국내 담수어류종 탐지를 위한 환경 DNA 활용 가능성 연구, 수족관실험 중심으로

Abstract

급격한 산업화에 의한 도시개발과 자연재해 등으로 인해 무분별한 발전이 아닌 지속가능한 발전에 대한 중요성이 대두되고 있다. 그중에서도 도시생태계는 대기오염 완화, 경관 향상 등 인간이 살아가는데 있어 중요한 요소를 가지고 있으며 특히 담수생태계는 전 지구상에서 1%도 안 되는 면적 대비 다양한 생물 종들이 서식하고 있어 보전이 매우 중요하다. 또한 도시 수생태계는 농업, 도시화 등의 서식지 손실, 수질 오염 등으로 인해 육지 생태계보다 더 많은 위협을 받아 빠르게 현황을 파악할 수 있는 생태계 모니터링을 통한 보전과 관리가 필요하다. 그러나 기존의 전통적인 수생태계 모니터링 방식은 그물이나 전기 낚시 장비 등을 이용한 물리적인 채집과 샘플링을 통한 육안 및 흔적조사를 실시하여 정확한 식별이 어렵고 분류를 위한 전문지식을 필요로 하여 많은 비용을 소요하고 있다. 그리고 조사자들의 조사일수, 기간, 방법 등에 따라 분석 결과에 차이가 발생된다. 게다가 유기체가 수면 아래에 숨어 있다는 특성에 따라 대상종 포획 확률이 낮아져 개체수가 적은 희귀종의 경우 조사 결과에 오류를 유발할 수 있다. 신뢰성을 높이기 위한 해결책은 조사 횟수와 장비를 개선하는 것이나 이는 경제적, 시간적 한계가 발생한다. 따라서 도시생태계의 종·서식지의 건강성을 높이고 취약성을 최소화하기 위해서는 정확성이 향상되고 신뢰성이 확보된 새로운 모니터링 방식이 필요로 하다. 근래에는 기존 조사 방식 대비 신속하고 감도가 높은 환경DNA 기술을 이용하여 자연 환경 내 특정 종을 모니터링 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 선행연구에 따르면 저농도 상태에서도 수생생물의 존재 유무 확인할 수 있음이 증명되어 자체적인 기술 분석 및 희귀종 및 침입종 등을 탐지하는 연구도 진행되고 있다. 국내에서는 생물종 DNA 바코드를 구축하고 있으나 아직까지 환경DNA 기술을 통한 특정종 모니터링은 부재중으로 국내 자체적으로 적합한 방법의 모니터링 기법을 개발하고 표준화할 필요가 있다. 본 연구에서는 국내외 서식환경 및 종 구성현황이 다르기 때문에 발생할 수 있는 문제점들을 확인하여 국내 담수생태계 모니터링에 적용하여 진행할 수 있을지 파일럿 실험을 통하여 잠재성을 확인하고자 한다. 더 나아가 국내 자체적인 환경 DNA 기술 도입 및 활용을 위한 개선사항과 추후 발생하게 될 한계점에 대해 고찰하고자 한다. 본 연구는 경기도 해양수산자원연구소 내 민물고기 생태학습관을 연구대상지로 설정하여, 수족관 내 어류를 대상으로 특정 종 탐지 및 정확성을 분석하였다. 실험방법으로 먼저 대상지 내 시료(물)를 채수한 후 필터로 DNA 분석에 필요한 어류의 조직이나 비늘을 모은다. 추출된 환경 DNA를 PCR 및 시퀀싱 과정을 거쳐 분석한다. 이후 기존의 MiFish pipeline 내 DNA 데이터를 이용하여 종을 검출하여 기존 종 현황과 비교한다. 해당 과정은 Miya et al(2015)의 실험방법을 준용하였으며 NICEM의 협조 하에 환경 DNA 분석이 진행되었다. 본 연구에서는 수족관에서 약 5개월간에 걸쳐 3차례의 방문을 통해 16개의 시료(7목 11과 50종)를 채취하였다. 그 결과 총 7목 11과 50종 중 7목 11과 45종(90%)이 검출되었다 추가적으로 Total read 수는 전체 어종 중에서는 붕어(Carassius carassius)가 408,159로 가장 수치가 높았고 밀어(Rhinogobius brunneus)가 71로 가장 낮았다. 이는 환경 DNA 기술 및 기존의 생물종 DNA 데이터베이스를 적용하여 다양한 환경 조건 내에서도 국내 서식하고 있는 대부분의 민물고기 어종이 검출가능하다는 것과 1회의 조사로 90% 이상의 검출율을 보인다는 점에서 의의가 있다. 검출되지 않은 종들 수족관 내의 환경과 채수자에 의한 오염, 해외에서 사용되는 기존의 종 데이터목록을 그대로 적용했던 것 등의 요인들에 의해 발생된 것으로 파악된다. 이를 보완하기 위해서는 기초 단계인 자체 설계 수조 실험을 통해 대조군을 찾아 보완하고, 국내 자체 종 목록을 구축하는 것이 필요할 것으로 보이며 추가적으로 진행될 예정이다. 본 연구의 결과는 추후 국내 담수 생태계뿐만 아니라 전반적인 생태계 모니터링 기법을 개발하고 적용하는데 도움을 줄 수 있다. 이는 환경 DNA 분석 및 도입과정에 대한 이해도 증진 및 모니터링 시간과 효율을 극대화시키는데 기여할 수 있다.

Urban development and natural disaster coming from industrialization have led people consider of sustainable development. Urban ecosystem has many important factors for human like alleviation of air pollution, beautiful landscape, heath and so on. Expecially, freshwater ecosystem has highly quality of various species in 1% of global site. But the urban freshwater are being menaced by major development projects like Industrialization, agriculture and dishwater. So it is necessary to perform reliable monitoring in real time and multidimensional approach. But conventional traditional monitoring methods of freshwater ecosystem are mainly focused on visual and tracing research and monitored by physical sampling and sampling using nets or electric fishing equipments which makes it difficult to accurately identify and requires expertise for classification and high expenditure. In addition, there is a difference in the analysis results depending on the surveyors style(periods, methods and so on). Furthermore, the probability of catching the target species is lowered by the characteristic that the organism is hidden under the surface of the water. Therefore, rare species with a small population may cause errors in the survey results. For improving the reliability of result, It need to develop the overall quality of investigations and equipment, Environmental DNA is the topic that is widely dealt with in research of ecosystem monitoring. Because It is faster and more sensitivity rather than the conventional monitoring method of river ecosystem, which has the limited to detect the species hidden in water space. Follow the presedent research, it has been proved internationally that eDNA can be used to distinguish the presence and distribution of aquatic organisms at low concentrations and this technique is used to detect rare or invasive species. In Korea, It have to develop and standardize appropriate monitoring methods for eDNA in the absence of fauna monitoring through eDNA. Therefore, in this study, we try to analyze and conduct experiment whether internationally applied eDNA analysis method is applicable to domestic freshwater ecosystem fish monitoring. Furthermore, we want to develop a monitoring method suitable for domestic technology introduction. In this research, the process is this. 1) Collecting and filtering the water sample in the Freshwater Fish Ecological Learning Center in Yangpyeong, Gyeonggi Do. 2) Analyzing and sequencing the extracted eDNA.(by Hiseq 2500) 3) Matching the result with the DNA database by MiFish pipeline.(the method of Miya et al(2015) Also, Sequencing processes were cooperated with NICEM, DNA was extracted by using MO-bio extraction kit, and the results were compared with actual fish species data in laboratory. We conducted to sampling sixteen water samples (50 species from 7 orders and 11 families) in 47 tanks by three visits during 5 months. We made a comparison between the result of eDNA and the real information of aquarium. As a results, we monitored 45 species(90%) of the result was matched with real data. The highest number of total read is 408,159(Carassius carassius) and the lowest is 71(Rhinogobius brunneus). The result of our study highlight that It is possible the monitoring species by just once of the eDNA methods in diversity field and the consist of species. It is assumed that 5 species (10%) were not detected because of the pollutions such as the environment of aquarium, sampling collectors, and using not the own domestic database. To compensate this result, we will reduce the error by designing a test of additional water tank and producing the own species database. The results of this study can be used to develop and apply appropriate monitoring from the freshwater space to the whole ecosystem. It can be contributed to understanding the eDNA technology in Korea and improve the overall quality of the ecosystem monitoring.