한국산 참개구리(Pelophylax nigromaculatus (Hallowell, 1861))의 중금속 생물축적

1. 서 론

생태계 먹이사슬에서 양서류는 육상과 수상에서 양분 순환의 중요한 역할을 담당하며, 무척추동물을 주요 먹이원으로 하고, 포유류, 조류 및 파충류 등의 먹이원이 된다(Kim and Song, 2010). 이처럼 생태계 먹이사슬에서 양서류는 중요한 연결 역할을 하고 있어, 서식지가 단편화되어 개체 수가 감소하면 생태계의 안정성에 큰 위험이 될 수 있다. 따라서 효과적인 보호 및 보전 전략을 위해 양서류의 분포현황 및 질 높은 보호 서식지를 확보하는 것이 중요하다(Knutson et al., 1999; Moilanen and Nieminen, 2002; Ray et al., 2002).

또한, 양서류의 개체군의 안정성은 생태계의 건강과 균형 유지에 매우 중요한 역할을 하고 있으나(Gardner, 2001; Whiles et al., 2006), 최근 서식지 파괴와 기후의 급격한 변화 등으로 인하여 양서류의 개체 수 감소에 따라 전 세계적으로 멸종 위기에 처해 있는 중요한 분류군으로 간주되고 있다(Wake and Vredenbrurg, 2008).

이러한 양서류의 군집 감소는 최근에 전 세계적으로 매우 큰 문제가 되고 있으며(Williams, 2007), 군집 감소의 원인으로 서식지 단절화, 자연변동, 기후변화, 기생충, 자외선, 산성비, 화학물질 오염, 중금속 오염 등이 있다(Lefcort et al., 1998; Mendelson et al., 2004). 이 중에서도 중금속은 낮은 농도에서도 생물에 유해한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(DeForest et al., 2007).

연구지역인 농경지의 경우, 농약 사용이 토양과 수질의 화학적 특성에 영향을 미쳐 중금속의 이동성과 생물축적에 간접적인 영향을 미칠 수 있다. 일부 농약은 토양의 pH를 변화시키거나 중금속의 용해도를 증가시켜 개구리의 노출 가능성을 높일수 있으며, 특히 구리(Cu) 기반 살균제와 같은 특정 농약은 장기간 사용될 경우 토양과 수생 환경에서 중금속 축적을 촉진할 수 있다.

다른 척추동물에 비하여 양서류는 서식 환경의 미세한 변화에 민감한 반응을 보이며(Stebbins and Cohen, 1995; Beebee, 1997; Alford and Richards, 1999), 이러한 이유로 양서류의 경우 농약 오염 지표종(Harri et al., 1979; Anguiano, 1994), 중금속 오염 지표종(Browne and Dumont, 1979; Henle, 1981; Nebeker et al., 1995)으로 알려져 있다.

본 연구는 전국에 서식하고 있는 야생 참개구리(Pelophylax nigromaculatus)를 연구 대상으로 선정하였다. 참개구리는 광범위한 서식지에 분포하며, 인위적 교란이 많은 지역에서도 관찰되는 종으로, 중금속 오염 평가에 적합하다. 이에 본 연구는 토양과 수질에 농축된 중금속이 생물축적을 통해 참개구리의 간과 신장에 축적되는 농도 및 생물축적계수(Bioaccumulation factor, BAF)에 미치는 영향을 규명하고자 수행하였다.

연구지역은 교란이 발생하는 일반 농경지, 탄광 및 석산 주변의 농경지, 그리고 인위적 교란이 없는 습지를 선정하였고, 분석 대상 중금속은 환경부가 지정한 토양환경보전법의 토양오염물질 중 구리(Cu), 납(Pb), 니켈(Ni), 비소(As), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 총 6종이다.

본 연구의 결과는 환경 질 평가 및 양서류의 건강한 서식지 조성에 기여할 수 있으며, 양서류의 효과적인 보전과 관리를 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

2. 재료 및 방법

2.1. 연구 범위 및 재료

본 연구는 강원도의 강릉시 난곡동, 영월군 김삿갓면 와석리, 원주시 귀래면 귀래리의 농경지 및 제주도 제주시 구좌읍 덕천리 북오름 인근 습지 등 총 4개 지역에서 번식 및 서식하고 있는 참개구리를 대상으로 수행되었다(Table 1). 참개구리 포획은 2023년 5월 4일부터 시작하여 2024년 3월 31일까지 각 연구지역에서 활동시기와 번식기를 고려하여 포획을 종료하였다.

Table 1.

Study sites and locations of Pelophylax nigromaculatus

각 연구지역에서 토양과 내부 물을 채집하여 분석하였다. 토양은 지표면 3-5 cm를 제거한 후 채집하여 지퍼백에 밀봉하였으며, 물은 멸균된 채수병에 담아 냉장 보관한 후 연구실로 운반하여 분석하였다.

각 연구지역에서 크기, 무게, 성별에 상관없이 무작위로 참개구리 5마리를 포획하였다. 개체는 에탄올(Ethanol absolute, Merck, 95-100%)로 안락사시킨 후, 디지털 캘리퍼스(H500-20 DIGIMATIC CALIPER, 200 mm, Mitutoyo)와 휴대용 전자저울(W-500, WellDot, China)을 이용하여 주둥이로부터 항문까지의 신장인 SVL(Snout-vent length)과 체중(Weight)을 측정한 뒤 냉동 보관하였다. 성별(Sex)은 생식혹(Nuptial pad) 유무 또는 해부 후 난소(Ovary)와 정소(Testis)의 존재 여부로 확인하여 기록하였다(Table 2).

Table 2.

Morphological variation of Pelophylax nigromaculatus by region

3. 결 과

3.1. 토양 분석 결과

토양 분석 결과 전 지역에서 아연이 가장 높게 검출되었으며, 카드뮴이 전 지역에서 가장 낮게 검출된 것으로 확인되었다. 아연의 경우 영월(250.30 ㎎/㎏)이 강릉(80.20 ㎎/㎏) 약 3배, 니켈의 경우 제주(57.90 ㎎/㎏)가 강릉(3.70 ㎎/㎏)보다 약 15.6배, 구리는 제주(42.40 ㎎/㎏)가 강릉(4.98 ㎎/㎏)보다 약 8.7배, 납은 제주(14.10 ㎎/㎏)가 강릉(5.60 ㎎/㎏)보다 약 2.5배, 비소는 영월(10.40 ㎎/㎏)이 강릉(3.17 ㎎/㎏)보다 약 3.3배, 카드뮴은 제주(0.60 ㎎/㎏)가 강릉(0.23 ㎎/㎏)보다 약 2.6배 정도로 높게 검출되었다(Table 3).

Table 3.

Heavy metal concentrations in soil and contamination thresholds (㎎/㎏)

토양환경보전법(Ministry of Environment, 1995) 중 토양오염우려기준으로 23개의 오염물질 기준을 지정하고, 지목에 따라 3가지 등급으로 분류하였다. 본 연구지역은 전·답으로 구성되어 있어 오염 기준 1 지역에 포함되며, 연구지역에서 검출된 중금속 평균을 토양오염기준과 비교한 결과, 니켈 1/4, 구리 1/8, 아연 1/2, 비소 1/4, 카드뮴 1/8, 납 1/17 등으로 검출되어 본 연구지역의 토양이 토양오염우려기준 이하로 안전한 수준인 것으로 확인되었다.

3.2. 수질 분석 결과

수질 분석 결과 전 지역에서 아연을 제외하고 불검출되었다. 강릉은 중금속이 불검출되었으며, 원주의 경우 0.005 ㎎/L로 가장 높게 검출되었고, 제주 0.004 ㎎/L, 영월 0.003 ㎎/L로 각각 검출되었다(Table 4).

Table 4.

Heavy metal content in the water quality (㎎/L)

3.3. 참개구리 중금속 분석 결과

참개구리의 중금속 분석 결과는 각 지역에서 채집한 개체의 간과 신장으로 구분하여 중금속 함량을 측정하였다. 특히 제주도의 경우 간과 신장의 니켈 10개와 납 6개 시료에서 검출되지 않아, 이를 통계적으로 처리하여 대체 값을 적용한 후 분석을 수행하였다. 평균적으로 총 4개 지역에서 간에서는 구리와 아연이 가장 높은 경향을 보였으며, 비소는 가장 낮은 경향을 나타냈다. 신장의 경우 아연이 가장 높고 그 다음으로 구리가 높은 것으로 나타났으며, 비소와 카드뮴이 낮은 경향을 나타냈다(Fig. 1, Fig. 2).

Fig. 1.

Comparison of heavy metal content distribution in liver.

Fig. 2.

Comparison of heavy metal content distribution in kidney.

또한, 인위적 교란이 발생하는 강릉(일반 농경지)과 영월(탄광)의 경우 간의 중금속 함량 순위는 구리 > 아연 > 납 > 니켈 > 카드뮴 > 비소 등의 동일하게 나타났다. 반면, 신장의 경우 4개 지역 모두에서 아연과 구리의 함량이 가장 높았으며, 다른 원소들의 순위는 지역에 따라 차이를 보였다. 일반 농경지인 강릉과 인위적 교란이 없는 제주(습지)의 경우 간에서는 구리와 아연, 및 납, 비소만 같은 순위를 나타내고, 신장의 경우 아연, 구리, 비소만이 같은 순위를 보였다. 전체적으로 간에서는 구리, 신장에서는 아연이 가장 높고, 비소의 경우 간과 신장에서 모두 가장 낮은 축적을 보였다.

그리고 강릉과 영월지역에서 중금속 농도가 높게 나왔으며, 제주 지역에서는 상대적으로 낮게 검출되었다. 신장에서는 니켈, 아연, 카드뮴, 납이 간보다 더 많이 축적되었고, 영월에서는 비소와 납 농도가 높아 지역의 환경적 오염원이 존재 가능성이 있다고 판단된다(Table 5).

Table 5.

Heavy metal accumulation(mean ± S.D, min, max, ㎍/wet.g) in the tissues of Pelophylax nigromaculatus

참개구리의 생리적 특성과 간과 신장 내 중금속 농도 간의 관계를 분석하였다(Fig. 3). 분석결과, SVL과 체중 간에는 매우 강한 양의 상관관계(r = 0.9593, p < 2.51×10⁻¹¹)가 나타났으며, 간에서는 니켈과 아연 농도 간에도 유의미한 양의 상관관계(r = 0.6447, p = 0.0021)가 나타났다. 반면, 신장에서는 니켈 농도가 SVL 및 체중과 각각 음의 상관관계(r = -0.5895, p = 0.0062; r = -0.5002, p = 0.0247)를 보였다. 한편, 간과 신장에서 검출된 중금속의 경우 다른 금속 간의 상관관계는 유의미하지 않거나, 상관계수가 낮아 강한 연관성을 나타내지 않았다(Table 6).

Fig. 3.

Correlation analysis between metal concentrations and morphological variables (liver and kidney).

Table 6.

Liver and kidney correlation analysis results

각 지역에서 축적된 중금속 원소들을 분산분석(One-way ANOVA)과 사후검정(Tukey's HSD test)을 한 결과, 간에서 니켈(F(3,16) = 3.906, p = 0.0287)은 영월과 강릉(p = 0.0316) 간에 유의한 차이를 보였으며, 비소(F(3,16) = 3.393, p = 0.0438)는 원주와 제주(p = 0.0298) 간의 유의미한 차이를 나타냈다. 다른 중금속 원소들은 유의미한 차이가 확인되지 않았다.

신장의 경우 비소(F(3,16) = 8.28, p = 0.0015)의 경우 영월이 강릉(p = 0.0137), 제주(p = 0.0012), 원주(p = 0.0151) 간의 유의미한 차이를 나타냈다. 아연과 카드뮴의 경우 간과 신장에서 모두 유의미한 차이가 없었으며, 구리는 간에서는 차이가 없었으나, 신장에서 유의한 차이를 보였다(F(3,16) = 3.53, p = 0.0391). 납의 경우 간에서는 차이가 없지만, 신장에서 지역 간 유의한 차이를 나타냈다(F(3,16) = 3.42, p = 0.0428).

각 중금속 원소에 대해 지역, SVL, 체중, 성별을 독립 변수로 설정하여 회귀분석(Regression analysis), 결정 트리 분석(Decision tree analysis), 랜덤 포레스트(Random forest) 분석을 한 결과, 상대적으로 SVL이 높은 중요도를 보였으나, 일부 중금속에서는 성별 및 지역도 중요한 요인으로 나타나, 중금속 종류 및 조직별 차이가 존재함을 시사하였다(Table 7).

Table 7.

Relative importance of factors influencing metal concentrations in liver and kidney

3.3. 생물축적계수(Bioaccumulation factor, BAF)

각 지역에서 검출된 중금속의 값을 BAF 공식에 대입하여 BAF 값을 도출한 다음 그래프로 출력하였고(Fig. 4, Fig. 5), 그다음 각 지역의 중금속에 대한 평균 및 표준편차 등의 값을 이용하여 분석하였다(Table 8). 총 6개의 중금속 원소 중에서 강릉의 간과 신장에서 구리가 약 6.6배로 축적 정도가 가장 높게 나왔으며, 제주의 간과 신장의 비소가 가장 낮은 약 0.009배로 축적된 것으로 나왔다.

Fig. 4.

Biological accumulation factor (BAF) of metals in liver by region.

Fig. 5.

BBiological accumulation factor (BAF) of metals in kidney by region. n liver by region.

Table 8.

BAF analysis of heavy metals (mean ± S.D, min, max) in liver, kidney, and soil

BAF 결과로 지역을 변수로 일원 분산분석(One-way ANOVA)과 사후검정(Tukey's HSD test)을 한 결과, 강릉에서는 간과 신장에서 대부분 중금속 BAF 값이 가장 높게 나왔고, 원주의 경우 간의 니켈, 신장의 비소가 상대적으로 높게 나왔다. 영월에서는 대체로 중간 수준을 보였고, 제주의 경우 모든 중금속에서 BAF 값이 가장 낮게 나왔다(Table 9).

Table 9.

BAF analysis of heavy metals: ANOVA and Tukey's HSD test results

4. 고 찰

생태계에 중간자 역할을 수행하는 양서류는 중요한 생물군임에도 불구하고, 이에 대한 보전 노력은 상대적으로 미미한 실정이다. 본 연구에서는 양서류의 서식 환경에 영향을 미치는 다양한 요인 중 중금속에 초점을 맞추어, 양서류의 중금속 생물축적 특성을 분석하고 이를 바탕으로 보전방안을 모색하였다.

본 연구에서 강릉, 영월, 원주, 제주 지역의 토양 중금속 함량을 분석하였으며, 지역별 축적 특성과 차이를 분석하였다. 전 지역에서 아연이 가장 높았고, 카드뮴이 가장 낮은 함량으로 검출되었다. 특히, 영월에서는 아연 농도가 가장 높았고, 제주 지역에서는 니켈, 납, 카드뮴이 강릉보다 상대적으로 높게 나타났다.

이러한 결과는 산업활동, 지질적 특성, 자연적 농도의 차이 등에 영향을 받은 것으로 해석된다. 이를테면, 영월 지역은 과거 탄광이 운영되던 지역으로, 중금속이 바람과 물에 의해 하부 수계로 이동하여 환경에 영향을 미칠 수 있다고 보고되었다(Jung et al., 2004). 반면, 제주 지역은 화산회토양에서 니켈의 평균 함량은 79.2 ㎎/㎏으로 보고 된 바 있으며, 이는 지역의 지질학적 특성이 중금속 농도 형성에 영향을 미칠 수 있는 요인으로 작용할 수 있다(Lim et al., 2008). 또한 국내 토양에서는 산업적 영향이 없는 지역에서도 일정한 수준의 중금속이 존재하는 것으로 확인되었다. 다양한 지역에서 채취한 92개 토양 시료 분석 결과, 지역별 지질 특성에 따라 자연적 중금속 농도의 차이가 나타났으며, 이는 자연적 배경 농도의 범위를 파악하는 데 활용될 수 있다(Yoon et al., 2009).

수질의 분석결과 아연을 제외한 모든 중금속이 검출되지 않았으며, 강릉의 경우 모든 중금속이 검출되지 않았으며, 영월(0.003 ㎎/L), 원주(0.005 ㎎/L), 제주(0.004 ㎎/L)에서는 미량의 아연이 검출되어 연구지역의 경우 수질이 중금속 오염으로부터 안전한 생태임을 보여준다. 또한, 수질의 경우 참개구리의 중금속 축적이 수질로부터의 직접적인 흡수보다는 외부의 먹이원이나 토양을 통해 이루어질 가능성이 크다. 이는 개체의 섭식 행동과 영양 단계에 따라 중금속 축적 양상이 달라질 수 있음을 의미하며, 양서류가 중금속에 노출되는 주요 경로로 수생 환경에서의 직접 흡수보다 섭식을 통한 생물축적이 더 큰 영향을 미친다고 보고된 바 있다(Smalling et al., 2021).

연구 대상 종으로는 참개구리를 선정하였으며, 주요 중금속 축적 장기인 간과 신장을 중심으로 중금속 농도 특성을 분석하였다. 분석결과 간에서는 지역에 따라 구리 또는 아연이 주요한 축적 원소로 작용하였으며, 신장에서는 모든 지역에서 아연의 축적량이 가장 높은 축적량을 나타냈다. 또한, 니켈과 납의 상대적 순위는 지역에 따라 차이를 보였다. 특히, 제주 지역에서는 납의 축적이 다른 지역보다 낮은 경향을 보였으며, 이는 해당 지역의 환경적 요인과 관련이 있을 가능성이 있다. 실제로, 우리나라 논 토양 중 중금속 자연 함량 연구(Kim et al., 1995)에서는 지역별 토양의 중금속 함량을 조사하였으며, 해당 연구에서 보고된 중금속의 최대 함량은 니켈 4.14 ㎎/㎏, 구리 60.80 ㎎/㎏, 아연 40.03 ㎎/㎏, 카드뮴 0.90 ㎎/㎏, 납 18.27 ㎎/㎏으로 검출되었다. 아연의 경우 본 연구 지역이 높게 나타났고, 니켈은 영월과 제주 지역만 높게 검출되었다. 구리, 카드뮴, 납의 경우 낮게 검출되었으며, 제주도의 경우 납은 최대 함량보다 낮게 검출되었다.

참개구리의 생리적 특성(SVL, 체중)과 간 및 신장 내 중금속 농도의 분석결과, SVL과 체중 간에는 매우 강한 양의 상관관계(r = 0.9593, p < 2.51×10⁻¹¹)가 확인되었으며, 이는 개구리의 성장 과정에서 SVL과 체중이 밀접하게 연관되어 있음을 나타낸다. 간에서는 니켈과 아연 농도 간에 유의미한 양의 상관관계(r = 0.6447, p = 0.0021)가 확인되었으며, 이는 두 금속이 간에서 비슷한 대사 경로나 흡수 및 배출 과정을 공유할 가능성을 나타낸다. 신장에서는 니켈 농도가 생리적 특성과 유의미한 음의 상관관계를 보였으며, SVL과 체중이 증가할수록 신장 내 니켈 축적이 감소하는 경향을 의미하며, 신장이 니켈 배출에 중요한 역할을 할 가능성을 나타낸다. 특히, 황소개구리(Lithobates catesbeianus)의 정상 개체와 기형 개체 간 중금속 축적에 관한 연구에서 기형 개체의 신장에서 납과 카드뮴 농도가 7~8배, 아연 및 구리 농도도 1.5~7배 정도 높은 것으로 나타나 신장의 기능이 중금속 배출뿐만 아니라 기형발생과 연관이 있을 가능성을 나타낸다(Lee and Ko, 2001).

한편, 간과 신장에서 검출된 다른 중금속 간의 상관관계는 대부분 유의미하지 않거나 상관계수가 낮아 강한 연관성을 보이지 않았으며, 이는 특성 금속들이 생리적 특성보다 환경적 요인에 의해 더 큰 영향을 받을 가능성이 있다. 이러한 경향은 선행 연구에서도 확인된 바 있으며, 참개구리 배아를 대상으로 한 연구에서 중금속 니켈과 농약의 한 종류인 Tebuconazole에 노출된 개체에서 사망률과 기형률이 증가하였다(Ko, 2012). 또한, 질산납(Pb(NO₃)₂)이 개구리 배아의 발달 과정에서 성장률을 저해한다는 연구에서도 특정 중금속이 개구리의 생리적 특성에 영향을 미치는 것으로 나타났다(Lee and Ko, 2017). 본 연구에서는 개체의 생리적 특성이 일부 중금속 축적에 영향을 미치지만, 환경적 요인이 중요한 영향을 미칠 가능성이 있으며, 이는 선행 연구와 유사한 결과이다.

분산분석과 사후 분석결과 참개구리의 중금속 축적 양상이 간과 신장에서 상이하게 나타났으며, 일부 중금속의 경우 지역 간 오염원과의 연관성이 있을 가능성이 높게 나타났다. 특히 신장에서 비소의 농도가 영월에서 유의미하게 높은 점은 해당 지역의 환경적 요인이 참개구리 개체군의 중금속 축적에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다.

상대 중요도 분석 결과 SVL이 여러 중금속에서 상대적으로 높은 중요도를 보였으며, 주요 예측 변수 중 하나로 작용하는 경향을 나타냈다. 이는 개구리의 생리적 특성이 중금속 축적과 밀접한 연관이 있음을 보여준다. 그러나 일부 중금속에서는 성별과 지역도 중요한 변수로 나타났으며, 특정 중금속에서는 개체의 생리적 요인보다 서식 지역의 환경적 요인이 더 큰 영향을 미칠 가능성이 있었다. 이러한 결과는 개구리의 생리적 특성과 환경적 요인이 중금속 축적에 복합적으로 작용함을 의미한다.

모든 개체의 중금속 농도를 각 지역의 토양 중금속 농도로 표준화하여 BAF 값을 산출하여 비교하였다. 그 결과 강릉과 원주 지역의 참개구리에서 상대적으로 높은 중금속 축적량이 확인되었으며, 이는 해당 지역이 다른 지역보다 중금속 오염의 영향을 더 크게 받을 가능성이 있음을 보여준다. 반면 제주 지역의 경우 중금속 축적량이 가장 낮아, 상대적으로 청정한 환경을 유지하고 있을 가능성이 높았다. 또한, 간에서는 구리와 아연 등의 필수 금속이 많이 축적된 반면, 신장에서는 니켈, 납 등의 독성 금속이 더 많이 축적되는 경향이 나타났다.

본 연구는 참개구리를 대상으로 중금속 축적 특성을 분석하여 서식지 환경과 개체의 생리적 특성이 중금속 축적에 미치는 영향을 확인하였으며, 이를 통해 양서류가 중금속 축적의 지표 생물로서 중요한 역할을 수행할 수 있음을 검증하였다. 이러한 결과는 서식지 보전과 환경 관리의 필요성을 강조한다.

특히, 본 연구 결과는 환경 변화에 따른 양서류의 중금속 축적 양상을 이해하는 데 기여할 수 있으며, 지역별 오염원을 평가하는 중요한 기초자료로 활용될 수 있다. 또한, 참개구리를 이용한 생물지표 연구를 통해 지역 생태계의 건강성을 평가하고, 중금속 오염 관리 전략을 수립하는 데 유용한 자료가 될 것으로 보인다.

향후 연구에서는 개구리의 생리적 특성과 중금속 축적 간의 상호작용을 보다 정밀하게 분석하고, 장기적인 모니터링을 통해 환경 변화에 따른 중금속 축적의 시간적 변화를 평가하는 것이 필요하다. 이를 통해 양서류를 활용한 생태계 건강성 평가 체계를 구축하고, 보다 효과적인 환경 보전 및 오염 관리 방안을 마련하는 데 기여할 것으로 기대된다.

Acknowledgments

본 연구에 야생동물 포획허가서를 허락해준 강릉시, 영월군, 원주시, 제주시의 관계자와 많은 지원과 관심을 주신 ㈜애일의 이상기 소장님, 권순직 박사님, 한승필 이사님, 김강일 박사님에게 감사드리며, 인천대학교 동물분류학실험실의 Bayarsaikhan Ulziijargal 선생님, 김한울 선생님, 김정호 선생님의 연구 조언에 감사드립니다.

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