1. 서 론
하구역은 강과 해양 사이의 완충지대 역할을 하는 해역으 로써 생물 생산성이 높고 물리·화학·생물학적으로 복잡한 환경을 가지고 있다(Paerl, 2006;Yoon et al., 2013). 강은 각종 유기물 및 중금속을 포함한 부유 퇴적물을 하구로 운송시켜 하구 퇴적층 형성에 중요한 역할을 한다(Liu et al., 2014). 강 으로부터 유입된 오염물질은 하구역의 퇴적물과 결합하여 수생 생물에 심각한 위험을 초래할 수 있다(Wetzel et al., 2013). 그러므로 수질뿐 아니라 오염 퇴적물의 관리를 통해 하구역의 환경 및 생태계를 개선·보존하여야 한다.
오염된 하구역의 환경을 개선하는데 석탄회를 재활용한 방법을 적용할 수 있다. 석탄 화력 발전소의 부산물인 석탄 회는 2018년 기준 국내 발생량이 약 1,000만 톤에 이르고 있 으며, 그중 25 %가 매립되고 있는 실정이다(Cho, 2020). 석탄 회의 재활용은 콘크리트 혼화제, 시멘트 부원료, 성토재 등 으로 활용되고 있으며, 재활용률이 100 %에 이르도록 노력 을 기울이고 있다(Maeng et al., 2014). 석탄회를 재활용하기 위하여 조립화한 석탄회를 오염 퇴적물 개선을 위한 피복재 로 활용하는 방안이 실용화되고 있다(Kim et al., 2014b). 석탄 회 조립물의 대표적인 환경 개선 성능은 (1) 퇴적물의 산성 화 중화(Yamoamoto et al., 2015), (2) 인산염 제거(Asaoka et al., 2009), (3) 황화수소 제거(Asaoka et al., 2015;Asaoka et al., 2018), (3) 투수성 증가(Kim, 2018), (4) 저서생물의 증가(Kim et al., 2014a) 등이 있다. 이처럼 석탄회 조립물의 환경 개선 성능은 이화학적 효과에 집중되어 있으며, 생물학적인 측면 에서는 거대 동물에 초점을 맞추고 있다.
그러나 생태계의 생지화학적 순환은 생태계 전반에 서식 하고 있는 미생물 군집에 의해 주도된다(Hicks et al., 2018;Mayor et al., 2012). 저서 미생물은 대사활동을 통해 생지화학 적 물질 순환을 주도하여 오염물질의 분해 및 순환과 밀접 한 관련이 있다(Jeon et al., 2018). 그러므로 하구역에서 발생 하는 생태학적 현상을 보다 명확히 이해하기 위하여 미생물 분석에 대한 해석이 요구된다(Cho et al., 2004). 이에 본 논문 에서는 석탄회 조립물을 혼합하여 하구 오염 퇴적물에 적용 한 후 환경 및 미생물 구조 변화를 살펴보았다.
2. 재료 및 방법
2.1 실험 재료
실험에 사용된 오염 퇴적물은 2017년 7월에 낙동강 하구 에 위치한 진우도(35°4'5.7"N 128°52'56.5"E)에서 주상퇴적물 채집기(Φ5 cm × H 20 cm)를 이용하여 채취하였다. Table 1에 채취한 퇴적물의 기본 특성을 나타내었다.
석탄회 조립물은 시멘트에 일본 중부발전소의 비산회(fly ash)를 10 ~ 15 % 혼합하여 직경 5 ~ 40 mm의 구체로 조립화한 것이다. 석탄회 조립물의 주요 성분은 SiO2, CO32-, Al2O3, CaO 등으로 구성된다(Asaoka et al., 2008).
실험구는 원통형 플라스틱 1 L 용기에 채취한 낙동강 하 구 퇴적물과 석탄회 조립물을 7:3의 비율로 혼합하여 제작하 였다(Lee et al., 2018b). 대조구는 실험구와 동일한 크기의 용 기를 퇴적물로만 채워 준비하였다. 실험케이스는 약 상온에 서 밀폐 보관하여 각각 1개월 후의 실험구 및 대조구를 개 봉하여 분석을 진행하였다.
2.2 화학적 특성 분석
1개월 후 실험구 및 대조구 시료의 pH 및 ORP는 pH ion meter(f-73, LAQUA)를 사용하여 측정하였으며, ORP는 Wolkersdorfer(2008)에 따라 보정하였다. 시료의 함수율은 100℃ 에서 6시간 건조 후 측정하였으며, 강열감량은 100℃에 6시간 건조 후 600℃에서 4시간 가열하여 측정하였다. 원심분리기를 사용하여 퇴적물의 간극수를 추출하였고, 추출한 간극수로 영양염 분석을 수행하였다. 용존 무기인(Dissolved inorganic phosphorus; DIP), 용존 무기질소(Dissolved inorganic nitrogen; DIN) 농도는 분광광도계(DR3900, Hach)를 사용하여 3회 반복 측정하였다.
2.3 미생물 군집 분석
낙동강 하구 퇴적물의 미생물 다양성은 16S rRNA 유전자 서열분석을 통해 분석하였다. 16S rRNA 유전자 서열분석은 해양 퇴적물에서 미생물 군집을 특성화하는데 널리 사용된 다(Webster et al., 2010). 총 DNA는 100 mg의 퇴적물 시료에서 제조업체의 지침에 따라 PowerSoil DNA isolation kit (Qiagen) 를 사용하여 추출하였다. V3에서 V4 영역을 표적으로 하는 16S rRNA 유전자 염기서열 라이브러리는 제조업체의 프로 토콜(Illumina, San Diego, CA)에 따라 프라이머 337F 및 805R 로 증폭되었다. 준비된 라이브러리의 시퀀싱은 ㈜쓰리빅스 (수원)에서 Illumina MiSeq 플랫폼을 사용하여 300 bp를 양쪽 으로 읽어(paired-end) 832,242개의 원 데이터(raw read)를 생성 하였다. 바코드, 링커 및 프라이머 서열을 제거한 리드(read) 는 FLASH v1.2.11을 사용하여 한 쌍의 리드(paired-end reads) 를 병합하였다. 품질 점수(평균 점수 20)가 낮거나 300 bp 미 만의 리드(read)는 제거하였다. 조작 분류 단위(OTU)의 수는 QIIME 소프트웨어(v1.8.0)를 사용하여 97 % 시퀀스 동일성 컷오프로 시퀀스를 de novo 클러스터링하여 결정되었다. OTU의 상대 풍부도는 신뢰임계값 0.8을 사용하여 RDP 분류 기 v1.1로 계산되었다.
3. 결과 및 고찰
3.1 낙동강 하구 퇴적물의 화학적 특성 변화
퇴적물의 pH 및 ORP 변화를 Fig. 1에 나타내었다. 초기 pH가 7.00에서 대조구 및 실험구 각각 약 7.34와 10.85로 증 가하였다. 1개월 후 대조구와 실험구 퇴적물의 ORP는 각각 약 –167.2 mV와 –163.2 mV로 초기(–212.6 mV) 대비 감소한 것으로 나타났다. 실험구에서의 급격한 pH 증가는 석탄회 조립물에 포함된 CaO의 가수 분해에 의한 영향인 것으로 보 인다(Kim et al., 2014b). 다만, pH가 급격하게 증가할 경우 저 서생물 등에 부정적인 영향을 미칠 수 있어 적정용량을 조 절할 필요가 있는 것으로 판단된다. ORP의 경우 대조구와 실험구의 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 석탄회 조립물 의 CaO에서 용출되는 Ca2+은 퇴적물의 투수성을 향상시켜 산소공급량이 증가할 수 있다(Park et al., 2019). 그러나 본 연 구에서는 실험 용기의 상부를 밀폐하여 산소 공급을 차단하 였기 때문에 대조구와 실험구의 ORP 차이가 나타나지 않은 것으로 판단된다.
하구 퇴적물의 함수율 및 강열감량의 변화를 Fig. 2에 나 타내었다. 퇴적물의 함수율은 초기 38.4 %에서 1개월 후 대조 구와 실험구 각각 약 33.8 %와 31.6 %로 나타났다. 강열감량 은 초기 3.13 %에서 대조구 실험구 약 3.12 %와 3.05 %로 각각 나타났다. 실험구의 낮은 함수율은 석탄회 조립물의 혼합으 로 인해 퇴적물의 압밀이 촉진되었기 때문으로 판단된다. 강열감량의 경우 실험구에서 소폭 감소하였으나 대조구와 비교하였을 때 유의미한 차이는 나타나지 않았다(p > 0.05).
퇴적물에서 추출한 간극수의 DIP 및 DIN 농도 변화를 Fig. 3에 나타내었다. 초기 DIP 농도는 0.92 mgL-1에서 1개월 후 대조구와 실험구 각각 약 0.65 mgL-1와 0.45 mgL-1로 감소하였 다. 실험구에서의 DIP 농도 감소는 석탄회 조립물에서 용출 된 CaO, SiO2 등의 성분과 간극수 내 DIP와의 화학적 반응으 로 인산칼슘이 형성되었기 때문인 것으로 판단된다(Jeong and Kim, 2019). DIN 농도는 초기 1.3 mgL-1에서 1개월 후 대 조구와 실험구 각각 약 20.2 mgL-1와 43.3 mgL-1로 증가하였다.
DIN은 NH3-N, NO2-N, NO3-N을 포함하고 있으나, NH3-N가 DIN의 98 % 이상을 차지하였다. NH3-N의 농도는 초기 약 1.2 mgL-1에서 1개월 후 대조구와 실험구에서 각각 약 19.9 mgL-1 과 43.0 mgL-1로 나타났다. 초기 농도 대비 1개월 후 대조구 및 실험구에서의 NH3-N 농도의 급증은 밀폐된 용기 내에서 온도 상승으로 인해 유기물 분해가 촉진되었기 때문인 것으 로 판단된다(Jeong et al., 2020). Asaoka et al.(2008)와 Yamamoto et al.(2015)에 따르면 석탄회 조립물에서는 NH4+-N가 용출될 수 있으나 이는 NOx 제거에 활용된다고 보고하였다. 또한 NH4+-N과 NH3-N로 존재하는 암모니아는 pH 9.5보다 높으면 NH3-N가 NH4+-N보다 더 많아진다(Kim et al., 2010). 이러한 원인으로 실험구의 NH3-N의 농도가 대조구보다 높게 나타 난 것으로 판단된다.
3.2 미생물 군집 변화
문(Phylum) 수준에서의 박테리아 군집을 Table 2에 나타내 었다. Fig. 4는 문 수준의 박테리아 군집 중 풍부도 1 % 이상을 나타내었으며, 그중에서도 Proteobacteria 문과 Bacteroidetes 문 을 강(Class) 수준에서 분류하여 나타내었다. 초기 퇴적물 시료에 서 높은 비율을 차지하는 상위 5종 문은 Proteobacteria (40.8 %), Patescibacteria (8.3 %), Epsilonbacteraeota (7.4 %), Bacteroidetes (6.6 %), Kiritimatiellaeota (3.7 %) 순으로 나타났다. 대조구 시료 의 경우, Bacteroidetes (22.4 %), Proteobacteria (21.4 %), Firmicutes (18.5 %), Fusobacteria (10.0 %), Tenericutes (3.6 %) 순으로 나타났 다. 반면, 실험구의 우점종은 Proteobacteria (30.0 %), Bacteroidetes (22.9 %), Fusobacteria (8.6 %), Firmicutes (5.5 %), Chloroflexi (5.4 %) 로 확인되었다. 초기시료의 우점종은 대조구 및 실험구 시 료와 확연한 차이를 보였다.
Proteobacteria 문과 Bacteroidetes 문은 국내 해양 생태계에 서 우세한 박테리아로 자주 발견되는 미생물종으로, 본 연 구의 대조구와 실험구에서도 우점하는 것으로 나타났다(Koh et al., 2016;Lee et al., 2018a;Lee et al., 2020). 단, 대조구와 실 험구에서 최우점종은 각각 Bacteroidetes와 Proteobacteria 문으 로 나타났다. Proteobacteria 문은 호기성이거나 조건혐기성 미생물(facultative anaerobe)이며 Bacteroidetes 문은 호기성 및 혐기성 조건에서 서식한다(Fang et al., 2017). 강 수준에서 Proteobacteria를 살펴보면 실험초기, 대조구 및 실험구 모두 Gamma-와 Deltaproteobacteria 강 순으로 우점하고 있다. Gammaproteobacteria 강의 계통발생 그룹은 호기성 혹은 조건 혐기성 미생물이며 Deltaproteobacteria 강은 혐기성 미생물이 다수 포함되어 있다(da Silva, 2013;Koh et al., 2016). 특히, Gammaproteobacteria 강은 인 순환에 중요한 역할을 하는데 Gammaproteobacteria 강이 감소할 경우 DIP 농도는 증가하게 된다(Sebastián and Gasol, 2013;Hicks et al., 2018). 대조구 (10.5%) 대비 실험구(14.6%)의 풍부한 Gammaproteobacteria 강 은 실험구의 낮은 DIP 농도 변화와 연관됨을 확인하였다 (Fig. 3a). 질소 순환에 주요한 박테리아는 Betaproteobacteria 강과 관련된 암모니아 산화 박테리아로(Bernhard et al., 2005), 본 연구의 실험초기, 대조구 및 실험구 시료 모두 관찰되지 않았다. Betaproteobacteria 강은 온도가 높을수록 풍부도가 감 소하는데(Hicks et al., 2018), 본 실험이 여름철에 수행되어 Betaproteobacteria 강이 나타나지 않은 것으로 판단된다. Bacteroidetes 문은 초기 유기물 분해에 중요한 역할을 하며, 난분해성 고분자 유기물을 분해한다(Sonthiphand et al., 2019). Bacteroidia 강에 속하는 미생물은 해양 생태계의 유기화합물 을 혐기적으로 분해하는 역할을 하며 탄소순환에 기여한다 (Zhang et al., 2017). 대조구와 실험구의 Bacteroidia 강은 모두 약 21.3 %로 나타나 석탄회 조립물은 유기물 분해와는 연관 성이 낮은 것을 확인하였다. 미생물 군집에서 대조구(18.5 %) 와 실험구(5.5 %)의 차이가 가장 크게 나타나는 Firmicutes 문 은 대부분이 절대혐기성 생물로 구성되어 있다(Fang et al., 2017).
이처럼 하구 퇴적물과 석탄회 조립물의 혼합 여부에 따라 미생물 군집 구조가 명확하게 변화하는 것으로 보아, 미생 물 군집 분석은 석탄회 조립물의 기능을 평가하는 지표로 사용될 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 오염된 하구 퇴적물에 석탄회 조립물을 혼 합하여 환경 개선 효과 및 미생물 군집 변화를 분석하였다. 석탄회 조립물과 하구 오염 퇴적물을 혼합하고 1개월 후, 석 탄회 조립물이 혼합된 실험구의 pH가 11까지 상승하였다. DIP 농도는 대조구 대비 실험구에서 0.6배로 감소하였다. DIP의 감소는 석탄회 조립물과의 화학적 반응에 의한 인산 칼슘 형성에 기인한 것으로 보이며, Gammaproteobacteria 강 의 풍부도가 대조구 대비 실험구에서 높게 나타난 것으로 확인 할 수 있다. 대조구 대비 실험구의 DIN 농도는 2배 이 상 증가하였으나 이는 pH의 증가 및 석탄회 조립물에서 용 출되는 NH4+-N의 영향으로 판단된다. 다만, 이후 pH 안정화 및 NOx 제거에 활용됨에 따라 DIN 농도는 감소할 것으로 보인다. 이상의 결과로부터 석탄회 조립물은 오염된 하구역 의 DIP 농도 감소에 효과적인 재료임을 확인하였다. 또한, 미생물 군집 분석은 오염 퇴적물의 개선 효과를 평가하는 지표로 사용될 수 있음을 확인하였다.
