강원도 철원 샘통과 주변 지표수 및 지하수의 수리화학 및 미생물 군집 특성 연구

Hydrochemical and Microbial Community Characteristics of Spring, Surface Water and Groundwater at Samtong in Cheorwon, South Korea

Abstract

본 연구에서는 철원 샘통과 그 일대의 지하수 및 지표수의 지구화학 및 미생물 군집 특성을 분석하였다. 2022년 12월 15일 철원 샘통 5개, 지하수 3개 그리고 지표수 2개, 총 10개 지점에서 야외조사를 수행하였다. 수화학분석 결과 샘통과 지표수는 모두 Ca-HCO₃ 유형에 도시되었으며, 지하수 한 지점(CSG3)을 제외한 나머지 지점은 모두 Na-HCO₃ 유형에 도시되었다. 또한 모든 지점은 같은 기상수의 기원으로 물암석 반응이 우세하게 영향을 준 것으로 보인다. 라돈 농도 분석 결과 지표수는 1,000 Bq/m³ 이하, 샘통은 1,000~10,000 Bq/m³, 지하수는 1,000~1,000,000 Bq/m³의 농도 값을 보였다. 미생물 군집 구조 분석 결과 문(phylum) 비율 중 가장 우점종은 Proteobacteria, Planctomyceta, Verrucomicrobia, Acidobacteria, Actinomycetota 순으로 나타났다. 비계량적 다차원 척도법 모델링(NMDS)에서는 수온, pH, Si가 현장의 토착미생물과 밀접한 연관성을 보였다. NMDS와 CCA 결과에서 샘통에 영향을 미치는 주요 환경적 요소는 온도, Mg, Si로 나타나며, 그 환경적인 영향과 관련된 주요 미생물은 Acidobacteria와 Proteobacteria 중 Pseudomonas brenneri이다. 수화학 및 미생물 군집 분석 모두 샘통과 지하수 CSG3 지점에서 유사한 결과를 보였으며, 현무암 대수층의 영향을 받은 것으로 추정된다.

Hydrochemical characteristics and microbial communities of spring (Samtong), surface water, and groundwater in Cheorwon, Korea, were analyzed. Field surveys and water quality analyses were undertaken at 10 sampling points for five spring, two surface, and three groundwater samples on 15 December 2022. Hydrochemical analysis revealed that most water samples were Ca-HCO₃ type and that water-rock interactions were the predominant mineral source. Radon concentrations were <1 kBq m^-3 for surface water, 1~10 kBq m^-3 for spring water, and 1~1,000 kq m^-3 for groundwater. Microbial cluster analysis showed that the main phyla were Proteobacteria, Planctomyceta, Verrucomicrobia, Acidobacteria, and Actinomycetota.Non-metric multidimensional scaling (NMDS) analysis indicated that water temperature, pH, and Si content were closely related to microorganism content. NMDS and canonical correspondence analysis results revealed that environmental factors affecting spring water were temperature, and Mg and Si concentrations, particularly for Acidobacteria and Proteobacteria, and Pseudomonas brenneri. Both hydrochemical and microbial community analyses yielded similar results at some spring and groundwater sampling points, likely due to the effects of a basalt aquifer.

서론

강원도 철원군, 경기도 연천군과 포천시 지역을 포함하는 한탄강세계지질공원 권역은 우리나라 유일의 주상절리 협곡으로 용암분출에 의해 형성된 현무암 지대이며, 기이한 절벽과 협곡을 비롯해 다양한 지질학적 특징을 보이는 지역이다. 현재의 한탄강세계지질공원 권역의 현무암 분포지역은 지질공원 북쪽 경계 바깥에 위치하는 북한 강원도 평강군에서 분출한 용암류가 고한탄강 계곡을 따라 남쪽으로 흘러내려오며 형성한 지형이며, 현무암의 하부 기반암으로 협곡 주변에는 화강암, 퇴적암, 변성암 등 다양한 암석과 지질구조가 분포하며 지질 다양성을 보여주고 있다(KIGAM, 1996). 특히 한탄강세계지질공원 권역은 내륙의 하천 유역을 따라서 분포하고 있는 주상절리, 판상절리, 베개용암, 용암가스튜브 등을 포함해 독특한 현무암 협곡 지형으로 대표될 뿐만 아니라 그 외에도 단층, 습곡과 같은 지질구조와 중생대의 식물 화석, 그리고 선사시대의 고고학적 유적 등을 복합적으로 관찰할 수 있어 교육적 가치도 매우 뛰어나다(Kim and Jeong, 2014; Kil et al., 2019; Choi and Kim, 2020). 또한, 수도권 인구 밀집지역으로부터의 접근성이 매우 높고 학술적 가치뿐만 아니라 경관적 가치, 교육적 가치를 갖는 지질명소를 다수 포함하고 있어 지질관광과 과학대중화를 위한 최적지의 지역이다(Kim and Jeong, 2014; Park et al., 2015; Kil et al., 2019).

한탄강세계지질공원은 총 15개의 지질명소와 11개의 일반 명소로 구성되어 있는데(Hantangang River Geopark, 2018), 지질명소에 대한 학술적 연구가 다소 미비하여, 2019년 8~9월 인도네시아 Lombok에서 개최된 제4차 UNESCO Global Geoparks Council에서의 UNESCO Global Geopark로의 최종 인증을 위한 논의 시 일부 위원들의 학술적 가치 미흡 의견 제시에 따른 이의 제기에 의해 결국 참석 위원의 표결까지 진행된 후 겨우 과반수의 찬성으로 세계지질공원으로 인증을 받은 바 있다.

한탄강 세계지질공원의 지질명소 중 강원도 철원군에 위치한 샘통은 천연 샘물이 일 년 내내 쉬지 않고 솟아난다고 하여 붙여진 이름이다(Kim, 2001; Hantangang River Geopark, 2018). 이러한 수리지질학적 특성으로 겨울철 철새인 천연기념물 두루미와 재두루미 외 쇠기러기, 독수리 등 110여종의 조류가 물과 먹이를 찾기 위해 이 지역에서 월동한다(Kim, 2001).

우리나라에서 샘통과 유사한 지역은 포천과 제주도가 있다. 포천의 경우 관인취수장의 주변지역은 화감암을 기반으로 하여 상부에 총 4매의 제 4기 현무암이 약 50 m 두께로 충진 되어 있다(Lee, 2016). 관인 취수장 유출량(약 3,195 m³/d)을 고려할 때 함양지역의 면적은 최소 5.7 km²로 산정되었다(Shin et al., 2016). 현무암 하부층은 낮은 비저항(약 400 ohm-m)이고 화강암은 높은 비저항(4,630 ohm-m)을 보이며, 현무암 하부층에 고투수성 대수층(약 119 ohm-m)이 존재하고 있는 것으로 보이며, 철원평야에서 함양된 지하수가 대수층을 따라 흐르다가 취수장 인근 현무암과 화강암의 부정합면을 따라 용출되고 있는 것으로 판단된다(Shin et al., 2016). 수질유형과 주요 성분 농도의 시간적, 공간적 변동성 측면에서 지표수(하천수, 저수지)와 지하수는 명확히 구분되었으며, 관인취수장 용천수는 지하수 중에서 현무암질대수층 지하수와 가장유사하고, 화강암질대수층 지하수와는 다소 차이를 보이며 관인취수장에서 용출되는 물은 현무암질대수층 지하수와 동일기원으로 판단된다(Lee, 2016; Shin et al., 2016).

제주도의 경우 도내에 911개 용천수가 분포함을 확인하고, 그 중 345개 용천수에 대해 지화학적 분석 및 요인 분석을 실시한 결과 폭 넓은 함양 범위를 보였으며(EC: 39.7~16,680 µS/cm, TDS: 19~9,440 mg/L, Cl: 3~5,587 mg/L, Na: 2.8~3,112 mg/L, NO₃: ND~71.8 mg/L), 표고별로는 고지대(표고 600 m 이상)에서는 현무암질암을 모암으로 하는 수질특성(no dominant-HCO₃ 형)을 보여주었으나, 표고 270~280 m를 기준으로 대부분 성분들의 함량이 배경치 수준을 벗어나기 시작하였으며, 표고 10 m 이하부터는 해수의 풍부한 성분들이 급증하는 특징을 보였다(Lee et al., 2002; An et al., 2007; Park et al., 2014).

또한 샘통의 우수한 수자원을 활용하여 우리나라에서 처음으로 고추냉이 수경재배에 성공하여 재배를 지속하고 있다. 샘통과 비슷한 사례로 유네스코 세계지질공원에 등재된 일본 이즈반도에서는 용천수(연간 13°C 전후)가 풍부하게 솟아 나는데 이를 활용해 고추냉이를 재배하고 있으며 세계지질공원의 주요한 생태관광 테마로 활용되고 있다(Chakraborty and Izu Peninsula Geopark, 2013; Chakraborty et al., 2015). 이즈 반도는 일본 내 대부분의 일본 지역과 마찬가지로 온난한 습윤 기후에 속하고 쿠로시오 영향을 받아 연안부의 연평균 기온은 15~17°C이며, 와사비 재배 지역은 다량의 강우로 연간 13°C 전후의 용천수가 풍부하게 솟아나고 있다(Fukutomi, 1942; Yaguchi et al., 2016). 이즈반도 용출수의 수화학 연구는 다양한 문헌에서 찾아볼 수 있었으나(Kitano et al., 1983; Kobyashi and Yamamoto, 2001; Yaguchi et al., 2016), 미생물 군집 특성에 관한 연구는 고추냉이가 살 수 없는 고온의 열수에 관한 연구에 초점을 두고 진행되어 왔다(Matsubaya et al., 1973; Higashi et al., 2004). 샘통의 수리지질학적 특성 및 우수한 수자원을 활용한 고추냉이 재배는 일본의 경우와 마찬가지로 생태관광 상품과 연계가 가능하여 지역의 지속가능한 경제 발전에 도움을 줄 수 있는 지질명소이다. 하지만 지리적으로 군사분계선 내에 위치해 접근이 어려워 그동안 샘통의 수리지질학적, 수리생태학적 학술 기초연구가 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 샘통과 그 주변 지표수 그리고 지하수의 수화학 및 미생물 군집 특성을 파악하여 샘통 수자원의 가치평가를 위한 기초자료를 제공하고 샘통의 수자원을 활용하는 지역주민들이 지속가능한 샘통 관리 방안을 마련하는 데 도움이 될 것으로 생각된다.

연구지역 및 연구방법

연구지역

연구지역은 강원도 철원군 철원읍과 동송읍 일대로 한반도 군사분계선 내에 위치한다. 군사기지 및 군사시설 보호법에 따라 대부분이 통제보호구역으로 지정되어있어 연구지역에 접근이 쉽지 않다. 연구지역인 철원읍 내포리에는 한탄강 유네스코 세계지질공원 지질명소인 샘통이 위치하고 있다.

샘통은 추운 겨울철 영하의 날씨가 110일 이상 지속되고 있음에도 불구하고 얼지 않고 연중 10~15°C 정도의 수온을 유지하며, 여름철 극심한 가뭄에도 물이 줄지 않고 끊임없이 솟아나는 특성에 의해 붙여진 이름이다(Hantangang River Geopark, 2018). 이러한 수리적 특성을 이용하여 우리나라에서는 유일하게 고추냉이를 수경재배 하고 있다. 또한 겨울철 철새들이 물과 먹이를 찾기 위해 이 지역으로 몰려오면서 철새도래지를 대표하는 지역으로 중요성을 인정받아 1973년 7월 10일 천연기념물 제 245호로 지정되었다. 철원 철새도래지는 샘통과 반경 2 km 이내에 위치하고 있다(Kim, 2001). 연구지역의 2012~2022년 11년간 평균 기온은 10.4, 최저 기온은 -29.2, 최고 기온은 38.4°C이며, 평균 연강수량은 1,378.4 mm이다(Fig. 1a). 2022년의 월 평균 기온은 10.5, 최저 기온은 -20.4, 최고 기온은 34.5°C이고, 평균 월강수량은 146.1 mm이다. 그 중 1월, 2월, 12월의 경우 월 평균 기온이 영하의 기온을 보였다(Fig. 1b).

Fig. 1. Annual precipitation and average temperature for 10 years and monthly average temperature and precipitation for 2022 in the Cheorwon.

연구지역의 지질은 선캄브리아기 시생대 변성암류(호상 편마암 및 반상변정질 편마암)을 기반암으로 원생대 변성사질암(상부 석영, 중부 운모, 하부 석영)이 단층 접촉하고, 중생대 쥐라기 화강암류(반상 화강암과 화강섬록암)가 관입하고 있으며, 그 위를 신생대 제 4기 현무암과 충적층이 덮고 있다(KIGAM, 1996; Kim and Jeong, 2014). 전체적으로 선캄브리 아기 변성암류가 넓게 분포하고 있으며 중생대 불국사운동과 대보조산운동으로 화강암류가 국지적으로 변성암류를 관입하여 분포하고, 신생대 제3기 마이오세에는 고성군 동부지역에서 알칼리 현무암이 국소적으로 분출하였으며, 제4기에는 오리산을 연결하는 선상에서 현무암이 열하 분출하여 용암대지를 형성하였고, 북쪽으로는 안변 남대천에서 안변까지 그리고 남쪽으로는 한탄강과 임진강을 따라 두꺼운 현무암층이 발달하였다(Lee et al., 1992; Kim and Jeong, 2014). 현무암 용암대지 최상부에는 미립 퇴적층(점토 및 실트)이 존재한다. 여러 겹으로 쌓인 제 4기 현무암층의 총 두께는 7~8 m로 추정되며, 최대 11번의 분출이 있었을 것으로 보고되고 있다(Won, 1983; Lee et al., 1992). 지표면으로부터 2~4 m 깊이 까지는 퇴적암류가 분포하는 것으로 보인다. 샘통은 다공질 현무암층과 파쇄대의 발달로 인해 지하수가 활발하게 용출되는 것으로 추정된다(Kim and Jeong, 2014; Shin et al., 2016).

연구방법

연구에서 물 시료를 채취한 지점은 총 10개 지점으로, 철원군 철원읍에 위치한 샘통 5개 지점과 샘통 주변 지표수인 동송저수지(CSF1)와 대교천(CSF2) 2개 지점 그리고 샘통과 1 km 이내에 위치한 지하수(CSG1, CSG2) 2개 지점과 동송저수지 인근 지하수(CSG3) 1개 지점이 있다(Fig. 2). 2022년 12월 15일 총 10개 지점에서 수행된 현장수질조사에서는 현장 수질측정기(HORIBA D54, 55)를 이용하여 수온(°C), 수소이온농도(pH), 용존산소(DO), 전기전도도(EC), 산화환원전위(ORP) 그리고 탁도(turbidity)를 측정 하였다. 또한 양 ‧ 음이온(Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, SO₄^2-, NO₃^-, Cl^-), 알칼리도(HCO₃^-, CO₃^2-), 안정동위원소(²H, ¹⁸O), 미생물군집 분석을 위해 각 지점 당 4~8 L의 물 시료를 채취하였다.

Fig. 2. Location map of the study area with sampling locations.

양 ‧ 음이온 분석을 위해서 0.45 µm의 polyethersulfone(PES) filter를 이용하여 필터링 하였으며, 양이온은 염산을 이용해 전처리하였다. 상지대학교 기초과학분석지원센터에서 유도결합플라즈마분광광도계(inductively coupled plasma-optical emission spectrometry)와 이온크로마토그래피(ion chromatography)를 이용하여 이온농도를 분석을 하였고, 알칼리도는 0.05 N HCl과 메틸오렌지를 이용해 적정분석 하였다. 연구에서 사용한 안정동위원소(²H, ¹⁸O)는 환경적 영향을 평가하는데 주로 이용되며 지하수 오염물질 기원 추적, 지하수 수문학 및 해양환경 분야를 연구하는데 많은 역할을 한다(KAERI, 2004). 안정동위원소를 분석하기 위해서 Beta Analytic Testing Laboratory에서 동위원소비 질량분석기(isotope ratio mass spectrometer, IRMS)와 cavity ring-down spectrometer, CRDS를 이용해 ²H, ¹⁸O 안정동위원소를 분석하였으며, 이 기기들은 awarded the ISO/IEC 17025:2017 인증을 받았다.

미생물 분석을 위한 물 시료는 0.25 µm 크기의 필터로 여과하여 실험실로 운반하여 16S 리보솜 리보핵산(DNA)추출 및 파이로시퀀싱이 완료될 때까지 -80°C의 냉장고에 보관하였다. DNeasyPowerSoil Kit(Qiagen, Hilden, Germany)를 이용하여 Genomic DNA를 추출하고, 1.5% Agarose Gel을 이용한 전기영동을 진행하였다. 다음으로 Hermo Scientific™ NanoDrop™ 2000/2000c Spectrophotometer를 이용하여 260/280 파장범위로 DNA 농도를 측정하였다. gDNA 2 ng, 5x reaction buffer, 1 mM dNTP mix, 각각500 nM의 범용 F/R PCR 프라이머(primer), Herculase II fusion DNA polymerase (Agilent Technologies, Santa Clara, CA)를 이용하여 PCR product를 준비, QuantStudio1(Thermo Fisher Scientific, USA)로 실험하였다. 1st PCR의 1회cycle 조건은 heat activation을 위해 95°C에서 3분, 95°C에서 30초, 55°C에서 30초, 72°C에서 30초로 총 35회의 cycle를 수행하였다. 1차 PCR 생성물을 AMPure bead(Agencourt Bioscience, Beverly, MA)로 정제하였다. 정제 후, 1차 PCR 생성물의 2 ul을 NexteraXT Indexed Primer를 이용하여 인덱스가 포함된 최종 라이브러리 구축을 위해 PCR 증폭하였다. 2차 PCR의 cycle 조건은 10 cycle을 제외하고는 1차 PCR 조건과 동일하게 진행하였고, 2차 PCR 생성물을 AMPure bead로 정제하였다. 그런 다음 최종 정제된 생성물을 qPCR 정량 프로토콜 가이드(KAPA Library Quantification kits for IlluminaSequencing platforms)에 따라 qPCR을 사용하여 정량하고 TapeStation D1000 ScreenTape(Agilent Technologies, Waldbronn, Germany)를 사용하여 검증하였다.

비계량적 다차원 척도법(Non-metric multidimensional scaling analysis, NMDS)을 수행하여 미생물 군집 구조의 유사성 패턴을 보여준다. NMDS 알고리즘은 객체 사이의 거리에 순위를 매기고 이러한 순위를 사용하여 원래 거리가 아닌 순위 차이를 유지하기 위해 단순화된 2차원 배열 공간에 객체를 비선형적으로 매핑한다(Shepard, 1966). NMDS 분석은 window용 R버전 3.2.2(The R Project for Statistical Computing, Vienna, Austria)의 “vegan” 패키지를 사용하여 분석하였습니다. 이 분석은 연구 지역의 미생물 군집 구성과 수화학적 특성 간의 관계를 결정한다.

결과 및 토의

일반적 수리화학 특성

현장수질 측정 결과 샘통의 경우 수온은 9.5~13.4°C, 지표수는 2.4~4.0°C, 지하수는 12~13.4°C로 샘통은 지하수와 비슷한 수온을 보였으며, pH농도는 샘통 7.12~7.36, 지표수 8.34~8.64, 지하수 7.82~8.34이다. 그 중 지하수의 경우 GSG3은 7.82로 다른 지하수 지점에 비해 샘통의 pH 농도와 유사하다(Table 1).

Table 1. Statistics of field parameters and ionic compositions of spring water, stream water and groundwater for (Dec. 2023)

샘통 5개 지점과 지표수 2개 지점은 모두 일반적인 지하수 또는 깨끗한 지표수에서 흔히 볼 수 있는 Ca-HCO₃ 유형에 도시되었으며, 지하수의 경우 CSG3 지점만 샘통과 지표수와 같은 Ca-HCO₃ 유형에 도시되었고, 나머지 CSG1과 CSG2는 오래된 지하수에서 잘 나타나는 유형인 Na-HCO₃에 도시되었다(Fig. 3). 또한 깁스다이어그램 분석 결과 모든 지점에서 물-암석 반응이 지배적인 것으로 나타나며, 깁스다이어그램에서도 CSG3의 지하수가 샘통과 더 인접한 곳에 도시되어 있는 것을 볼 수 있다(Fig. 4).

Fig. 3. Water types of spring water, surface water and groundwater in the studied area.

Fig. 4. Gibbs diagrams of the spring water, groundwater and surface water samples in the studied area.

산소-수소 동위원소 그래프에서 추세선(y = 6.13x - 6.39)의 결정계수(R²)는 0.98, 유의확률(P-Value)은 0.0001 이하로 모든 지점이 서로 높은 상관성을 보였으며, 모든 지점이 GMWL 주변에 도시되므로 같은 기원에 기상수로부터 영향을 받은 것으로 추정된다(Fig. 5). 라돈 농도 분석 결과 지표수는 1,000 Bq/m³ 이하, 샘통은 1,000~10,000 Bq/m³의 범위를 보였으며, 지하수는 1,000~1,000,000 Bq/m³으로 더욱 폭 넓은 라돈 농도 값을 보였다(Fig. 6). 그 중 CSG3 지점의 경우 샘통과 비슷한 범위 값(1,530 Bq/m³)을, CSG1과 CSG2 지점의 경우 100,000~1,000,000 Bq/m³의 값을 보였다.

화학 분석 결과 pH 농도와 파이퍼다이어그램, 깁스다이어그램, 산소-수소 동위원소 그래프에서 샘통 지점 샘플들과 지하수 CSG3 지점의 샘플이 서로 인접하게 도시되는 것을 볼 수 있으며(Figs. 3~5), 라돈 그래프 또한 샘통(1,000~10,000 Bq/m³)과 비슷한 범위의 농도(1,530 Bq/m³)를 보였다(Fig. 6). 샘통은 현무암 대수층을 흐르던 지하수가 상대적으로 투수성이 낮은 기반암에 가로막혀 용출되는 것으로 알려져 있어 CSG3 지점의 지하수의 경우 현무암 대수층으로 것으로 추정된다(Lee et al., 2002; An et al., 2007; Cho et al., 2011; Park et al., 2014; Lee, 2016; Shin et al., 2016). 지하수 CSG1과 CSG2 지점의 경우 파이퍼다이어그램, 깁스다이어그램, 산소-수소 동위원소 그래프에서 지하수 CSG3 지점에 비해 샘통 지점과는 조금 떨어진 곳에 도시되었으며, 라돈 농도 또한 100,000~1,000,000 Bq/m³의 범위로 매우 높게 나타나는 것을 볼 수 있어 두 지점의 경우 기반암인 화강암 대수층의 지하수 일 것으로 추정된다(Cho et al., 2011; Jeong et al., 2013; Cho, 2018; Kim et al., 2020).

Fig. 5. Relationship between the δ¹⁸O and δ²H values in spring water, surface water and groundwater.

Fig. 6. Radon concentration values in spring water, surface water and groundwater.

문 수준(Phylum-level) 분류 및 미생물 군집의 UPGMA 클러스터링

샘플 사이의 문 수준(Phylum-level)에서 조성에 약간의 변화가 있다(Fig. 7). 10개의 샘플에서 총 12개의 phyla이 확인되었으며, 박테리아 그룹의 조성을 Fig. 7에 나타내었다. 가장 많은 비율을 차지하고 있는 박테리아는 Proteobacteria, Planctomycetota, Verrucomicrobia, Actinomycetota, Bacteroidota, Acidobacteria 순으로 높은 비율을 나타난다. Proteobacteria는 CSF1 샘플을 제외한 모든 샘플에서 49.55~99.61%로 우점하는 문 이다. Planctomycetota는 0.26~37.99% 차우점하는 문 이다. Weighted UniFrac UPGMA clustering에서의 분기(branch)의 길이는 커뮤니티 시퀀스의 상대적 풍부도에 따라 가중된다(Lozupone et al., 2007). 그 결과를 보면 CSG1, CSG2, CSG3, CSF2, CSS1, CSS2, CSS3, CSS4, CSS5와 CSF1(동송저수지)로 구분된다.

Fig. 7. Phylum and class level taxonomic classification of bacteria samples and UniFrac UPGMA clustering of the bacteria communities. Only Phylum with a total dominance of >1% were selected.

대부분의 지하수 생태계는 일반적으로 광합성이 가능하지 않고 미생물들이 영양소로 활용할 유기탄소가 부족하다. 따라서 대수층 내의 미생물 군집은 영양이 부족하고 빈영양적인 지하수 환경에 잘 적응된 종속영양생물로 주로 구성될 것으로 예상된다(Ghiorse and Wilson, 1988; Madsen and Ghiorse, 1993). 또한 이산화탄소를 고정하고 무기 전자 공여체를 산화시켜 에너지를 내는 독립 영양 생물은 지하수 미생물 군집의 또 다른 중요한 구성 요소이다. 이 그룹은 특히 더깊은 지하 서식지에서 중요하게 작용된다(Gold, 1992; Stevens and McKinley, 1995; Kotelnikova and Pedersen, 1997; Stevens, 1997). 샘통(CSS1, CSS2, CSS3, CSS4, CSS5)의 경우 지하수(CSG1, CSG2, CSG3)가 지표로 자분하여서 지하수와 샘통과의 미생물 군집이 비슷하게 나타나며, Weighted UniFrac UPGMA clustering 결과를 보면 샘통과 CSG3의 관정이 가장 유사하게 나타나고 있는 것을 볼 수 있다. 샘통지역보다 남쪽에 위치한 대교천(CSF2)의 경우 샘통의 물이 하천 유입으로 인하여 대교천에도 영향이 있을 수 있는 것으로 보인다. 그 특징으로 우점종으로 Proteobacteria가 49.55~99.61%이며, Acidobacteria가 나타난다. Proteobacteria 중 Pseudomonas brenneri 종은 샘통에 평균80.24%로 나타난다. Proteobacteria는 다공성 충적 모래 및 자갈 대수층(표면 아래 5~50 m)에서도(Wolters and Schwartz, 1956), 현무암 대수층(O’Connell et al., 2003)에서도 나타나며, 호수(Spring et al., 2000; Liu et al., 2010; Song et al., 2012) 및 저수지(Qu et al., 2008; Röske et al., 2012; Cheng et al., 2013)와 같은 다양한 담수 생태계에서 발견된다. 샘통에서 우점종인 Proteobacteria 중 Pseudomonas brenneri 종은 금속 이온 중 Cr(VI)를 생체 흡수, 생체 축적 등을 통하여 제거하는 박테리아로 잘 알려져 있다(Banerjee et al., 2019). Acidobacteria의 경우 토양, 부패하는 나무, 온천, 바다, 동굴들 등 다양한 환경에서 찾을 수 있고, 특히 토양 서식지에 풍부하다(Dunbar et al., 2002; Thrash and Coates, 2015; Tláskal and Baldrian, 2021).

동송저수지(CSF1)의 경우 우점종으로 Verrucomicrobia가 40.22%, 차우점종으로 Planctomycetota가 37.99%로 구성되어 있다. Verrucomicrobia는 호수와 강, 습지 등의 담수 생태계에 일반적으로 분포한다(He et al., 2017). 호수에서 최대 90% 존재하며(Zwart et al., 2003), 일반적으로 전체 미생물 군집의 1~6% 사이이고(Eiler and Bertilsson, 2004; Newton et al., 2011; Parveen et al., 2013), 휴믹호수에서는 최대 19% 분포한다(Arnds et al., 2010). Planctomycetota는 수생 및 육상에 모두 발생하는 널리 분포된 박테리아의 문이다(Wiegand et al., 2018). 혐기성 암모늄 산화가 가능한 이 문의 많은 종과 함께 전지구적 탄소 및 질소 순환에서 상당한 역할을 한다(Wiegand et al., 2018). 특히 물에서 질소를 제거하는 역할을 한다(Wang et al., 2015). 동송저수지와 나머지 연구 지역에서 미생물 군집의 차이가 나는 이유는 동송저수지의 경우 강수, 강우 및 공기 중과 밀접하게 닿아 있으며, 순환되지 않고 상태로 있어 미생물 군집이 샘통과 지하수, 대교천과 차이가 나는 것으로 볼 수 있다.

10개의 시료에서 미생물 군집 역학은 Illumina MiSeq sequencing 분석으로 분석하였다(Table 2). OUT 및 알파 다양성 지수는 Table 2에 요약되어 있다. OTU 수의 평균은 샘통 451, 지표수 488, 지하수 334으로 유사하게 나타났으나, 가장 높은 OTU 수는 CSS4이다. Chao1, Shannon 지수를 물의 종류 별 평균 계산하였을 때 샘통 486, 2.43, 지표수 528, 3.92, 지하수 350, 3.68로 지표수가 가장 높은 값을 보였으나 개개의 시료별로 보았을 때 CSS4가 가장 높은 값을 보인다. 이는 지표수가 샘통와 지하수보다 미생물 다양성이 더 풍부함을 보여준다. Inverse Simpson과 Good’s coverage of library 값은 샘플 범위 내에서 미생물 군집의 다양성의 유사성을 나타내는 지표이다. 전체적으로 샘통의 미생물 군집 구조는 지표수와 지하수의 사이 값을 보였다.

Table 2. Operational taxonomic units (OTUs) and alpha-diversity indices of the becterial communities in waters

*Amplicon sequence variant (ASV) is a term used to refer to single DNA sequences recovered from a high-throughput marker gene analysis.

*The Chao1 index used to evaluate the population richness.

*The Shannon index is used to evaluate the diversity within the bacterial population. It accounts for both species abundance and evenness.

*The Gini-Simpson index represents the probability that two randomly selected individuals in the habitat will belong to the same species.

*Good’s Coverage is calculated as C=1-(s/n), where s is the number of unique OTUs and n is the number of individuals in the species. This indexgives a relative measure of how well the sample represents the larger environment.

미생물-수화학 상관관계 분석

미생물과 수화학, 현장자료의 비계량적 다차원 척도법(Non-metric multidimensional scaling analysis, NMDS)을 이용한 상관관계 분석 결과를 통하여 Si와 온도 값들이 가장 높은 상관계수를 보였다(Fig. 8 and Table 3). Si의 경우 샘통과 지하수는 7 mg/L 이상의 함량이 나타났으나, 지표수의 경우 7 mg/L미만의 함량 값으로 구분되었으며, Acidobacteria와 연관성을 보였다. Acidobacteria의 경우 지표수에는 발견되지 않았으나 샘통과 지하수에서는 발견된다. 철원지역의 기반암인 현무암은 화산암의 화학적분류도에 따라 SiO₂ 함량이 48.50~52.38 wt% (KIGAM, 1996)로 지하수와 샘통에서도 Si 함량이 나타난다.

Fig. 8. Non-metric multidimensional scaling (NMDS) analysis red labels for major bacterial species(comprising >1% of the total community composition of each sample) at phylum level resolution. The blue line and labels correspond to the environmental conditions and geochemical concentrations, and the black labels represent the individual samples. Arrows indicate the correlation vectors of community differences and the process parameters with significance factors p < 0.001.

Table 3. Results of non-metric multidimensional scaling (NMDS) analysis for bacteria in the 10 water samples with physicochemical data

Signif. codes: 0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1.

Permutation: free.

Number of permutations: 999.

브라질의 banded iron formations은 Silica와 Fe(III) oxide lamina으로 구성되어있고 Acidobacteria and the Alpha-Beta- and Gammaproteobacteria, Chloroflexi를 포함한 dissimilatory Fe(III) reduction이 가능한 가능성 미생물들이 주요하게 나타난다(Parker et al., 2017). 따라서 현무암 기반암의 영향을 받은 지하수와 샘통에서 Acidobacteria의 함량이 나타나는 것으로 보인다.

온도의 경우 샘통과 지하수는 9.5°C 이상의 값을 보이며, 지표수의 경우 4°C 이하로 나타났다. 또한 Acidobacteria와 연관성을 보였다. Acidobacteria는 2~32°C 사이에서 나타날 수 있으나 최적의 성장 온도는 15~22°C이다(Pankratov et al., 2008). 따라서 지표수보다 샘통과 지하수의 온도에서 Acidobacteria가 성장을 원활히 할 수 있으며, Acidobacteria는 질화, 탈질, 질소 고정과 같은 질소 순환 과정에 관여하며, 질산염을 환원시킬 수 있다(Kielak et al., 2016).

미생물과 환경 매개변수 사이의 상관관계를 식별하기 위해 정준대응분석(Canonical correspondence analysis, CCA)을 수행하였다(Fig. 9 and Table 4). 환경 매개변수 화살표의 길이는 해당 매개변수와 커뮤니티 구성 간의 관계의 강도를 보여준다(Fig. 9). CCA 분석 결과 온도, Mg²⁺의 값들이 높은 상관계수를 보였다(Table 3). 온도의 경우 Acidobacteria와 연관성을 보였다. Acidobacteria와 온도와의 관계는 NMDS 결과 해석 시 언급하였다.

Fig. 9. Canonical Correspondence Analysis (CCA) red labels for major bacterial species at phylum level resolution. The blue lines and labels correspond to the environmental conditions and geochemical concentrations, and the black labels represent the individual samples.

Table 4. Results of canonical correspondence (CCA) analysis for bacteria in the 10 water samples with physicochemical data

Signif. codes: 0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1.

Permutation: free.

Number of permutations: 999.

Mg²⁺의 경우 3.6 mg/L 이상의 함량인 샘플(CSF2, CSG1, CSG3, CSS1, CSS2, CSS3, CSS4, CSS5)과 3.6 mg/L 미만의 함량인 샘플(CSF1, CSG2)로 구분된다. 또한 Proteobacteria와 연관성을 보였으며, Mg²⁺이 3.6 mg/L 이상인 곳은 Proteobacteria가 50% 이상 나타나며, Mg²⁺ 이 3.6 mg/L 미만인 샘플은 Proteobacteria가 50% 미만으로 나타났다. 일반적인 현무암에서 MgO 평균 비중은 5~12%이며, 화강암에서 MgO 평균 비중은 0.30% 이다(Blatt and Tracy, 1997). 따라서 기반암의 종류에 따라서 지하수와 샘통의 Mg²⁺의 함량이 차이가 있을 수 있다. 또한 Proteobacteria 중에서 샘통에서 우점종인 Pseudomonas brenneri 종은 프랑스의 칼슘, 마그네슘, 칼륨 등의 광물질이 함유되어 있는 천연광천수에서 처음으로 발견된 박테리아로(Baïda et al., 2001), Mg²⁺ 함량에 영향을 받을 수 있다. NMDS와 CCA 결과에서 샘통에 영향을 주는 환경적 요소는 온도, Mg, Si로 나타나며, 그 환경적인 영향과 관련된 미생물은 Acidobacteria, Proteobacteria 중에서도 Pseudomonas brenneri가 주요 미생물이다.

결론

본 연구에서는 철원 샘통과 그 일대 지표수와 지하수의 수화학 및 미생물 군집 특성을 분석하였다. 샘통, 하천수 그리고 지하수 모두 Ca-HCO₃ 유형이 지배적으로 나타났으며, 지하수의 경우 일부 Na-HCO₃ 유형으로 나타나기도 한다. 이 지역에서 가장 많은 비율을 차지하고 있는 미생물은 Proteobacteria, Planctomycetota, Verrucomicrobia, Actinomycetota, Bacteroidota, Acidobacteria 순으로 나타나며, 수화학과 미생물 사이에는 Si와 온도, Mg²⁺값들에서 가장 높은 상관계수를 보였다. Si와 온도의 경우 Acidobacteria와 연관성을 보이고, Mg²⁺의 경우 Proteobacteria중 Pseudomonas brenneri와의 높은 연관성을 보였다. Pseudomonas brenneri 종은 금속 이온 중 Cr(VI)를 생체 흡수, 생체 축적 등을 통하여 제거 효율이 높은 미생물로 생태학적으로도 유익함을 보여준다. 또한 일반적 수리화학 특성 뿐만 아니라 미생물 군집 특성에서도 샘통(CSC)과 지하수(CSG3) 지점의 특성이 유사한 결과를 보여 두 곳 모두 현무암 대수층, CSG1과 CGS2 지하수의 경우 높은 라돈 농도(100,000~1,000,000 Bq/m³)을 보이며 화강암 대수층의 영향을 받은 것으로 추정된다.