실시간 생물경보장치를 이용한 수질오염물질의 독성지수 평가

1. 서론
하천 수질을 실시간 감시하는 수질자동측정망의 여러 수질 항목들은 일반적인 수질 특성을 나타내지만, 미지의 수질오염물질에 의해 생물이 받는 영향 정도는 알기 어렵다. 이에 서울시는 한강 본류 및 지천의 오염도를 평가하기 위한 생물을 이용한 실시간 수질 측정 장비인 생물경보장치(생물감시장치)를 운영하고 있다. 하지만 생물이 반응하여 만들어내는 독성지수의 의미를 이해하기 어려워 생물경보장치의 자료분석에 한계가 있는 실정이다. 본 연구는 수질오염물질을 이용한 독성지수 평가를 통해 독성지수의 의미를 이해하고, 자료분석의 어려움에 대해 알아보고자 한다.

2. 이론적 배경

1) 생물경보장치

한강 본류의 수질 감시를 위한 선유 수질자동측정망에는 4종의 생물경보장치가 설치되어 있으며(표 1), 그 외 탄천, 중랑천 그리고 안양천 수질자동측정망에는 물벼룩을 이용한 생물경보장치가 설치되어 있다.

표 1. 선유 수질자동측정망의 생물경보장치 설치현황

생물경보장치	미생물 경보장치 (Microorganism Toximeter)	조류 경보장치 (Algae Toximeter)	물벼룩 경보장치 (Daphnia magna Toximeter)	물고기 경보장치 (Fish Toximeter)
업체명	한국바이오(국내)	㈜환경바이오(국내)	bbe사(독일)	bbe사(독일)
모델명	HATOX-2000	WEMS HK-1100	Daphnia Toximeter	Fish Toximeter
설치년도	2009년	2009년	2007년	2009년

장비의 내부 반응조에는 살아있는 생물이 24시간 내내 하천수에 노출되어 일반적인(정상) 반응을 보인다. 그런데 수질오염물질이 유입되면 생물은 비정상적인 반응을 하고, 이때 만들어지는 신호는 이전보다 현저히 크거나 작은 값이 나타난다. 이 신호는 최종 독성지수로 전환되며, 경보 단계에 따라 화면의 데이터 셀이 노란색 또는 빨간색으로 표시된다(그림 1).

2) 독성지수

독성지수(Toxic Index)를 생물에 의한 독성 반응도를 말하며, 장비마다 특정 신호(Signal)를 측정하고, 계산식을 통해 독성지수로 전환하여 화면에 표현한다(표 2). 독성지수(TI)는 현재 생물의 반응과 이전(기준)의 반응을 비교하여 계산되는 값으로, 비교값이 클수록 독성지수도 커진다.

그림 1. 생물경보장치 측정 흐름도

표 2. 생물의 반응 신호와 독성지수 산정방법

생물종	전기화학적 활성미생물(복합종)	반달말 (Clostrium ehrenbergii)	큰 물벼룩 (Daphnia magna)	제브라피쉬 (Zebra fish)
신호	전류 신호 변화	형광량 변화	행동 파라미터 변화
대조군(기준)	1시간 전 측정값	수돗물	2시간 전 측정값
계산식	(A-B)/A×100	(Y2-Y1)/Y2×100	평균속도, 속도분포, 속도분포지수, 평균유영고도, 평균거리, 평균크기, 불규칙 운동계수, 인지율 등을 자동산정
독성지수	-100 ~ 100	0 ~ 100	0 ~ 20
비고	- 독성물질에 의해 미생물 활성도 저하 - 유기물에 의해 활성도 증가	독성물질에 의해 형광량 감소	- 수조내 물벼룩 수 : 8 ~ 10 마리 - 수조내 물고기 수 : 7 ~ 8 마리

A: 이전 측정의 전압, B: 현재 측정의 전압, Y1: 시료의 반달말 광합성량, Y2: 수돗물의 반달말 광합성량

3) 경보 단계

경보 단계는 독성지수를 3 단계로 나눠 장비의 운영관리에 활용되고 있다(그림 2). 그 중 경계 수준은 미지의 물질에 의해 생물이 큰 영향을 받았거나 받는 상태임을 추정할 수 있다. 경보가 발령되면 자동으로 시료가 채수되고, 이후 점검을 통해 중금속 등 원인물질의 분석 여부를 결정한다.

그림 2. 경보 단계

4종의 생물경보장치는 서로 다른 경보 기준을 가지며, 현재 설정된 경보 기준은 장비 제조사의 권고 값과 현장 측정값을 근거로 마련되었다(그림 3). 어떤 수질오염물질이 어떤 농도로 어느 정도의 독성지수를 나타내는지 알아보기 위해 권 등(1)의 연구 결과를 참고하여 그림 3에 표시해 보았다.

그림 3. 경보 단계 설정값 및 수질오염물질의 독성지수

3. 연구방법

1) 수질오염물질을 이용한 독성지수 산출 시험

수질오염물질 중 구리(Copper, Cu)를 선정하고, 한강 원수에 구리 표준용액(Cu 1000 mg/L)를 첨가하여 1 mg/L와 3 mg/L 농도 수준으로 조제하였다. 선유 수질자동측정망에 설치된 생물경보장치 4종을 대상으로 장치내 시료 유입라인에 제조한 시료를 연결하고 일정 시간 동안 주입하여 독성지수를 산출하고 경보 단계에 적용해 보았다.

한국환경공단의 정도관리 권고 물질인 과산화수소(Hydrogen Peroxide, H2O2)와 염화나트륨(Sodium Chloride, NaCl)을 증류수에 녹여 과산화수소 0.2 ~ 3%, 염화나트륨 6.5 g/L 으로 조제 후 선유 수질자동측정망의 생물경보장치 4종을 대상으로 주입 시험을 하였다. 미생물 경보장치내 시료 유입 농도는 연료전지내 미생물의 사멸을 예방하기 위해 기준보다 낮은 농도로 조제하였고, 기준이 없는 물고기 경보장치의 경우에는 물벼룩 경보장치의 기준을 적용하였다. 참고로 정도관리는 매년 유지보수 업체에 의해 수행되며 본 연구를 위해 독성지수 자료를 받아 이용하였다.

2) 물벼룩을 이용한 24시간 노출시험과의 비교

한강 원수의 수질 특성은 현장에 설치된 온도(Temperature), 수소이온농도(pH, Potential of Hydrogen), 전기전도도(Conductivity), 용존산소농도(DO, Dissolved Oxyegen) 등 수질자동측정장비의 자료를 활용하였고, 생물화학적 산소요구량(BOD, Biochemical Oxygen Demand)과 구리 농도는 수질오염공정시험기준에 따라 분석하였다.

한강 원수에 구리 표준용액을 첨가하여 구리 1 mg/L 농도로 조제하였고, 구리를 첨가하지 않은 한강 원수 시료와 함께 수질오염공정시험기준에 따라 물벼룩을 이용한 급성 독성 시험을 실시하였다. 그 결과를 물벼룩 경보장치의 독성지수와 비교 분석하였고, 두 측정방법의 차이점을 살펴보았다.

3) 생물경보장치의 자료분석

선유 수질자동측정망의 생물경보장치 4종의 2020년 자료를 시간 단위로 추출하고 이를 분석하여 연간 유효측정시간, 연간 점검시간, 독성지수 등 운영 내용을 조사하였다.

4. 결과 및 고찰

1) 수질오염물질을 이용한 독성지수 산출 시험

(1) 구리를 시험물질로 선정한 이유

구리는 해역의 해양생태계 보호를 위한 중금속류의 기준 항목이지만, 하천의 수질 및 생태계에는 그 기준이 없는 실정이다. 해역의 생태계에 영향을 주는 물질이라면 하천 생태계에도 영향을 줄 수 있으므로 본 연구의 시험물질로 선정하였다. 시험한 구리 시료 1 mg/L와 3 mg/L는 먹는물수질기준과 수질오염물질의 배출허용기준을 참고로 하였다.

표 3. 환경 분야와 관련된 구리 기준

구분			구리	관련 법규
해역	해양생태계 보호	단기기준	3.0 μg/L	환경정책기본법 시행령 (환경기준)
		장기기준	1.2 μg/L
	사람의 건강보호	모든 수역	0.02 mg/L
먹는물의 수질기준		심미적 영향물질	1 mg/L	먹는물 수질기준 및 검사등에 대한 규칙
수질오염물질의 배출허용기준		나 지역	3 mg/L	물환경보전법 시행규칙

(2) 시험물질의 독성지수 및 경보 단계 적용

① 미생물 경보장치는 구리 3 mg/L 시료의 주입시 독성지수 –30%로 주의 수준을 보였다(그림 4). 권 등(1)의 연구와 한 등(2)의 연구에서 각각 구리 1 mg/L일 때 –36.1%, 34.8%(논문에 양의 값으로 표시되어 있음)의 독성지수를 보여 본 연구와는 약간의 차이를 보였다. 과산화수소 3% 시료를 주입하자 독성지수 –48%가 나타나 주의 수준에 해당하였다.

② 조류 경보장치는 구리 시료의 주입시 큰 반응을 보이지 않았고, 농도에 따른 차이도 나타나지 않아 구리 물질에 대한 민감도가 낮은 것으로 판단된다. 한 등(2)의 연구에서도 구리 1 mg/L에서는 독성이 나타나지 않았으며, 구리 3 mg/L일 때 5.2%의 독성지수를 보여 본 연구와 유사하였다. 과산화수소 0.2% 시료를 주입하자 70% 이상의 큰 독성지수가 나타나 경보 수준에 해당하였다.

③ 물벼룩 경보장치는 구리 1 mg/L 시료의 주입시 독성지수 4 가 나타나 정상 수준을 보였고, 구리 3 mg/L 시료의 주입시 독성지수 16 을 나타내 경보 수준에 해당하였다. 시험과정에서 구리 1 mg/L 시료에 노출시킨 물벼룩을 그대로 구리 3 mg/L 시료를 주입하자 수조안에 물벼룩들이 바로 수조 아래로 가라앉는 모습을 보였다. 권 등(1)의 연구와 한 등(2)의 연구에서 구리 1 mg/L일 때 독성지수 13 과 9.3 을 보여, 본 연구와 다소 차이를 보였는데, 물벼룩의 민감한 특성과 시험조건의 차이 등의 영향을 준 것으로 생각한다. 염화나트륨 6.5 g/L의 시료는 독성지수 13 정도로 경보 수준에 해당하였다.

④ 물고기 경보장치는 구리 1 mg/L와 3 mg/L 시료의 주입시 독성지수 0 이 나타나 정상 수준을 보였다. 권 등(1)의 연구에서 구리 1 mg/L일 때 독성지수가 5 로 나타나 본 연구와 차이를 보였다. 염화나트륨 6.5 g/L 시료를 주입하였을 때 독성지수 15 가 나타나 경보 수준에 해당하였다.

2) 물벼룩을 이용한 24시간 노출시험과의 비교

(1) 한강의 수질 특성

시험에 사용한 한강의 수질은 pH 7.1, 수온 17.4 ℃, 전기전도도 277 ㎲/cm, DO 8.2 mg/L, BOD 1.6 mg/L, Cu 0.0066 mg/L으로 나타나 시험 시작 전 생물경보장치의 안정화 상태(독성이 나타나지 않는 상태)를 일정 시간 유지가 가능한 수질 조건이었다고 생각한다.

그림 4. 시험물질의 독성지수와 경보 단계 적용

(2) 물벼룩을 이용한 24시간 노출시험과의 비교

구리를 첨가한 한강의 24시간 노출시험에서 생태독성이 TU 12.7 수준으로 나타났고, 구리를 첨가하지 않은 한강 원수에서는 TU 0.0 으로 나타나, 시험한 한강 원수에는 물벼룩 독성을 일으킬 만한 수질오염물질을 포함하고 있지 않은 것으로 판단한다(그림 5). 구리를 첨가한 시료에서 높은 생태독성을 보여 물벼룩이 구리 물질에 민감하게 반응하고 있음을 알 수 있었다. 물벼룩 경보장치내로 구리를 첨가한 한강 시료를 흘렸을 때 독성지수가 4 정도로 24시간 노출시험보다 약 1/3 수준으로 나타났다. 이는 물벼룩이 구리 시료에 노출되는 시간의 차이, 사용한 물벼룩의 나이(일령) 차이, 그리고 최종 판단 기준 차이 등이 다르기 때문으로 생각한다(표 4).

그림 5. 한강 시료를 이용한 물벼룩 시험 결과 비교

표 4. 물벼룩을 이용한 24시간 노출시험과의 비교

시험조건	실시간 생물경보장치 (물벼룩)	물벼룩을 이용한 24시간 노출시험
물벼룩 나이	3~5일 이상된 물벼룩	1일 이내 어린 물벼룩
환경조건(낮과 밤)	계속 빛에 노출시킴	16시간(낮환경)+8시간(밤환경)
시료 교체	연속흐름	지수식
시험시간	실시간	24시간
결과판정	행동 패턴과 인식률을 카메라로 감지함	유영저해 또는 치사를 육안으로 판정함
최종결과	Toxic Index (단위 없음)	Toxic Unit = 100/EC50

※ EC50: 시험에 사용한 물벼룩의 50%가 유영저해 또는 치사일 때 시료 농도(%)

3) 생물경보장치의 자료분석

선유 수질자동측정망의 생물경보장치 4종의 2020년 자료를 시간 단위로 추출하였다(표 5). 유효측정율을 살펴보면 물벼룩 경보장치가 81%로 다른 장치에 비해 현저히 낮았는데, 이유는 데이터에라로 처리된 운영시간이 많았기 때문이였다. 데이터에라로 판단하는 현재의 기준의 적절성을 평가하여 새로운 판단기준을 마련할 필요가 있다. 미생물 경보장치의 독성지수는 모두 정상 수준으로, 대부분 독성지수가 0 으로 나타났다. 조류 경보장치의 독성지수 역시 모두 정상 수준이었는데, 한차례 독성지수 0.1%가 나타났고, 나머지는 모두 0 이였다. 물벼룩 경보장치는 물벼룩(좌)와 물벼룩(우)의 독성지수를 모두 고려하는데, 두 독성지수가 동시에 10 이상일 때 경보가 발령된다. 물벼룩(좌)의 독성지수는 대부분 정상 범위인 0 과 8 미만 사이에 분포하고 있었으며, 독성지수 0 은 5020건, 0 보다 크며 8 미만의 독성지수는 2083건, 독성지수 8 이상은 41건, 독성지수 10 이상은 없었다. 물벼룩(우)의 독성지수 역시 물벼룩(좌)와 유사하였으며, 독성지수 10 이상이 2건 있었다. 물고기 경보장치의 독성지수 역시 대부분 0 이었으며, 8 이상의 주의 수준은 2건으로 나타났다.

표 5. 생물경보장치 운영시간 및 독성지수

생물종	생물경보장치 연간 운영시간			점검코드별 연간 소요시간(hr)				독성지수
	총시간 (hr)	유효측정시간 (hr)	유효측정율 (%)	A	C	E	P	최소값	최대값	중간값
미생물	8784	8163	92.9	42	26	553		0	+8.5	0
									-24.2
조류	8784	8748	99.6	5	31			0	0.1	0
물벼룩(좌)	8784	7144	81.3	106	112	1422		0	9.8	0
물벼룩(우)	8784	7125	81.1	125	112	1422		0	10	0
물고기	8784	8235	93.8	48	284	210	7	0	9.7	0

※ 점검코드: A(교정), C(점검중), E(데이터에라), P(전원단절)

유효측정시간은 총시간에서 점검코드별 시간을 뺀 시간임

유효측정율=유효측정시간/총시간*100

5. 결론

구리를 이용한 생물경보장치 시험에서 생물종마다 다른 독성지수가 나타났다. 산출한 독성지수를 경보 단계에 적용한 결과, 물벼룩은 경보 수준을, 미생물(세균)은 주의 수준을, 조류와 물고기는 정상 수준을 보였다. 여기서 낮은 독성지수를 보인 조류와 물고기는 구리에 영향을 크게 받지 않았지만, 구리 물질이 시료에 없는 것이 아니었다. 하천에는 무수히 많은 미지의 오염물질이 있어서 생물경보장치가 이 모든 물질을 감시할 수는 없지만, 생물경보장치의 자료는 수질 감시를 위한 유용한 정보이다. 하지만 생물경보장치의 오작동, 생물의 건강 정도, 고탁도 유입, 생물의 일반적인(정상) 반응 등은 독성지수의 해석을 어렵게 한다. 그러므로 독성지수를 평가할 때 낮은 독성지수를 유의미하게 해석하기보다는 생물의 정상 행동이거나 생물의 건강 등 기타 요인으로 판단할 수 있다. 물론 오염물질의 유입에도 생물의 반응도가 낮게 나타나기도 하는데, 이때에는 하천 생태계의 동일 생물종에 대한 독성영향이 크지 않을 것으로 판단할 수 있다. 경보 수준의 높은 독성지수는 유의미한 자료로 보고, 현장 점검, 추가적인 수질 분석 등 원인을 찾는 과정이 필요하다. 향후 현재의 경보 수준이 한강 수질의 감시와 목표 수질에 적절하게 설정되었는지 평가하고, 경보 발령에 따른 절차 매뉴얼 마련이 필요하다고 생각한다.

<참고문헌>

1. 권승미, 임귀철, 김광래, 이광식, 안은란, 김경희, 이도훈, 이현주, 배경석, 엄석원 : 통합 생물경     보기를 이용한 한강 및 청계천 등 주요 공공수역의 생태 위해성 평가. 서울특별시 보건환경연     구원보, 46:153~164, 2010.

2. 한지선, 김성택, 최병도, 김새봄, 이수원, 차영섭, 김복순 : 생물감시장치의 효율적 운영방안 연     구. 서울특별시 물연구원 서울워터, 43~65, 2016.