Seawater intrusion(SWI) is a critical driver of coastal groundwater quality deterioration and ecosystem alteration in Korea. This study summarized domestic and international studies to assess the chemical changes and microbial community dynamics associated with SWI. The results showed that coastal aquifers in Korea are primarily characterized by Na-Cl and Ca-Cl types, with cation exchange playing a dominant role in geochemical process. Microbial communities shift with salinity, being dominated by freshwater species under low-salinity conditions and by marine or halophilic species under high-salinity conditions. In highly-salinity conditions, anaerobic ammonium oxidation and sulfate reduction processes become more pronounced, potentially leading to fluctuations in nitrogen and sulfur compounds, mobilization of heavy metal, and greenhouse gas emissions. These findings highlight that SWI induces not only water quality degradation but also a fundamental restructuring of groundwater ecosystems, emphasizing the necessity of integrated management approaches that incorporate both chemical and biological indicators.

Keywords: Seawater intrusion, Groundwater quality, Salinity, Microbial communities, Biogeochemical process

지하수는 농업용 및 생활용으로 활용되는 핵심 담수 자원이지만, 최근 해안 지역을 중심으로 해수 침투(seawater intrusion, SWI) 현상이 심화되면서 그 수질에 대한 우려가 커지고 있다(Ataie-Ashtiani and Ketabchi, 2011). 해수 침투는 해수가 담수 대수층으로 유입되는 현상으로, 해수면 상승(Sherif and Singh, 1999), 조석 작용 그리고 과도한 지하수 취수(Chatton et al., 2016) 등 자연적·인위적 요인이 복합적으로 작용하여 발생한다. 이로 인해 해수―담수 경계면이 내륙 방향으로 확장되어 지하수 염도 증가와 수질 악화를 초래하게 된다. 현재 전 세계적으로 100개국 이상에서 해수 침투 발생이 보고되었고, 해안 대도시의 약 32%는 이에 따른 수질 오염 위험에 노출된 것으로 추정된다(Cao et al., 2021). 중국 라이저우만에서는 과도한 지하수 취수로 인해 과거 해수 기원의 고염도 지하수와 일부 해수가 내륙으로 이동하며 해수 침투가 발생했고, 염수 전선이 25.4 km까지 확장되어 토양 염류화 및 농업 생산성 저하 등의 피해가 보고되었다(Han et al., 2014). 이 밖에도 리비아(Tripoli), 이탈리아(Porto Torres), 이집트(Baghoush) 등지에서도 지하수 내 염분 증가로 농업용수 및 생활용수 이용이 제한되고 있다(Telahigue et al., 2020). 기타 관련 사례는 Table S1에 기술하였다. 이러한 사례들은 해수 침투가 단순한 염도 상승 문제를 넘어, 지하수 수질 변화와 직접적으로 연결된 핵심 환경 이슈임을 보여주며, 통합적 연구의 필요성을 더욱 부각한다.
Fig. 1은 1975년부터 2024년까지 지하수 수질(ground water quality, GWQ), 해수 침투(SWI), 두 주제를 통합한 연구(Both)의 논문 수 추이를 나타낸다. 전체 논문 중 GWQ 관련 연구는 87.2%로 가장 큰 비중을 차지한 반면, SWI와 Both는 각각 10.5%와 2.4%에 불과하였다. 특히, GWQ 관련 연구는 2000년대 이후 급격히 증가하였으나, SWI 및 Both 주제 연구는 상대적으로 미미한 증가에 그쳤다. 이는 지하수 수질 연구는 활발히 이루어지고 있지만, 해수 침투의 영향까지 포괄하는 다학제적·통합적 접근이 부족함을 보여준다. 이러한 연구적 공백은 해수 침투로 인한 수질 및 생태계 변화의 복합적 영향을 정량적으로 규명하거나, 장기 예측 및 대응 모델 개발 및 연구에 있어 한계로 작용할 수 있다.
해수 침투는 지하수 수질뿐만 아니라 미생물의 군집 구조와 기능에도 중대한 영향을 미친다. 침투 발생 시 염도 상승에 의해 지하수 내의 기존 담수성 미생물은 감소하고, 혐기성·해양성 미생물이 우점하게 된다(Héry et al., 2014; Sang et al., 2018; Kaown et al., 2021, Lew et al., 2022). 최근에는 미생물 군집 변화뿐만 아니라, 생지화학적 기능 전환에 주목하는 연구가 증가하고 있으며(Delgado-Baquerizo et al., 2018), 기능 기반 미생물을 활용한 생태예측분석기법(FAPROTAX 등)이 도입되고 있다. 염분의 증가는 특정 미생물 군집의 생존 및 활성에 영향을 줌과 동시에, 핵심 생태 기능의 감소 또는 재구성을 초래하여 지하수 환경의 기능적 안정성을 위협할 수 있다.
우리나라 또한 해수 침투의 영향을 받고 있으며, 특히 지하수 의존도가 높은 제주도에서는 해안 지역을 중심으로 해수 침투가 심화되고 있다(Unno et al., 2015). 또한, 내륙의 리아스식 해안선 구조와 큰 조차를 가진 지역들 역시 해수 침투에 취약한 것으로 분석되며(Park et al., 2005), 해수면 상승과 과도한 지하수 이용은 해수 침투 발생 가능성을 더욱 높이고 있다. 그러나 현재 국내 대부분의 연구가 개별 지역 내에서의 지하수 화학적 특성 분석에 국한되어 있으며, 이러한 수질 변화가 생태계에 미치는 영향이나 여러 지역을 포괄한 전국적 규모의 해수 침투 영향 평가는 아직 충분히 이루어지지 않았다. 이는, 수질 변화가 미생물 군집 및 생지화학적 반응에 미치는 연계 효과와 해수 침투의 장기적·누적적 영향을 정량적으로 평가하기 위한 근거를 제시하는 데 제약으로 작용한다. 따라서 연안 지하수 자원의 지속 가능한 관리를 위해 화학적·생물학적·공간적 요인을 통합적으로 분석한 다학제적 접근이 요구된다.

본 연구에서는 국내 내륙 해수 침투 사례를 기반으로 지하수 수질 및 미생물 군집의 반응 특성을 비교하고자, Web of Science에서 2004년부터 2024년까지 발표된 문헌을 조사하였다. 이때, 제주도는 화산암 기반의 지질 특성과 해수 침투 영향이 강한 독특한 수문지질학적 환경을 지니고 있기 때문에(Kim, B. et al., 2011), 본 연구에서는 지질 및 수리 특성이 유사한 국내 내륙 해안 지역을 중심으로 분석을 수행하였다. 수질 관련 문헌은 “seawater intrusion”, “groundwater quality”, “korea”를 키워드로 검색하였으며, 제주도를 제외한 국내 내륙을 대상으로 침투에 따른 수질 변화가 명시적으로 기술되어 있고, 정량적 수치가 포함된 논문을 중심으로 선정하였다. 이 중 피인용 횟수가 높은 상위 14편을 최종 분석 대상으로 선정하여, 총 11개 지점의 수질 지표를 비교·정리하였다. 또한, 연구 대상 지역을 간단히 식별하기 위해 김제, 군산, 부산 수영구, 부산 연제구, 화성, 평택, 영광, 무안, 한국 연안, 양양, 울산 순서대로 알파벳(A-K)을 이용하여 표시하였다(Fig. 2).
미생물 군집 관련 문헌은 “seawater intrusion”, “groundwater”, “microbial community”를 키워드로 검색하였으며, 해수 침투로 인한 염도 변화가 미생물 군집 구성에 미친 영향을 정량적으로 분석한 문헌에 한해 포함하였다. 분석 기준은 Cl- 농도를 중심으로 설정하였으며, 염도 수준을 세 구간으로 나누어 군집 구조 및 기능의 차이를 비교하였다. 단순히 군집을 나열한 연구는 제외하였고, Cl- 농도 기반의 구간별 생태 반응을 비교·해석한 연구 중 총 19편을 최종 분석 대상으로 선정하였다.

해수 침투 여부 및 해수-담수 혼합 정도를 진단하기 위해 전기전도도(EC), 총 용존 고형물(TDS), 수소이온농도(pH), 온도 등의 기초 수질 지표가 널리 활용된다. 일반적으로, EC가 1,000 μS/cm 이상이면 해수가 담수에 침투한 것으로 해석하며(Appelo et al., 2005), 이러한 지표들은 현장에서 간편하게 측정할 수 있어 해수 침투 식별에 유용하고 효율적인 방법으로 간주한다. 총 양이온 농도(Na⁺ + K⁺ + Ca²⁺ + Mg²⁺)는 염분에 따른 수질 변화의 핵심 지표로 활용하며(Hem, 1985), 해수 기원이 명확한 Cl-, Br-, Na⁺, Mg²⁺, SO₄²-는 해수 침투를 정량적으로 판단하는 핵심 척도가 된다. 그러나 이러한 기초 지표만으로 해수의 영향을 정밀하게 분석하는 것에는 한계가 존재한다. 따라서 해수 침투에 의한 지하수 수질 변화 특성을 보다 정확하게 진단하고자 정성적·정량적 분석 방법이 병행되어 활용되고 있다. 대표적으로 수리화학적 지표, 이온 농도의 증감분석, 다변량 통계분석 등을 통합적으로 적용한다. 정성적 분석에서는 piper diagram이 주요 도구로 활용된다. 이는 주요 양이온(Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) 및 음이온(Cl-, SO₄²-, HCO₃-, NO₃-)의 상대적 조성을 시각적으로 표현함으로써, 지하수의 화학적 유형과 기원을 효과적으로 분류할 수 있다. 이 방법은 다양한 수질 시료 간의 특성과 해수―담수 간 혼합 패턴을 직관적으로 비교하는 데 유용하다. 정량적 분석에서는 Cl-/HCO₃-, Na⁺/Cl-, Cl-/Br-와 같은 이온비를 활용하여 해수―담수 혼합비율을 산정하고, 주요 이온 간의 상관성 분석을 통해 침투 경향을 평가한다(Lim et al., 2013). 또한, 단순 혼합 여부뿐 아니라 양이온 교환, 광물의 용해·침전, 점토광물의 흡착·탈착 등 주요 반응 기작을 정량적으로 규명하기 위해 보존적 지시 이온을 이용한 혼합 모델을 적용한다. 본 연구에서는 이러한 정성적·정량적 접근법을 종합적으로 활용하여, 연구 지역 내 지하수의 해수 침투 특성과 그 영향을 체계적으로 분석하였다.

국내 14개 지역을 대상으로 해수 침투 영향을 분석한 결과, 지역별로 지하수의 염도 수준과 수질 특성이 뚜렷하게 구분되었다. Cl^- 농도를 기준으로 저염도(£ 200 mg/L), 중염도(200-2,000 mg/L), 고염도(> 2,000 mg/L)로 구분하였으며(Fig. 3), 각 지역의 수질 지표를 Table S2에 요약하였다.
평택(F1-F4) 지역은 Cl- 농도가 최대 12,699 mg/L로 나타나 고염도 구간으로 확인되었다. 특히 네 차례 조사된 모든 시기에서 Cl- 농도가 담수의 일반 범위(10-100 mg/L)를 초과하였고, 해수 기원 이온인 Na⁺, SO₄²-, Mg²⁺ 역시 평균적으로 높은 농도를 보였다. 또한, 시료 간 편차가 크지 않아 조사된 대부분의 지하수 시료가 해수 침투에 따른 염분화가 진행되고 있음을 시사한다. 화성(E1, E2) 지역은 모두 EC와 Cl⁻ 농도에서 해수의 영향을 받은 것으로 확인되었다. 2015년 8월(E1)은 EC 388.2-1,107.7 μS/cm (중앙값 607.6 μS/cm)과 Cl- 1.0-2.7 mg/L(중앙값 1.8 mg/L)로 저염도-중염도 수준이었으며, 2016년 3월(E2)은 EC가 최대 2,165 μS/cm, Cl⁻ 1,354-1,759.5 mg/L(중앙값 1,759.5 mg/L)로 해수 영향이 더욱 뚜렷해졌다. 따라서 화성 지역은 시기별 변동성이 존재하나 전반적으로 중염도 지역으로 평가된다. 군산(B), 울산(K) 지역은 대부분 Cl- 중앙값이 100 mg/L 이하로 나타났고, EC와 Br- 농도 또한 낮았다. 이들 지역의 Cl-, Br- 농도, EC 범위는 고염도 지역과 뚜렷한 차이를 보였으며, 특히 울산은 장기적으로(2008-2014) Cl- 중앙값이 약 9.1 mg/L, EC가 198 μS/cm로 확인되어 전반적으로 담수 특성을 유지하였다.
김제(A1, A2), 영광(G1, G2), 양양(J1, J2) 지역은 채취 시기에 따라 염도 수준에서 명확한 차이를 보였다. 김제의 경우, 두 시기 모두 EC 평균값이 2,000 μS/cm을 초과하여 해수의 영향을 받는 것으로 판단된다. 또한, Cl⁻ 농도는 1999년 5월에는 4.6–2,145 mg/L 범위(중앙값 346.3 mg/L)였으나, 같은 해 7월에는 17.9–3,563 mg/L(중앙값 788.3 mg/L)로 증가하였다. 따라서, 염분 수준이 저염도에서 중염도로 상승하였다. 영광은 전반적으로 EC가 5,000 μS/cm 이상으로 해수 영향이 매우 강하게 나타났다. 2001년 5월 Cl⁻ 농도는 최댓값 7,485.3 mg/L, 중앙값 1,525.9 mg/L로 중염도에 해당하였으나, 2002년 1월에 중앙값이 5,585 mg/L로 증가하여 고염도 수준을 보였다. 양양의 경우, EC는 측정되지 않았으나, 2월 시료의 중앙값은 1,739 mg/L로 중염도에 해당하였고, 5월 시료의 중앙값은 2,048 mg/L로 고염도에 해당하였다. 종합하면, 세 지역 모두 채취 시기가 늦을수록 Cl⁻ 농도가 증가하는 경향을 보였으며, 이는 조사 기간 동안 해수 영향이 점차 강화되었음을 시사한다. 특히, 부산(C), 영광(G), 양양(J) 지역은 동일 도시 내에서도 큰 이질성을 보였다. 이는 같은 연안 지역 내에서도 해수 외 영향인 지질 구조, 수리 조건, 지하수 이용 조건 등의 요인에 따라 해수 침투 영향이 달라질 수 있음을 시사한다.
실제로 한국농어촌공사(KRC)에서 전국 총 277개소(도서 34개소, 해안 232개소)의 자료를 분석한 결과, 전체 관측공의 약 42%(112개소)가 농업용수 이용 금지 권고 대상으로 분류되어 해수의 높은 영향이 관찰되었다(MAFRA and KRC, 2024). 특히, 서해안 지역에서는 EC의 상승과 수위 저하가 동반된 심각 단계의 관측공 비율이 높았다. 반면, 동해안에서는 지질 구조가 상대적으로 견고하고 투수성이 낮아 해수 침투가 제한되는 경향을 보였다. 또한, 전남 신안, 경기 화성, 충남 태안의 저지대 충적층 및 농업용 관정 밀집 지역에서 Cl^-/HCO₃ 몰비가 2.8 이상, EC가 3,000 μS/cm 이상으로 해수의 영향이 크게 관찰되었지만, 화강암 기반의 강원 지역과 지하수 이용이 상대적으로 적은 경북 지역에서는 Na-HCO₃형의 담수 특성을 유지하여 해수 영향이 상대적으로 적은 것이 확인되었다.
결론적으로, 국내 지하수의 해수 침투 영향은 지역별로 큰 차이를 보이며, 이는 지질 구조와 지하수 이용 조건에 따라 침투의 강도와 분포가 달라짐을 보여준다. 또한, 해안선 근접도(McDonald et al., 1998), 수리 조건(Badaruddin et al., 2017) 역시 해수 침투 거동에 중요한 영향을 미치므로, 지역의 지질·수문학적 특성을 반영한 맞춤형 해수 침투 대응 전략의 수립이 시급하다.

5.1. 지하수 화학적 유형 분류: Piper Diagram
국내 연안 지하수의 화학적 조성은 Na-Cl, Ca-Cl, Ca-HCO₃ 유형으로 구분하였다(Fig. 4). 분류 과정에서 GWB(Geochemist’s WorkBench 2023)를 사용해 주요 양·음이온 농도를 meq/L로 변환 후 중앙값으로 표현하였으며, 범례는 염도 구간을 색으로 구분하여 상대적인 Cl- 농도 수준을 나타내었다. 대부분의 시료는 해수의 강한 영향을 받은 대표적인 유형인 Na-Cl 유형에 해당하였으며, 일부는 해수의 영향이 상대적으로 약한 혼합형 수질인 Ca-Cl 유형에 분포하였다. 한편, 본 연구에서는 Na-HCO₃ 유형은 관찰되지 않았다.
5.1.1. Na-Cl 유형: 전라북도 김제, 강원도 양양
Na-Cl 유형에는 A1, A2, E1, E2, J1, J2, G1, G2, F3 지점이 포함된다(refs 35, 31, 32, 39, 40, 45). 이 지점들은 모두 Cl- 농도가 높고, Na⁺가 주요 양이온으로 우세한 특징을 보여 해수의 영향을 강하게 받은 전형적인 해수 침투 사례로 판단된다. 전라북도 김제 지역(A1, A2)은 강 하구에 형성된 넓은 갯벌을 바탕으로, 인구 증가에 따른 간척사업이 지속해서 진행되었고(Namgung, 1990), 이러한 인위적 간척 활동이 해수 침투를 유발하는 주요 요인으로 작용하였다. 실제로 간척지 지하수의 용존산소(DO)와 산화 환원 전위(ORP)는 환원적 환경으로의 전이되는 양상을 보였으며(Kim, J.-H., 2013), 이는 외부 염수 유입과 관련된 지화학적 변화로 해석된다. 또한, 쥐라기 화강암 기반암 위에 제4기 점토층, 세립질 모래층, 조립질 모래층이 누적된 지질 구조를 가지는데, 이때 조립질 모래층은 높은 투수성을 가져(Park et al., 2001; Kim, J.H. et al., 2003), 해수 또는 해수화된 지표수가 육지 방향으로 침투할 수 있는 환경을 제공한다. 강원도 양양 지역(J1, J2)은 동해안 저지대 충적층에 위치하며, 해수면과 고도 차가 거의 없는 농경지가 분포한다. 이 지역에서는 집중적인 지하수 양수가 이루어지는 벼 재배 시기와 강수량이 적은 건기에 지하 수위가 하강하여 해수의 내륙 침투를 유도한다(Kim, D.M. et al., 2014). 또한 투수 계수가 낮은 실트질 모래 및 점토질 충적물로 이루어져 해수―담수 혼합 경계면이 내륙 방향으로 천천히 이동하거나 정체될 수 있는 조건을 형성한다. 이처럼 Na-Cl 유형은 단순히 화학 조성만이 아니라, 지형·지질 조건과 인위적 요인이 해수 침투를 촉진하는 주요 인자로 작용하고 있음을 보여준다.
5.1.2. Ca-Cl 유형: 전라남도 무안, 전라북도 군산
Ca-Cl 유형은 D, I, H, B, F1, F2, F4 지점에서 확인되었으며(refs 73, 46, 67, 37, 45), 주로 하구 주변의 충적층 및 삼각주 지역에 위치한다. 이 유형은 해수와 담수의 혼합 이후, Ca²⁺와 Na⁺ 간 양이온 교환 반응이 뚜렷하게 나타난다. 전라남도 무안 지역(H)은 넓은 갯벌과 간석지에 발달한 전형적 충적 지대로, 밀물·썰물 주기에 따라 담수와 해수가 반복적으로 혼합된다. 이러한 환경은 Cl- 농도가 상대적으로 높게 나타나는 동시에 Ca²⁺ 농도가 유지되거나 증가하는 특성을 보인다. 또한, 선캄브리아기 편마암 및 편암 기반암 위에 쥐라기 대보 화강암이 관입하고, 그 위를 백악기 유천층군과 제4기 충적층이 덮고 있는 복합 지층 구조로 되어 있어(Shin et al., 2020), 지하수 흐름과 해수 침투 경로에 영향을 주는 수리지질학적 조건을 형성한다. 실제로 무안은 해안 대수층에서 역수위 현상이 반복적으로 관측되었고, 건기 동안 EC가 상승해, 뚜렷한 해수 침투 영향이 나타났다(Kim and Yeo, 2014; Ju and Yeo, 2017). 전라북도 군산 지역(B) 또한 Cl⁻ 농도는 높게 유지되면서 Ca²⁺ 농도가 증가하는 경향을 보인다. 이는 Na⁺와 Ca²⁺가 이온교환 반응으로 형성된 Ca-Cl 유형이며, 주로 해수 침투 초기 단계에서 나타난다(Appelo and Postma, 2005). Lee and Moon(2008)은 실제로 군산 지역 지하수의 약 절반이 해수 침투의 영향을 받고 있으며, 특히 암반 대수층 시료에서 해수 기원 이온(Cl⁻, Na⁺) 농도가 우세함을 보고하였다.
5.1.3. Ca-HCO₃ 유형: 울산, 부산 수영구
Ca-HCO₃ 유형은 C, K 지점에서 확인되었다(refs 14, 41). 이 유형은 하구에서 떨어진 내륙부 충적층 지역에 위치하며, 상대적으로 해수 침투 영향이 제한적인 경우이다.
울산(C)은 Cl- 농도가 낮고 HCO₃-가 주요 음이온으로, 담수 조성에 근접하였다. 이는 해수의 영향이 미약하거나, 과거 해수 유입이 점차 희석되어 담수화가 진행되고 있음을 의미한다. 또한, 단층 및 파쇄대를 따라 형성된 균열대수층에는 반응성 광물이 분포하여, 해수 유입 시 이온교환 반응을 유도해 그 결과 보존성 음이온인 Cl⁻에 비해 Na⁺, Ca²⁺ 등의 양이온 조성이 변질된다(Kim Y.T. et al., 2018). 이러한 반응은 담수 특성이 일정 부분 유지되는 데 기여한다. 더불어 기반암 위 충적층에 분포하는 지하수는 강수 및 하천수의 지속적 함양을 통해 담수 기여가 강화되는 것으로 해석된다(Lee et al., 2007). 하지만, 울산은 Ca-HCO₃형과 Na-HCO₃형의 중간에 위치하여, 해수와 담수의 혼합이 부분적으로 진행 중일 가능성을 보여준다. 반면, 부산 수영구(K)는 수영강 하구와 해안선에 인접한 지역으로, Ca–HCO₃ 유형에 속하며 담수 특성이 뚜렷하다. 이 지역은 다양한 화성암과 퇴적암이 혼재된 복잡한 지질 구조를 가지며, 단열 발달의 불균질성으로 인해 지역별로 해수 침투에 대한 반응이 상이하게 나타난다(Korea Institute of Energy and Resources, 1978; Korea Institute of Energy and Resources, 1983). 또한, 지하철 터널 배수 등 인위적 요인으로 지하 수위가 해수면보다 최대 30 m 이상 낮아지는 현상이 발생하였으나, 하천수 유입이 함께 작용하면서 담수 조성이 일정 부분 유지되는 것으로 해석된다(Chung S.Y. et al., 2012). 따라서 부산 수영구는 해수 유입 요인이 존재함에도 담수 특성이 여전히 보존되는 사례다.
5.2. 이온 델타 분석을 통한 반응 기작 해석
양이온 교환 반응은 물질 변화 및 이동과 광물 풍화에 핵심적인 작용이며, 토양의 물리적 성질과 영양분 공급과도 밀접한 관련이 있다. 양이온 교환 반응은 해수와 지하수가 대수층 내에서 혼합될 때, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, X(토양 내 이온교환체) 사이에서 발생하며, 해수에서 유입된 Na⁺ 농도가 포화에 도달할 때까지 진행된다. 이 반응은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다:



이러한 반응의 기작을 규명하기 위해 본 연구에서는 보존적 지시자인 Cl-로 해수 혼합비(x)를 산정하고, Shin et al.(2020)에 따라 각 이온의 이론적 혼합 농도와 실제 측정값이 차이로 이온 델타(ΔC)를 정의한 보존적 혼합 모델을 사용하였다. 이를 통해 ΔCa²⁺, ΔMg²⁺, Δ(Na⁺ + K⁺) 값을 각각 x축과 y축으로 하는 2차원 그래프를 작성하여 사분면별 반응 특성을 해석하였다(Fig. 5).
국내 지하수는 사분면별로 다음과 같은 특성을 보인다. 제 1사분면(ΔCa²⁺ or ΔMg²⁺ > 0, Δ(Na⁺+K⁺) > 0)은 모든 이온 델타 값이 양의 값을 가지는 영역이다. 이는, 해수의 유입으로 Na⁺가 증가함과 동시에 탄산염 광물의 용해로 Ca²⁺와 Mg²⁺가 모두 증가하는 경우다. 제 2사분면(ΔCa²⁺ or ΔMg²⁺ > 0, Δ(Na⁺ + K⁺) < 0)은 양이온 교환 반응이 우세한 경우다. 해수로부터 유입된 Na⁺가 토양 내 이온교환체(X)에 흡착되고, 동시에 교환된 Ca²⁺ 또는 Mg²⁺가 용출되는 특징을 보이며, 이는 해수 침투 초기 단계에서 흔히 관찰된다. 제 3사분면(ΔCa²⁺ or ΔMg²⁺ < 0, Δ(Na⁺ + K⁺) < 0)은 모든 이온 델타 값이 음의 값을 가지는 영역으로, 해당 이온들이 광물 침전(precipiatation)에 의해 제거되는 과정이 우세하게 일어난다. 특히 Ca²⁺의 경우 칼사이트(calcite)의 침전으로 농도가 감소할 수 있다. 제 4사분면(ΔCa²⁺ or ΔMg²⁺ < 0, Δ(Na⁺ + K⁺) > 0)은 Na⁺가 과잉으로 존재하면서 Ca²⁺ 또는 Mg²⁺가 감소하는 영역이다. 이는 역방향 양이온 교환(reverse cation exchange)이 주요 기작이다. 일반적으로 Na⁺가 과포화된 조건으로 지질학적 특성에 따라 나타날 수 있으나 상대적으로 드물게 관찰된다(Shin et al., 2020). 본 연구에서는 이러한 사분면별 반응 메커니즘을 염도 구간별로 구분하여, 해수 침투에 의한 지구화학적 반응 특성을 분석하였다.
저염도 지역(K, D, B, I, C, H, A1)과 중염도 지역(A2, E2, E1, G1, J1) 대부분은 원점 근처에 분포하여 추가적인 이온교환이나 광물 반응 없이, 해수와 담수의 단순 혼합이 지배적으로 나타났다(Capuano et al., 2020). 반면, 고염도 지역(J2, F3, F1, F2, G2, F4)은 네 사분면에 걸쳐 분포하면서 다양한 반응 기작이 확인되었다. 해수의 강한 유입으로 인해 Na⁺, K⁺농도가 증가하고, 동시에 Ca²⁺ 또는 Mg²⁺의 방출이 두드러져 양이온 교환 반응이 지배적으로 작용한 것으로 해석된다. 이러한 결과는 해수 혼합 비율 증가에 따라 지하수 염도가 상승하고, 그 과정에서 Na⁺가 토양 교환체에 흡착되면서 Ca²⁺ 또는 Mg²⁺이 방출되는 양이온 교환 반응이 발생한다는 이전 보고(Shin et al., 2020)와 일치한다. 주목할 점은 일부 고염도 지역에서 동일 지역임에도 불구하고 채취 시기에 따라 제 1사분면의 광물 용해 반응과 제 3사분면의 침전 반응이 달라지는 경향이 나타났다는 것이다. 이는 해수 침투에 따른 염도 변화와 함께 지화학적 반응 단계가 달라짐을 의미한다. 이러한 결과는 고염도 지역에서 단순한 이온 거동을 넘은 다양한 지화학적 반응이 발생하며, 지질학적 특성이나 지역별 환경 조건에 크게 좌우됨을 보여준다. 이에 본 연구에서는 대표적인 고염도 지역 사례를 대상으로 이러한 반응 기작을 보다 구체적으로 규명하였다.
5.2.1. 평택(F): 계절적 수문 조건에 따른 반응 기작
고염도 구간에 속하는 평택(F)은 채취 시기에 따라 F1, F2, F3, F4로 구분되었으며, 그래프상에서 서로 다른 위치에 분포하여 뚜렷한 반응 기작의 차이를 보였다. 이는 해수 침투에 따른 지구화학 반응이 계절적 수문 변화에 민감하게 반응하며(Liu et al., 2017), 단순 혼합을 넘어 추가적인 반응이 활발하게 진행되었음을 의미한다.
F2는 해수 유입에 의한 양이온 교환 반응으로 Na⁺가 감소하고 Ca²⁺가 증가하여 (a)의 2사분면에 위치하였다. 또한, (b)에서는 3사분면에 분포하여 Mg²⁺가 점토 표면에 흡착되거나 돌로마이트 및 Mg-칼사이트 광물의 침전에 의해 감소한 것으로 해석된다. 이는 Mg²⁺가 돌로마이트(MgCO₃) 형태로 침전되거나 점토 표면에 쉽게 흡착되기 때문이다(Liu et al., 2017). F3은 Na⁺ 과잉에 의한 역교환 반응으로 Mg²⁺ 농도가 감소하였으나, 반응성이 높은 탄산염 광물의 용해로 Ca²⁺ 농도는 증가하여, (a)에서 1사분면, (b)에서 4사분면에 분포하였다. 주목할 점은 F2가 2000년 8월 우기에 채취된 시료임에도 불구하고 해수의 영향과 약산성 강우에 의한 탄산염 광물 용해가 우세하게 작용하여 Ca²⁺ 농도가 오히려 증가하였다는 것이다(Jampani et al., 2020). 반면, F3은 2001년 1월 건기에 채취된 시료로, 강우에 의한 희석 효과가 미미하였고, 해수의 영향이 지배적으로 작용하여 Ca²⁺ 증가와 Mg²⁺ 감소가 동시에 나타났다. 즉, 우기에는 강우로 인한 희석 효과보다 탄산염 광물 용해가 지배적으로 작용하고, 건기에는 해수 과잉으로 인한 탄산염 광물 용해가 우세하게 나타나 두 시기 모두 Ca²⁺가 증가하였다. 따라서 평택(F) 구간은 해수 침투에 따른 탄산염계 반응이 단순 희석 효과보다 우세하게 작용하는 대표적 사례로 해석된다.
5.2.2. 영광(G): 지질 특성 기반 반응 기작
고염도 지역인 영광(G2)에서 관측된 양이온 변화 특성은 해수 침투 이후 담수 유입 과정과 지질학적 배경이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다. 특히 Δ(Na⁺+K⁺)는 약 -70 mM, ΔMg²⁺는 -10 mM 수준을 보였으나, ΔCa²⁺는 뚜렷한 변화가 나타나지 않아 비교적 안정적으로 유지되었다. 이러한 현상은 단순한 해수-담수 혼합이나 탄산염계의 용해·침전이 아닌 점토광물 표면에서의 흡착·이온교환 반응에 따른 결과로 해석된다. 영광 지역은 해안 충적층이 넓게 발달하고, 세립질 실트·점토가 풍부한 퇴적층 위에 화강암 또는 셰일 기반암이 분포한다. 충적층은 스멕타이트(smectite)와 일라이트(illite) 등의 팽윤성 점토광물이 우세하게 분포하여 높은 양이온 교환 용량(CEC)을 가진다. 이러한 점토는 토양수 내 Na⁺, K⁺ 등 일가 양이온에 대해 높은 흡착력을 가진다. 따라서, 해수 기원의 Na⁺가 점토 표면에 흡착되면서 농도가 급격히 감소하였고, 동시에 Mg²⁺ 역시 점토 표면에서 선택적으로 제거되었다(Jeen et al., 2021; Appelo and Postma, 2005). 반대로 Ca²⁺는 해당 지역 점토광물과 낮은 친화력으로 인해 이온교환 반응에서 상대적으로 안정적인 값이 유지되었다(Shin et al., 2020). 즉, 영광 지역은 Cl- 농도가 높은 고염도 환경임에도 불구하고, ΔC 값이 단순 혼합과 일치하지 않고 제 3사분면에 분포하였다. 이는 해수 혼합만으로 설명할 수 없는 지질학적 배경을 반영하며, 특히 점토광물이 우세한 퇴적층의 존재가 해수 침투 이후 지하수 조성에 결정적인 영향을 주고 있음을 의미한다. 이러한 특성은 고염도 지역에서 지역별 지질 조건에 따라 반응 기작이 달라질 수 있음을 의미하며, 해안 지역 지하수 관리에서 단순한 수리적 분석을 넘어 토양 및 지층의 광물학적 특성 분석이 필수적임을 시사한다.

해수 침투는 지하수의 화학적 변화뿐만 아니라, 미생물 군집 구조에도 뚜렷한 영향을 미친다. 그러나 국내 선행 연구들은 주로 수질화학적 변화에 집중되었으며, 미생물 군집의 구조 변화를 통합적으로 분석한 사례는 매우 드물다. 이에 본 연구에서는 해외 문헌을 종합하여 해수 침투에 따른 미생물 군집 변화 특성을 정리하고, 향후 염도 변화에 따라 국내 지하수에서 예상되는 미생물 군집 구조 변화를 예측·분석하였다.
6.1. 염도 수준에 따른 미생물 군집 변화
미생물은 지하수의 산화환원 상태(ORP), 용존산소(DO), pH, 주요 무기이온(Cl-, SO₄²-, Ca²⁺ 등)의 농도 변화에 큰 영향을 받는다. 이러한 요인들은 해수 침투 발생 시 복합적으로 작용하여 미생물의 군집 구조에 중요한 영향을 미친다. Chen et al.(2020)은 RDA(redundancy analysis) 분석을 통해 미생물 OTU의 상대적 풍부도가 DO, ORP, Cl-등의 환경 인자에 의해 뚜렷한 영향을 받는다고 보고하였다. 특히 ORP, Cl-, SO₄²-은 미생물 군집과 유의한 양의 상관관계, DO는 강한 상관관계를 보여, 해수 기원의 이온 증가와 산화 환경 변화가 군집 구조를 변화시키는 주요 요인임을 시사하였다. Héry et al.(2014)은 피어슨 상관 검정을 통해 Gammaproteobacteria의 상대적 풍부도가 Cl- 및 SO₄²- 농도와 r = 0.978의 높은 양의 상관관계가 보임을 확인하였다. 이 결과는 염분 상승이 특정 미생물의 활성 및 증식을 촉진한다는 사실을 뒷받침한다. 이에 본 연구는 국내외 해수 침투 관련 문헌에서 수집한 자료를 앞서 구분한 고·중·저염도 구간에 따라 종합 분석하였다. 이를 통해 군집 조성과 기능 분포 경향을 도출하였으며, 이는 개별 관정 단위의 특이성을 넘어 생태계 기능 변화의 일반적 경로를 추론할 수 있다(Herlemann et al., 2016; Song et al., 2022). 각 염도 구간에서의 주요 미생물 군집은 Table S3-S5에 정리하였으며, Fig. 6은 order 수준에서의 출현 빈도를 기반으로 다양한 염도 조건에서의 분포 특성을 시각화하였다.
Table S3을 바탕으로 염도 구간별 미생물 군집의 우점 계통군과 대표 속, 그리고 주요 기능적 특성을 요약하였다(Table 1). 고염도 구간에서는 Alteromonadales, Desulfovi- brionales, Halomonas와 같은 해양성·호염성 미생물이 지배적으로 분포하였다. 이들은 황 환원 및 혐기성 유기물 분해와 같은 기능적 특성과 해수 침투 장기화에 따른 해양 환경, 혐기 환경에 적응된 생태적 전략을 보인다. 중염도 구간에서는 Oceanospirillales, Shewanella, Rhodobacterales 등이 주요 집단으로 나타났다. 이들은 해양성과 담수성 군집이 혼재하여 과도기적 생태계 구조를 보이며, 탄소 대사, 고분자 유기물 분해, 철·황 산화 등 다양한 생지화학적 기능이 나타난다. 저염도 구간에서는 Burkholderiales, Acidovorax, Hydrogenophaga와 같은 담수성 군집이 우점한다. 이들은 질산염 환원과 유기물 분해 기능을 수행하며, 지하수 정화 및 탄소·질소 순환에 기여한다.
모든 구간에서 Pseudomonadota 문은 공통적으로 출현하였으나, 하위 분류군의 구성과 기능은 염도 수준에 따라 뚜렷하게 달라졌다. 특히 Burkholderiales와 Pseudomonadales는 모든 구간에서 관찰되어 높은 생리학적 유연성과 환경 적응력을 갖춘 핵심 분포 군집으로 해석된다. 히트맵 분석 결과 Burkholderiales, Rhodobacterales, Flavobacteriales는 Control과 SW에서 상대적으로 높은 출현 빈도를 보였으나, 고염도에서 저염도까지 감소하는 경향을 보였다. Burkholderiales는 담수 환경에서 질소 대사와 유기물 분해를 담당하며, 호기성 조건에 민감하고 염도 스트레스에 취약하다. 따라서 고염도 환경에서는 생존이 어렵다고 알려져 있다(Xiong et al., 2023). Rhodobacterales의 일부 종은 해수 및 담수 환경에 모두 적응할 수 있으나, 대부분 안정적인 산소 공급과 낮은 염도를 선호한다. 따라서 해수 침투로 인한 불안정한 환경에서는 출현이 일정하지 않다. 그러나 고염도 및 중염도 지역에서의 제한적인 출현 양상은 Rhodobacterales의 염도 내성 증가와 관련된 실험 결과(Chen et al., 2023)와 일치한다. Flavobacteriales는 연안 담수 및 해양 유입 환경에서 흔히 발견되지만, 극단적인 염도나 혐기 조건에서는 생존율이 저하된다(Xiong et al., 2023). 반면 Pseudomonadales는 모든 염도 구간에서 비교적 균등하게 출현하여, 환경 적응성이 뛰어난 계통으로 판단된다. Alteromonadales는 염도가 낮아질수록 출현 빈도가 감소하였으며, 저염도 환경에서는 관찰되지 않아 고염도 및 해수 환경에 특화된 특성을 보여준다. Oceanospirillales는 SW에서만 출현하였으며, 다른 환경에서는 거의 나타나지 않았다. 이들은 높은 염분 조건에서 에너지 대사, 탄화수소 분해, 황산염 환원 등 특수한 기능을 수행하지만, 염도가 낮거나 급변하는 지하수 환경에서 생존 및 활성이 크게 저해되는 것으로 알려져 있다(Ivars-Martínez et al., 2008; Gutierrez et al., 2013). 요약하면, 해수 침투에 따른 염도 증가 과정에서 미생물 군집은 Burkholderiales와 Pseudomonadales 같은 환경 적응성이 강한 핵심 집단을 기반으로 하면서, 염도 수준에 따라 특화된 계통군이 우세하게 나타났다. 이는 해수 침투가 단순히 수질 화학적 조성만이 아니라 지하수 생태계의 미생물 다양성과 기능적 구조를 재구성하는 과정임을 보여준다.
6.2. 해수 침투에 따른 미생물 기능성 변화
본 연구는 지하수 내 미생물의 대사 기작을 규명하기 위해 FAPROTAX를 이용하여 히트맵 분석에서 우점한 order(Burkholderiales, Rhodobacterales, Flavobacteriales, Alteromonadales, Pseudomonadales)에 속하는 genus의 기능을 예측하였다(Fig. 7). 분석은 다양한 염도 환경에서 각 기능을 수행하는 미생물 속의 출현 빈도를 비율(%)로 정량화하였다. 각 genus의 주요 대사 기능은 호기성 아질산 산화(aerobic nitrite oxidation), 혐기성 암모늄 산화(anaerobic ammonium oxidation), 질산 환원에 의한 암모니아화(ammonification via nitrate reduction), 혐기 조건 티오황산염 산화(thiosulfate oxidation under anoxic conditions), 아산화질소 환원(nitrous oxide reduction), 수소를 통한 메틸화 화합물 환원 및 메탄 생성(hydrogen-mediated methyl compound reduction and methanogenesis), 에너지 생성 비소 산화(arsenite oxidation for energy generation), 방향족 탄화수소 분해(aromatic hydrocarbon degradation), 광합성 비활성 남세균 제거 그룹(non-photosynthetic cyanobacteria removal group)으로 분류하였다.
예측 결과, SW 및 Control에서는 분포가 유사하여 안정된 환경 조건에서 다양한 생지화학적 기능이 균형을 유지하고 있음을 보여준다. 반면, 염분의 영향을 받은 환경에서는 버블의 크기가 전반적으로 감소하였는데, 이는 염분 유입으로 인한 삼투압 스트레스와 용존 산소 감소, pH 변화, 주요 이온 조성의 변화 등이 미생물의 대사활동을 제한함을 의미한다. 특히 중염도 구간은 해양성과 담수성이 공존하는 환경임에도 불구하고 기능적 우세가 뚜렷하지 않아 불안정성과 대사 효율 저하 가능성을 시사한다.
기능별로 보면, 질산 환원에 의한 암모니아화는 고염도 및 중염도에서 상대적으로 높게 예측되었으며, 이는 해수 유입으로 증가한 유기물이 미생물 대사에 의해 암모늄(NH₄⁺)으로 전환되는 잠재적인 과정을 반영한다(Santoro, 2010). 반면, 호기성 아질산 산화 기능은 SW 및 Control에서 두드러지게 예측되어, 저염도 환경에서 질산화 반응이 활발하게 일어날 잠재력을 보여준다. 아산화질소 환원 기능은 모든 염도 구간에서 낮게 예측되어, 해수 침투로 인한 염도 증가가 전자공여체 부족, 황화물 축적, 산소 공급 제한 등의 환경적 제약을 초래하여 탈질소화 미생물의 활성 가능성을 억제했을 것으로 해석된다(Santoro, 2010). 또한, 티오황산염(S₂O₃²-) 산화는 고염도 구간에서 두드러지게 예측되었으며, Microbulbifer, Desulfovibrio, Sulfurovum와 같은 해양성 세균이 주요 기능 집단으로 보고되었다(Jørgensen, 1990; Canfield et al., 2010). 이들은 중염도와 저염도 구간에서 예측 빈도가 크게 줄고 고염도 구간에서 두드려졌다. 이러한 기능 예측 변화는 티오황산염(S₂O₃²-) 산화, 혐기성 암모늄 산화, 방향족 탄화수소 분해 등에서 대표적으로 나타난다. 이는 각 지역의 수문지질학적 특성에 따라 그 기능적 잠재력이 달라질 수 있음을 시사한다.
6.3. 국내 지하수 내 미생물 및 환경 변화 예측
염도 증가에 따른 대표적인 기능 예측 변화로는 혐기성 암모늄 산화, 티오황산염 산화, 방향족 탄화수소 분해 등이 있다. 이러한 변화는 지역별 염도 수준과 밀접한 관련이 있으며, 각 지역의 수문지질학적 특성에 따라 그 양상이 달라질 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 앞서서 구분한 국내의 고염도, 중염도, 저염도 지역을 중심으로, 염도 변화에 따라 예측된 환경적 특성과 미생물 기능 활성의 공간적 분포를 분석하였다(Table 2).
고염도 지역(F1, F2, G2, F4)에서는 Acinetobacter 및 Pseudomonas 속 미생물이 관여하는 혐기성 암모늄 산화와 티오황산염 환원이 주요 대사 경로로 우세하게 예측되었다. 혐기성 암모늄 산화는 N₂ 가스를 기체 형태로 방출하여 지하수 내 질소 농도를 낮춰 식물과 미생물의 영양 공급을 제한할 수 있으며, 또한, 티오황산염 환원에 관여하는 황산염 환원균(SRB)은 철 산화물의 환원을 유도해 표면에 흡착된 As의 용출을 증가시켜 중금속의 이동성과 생물 이용성을 높일 수 있다(Miao et al., 2012). 이러한 과정은 지하수의 산화-환원 평형을 교란하고, 해수 침투에 의한 이차적인 지하수 오염을 유발하는 잠재적 경로로 작용할 수 있다. 중염도 지역(E2, E1, J1)에서는 비소 산화 및 아산화질소 환원 기능이 상대적으로 활발하게 예측되었다. 이 기능은 Acidovorax 및 Flavobacterium 속 미생물과 관련되며, N₂O 발생 등 불완전한 탈질 반응의 잠재성을 가진다. 저염도 지역(K, D, B, I, C)에서는 기능성 미생물의 다양성과 활성이 전반적으로 낮게 예측되었다. 이는 염도 감소에 따라 주요 대사 경로의 발현이 상대적으로 약화된 결과로 해석된다. 실제로 담수성 호수에서는 질소 순환, 황산염 환원, 탄소 고정과 관련된 유전자 발현 잠재력이 현저히 낮게 나타났으며(Pearman et al., 2025), 이러한 경향은 염도 감소 시 미생물의 탄소 고정 대사 경로 발현이 저하된다고 보고한 Fang et al.(2022)의 결과와 일치한다.

본 논문은 국내 연안 대수층을 대상으로 해수 침투가 지하수 수질에 미치는 영향을 종합적으로 분석하고, 국내외 문헌 검토를 통해 염도 농도별 미생물 군집 구조와 기능을 통합적으로 고찰하였다. 고염도 지역에서는 이온 증가와 탈착 현상이 확인되었으며, Alteromonadales, Pseudomonadales, Rhodocyclales 등 해양·호염성 계통이 우점하였다. 이들은 혐기성 암모늄 산화와 황산염 환원을 주요 대사 경로로 가지며, 그에 따라 질소·황 화합물 변동, 중금속 용출, 온실가스 배출을 유발할 수 있다. 중염도 지역에서는 Oceanospirillales와 Rhodobacterales가 우세하였으나 기능 발현이 불안정했고, 저염도 지역은 담수성 군집이 주를 이루었으나 기능성 미생물 출현은 제한적이었다.
기존 국내 연구는 주로 단기적이고 특정 지역에 국한된 현장 조사에 머물러 있다. 따라서 해수 침투라는 장기적인 스트레스 환경에서 미생물의 반응을 규명하는 데에 한계가 있다. 향후 연구에서는 국내 수문·지질 조건을 반영한 사례 연구와 더불어 미생물의 군집 및 기능 변화에 대한 장기적·종합적 접근이 필요하다. 특히 미생물은 환경 변화에 민감하게 반응하는 특성이 있으므로, 생물학적 지표(biomarker)로의 활용 가능성이 크다. 이러한 지표의 도입은 지하수 오염 조기 경보 체계 구축에 기여할 수 있으며, 기존 국내 관측망이 EC와 Cl-/HCO₃- 몰비와 같은 화학적 지표에 의존해 온 점을 보완할 수 있다. 이에 따라 향후에 지역별 특성 비교연구를 단계적으로 확대하고, 국내 대상 지역의 지하수 시료를 확보하여 전체 미생물 군집 구조를 분석함으로써 우점종 중심의 접근에서 벗어나 보다 종합적인 생태적 변이를 평가할 계획이다. 본 연구에서 활용한 FAPROTAX 기반 기능 예측은 국내에서 직접 관측된 미생물 데이터가 아닌 해외 데이터를 국내 환경 조건에 대응시켜 미생물 군집의 기능을 예측한 결과이다. 이러한 예측 방식은 실제 미생물의 대사 활동, 생태적 적응성, 지역별 환경 특성을 온전히 반영하지 못할 가능성이 있으며, 그 결과 지역 간 미생물 구조 및 기능적 차이를 실제보다 단순하게 혹은 과도하게 표현되었을 가능성을 내재한다. 따라서 본 연구 결과는 기능적 변화 양상의 참고 지표로 활용되어야 하며, 향후 메타분석 기반의 비교 연구를 병행하여 국외 연구 결과의 국내 적용 타당성을 강화해야 한다. 또한, 향후에 염도 및 염소 이온 농도에 영향을 미치는 지질 구조, 수리 조건, 지하수 이용 강도, 해안선 근접도 등의 요인을 통합적으로 고려한 분석을 함으로써 해수 침투가 국내 지하수 환경에 미치는 영향을 보다 정밀하게 이해하고 예측할 수 있는 과학적 근거를 마련할 수 있을 것이다.

본 연구는 세종대학교의 지원을 받아 수행되었습니다.
이 성과는 정부(환경부)의 재원으로 한국환경산업기술원의 환경분야 특성화대학원 사업의 지원을 받아 수행되었습니다.