을 보였다. 문헌상에서 보면 일반적으로 유속이 빠른 곳보다 정체수역에서 식물플랑크톤의 δ13C 값은 높은 경향을 보이나(Finlay and Kendall, 2007), 이러한 유속의 영향은 CO2농도가 높고 조류 성장율이 낮은 그늘에 가려진 소하천의 경우 명확하게 나타나지 않다고 알려져 있다(Finlay, et al., 1999; Macleod and Barton, 1998).

       3.3. 조사지점의 δ15N 분포 특성

    각 조사지점별 식물플랑크톤 시료의 δ15N값 분포는 북한강 지점(BHR)이 3.0 ‰ ~ 9.2 ‰ (평균5.3), 남한강 지점(NHR)이 7.0 ‰ ~ 11.6 ‰ (평균 8.8), 경안천 지점(KAS)이 7.4 ‰ ~ 13.9 ‰ (평균10.0), 그리고 댐 앞(PDD)에서 4.7 ‰ ~ 7.8 ‰(평균6.7)정도의 범위를 나타냈으며 북한강 수역이 상대적으로 가장 낮고 경안천 수역이 가장 높았는데, 기존 문헌에서 제시하는 δ15N의 발생원별 범위를 기준으로 보면 북한강 조사지점에서 서식하는 식물플랑크톤은 토양유기물 기원의 질소원(nitrogen source)을 이용하는 것으로 보이며, 남한강 및 경안천의 경우 거의 대부분 하수나 축산폐수 기원의 질소원을 이용하는 것으로 생각된다. 조사지점별로 5월 ~ 10월 기간 중 식물플랑크톤 시료의 δ15N 값 변동폭은 댐 앞 지점에 비해 북한강, 경안천 그리고 남한강 지점에서 상대적으로 크게 나타나, 이들 유입하천에 서식하는 식물플랑크톤의 경우 유역 및 계절특성 혹은 강우량의 변동 등에 의해 다양한 기원을 갖는(하수처리장, 농경지, 하수 등) 질소원을 가지는 것으로 보이며 유입하천이 만나는 댐 앞 지점에서는 각 유입천별 특성이 혼합되어 상대적으로 계절적인 변동이 크지 않은 것으로 추정된다(Fig. 4).

    조사 시기별로 볼 때 4개 조사지점 식물플랑크톤의 δ15N값 분포는 5월이 3.0 ‰ ~ 13.9 ‰ 정도로 지점별로 약 10 ‰ 이상 차이를 보였고, 강우로 유입량이 큰 폭으로 증가된 이후 8월에 6.5 ‰ ~ 7.4 ‰ 정도로 약 1 ‰ 이내의 차이만 나타냈다. 이것은 유역 토양, 산림 및 하수 등 δ15N값의 차이를 보이는 질소원들이 하절기 강우에 의해 혼합되고 희석되어 각 조사지점이 유사한 조성을 가지게 되었고 이들이 식물플랑크톤 성장에 이용되었기 때문으로 판단된다(Fig. 5).

       3.4. 식물플랑크톤의 δ13C 및 δ15N 연도별 특성 비교

    Fig. 6은 북한강 수역과 경안천 수역에서 6월과 8월 조사된 식물플랑크톤 시료의 δ13C 및 δ15N 값을 2012년과 2013년을 비교하여 도시한 것이다. 북한강 지점 시료의 δ15N 값은 2012년에는 6월(5.9 ‰)보다 8월(1.6 ‰)이 4 ‰ 이상 더 낮은 수준을 보인 반면, 2013년에는 6월(4.9 ‰)보다 8월(6.5 ‰)이 약 1.6 ‰ 높은 결과를 보였다(Fig. 6(a)). 아울러 7월말에서 8월 중순까지 관찰된 수온은 2013년이 2012년에 비해 뚜렷하게 높은 25°C 이상의 수온을 나타냈고 비슷한 시기에 Chlorophyll-a 농도도 2013년이 상대적으로 높은 수준을 보였다(Fig. 7). 또한 이 시기에 출현한 조류종은 질소고정능력이 있는 남조류가 우점하고 있었던 것으로 조사되었다(Table 3)(HERC, 2012).

    팔당호의 경우 남조류는 6~8월에 집중적으로 발생하는 경향을 보이며, 대량증식에 의해 피크를 보이는 시기는 높은 수온이 관찰되는 시기와 거의 일치하는 경향을 보이는 것으로 알려져 있고(Kong 1992; Kim 2004), 질소고정에 의한 유기물의 질소 동위원소비(δ15N)는 다른 메카니즘에 의한 것보다 상대적으로 낮은 값을 나타내므로 유기물에서 낮은 δ15N값을 나타내는 경우 질소고정에 의한 증거로 간주될 수 있다(Kendall et al., 2007). 또한 Fogel and Cifuentes (1993)는 이 분별작용(fractionation)에 의한 δ15N값의 범위를 −3 ~ +1 ‰였다고 보고한 바 있다. 이러한 선행연구결과로 판단할 때 2012년 8월에 관찰된 식물플랑크톤의 δ15N값 감소 원인은 질소고정능력이 있는 남조류의 대량 증식에 기인한 것임을 암시한다. 2012년과 2013년의 연간 조류종별(규조류, 남조류, 녹조류 및 기타 조류로 구분) 개체수 변동(Fig. 8)과 조류종(Table 3)을 보면, 6월에서 8월까지 2012년이 2013년에 비해 높은 수온 및 Chlorophyll-a 농도와 대부분 Anabaena spp. 로 동정된 남조류의 우점이 관찰되었다. 결론적으로 북한강 유입수역에서 2013년에 비해 2012년 8월에 급격히 δ15N값이 감소한 이유는 질소고정능력이 있는 남조류의 대량증식으로 인한 분별작용이 원인인 것으로 판단된다. 따라서, 식물플랑크톤 증식에 영향을 미치는 유기물 기원(source) 판단에 조류증식정도 및 종(species)에 대한 검토도 필요한 것으로 판단된다.

    팔당호 전체에서 경안천 수역은 남한강 및 북한강 유입유량에 비해 상대적으로 매우 적은 유량이 유입되고 있으나(팔당호 전체 유입량의 약 1.6%) 오염도가 높고 강우 등에 의한 수량의 증감에 크게 의존하는 특징을 가진다(Kim et al., 2005). 이러한 경안천 자체의 수질 특성에 따라 팔당호내 경안천 유입수역도 강우에 의한 유입량의 변동, 수온, 영양염류 농도 등 환경 조건의 변동에 매우 취약하여 조류증식수준도 큰 차이를 보인다. 경안천 지점 식물플랑크톤의 δ13C값은 2012년의 경우 6월에는 −25.3 ‰에서 8월에 −31.1 ‰로 5.8 ‰ 정도 감소된 값을 보인 반면, 2013년에는 6월 −25.1에서 8월 -26.9 ‰로 2012년보다 상대적으로 약 3배정도 낮은 감소치(1.8 ‰)를 보였다(Fig. 6(b)).

    경안천 지점 식물플랑크톤의 δ15N값은 2013년이 7.4 ‰ ~ 8.9 ‰ 수준이었고, 2012년에는 13.5 ‰ ~ 14.4 ‰ 수준으로 평균 5.8 ‰ 정도 2013년에 더 낮은 수준을 보였는데(Fig. 6(b)), 이 결과는 팔당호 수질에 크게 영향을 미치는 유입유량의 연도별 차이에서 비롯된 것으로 판단된다. Fig. 9에 나타난 바와 같이 2013년에는 2012년에 비해 동 기간대 유입량이 상대적으로 큰 폭의 증가가 관찰되었고, 경안천 유역에 분포된 질소원(하수, 농경지 배수 등)들은 강우에 의해 크게 늘어난 유량과 함께 혼합 및 희석되었을 것으로 보인다. 문헌에서 보면 하천 수계에서 여러 질소원들이 혼합되는 경우 혼합된 수체의 δ15N값은 각 질소원별 δ15N값보다 낮은 δ15N값을 나타냈다(Kendall et al., 2007). 또한 Silva et al. (2002)는 많은 강우시 δ15N값은 평상시보다 낮은 경향을 보이고 그 원인이 낮은 δ15N값을 갖는 대기 질산염 또는 질산염 비료가 주 질소원이라고 하였다. 문헌상에서 보고된 질소원별 δ15N값을 기준으로 판단할 때 2012년 및 2013년 모두 하수나 축산폐수에서 관찰되는 δ15N값의 범위(+7 ~ +20 ‰)를 벗어나지 않고 있어 경안천 지점에 서식하는 식물플랑크톤의 질소원은 대부분 하수나 축산폐수로부터 비롯된 것으로 사료된다.

    4. Conclusion

    본 연구에서는 팔당호와 호수에 유입되는 북한강, 남한강 및 경안천 유입수역(4지점)에서 채취한 시료에 대하여 탄소 및 질소 동위원소비와, 동 기간 중 조사된 수역의 수질, 조류종, 개체수 및 수문조사결과를 바탕으로 호소 내 식물플랑크톤 성장에 영향을 미치는 유기물의 기원과 영향인자들을 추정코자 하였다. 각 조사지점 시료의 연간 CN 비는 4.9 ~ 9.0 정도로 선행 연구에서 제시된 담수 식물플랑크톤의 CN 비 범위(대략 5~8 정도)와 거의 일치하고 있어 채취된 시료는 대부분 식물플랑크톤으로 구성되어 있는 것으로 판단된다. 각 지점별 식물플랑크톤 시료의 δ15N값은 강우에 의한 유입량 증가시 감소하였고 지점별로도 큰 차이를 보이지 않았는데 이것은 유입량 증가로 유역별 특성을 지닌 질소원들이 혼합 및 희석효과 때문인 것으로 생각된다. 각 지점별 δ15N값 분포로 볼 때 북한강 수역은 토양 유기물 기원의 질소원(nitrogen source)이 상당부분 차지하는 것으로 보이며, 남한강 및 경안천의 경우 거의 대부분 하수나 축산폐수 기원의 질소원에 의한 것으로 생각된다. 북한강 유입수역에서 2013년에 비해 2013년 8월에 급격히 δ15N값이 감소한 이유는 질소고정능력이 있는 남조류의 대량증식으로 인한 분별작용이 원인인 것으로 보인다. 따라서, 식물플랑크톤 증식에 영향을 미치는 유기물 기원(source) 판단에 조류증식정도 및 종(species)에 대한 검토도 필요한 것으로 판단된다.

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  • [Table 1.] Morphological characteristics of Paldang reservoir
    Morphological characteristics of Paldang reservoir
  • [Table 2.] Location of sampling points
    Location of sampling points
  • [Fig. 1.] Sampling points in Paldang reservoir.
    Sampling points in Paldang reservoir.
  • [Fig. 2.] CN ratio range of each sample from May to October in 2013. BHR: Bughan river, NHR: Namhan river, KAS: Kyeongan stream, PDD: In front of Paldang dam.
    CN ratio range of each sample from May to October in 2013. BHR: Bughan river, NHR: Namhan river, KAS: Kyeongan stream, PDD: In front of Paldang dam.
  • [Fig. 3.] δ13C range of each sample from May to October in 2013. cf. Macrophytes (?27 ~ ?20 ?), Soil & Terrestrial plants (C3 plant, ?32 ~ ?22 ?), Phytoplankton (?32 ~ ?23 ?) (Finlay and Kendall, 2007)
    δ13C range of each sample from May to October in 2013. cf. Macrophytes (?27 ~ ?20 ?), Soil & Terrestrial plants (C3 plant, ?32 ~ ?22 ?), Phytoplankton (?32 ~ ?23 ?) (Finlay and Kendall, 2007)
  • [Fig. 4.] δ15N range of each sample from May to October in 2013.
    δ15N range of each sample from May to October in 2013.
  • [Fig. 5.] Seasonal variation of δ15N and inflow rate in Paldang reservoir. (a) Monthly δ15N range of each sampling point from May to October, (b) inflow rate of Paldang reservoir in 2013.
    Seasonal variation of δ15N and inflow rate in Paldang reservoir. (a) Monthly δ15N range of each sampling point from May to October, (b) inflow rate of Paldang reservoir in 2013.
  • [Fig. 6.] δ13C and δ15N values of June and August samples in 2012 and 2013. (a) Bughan river (BHR), (b) Kyeongan stream (KAS)
    δ13C and δ15N values of June and August samples in 2012 and 2013. (a) Bughan river (BHR), (b) Kyeongan stream (KAS)
  • [Fig. 7.] Comparison of water quality fluctuation of Bughan-river sample in 2012 and 2013. (a) water temperature, (b) chlorophyll-a
    Comparison of water quality fluctuation of Bughan-river sample in 2012 and 2013. (a) water temperature, (b) chlorophyll-a
  • [Table 3.] Dominant algal genera of Bughan river samples from June to August between in 2012 and 2013 in Paldang reservoir
    Dominant algal genera of Bughan river samples from June to August between in 2012 and 2013 in Paldang reservoir
  • [Fig. 8.] Comparison of algal taxa variation of Bughan river sample from June to August. Vertical line means sampling time. (a) 2012, (b) 2013.
    Comparison of algal taxa variation of Bughan river sample from June to August. Vertical line means sampling time. (a) 2012, (b) 2013.
  • [Fig. 9.] Inflow rate fluctuation in 2012 and 2013 from June to August in Paldang reservoir.
    Inflow rate fluctuation in 2012 and 2013 from June to August in Paldang reservoir.