기후변화와 인간 활동의 복합적인 영향으로 전 세계의 많은 호수에서 부영양화와 남세균(시아노박테리아) 번성 현상이 발생하고 있다. 남세균에 의해 생성되는 마이크로시스틴은 식수 안전에 심각한 위협이 되고 있다.

중국과학원 난징 지리 및 호소 연구소의 두안 훙타오(DUAN Hongtao) 교수가 이끄는 연구팀은 최근 위성 데이터를 기반으로 호수 네 마이크로시스틴의 인체 건강위험성을 평가하는 체계를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 지난 9월 18일 『워터리서치(Water Research)』에 게재됐다.

두안 교수는 “마이크로시스틴은 빛을 흡수하거나 산란시키지 않아 광센서로 직접 감지할 수 없다”라며 “위성에서 마이크로시스틴을 모니터링하는 핵심은 원격 감지 신호와 연동하는 대리광학 수질 매견변수를 찾는 것”이라고 설명했다.

이번 연구의 제1저자인 심 밍(SHEN Ming) 박사는 “마이크로시스틴은 남세균의 2차 대사산물이기 때문에 클로로필-a 및 피코시아닌 등의 색소 농도와 연관성을 갖고 있다”라며 “특히 피코시아닌은 남세균의 독특한 색소로 마이크로시스틴과 유사한 환경적 요인에 반응한다”라고 설명했다.

이 관계를 활용해 연구팀은 마이크로시스틴 건강위험성에 대한 ‘2단계’ 원격 감지 평가 체계를 개발했는데, 피코시아닌 농도에 대한 개선된 무작위 포레스트 회귀 모델(Random Forest Regression Model)을 개발하고 마이크로시스틴을 파생된 피코시아닌 농도로부터 추정했다. 그 후, 위험 지수 방법을 사용해 마이크로시스틴의 건강위험성을 평가했다.

분석 결과, 중국 동부 지역의 대부분의 대형 호수는 한 번 이상 1픽셀(300m×300m)을 초과하는 고위험의 남세균 번성을 경험했지만, 고위험 빈도는 대부분 수역에서 1% 내외에 불과한 것으로 나타났다. 이는 여전히 대부분의 수역을 먹는 물의 상수원으로 지정할 수 있다는 것을 의미하지만, 관리당국의 남세균 번성에 대한 대책이 필요하다는 것을 보여준다.

두안 교수는 “우리의 연구는 마이크로시스틴 위험을 모니터링 및 평가하고 식수 안전을 보장하는 데 있어 위성 원격 감지의 잠재력을 강조한다”면서 “이는 지속가능한 개발 목표 6.1(안전하고 저렴한 식수)의 구현을 진전시키기 위한 기술적 참고 자료를 제공한다"라고 말했다.

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Satellite Helps Monitor Microcystin Risk in Lakes at Large Scale

Under the combined impact of climate changes and human activities, many lakes around the world are experiencing eutrophication and cyanobacterial blooms. Microcystins produced by cyanobacteria pose a serious threat to drinking water safety. 

Recently, researchers led by Prof. DUAN Hongtao from the Nanjing Institute of Geography and Limnology of the Chinese Academy of Sciences have developed an assessment scheme for human health risks of microcystins in lakes based on satellite data.  

The research findings were published in Water Research on Sept. 18. 

"Microcystins do not absorb or scatter light, making them undetectable by optical sensors directly," said Prof. DUAN. "Therefore, the key to monitoring microcystins from satellites is to find a surrogate optical water quality parameter that links them to remote sensing signals."  

"Microcystins are secondary metabolites of cyanobacteria, so they have good relationships with pigment concentrations such as chlorophyll-a and phycocyanin," said Dr. SHEN Ming, first author of the study. "In particular, phycocyanin is a unique pigment of cyanobacteria and responds to environmental factors similar to microcystins." 

Utilizing this relationship, the research group developed a "two-stage" remote sensing assessment scheme for microcystins health risks: an enhanced random forest regression model for phycocyanin concentration was developed, and the microcystins were estimated from derived phycocyanin concentrations. Subsequently, the hazard quotient method was used to evaluate the health risks of microcystins. 

The analysis showed that in eastern China, most large lakes have experienced high risks exceeding one pixel (300m×300m) at least once, but the frequency of high risks is only around 1% in most water areas. This indicates that from the perspective of microcystins, most water bodies can still be designated as water sources for drinking water, but management authorities need to take measures against cyanobacterial blooms.

"Our study emphasizes the potential of satellite remote sensing in monitoring and assessing microcystins risks and ensuring drinking water safety. It provides a technical reference for advancing the implementation of the Sustainable Development Goal 6.1 (safe and affordable drinking water)," said Prof. DUAN.

[출처 = 중국과학원(Chinese Academy of Sciences)(https://english.cas.cn/newsroom/research_news/earth/202310/t20231011_378657.shtml) / 2023년 10월 11일]

[번역 = 배민지 차장]