Impacts of stream water quality and fish histopathology by effluents of wastewater treatment plant

치되었다

.

그러나 이러한 노력에도 불구하고

,

^{인구의 도시} 집중현상이 심화되며 생활 및 공업용수로 사용된 물이 증 가함에 따라 배출수에 포함된 질소

,

인 등 영양염류가 수계 에 유입되고 있다

(Lee et al. 2008; MOE 2009).

^{하수종말처} 리장에서는 하천에 유입되는 배출수의 영향을 최소화하기 위하여

BOD (Biochemical Oxygen Demand,

^{생화학적 산소} 요구량

), COD (Chemical Oxygen Demand,

^{화학적 산소요}

https://doi.org/10.11626/KJEB.2020.38.4.678

서 론

하수종말처리장

(Wastwater treatment plant; WTP)

^{은 생} 활하수나 각종 오염물질이 수계로 직접 유입되지 않도록 정화

·

배출하는 시설이다

.

해당 시설은 산업화로 인해 도 시에 밀집된 인구가 발생시키는 많은 양의 하수에 대해 하 천의 자정작용으로 처리할 수 없음을 인식한 결과로서 설

Original article

하수종말처리장 배출수에 의한 하천 수질 특성 및 어류의 조직병리학적 영향

김혜진, 안광국 ^1, *

충남대학교 생명과학과, ¹충남대학교 생물과학과

Impacts of stream water quality and fish histopathology by effluents of wastewater treatment plant

Hye-Jin Kim and Kwang-Guk An ^1, *

Department of Bioscience and Biotechnology, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea

1

Department of Biological Science, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea

Korean J. Environ. Biol.

38(4) : 678-690 (2020) ISSN 1226-9999 (print) ISSN 2287-7851 (online)

* Corresponding author Kwang-Guk An Tel. 042-821-9690 E-mail. [email protected]

Received: 30 October 2020 First Revised: 16 December 2020 Second Revised: 22 December 2020 Revision accepted: 24 December 2020

Abstract: In this study, the histological changes of Zacco platypus exposed to discharge from a Wastewater Treatment Plant (WTP), which is a point source, for a long time (2 to 3 years) were compared to the same species at a reference site (Ref.). Overall, tissues displayed various lesions in samples obtained at the point where discharge water from the point source was mixed. In the skin tissue, mucus cells from the epithelial layer expanded to the multilayered epithelium, indicating the immune system was activated.

Epithelial cell detachment and proliferation were most prominent in the gills, which may have adversely affected circulation and respiration. Our data suggest immune system collapse was due to stimulation by aquatic substances. Both the fish phase analysis and the water quality analysis demonstrated depreciated conditions at the point source as compared to the reference stream, supporting the histological health evaluation results.

These data together suggest a histological approach can also be used to assess water quality, and to an even higher degree when combined with other existing methods.

Given the presented evaluation, improvement in the water quality of water discharged from WTP’s is required.

Keywords: wastewater treatment plant, biomarker, histological, water quality, fish fauna

구량

), TSS (Total Suspended solid,

^{총부유물질}

), TN (Total Nitrogen,

^총질소

), TP (Total Phosphorous,

^총인

)

^{와 같은 수} 질 항목들에 대해 방류수 수질을 규제하는 노력을 기울이 고 있다

.

^그중

TP

의 경우 조류 성장제한요인으로서 배출 량이 엄격히 규정되어 있고

, BOD

^{와 더불어}

2011

^년~

2015

년의 기간 동안 제

2

단계 수질오염총량관리 대상물질로 관 리되고 있다

(Park et al. 2011).

^그러나

,

^국내

WTP

^{에서 처리} 된 배출수가 수계에 방류되었을 때 수계 혹은 수계에 서식 하는 생물들에 대해 어떤 영향을 미치는가에 대한 건강성 평가 및 독성평가 연구는 미진한 상황이다

(Ra et al. 2005).

해외에서는 이미 하수종말처리장과 같은 점오염원이 도시 를 관통하는 하천에 미치는 영향에 대한 연구를 지속적으 로 수행하고 있다

(US EPA 1991; Peter et al. 2000).

^하수종 말처리장의 배출수가 유입된 하천에서는 살아있는 생물에 서 계속해서 그 영향이 지속되는 유기화학물질을 포함하 기도 하며

(Ternes 1998; Barber 2000, 2011a, 2011b; Kolpin 2002),

^{그 물질은}

17β-estradiol

^및

4-nonylphenol

^{등 어류의} 생식에 영향을 줄 수 있는 환경호르몬과 같이 치명적인 물 질도 존재하기 때문이다

(Jobling 1998; Vajda 2008, 2011;

Barber 2012).

하수종말처리장 배출수에서 유래되는 물질의 영향을 평가하는 방법은 여러 가지가 있지만 본 논문에서는 어류 를 바이오마커로 사용하여 하천의 건강성을 파악하는 것 에 초점을 맞추고 있다

.

바이오마커는 오염물질에 노출된 생물의 상태변화와 생물학적 반응을 나타내며

(Chambers

et al. 2002),

개체부터 군집에 이르기까지 다양한 단계의

스트레스 수준을 다룰 수 있다

.

이를 어류에 반영한 선행 된 연구들로부터

,

^어류

(in situ)

는 수질오염의 지표로서 좋 은 결과를 보여주고 있다

(Moiseenko et al. 2008).

^수생태 계 내에 있어

,

어류는 다른 생물종에 비해 더 많은 오염물 질에 민감하게 반응하기 때문에 수중 물질과 관련된 위 해성 평가는 병리학적인 평가로 판단이 가능하다

(Wrona and Cash 1996; Simon 2000; Whitfield and Elliott 2002;

Moiseenko et al. 2008).

세포 또는 분자 수준의 변화가 발 생한 후

,

개체수준에서 거시적으로 확인할 수 있는 중독 증상이 나타나기 때문이다

(Segner and Braunbeck 1990).

또한

,

조직학적 변화는 생리적 혹은 생화학적 변동으로 인해 발생하므로 그 영향성에 대해 성장이나 번식과 같 은 상황 또한 예측이 가능하다

(McKim 1985; Meyers and Hendricks 1985).

따라서 특정 기관의 조직 변화는 낮은 단

계의 생물학적 조직 수준으로부터 내인성

,

^{혹은 외인성 효} 과로 이어진다는 것을 의미한다

(Hinton and Laurén 1990;

Swee et al. 1996). Hinton (1992)

^{에 따르면}

,

^{조직학은 특정} 환경 노출에 의한 급성 또는 만성 부작용을 신속하게 식별 할 수 있다

.

그리고 형태학적이나 생리학적

,

^{생화학적 변화} 를 정성적

,

혹은 정량적으로 측정하여 독성 초기 증상이나 매커니즘을 찾는 데 좋은 증거가 될 수 있다

(Meyers and Hendricks 1985).

^{위와 같은 이유로}

,

본 연구에서는 바이오 마커의 한 종류로서 어류를 택하였으며

,

^{대상어종은 피라} 미

(Zacco platypus)

^이다

.

해당 어종은 선행연구로서 수중 유해물질에 대한 바이오마커로 이용된 사례가 존재하며 우리나라 수계에 가장 넓은 분포 범위를 가지고 있는 까닭 으로 분석에 알맞은 종으로 사료되어 선정되었다

(Lee et al. 2008).

따라서

,

^{본 연구는 근육조직}

(Vethaak 1994)

^{과 아가미}

(Mal- latt 1985; Poleksic and Mitrovic-Tutundzic 1994), 2

^{종류의 조} 직학적 변화를 비교

·

분석하여 하수종말처리장 배출수를 포함하는 일부 수계에서 어류 조직병리학적 변화를 파악

하였다

. WTP

배출수가 유입되는 수계에서 평가될 이 조직

들은 오염지표로 이용하기에 유용하다는 선행연구가 진행 된 바 있다

(Meyers and Hendricks 1985; Hinton and Laurén 1990).

^또한

,

수질 분석을 통해 하수종말처리장의 방류수의 수질과 각 시설의 방류수질 기준을 비교하였으며

,

^{해당 수} 질측정값을 어류 조직학적 평가와 함께 대조

·

분석하는 방 향으로 연구를 진행하였다

.

요약하여

,

^{본 논문에서는}

(1)

조직병리학적인 접근을 통 해 점오염원이 배출하는 방류수가 수생태계에 부정적인 영향을 미친다는 가설을 세우고

,

점오염원이 있는 몇 지점 에서 방류수에 노출된 변화된 피라미

(Z. platypus)

^{의 조직} 상태를 파악하며

, (2)

^{어류상 분석과}

(3)

^{수질분석을 통해}

WTP

배출수가 미치는 영향에 대한 근거를 제시하여

, (4) WTP

배출수질 관리 방향성에 대해 제시하고자 한다

.

재료 및 방법

1. 샘플 채취 방법

본 연구에서 샘플링을 수행할 지점으로는 피라미

(Z.

platypus)

가 출현하며 국가지정 수질측정망이 있어 수질데

이터를 확보할 수 있는 조건을 충족하는 지점으로 선정하

였다

.

해당 조건을 만족하는 지점은 다음과 같다

(Fig. 1);

대전하수종말처리장

(S1, 900,000 m ³ day ^{- 1} ),

^{전주하수종} 말처리장

(S2, 403,000 m ³ day ^-1 ),

^{청주하수종말처리장}

(S3, 280,000 m ³ day ^-1 ),

^{익산하수종말처리장}

(S4, 100,000 m ³ day ^{- 1} ).

점오염원이 있는 하천이

3

^~

5

차 하천인 것을 고려하여

,

점오염원이 없거나 오염원의 영향을 덜 받는 참조하천

(Reference; Ref.)

은 충남 청양군 칠갑산에서 발원하여 금 강 하류에 합류하는 비교적 큰 지류이며

4

^{차 하천인 지천} 으로 선정하였다

.

지천은 주변이 산으로 둘러싸여 있으며

,

멸종위기종이면서 천연기념물로 지정되어 있는 미호종개

(Cobitis choii) (Cha 2004; Hong 2004; ME 2005, 2012)

^{가 출} 현하는 지점으로 참조하천으로 비교할 만한 지점이라고 판단되어 선정하였다

.

각 지점의 주소는 다음과 같다

.

Reference:

충청남도 청양군 장평면

(36°18ʹ40ʺN, 126°51ʹ30ʺE)

S1:

대전시 유성구 원촌동 대전하수종말처리장

(36°23ʹ14″N, 127°24ʹ36ʺE)

S2:

충청북도 청주 흥덕구 전주하수종말처리장

(35°52ʹ38ʺN, 127°06ʹ02ʺE)

S3:

전라북도 덕진구 청주하수종말처리장

(36°40ʹ06ʺN, 127°23ʹ34ʺE)

S4:

전라북도 익산시 하나로

2

^길

16

^{익산하수종말처리장}

(35°55ʹ42ʺN, 126°58ʹ47ʺE)

점오염원이 있는 지점의 채집은

WTP

^{배출수구 하류방} 향

100 m

^{이내에서 실시하였다}

(Figs. 1, 2).

^{우리나라는 여}

Fig. 1. Sampling Sites (Wide map). ○: Reference site, ●: Sam- pling site, ☆: Wastewater treatment plant. Geographical area to which the sampling sites belong. The symbols ☆ and ● are near- ly overlapping, with the actual distance within about 100 m.

Fig. 2. Sampling Sites (Enlarged map for each sampling site).

○: Reference site, ●: Sampling site, ☆: Wastewater treatment

plant. Geographical area to which the sampling sites belong. The

symbols ☆ and ● are nearly overlapping, with the actual distance

within about 100 m.

름철에 강우량이 집중되는 장마기간이 있어

,

^{해당 기간에} 는 어류가 늘어난 유량을 따라 크게 이동하는 경향이 있다

.

따라서 수체가 안정되어 있는 몬순

(Monsoon)

^{기간 전인}

2019

^년

6

^월

27

^~

28

일에 샘플링을 수행하였다

.

어류 채집은

Ohio EPA (1989)

에 수록되어 있는 방법을 우리나라 실정에 맞게 정량적인 채집을 수행하는 방법으 로 수정하여 시행하였다

(An et al. 2001).

^투망

(

^망목

5

^×

5 mm)

^{과 족대}

(4

×

4 mm)

를 이용하여 각 지점에서 각

10

^회

, 30

분간 채집을 진행하였다

.

^{채집된 어류는}

Nelson (1994), Kim and Park (2002)

^{에 따라 동정하였다}

.

각 지점과 방류수 수질분석을 위한 데이터는

2016

^년

1

^월 부터

2018

^년

12

^월까지

3

개년 데이터를 사용하였다

.

^측정항 목은

BOD (Biochemical oxygen demand), COD (Chemical oxygen demand), SS (Suspended solid), TN (Total nitrogen), TP (Total phosphorus)

^이고

,

하천 수질 분석의 경우는

Chl-a

와 전기전도도

,

^수온

, pH

항목을 추가로 분석하였다

.

2. 표적종 및 실험 방법

본 논문에서 사용한 바이오마커는 우리나라 수계에 서 가장 흔하고 쉽게 채집할 수 있는 어종인 피라미

(Z.

platypus)

^이다

.

^생후

1

^년에

60

^~

70 mm, 2

^년차에

80

^~

110 mm

에 이르며

, 3

^년생이

110 mm

^{이상 자란다}

(Choi et al. 1994).

문헌에 따르면 피라미

(Z. platypus)

는 우리나라 산과 계곡 을 제외한 모든 수역에서 나타났다

(Hur et al. 2009).

^따라 서 채집이 용이하며 일정 크기 이상에서 연령을 쉽게 추정 할 수 있는 종으로 사료된다

.

^{채집된 피라미}

(Z. platypus)

^는 평균 몸길이

9.6 cm,

^{평균 체중}

14.9 g

^{으로 측정되었으며}

,

^지 점별로

5

개체씩을 이용하여 연구를 수행하였다

.

^{해당 크기} 는 점오염원에서 장기간 배출수의 영향을 받은 약

2

^~

3

^년 생 개체로

,

방류수에 노출된 기간을 알 수 있으므로 점오염 원이 있는 곳과 없는 수계의 변화를 대조하기 용이하다고 판단하였다

.

샘플링한 어류는 당일 조직을 채취하여 파라핀 포매 과 정

(Paraffin embedding method)

을 통해 조직표본을 제작 하였다

.

^{각 조직은}

2.5%, 5%, 10%

^{포르말린 용액으로}

1

^주 일 동안 저농도에서 고농도로 고정하였다

.

^{첫 번째로 고정} 용액을 교환할 때 조직으로부터 잔류물질을 제거하였다

.

파라핀 포매법은 고정한 시료를

24

^{시간 수세 후 탈수}

,

^파 라핀

(Paraffin)

침윤을 수행하는 방법으로

,

^{위와 같은 방법} 으로 파라핀이 조직에 완전히 침윤되었을 때 마이크로톰

(HistoCore AUTOCUT, Leica, Germany)

을 이용해 두께 약

4 μm

로 절삭하여 슬라이드글라스에 부착하였다

.

^{부착된 조} 직절편은 탈파라핀화와 탈수 후 헤마톡실린

-

^{에오신 염색}

(Hematoxylin-Eosin stain,

^이하

H-E

^염색

)

^{으로 염색하였다}

.

그 후 커버글라스를 올리고 발삼용액

(Balsam solution)

^등 을 이용하여 글라스를 고정하였다

.

완성된 조직 샘플은 광 학현미경

(DP71, Olympus, Japan)

^{을 이용하여}

200

^~

400

^배 율에서 관찰하였다

.

결 과

1. 지점별 어류상 및 표적어종 상대풍부도

참조하천의 경우

, 22

^{종 출현 및}

450

^{개체가 채집되어} 전 지점에서 가장 많은 개체수와 어종이 확인되었다

(Fig.

3-top, Ref.).

^{해당 지점의 피라미}

(Z. platypus)

^{상대풍부도} 는

10

^개체로

2.2%

^{에 달하였으며}

,

^{외래어종인 큰입배스}

(Micropterus salmoides) 1

^{종이 채집되었다}

.

^{그 외 천연기념} 물이자 멸종위기종

1

급에 속하는 미호종개

(Cobitis choii)

^가 확인되었다

.

내성도 길드 분석 결과 민감종

(sensitive spe- cies; SS)

^이

0.2%,

^중간종

(intermediate species; IS) 78.22%,

내성종

(tolerant species; TS)

^이

21.56%

^{를 구성하는 것으} 로 나타났다

(Fig. 3-bottom, Ref.).

외래종은 전체 개체수의

2.22%

^{로 나타났다}

.

S1

^은

7

^종

48

개체가 채집되어 전 지점에서 가장 빈약한 어류상을 보였다

(Fig. 3-top, S1).

표적종인 피라미의 상대 풍부도는 총

7

^{개체 등장으로}

6.3%

^{로 나타났다}

.

^외래종은 큰입배스가 출현하였고

,

^{전체 개체수 대비}

6.25%

^{를 차지하} 였다

.

민감종은 나타나지 않았고

,

^중간종은

2.08%,

^내성종 이

97.92%

^{로 높게 나타났다}

.

섭식길드는 충식종이

2.08%,

육식종은

6.25%

^{로 나타났는데}

,

^잡식종은

91.65%

^{로 가장} 높게 나타났다

(Fig. 3-bottom, S1).

S2

^는

10

^종

83

^{개체가 채집되었고}

(Fig. 3-top, S2),

^표적어 종인 피라미는

27

개체가 채집되어 상대풍부도

17.5%

^{로 나} 타났다

.

외래종은 큰입배스와 블루길

(Lepomis macrochirus)

이 출현하였으며

,

^{전체 개체수 대비}

18.07%

^{로 나타났다}

.

^민 감종은 나타나지 않았고 중간종과 내성종은 각각

40.96%,

59.04%

^{를 차지했다}

.

^{섭식길드는 충식종}

19.27%,

^잡식종

77.11%,

^육식종

3.61%

^{비율로 구성되었다}

(Fig. 3-bottom,

S2).

Fig. 3. Comparison of fish fauna at point source sites and reference site. Sensitive species; SS, Intermediate species; IS, Tolerant species;

TS, Insectivore; I, Omnivore; O, Carnivore; C. The number of individuals (top) according to the guild by site and relative abundance (bottom) are shown in graphs. The population graph shows the total number of individuals by site as the first bar graph to compare the number of individuals. The relative abundance graph compares the dominant items among the guilds of fish that appear.

Fig. 4. Comparison of WTP wastewater quality with reference water quality. Biochemical oxygen demand; BOD, Chemical oxygen de- mand; COD, Suspended solid; SS, Sewage water; SW, Total Nitrogen; TN, Total Phosphorus; TP, Water treatment plant; WTP. The horizontal line represents the water quality standard.

(mg L

-1

) _{(mg L}

^-1

_{) (mg L}

^-1

₎

(mg L

^-1

) (mg L

^-1

)

(mg L

-1

)

( µg L

-1

)

S3

^{은 총}

15

^종

154

^{개체가 채집되었다}

(Fig. 3-top, S3).

^피 라미는 해당 지점에서

7

^{개체가 채집되어}

8.4%

^{의 상대풍부} 도를 보였다

.

^민감종이

0.649%,

^중간종

57.79%,

^내성종은

41.56%

^{로 나타났다}

.

^{섭식길드는 충식종}

57.79%,

^잡식종은

37.01%,

^육식종은

1.95%

^{로 구성되었다}

(Fig. 3-bottom, S3).

마지막으로

S4

^에서는

16

^종

111

^{개체가 채집되었다}

(Fig.

3-top, S4).

피라미는 해당 지점에서

7

개채가 채집되어 전체 개체수 대비 상대풍부도

6.3%

^{로 나타났다}

.

^{외래종으로는} 떡붕어

(Carassius cuvieri)

와 큰입배스가 출현하여 전체 개 체수 대비

30.63%

^{를 나타냈으며}

,

민감종은 나타나지 않았 다

.

^중간종은

18.92%,

^내성종은

81.08%

^{로 대부분을 차지하}

였다

.

^충식종은

10.81%,

^잡식종은

57.66%,

^육식종은

31.53%

로 구성되었다

(Fig. 3-bottom, S4).

2. 하수종말처리장의 방류수 수질기준 및 수질 비교

전반적으로

WTP

^{이 있는}

S1

^~

S4

방류수의 평균 수질 항 목값은 참조하천의 수질 항목 값보다 낮았다

. 2016

^년부터

2018

^년까지

3

개년 수질평균값을 보았을 때

,

^{참조하천의 수} 질은 다음과 같았다

: BOD 1.46 mg L ^-1 , COD 3.71 mg L ^-1 , SS 4.79 mg L ^-1 , TN 2.06 mg L ^-1 , TP 32.33 μg L ^-1 .

현재

3

년 수질 자료와 배출수질 기준을 비교할 때

,

^모든

Fig. 5. Comparison of point source water quality with reference water quality. Biochemical oxygen demand; BOD, Chemical oxygen de- mand; COD, Suspended solid; SS, Total nitrogen; TN, Total phosphorus; TP, Water treatment plant; WTP, Conductivity; cond., Water tem- perature; Temp., Chlorophyll-a; Chl-a.

(mg L

-1

) (° C )

(°C)

(mg L

-1

) (µg L

-1

) (µg L

-1

)

(µm hos cm

-1

)

(mg L

^-1

) (mg L

^-1

)

(mg L

^-1

) (mg L

^-1

)

WTP

은 기준치보다 더 좋은 수질의 배출수를 방류하였다

.

그러나

,

참조하천의 수질과 비교했을 때에는

COD

^값은

2

^~

4

^{배 더 높았고}

, TN

^{의 경우는 약}

4

^~

5

^배

, TP

^{는 약}

5

^배까 지 더 높은 것으로 나타났다

. SS

값은 일반적으로 참조하천 이 좀 더 높은 편이었으며

, BOD

값은 비슷한 수준으로 나 타났다

(Fig. 4).

각 항목별로

BOD

^와

COD

^는

S4

^{에서 가장 높았고}

,

^각각

5.44 mg L ^{- 1}

^과

10.27 mg L ^{- 1}

^{을 기록했다}

. SS

^항목은

S3

^에서 가장 높은 농도를 보였고

,

^{가장 높은}

TN

^값은

15.63 mg L ^-1

으로

S4

^{에서 측정되었다}

. TP

^값은

S4

^에서

409.28 μg L ^-1

^로

다른 지점과 비교했을 때 가장 높은 값으로 나타났다

(Fig. 5).

결론적으로 평균

WTP

의 배출수 수질은 참조하천과 비 교했을 때

COD

^{의 경우 약}

3

^배

(10.27 mg L ^{- 1} ), TN

^{의 경우} 약

5

^배

(10.25 mg L ^{- 1} ), TP

^{의 경우 약}

3

^배

(101.14 μg L ^{- 1} )

^가 참조하천보다 높은 것으로 확인되었다

.

^{배출수가 유입되는} 하천의 수질은

BOD (4.35 mg L ^-1 ) 3

^배

, COD (9.45 mg L ^-1 ) 3

^배

, SS (11.54 mg L ^{- 1} )

^항목이

3

^배

, TN

^{의 경우에는}

4

^배

(8.06 mg L ^{- 1} )

^그리고

TP

^는

6

^{배 더 높은 수치}

(198 μg L ^{- 1} )

^{를 나타} 냈다

(Fig. 6).

Fig. 6. Comparison of average water quality between reference sites, WTP (WTP discharge water quality), and WTP sites (water quality from the stream into which the discharge water from the WTP was introduced). Biochemical oxygen demand; BOD, Chemical oxygen demand; COD, Suspended solid; SS, Total nitrogen; TN, Total phosphorus; TP, Water treatment plant; WTP, Conductivity; cond., Water tem- perature; Temp., Chlorophyll-a; Chl-a. The average water quality of the discharged water from the WTP for 3 years (2016-2018) is compared by item (top), and the average water quality of the river that has received discharge for 3 years is compared by item (medium and low).

(µg L

-1

) (µg L

-1

) (µg L

-1

)

(mg L

-1

) (mg L

-1

) (µg L

-1

)

3. 어류 미세조직 병리학적 분석

참조하천에서는 모든 개체가 정상적인 조직 모습을 보 였다

.

근육조직에서 상피는 점액세포가 단층으로 구성되 어 있었으며

,

그 아래로 비늘낭이 존재하였고

,

^{그 아래로} 진피층이 관찰되었다

.

진피 아래에는 흑색소포가 존재하 고 있었다

(Fig. 7a).

아가미 상피는 단층편평상피로 이루어 져 있었으며

,

^{혈관으로 적혈구가}

1

개 통과하는 모습이 관 찰되었고

,

연골세포 또한 정상적인 형태를 갖추고 있었다

(Fig. 8a).

참조하천의 조직사진에서는 표피층

,

^{진피층 및 피하층}

과 구분되는 모든 피부조직을 관찰할 수 있다

(Fig. 7a).

^비 늘과 비늘낭이 관찰되었으며 그 하부에서 흑색소포가 있 는 것을 확인하였다

.

^그러나

S1

^~

S4

지점의 피라미 근육조 직은 상피층의 점액세포가 다층으로 발달한 것을 볼 수 있 다

(Fig. 7b-e).

적혈구

,

^상피세포

,

^주세포

,

새판과 새엽은 참조하천에서 정상인 것을 확인하였다

.

^반면

, S1

^~

S4

의 개체는 다양한 병 리학적 소견이 나타났다

.

^{상피세포 증식}

(Fig. 8b

^~

e),

^새판 의 융합

(Fig. 8b),

^{상피세포 박리}

(Fig. 8c),

^{상피세포 증식}

(Fig. 8e),

새판 분지형태가 나타났다

(Fig. 8d).

Fig. 7. Microstructure in Zacco platypus skin tissue. (a) Ref., (b) S1, (c) S2, (d) S3, (e) S4. (Dl; Dermal layer, El; Epidermal layer, Hyp; Hypoder- mis, Mc; Mucous cell, Mp; Melanophore, Sc; Scale, Scp; Scale pocket, magnification a

×

400, b,c,d, e

×

^200).

(a)

(c)

(e)

(b)

(d)

고 찰

물고기 조직에 영향을 미칠 수 있는 물질은 다양하며

,

^조 직병리학적 검사에서 오염에 의한 영향을 확인하는 데 사 용되는 근육조직과 아가미는 점액세포가 존재하며 잠재적 인 유해물질에 직접적

,

지속적으로 노출되는 넓은 표면적 이다

. Shephard (1994)

^{에 따르면}

,

점액은 독성 물질이나 병 원체로부터 발생하여 질병에 저항하는 면역체계 중 한 가 지이다

.

참조하천에서 채집된 피라미

(Z. platypus)

^{를 제외} 하고

, S1

^~

S4

에서 채집된 개체들의 상피층은 모두 단층상

피에서 다층상피층으로 변하였으며

,

이는 수중에 포함되어 있는 물질로부터 보호하기 위한 메커니즘인 것으로 사료 된다

(Shephard 1994).

체액성 면역은 아가미에서도 나타나지만 참조하천 개 체의 아가미에서는 점액 혹은 점액세포가 과다하게 발달 된 것은 볼 수 없었다

(Fig. 8a). S1

^~

S4

^{의 피라미 개체에서} 는 모든 아가미 상피세포 박리가 일어났으며

,

^{이는 아가미} 상피세포 손상으로 인한 삼투압 평형이 무너졌음을 의미 한다

(Fig. 8b

^~

e) (Fernandes et al. 2008).

^{독성을 나타내는} 다양한 물질들에 반응하여 어류에서 삼투장애를 나타내

Fig. 8. Microstructure in Zacco platypus gill. (a) Ref., (b) S1, (c) S2, (d) S3, (e) S4. (CL; Club shaped lamella, EH; Epithelium cell hyperplasia, EL; Epithelium cell lifting, Epc; Epithelium cell, ET; Epithelium cell hypertrophy, GF; Gill filament, GL; Gill Lamella, LF; Lamella fusion, Pc;

Pillar cell, Rbc; Red blood cell. a,b,c,d

×

^{400, e}

×

^200).

(a)

(c)

(e)

(d)

(b)

는 여러 가지 선행연구가 존재하며

(Lewis and Lewis 1971;

Wedemeyer and Yasutake 1974; Schreck and Lorz 1978;

Sugatt 1980),

이 밖에도 다양한 화합물에 대한 아가미 상피 세포의 일반적인 독성반응으로서 여러 가지 병변이 일어 날 수 있다는 연구가 수행되었다

(Mitrovic et al. 1968; Skid- morc and Tovell 1972; Smith and Piper 1972; Brenniman et al. 1979). Bhattacharya (2008)

^{에 따르면}

, WTP

^{의 배출수에} 노출된 어류에서 인접한 새판이 융합된 모습

,

^{혹은 새판의} 분지형태가 나타날 수 있다고 하였다

. WTP

^{가 존재하는 지} 점에 서식하는 피라미는 참조하천에 비해 수중의 영양염 류 및 오염물질에 더 많이 노출되었으며

(Figs. 5, 6),

^참조하 천의 수질에 비해 더 높은 오염도를 가지는

WTP

^배출수는 피라미의 아가미에 부정적인 영향을 주는 것으로 추측된 다

.

어류상은 조사된 모든 지점 중 참조하천에서 종과 개체 수가 가장 많이 채집되었다

.

^{내성종은 약}

20%

^였으며

,

^멸종 위기종이 유일하게 채집된 지점으로 확인되었다

. S1

^~

S4

지점은 참조하천에 비해 전체 개체수가 감소하며

,

^내성종 의 비율이 높아 어류상이 불량하였다

(Fig. 3).

^{오염원에서} 유래된 물질이 하천에 유입되어 수질이 악화된 경우

,

^수 서생물 및 어류에 생리생화학적 불균형으로 인한 부정적 인 영향을 미치며

,

^{폐사로 이어지는 직}

·

간접적인 원인으 로 알려져 있다

(Kim et al. 2013).

하천에서 일어나는 어류 폐사는 흔히 급격한 수온변화

(Durhan et al. 2006)

^{나 용존} 산소 고갈

(Matthews and Berg 1997),

^암모니아

(Yang and Chun 1986; Foss et al. 2003),

^{중금속의 유입}

(van Hoof and van San 1981)

^{혹은 염소}

(Zeitoun 1977; Cohen 1977; Katz 1979),

식물성 플랑크톤의 독소

(Park et al. 2008)

^{등이 있으} 나 도심하천에서는 생활하수 및 도시의 비점오염원으로부 터 발생한 물질의 유입이 주된 원인 중 하나로 꼽히고 있다

(Durhan et al. 2006; Lee et al. 2006).

^또한

,

^{상업지역 및 주거} 지에서 발생한 비

·

점오염원 유입으로 인해 발생한 유기오 염물의 하상침전물 등은 어류 종 다양성을 제한하는 요인 으로 작용한다는 점에서

(Lee and Choi 2015) S1

^~

S4

^에서 조사된 빈약한 어류상은

WTP

의 배출수 및 그 영향을 받 은 수질과 연관이 있는 것으로 사료된다

.

^{참조하천에 비해}

WTP

배출수가 방류되는 지점의 하천은 높은 영양염류와 오염지표 항목에서 더 높은 값을 가지고 있는 반면

,

^적은 종 수와 개체수가 채집되었기 때문이다

(Figs. 4

^~

6).

^따라서

WTP

배출수는 타겟종인 피라미 개체단위의 건강성뿐만

아니라 수생태계 건강성 전체에도 부정적인 영향을 줄 수 있을 것으로 추측된다

.

위와 같은 내용을 통하여

,

수질과 어류 개체 및 어류군집 은 상관이 있는 것으로 보인다

.

그러나 어류 폐사와 연결되 는 상태와 그 원인은 여전히 복합적이고 실험실 재현이 힘 든 요인들을 가지고 있어 직접적이고 명확한 원인을 밝혀 내기는 까다롭다

(Raleigh et al. 1978; Haslouer 1983; Lee et

al. 2006).

따라서 본 연구만으로 조직병리학적 상태를 일으

키는 원인과 종 수 및 개체수 감소를 일으키는 원인 물질에 대한 첨예한 추측은 어렵다고 할 수 있다

.

그러나 본 논문은 하천에 배출되는 대표적인 점오염원 인 하수종말처리장에서 배출하는 처리수가 하천에 유입되 어 어떤 영향을 미치는지

,

그리고 향후 수질 관리에 있어 중요한 정보 및 방향성을 전달할 것으로 사료된다

.

^{현재 세} 계적으로 손꼽힐 만큼 엄격한

WTP

^{배출수질기준을 준수}

(Park et al. 2011)

^{하고 있다 하더라도}

,

^{작금의 불량한 어류} 상과 비정상적인 조직학적 결과로는 배출수의 수질개선이 필요한 상황이다

.

현재 배출수질 규제 항목의 기준을 낮추 며

,

어류에서 조직학적으로 부정적인 영향을 나타내는 것 으로 알려진 중금속

,

항생제 및 호르몬 교란 물질에 대한 검출 유무를 확인할 필요가 있다

.

^또한

,

^{어류에서도 측정 수} 질 항목별 조직학적 반응에 대한 연구가 수행될 필요가 있 다

.

수중의 물질과 어류 조직에 미치는 영향의 상관관계를 이해함으로써

,

도시하천의 관리와 생물자원을 보존 및 관 리하는 데 유용한 방향을 제시할 수 있을 것으로 본다

.

적 요

본 연구는 점오염원인 하수종말처리장으로부터 배출되 는 물의 수질을 분석하고 배출수의 영향을 받는 어류 중 지 점들에서 공통적으로 출현하는 어종인 피라미

(Z. platypus)

를 선택하여 조직학적 변화를 참조하천 지점의 수질과 어 류 조직을 비교

·

분석하였다

. 2019

^년

6

^월

27

^~

28

^{일 하수종} 말처리장

4

^곳

(

^대전

,

^전주

,

^청주

,

^익산

)

^{의 채집 결과}

,

^참조하 천에서

22

^종

450

개체로 가장 많은 종 수 및 개체수가 확인 되었다

.

^지점별로

5

^개체씩

2

^~

3

년생 피라미의 조직표본을 제작하여 아가미와 근육조직

(

^피부조직

)

^{을 관찰한 결과}

,

^참 조하천을 제외한 나머지 지점의 조직은 병리적인 양상을 나타내었다

.

^{수질분석 결과}

,

^각

WTP

에서는 배출수질 기준

을 준수 혹은 더 좋은 수질로 방류하고 있었다

.

^{그러나 하} 수종말처리수 배출수 및 방류수계 수질에서 오염도지표를 나타내는 항목인

BOD, COD, TP, TN, SS

^{값이 참조하천에} 비해 높은 것으로 나타났다

.

빈약한 어류상과 바이오마커 로 이용된 종의 조직병리학적 상태는 참조하천에 비해 낮 은 수질에서 기인한 것으로 추측되며

,

따라서 원인이 되는 하수종말처리장 배출수 수질개선이 이루어져야 할 것으로 사료된다

.

사 사

본 논문은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 생 활화학제품 안전관리 기술개발사업의 지원을 받아 연구되 었습니다

(2020002970007, NTIS1485017188).

REFERENCES

An KG, HJ Seung and SC Shin. 2001. An evaluation on health conditions of Pyong-Chang River using the index of bio- logical integrity (IBI) and qualitative habitat evaluation index (QHEI). Korean J. Limnol. 34:153-165.

Barber LB, RC Antweiler, JL Flynn, SH Keefe, DW Kolpin, DA Roth, DJ Schnoebelen, HE Taylor and PL Verplanck. 2011a.

Lagrangian mass flow investigations of inorganic contami- nants in wastewater-impacted streams. Environ. Sci. Tech- nol. 45:2575-2583.

Barber LB, GK Brown, TG Nettesheim, EW Murphy, SE Bartell and HL Schoenfuss. 2011b. Effects of biologically-active chemical mixtures on fish in a wastewater-impacted urban stream. Sci. Total Environ. 409:4720-4728.

Barber LB, GK Brown and SD Zaugg. 2000. Potential endocrine disrupting organic chemicals in treated municipal waste- water and river water. pp. 97-123. In: Analysis of Environ- mental Endocrine Disruptors (Keith LH, TL Jones-Lepp and LL Needham eds.). ACS Symposium Series 747. American Chemical Society, Washington D.C.

Barber LB, SF Murphy, PL Verplanck, MW Sandstrom, HE Taylor and ET Furlong. 2006. Chemical loading into surface water along a hydrological, biogeochemical, and land use gradient - A holistic watershed approach. Environ. Sci. Technol. 40:475- 486.

Barber LB, AM Vajda, C Douville, DO Norris and JH Writer. 2012.

Fish endocrine disruption responses to a major wastewater treatment facility upgrade. Environ. Sci. Technol. 46:2121-

2131.

Bhattacharya H, Q Xiao and L Lun. 2008. Toxicity studies of nonyl-phenol on rosy barb (Puntius conchonious): a biochemi- cal and histopathological evaluation. Tissue Cell 40:243-249.

Brenniman GR, MR Anver, R Hartung and SH Rosenberg. 1979.

Effects of outboard motor exhaust emissions on goldfish (Carassius auratus). J. Environ. Pathol. Toxicol. 2:1267-1281.

Bucher F and R Hofer. 1993. The effects of treated domestic sewage on three organs (gills, kidney, liver) of brown trout (Salmo trutta). Water Res. 27:255-261.

Cha BS. 2004. The present situation and protection measures of Gobiobotia naktongensis, Mori. pp. 47-57. In: Proceedings of 2004 Autumn Meeting of the Ichthyological Society of Korea.

Ichthyological Society of Korea.

Chambers JE, SJ Boon, RL Carr, HW Chambers and DL Straus.

2002. Biomarkers as predictors in health and ecological risk assessment. Human Ecol. Risk Assess. 8:165-176.

Choi GC. 1994. A Hundred Kinds of Korean Freshwater Fish.

Hyunamsa Publishing, Seoul.

Durhan BW, GR Wilds and LL Pope. 2006. Temperature-caused fish kill in a flowing great plains river. Southw. Natural. 51:397- 401.

Fernandes CA, M Fontainhas-Fernandes and MA Ferreira. 2008.

Salgado oxidative stress response in gill and liver of Liza sali­

ens, from the Esmoriz-Paramos Coastal Lagoon, Portugal.

Arch. Environ. Contam. Toxicol. 55:262-269.

Haslouer SP. 1983. Natural and pollution caused fish kills in Kansas during 1979-1980. Trans. Kans. Acad. 86:136-143.

Hinton DE and DJ Laurén. 1990. Integrative histopathological approaches to detecting effects of environmental stressors on fishes. Am. Fish. Soc. Sym. 8:51-66.

Hinton DE, PC Baumann, GR Gardner, WE Hawkins, JD Hen- dricks, RA Murchelano and MS Okihiro. 1992. Histopathologi- cal biomarkers. In: Biomarkers: Biochemical, Physiological, and Histological Markers of Anthropogenic stress (Huggett RJ, RA Kimerle, PM Mehrle Jr. and HL Bergman eds.). Lewis Publishers. Boca Raton, FL.

Hong YP. 2004. The present status and conservation of the criti- cally endangered species, Iksookimia choii, in Korea. pp. 59- 75. In: Proceedings of 2004 Autumn Meeting of the Ichthyo- logical Society of Korea. The Ichthyological Society of Korea.

Jobling S, M Nolan, CR Tyler, G Brighty and JP Sumpter. 2002.

Widespread sexual disruption in wild fish. Environ. Sci. Tech- nol. 32:2498-2506.

Kim BC, JY Lee, KY Lee, S Lee, JS Choi, SJ Lee, SM Jung and MS Jung. 2013. Recovery of fish community and water quality in streams where fish kills have occurred. Korean J.

Ecol. Environ. 46:154-165.

Kim IS and JY Park. 2002. Freshwater Fishes of Korea. Kyohaksa

Publishing Co. Seoul. pp. 30-428.

Kim IS, SY Kim and JY Park. 2002. The abnormal tissues of gill and kidney of crucian carp Carassius auratus in the polluted water of Mangyong river, Korea. Korean J. Ichthyol. 14:70- 75.

Kolpin DW, ET Furlong, MT Meyer, EM Thurman, SD Zaugg, LB Barber and HT Buxton. 2002. Pharmaceuticals, hormones, and other organic wastewater contaminants in U.S. streams, 1999-2000 - A national reconnaissance. Environ. Sci. Tech- nol. 36:1202-1211.

Lee CS. 2008. Influence of the point source inflow on the water quality variation in the downstream of Hyeongsan River. J.

Environ. Sci. Int. 17:1075-1080.

Lee EH, DG Seo, HD Hwang, JH Yun and JH Choi. 2006. Causes of fish kill in the urban stream I - Field surveys and laboratory experiments. J. Korean Soc. Water Wastewater 20:573-584.

Lee EH, SH Yoon, JH Lee and KG An. 2008. Total mercury con- tents in the tissues of Zacco platypus and ecological health assessments in association with stream habitat characteri- stics. Korean J. Limnol. 41:188-197.

Lee HG and JK Choi. 2015. The Characteristic of fish community following the restoration of Yangjae Stream. Korean J. Envi- ron. Ecol. 29:873-883.

Lewis SD and WM Lewis. 1971. The effect of zinc and copper on the osmolality of blood serum of the channel catfish, Ictalurus punctatus Rafinesque, and the golden shiner, Notemigonus crysoleucas Mitchell. Trans. Am. Fish. Soc. 100:639-643.

Mallatt J. 1985. Fish gill structural changes induced by toxicants and other irritants: a statistical review. Can. J. Fish. Aquat.

Sci. 24:630-648.

Matthews KR and NH Berg. 1997. Rainbow trout responses to water temperature and dissolved oxygen stress in two south- ern California stream pools. J. Fish Biol. 50:50-67.

McKim JM. 1985. Early life stage toxicity tests. pp. 58-95. In:

Fundamentals of Aquatic Toxicology: Methods and Applica- tions (Rand GM and SR Petrocelli eds.). Hemisphere Publish- ing Corporation, Washington, D.C.

Meyers TR and JD Hendricks. 1985. Histopathology. In: Funda- mentals of Aquatic Toxicology: Methods and Applications (Rand GM and SR Petrocelli eds.). Hemisphere Publishing Corporation, Washington, D.C.

Ministry of Environment. 2005. Enforcement of wildlife laws (Or- dinance of the Ministry of Environment No. 457). Ministry of Environment. Sejong, Korea.

Ministry of Environment. 2009. Feasibility study on the applica- tion of physicochemical process for phosphorous removal in environmental facilities located in upper reaches of the wa- tershed lake (Ordinance of the Ministry of Environment No.

3). Ministry of Environment. Sejong, Korea.

Ministry of Environment. 2012. Enforcement of wildlife laws (Or- dinance of the Ministry of Environment No. 457). Ministry of Environment. Sejong, Korea.

Mitrovic VV, VM Brown, DG Shurben and MH Berryman. 1968.

Some pathological effects of sub-acute and acute poisoning of rainbow trout by phenol in hard water. Water Res. 2:249- 254.

Moiseenko TI, NA Gashkina, YN Sharova and LP Kudryavtseva.

2008. Ecotoxicological assessment of water quality and ecosystem health: A case study of the Volga River. Ecotox.

Environ. Safe. 71:837-850.

Nelson JS. 1994. Fishes of the World (3rd ed.). John Wiley &

Sons, New York.

Ohio EPA. 1989. Biological criteria for the protection of aquatic life. Vol. III, Standardized biological field sampling and labora- tory method for assessing fish and macroinvertebrate com- munities. Ohio Environmental Protection Agency. Columbus, OH.

Park HY, SM Park, KC Lee, OS Kwon, SJ Yu and SJ Kim. 2011.

Survey of physicochemical methods and economic analysis of domestic wastewater treatment plant for advanced treat- ment of phosphorus removal. J. Korean Soc. Environ. Eng.

33:212-221.

Park TG, YS Kang, MK Seo, CH Kim and YT Park. 2008. Rapid detection and quantification of fish killing dinoflagellate Cochlodinium polykrikoides (Dinophyceae) in environmental samples using real-time PCR. J. Fish. Sci. Technol. 11:205- 208.

Peter MC. 2000. Whole effluent toxicity testing-usefulness, Level of protection, and risk assessment. Environ. Toxicol. Chem.

19:3-13.

Poleksic V and V Mitrovic-Tutundzic. 1994. Fish gills as a monitor of sublethal and chronic effects of pollution. pp. 339-352. In:

Sublethal and Chronic Effects of Pollutants on Freshwater Fish (MuÈller R and R Lloyd eds.). Fishing News Books Ltd., Oxford, UK.

Ra JS, SD Kim, KG An and NI Chang. 2005. The whole effluent toxicity tests of wastewater discharged from various waste- water treatment plants and their impact analyses on biologi- cal component. J. Korean Soc. Environ. Eng. 27:353-361.

Raleigh RF, DH Bennett and LO Mohn. 1978. Changes in fish stocks after major fish kills in the Clinch River near St. Paul, Virginia. Am. Midl. Nat. 99:1-9.

Schreck CB and HW Lorz. 1978. Stress response of coho salmon

(Oncorhynchus kisutch) elicited by cadmium and copper and potential use of cortisol as an indicator of stress. J. Fish. Board Can. 35:1124-1129.

Shephard KL. 1994. Functions for fish mucus. Rev. Fish. Biol. Fish.

4:401-429.

Simon TP. 2000. The use of biology criteria as tool for water re- source management. Environ. Sci. Pol. 3:43-49.

Sindermann CJ. 1979. Pollution-associated diseases and abnor- malities of fish and shellfish: a review. Fish. Bull. 76:717-749.

Skidmore JF and PWA Tovell. 1972. Toxic effects of zinc sulphate on the gills of rainbow trout. Water Res. 6:217-230.

Smith CE and RG Piper. 1972. Pathological effects in formalin- treated rainbow trout (Salmo gairdneri). J. Fish. Board Can.

29:328-329.

Sugatt RH. 1980. Effects of sublethal sodium dichromate ex- posure in freshwater on the salinity tolerance and serum osmolality of juvenile coho salmon, Oncorhynchus kisutch, in seawater. Arch. Environ. Contam. Toxicol. 9:41-52.

Ternes TA. 1998. Occurrence of drugs in German sewage treat- ment plants and rivers. Water Res. 32:3245-3260.

US EPA. 1991. Technical support document for water quality based toxics control, EPA/505/2-90-001. United States Envi- ronmental Protection Agency, Washington, D.C.

Vajda AM, LB Barber, JL Gray, EM Lopez, AM Bolden, HL Schoenfuss and DO Norris. 2011. Demasculinization of male fish by wastewater treatment plant effluent. Aquat. Toxicol.

103:213-221.

Vajda AM, LB Barber, JL Gray, EM Lopez, JD Woodling and DO Norris. 2008. Reproductive disruption in fish downstream of an estrogenic wastewater effluent. Environ. Sci. Technol.

42:3407-3414.

Van Hoof F and M van San. 1981. Analysis of copper, zinc, cadmi- um and chromium in fish tissues. A tool for detecting metal caused fish kills. Chemosphere 10:1127-1135.

Vethaak AD. 1994. The use of mesocosms to study disease in flounder (Platichthys flesus). pp. 121-129. In: Diseases and Parasites of Flounder (Platichthys flesus) in the Baltic Sea (By- lund G and LG Loènnstroèm eds.). Baltic Marine Biologists Publication No. 15, Turku, Finland.

Wedemeyer G and WT Yasutake. 1974. Stress of formalin treat- ment in juvenile spring chinook salmon (Oncorhynchus tsha­

wy tscha) and steelhead trout (Salmo gairdneri). J. Fish. Board Can. 31:179-184.

Whitfield AK and M Elliott. 2002. Fish as indicator of environmen- tal and ecological changes within estuaries: A review of prog- ress and suggestions for the future. J. Fish Biol. 61:229-250.

Wrona FJ and KJ Cash. 1996. The ecosystem approach to environ- ment assessment: Moving from theory to practice. J. Aquat.

Ecosyst. Health. 5:89-97.

Yang HC and SK Chun. 1986. Histopathological study of acute toxicity of ammonia on common carp, Cyprinus carpio. Bull.

Korean Fish. Soc. 19:249-256.

Zeitoun IH. 1977. The effect of chlorine toxicity on certain blood parameters of adult rainbow trout (Salmo gairdneri). Environ.

Biol. Fish. 2:189-195.