부착돌말 eDNA meta-barcoding을 이용한 생물학적 수질평가 방법 연구 = Study on Biological Water Quality Assessment Method using Diatom eDNA Meta-barcoding

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 남한강과 북한강의 여러지점에서 다양한 기질의 표면에 부착하여 서식하는 부착조류의 종조성과 돌말류의 군집특성을 eDNA meta-barcoding을 통해 분석했으며, 생물학적 수질평가에 있어 eDNA 활용방안을 조사하였다. eDNA를 이용한 수질평가는 기존의 평가방법 (부착돌말지수: TDI)을 준용하되, 돌말류 132분류군 (76종과 56속: 전체 샘플의 상위 25 %의 종과 그 외의 속)의 eDNA reads(리드수)를 이용하여 재산정한 각 분류군의 오염민감도와 지표가중치를 이용하여 수행하였다. eDNA meta-barcoding 방법을 이용했을 때, 돌말류 주요 출현종 조성은 현미경 동정 및 분석 결과와 비슷하게 나타났으나, 우점종 및 아우점종, 대형돌말류의 출현도에 있어서는 eDNA 분석 방법이 현미경 분석에 비해 더 많은 종(미세종, 희귀종)을 검출하였다. 이는 eDNA 분석시에는 세포의 유전자를 이용하기 때문이다. TDI 연구와 본 논문(TDIe)에서 일치하는 분류군은 41개(32 %)였으며 그 중 오염민감도와 지표가중치가 모두 일치하는 분류군은 3개(7.3 %)로 나타났고, 확률적으로 유의(p<0.05)하게 구분된 분류군은 4개로 나타났다. TDIe가 기존의 TDIm보다 40점 이상 차이난 지점들의 공통점은 대표적인 호청수성종인 A. convergens가 우점하여 건강성 등급이 2등급 이상 차이났으며, 그 외 10점이상 차이나는 지점들도 호청수성종 (Achnanthes convergens, Gomphonema clevei, Cocconeis. placentula var.lineata)이 우점하였다. 이 결과는 현미경적 분석과 eDNA 분석에 따라 나타난 종의 조성과 분포가 상당히 다름을 의미한다. 분석 결과의 유의성을 높이기 위해서는 보다 많은 샘플수를 필요로 한다.
앞으로 생물학적 수질평가에 있어서 eDNA의 정확도와 활용성을 높이기 위해서는 국내 출현종을 대상으로 한 유전정보 구축이 필요하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study analyzed the species composition of periphytic algae and the community characteristics of diatoms inhabiting various substrates at multiple sites in the Namhangang and Bukhangang Rivers using eDNA meta-barcoding. It also investigated the potential application of eDNA in biological water quality assessment. Water quality evaluation using eDNA was based on the existing method (Trophic Diatom Index: TDI), recalculated using eDNA reads of 132 diatom taxa (76 species and 56 genus, representing the top 25% of species in all samples and other genus). The recalculation incorporated the pollution sensitivity and indicator weight of each taxon.
The major diatom species identified through the eDNA meta-barcoding method were similar to those identified via microscopic examination. However, eDNA analysis detected more species (including micro and rare species) compared to microscopic methods, particularly regarding dominant and subdominant species and large diatom species. This discrepancy arises because eDNA analysis utilizes genetic material from cells.
Among the taxa identified in both the TDI study and this study (TDIe), 41 taxa (32%) were consistent, with only 3 taxa (7.3%) showing matching pollution sensitivity and indicator weights. Four taxa were statistically significantly distinguished (p<0.05). Sites with a TDIe score differing by more than 40 points compared to TDIm had common features, including dominance by the representative Achnanthes convergens, resulting in a difference of at least two health grades. Other sites with differences exceeding 10 points also showed dominance by Achnanthes convergens, Gomphonema clevei, Cocconeis placentula var. lineata. These results indicate significant differences in the species composition and distribution between microscopic and eDNA analyses. To enhance the significance of analytical results, a larger number of samples is required. For improved accuracy and applicability of eDNA in biological water quality assessment, it is essential to establish a genetic database of species found in South Korea.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 연구사 4
• 제1절 생물학적 수질평가 4
• 제2절 eDNA를 이용한 생물학적 수질평가 7
• 제3장 재료 및 방법 11
• 제1절 조사지점 및 환경요인 11
• 제2절 부착돌말 채집 및 형태학적 동정 14
• 제3절 부착돌말 eDNA meta-barcoding 분석 16
• 제4절 부착돌말 eDNA meta-barcoding을 이용한 생물학적 수질평가 20
• 제4장 결과 23
• 제1절 부착돌말류의 종조성 및 군집 특성 23
• 1. eDNA meta-barcoding 분석에 따른 부착조류 종조성 및 군집 특성 23
• 2. 현미경 분석에 따른 부착돌말류 종 조성과 군집 특성 30
• 제2절 eDNA를 이용한 생물학적 수질평가 방법 35
• 1. eDNA meta-barcoding을 이용한 부착돌말지수(TDI)의 오염민감도 및 지표가중치 분석 35
• 2. 부착돌말 eDNA meta-barcoding을 이용한 생물학적 수질평가 및 TDIm과 비교 47
• 제5장 고찰 52
• 제1절. 분석법에 따른 부착돌말류의 종 조성의 차이 52
• 제2절. eDNA meta-barcoding을 이용한 생물학적 수질평가 54
• 제6장 결론 56
• 참고문헌 57
• 부록 69
• 국문초록 100