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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Korean J. Environ. Biol. Vol.41 No.4 pp.637-656
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2023.41.4.637

Investigation of fish community structure and species diversity in two river estuary ecosystems, the Taehwa River and Changwon Stream,
based on conventional survey and eDNA metabarcoding

Hee-kyu Choi1, Yu Rim Kim1, Soon Young Hwang1, Yeounsu Chu2,3, Pyoungbeom Kim2, Hyuk Je Lee1,*
1Molecular Ecology and Evolution Laboratory, Department of Biological Science, Sangji University, Wonju 26339,
Republic of Korea
2Wetlands Research Team, National Institute of Ecology, Changnyeong 50303, Republic of Korea
3Department of Biological Science and Bioengineering, Inha University, Incheon 22212, Republic of Korea
* Corresponding author Hyuk Je Lee Tel. 033-730-0436 E-mail. hyukjelee@sangji.ac.kr

Contribution to Environmental Biology


▪ The river estuary ecosystems harbored diverse fish species, such as carp, goby, and marine fish, with divergent life histories.
▪ Some migratory fish were observed in the Taehwa River, suggesting a relatively high connectivity from the mouth to down-to-mid stream and a branch of the river.
▪ The study findings suggest that eDNA can be utilized as a complementary and versatile tool to monitor fish community structure and species diversity in river systems.
09/10/2023 13/12/2023 22/12/2023

Abstract


River estuaries are dynamic and productive ecosystems with high regional biodiversity. Environmental DNA (eDNA) has become a useful approach to assessing biodiversity in aquatic ecosystems. This study was conducted to investigate fish community characteristics and species diversity in two river estuary ecosystems, the Taehwa River and Changwon Stream. We further compared conventional and eDNA metabarcoding analyses of the fish communities. The conventional survey was performed in May, July, and October 2022, while the eDNA analysis was conducted only in May. We observed various fish species with different life histories, including carp, goby, and marine fish. We also found that migratory fish, such as dace Tribolodon hakonensis, sweetfish Plecoglossus altivelis, and eel Auguilla japonica, occurred in the Taehwa River, suggesting high river connectivity. Marine fish species were predominant in the Changwon Stream, as this river is located close to the sea. The diversity indices showed that the Taehwa River generally had higher species richness, evenness, and diversity values than the Changwon Stream. A total of 9-19 species were detected in the conventional survey for the three sites, whereas 11-18 species were found from eDNA analysis. The findings indicate that the sensitivity of eDNA was similar to or higher than that of the conventional method. Our study findings suggest the efficiency and efficacy of eDNA-based fish community monitoring, although with some shortcomings in applying the genetic marker to Korean fish, including no clear-cut distinction for Korean endemic species and/or genetically closely related species groups.


amphidromous fishes , aquatic ecosystem monitoring , environmental DNA (eDNA) , fish community , river-estuarine ecosystem

어구조사 및 환경 DNA 메타바코딩을 이용한 태화강, 창원천 하구 생태계의 어류 군집 구조 및 종 다양성 평가

최희규1, 김유림1, 황순영1, 추연수2,3, 김평범2, 이혁제1*
1상지대학교 생명과학과 분자생태및진화학실험실
2국립생태원 습지연구팀
3인하대학교 바이오시스템융합학과

초록

    1. 서 론

    환경변화와 인간 활동으로 인하여 전 세계적으로 생물 다양성 (biodiversity)이 감소하고 있으며, 특히 담수생태계 는 최근 지구상에서 가장 취약한 생태계 중 하나로서 종 다 양성이 급감하고 있다 (Harrison et al. 2018;Kim and Song 2021;Hu et al. 2022). 최근 세계자연기금 (World Wildlife Foundation, WWF)에서 2018년에 발표한 지구생명지 수 보고서 (The 2018 Living Planet Index, LPI)에 의하면 1970년 이후 담수생물종 개체군은 평균 83% 감소하여 육 상과 해양생물에 비해 훨씬 더 가파른 속도로 감소하고 있 다고 보고되었다 (Harrison et al. 2018;WWF 2018). 담 수생태계에서 소비자로서 중요한 생태적 기능을 수행하 는 어류는 기후변화, 수질오염, 서식지 파괴, 외래종의 침 입, 남획 등의 영향으로 개체수가 현저히 감소하고 있다 (Dudgeon et al. 2006;Reid et al. 2019;Kim and An 2021;Hu et al. 2022). 담수와 해수 (염수)가 만나는 기수역인 하 구 (estuary) 생태계는 특히 높은 생산성을 나타내어 생물 다양성이 높고 고유 생물종들이 많이 분포하며 높은 생 태계서비스 가치를 지니고 있다 (Kumari et al. 2020). 하 구 생태계는 하천과 바다의 경계를 나타내는 지리적인 특 성으로 인해 1차 담수어류, 기수성 (brackish) 어류, 회유 성 (amphidromous) 어류 및 해양성 어류 등 다양한 생활 사 특성을 나타내는 어류들이 출현하며, 상류에서 내려오 는 유기물과 영양분이 밀집되어 생물에게 풍부한 먹이 자 원을 제공함으로써 종 다양성이 높은 특성을 나타낸다 (Elliott and McLusky 2002;Kim et al. 2022;Park et al. 2022). 하구 생태계를 구성하는 대표 생물인 어류의 군집 구조 특성 및 어류상, 종 다양성을 파악하는 것은 수생태계 모니터링의 핵심 지표 중 하나로서 생태적 보전 가치를 평 가할 수 있다 (Zou et al. 2020).

    수생태계 군집의 안정성과 건강성 평가를 위해서는 생 물다양성에 대한 주기적인 모니터링이 중요하다 (McCann 2000;Kim and Song 2021). 전통적인 어류 생물다양성 모 니터링 방법은 직접 포획 조사 방법으로 족대와 투망과 같 은 어구를 이용하여 생물을 물리적으로 포획하고 관찰에 의존하여 동정하고 있다. 하지만 이러한 방법은 많은 노력 과 시간이 소요되고, 연구대상종 및 생태계를 교란할 수 있 으며, 개체수가 적은 희귀종이나 멸종위기종을 탐지하기 어렵고, 조사자의 조사 방법과 분류학적 지식에 따라 결과 가 달라질 수 있다 (Hopkins and Freckleton 2002;Alam et al. 2020;Kim and Song 2021). 이러한 직접 포획 조사 의 단점을 보완할 수 있는 효과적인 방법으로는 환경 DNA (environmental DNA, eDNA)를 활용한 접근법이 있다 (Pikitch 2018).

    환경 DNA는 물, 토양, 대기 등 다양한 환경에 존재하는 생물의 DNA를 말하며 피부조직, 점액질, 분비물, 타액, 땀, 털, 생식세포 등 다양한 형태로 존재한다 (Bohmann et al. 2014;Thomsen and Willerslev 2015). 담수생태계에서 환 경 DNA를 활용한 모니터링 방법은 환경 시료만 확보되 면 되기 때문에 조사 환경에 의한 영향이 적고, 조사 시간 및 인력, 비용이 절감될 수 있다 (Pikitch 2018;Kim et al. 2020a). 또한, 동정이 가능한 분류군 또는 종 탐지 범위가 넓어 환경 DNA를 통해 누락되는 생물종 없이 민감하게 종 의 유무를 판별하여 종 다양성 평가에 유용하며, 종 동정의 재현성과 정확성이 높아 분류학적 해상도를 높일 수 있는 장점이 있다 (Smart et al. 2015;Creer et al. 2016;Ruppert et al. 2019). 환경 DNA는 특정 분류군의 범용 프라이머 (universal primer)를 사용하여 타겟 유전자 마커를 증폭 하고, 차세대 시퀀싱 (next-generation sequencing, NGS) 을 통해 확보된 짧은 단편의 염기서열 정보를 분석하여 종 을 탐지하고 종 구성을 파악할 수 있는데, 이를 메타바코딩 (metabarcoding) 기법이라 한다 (Ruppert et al. 2019).

    국외에서는 환경 DNA 메타바코딩 기법을 적용하여 담수생물을 포함한 생물다양성 모니터링 기술로서 효용 성과 과학적 정확성이 검증되었다 (Taberlet et al. 2012;Thomsen et al. 2012;Bohmann et al. 2014;Bálint et al. 2018). 호주 남부 2개의 하천을 대상으로 어구를 이용 한 현장조사와 환경 DNA를 통한 담수어류 군집 구조 (community structure) 비교 분석 결과, 환경 DNA 분 석 기반 어류 종 탐지가 100%의 성공률을 나타낸 바 있 다 (Shaw et al. 2016). 일본에서는 환경 DNA 분석을 통 해 절멸위기종인 뱀장어 개체군의 하천 내에서의 분포, 개 체수 및 생물량을 추정하여 61개 하천 지점 중 56개 지점 에서 탐지하여 92%의 탐지율을 나타냈다 (Thomsen et al. 2012;Itakura et al. 2019). 국외에서는 환경 DNA 연구 가 정성적 조사 (대상 생물종 존재 유무)뿐만 아니라 정량 적 분석 (개체수/생물량 추정)으로 확장되고 있으며, 더 나 아가 현재의 종 구성을 정확하게 파악하기 위해서 환경 RNA (environmental RNA, eRNA) 연구가 수행되고 있다 (Cristescu 2019).

    환경 DNA를 활용한 국내 생물모니터링 연구로는 해 양생태계를 대상으로 침입종 조기 탐지를 위한 기법 개발 (Kim et al. 2018), 인간 활동이 해양 미소 생물 군집 구조 에 미치는 영향 (Won et al. 2017), 연안 생태계의 식물 플 랑크톤 군집의 시·공간적 변동양상 (Boopathi et al. 2015) 연구 등이 수행되었다. 또한, 도시 생태하천을 대상으로 현 장조사와 환경 DNA를 통한 종 다양성 비교를 통해 어류 군집조사 적용 가능성 검증 및 담수어류 종 다양성 평가 연 구 등이 수행되었다 (Song et al. 2019;Alam et al. 2020). 하지만 국내 담수생태계를 대상으로 환경 DNA를 이용한 생물다양성 연구사례는 아직 미흡한 실정이며, 환경 DNA 를 활용한 수생태계 모니터링 연구 (외래종 확산 모니터링 등)의 확대가 필요할 것으로 생각된다 (Song et al. 2019;Kim et al. 2020a;Jung et al. 2022;Kang et al. 2023).

    본 연구에서는 국내 낙동강 수계 하구 생태계를 대표하 는 내륙 습지인 태화강과 창원천의 어류 군집 구조와 종 다 양성을 평가하고, 각 하천별 어류 군집의 계절적 변동 양상 을 파악하고자 하였다. 더 나아가 어구를 이용한 현장조사 와 환경 DNA 메타바코딩 분석을 함께 병행하여 각각 방법 으로 확인된 어류 군집 구조와 종 다양성을 비교 분석하여 환경 DNA를 이용한 국내 수생태계 모니터링의 유효성을 검증하고 활용 방안을 논의하고자 하였다.

    2. 재료 및 방법

    2.1. 연구대상 지역

    본 연구는 국립생태원 하구 생태계 조사의 일환으로 수 행되었으며, 연구대상 하천은 낙동강 수계 하구 생태계를 대표하는 내륙 습지 하천인 태화강 (Taehwa River)과 창원 천 (Changwon Stream)으로 선정하였다. 하천 내 조사지점 은 태화강 본류 1개 지점 (US1)과 지류 1개 지점 (US2), 창 원천 본류 1개 지점 (CW1)으로 총 3개의 지점을 대상으로 수행되었다. 어구를 이용한 어류 현장조사의 경우 2022년 5월, 7월, 10월 3회, 환경 시료 물을 이용한 환경 DNA 메 타바코딩 분석은 2022년 5월 1회 실시하였다 (Fig. 1, Table 1).

    2.2. 조사 방법

    2.2.1. 어류의 채집 및 분류

    어류의 채집은 투망 (망목, 7×7 mm)과 족대 (망목, 5×5 mm)를 이용하여 정량조사를 수행하였다. 투망은 조사지 점 내 각기 다른 장소에서 12회, 족대는 다양한 미소서식 처에서 40분 동안 실시하였다. 채집된 어류는 도설 (Kim 1997;Kim and Park 2002)을 참고하여 동정하였으며, 사 진 촬영 및 동정 후 모두 채집지점에 즉시 방류하였다. 종 동정은 Nelson (2006)의 분류체계를 따라 실시하였다. 추 가적으로 2016~2021년도 기간 수행된 수생태계건강성평 가 (Survey and Evaluation of Aquatic Ecosystem Health, SEAEH) 현장조사 결과 (하구: 태화강01, 태화강02, 태화강 03, 태화강04, 하천: 창원천1)를 참고하여 본 조사 결과와 비교 분석하였다 (MOE/NIBR 2016-2021).

    2.2.2. 이·화학적 환경 특성

    조사지점의 이·화학적 환경특성을 파악하기 위해서 수 심, 유속 등 물리적 수환경과 수온, 염도 (salinity) 등 이·화 학적 수환경데이터를 확보하였다 (Table 1). 수온과 염도는 Hanna Multi parameter (HI98194; Hanna Instruments, Netherlands)를 이용하여 3회 측정하였으며, 유속과 수심 은 Water Velocity Meter (Fp1111; Global Water, USA)를 이용하여 측정하였다.

    2.2.3. 환경 시료 채수 및 환경 DNA 추출

    환경 시료의 채수 시 조류의 시간은 태화강 인근인 울 산항에서 간조 11:17분, 만조 18:05분, 창원천 인근의 마 산항에서 간조 12:01분, 만조 18:46분으로 확인되었으 며, 채수된 시간은 US1에서 13:30분, US2 15:14분, CW1 10:07분으로 세 지점 모두 밀물 시간에 채수가 수행되었 다 (Table 1). 각 지점별 수면으로부터 5 cm 이하의 표층 에서 2 L씩 채수하였으며, 채집한 모든 시료는 무균 채수 병 (2 L)에 담아 4°C 이하의 온도에서 보관하여 실험실로 운반하였다. 담수 시료는 0.45 μm membrane filter (GN- 6 Metricel®; Pall, USA)와 진공펌프 (GAST, USA), 필터 링 용기 (NALGENE®, USA)를 이용하여 지점마다 500 mL씩 2번 필터링하였다 (Alam et al. 2020). 필터링 시 발 생 가능한 오염 방지를 위하여 10% 표백제에 필터링 용기 (NALGENE®, USA)와 핀셋을 소독 후, 증류수로 완전히 헹군 뒤 이용하였으며, 이후 여과된 필터지는 lysis buffer (Qiagen, Germany)가 들어있는 2 mL tube (Eppendorf, Germany)에 넣어 즉시 DNA 추출에 이용하였다 (Helbing and Hobbs 2019). 환경 DNA의 추출은 여과된 필터지를 ~1 mm 크기로 잘게 자른 후 Tissue Lyser II motorized homogenizer (QIAGEN, Hilden, Germany)를 이용하 여 균질화하였다. 전처리가 완료된 샘플은 DNeasy Blood & Tissue Kit (Qiagen, Germany)를 이용하여 제조사의 protocol에 따라 DNA를 추출하였다. 추출된 DNA는 ND- 1000 spectrophotometer (NanoDrop Technologies, USA) 를 이용하여 농도 측정 후 -80°C 초저온냉동고에 보관하 였다.

    2.2.4. NGS 및 생물정보 분석

    환경 DNA를 이용한 NGS 기반의 담수어류종 분석을 위 해 미토콘드리아 DNA (mitochondrial DNA, mtDNA) 12S rRNA 유전자를 표적으로 하는 MiFish 범용 프라 이머 (Miya et al. 2015)를 이용하여 library를 구축하였 다 (MiFish-U-F: 5ʹ-GTCGGTAAAACTCGTGCCAGC- 3ʹ; MiFish-U-R: 5ʹ-CATAGTGGGGTATCTAATCCCAGT TTG-3ʹ). NGS 분석을 위한 1차 amplicon 생성은 genomic DNA (10 ng μL-1)를 사용하여 94°C에서 3분간 초기 변성 후, 94°C에서 20초, 60°C에서 15초, 72°C에서 15초를 35회 반복, 이후 72°C에서 5분간 최종 신장하였다. 증폭한 PCR product는 전기영동 후 예상 product size인 240 bp gel을 Accuprep® Gel Purification Kit (Bioneer, Korea)를 이용 하여 정제하였다. Nextera XT index Kit (Illumina, USA) 를 이용하여 라이브러리를 제작하고, Illumina MiSeq platform (2×300 bp)을 사용하여 염기서열 분석을 수행 하였다. 염기서열 분석 결과는 CLC genomic Workbench ver 8.0 (CLC Bio, USA)를 이용하여 quality filtering을 하였으며 (QV>20), Miseq data analysis pipeline에 따 라 생물정보분석을 수행하였다. 획득한 조작분류단위 (operational taxonomic unit, OTU)는 BLASTn를 이용하 여 description을 하였으며, 97% 이상의 동일성 (identity) 을 나타내면 종 (species), 97%에서 90%의 동일성은 속 (genus), 90% 미만의 동일성은 미확인 (unknown)으로 기 술하였다. 생태적 해석을 위해 각 할당된 OTU read 수의 상대적 풍부도 (relative abundance) 수치를 이용하여 각 지점별 군집 내 조성 비율을 계산하였으며, Primer-e v7 (PRIMER-E Ltd, UK)를 이용하여 군집유사도 클러스터링 분석 (clustering analysis) 및 heat-map 분석을 수행하여 각 각의 결과를 시각화하였다 (Clarke and Gerley 2015).

    2.2.5. 군집 분석

    어류 현장조사 결과를 이용한 군집 분석은 각 지점, 시기 의 어류 출현종과 개체수 데이터를 이용하였고 환경 DNA 를 이용한 군집 분석은 각 조사지점에서 확인된 OTU read 수를 기준으로 우점도지수 (Dominance Index, DI), 다양도 지수 (Shannon Index, SI), 균등도지수 (Pielou’s Evenness, Jʹ), 풍부도지수 (Species Richness, d)를 산출하였다 (Shannon and Weaver 1949;Pielou 1966;McNaughton 1967;Margalef 1968).

    3. 결 과

    3.1. 이·화학적 환경 특성

    조사지역에서 총 3회 이·화학적 수환경을 측정한 결 과 US1 지점의 경우 수심 22.75 (1차), 25.94 (2차), 27.50 (3차) cm, 유속 0.08 (1차), 0.38 (2차), 0.25 (3차) m s-1, 수 온 20.82 (1차), 28.13 (2차), 21.30 (3차)°C, 염도 0.21 (1 차), 0.17 (2차), 0.19 (3차) psu, US2 지점에서 수심 15.50 (1차), 25.55 (2차), 28.25 (3차) cm, 유속 0.36 (1차), 0.36 (2 차), 0.56 (3차) m s-1, 수온 21.39 (1차), 29.27 (2차), 20.80 (3차)°C, 염도 0.34 (1차), 0.28 (2차), 0.34 (3차) psu, CW1 지점에서 수심 35.29 (1차), 29.54 (2차), 31.32 (3차) cm, 유 속 0.22 (1차), 0.05 (2차), 0.44 (3차) m s-1, 수온 21.99 (1 차), 28.40 (2차), 21.68 (3차)°C, 염도 11.99 (1차), 11.32 (2 차), 11.42 (3차) psu로 연안에 더 인접한 창원천 CW1 지점 이 태화강 두 지점보다 염도가 모든 시기에 더 높게 나타났 다 (Table 1). 유속은 태화강 지류 지점인 US2 (평균 0.43 m s-1)에서 본류 지점인 US1 (평균 0.24 m s-1)과 창원천 지점 인 CW1 (평균 0.24 m s-1)보다 높게 나타났다 (Table 1).

    3.2. 어구를 이용한 어류 군집 구조 및 종 다양성

    현장 어류 군집 조사 결과, 태화강 전체 지점에서 출현 한 종 및 개체수는 총 5목 9과 23종 666개체로 확인되었 으며, 전체 출현종 중 우점종은 피라미 (Zacco platypus, 29.0%), 아우점종은 숭어 (Mugil cephalus, 25.2%), 다음 으로 민물검정망둑 (Tridentiger brevispinis, 10.1%), 배 스 (Micropterus salmoides, 8.7%), 누치 (Hemibarbus labeo, 4.5%), 황어 (Tribolodon hakonensi, 3.6%), 블루길 (Lepomis macrochirus, 3.5%), 은어 (Plecoglossus altivelis, 3.2%) 등 순으로 출현하였다 (Table 2). 고유종은 동방종개 (Iksookimia yongdokensis), 참몰개 (Squalidus chankaensis tsuchigae), 얼록동사리 (Odontobutis interrupta), 동사리 (Odontobutis platycephala) 4종 (4.5%)의 서식이 확인되 었으며, 생태계교란생물의 경우 블루길, 배스 2종 (12.2%) 이 관찰되었다. 각 지점별로 나누어 분석한 결과 태화강 본 류 US1 지점의 전체 출현종 및 개체수는 총 4목 7과 17종 360개체로 확인되었으며, 우점종은 피라미 (40.3%), 아우 점종은 배스 (15.0%), 다음으로 민물검정망둑 (14.7%), 숭 어 (6.1%), 누치 (4.7%), 블루길 (4.7%), 참몰개 (3.3%) 등 순 으로 출현하였다 (Table 2). 고유종은 참몰개, 동사리 2종 (1.2%)의 서식이 확인되었으며, 생태계교란생물의 경우 블 루길, 배스 2종 (19.7%)이 관찰되었다. 시기별 조사 결과에 서는 1차 (5월) 4목 6과 11종 64개체, 2차 (7월) 4목 7과 14 종 175개체, 3차 (10월) 4목 7과 12종 121개체로 7월 조사 에서 가장 많은 종과 개체수가 확인되었다. 태화강 지류 US2 지점의 경우 총 5목 9과 19종 306개체로 우점종은 숭 어 (47.7%), 아우점종은 피라미 (15.7%)가 확인되었고 황 어 (7.5%), 민물검정망둑 (4.6%), 누치 (4.2%), 은어 (3.9%), 잉어 (Cyprinus carpio, 2.3%) 등 순으로 출현하였다 (Table 2). 고유종은 얼록동사리 1종 (0.5%)이 확인되었으며, 생태 계교란생물인 블루길, 배스 2종 (1.1%)이 관찰되었다. 시 기별 조사 결과에서는 1차 5목 8과 11종 51개체, 2차 5목 8 과 15종 168개체, 3차 4목 6과 12종 87개체로 채집되었으 며 US1 지점과 동일하게 2차 조사에서 가장 많은 종과 개 체수가 확인되었다. 창원천 CW1 지점에서 채집된 전체 출 현종을 종합한 결과, 4목 5과 9종 466개체로 우점종은 숭 어 (65.0%), 아우점종은 민물검정망둑 (17.8%)이 확인되었 으며, 두줄망둑 (Tridentiger trigonocephalus, 7.0%), 잉어 (3.9%), 꾹저구 (Gymnogobius urotaenia, 2.8%), 문절망둑 (Acanthogobius flavimanus, 1.9%) 등 순으로 출현하였다 (Table 2).

    각 지점에서 시기별 (계절별) 산란시기에 이동성을 나타 내는 양측회유성 (amphidromous), 소하성 (anadromous) 및 강하성 (catadromous) 어류의 출현 양상을 조사한 결과 US1 지점과 US2 지점에서 양측회유성 어류인 은어, 소하 성 어류 황어, 강하성 어류 뱀장어 (Auguilla japonica)가 관 찰되었다. US1 지점에서 황어가 1차, 3차 조사에서는 관찰 되지 않았지만 2차 조사에서 1개체가 확인되었으며, 은어 는 1차 1개체, 2차 5개체, 3차 3개체로 조사 기간 모두 관찰 되었다. US2 지점의 경우 1, 2차 조사에서 뱀장어 각각 1개 체씩 관찰되었으며 3차 조사에서는 관찰되지 않았다. 황어 의 경우 1차 3개체, 2차 15개체, 3차 5개체가 확인되었다. 은어는 1차 6개체, 2차 3개체, 3차 3개체로 모든 조사 시기 에서 관찰되었다 (Table 2). 태화강과 달리 창원천 CW1 지 점은 회유성 어류가 모든 조사 시기에 관찰되지 않았다.

    어구를 이용한 어류 군집 현장조사 결과를 기반으로 종 다양성 수치를 계산한 결과 우점도지수 (DI)는 US1 지점 에서 0.641 (1차), 0.594 (2차), 0.694 (3차), 0.553 (전체), US2 지점에서 0.569 (1차), 0.667 (2차), 0.667 (3차), 0.634 (전체), CW1 지점에서 0.757 (1차), 0.922 (2차), 0.767 (3 차), 0.828 (전체), 풍부도지수 (d)는 US1 지점에서 2.171 (1 차), 2.823 (2차), 2.389 (3차), 3.474 (전체), US2 지점에서 2.171 (1차), 3.040 (2차), 2.389 (3차), 3.909 (전체), CW1 지점에서 1.086 (1차), 1.520 (2차), 1.303 (3차), 1.737 (전 체), 균등도지수 (J′)는 US1 지점에서 0.742 (1차), 0.738 (2차), 0.616 (3차), 0.696 (전체), US2 지점에서 0.765 (1 차), 0.644 (2차), 0.718 (3차), 0.655 (전체), CW1 지점에서 0.756 (1차), 0.270 (2차), 0.702 (3차), 0.525 (전체), 다양도 지수 (SI)는 US1 지점에서 1.779 (1차), 1.947 (2차), 1.530 (3차), 1.971 (전체), US2 지점에서 1.835 (1차), 1.745 (2 차), 1.785 (3차), 1.930 (전체), CW1 지점에서 1.355 (1차), 0.562 (2차), 1.366 (3차), 1.154 (전체)로 확인되었다 (Table 3). 각 시기별 다양도지수를 비교한 결과 US1 지점의 경우 2차 조사 시 가장 낮은 우점도지수 (0.594)와 높은 풍부도 지수 (2.823), 다양도지수 (1.947), US2 지점은 1차 조사 시 가장 낮은 우점도지수 (0.569)와 높은 균등도지수 (0.765), 다양도지수 (1.835)로 확인되었으나, CW1 지점의 종 다 양성 수치는 2차 조사 시 가장 높은 우점도지수 (0.922), 가장 낮은 균등도지수 (0.270)와 다양도지수 (0.562)를 나 타냈다 (Table 3). 각 지점별로 다양성 전체 수치 비교 분 석 결과, 창원천의 CW1 지점이 태화강의 두 지점보다 0.194~0.275 높은 우점도지수와 1.737~2.172 낮은 풍부도 지수, 0.130~0.171 낮은 균등도지수, 0.776~0.817 낮은 다 양성지수 수치가 확인되었다 (Table 3).

    3.3. 환경 DNA 어류종 탐지 및 종 다양성

    전체 3개 조사지점에서 담수시료에 대해 환경 DNA 분석 결과, 총 749,303개의 raw reads를 얻었으며, 이 중 381,109개의 merged reads (50.86%)가 확인되었다 (Table 4). 현재 국내에 서식하는 어종들의 12S rRNA 유전자 마커 에 대한 DB 정보가 상대적으로 부족하여 고유종이거나, 유 전적으로 가까운 근연종의 경우 명확하게 종 판별이 되지 않는 경우가 존재하였다. 따라서, 본 연구에서 검출이 확인 된 DNA reads 중 국내 서식이 확인되지 않거나 국외 (일 본, 중국)의 근연종으로 확인된 경우는 Jang et al. (2001)에 의해 동일 하천에서 실시된 어류 조사 결과와 2016~2021 년도에 수행된 수생태계건강성평가 (MOE/NIBR 2016- 2021) 현장조사 결과 (하구: 태화강01, 태화강02, 태화강 03, 태화강04, 하천: 창원천1)를 참고하여 보정하였다. 구 체적인 예시로는, 기벨리오붕어 (Carassius gibelio)는 국 내 서식이 보고되지 않았기 때문에 조사지점에 서식하는 것으로 알려진 붕어 (Carassius auratus)로, 갈겨니 (Zacco temminckii)의 경우 울산 태화강의 상류부에 서식하는 참 갈겨니 (Zacco koreanus)로, 밀망둑류 (Rhinogobius spp.) 의 경우 대상 하천에 밀망둑속 (genus Rhinogobius)은 밀 어 (Rhinogobius brunneus) 한 종만 서식하는 것으로 보 고되어 밀어로 보정하였다 (Table 5). 각 지점의 어류탐 지 결과 US1 지점에서 204,354 raw reads 중 51,633개의 merged reads로 4목 7과 12종이 확인되었다. 우점종은 숭 어 (44.7%), 아우점종은 밀어 (10.5%)로 확인되었으며, 블 루길 (8.0%), 배스 (5.5%) 등의 순으로 확인되었으며, 다양 성 분석 결과 우점도지수는 0.677, 풍부도지수는 2.389, 균 등도지수는 0.661, 다양도지수는 1.642로 나타났다 (Table 3). US2 지점의 경우 171,197 raw reads 중 113,741개의 merged reads로 8목 11과 18종이 확인되었다. 우점종은 숭 어 (71.8%), 아우점종은 황어 (23.2%)로 확인되었으며, 붕 어 (1.5%), 은어 (1.1%) 등의 순으로 확인되었다. 다양성 분 석 결과 우점도지수는 0.950, 풍부도지수는 3.692, 균등도 지수는 0.288, 다양도지수는 0.834로 확인되었다. CW1 지 점은 373,572 raw reads 중 215,735개의 merged reads로 5 목 7과 11종으로 우점종은 숭어 (78.4%), 아우점종은 전어 (Konosirus punctatus, 9.0%)로 확인되었으며, 붕어 (3.0%), 애기망둑 (Pseudogobius masago, 2.3%) 등의 순으로 확인 되었으며, 우점도지수는 0.874, 풍부도지수는 2.171, 균 등도지수는 0.379, 다양도지수는 0.910으로 확인되었다 (Tables 2, 3).

    3.4. 어구를 이용한 어류 군집 현장조사와 환경 DNA 분석 결과 비교

    어구를 이용한 현장조사와 환경 DNA 어류 종 분석 결 과를 합하여 태화강 US1 지점에서 총 20종이 확인되었 으며, 숭어, 배스, 잉어, 황어, 블루길, 은어, 밀어, 동사 리, 붕어 9종 (45.0%)이 두 조사 방법 모두에서 확인되었 다 (Figs. 2, 3). 현장조사에서 확인되었으나 환경 DNA에 서 검출되지 않은 위음성 (false negative)종으로는 8종 (40.0%)으로 피라미, 민물검정망둑, 누치, 참몰개, 끄리, 동방종개, 미꾸리 (Misgurnus anguillicaudatus), 기름종 개 (Cobitis hankugensis)로 나타났으며, 현장조사에서 확 인되지 않았으나, 환경 DNA에서만 검출된 위양성 (false positive)종은 3종 (15.0%)으로 수수미꾸리 (Kichulchoia multifasciata), 참갈겨니, 검정망둑 (Tridentiger obscurus) 으로 확인되었다. US2 지점의 경우 총 26종이 확인되었 으며 숭어, 배스, 황어, 은어, 꾹저구, 밀어, 끄리, 얼록동사 리, 붕어, 버들치 (Rhynchocypris oxycephalus), 뱀장어 11 종 (42.3%)이 두 조사 방법에서 모두 관찰되었다. 위음성 결과는 8종 (30.7%)으로 피라미, 민물검정망둑, 누치, 잉 어, 블루길, 문절망둑, 미꾸리, 꺽지이며 위양성 결과는 7 종 (26.9%)으로 동사리, 동방종개, 송사리 (Oryzias latipes), 쉬리 (Coreoleuciscus splendidus), 참갈겨니, 산천어/송어 (Oncorhynchus masou), 동자개 (Pseudobagrus fulvidraco) 로 확인되었다. CW1 지점에서 확인된 18종 중 숭어, 문절 망둑 2종 (11.1%)만 두 조사 모두에서 확인되었으며, 위음 성 결과는 7종 (38.9%) 민물검정망둑, 두줄망둑, 잉어, 꾹 저구, 강도다리 (Platichthys stellatus), 점농어 (Lateolabrax maculatus), 흰발망둑 (Acanthogobius lactipes), 위양 성 결과는 9종 (50.0%)으로 은어, 붕어, 전어, 모치망둑 (Mugilogobius abei), 애기망둑, 갈문망둑 (Rhinogobius giurinus), 검정망둑, 주둥치 (Nuchequula nuchalis), 농어 (Lateolabrax japonicus)로 확인되었다 (Figs. 2, 3).

    조사지점 및 조사 방법 간의 군집 유사도 평가를 위한 어 류 군집 클러스터링 분석 결과 두 조사 방법 모두 울산 태 화강의 두 지점 (US1, US2)이 창원천 (CW1)보다 상대적 으로 더 유사한 군집 구조를 나타냈다 (Fig. 4A, B). Heatmap 분석을 이용한 각 조사 방법의 어류 상대풍부도 비 교 결과 울산 태화강의 두 지점에서 숭어 (US1; 현장조사: 6.1%/환경 DNA: 44.7%, US2; 47.7%/71.8%), 배스 (US1; 15.0%/5.5%, US2; 1.3%/0.3%), 황어 (US1; 0.3%/2.1%, US2; 7.5%/23.3%) 등 현장조사 시 개체수가 많이 확인된 종의 환경 DNA read 수 비율이 높게 나타나는 상관성을 보였지만, 현장조사 시 높은 비율로 확인된 피라미, 누치, 참몰개 등의 경우에는 환경 DNA read가 검출되지 않은 경 우도 존재하였다. 창원천의 경우는 숭어 (65.0%/78.4%)와 문절망둑 (1.9%/1.3%)이 두 조사 방법에서 유사한 비율로 확인되었다 (Fig. 4).

    4. 고 찰

    4.1. 내륙습지 (태화강, 창원천) 하구 생태계의 환경적 특성, 어류 군집 구조 및 종 다양성

    본 연구에서는 낙동강 수계 내륙 습지 하천인 태화강과 창원천 2개 하천을 대상으로 이·화학적 환경 특성, 어류 군 집 구조 및 종 다양성을 평가하였다. 두 하천은 바다와 인 접한 하구 생태계로 특히 창원천 (CW1)의 경우 인근 봉 암갯벌과 약 1.5 km 거리로 떨어져 있어 바다와 가장 가까 이 위치하여, 해수의 강한 영향으로 염도 또한 태화강 두 지점에 비해 11.28~11.39 psu 더 높게 확인되었다. 종 다 양성 평가 결과 태화강의 경우 창원천에 비해 조사지점과 시기에 상관 없이 더 낮은 우점도지수와 높은 풍부도, 균 등도, 다양도지수 수치를 나타냈다 (Table 3). 우점도지수 는 수치가 높을수록 서식처의 우점종이 차지하는 개체수 의 비율이 높아 소수의 종이 우세하여 단순한 군집 구조임 을 판단할 수 있으며, 풍부도, 균등도, 다양도지수는 수치 값이 클수록 군집을 구성하는 종과 개체수가 많고 고르게 분포하여 특정 서식처 환경에서 군집 상태가 양호하다고 추정할 수 있다 (Shannon and Weaver 1949;Pielou 1966;McNaughton 1967;Margalef 1968). 따라서, 태화강 두 지 점이 창원천 지점보다 상대적으로 양호한 어류 군집의 상 태를 나타내는 것으로 해석할 수 있다. 우리나라 동해, 서 해, 남해를 포함한 전체 하구의 다양성 지수를 평가한 이 전 연구와 비교 시, 태화강은 상위 90% 이상의 높은 풍부 도와 다양도지수의 값이 확인되어 어류 군집 구조가 비교 적 건강한 하천임을 알 수 있었다. 반면, 창원천의 경우에 는 상위 90% 이상의 높은 우점도지수, 하위 10%, 30%의 낮은 균등도와 다양도지수가 확인되어 어류 군집 구조가 비교적 건강하지 않은 것을 파악할 수 있었다 (Park et al. 2022). 태화강이 창원천보다 1.737~2.172 더 높은 전체 종 풍부도지수와 0.773~0.817 더 높은 전체 종 다양성지수 수 치를 나타냈으며 (Table 3), 수심이 얕고 유속이 더 빠른 환 경적 특성을 보이는 것으로 조사되었다 (Table 1). 실제 현 장조사 결과에서도 태화강에서 유속이 빠른 여울부와 수 변부를 서식처로 선호하는 잉어과 어류가 8종 (붕어, 잉어, 누치, 끄리, 버들치, 참몰개, 황어, 피라미)으로 가장 많이 관찰되었다 (Lee et al. 2013;Kim et al. 2014). 이와 같은 결 과는 이전 태화강 유역의 어류 군집조사에서 관찰된 44종 중 잉어과에 속하는 어류가 18종으로 가장 많이 관찰된 결 과와 일치하였다 (Jang et al. 2001). 우점종과 아우점종은 피라미와 숭어로 참갈겨니와 버들치가 우점종으로 관찰 된 2010년도 이전 연구 결과와는 상이하였다 (Kim and An 2010). 또한, 생태계교란생물인 블루길과 배스가 확인되 어 하천의 생태계교란생물 제거 매뉴얼에 따른 개체수의 조절이 필요할 것으로 판단된다 (Heo et al. 2016). 태화강 에서 양측회유성, 소하성 및 강하성 어류인 은어, 황어, 뱀 장어가 확인되어 연안과 강 하구의 연결성이 상대적으로 원활한 하구 생태계를 나타내었다 (Ege 1939;Nakamura 1969;Nishida 1986). 황어는 주요 소하성 어류 중 하나로 봄철에 상류로 소상하여 자갈이 잘 발달된 장소에 주로 산 란한다고 알려져 있어 태화강 상류 서식처 보존 관리가 필 요할 것으로 생각된다. 태화강 지류에서 황어 개체가 상대 적으로 다수 관찰되어 (조사 시기별 평균 ~8개체) 이 지류 상류 서식처의 보존 관리가 필요하다 (Kim et al. 2012).

    창원천의 경우 기수역에 주로 서식하는 망둑어과 어류 가 총 9종 중 5종 (문절망둑, 흰발망둑, 꾹저구, 민물검정 망둑, 두줄망둑)으로 가장 많이 확인되었다 (Hwang et al. 2006). 이러한 결과는 2022년도 수생태계건강성평가 시 창 원천1 지점에서 수행된 어류 군집조사 결과 망둥어류 5종 이 높은 상대비율로 확인된 이전 결과와 일치하였다. 또한, 창원천의 경우는 숭어와 민물검정망둑이 우점종, 아우점종 으로 나타났다. 연안과 가장 가깝게 위치하여 해수의 영향 을 받아 비교적 높은 염도를 나타내는 환경적 특성으로 인 해서 창원천 하구 생태계는 해산어류 종이 우점하는 생태 적 특성을 나타낸 것으로 판단된다. 태화강 하구 생태계와 는 달리 창원천에서는 회유성 어종이 본 조사에서 관찰되 지 않았으나, 은어는 환경 DNA에서 검출된 점과 이전 문 헌 (MOE/NIBR 2016-2021)에서 서식이 확인된 점을 고려 하면 실제 서식 분포하고 있을 가능성이 높을 것으로 판단 된다. 본 연구대상지점인 창원천에서 생태계교란생물은 확 인되지 않았지만, 인접 하천인 남천에서의 동일 시기 진행 된 내륙 습지 어류 군집 조사 결과 생태계교란생물 배스가 확인되어 창원천에서도 잠재적인 서식 가능성을 배제할 수 없을 것으로 생각된다. 기수역 하구 생태계는 생산성이 높아 종 다양성이 높고 연안 어류의 보육장으로서 매우 중 요한 생태적 기능과 서비스를 제공하기 때문에 우리나라 기수역 하구를 대상으로 보다 면밀한 생태적 연구가 필요 하다 (Kostechi et al. 2010).

    4.2. 어구를 이용한 현장조사와 환경 DNA 분석 결과 비교

    환경 DNA를 이용한 수생태계 모니터링 효용성을 파악 하기 위해 태화강과 창원천을 대상으로 어구를 이용한 현 장조사와 환경 DNA 결과를 비교 분석하였다. 어구를 이 용한 3회 현장조사 결과 9~19종이 확인되었고 환경 DNA 1회 (5월) 분석 결과 11~18종이 관찰되어 환경 DNA분석 은 1회 조사만 수행했음에도 현장조사와 유사한 수준의 종 탐지율을 확인할 수 있었다. 어구를 이용한 5월 현장조 사 결과 6종 (CW1)~11종 (US1, US2)이 확인된 점을 고려 하면 환경 DNA가 종 탐지에서 민감도가 더 높음을 알 수 있었다 (Shaw et al. 2016;Song et al. 2019;Lee et al. 2024 in press). 환경 DNA를 수집한 동일 시기 (5월)의 두 방법 간 종 출현 일치율은 US1에서 20.0%, US2 20.8%, CW1 13.3%로 확인되었고, 모든 조사 시기를 종합한 결과와의 일치율은 US1에서 45.0%, US2 42.3%, CW1 11.1%로 창 원천을 제외한 태화강 지점에서 더 높은 일치율을 확인할 수 있었다. 다만, 창원천 CW1의 경우 기수역과 인접한 지 점으로 담수어류 포획 어구 (족대, 투망)를 이용한 조사 결 과로 해산어류 (전어, 주둥치, 농어)와 망둑어류 (모치망둑, 애기망둑) 채집이 제한되어 환경 DNA 탐지 결과와 낮은 일치율을 보인 것으로 판단된다. Song et al. (2019)에 의하 면 다회 수행된 어류 현장조사와 1회 수행된 환경 DNA 분 석 결과에서 환경 DNA 분석 동일 시기 (5월)에 35%의 종 탐지 일치율을 보였지만, 모든 시기 (4~11월)의 현장 조 사 결과와 비교 시 45%로 더 높은 종 탐지 일치율을 보였 다. 서로 다른 두 방법에서 분석된 종 탐지 결과를 이용하 여 종 다양성 분석 시 풍부도지수가 US1 지점에서 현장조 사 2.171 (1차)~2.823 (2차), 환경 DNA 2.389, US2 지점 현 장조사 2.171 (1차)~3.040 (2차), 환경 DNA 3.692, CW1 지점 현장조사 1.086 (1차)~1.520 (2차), 환경 DNA 2.171 로 환경 DNA를 이용한 분석에서 유사하거나 더 높은 수 치로 확인되었다. 이러한 결과는 환경 DNA 어류 탐지 결 과가 어구를 이용한 조사 시 발생하는 조사 시기 (계절)에 따른 종 탐지율의 편차를 보완하고 채집에 제한되는 종 을 보다 민감하게 탐지할 수 있음을 시사한다 (Shaw et al. 2016;Itakura et al. 2019;Song et al. 2019;Lee et al. 2024 in press).

    하지만, 환경 DNA 어류 종 탐지 결과 현장조사 시 관 찰되지 않은 종이 환경 DNA에서 검출된 위양성 (false positive; Type I 에러) 결과와 현장조사 시 관찰되었으나 환경 DNA에서 미검출된 위음성 (false negative; Type II 에러)의 한계점이 존재하였다 (Evans et al. 2017). 본 연구 결과에서 위양성 결과의 경우 태화강에서 송사리, 수수미 꾸리, 쉬리, 참갈겨니, 검정망둑, 산천어/송어, 동자개 7종 이 확인되었다. 이 중 송사리, 수수미꾸리, 참갈겨니, 검정 망둑의 경우 과거 문헌과 2016~2021년도 기간 수행된 수 생태계건강성평가 (MOE/NIBR 2016-2021) 시 관찰되 었던 종으로 확인되었으나, 쉬리, 산천어/송어, 동자개의 경우 이번 환경 DNA에서만 처음 관찰되었다 (Jang et al. 2001). 산천어/송어의 경우 연어속 (genus Oncorhynchus) 의 어류로 태화강으로 매년 회귀하는 태평양 연어 (chum salmon; Oncorhynchus keta)의 DNA가 검출되었을 가능 성이 있다 (Jang et al. 2022). 이러한 가설을 검증하기 위 해 NCBI (national center for biotechnology information) 의 GenBank에 등록된 연어 (n=4), 산천어/송어 (n=10) 의 12S rRNA와 본 연구 환경 DNA에서 산천어/송어 (O. masou)로 할당된 DNA reads (n=2)를 추출하여 계통수 (phylogeny) 분석 결과 환경 DNA 2개 reads가 산천어/송 어 분기군 (clade)에 위치하여 연어일 가능성이 낮아 산천 어/송어 DNA 가능성을 지지하였다 (Fig. 5A). 쉬리의 경 우 쉬리속 (genus Coreoleuciscus)의 어류로서 우리나라 에 쉬리 1종이 서식하는 것으로 알려져 있었으나, 최근 쉬 리와 참쉬리 (Coreoleuciscus aeruginos) 2종으로 분류되었 다 (Song and Bang 2015). 쉬리, 산천어/송어, 동자개와 같 은 종은 기존 태화강에 서식하는 종으로 보고된 바가 없 으며, DNA reads의 비율 또한 0.1% 이하로 DNA 오염 (contamination) 및 인위적인 이입 등 다른 외부적 요인에 의해 검출되었을 가능성을 추정해 볼 수 있다 (Yoon et al. 2018). 창원천의 위양성 결과는 은어, 붕어, 전어, 모치망 둑, 애기망둑, 갈문망둑, 검정망둑, 주둥치, 농어 8종이 확 인되었다. 이 중 은어, 붕어, 전어, 모치망둑, 주둥치, 농어는 2016~2021년도 수행된 수생태계건강성평가 (MOE/NIBR 2016-2021) 시 관찰되었던 종으로 확인되었으며, 애기망 둑, 갈문망둑, 검정망둑의 경우 환경 DNA에서만 확인되 었다. 창원천의 경우 바다와 매우 가까우며 (봉암갯벌과 약 1.5 km 이격), 밀물 시간에 환경 시료가 채수된 영향으로 인해 인근 연안이나 갯벌에 서식하는 망둑어류의 DNA가 물 시료에서 검출된 것으로 판단된다.

    환경 DNA 위양성 결과의 주원인은 세 가지 - (1) 물 시 료 내 DNA의 오염, (2) 분석 과정에서 비표적 종의 부정 확한 검출, (3) 해당 지점에서 죽은 생물체의 DNA 검출 - 가 제시된 바 있다 (Darling and Mahon 2011;Rees et al. 2014, 2015). 해결방안은 과거 조사된 문헌 및 생태적 관점 에서의 해석을 통한 데이터 보정이 필요하다 (Evans et al. 2017;NIBR 2020). 또한, 본 연구를 통해 환경 DNA 위음 성 결과 자료도 확인할 수 있었다. 특히 피라미의 경우 현 장조사 시 태화강의 두 지점에서 높은 상대 비율로 확인 되었으나, 환경 DNA에서 검출되지 않았다. 국내 서식하 는 피라미속 (genus Zacco)은 갈겨니, 참갈겨니, 피라미 3 종이 서식하고 있으며, 이 종들은 공통조상에서 분기된 자 매종 (sister species)으로 알려져 있다 (Kim et al. 2005;Oh and Park 2009;Kim et al. 2020b). 미토콘드리아 DNA cyt b (cytochrome b) 유전자 1,140 bp를 이용하여 국내 피라 미속 세 분류군의 계통수 분석을 통해 종판별 연구가 수행 된 바 있다 (Oh and Park 2009). 하지만, 본 연구에서 이용 된 MiFish 범용 프라이머의 경우 12S rRNA 240 bp의 짧 은 염기서열 단편을 표적으로 하는 특성상 해당 유전자 부 위에 국내 자매종인 갈겨니, 참갈겨니, 피라미를 구별할 수 있는 염기서열 변이, 즉 단일염기다형성 (single nucleotide polymorphism, SNP)이 존재하지 않는 것을 확인하였다. 추가적인 검증을 위해 NCBI의 GenBank에 등록된 갈겨 니 (n=5), 참갈겨니 (n=2), 피라미 (n=5)의 12S rRNA와 환경 DNA에서 갈겨니속 (Zacco spp.)으로 할당된 DNA reads (n=12)를 무작위로 추출하여 계통수 분석 결과 피 라미와 갈겨니/참갈겨니 두 분기군으로 구분되었으나, 갈 겨니와 참갈겨니 계통은 종별로 분기군이 나뉘지 않았다 (Fig. 5B). 또한, 현장조사 시 태화강의 두 지점에서 모두 확인된 누치, 미꾸리, 민물검정망둑, US1 지점에서만 확인 된 참몰개, 기름종개, US2 지점에서만 확인된 꺽지, 문절망 둑과 같은 종들도 환경 DNA에서 검출되지 않았다. 창원천 또한 민물검정망둑, 두줄망둑, 잉어, 꾹저구, 강도다리, 점 농어, 흰발망둑 7종이 위음성 결과로 확인되었다. 위음성 결과의 원인은 두 가지 - (1) 채취한 물 시료에 실제로 존재 하는 표적 종의 DNA를 감지하지 못하는 경우, (2) 표적 종 이 서식처에 있음에도 물 시료에 존재 가능한 DNA가 부 족 - 가 있다 (Darling and Mahon 2011;Rees et al. 2014, 2015). 위음성 결과의 해결 방안으로는 환경 DNA 분석을 위한 물 시료 지점 및 시료 수 증가와 local 종의 데이터베 이스 구축이 필요하다 (Evans et al. 2017;NIBR 2020).

    본 연구는 낙동강 수계 하구 생태계를 대표하는 내륙 습 지 하천인 태화강과 창원천을 대상으로 환경적 특성, 어류 군집 구조 및 종 다양성을 평가하였다. 태화강 현지조사 결 과 양측회유성 (은어), 소하성 (황어) 및 강하성 (뱀장어) 어 류의 서식이 확인되어 하천과 강 하구의 연결성이 비교적 원활한 생태계임을 알 수 있었다. 하지만, 생태계교란생물 (블루길, 배스)의 서식이 확인되어 원활한 연결성을 이용 한 서식처 확산에 대한 우려도 동시에 존재하였다. 창원천 하구 생태계는 바다와 인접하여 해수의 영향으로 주로 해 산어류가 우점하는 기수역 하천의 생태적 특성을 나타내 었다. 환경 DNA를 이용한 수생태계 모니터링 효용성을 평 가하기 위해 어구를 이용한 현장조사와 환경 DNA 분석 결 과를 군집 구조 및 종 다양성 관점에서 비교하였다. 환경 DNA 분석 결과 어구 현장조사와 전반적으로 유사한 수준 의 종 탐지 및 종 다양성을 확인할 수 있었지만, 위양성과 위음성 결과와 같은 한계점도 동시에 존재하였다. 향후, 환 경 DNA 기법의 성공적인 국내 적용을 위해서는 다음과 같 은 개선방안이 필요할 것으로 판단된다; 1) 환경 DNA 시 료 확보에 대한 표준화된 조사 매뉴얼 구축, 2) 고유종 및 근연종에 대한 염기서열 확보 및 Local DB 구축, 3) 한국 자생종을 정확하게 식별할 수 있는 국내 표준 마커 개발을 통해 보완한다면 수생태계 모니터링에 아주 효율/효과적 이며 실용적인 조사 방법으로 적용될 수 있을 것으로 판단 된다 (NIBR 2020).

    적 요

    강 하구는 높은 생산성을 나타내는 생물다양성이 가장 높은 대표 수생태계이다. 환경 DNA (eDNA)를 이용한 수 생태계 모니터링은 현장의 환경 시료를 확보하여 시료 내 존재하는 생물로부터 유래된 DNA를 추출하는 방법으로 서 기존의 어구를 이용한 현장조사 모니터링에 비해 효율 적이고 민감도가 높아 보완적인 방법으로 이용되고 있다. 본 연구는 낙동강 수계 하구 생태계를 대표하는 내륙 습지 하천인 태화강과 창원천을 대상으로 환경특성, 어류 군집 구조와 종 다양성을 파악하였다. 태화강에서는 양측회유 성, 소하성 및 강하성 어류인 은어, 황어 및 뱀장어의 서식 이 대부분의 조사 시기 동안 확인되어 연안에서부터 중류 및 지류까지 비교적 원활한 서식처 종적 연결성을 나타내 는 생태계임을 알 수 있었다. 또한, 창원천의 경우 특히 바 다와 가까운 내륙 습지 하천으로 많은 다양한 해산어류 및 망둑어류의 서식이 확인되었으나, 회유성 어종인 은어는 환경 DNA에서만 검출되었고 현장조사에서는 관찰되지 않았다. 어구조사를 통한 종 다양성 평가 결과 태화강이 창 원천에 비해 낮은 우점도지수, 높은 풍부도, 균등도, 다양 도지수 수치를 나타내어 상대적으로 양호한 어류 군집 구 조 상태를 나타냈다. 어구를 이용한 현장조사와 환경 DNA 메타바코딩 기법을 이용하여 태화강과 창원천 하구 생태 계 어류 군집 구조 및 종 다양성을 비교 분석하였다. 어구 를 이용한 3회 현장조사 결과 9~19종이 확인되었고 환경 DNA 1회 분석 결과 11~18종으로 환경 DNA 분석이 현장 조사 결과와 유사한 수준의 종 수를 확인할 수 있었다. 어 구를 이용한 5월 현장조사 결과는 6~11종이 확인된 점을 고려하면 환경 DNA가 종 탐지에서 민감도가 더 높음을 알 수 있었다. 환경 DNA를 이용한 수생태계 모니터링을 위 한 어류 종 탐지의 잠재적인 효용성을 확인할 수 있었으나 우리나라 고유종 및 유전적으로 가까운 근연종들의 경우 명확한 종 동정에 어려움이 있었으며, 현장조사 시 관찰되 었으나 환경 DNA에서 검출되지 않은 경우 (위음성; false negative)와 현장조사 시 관찰되지 않은 종이 환경 DNA에 서 검출 (위양성; false positive)되는 자료의 한계점도 존재 하였다. 향후 국내 고유종의 local DB 확보, 환경 DNA 조 사 표준화 방법 구축, 국내 담수어류 대상 분자마커 개발 등이 확립된다면 수생태계 모니터링에 아주 효율적이며 실용적인 조사 방법으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

    사 사

    본 연구는 국립생태원 습지센터 (과제번호: NIE-A- 2022-20, 과제명: 하구 생태계 조사 (’22)), 한국환경산업기 술원 (과제번호: 2020003050004, 과제명: 수생태계 건강성 확보 기술개발사업) 및 상지대학교 대학원의 지원을 받아 수행되었습니다. 본 연구 수행을 위하여 현장 시료 채집에 도움을 준 상지대학교 생명과학과 분자생태및진화학실험 실 대학원 및 학부 학생들께 감사를 표합니다

    CRediT authorship contribution statement

    Hk Choi: Methodology, Investigation, Software, Formal analysis, Data curation, Writing - Original draft, Visualization. YR Kim: Investigation, Writing - Review & editing. SY Hwang: Investigation, Data curation, Writing - Review & editing. Y Chu: Funding acquisition. P Kim: Funding acquisition. HJ Lee: Conceptualization, Methodology, Validation, Data curation, Writing - Original draft, Supervision, Project administration, Funding acquisition.

    Declaration of Competing Interest

    The authors declare no conflicts of interest.

    Figure

    KJEB-41-4-637_F1.gif

    (A) Map showing the two study sites, US1 and US2, at the Taehwa River in Ulsan, and (B) a single site, CW1, at the Changwon Stream in Changwon in South Korea (US1: 35°33’32.53″N 129°15′56.25″E; US2: 35°33′35.73″N 129°21′11.69″E; CW1: 35°13′25.65″N 128°38′9.44″E).

    KJEB-41-4-637_F2.gif

    Venn diagram of fish species identified at the three stations in the two rivers (the Taehwa River: US1 and US2, and the Changwon Stream: CW1) by conventional (in green) and eDNA (in blue) surveys. The results of the conventional survey (i.e., species detected) were pooled over the three sampling periods (May, July, and October of 2022).

    KJEB-41-4-637_F3.gif

    Comparisons of species detected at the three stations in the two rivers (the Taehwa River: US1 and US2, and the Changwon Stream: CW1) by conventional and environmental DNA (eDNA) surveys. The boxes filled in grey represent species detected, and those not filled (in white) represent species not detected. The results of the conventional survey (i.e., the species detected) were pooled over the three sampling periods (May, July, and October of 2022).

    KJEB-41-4-637_F4.gif

    Heatmap analyses of fish species identified at three sampling stations in the two rivers (the Taehwa River: US1 and US2, and the Changwon Stream: CW1). (A) Conventional survey results (pooled over the three sampling periods) and (B) environmental DNA (eDNA) analysis results.

    KJEB-41-4-637_F5.gif

    Phylogenetic relationships of three species in the genus Oncorhynchus (A) and genus Zacco (B) based on mtDNA 12S rRNA sequences (169-177 bp). DNA reads extracted from the eDNA results of this study are bolded. Numbers at the branches represent the bootstrap support values for maximum likelihood (ML). Information on DNA sequences used for phylogenetic analysis is given in Supplementary Table A1.

    Table

    Physicochemical characteristics of fish community structure and species diversity at three sampling sites based on a conventional survey using cast nets and kick nets and environmental DNA (eDNA) analysis of water samples from two rivers (the Taehwa River and Changwon Stream) in the Nakdong River basin in South Korea

    Results of the fish community structure at three sites (the Taehwa River: US1, US2; the Changwon Stream: CW1) in the Nakdong River basin based on a conventional survey and environmental DNA (eDNA) analysis. The conventional survey was undertaken three times on a seasonal basis in 2022 (May, July, and October), while the eDNA investigation was conducted only in May

    *: Korean endemic species, †: Introduced species

    Diversity indices (Dominance Index, DI; Species Richness; d, Pielou’s Evenness; J′ and Shannon Index; SI) estimated from three sites in two rivers (the Taehwa River: US1, US2; the Changwon Stream: CW1) based on a conventional survey and environmental DNA (eDNA) analysis (Shannon and Weaver 1949;Pielou 1966;McNaughton 1967;Margalef 1968)

    Summary of the taxonomic assignments of DNA reads generated by Illumina MiSeq from three sites in two rivers (the Taehwa River and Changwon Stream)

    Corrections to assigned fish species by the Mifish pipeline, based on the results of a previous ecological survey

    Information on DNA sequences used for phylogenetic analysis (Fig. 5), including species names, GenBank accession numbers, and relevant references, if available

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    Vol. 40 No. 4 (2022.12)

    Journal Abbreviation 'Korean J. Environ. Biol.'
    Frequency quarterly
    Doi Prefix 10.11626/KJEB.
    Year of Launching 1983
    Publisher Korean Society of Environmental Biology
    Indexed/Tracked/Covered By

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