[영국] 옥스퍼드대 연구팀, “하수배출이 농업보다 하천·강에 더 나쁘다”는 사실 밝혀내

연구팀, 하수처리수가 배출되는 영국 4개 강 상·하류서 3개월간 수질 채취해 분석

하수 배출·농업용·도시 유출수 등 3가지 오염원이 하천·강 시스템의 다양한 측면에 미치는 영향 조사

연구팀, 잠재적 위험한 ‘하수 곰팡이(sewage fungus)’ 발생 을 조기 감지할 수 있는 새로운 방법도 개발

연구 논문, 과학저널지 『Global Change Biology』·생태학지 『Ecological Solutions and Evidence』최근호에 게재

영국의 옥스포드대학교(University of Oxford) 연구팀이 발표한 새로운 연구에 따르면, 처리된 하수를 하천이나 강으로 배출하는 것이 주변의 토지 이용보다 수질 및 하천·강에 서식하는 동식물에 더 큰 영향을 미치는 것으로 조사됐다. 

 

9월 24일 ‘세계 강의 날(World Rivers Day)’을 맞아 영국의 옥스포드대학교(University of Oxford) 연구팀이 발표한 새로운 연구에 따르면 하수를 하천이나 강으로 배출하는 것이 주변의 토지 이용보다 수질 및 하천·강에 서식하는 동식물에 더 큰 영향을 미치는 것으로 조사됐다.

이는 최근 새로운 주택 개발에 대한 ‘영양 중립 규정(nutrient neutrality regulations)’을 약화시키려는 위협에 비추어 볼 때 영국 하천·강의 상태에 큰 영향을 미친다는 것을 시사하고 있다. 

이 연구 결과는 과학저널지인 『글로벌 생물학 변화(Global Change Biology)』 9월 21일, 생태학지 『생태학 솔루션 및 증거(Ecological Solutions and Evidence)』에  9월 20일에 각각 게재되었다.

하천이나 강은 지구 물 순환의 중요한 부분이며 중요한 생물다양성을 포함하고 있고, 인간 건강에 필수적이다. 그러나 영국의 물회사들은 처리된 하수를 강으로 배출하는 것이 허용되고, 심지어 폭우로 인한 범람 시에는 처리되지 않은 하수도 방류할 수 있다.

생태학적 결과뿐만 아니라 만약 물이 식수, 수영 등 레크리에이션 활동, 농업용으로 사용할 경우 사람들에게 심각한 위협이 된다.

옥스퍼드대학교 생물학과의 연구원들은 처리된 하수 배출, 농업용에 사용된 물, 도시 유출수 등 세 가지 오염원이 하천·강 시스템의 다양한 측면에 미치는 영향을 조사했다. 이 연구그룹은 3개월에 걸쳐 하수처리수가 배출되는 영국  4개 강의 상류와 하류에서 테스트했다.

그 결과, 처리된 하수 배출량은 주변지역의 토지이용유형(농업용 또는 도시용)에 관계없이 높은 영양수준, 바닥에 서식하는 조류 및 하수곰팡이류 발생량을 예측할 수 있는 최적의 예측변수임을 확인할 수 있었다.

옥스퍼드대학교 생물학과의 연구원들은 처리된 하수 배출, 농업용에 사용된 물, 도시 유출수 등 세 가지 오염원이 하천·강 시스템의 다양한 측면에 미치는 영향을 조사했다. [사진출처(Photo source) = 옥스포드대학교(University of Oxford)]

 

이번 연구의 수석 저자인 옥스퍼드대학교 생물학과 미셸 잭슨(Michelle Jackson) 박사는 “다양한 오염원을 분리하는 것이 어렵기 때문에 영국 많은 강의 열악한 생태 상태의 원인에 대한 논쟁이 계속되고 있다. 여기서 우리는 처리된 하수라도 주변 토지로부터의 오염보다 하천이나 강 공동체에 더 큰 영향을 미치는 것으로 보인다는 것을 보여준다. 이 중요한 정보는 앞으로 우리 하천 및 강들의 관리와 보존에 우선순위를 두는 데 사용되어야 한다”고 강조했다.

영양분은 해로운 종의 성장을 촉진하고 다른 종들을 악화시킴으로써 수로의 쇠퇴를 악화시킨다. 이것은 하수 유입 하류의 거대 무척추동물과 조류 군집의 변화를 통해 연구된 하천·강에서 나타났으며, 시아노박테리아(cyanobacteria) 및 벌레와 같은 보다 내성이 있는 그룹이 더욱 풍부해졌다.

시아노박테리아는 많은 수생생물을 죽일 수 있는 독성 화학물질을 생산하는 것으로 알려져 있기 때문에 이는 우려되는 일이다. 그 결과, 하수오염은 중요한 종의 손실을 통해 중요한 생태계 과정을 변경시키고 저하시킬 가능성이 있다.

이 연구에서는 하루살이(mayflies), 돌파리(stoneflies), 캐디파리(caddisflies) 등 민감한 곤충 그룹의 풍부함이라는 단 하나의 측정만이 농경지 이용에 의해 가장 잘 예측되었다. 이는 일반적으로 수질과 하천 공동체가 주변 유역으로부터의 오염보다 처리된 하수 배출로 인해 더 위협받고 있지만 농업오염 또한 억제될 필요가 있음을 시사한다.

이러한 새로운 발견은 영국 수로상태에 대한 시민들의 우려가 극심한 시기에 나왔다.  영국 옵저버지(Observer)의 최근 조사에 따르면 영국에서 가장 귀중한 강에 있는 담수 서식지의 90% 이상이 농업 오염, 미처리된 하수 및 물 추출로 인해 훼손된 것으로 나타났다.

영국에 본사를 둔 자선단체인  리버액션(River Action)의 제임스 월리스(James Wallace) CEO는 이번 연구결과에 대해 “이 중요한 연구는 규제되지 않은 물회사와 농업으로 오는 피해를 다시 한 번 보여주는 것”이라면서 “영양오염으로 인해 야생동물에 미치는 치명적인 영향 외에도 시민들은 하수 시스템을 통해 처리된 하수에서 대장균(E.coli) 및 장내 장구균(intestinal enterococci)과 같은 위험한 박테리아를 제거하지 못한다는 점을 인식해야 한다”고 말했다. 

하수 배출의 존재를 특징으로 하는 하천의 하류 지역에서 수집된 나무 막대기의 ‘하수 곰팡이(sewage fungus)’ 모습.  [사진출처(Photo source) = 옥스포드대학교(University of Oxford)]

월리스 CEO는 이어 “예를 들어, 최근 템즈강에 대한 시민 과학에서는 템즈강의 유출수에 안전한 수준의 박테리아가 4∼5배 더 많이 존재한다는 사실을 발견했다. 이는 수영하는 사람들과 노젓는 사람에게 심각한 질병을 일으킬 가능성이 높다. 정부는 언제 물회사와 농장이 특히 인간의 생명과 민감한 보호 서식지가 위협받는 곳에서 그들의 행동을 청화하도록 만들 것인가?”라고 반문했다.

위험 발생을 조기에 발견하는 시스템

연구팀은 또한 잠재적으로 위험한 ‘하수 곰팡이(sewage fungus)’ 발생을 조기에 감지할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이것은 곰팡이, 조류, 그리고 박테리아의 복합적인 혼합물로, 유기 영양소 수준이 높을 때 큰 덩어리를 형성한다. 하수곰팡이는 불쾌한 냄새를 유발할 뿐만 아니라, 물 속의 산소 수준을 심각하게 감소시켜 모든 강 종에 악영향을 미치고 대량의 어류 폐사를 초래할 수 있다.

현재 하수 곰팡이는 육안으로만 평가하기 때문에 이미 부정적인 영향을 미칠 만큼 충분히 커졌을 때만 발견된다. 연구원들은 광범위한 발병을 피하기 위해 신속한 개입을 가능하게 하는 필수 단계인 조기 발견을 허용하는 새로운 방법을 개발했다. 그들의 방법은 이미징 기술과 기계 학습을 사용하여 물 샘플에서 하수 입자와 하수 곰팡이를 신속하게 식별할 수 있다.

이 기술은 물회사와 환경청과 같은 모니터링 기관 모두에 의해 ‘탄광의 카나리아(canary in the coal mine, 다가온 위험을 먼저 알려주는 대상을 가리키는 말)’로 사용될 수 있으며, 오염물질의 축적을 제한하고 종 감소를 막는 데 귀중한 도구가 될 수 있다.

(a) 이번 연구에서 샘플링된 한 강의 하류 지역에서 발견된 하수 곰팡이 매트. (b) 자이스 복합 현미경(Zeiss Axioskop 2 Plus)으로 본 하수 곰팡이. (c) 영향을 받는 강의 샘플링 장소(빨간색 삼각형) 위치 및 하수처리장에서 나오는 최종 유출수와 수용 강의 상류 및 하류. 파란색 화살표는 강의 흐름을 나타낸 것이다. [그림출처(picture source) = 『생태학 솔루션 및 증거(Ecological Solutions and Evidence)』]

미셸 잭슨(Michelle Jackson) 박사는 “하수 곰팡이 오염사건을 신속하게 식별하면 조기 개입이 가능해 지역 야생동물에 대한 잠재적인 부정적인 결과를 방지하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

이 연구논문은 ‘처리된 하수 배출과 토지 이용이 하천에 미치는 결합 효과(The combined effects of treated sewage discharge and land use on rivers)’라는 제목으로 과학저널지 『글로벌 생물학 변화(Global Change Biology)』에 게재되었다.

또 ‘하천 내 하수 곰팡이 발생의 조기 발견 및 환경 요인(Early detection and environmental drivers of sewage fungus outbreaks in river)’이라는 제목으로 생태학지 『생태학 솔루션 및 증거(Ecological Solutions and Evidence)』에도 게재되었다.

[원문보기]

New study finds that sewage release is worse for rivers than agriculture

 

Ahead of World Rivers Day (24 September), new research by the University of Oxford reveals that sewage discharge into rivers has a greater impact on water quality, and the animals and plants that live in rivers, than surrounding land use. 

This has strong implications for the state of UK rivers in light of the recent threats to weaken nutrient neutrality regulations for new housing developments. 

The findings have been published today in the journals Global Change Biology and Ecological Solutions and Evidence.

Rivers are crucial parts of the global water cycle, contain important biodiversity, and are essential for human health. However, water companies in the UK are allowed to release treated wastewater into rivers, and even untreated wastewater during heavy rainfalls (known as storm overflow). 

As well as the ecological consequences, this poses serious threats for human wellbeing if the water is then used for drinking, recreational, or agricultural purposes.

Researchers from the University of Oxford’s Department of Biology investigated the effects of three different pollution sources (treated sewage discharge, agriculture, and urban run-off) on different aspects of river systems. The group tested four rivers in England, both up- and downstream of sewage discharge, over three different months.

The results demonstrated that treated sewage discharge was the best predictor of high nutrient levels, bottom-dwelling algae, and sewage fungus abundance, regardless of the type of land use (agriculture or urban) in the surrounding area.

Dr Michelle Jackson (Department of Biology, University of Oxford), senior author of the study, said: “There is ongoing debate about the cause of the poor ecological state of many rivers in the UK because it is difficult to disentangle different pollution sources. Here, we show that even treated sewage appears to have a stronger influence on river communities than pollution from the surrounding land. This important information should be used to prioritise the management and conservation of our rivers moving forward.”

Nutrients exacerbate the decline of waterways by promoting the growth of harmful species and deteriorating others. This was seen in the rivers studied through a shift in macroinvertebrate and algae communities downstream of sewage input, with more tolerant groups such as cyanobacteria and worms becoming more abundant. 

This is concerning as cyanobacteria are well known for producing toxic chemicals that can kill many aquatic organisms. As a result of this, wastewater pollution has the potential to alter and degrade critical ecosystem processes via loss of critical species.

In the study, only one measurement - the abundance of the sensitive insect groups of mayflies, stoneflies, and caddisflies - was best predicted by agricultural land use. This suggests that water quality and river communities are generally more threatened by treated sewage discharge than pollution from the surrounding catchment, but agricultural pollution also needs to be kept in check.

These new findings come at a time of intense public concern over the state of the UK's waterways. A recent investigation for the Observer found that more than 90% of freshwater habitats on England’s most precious rivers have been degraded by farming pollution, raw sewage and water abstraction.

James Wallace, CEO of the UK-based charity River Action, commented on the findings : “This important research demonstrates yet again the damage from unregulated water companies and agriculture. In addition to the catastrophic impact on wildlife from nutrient pollution, the public should be aware that sewage systems do not remove dangerous bacteria such as E.coli and intestinal enterococci from treated sewage.” 

“For instance, recent citizen science on the River Thames found that Thames Water’s outflows often have four to five times the safe levels of bacteria, that has likely caused serious illness in swimmers and rowers. When will the government make water companies and farms clean up their act, especially in places where human lives and sensitive protected habitats are threatened?”

An early-detection system for spotting dangerous outbreaks

The researchers also developed a new method to allow early detection of potentially dangerous outbreaks of ‘sewage fungus.’ This is a complex mix of fungus, algae, and bacteria which forms large masses when there are high organic nutrient levels. They not only cause unpleasant smells, but severely reduce oxygen levels in water which can adversely affect all river species, and cause mass fish mortality.

Currently, sewage fungus is only assessed visually, so it is only found once it has become large enough to already be having negative effects. The researchers developed a new method to allow early detection, an essential step to enable swift intervention to avoid extensive outbreaks. Their method uses imaging techniques and machine learning to rapidly identify sewage particles and sewage fungus in water samples.

The technique could be used as a ‘canary in the coal mine’ by both water companies and monitoring organisations such as the Environment Agency, and could prove to be a valuable tool in limiting pollution build-up and halting species decline.

Dr Michelle Jackson said : “Rapid identification of sewage fungus pollution events will allow early intervention which would help prevent any potential negative consequences for local wildlife.”

The paper ‘The combined effects of treated sewage discharge and land use on rivers’ has been published in Global Change Biology.

The paper ‘Early detection and environmental drivers of sewage fungus outbreaks in rivers’ has been published in Ecological Solutions and Evidence.

[출처 = 옥스포드대학교(University of Oxford)(https://www.ox.ac.uk/news/2023-09-22-new-study-finds-sewage-release-worse-rivers-agriculture) / 2023년 9월 22일]

[논문출처 = 『글로벌 생물학 변화(Global Change Biology)』(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.16934) / 2023년 9월 21일자]

[논문출처 = 『생태학 솔루션 및 증거(Ecological Solutions and Evidence)』(https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2688-8319.12277) / 2023년 9월 20일자]