한강수계에서 이취미물질 발생 특성과 원인 미소생물의 분자계통학적 연구

Abstract

Recently, off-flavor compounds such as geosmin and 2-methylisoborneol (2-MIB) have caused problems in Paldang Lake, the largest drinking water source. Therefore, In order to identify the source of off-flavor compounds in Paldang Lake, the occurrence patterns of off-flavor compounds in the upstream Namhan and Bukhan Rivers were analyzed. In addition, a survey was conducted to investigate the potential for off-flavor compounds occurrence in macrophyte that have been rapidly spreading and trapping cyanobacteria in Paldang Lake in recent years. Finally, to identify the causative microorganisms that produce off-flavor compounds, cyanobacteria and actinomycetes were isolated and cultured, and off-flavor compounds biosynthesis genes were confirmed. The occurrence of off-flavor compounds in the Bukhan River basin (maximum geosmin 0.246 ㎍/L, maximum 2-MIB 0.299 ㎍/L) was significantly higher than in the Namhan River basin (maximum geosmin 0.047 ㎍/L, maximum 2-MIB 0.024 ㎍/L) for both geosmin and 2-MIB. The occurrence patterns of off-flavor compounds in the Bukhan River basin were similar to those in Paldang Lake. The correlation between off-flavor compounds and microbial communities that occurred during the survey period was analyzed using bivariate correlation analysis and canonical correlation analysis (CCA). The results of both analyses showed that geosmin was correlated with cyanobacteria of the genera Aphanizomenon (r = 0.351, p < 0.01), Dolichospermum (r = 0.222, p < 0.01) and Oscillatoria (r = 0.127, p < 0.01) and 2-MIB was correlated with cyanobacteria of the genera Phormidium (r = 0.240, p < 0.01) and Pseudanabaena (r = 0.456, p < 0.01). A survey was conducted to investigate the potential for off-flavor compounds generation in aquatic plant communities in Paldang Lake. A total of 13 macrophyte species were observed, with dominant species Trapa japonica and subdominant species Nelumbo nucifera. In particular, the Trapa japonica community had the highest levels of attached organic matter and cyanobacteria (10.54 x 106 cells per individual), as well as the highest levels of off-flavor compounds (geosmin 0.020 ㎍/asp., 2-MIB 0.028 ㎍ per individual), among all macrophyte. Cyanobacteria that appeared in the Trapa japonica community are known to produce off-flavor compounds, such as genera Aphanizomenon, Oscillatoria, Planktothrix, Pseudanabaena. The results of a survey to determine the concentrations of odorous substances in the Trapa japonica community of Paldang Lake showed that the concentrations of geosmin and 2-MIB were 2,365,610 ㎍/Lake and 3,263,943 ㎍/Lake, respectively. To identify the microorganisms responsible for the production of off-flavor compounds, cyanobateria and actinobacteria were cultured and genes for the off-flavor compounds biosynthesis gene were analyzed. As a result, geosmin biosynthetic genes were found in cyanobacteria (Aphanizomenon flos-acuae, Dolichospermum circinale, Dolichospermum crassum, Dolichospermum planctonicum Phormidium sp., Oscillatoria sp.) and actinobacteria (Streptomyces sp., Agromyces sp., Mycobacterium). 2-MIB biosynthetic genes were found in cyanobacteria (Oscillatoria sp., Phormidium sp., Planktothrix sp., Pseudanabaena limnetica, Pseudanabaena galeanta, Pseudanabaena sp.) and actinomycetes (Streptomyces sp., Agromyces sp., Nocardioides sp.). The 2-MIB biosynthesis gene primer (63F-952R) developed in this study was applied to the eDNA of the Han River basin in October 2018, when 2-MIB compounds were high. As a result, the genus Pseudanabaena appeared to be the main source of off-flavor biosynthetic genes (>96% prevalence), and this genus included Pseudanabaena sp. NIVA-CYA 111 emerged as the dominant causative organism, accounting for more than 75% of the identified populations.|최근 국내 최대상수원인 팔당호에서 geosmin과 2-methylisoborneol (2-MIB) 등의 이취미물질의 고농도 발생으로 인한 수돗물 냄새 문제가 발생하고 있다. 따라서, 팔당호 이취미물질 발생 원인을 파악하기 위해 상류인 남, 북한강 수계의 이취미물질 발생 패턴을 분석하고, 최근 급속히 확산해 남조류의 trap-net으로 작용하고 있는 수초군락에서 이취미물질 발생 가능성 파악하였다. 또한, 이취미물질을 생성하는 원인생물을 규명하기 위해 남조류 및 방선균을 분리 배양하여 이취미물질 생합성 유전자를 확인하였다. 팔당호 및 남, 북한강 수계에서 이취미물질 발생은 북한강 수계에서 geosmin이 최대 0.246 ㎍/L, 2-MIB가 최대 0.299 ㎍/L로 남한강 수계 geosmin 최대 0.047 ㎍/L, 2-MIB 최대 0.024 ㎍/L 보다 높았고, 먹는물감시기준 농도(0.020 ㎍/L) 이상으로 검출된 빈도도 북한강 수계에서 빈번하였으며, 팔당호 이취미물질 발생 패턴과 유사하였다. 조사기간동안 이취미물질과 미소생물군의 상관관계를 분석한 결과 이변량 상관분석과 정준상관분석(CCA)에서 geosmin은 Aphanizomenon(r = 0.351, p < 0.01), Dolichospermum (r = 0.222, p < 0.01), Oscillatoria (r = 0.127, p < 0.01) 속 등의 남조류가 상관성을 나타냈으며, 2-MIB는 Phormidium (r = 0.240, p < 0.01), Pseudanabaena (r = 0.456, p < 0.01) 속 등의 남조류가 상관성을 나타냈다. 팔당호 수초군락에서 이취미물질 발생 가능성을 파악하기위한 조사에서 수생식물은 총 13종이 출현했으며, 마름과 연이 우점 및 아우점 종으로 나타났다. 특히, 우점종으로 출현한 마름 군락에서 부착 유기물 및 남조류가 전체 수생식물 중 가장 높았으며, 이취미물질 역시 가장 높게 검출되었다. 마름의 개체당 부착남조류 세포수는 10.54 x 106 cells/asp. (개체)로 나타났고, 대부분이 이취미물질을 생성한다고 알려진 Aphanizomenon, Oscillatoria, Planktothrix, Pseudanabaena 속 등이 출현하였다. 마름의 개체당 geosmin은 0.020 ㎍/asp., 2-MIB는 0.028 ㎍/asp.로 검출 되었으며, 팔당호 마름군락 전체의 이취미물질 농도를 산정한 결과 geosmin 2,365,610 ㎍/Lake, 2-MIB는 3,263,943 ㎍/Lake로 나타났다. 본 연구에서 이취미물질 발생원인 미소생물을 밝혀내기 위해 현장에서 출현한 남조류 및 방선균을 분리·배양하여 이취미물질 생성과 생합성 유전자를 확인한 결과 Aphanizomenon flos-acuae, Dolichospermum circinale, Dolichospermum crassum, Dolichospermum planctonicum Phormidium sp., Oscillatoria sp. 등의 남조류와 Streptomyces sp., Agromyces sp., Mycobacterium 등의 방선균에서 geosmin 생합성 유전자와 생성을 모두 확인하였으며, Oscillatoria sp., Phormidium sp., Planktothrix sp., Pseudanabaena limnetica, Pseudanabaena galeanta, Pseudanabaena sp. 등의 남조류와 Streptomyces sp., Agromyces sp., Nocardioides sp. 등의 방선균에서 2-MIB 생합성 유전자와 생성을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 2-MIB 생합성 유전자 primer (63F-952R)를 이용해 2-MIB가 높게 발생했던 ’18년 10월 북한강 수계 eDNA에 적용한 결과 이취미물질 생합성 유전자를 보유한 생물군의 96 % 이상이 남조류 Pseudanabaena 속으로 나타나 2-MIB의 주요 원인생물로 나타났다. 결론적으로 팔당호에서 발생하는 이취미물질은 상류인 북한강 수계에서 유입되는 수체와 마름 군락 사멸기에 발생하는 이취미물질의 유입에 영향을 많이 받는 것을 확인하였다. 또한, 북한강 수계 및 마름군락에서 분자생물학적 연구를 통해 geosmin 및 2-MIB 생합성 유전자를 확인한 결과 남조류와 방선균이 해당 유전자를 보유하고 이취미물질을 생성함을 확인하였고, 2-MIB가 높게 검출된 현장수계의 eDNA에 이취미물질 primer를 적용한 결과 남조류 Pseudanabaena 속이 팔당호의 2-MIB 발생에 영향을 주는 원인생물임을 확인하였다.