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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Korean J. Environ. Biol. Vol.37 No.2 pp.204-216
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2019.37.2.204

A multimetric diatom index for biological integrity assessment of Korean streams

In-Hwan Cho1, Young-Won Lee2, Ha-Kyung Kim1, Yong-Jae Kim3,*, Soon-Jin Hwang4, Du-Hee Won5, Seong-Yu Noh6, Jae-Kwan Lee6, Baik-Ho Kim1,2,*
1Department of Environmental Science, Hanyang University, Seoul 04763, Republic of Korea
2Department of Life Science and Research Institute for Natural Sciences, Hanyang University, Seoul 04763, Republic of Korea
3Department of Life Science, Daejin University, Gyeonggi 11159, Republic of Korea
4Department of Environmental Science, Konkuk University, Seoul 05029, Republic of Korea
5Doohee Institute of Ecological Research, Seoul 13814, Republic of Korea
6National Institute of Environmental Research, Incheon 22689, Republic of Korea
Corresponding author Baik-Ho Kim Tel. 02-2220-0960 E-mail. tigerk@hanyang.ac.kr Yong-Jae Kim Tel. 031-539-1851 E-mail. yjkim@daejin.ac.kr
13/06/2019 15/06/2019 17/06/2019

Abstract


To evaluate the biological integrity of aquatic ecosystems, we developed Korean multimetric diatom index (KMDI) using metrics that many researchers have been previously described, and compared to single-metric diatom index such as trophic diatom index (TDI) and diatom assemblage index to organic pollution (DAIpo). For the biological and environmental data, we investigated the epilithic diatoms, water quality and the land-use for 923 sites in Korean streams between 2013-2017, and estuaries between 2010-2017, respectively. Five appropriate metrics were selected according to the following steps; 1) extraction of 300 potential metrics (biological, chemical, physical, and geographical) based on previous references, of these, 2) 46 samples having high separation power were selected, 3) the selected metrics were each tested for variability, redundancy, and sensitivity to the environments, finally 4) construction of multi-metric diatom index comprising single type metrics such as TDI, DAIpo, % motile diatoms, % Achnanthes / (Achnanthes+Navicula), and % number of Gomphonema species. The biological integrity of the 233 sites from the Geum River basin were independently investigated using KMDI. Collectively, the new KMDI showed high sensitivity and explanatory power for environmental factors such as land-use, biochemical oxygen demand, total nitrogen, and electric conductivity. However, it had slightly higher biological integrity for the same sites as compared to single type diatom metrics. Finally, more data accumulation from all over Korea and the development of acceptable diatom metrics were required.


Korean multimetric diatom index , epilithic diatom , biological integrity , water quality , stream and estuary

다중형 돌말지수를 이용한 국내 하천의 생물학적 온전성 평가

조 인환1, 이 영원2, 김 하경1, 김 용재3,*, 황 순진4, 원 두희5, 노 성유6, 이 재관6, 김 백호1,2,*
1한양대학교 환경과학과
2한양대학교 생명과학과 및 자 연과학연구소
3대진대학교 생명과학과
4건국대학교 환경과학과
5두희생태조사단
6국립환경과학원

초록

    서 론

    부착돌말은 세포 형태의 다양성은 물론 서식처나 수질 오염에 대한 내성의 범위가 넓고 (Leira and Sabater 2005; Watanabe 2005; Janech et al. 2006), 이동성이 낮아 특정 환 경에 대한 지표성이 매우 높다 (Allen 1995;McCormick and Stevenson 1998). 특히 이들은 하천의 물리, 화학적 요 인 - 기후, 토지, 영양염, 이온이나 포식자와 같은 생물적 요인들의 변화에 대하여 뚜렷한 종 출현 및 생물량 변화를 나타낸다 (Leland and Porter 2000;Weckstrom and Korhola 2001;Kim et al. 2019). 이러한 특성을 이용하여 오래전부 터 특정 수역의 수질을 판정하는데 사용하여 왔다 (Reid et al. 1995;Kelly 1998;Wu 1999;Chang et al. 2004). 최근에 는 많은 국가에서 하천생태계를 보전하고 훼손된 생태계 를 복원하기 위하여, 돌말지수 개발 및 이를 이용한 생태 계 평가를 실시하고 있다 (Karr 1981;OEPA 1987;Ganasan et al. 1998;Schmitt and Dethloff 2000;Tan et al. 2015;Xue et al. 2019).

    국내에서는 아직까지 돌말지수를 개발한 적이 없으 며, 1900년대 후반부터 TDI (Trophic Diatom Index; Kelly and Whitton 1995)와 DAIpo (Diatom Assemblage Index to Organic Pollution; Watanabe et al. 1986)를 혼용하여 왔 으나 2000년대 후반부터는 하천 및 하구에 서식하는 부 착돌말의 성장에 직접적으로 영향을 주는 인산염을 기 본으로 하는 TDI 지수만을 사용하고 있다 (MOE/NIER 2009~2018). 이러한 단일형 돌말지수는 영양염, 유기물 등과 같은 단일 환경요인과 돌말의 출현 특성 간의 상호 관련성을 근거로 개발되었는데 (Kim et al. 2019), 환경에 대한 저서동물의 출현과 민감도를 이용하여 수질 및 수환 경의 상태를 평가하는 Zelinka-Marvan (1961)의 방법을 응 용한 것으로 (Hwang et al. 2006;Coste et al. 2009) 지금까지 개발된 대부분의 돌말지수 역시 기본적으로 같은 원리를 이용하고 있다.

    단일형 지수는 특정 환경요소에 대응되는 돌말류의 출 현 특성을 반영하기 때문에 보다 다양한 환경요소들에 대 한 종합적인 영향을 포괄적으로 설명하기 위해서는 다중 형 돌말지수 (MDI; Multimetric Diatom Index)의 개발이 필요하다 (Hill et al. 2003;Kim et al. 2019). 다른 생물군 - 어류 (Karr 1981), 저서성 대형무척추동물 (Kerans and Karr 1994) 등에서는 다중형 지수 개발이 일찍부터 이루어져 왔다. 반면 다중형 돌말지수의 개발은 최근에 와서 비로 소 시작되었다 (Wang et al. 2005;Zalack et al. 2010; Wu et al. 2012; Schowe and Harding 2014;Tan et al. 2015). Kim (2016)은 이미 개발된 다양한 메트릭 (Wang et al. 2005;Tan et al. 2015)을 바탕으로 임의로 선정한 국내 참조/교 란하천들의 환경요소 및 돌말자료를 이용하여 다중형 돌 말지수를 개선한 바 있다. 하지만 아쉽게도 1) 자료 숫자 가 적어서 국내 하천에 대한 대표성이 낮고, 2) 하구와 같 은 기수역에 대한 조사가 포함되지 않았으며, 3) 개발된 지 수를 아직까지 적용한 사례가 없다. 뿐만 아니라 지금까지 국내에서 사용하고 있는 단일형 또는 다중형 돌말지수들 의 자료들이 국내 환경요인 (예, PO4-P, BOD)과 출현된 돌 말류 (우점종, 지표종)가 큰 차이를 보이는 이른바 지역성 때문에 그대로 사용하는 것은 바람직하지 않다 (Kim et al. 2019).

    따라서 본 연구는 국내 하천-하구 생태계의 생물학적 온 전성 (biological integrity)을 평가하기 위해 기존에 개발 된 다양한 돌말지수들의 장, 단점을 검토하고, 국내 388 하 천 923개 지점에 대한 부착돌말, 수질과 토지이용도 등의 자료를 근거로 타당성 검증 과정을 거쳐 (Wang et al. 2005;Tan et al. 2015) 선정한 다양한 메트릭을 이용하여 한국 형 다중형 돌말지수 (KMDI; Korean Multimetric diatom index)를 개발하였다. 또한 개발된 KMDI 지수는 독립적으 로 조사가 이루어진 금강수계 (금강, 만경강, 동진강, 삽교 천) 233개 지점을 대상으로 생물학적 온전성을 평가하고, 단일형 돌말지수들과 비교 검토하였다.

    재료 및 방법

    1. 조사 지점

    다중형 돌말지수를 개발하기 위하여 국내의 하천 및 하 구를 포함한 388개 하천 923개 지점을 대상으로 부착돌 말 채집과 이화학적 수질환경요인 조사를 동시에 실시 하였다 (Fig. 1). 조사는 하천 5년 (2013~2017), 하구 8년 (2010~2017) 동안, 몬순을 제외한 시기에 각각 독립적으 로 실시하였다. 한편 본 연구에서 개발된 지수의 현장 적 용 및 기존 돌말지수들과 비교하기 위하여, 선행 조사와 독립적으로 2017년 5월에 금강수계 233개 지점에서 동일 한 방법으로 부착돌말과 환경요인 조사를 실시하였다.

    2. 부착돌말 분석

    부착돌말을 채집하기 위해 수중에 잠긴 상부가 편평 한 자연석을 대상으로 기질을 선정하였다. 자연석 상부 의 100 cm2를 정량 채집한 시료의 일부는 Lugol’s 용액으 로 고정하였고, 다른 일부는 고정하지 않았다. 고정된 시료 는 실험실에서 Permanganate method (Hendey 1974)에 따 라 세척 및 건조과정을 거친 다음 봉입제 Naphrax®(Brunel Microscopes Ltd, England)를 이용하여 영구표본을 제작 하고, 광학현미경 (Nikon E600, Japan)의 1,000배 이상에서 동정 및 분류하였다. 동정은 Krammer and Lange-Bertalot (2007) 등의 문헌을 참고하였고, Simonsen (1979) 체계에 따라 분류하였다. 또한 돌말류 군집 특성을 파악하기 위 하여 각 지점의 출현 특성 (출현종수, 세포밀도)을 근거로 우점종 및 우점도 지수 (McNaughton 1967), 다양성 지수 (Shannon and Weaver 1959), 풍부도 지수 (Margalef 1958) 및 균등도 지수 (Pielou 1975)를 각각 산출하였다.

    3. 환경요인 분석

    현장에서 직접 측정하거나 채집한 현장수를 분석한 환 경요인들은 메트릭을 선정하는 과정에 사용되었다. 휴대 용 수질 측정기 Horiba U-50 (HORIBA Ltd., Japan)을 이 용하여 수온, 수심, 용존산소, pH, 전기전도도, 탁도 등은 현장에서 직접 측정하였다. 토지이용은 조사 지점을 중 심으로 반경 1 km 범위의 농경지, 도시, 숲의 상대적 비 율을 구하여 %로 나타냈다. 조사 지점에서 2 L 무균채 수병에 채수 후 현장수를 냉암조건을 유지한 채 실험실 로 운반하였다. BOD는 Winkler-azide법으로 측정하였고, NO3-N은 Cadmium reduction법, NH3-N은 Colorimetric 법, TN은 Cadmium reduction법, PO4-P는 Ascorbic acid 법, TP는 persulfate 분해 후 Ascorbic acid법으로 각각 Spectrophotometer (SP2770i Youngwoo, Korea)를 이용하 여 측정하였다 (APHA 2001).

    4. 비교란 (참조)하천의 선정

    다중형 돌말지수를 개발하기 위하여 온전성평가의 기 준이 되는 대조군을 선정하고자 현장조사를 수행하였던 지점들 중 교란정도가 가장 낮은 지점들을 비교란 또는 참 조하천으로 선정하였다. 본 연구에서는 선행연구 (Wang et al. 2005;Tan et al. 2015;MOE/NIER 2016)를 토대로 전체 923개 지점의 토지이용 (숲 비율), 화학적 (BOD, TN, TP), 생물학적요인 (TDI)들의 분포를 분석하여 생태학적 교란 이나 수질이 우수한 평균 2.5% 미만 (23개 지점)을 참조하 천으로 선정하였는데 (Table 1), 단일형 돌말지수 TDI를 이 용한 평가에서 모두 B 등급 이상에 해당되었다.

    5. 메트릭의 특성

    1) 메트릭의 선정

    본 연구에서 메트릭 (metric)이란 수서생태계의 물리적, 화학적, 생물학적 상태를 설명할 수 있는 주요 돌말지표 를 의미한다. 먼저, 한국형 다중형 돌말지수 (KMDI)를 개 발하기 위해 후보 메트릭을 임의로 수집하고 (약 300개 metrics), 선행연구 또는 문헌을 참고하여 1차 후보 46개 메트릭을 선정하였다 (Barbour et al. 1999;Hill et al. 2000;Wang et al. 2005). 이어서 Wang et al. (2005)과 Kim (2016) 의 방법에 따라, 이들 후보 메트릭 중 다항목지수에 포함 될 최종 메트릭을 선정하기 위해 변이성, 중복성, 변별력 및 수질환경에 대한 부착돌말의 민감성 등 총 4단계 검증 과정을 거쳐 최종적으로 KMDI에 적용할 메트릭을 선정 하였다 (Fig. 2, Table 2).

    (1) 변이성 (Variability)

    각 후보 메트릭의 변이성을 검증하기 위해 다음 3가지 항목에 해당되는 메트릭은 하천에 대한 교란을 파악하는 데 적합하지 않다고 판단하여 제외하였다 (Barbour et al. 1999;Wang et al. 2005;Jun et al. 2012;Tan et al. 2015;Kim 2016).

    • ① 중간값이 0인 메트릭

    • ② Coefficient of variation (CV, 표준편차/평균)이 1 이상 으로 나타나는 메트릭

    • ③ 평균, 25th, 중간값, 75th 값이 낮거나 변이가 심한 메트릭

    (2) 중복성 (Redundancy)

    각 메트릭 간 높은 상관성을 보이는 각각의 메트릭은 수 질환경 평가에 새로운 정보를 제공하지 못한다. 이러한 이 유로 각 메트릭 간 중복성 검증은 다항목지수 개발에 있어 서 반드시 필요하다 (Jun 2011). 각 메트릭 간 산점도 (scatter plot)를 이용하여 선형적 상관성을 평가하고 r2>0.8으로 나 타나는 메트릭은 중복된다고 판단하여 이들 중 한 개의 메 트릭을 선정하였다 (Fig. 3;Wang et al. 2005;Kim 2016).

    (3) 변별력 (Discriminatory)

    참조하천과 교란하천의 차이를 구분하기 위해 Mann- Whitney U test, Box-and-Whisker plot을 이용하여 각 메트 릭의 변별력을 평가하였다 (Wang et al. 2005;Kim 2016). Mann-Whitney U test를 사용하여 두 그룹 간 유의한 차이 를 보이는 경우, Box-and-Whisker plot을 이용하여 분할력 (SP; Separation Power)을 분석하였다. 분할력은 각 메트릭 에 대한 4분위 범위 (25th percentile과 75th percentile)와 중 간값을 이용하였다 (Barbour et al. 1999;Wang et al. 2005;Jun et al. 2012;Tan et al. 2015). 두 그룹 간 box 사이가 중복 되는 경우 1점, 중간값이 중복되지 않는 경우 2점, box 간 중복되지 않는 경우 3점으로 하여, 3점으로 갈수록 변별력 이 높은 것으로 판단하였다 (Fig. 4).

    (4) 환경에 대한 민감도 (Sensitivity)

    수질환경을 설명하는 생물학적인 지수는 생태계의 물 리적, 화학적, 생물학적인 상태를 대변해야 하기 때문에 다양한 유형에 대한 메트릭과 관계를 포함하여야 한다 (Barbour et al. 1999). 따라서 생태적 특성을 반영하고 환경 요인과의 관계를 파악하기 위해 상관분석을 실시하였다.

    2) 선정된 메트릭의 특성

    후보 메트릭을 대상으로 변이성, 중복성, 변별력 및 환경 에 대한 민감성 등의 검증과정을 거쳐 최종적으로 다중형 돌말지수의 주요 메트릭으로 선정된 5가지 지표들의 특성 은 다음과 같다.

    (1) Trophic Diatom Index (TDI)

    이 메트릭은 영양염 지수로서 각 종의 상대적인 풍부도, 영양염 (PO4-P)에 대한 오염민감도, 지표종분석 (Indicator Species analysis)으로 나타난 지표값 (IndVal)을 고려하여 하 천의 영양상태를 평가하는 지수이다 (Kelly and Whitton 1995). 본 지수 개발 시 사용한 TDI는 국내 실정에 맞 게 변경하여 사용하였으며, 하천의 영양염 (PO4-P)의 농 도가 증가할수록 TDI는 반대로 감소한다 (MOE/NIER 2009~2018).

    (2) Diatom Assemblage Index of Organic Pollution (DAIpo)

    이 메트릭은 유기오염지수로서 특정 지점에서 출현된 돌말류들을 호청수성종 (Saproxenous taxa), 광적응성종 (Indifferent taxa), 호오탁성종 (Saprophilous taxa) 등으로 각 각 구분하고 호청수성종과 호오탁성종의 상대풍부도를 이 용하여 수체의 유기오염 정도를 평가한다 (Watanabe et al. 1986). 하천의 오염도가 증가할수록 DAIpo는 감소한다.

    (3) % motile individuals in total diatoms (MOT)

    이 메트릭은 운동성 돌말류의 빈도가 높을수록 오염도 가 증가함을 의미하는 것으로 하천의 퇴적 정도와 관련된 지표이며, 많은 선행 연구에서도 다중형 지수의 잠재적 메 트릭으로 사용되어 왔다 (Hill et al. 2000;Wang et al. 2005). 출현된 종은 운동성에 따라 분류하고 (Passy 2007;Berthon et al. 2011), 각 지점에서 출현한 모든 부착돌말 개체수에 대한 motile diatoms 개체수의 비율로 계산하였다. 하천 내 퇴적이 증가함에 따라 MOT와 오염도가 증가한다.

    (4) % Achnanthes / (Achnanthes + Navicula) (AAN)

    이 메트릭은 출현된 돌말류 속 수준에서 청수성 Achnanthes와 운동성을 가지고 있으며 영양염을 선호하는 Navicula에 대한 상대 비율을 의미하는 것으로 (Wang et al. 2005), 하천의 오염이 증가할수록 AAN는 감소한다.

    (5) % number of Gomphonema species (NGO)

    이 메트릭은 Wang et al. (2005)은 출현된 속 수준에 서 돌말류를 청수성과 오탁성으로 구분하고 Achnanthes, Cocconeis, Cyclotella, Cymbella, Fragilaria, Frustulia, Gomphonema, Rhoicosphenia, Synedra 등을 청수성으로, Amphora, Navicula, Nitzschia, Surirella 등을 오탁성으로 구분 하였다. 이 중 하천의 오염이 증가할수록 Gomphonema 속의 출현종수 (NGO)는 감소한다.

    3) KMDI의 특성 및 적용

    앞에서 선정된 후보 메트릭들은 모두 표준화 과정을 거 쳤으며 (Barbour et al. 1999), 선정된 5개 메트릭을 점수화 하기 위해 각 메트릭들은 0~10 점수 체계를 적용하였다 (Hill et al. 2003). 교란에 대해 값이 감소하는 메트릭의 경 우, 각 메트릭 값을 90th percentile 값으로 나누고 10을 곱 하여 계산하였고, 교란에 대해 값이 증가하는 메트릭의 경 우, 각 메트릭 값을 90th percentile 값으로 나누고 이 값을 1 에서 뺀 후 10을 곱하여 계산하였다. 메트릭 값이 10이 넘 는 경우는 ‘버림’하여 10점으로 계산하였다 (Table 3).

    또한 선정된 메트릭의 90th percentile 값은 TDI; 91.5, DAIpo; 90.7, % ratio motile individuals in total diatoms; 69.5, % Achnanthes / (Achnanthes+Navicula); 99.0, % number of Gomphonema species; 16.7로 나타났다. 각 메트릭은 0~10 점을 가지게 되고, 5개 메트릭의 합계에 2를 곱한 값이 지 수의 점수가 된다. KMDI 지수의 점수는 각 메트릭의 최대 값과 최소값을 기준으로 5등분하였으며, 참조상태에 가까 울수록 A, 교란정도가 심할수록 E등급으로 구분하였다. 새 롭게 개발된 KMDI 지수의 설명력을 검정하기 위하여 환 경요인과 Pearson’s 상관분석을 실시하였다. KMDI 지수의 현장 적용은 2017년 5월에 독립적으로 실시한 금강수계 (금강, 만경강, 동진강, 삽교천) 233개 지점을 대상으로 생 물학적 온전성을 평가하고 다른 지수들과 비교 및 검토하 였다. 이상의 모든 통계적 분석은 IBM SPSS software (ver. 24. SPSS Inc. Korea)를 이용하였다.

    결 과

    1. KMDI의 메트릭 선정

    다중형 돌말지수를 개발하기 위하여 후보 메트릭 선 정 과정을 실시하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 변이성 (Variability) 검증에서는 (Fig. 2, Table 2), 후보 중 중간값이 0인 메트릭은 % Erect individuals, Eutraphentic diatom ratio 등으로 나타나 총 16개를 제거하고, 평균값, 사분범위 사이 에 변이가 크고, CV값 (표준편차/평균)이 큰 메트릭은 % Stalked individuals, % Unattached individuals 등으로 나타 나 추가적으로 15개 메트릭을 제거하여 총 31개 메트릭이 제거되었다. 한편, 중복성 (Redundancy) 검증에서는 (Fig. 2, Table 2), Fig. 3a, b, c에서와 같이 다양성지수 (r2=0.92), 우 점도지수 (r2=0.86), 균등도지수 (r2=0.80)는 서로 매우 높 은 상관관계를 보였고, 이들 중 변이성 검증 단계에서 CV 값이 더 작은 균등도지수를 선정하였다. 출현 종수와 풍부 도지수는 r2=0.88를 가지며 중복성을 보였고 (Fig. 3d), 1 단계에서의 CV값이 더 작은 출현 종수를 선정하였다. % Nitzschia individuals과 % Motile individuals는 r2=0.98로 거의 선형과 유사한 관계를 보였다 (Fig. 3e). Nitzschia 속 은 교란 정도에 따라 일정한 반응을 예상하기 어려우므 로 % Motile individuals을 선정하였다. 이 과정을 통해 4개 메트릭이 제거되었다. 변별력 (Discriminatory) 검증에서 는 (Fig. 2, Table 2), SP값이 3점이 되지 않은 메트릭은 No. of species, Evenness Index 등으로 나타나 총 6개 메트릭을 제거하였다. 환경에 대한 부착돌말의 민감도 (Sensitivity) 검증을 위해 상관분석을 실시한 결과는 Table 4과 같이 DAIpo와 전기전도도 간의 상관성을 제외한 5개의 메트릭 이 모두 환경요인과의 유의미한 상관성 (p<0.01)을 보여 최종 메트릭으로 선정되었다 (Fig. 2, Table 2).

    2. KMDI의 특성

    KMDI는 앞에서 최종적으로 선정한 5가지 메트릭 (TDI, DAIpo, % Motile individual, % Achnanthes / (Achnanthes + Navicula), % No. of Gomphonema species)을 산술적으로 합한 다중형 돌말지수를 개발하였으며 (Karr et al. 1986; Barbour et al. 1999;Hill et al. 2000;Jun et al. 2012), 각 매트 릭의 점수는 0~10 체계를 적용하였다 (Table 3, Hill et al. 2003). 기존에 사용해왔던 단일형 돌말지수 TDI와 DAIpo 는 0~100점으로 만들어져 있어, 이들과 비교하기 용이하 게 새롭게 개발한 KMDI 역시 0~100 범위를 가지며 이를 5등급으로 구분하였다 (Table 5). 다중형 돌말지수는 다음 과 식에 의해 계산된다.

    KMDI= (TDI+DAIpo+MOT+AAN+NGO) ×  2

    KMDI 지수의 메트릭 중 TDI, DAIpo는 종 (species)을 기반으로, % Motile individual, % Achnanthes / (Achnanthes + Navicula), % No. of Gomphonema species 등은 속 (genus) 을 기반으로 측정하였다. 일반적으로 속을 기반으로 동 정 및 측정은 부착돌말을 분류하거나 동정이 용이하 기 때문에 이런 방법이 생물학적 수질판정에 사용되 고 있다 (Wang et al. 2005). 한편, Bahls (1993)와 Wang et al. (2005)에 따르면 Achnanthes, Cocconeis, Cyclotella, Cymbella, Fragilaria, Frustulia, Gomphonema, Rhoicosphenia, Synedra 속은 청정수역, Amphora, Navicula, Nitzschia 속은 오탁수역을 각각 대변한다. 본 연구에서 % Achnanthes / (Achnanthes+Navicula), % No. of Gomphonema species은 영 양염 (TN, TP), 토지이용 (% Forest)과 매우 높은 상관을 보 였다 (Table 4).

    KMDI의 신뢰성을 검토하기 위하여 독립적으로 조사한 금강수계 233개 지점의 환경요인과 다중형 돌말지수와의 상관관계를 분석한 결과, KMDI는 도시 토지이용을 제외 하면 모든 물리적, 화학적인 수질환경과 높은 상관성을 보 였다 (Table 6). 특히 토지이용 중 숲의 비율 (r=0.497)과 높 은 상관성을 보였고, 그 외 농경지 비율 (r= -0.318), BOD (r= -0.300), TN (r= - 0.274), 전기전도도 (r= -0.272) 등 나머지 수질환경과도 비교적 높은 상관성을 보였다.

    3. KMDI의 적용

    본 연구에서 개발한 KMDI와 단일형 돌말지수 (TDI, DAIpo)를 동일한 조사 지점에 대하여 비교 검토하였다 (Table 7). TDI의 경우, 등급을 각 A; 100-90, B; 89-70, C; 69-50, D; 49-30, E; 29-0으로 DAIpo의 경우 A; 100-80, B; 79-60, C; 59-40, D; 39-20, E; 19-0 등으로 구분했다 (MOE/NIER 2008~2018). KMDI는 A, B, C 등급에 집중 되었으며, E 등급은 나타나지 않았다. 대체적으로 DAIpo 의 경우 KMDI와 비슷한 경향을 보였으나, D등급이 상대 적으로 많이 나타났다. TDI의 경우 E 등급이 76개 지점으 로 가장 높았다. 결과적으로 KMDI는 두 단일형 돌말지수 보다 생물학적 온전성이 상대적으로 높게 평가되었다.

    고 찰

    하천의 생물학적 수질판정을 위한 단일형 또는 다중형 돌말지수는 오래전부터 개발되어왔으나 (Kim et al. 2019), 지수의 근거가 되는 자료는 사실상 매우 제한적이다. 지 금까지 가장 많은 나라에서 이용하고 있는 단일형 돌말지 수 TDI의 경우 (Kelly and Whitton 1995) 지수 개발을 위해 총 70개 지점, Wang et al. (2005)의 diatom-based IBI의 경 우 총 26개 지점, Hill et al. (2003)의 PIBI는 총 272개 지점, Kim (2016)에 의해 개발된 온전성 평가 지수의 경우 총 151개 지점 등이 이용되었다. 결국 제한된 지점의 자료를 근거로 개발한 돌말지수들은 특정 지역을 대표할 뿐 다른 수계에 그대로 적용하는 것은 무리가 있다. 본 연구에서 개발된 KMDI는 1) 국내 다양한 하천 및 하구역 923개 지 점을 독립적으로 조사하여 자료의 범위나 대표성에서 지 금까지 연구들보다 다양한 지점에 대한 조사가 이루어졌 으며, 2) 다른 조사에서 시행한 적이 없는 하구에 대한 자 료가 추가됨으로 기존 지수들보다 자료의 대표성이 상대 적으로 높다.

    수체의 온전성을 평가하기 위해 돌말지수를 개발하는 과정에서 인간의 간섭이 가장 적은 참조하천의 선정은 다 른 장소의 교란정도를 평가하는데 기준이 되기 때문에 매 우 중요하다. 다만 참조 상태나 참조하천의 기준은 지리 적 특성이나 학자의 견해에 따라 차이가 있을 수 있어 동 일한 기준으로 일괄 적용하는 것은 결과를 왜곡할 가능성 이 높다. IBI의 경우 Wang et al. (2005)은 조사한 지점의 토 지 이용도 (land-use)를 근거로 비교란하천 (참조하천)을 설정하였으며, Hill et al. (2003)은 acid neutralizing capacity (ANC), Cl-, SO42-, TP, TN 등 영양염 및 화학물질 농도를 근거로 하였다. 물론 돌말류의 출현특성을 이용한 하천 의 온전성을 평가방법 자체가 가지고 있는 지역성의 한계 는 과학적으로 극복하기 어려움이 있을 수 있다 (Kim et al. 2019). 본 연구에서도 토지이용 (숲 비율) 이외에도 화학적 (BOD, TN, TP), 생물학적 (TDI) 요인 등을 사용하였다. 본 연구자들은 다른 연구에서 Wang et al. (2005)과 Hill et al. (2003)의 기준을 근거로 참조하천을 선택하고 현장조사 를 실시한 결과, 단일형 돌말지수 (TDI)의 5등급에서 C등 급 수준의 낮은 온전성을 보이기도 하였다. 이는 참조상태 를 갖는 하천이라 할지라도 단일형 또는 다중형 돌말지수 에 의한 온전성 평가는 교란하천으로 해석될 수도 있다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 대조군 또는 참조하 천의 선정은 현장 조사를 먼저 실시하고 분석된 결과를 토 대로 온전성 1단계에 속하는 상위 2.4%에 해당되는 지점 만을 참조하천으로 선정하였다. 그러나 상위 1단계에 속 하는 지점 중에는 인간의 간섭 (예, 도로) 현상이 있는 지점 도 포함되어 있었다. 본 연구에서 참조하천을 선정하기 위 해 각 매트릭의 기준값을 설정하였다 (Table 1). 그 중 단일 형 돌말지수 (TDI)의 기준은 57.6 이상으로 설정하였으나, 선정된 참조하천 중 TDI의 최소값은 67.1로 나타났다 (not shown). 참조하천에 해당되는 각 매트릭의 기준값은 조사 지점의 온전성에 대한 평가에 영향을 미치는 주요인자가 될 수 있다. 결국 대표성이 높은 온전성 평가를 위해서는 보다 다양한 지점이나 시기에 현장 조사를 거쳐 매트릭의 범위에 대한 충분한 자료를 축척할 필요가 있다.

    KMDI의 돌말지수는 모든 메트릭에 대하여 0~10 점수 체계 (scoring)를 사용하였다. 지금까지 일반적으로 사용 되고 있는 것으로 어류, 대형무척주동물의 1-3-5 점수체계 는 (Karr 1981;Kerans and Karr 1994;Barbour et al. 1999) 교란에 대해 값 (score)이 증가하는 메트릭은 각각 5점: 참 조하천의 75%>, 3점: 75% >참조하천>50%, 1점: 참조하 천의 50%< 으로 구분하고, 교란에 대해 값 (score)이 감소 하는 메트릭은 5점: 참조하천의 75%<, 3점: 75%<참조하 천<50%, 1점: 참조하천의 50%> 등으로 구분하였다. 본 연구에 적용된 0~10 점수체계는 1-3-5 점수체계보다 다소 세밀한 표현이 가능하고, 세포 동정이 비교적 용이한 돌말 류를 이용한다는 점에서 장점을 가지고 있으나 (Wang et al. 2005), 다른 생물군과 비교하여 차별성은 크지 않을 것으 로 판단된다. 다만 본 연구가 다른 연구들에 비해 조사 지 점의 범위 (하구, 하천)나 지점수 (923 지점) 등에서 대표성 이 높고 넓은 점수체제로 인하여 다소 생물학적 온전성 평 가 범위가 넓을 것으로 판단되었다. 이는 추후 자료가 더 욱 축적이 될 경우 점수체제를 단순화 (1,3,5) 하는 것보다 유리할 것이다.

    Bahls (1993)에 의하면 Achnanthes, Cocconeis, Cyclotella, Cymbella, Fragilaria, Frustulia, Gomphonema, Rhoicosphenia, Synedra 등의 종들은 보다 청정수역에서 출현하는 종으 로 평가하였다. Wang et al. (2005)에 의해 개발된 diatombased IBI의 경우 % No. of Cymbella species가 메트릭의 하 나로 포함되어 있으며, 본 연구에서 개발된 KMDI 역시 % No. of Gomphonema species가 포함되어 있다. Watanabe (2005)에 따르면 Cymbella에 속하는 종들은 모두 광적응 종이나 호청수종들이었고, Gomphonema에 속하는 종들 은 대부분 광적응종, 호청수종들이 대부분이었으나, 예외 로 G. pseudoaugur는 호오탁성종으로 나타났다. 이러한 결 과들은 출현하는 돌말류가 속 또는 종 수준에서 환경을 지표하는 성질이 다르다는 것을 의미한다. 결국 돌말류의 생리-생태적인 연구가 더욱 진행된다면 환경지표성에 대 한 정확도가 증가할 것으로 판단된다. 기존에 사용하는 단 일형 돌말 지수인 TDI (Kelly and Whitton 1995)와 DAIpo (Watanabe et al. 1986)는 출현 종수와 상관없이 특정종의 출현밀도에 따라 해당 수체의 건강성을 평가하였다. 결국 돌말류를 이용한 생물학적 온전성의 평가는 출현된 속들 의 지표성과 특정 종의 현존량 특히 상대적인 밀도가 정확 하게 분석되어야 할 필요가 있다.

    적 요

    수생태계 생물학적 온전성을 평가하기 위하여 국내 하 천 및 하구 923개 지점의 자료를 근거로 한국형 다중형 돌 말지수 (KMDI)를 개발하고, 이를 금강수계 233개 지점 을 대상으로 온전성평가를 실시하여 단일형 돌말지수들 과 비교 검토하였다. KMDI의 개발은 1) 먼저 선행문헌들 을 참고로 300개 이상의 메트릭을 추출하고, 2) 이 중 설명 력이 높은 46개 후보 메트릭을 선택하며, 3) 각 메트릭 값 들의 변이성, 중복성, 변별력, 환경에 대한 민감성 등을 검 증하고, 최종적으로 5가지의 메트릭을 선정하였다. KMDI 는 매트릭의 단순합으로 표현하고, 환경요인들에 대한 신 뢰성 검토 결과, 토지이용, BOD, TN, 전기전도도 등에 대 해 높은 민감성 및 설명력을 보였으나 단일형 돌말지수들 보다는 동일 지점의 생물학적 온전성은 다소 높게 평가되 는 특성을 보였다. 추후 국내는 물론 지역에 상관없이 적 용가능한 설명력 높은 매트릭의 발굴 및 정확한 돌말류 분 석 연구가 뒷따라야 될 것으로 판단되었다.

    사 사

    본 연구는 하천 및 하구 수생태 건강성 조사 및 평가 (2008 ~2018)에 의하여 수행되었음.

    Figure

    KJEB-37-2-204_F1.gif

    A map showing the study sites of epilithic diatoms, water quality and land-use along streams between 2013-2017 and estuaries between 2010-2017 in the Korean peninsula.

    KJEB-37-2-204_F2.gif

    Schematic selection process of metrics for the development of Korean multi -metric diatom index (KMDI), according to Wang et al. (2005). CV; Coefficient of variation, M; Median, LC; Low correlation, HC; High correlation, SP; Separation power.

    KJEB-37-2-204_F3.gif

    Relationship among metrics used in this study. Selection or rejection was made for the highly correlated metric and overlapping metrics in the development of Korean multi-metric diatom index. NOS; Number of species, NIT; % Nitzschia individuals in total abundance, % Motile; % motile diatom in total abundance.

    KJEB-37-2-204_F4.gif

    Discriminatory test based on the separation power (as box plot) to distinguish with the disturbed stream and reference stream in the development of Korean multi-metric diatom index. DS; Disturbed stream, RS; Reference stream, TDI; Trophic Diatom Index, DAIpo; Diatom Assemblage Index of Pollution, NOS; Number of species, PRO; % Prostrate individuals, MOT; % Motile individuals, AAN; % Achnanthes / (Achnanthes+Navicula), NAC; % No. of Achnanthes species, NFRA; % No of Fragilaria species, NGO; % No. of Gomphonema species, AFDM; Ash-free dry-matter.

    Table

    Criteria and levels for determination of the reference conditions or streams based on the watershed, chemical and biological parameters to identify the disturbance of 923 sites in streams between 2013-2017, and estuaries between 2010-2017, respectively

    The selection and testing process for potential diatom metrics to evaluate the biological integrity of 923 studying sites in the streams and estuaries Korea, according to Wang et al. (2005)

    Method of calculating scores using the 0-10 scaling system. A distinction was made between those whose value increases after disturbance and those whose value decreases after disturbance (Hill et al. 2003)

    Relationship between five diatom metrics and environmental parameters. Biological and environmental data were collected from 923 sites in Korean streams between 2013-2017, and estuaries between 2010-2017, respectively

    Grades and ranges of stream biological integrity classified by Multi-metric Diatom index based on data from 923 sites in streams between 2013–2017, and estuaries between 2010- 2017, respectively

    Relationship between each metric of Korean Multi-metric Diatom index and environmental parameters for 223 studying sites in Geum River basin in May 2017

    Biological integrity assessment of 223 studying sites in Geum River basin in May 2017

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    Journal Abbreviation 'Korean J. Environ. Biol.'
    Frequency quarterly
    Doi Prefix 10.11626/KJEB.
    Year of Launching 1983
    Publisher Korean Society of Environmental Biology
    Indexed/Tracked/Covered By

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