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미생물 빅데이터 기반 수생태계 건강성 평가기술

저자 안치용 소속 한국생명공학연구원 세포공장연구센터
발간일 2021-06-28 조회수 629
발행호 제91호
첨부파일

[BioINPro 91호] 2021년 바이오미래유망기술_화이트...(818.372 KB)

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미생물 빅데이터 기반  수생태계 건강성 평가기술

한국생명공학연구원 세포공장연구센터 안치용 화면 캡처 2021-06-28 154052.png

 
1. 개요
 
가. 수생태계 건강성 평가
 
2019년 12월, 환경부는 전국 2,031개 하천의 3,039개 지점을 대상으로 2016~ 2018년 3년 주기로 조사한 하천의 수생태계 건강성 평가결과를 공개했다1). 수생생물 분야에서는 부착돌말, 저서성 대형무척추동물(이하 저서동물), 어류 등 3개 항목에 대해 조사하여, ‘매우 좋음(A)’부터 ‘매우 나쁨(E)’까지 5개 등급으로 평가한다. 부착돌말은 1차 생산자로서 부영양화 평가지표로 효율적이고, 저서동물은  1차 또는 2차 소비자로서 유기물 오염의 평가지표로 활용되며, 어류는 최종소비자로서 장기적 환경영향 및 광범위한 서식지 상태를 반영한다.
 

image02.png

 
[그림 1] 2016~2018년 전국 수생태계 건강성 평가 결과1)  
 
출처 : 환경부 보도자료, 전국 하천 2천여 개 조사, 172개 하천 수생태계 우수, 2019.12.11.
 
대체적으로 오염물질 유입이 적고 고도가 높은 산지형 하천의 상류가 우수 등급을 받았고, 생활하수 및 농경지의 오염물질 유입이 많은 하류가 낮은 등급을 받았다(그림 1). 영양염류(질소, 인)가 이미 대부분의 하천에 다량 유입된 탓에, 어류와 저서동물에 비해 부착돌말의 평가등급이 상대적으로 낮은 경향을 보여주었다. 
 
나. 기존 방법론의 한계 및 극복 방안
 
이화학적 수질항목 기반의 평가지표만으로는 수생태계에 대한 오염물질의 실질적인 영향을 반영하지 못한다는 문제점을 해결하고자, 부착돌말, 저서동물, 어류를 대상으로 수생태계 건강성 지표가 개발되었으나, 몇 가지 문제점이 지속적으로  제기되고 있다. 우선 생물시료 채취 및 동정, 계수에는 시간과 비용이 많이 들고, 숙련된 인력이 요구되는데, 숙련도에 따른 편차로 인해 많은 자료를 통합하여   비교 분석할 때의 신뢰도가 상대적으로 높지 않다. 얕은 수심 기반의 지표인 까닭에, 깊은 수역까지 모니터링 정점을 확대하는 데도 어려움이 있다. 그리고 인력과 비용의 부담 때문에 샘플링 횟수를 늘리기 어려워, 다년간의 자료가 축적되어   있지 않은 지점의 경우, 계절별 1회의 샘플링만으로 얻은 분석결과가 장기적   적응의 결과인지, 일시적 교란에 의한 것인지를 판단하기는 어렵다.
 
수자원 이용성의 양과 질적인 면에서 그리고 오염의 취약성 면에서 상류보다는 하류가 더 중요함에도 불구하고, 기존의 수생태계 건강성 평가기법은 건강성이  상대적으로 우수한 상류의 수심이 얕은 하천을 주요 대상으로 하여 개발되었기 때문에, 하류의 수심이 깊은 수역에 대해서는 동일하게 적용되기 어려웠다. 이에 따라 하류에 대해서는 충분한 양의 데이터가 축적되지 않았고, 상·하류를 모두  포괄할 수 있는 적절한 평가기법도 확보되지 못한 상태이다.
 
최근 차세대 염기서열 분석(next generation sequencing, NGS)을 중심으로   오믹스(omics) 분석기술이 발전하고 비용이 급감하면서, 특정 환경의 미생물상 전체를 보는 것이 쉽게 가능해짐에 따라, 환경 마이크로바이옴(microbiome) 연구가 전 세계적으로 활발히 수행되고 있다. 이를 수생태계 건강성 평가에 적용할 경우에는 다음과 같은 다양한 장점을 갖는다. 먼저, 미생물 샘플링을 위한 물시료   채취 공정이 간단하고, 이후의 DNA 또는 RNA 추출 방법도 표준화되어 있어   수행 인력에 따른 편차가 거의 없다. 
 
또한 수역의 특성에 구애받지 않아 조사수역 확대에 용이하며, 샘플링 횟수를   늘리는 것에 큰 부담이 없어, 현장의 장기적 적응결과와 일시적 수질악화에 따른 단기적 반응을 모두 볼 수 있다는 점에서 기존 방법보다 뛰어난 장점을 지닌다. 박테리아 군집도 계절변화에 따라 안정적이고 일정한 순환 패턴을 유지함이 확인되면서2-4), 기존의 장기반응에 기반한 수생태 건강성 평가지표를 대체하는 데   무리가 없다는 것도 밝혀졌다. 
 
2. 최근 주요 연구 현황 및 방향
 
가. 이화학적 수질과 수생태계 건강성과의 관계
 
부착돌말과 저서동물이 부영양화 정도와 유기물 오염의 지표로 작용하기 때문에 수생태계 건강성 평가의 기준으로 선정되었듯이, 수생태계 건강성 평가에서는   이화학적 수질과 각 지표생물종 사이에는 유의한 수준의 상관도가 있음을 이미 가정하고 있다. 실제로 전국 1,158개 지점의 이화학적 수질과 수생태계 건강성 평가항목 간에는 대부분 유의한 상관성을 나타내었고, 생화학적 산소 요구량(BOD), 부착돌말지수(TDI), 어류평가지수(FAI), 저서동물지수(BMI) 사이에 가장 높은 상관성이 있었다5). 
 
BOD뿐만 아니라 TN, TP, COD, Chl-a 농도 등 다양한 수질오염 지표를 이용한 모델과 어류를 이용한 건강성 평가 모델의 결과도 서로 높은 상관을 보여주었다6). 남한강 BMI의 경우, 유역 이용도에 따라 결정되었는데, 도심지 또는 농경지 면적이 넓어질수록 BOD, TN, TP 값의 상승에 따른 수질 저하가 BMI 감소의 직접 원인이었으며, 특히 농경지의 면적이 더 큰 영향을 미쳤다7).
 
나. 수생태계 건강성 지표로서의 마이크로바이옴
 
기존의 수생태계 건강성 평가 결과가 이화학적 수질과 높은 상관도를 보인 것  처럼, 수계의 마이크로바이옴, 즉 미생물의 전체적인 구성도 영양염류 농도와   유의한 상관관계가 있었으며, 지표종 OTU (operational taxonomic unit) 데이터만으로도 79%까지 영양염류 농도에 대한 높은 예측력을 보여주었다8). 


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