남세균 대발생

[ cyanobacterial bloom ]

물에서 광합성 세균인 남세균(cyanobacteria)이 비정상적으로 많이 자라나는 현상으로 환경 제한요인의 생장 제한 효과 때문에 잘 자라지 못하다가 그 제한 효과가 없어지면 단기간에 많이 증식하여 나타나는 현상인데 가장 흔한 원인은 수온과 영양물질 유입이다. 근래 강과 호수에서 남세균의 대발생에 의해 물 색깔이 흔히 녹색으로 변하는 현상을 대부분의 사람들이 녹조라고 잘못 부르고 있는데 남세균 대발생에 의한 것이며 진핵생물인 대형 또는 미세 녹조류나 규조류에 의해 발생하는 녹조(green tide)가 아니므로 정확한 용어를 사용해야 한다.

담수호에서 일어난 남세균 대발생. 바람에 의해 호수의 한 구석으로 남세균이 축적됨 (출처: )

남세균은 지구상에서 가장 오래된 세균으로 산소발생형 광합성을 수행하며 수계에서 미세조류(microalgae)와 더불어 가장 중요한 1차 생산자로 작용한다. 예전에는 남조류(blue-green algae)로 불렀으나 분류학적으로 세균에 속하는 것이 밝혀졌기 때문에 더 이상 조류로 불러서는 안된다. 해수와 담수에서는 남세균의 5가지 주요 구조적 종류 중 직경 2 μm 이하의 구형 남세균이 우점한다. 이 picocyanobacteria 중 오렌지색 형광을 내는 Synechococcus spp.와 적색 형광을 내는 Prochlorococcus spp.가 두 가지 주요 종류인데, Prochlorococcus spp.가 더 작으며 전형적으로 원양에 더 풍부하고 Synechococcus spp.는 연안과 호수에 많이 존재한다. 사상성 남세균은 오염된 물과 온천수에 흔한데, 해양에서 Trichodesmium spp.가 특히 아열대 지역에서 대발생하며, 전 지구적으로 질소 고정에 중요하다¹⁾.

남세균은 모든 광합성 진핵생물의 엽록체와 같은 조상으로부터 유래하였으므로 조류와 동일한 광합성 기구를 갖지만 일부 종들이 질소를 고정하므로 질소가 부족한 환경에서도 자랄 수 있다. 일부 큰 종들은 기낭(gas vesicle)을 가져서 부력을 조절할 수 있기 때문에 물 표면에 존재하며 때로는 두텁게 축적될 수 있다.

남태평양에서 Trichodesmium 대발생 (출처: )

남세균 대발생의 원인과 관여 종

남세균은 질산염과 암모니움 형태의 고정된 질소가 가용할 때에는 그 수가 많지 않지만, 조류 생장을 위한 질소가 부족하지만 인과 철 같은 다른 영양물질이 가용할 때 그들의 개체수가 증가한다. 이런 상황은 보통 16: 1인 N: P 비율이 연간 최저에 도달하는 여름철에 항상 나타난다. 대부분의 해양과 빈영양성의 깊은 호수에서의 특성인 산소가 존재하는 물에서는 인이 질소보다 빨리 순환되기 때문에 이런 경향이 나타나게 된다. 산소가 부족한 하층수가 있는 얕은 부영양성 호수에서는 탈질화 세균에 의해 질산염이 질소기체로 전환되어 N: P 비율이 더욱 낮아진다. 무산소 퇴적층 위의 수체에서 가장 낮은 N: P 비율(<10: 1)이 발견되며 이런 조건에서 P뿐만 아니라 Fe도 용출되므로 고도로 부영양화된 호수와 연못에서 남세균의 대발생이 흔히 일어나게 된다²⁾.

담수에서 대발생을 일으키는 Microcystis aeruginosa의 현미경에서 관찰된 집락. 하나의 바늘 같은 Aphanizomenon flos-aquae의 집락도 보인다 (출처: )

한편 최근 연구에 따르면 대기 중 이산화탄소의 증가로 인한 기온 상승에 따른 수중 이산화탄소 농도 증가와 수온 증가가 특히 부영양화 수역에서 남세균 대발생을 촉진할 가능성을 제시하고 있는데³⁾, 대발생을 일으키는 남세균이 이산화탄소와 중탄산염을 흡수하는 다양한 방법을 가지고 있으며, 규조류와 와편모류보다 높은 최적 생장온도를 갖기 때문에 지구 온난화에 따라 남세균 대발생이 증가하는 것으로 추정되고 있다.

대발생을 일으키는 남세균 종으로는 담수에서는 Microcystis aeruginosa를 포함한 여러 Microcystis spp.가 가장 흔하며 그 외에 Anabaena flos-aquae를 포함한 Anabaena spp., Oscillatoria spp., Planktothrix spp., Aphanizomenon spp., Synechococcus spp., Cylindrospermopsis spp., Nostoc spp. 등이 나타나며 해양에서는 주로 Trichodesmium spp.가 대발생의 주요 종으로 작용한다⁴⁾⁵⁾.

남세균 대발생의 영향

남세균 대발생은 수질 측면에서 좋지 못한 영향을 미치는데 세포 증가와 유기물 생성으로 인한 탁도, 색도와 냄새의 증가 및 생물화학적 산소요구량(BOD) 증가와 이에 따른 용존산소(DO)의 감소를 일으킨다. 물에서 이런 색깔, 냄새와 맛의 변화는 음용수를 비롯한 각종 용수원으로서 물의 사용에 악영향을 미치며 이의 정화에 많은 비용이 들어가게 될 뿐만 아니라 화학물질의 사용에 따른 또 다른 문제를 일으킬 수 있다. 남세균은 흙냄새의 대표적 원인물질 중 하나인 지오스민(geosmin)을 생성하는데 정수과정에서 잘 제거되지 않으며 저농도에서도 냄새가 나므로 수돗물의 수질에 큰 악영향을 미친다. 또한 Microcystis, Anabaena, Nodularia 등의 남세균은 cyanotoxin이라는 강력한 독소를 생성하여 호수나 강에서 어류 등 수서동물의 생존에 심각한 문제를 일으킬 수 있다. Microcystis는 잘 알려진 microcystin 뿐만 아니라 nodularin과 cylindrospermopsin 등의 간독소(hepatotoxin), Anabaena는 anatoxin이라는 신경독소(neurotoxin)를 분비한다. 신경독소 saxitoxin은 Anabaena circinalis, Aphanizomenon flos-aquae, Lyngbia wollei 등이 생성한다. 또한 다른 여러 종들이 피부독소(dermatoxin)와 내독소(endotoxin) 등을 생성한다. 특히 Microcystis aeruginosa에 의해 주로 생성되는 microcystin은 인간을 포함한 포유류의 간에 영향을 미치므로 음용수 측면에서 큰 관심거리이며 이 세균의 제어가 호수 관리의 주된 목표가 될 수 있다⁵⁾. 해양에서의 대발생을 주로 일으키는 Trichodesmium은 아직 독소 생성 종이 보고된 바 없다.

북부 독일의 양어장에서 남세균의 대발생과 이로 인해 죽은 어류 (출처: )

남세균 대발생의 방지와 제어

남세균 대발생과 이로 인한 문제들을 방지하고 제어하는 방법들은 조류 대발생의 방지와 제어 방법과 거의 동일하다. 근본적인 방법은 질소와 인 등의 영양물질의 발생과 이의 수계로의 유입을 차단하는 것이다. 일부 남세균이 질소를 고정하기 때문에 인의 유입 차단이 우선적인 방법이지만 근래 질소고정을 못하는 남세균 종의 대발생도 흔히 일어나므로 질소 유입의 차단도 점차 중요해지고 있다. 따라서 폐수와 폐기물의 수계로의 직접적인 방류와 투기를 금지해야 하며 이를 적절한 방법으로 처리해야 할 것이며, 폐수처리장의 배출기준을 강화하여 영양물질의 유입을 최소화해야 한다. 한편 남세균이 주로 표수층에 대발생을 하므로 수체의 수직적인 혼합에 의해 생장을 저해시킬 수 있다. 또한 퇴적물로부터 영양물질의 수중으로의 유입을 방지하기 위해 퇴적물을 준설하는 방법도 대발생 방지에 큰 효과가 있지만 준설 시 퇴적물의 수층으로의 부유의 문제를 방지하기 어렵다. 이외에도 부영양화된 물을 바다나 하류로 방류하거나 남세균의 생장을 억제하는 여러 가지 방법이 있지만 모두 문제점을 동시에 가지고 있다⁶⁾.

집필

송홍규/강원대학교

감수

이하나/고려대학교

참고문헌

1. Sherr, E. and Sherr, B. 2012. Microbial Food Webs. In Schmidt, T. and Schaechter, M. (eds.), Topics in Ecological and Environmental Microbiology. pp. 21-36. Academic Press.
2. Assmy, P. and Smetacek, V. 2012. Algal blooms. In Schmidt, T. and Schaechter, M. (eds.), Topics in Ecological and Environmental Microbiology. pp. 85-100. Academic Press.
3. Visser, P., Verspagen, J., Sandrini, G., Stal, L., Matthijs, H., et al. 2016. How rising CO₂ and global warming may stimulate harmful cyanobacterial blooms. Harmful Algae 54, 145-159.
4. Ndlela, L., Oberholster, P., Wyk, J., and Cheng, P. 2016. An overview of cyanobacterial bloom occurrences and research in Africa over the last decade. Harmful Algae 60, 11-26.
5. Leff, L. 2012. Freshwater Habitats. In Schmidt, T. and Schaechter, M. (eds.), Topics in Ecological and Environmental Microbiology. pp. 421-436. Academic Press.
6. 송홍규, 오계헌. 2015. 환경미생물학 pp. 232-241. 도서출판 화수목.

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