부영양화

부영양화(eutrophication)는 하천과 호수에 유기물과 영양소가 들어와 물 속의 영양분이 많아지는 것을 말한다. 자연적인 부영양화(natural eutrophication)가 일어날 수 있지만, 대부분 인간 활동에 의한 인위적인 부영양화(cultural eutrophication)이다. 부영양화가 일어나면 광합성을 하는 생산자 생물의 양이 급격하게 늘어나 녹조와 적조가 발생하게 되므로 부영양화는 녹조(green tide)와 적조(red tide)를 발생시키는 원인이다. 녹조는 남세균 등 식물성플랑크톤의 대발생으로 물 빛이 녹색으로 바뀌어 보이는 현상을 말한다. 주로 남세균의 대발생이 원인으로 군체를 형성하여 페인트처럼 걸죽하게 되기도 한다. 바다에서는 비슷한 현상으로 와편모조류에 의한 적조가 있다.

2010년 5월 19일에 촬영된 미국 플로리다주 Lake Dora의 녹조 발생 모습. ©eutrophication&hypoxia CC BY 2.0 license. (출처https://www.flickr.com/photos/48722974@N07/5120227735)

목차

민물에서는 일반적으로 인이 식물성플랑크톤의 생장을 제한하는 제한요인이 된다. 따라서 물속의 총 인(total phosphorus)함양과 식물성플랑크톤의 바이오매스를 나타내는 엽록소 a 량과의 선형적인 관계는 매우 잘 알려져 있다.

경제협력개발기구(Organization for Economic cooperation and Development; OECD)의 연구에 따르면 호수의 부영양화 정도는 아래의 기준으로 나누어진다.¹⁾

빈영양 상태 oligoeutrophic           총인   5 – 10 μg/L 

중영양 상태 mesoeutrophic            총인  10 – 35 μg/L 

부영양 상태 eutrophic                총인  35 – 100 μg/L

과영양 상태 hypereutrophc         총인 100 μg/L 이상

물비탈 등 외부에서 새로이 추가되는 영양소의 양을 영양소 부하(nutrient loading)라고 하고 특히 새로 추가되는 인의 양을 인부하(phosphorus loading)라고 한다. 녹조나 적조 등 부영양화로 인한 수질 저하를 회복시키는 가장 근본적인 방법은 유입되는 영양소 특히 인의 양을 줄이는 것이다.²⁾ 외부 인부하를 줄여 수질을 개선한 가장 유명한 사례는 미국 워싱턴주의 Lake Washington이다. 이 호수로 흘러들어가던 도시 하수를 바다로 우회시켜 하수의 유입은 차단시킨 결과 호수 내 총인 농도의 감소를 가져왔다. 이로 인해 주기적으로 발생하던 남세균 녹조는 눈에 띄게 사라졌고 식물성플랑크톤의 조성에서 남세균의 비율은 거의 무시할 정도가 되었다.  수질은 개선되어 투명도가 이전에는 1m 이하였던 것이 1993년에는 8m 정도로 증가되었다.  

하지만 모든 호수가 외부 영양소 부하를 줄인다고 바로 수질이 개선되지 않는데 이는 내부 부하(internal loading) 때문이다. 외부에서 오랜 세월 동안 지속적으로 유입된 영양소들은 호수 바닥의 저토에 계속 저장되는 데 철이나 알루미늄 등의 금속과 결합되는 경우에 호수 바닥층이 무산소 상태가 되면 이들 금속 이온의 전하 값이 바뀌어 인이 바닥에서 수체로 방출된다. 부영양화된 호수에서는 전형적으로 수체의 유기물이 바닥층에 축적되고 이를 분해하는 미생물의 작용에 의해 여름에 무산소층이 발달하게 되고 이는 저토의 산화환원 전위에도 영향을 주어 저토가 혐기성 상태가 되고 바닥에서 인의 내부 부하가 계속 일어나게 된다.  

경기도 군포시에 있는 갈치저수지에서 측정된 용존산소(DO), 수온(WT), 용존반응성인(SRP),  암모늄이온의 깊이에 따른 변화. (출처:박상규)

전형적인 부영양화된 호수나 저수지는 여름이 되면 용존산소 1mg/L 이하로 정의되는 무산소층(anoxia)이 호수 바닥층에 형성되고 혐기성 저토 바닥에서 인과 질소 등이 방출되어 영양소의 내부 부하가 일어난다. 부영양화된 호수의 내부부하를 줄이기 위해 바닥 준설을 주장하기도 하지만 준설은 수생태계를 교란시킬 위험이 있다. 특히 바닥의 저토에 그동안 축적된 독성물질과 중금속 등을 준설 과정에서 방출시킬 가능성이 있다.  

부영양화로 인해 녹조 발생, 무산소층 형성, 물고기 폐사 등의 피해가 나타난다. 일단 무산소층이 형성되면 호기성 호흡을 하는 대부분의 동물들은 생존이 불가능해 진다. 하천의 영양소 유입에 의한 연안대의 부영양화는 민물과 비슷하게 무산소층을 형성하고 대부분의 생물들이 생존하지 못하는 무생물대(dead zone)가 나타나게 한다.

1. OECD (1982) Eutrophication of waters. Monitoring, assessment and control. Final report, OECD cooperative programme on monitoring of inland waters (eutrophication control), Environment Directorate, OECD, Paris, 154
2. 적조를 없애기 위해 황토를 살포하는 것은 일시적으로 적조의 원인인 와편모조류를 침강시킬 수는 있으나 황토와 함께 유입되는 영양소 특히 인 부하를 늘려 오히려 적조를 악화시킬 수 있다.