정체된 시화 인공습지와 해수유통이 활발한 강화 갯벌에서의 혐기성 유기물 분해능 및 분해경로 비교 Rates and Pathways of Anaerobic Mineralization of Organic Matter at Highly Stagnant Freshwater Wetland and Its Comparison to Frequently Flushed Coastal Wetland원문보기
본 연구에서는 상대적으로 정체된 환경인 시화 인공습지와 조석에 의한 흐름이 존재하는 강화도 갯벌에서 혐기성 유기물 분해능과 분해경로 중 황산염 환원과 철 환원의 상대적 중요성에 대해 비교하고, 조절요인으로서 퇴적물 상층수 흐름의 중요성을 토의하였다. 퇴적토 상층수의 흐름이 존재하지 않는 시화 인공습지의 공극수에서 $CO_2$, $NH_4{^+}$, 및 $H_2S$의 농도가 강화도 갯벌에 비해 각각 3 배, 20 배 및 3배 높은 것으로 나타났다. 또한 퇴적물의 산화-환원의 정도를 알 수 있는 Fe(III)와 총 환원된 황의 농도 비는 강화도 갯벌이 시화 인공습지에 비해 12배 이상 높은 값을 나타내어 강화도 갯벌이 시화 인공습지에 비해 상대적으로 산화된 상태인 것을 알 수 있었다. 혐기성 유기물 분해능은 강화도 갯벌 ($0.039mM\;C\;h{-1}$)이 시화 인공습지 ($0.0001mM\;C\;h{-1}$) 보다 약 390배 높은 값을 보이고 있다. 유기물 분해경로에서 황산염 환원력은 시화인공습지 ($314{\sim}580nmol\;cm^{-3}\; d{-1}$)가 담수습지임에도 불구하고 강화도 갯벌 ($2{\sim}769nmol\;cm^{-3}\; d{-1}$)과 같은 높은 값을 나타낸 반면, 철 환원력은 강화도 갯벌 ($0.1368{\mu}mol\;cm^{-3}\;d{-1}$)이 시화 인공습지 ($0.087{\mu}mol\;cm^{-3}\;d{-1}$) 보다 약 1.7배 높은 값을 보였다. 이러한 결과들은 시화 인공습지에서는 전자수용체가 적절히 공급되지 못하고 있음을 나타내며, 이의 개선을 위해서는 강화도 갯벌의 조석과 같은 상층수의 흐름을 조절하는 것이 필수적인 사항으로 인식되었다.
본 연구에서는 상대적으로 정체된 환경인 시화 인공습지와 조석에 의한 흐름이 존재하는 강화도 갯벌에서 혐기성 유기물 분해능과 분해경로 중 황산염 환원과 철 환원의 상대적 중요성에 대해 비교하고, 조절요인으로서 퇴적물 상층수 흐름의 중요성을 토의하였다. 퇴적토 상층수의 흐름이 존재하지 않는 시화 인공습지의 공극수에서 $CO_2$, $NH_4{^+}$, 및 $H_2S$의 농도가 강화도 갯벌에 비해 각각 3 배, 20 배 및 3배 높은 것으로 나타났다. 또한 퇴적물의 산화-환원의 정도를 알 수 있는 Fe(III)와 총 환원된 황의 농도 비는 강화도 갯벌이 시화 인공습지에 비해 12배 이상 높은 값을 나타내어 강화도 갯벌이 시화 인공습지에 비해 상대적으로 산화된 상태인 것을 알 수 있었다. 혐기성 유기물 분해능은 강화도 갯벌 ($0.039mM\;C\;h{-1}$)이 시화 인공습지 ($0.0001mM\;C\;h{-1}$) 보다 약 390배 높은 값을 보이고 있다. 유기물 분해경로에서 황산염 환원력은 시화인공습지 ($314{\sim}580nmol\;cm^{-3}\; d{-1}$)가 담수습지임에도 불구하고 강화도 갯벌 ($2{\sim}769nmol\;cm^{-3}\; d{-1}$)과 같은 높은 값을 나타낸 반면, 철 환원력은 강화도 갯벌 ($0.1368{\mu}mol\;cm^{-3}\;d{-1}$)이 시화 인공습지 ($0.087{\mu}mol\;cm^{-3}\;d{-1}$) 보다 약 1.7배 높은 값을 보였다. 이러한 결과들은 시화 인공습지에서는 전자수용체가 적절히 공급되지 못하고 있음을 나타내며, 이의 개선을 위해서는 강화도 갯벌의 조석과 같은 상층수의 흐름을 조절하는 것이 필수적인 사항으로 인식되었다.
The objectives of this study are: (1) to compare the rates and pathways of organic matter minerlaization at stagnant freshwater wetland in Shiwha to highly irrigated coastal wetland in Ganghwa; and (2) to discuss the significance of irrigation into the sediment in controlling the organic carbon oxid...
The objectives of this study are: (1) to compare the rates and pathways of organic matter minerlaization at stagnant freshwater wetland in Shiwha to highly irrigated coastal wetland in Ganghwa; and (2) to discuss the significance of irrigation into the sediment in controlling the organic carbon oxidation in Shiwha wetland. Concentrations of $CO_2$, $NH_4{^+}$ and $H_2S$ in the pore water of the Shiwha wetland were 3 times, 30 times, and 3 times higher than that in the pore water of the Ganghwa wetland, respectively. The ratio of Fe(III) to total reduced sulfur at the Ganghwa wetland was 12 times higher than at the Shiwha wetland. The results indicated that the Ganghwa wetland with frequent tidal inundation were relatively oxidized than highly stagnant Shiwha wetland. Rates of organic matter oxidation at the Ganghwa wetland ($0.039mM\;C\;h{-1}$) was 390 times higher than that at the Shiwha wetland ($0.0001mM\;C\;h{-1}$). Rates of sulfate reduction at the Shiwha wetland ($314{\sim}580nmol\;cm^{-3}\;d{-1}$) were comparable to the sulfate reduction at Ganghwa wetland ($2{\sim}769nmol\;cm^{-3}\; d{-1}$), whereas Fe(III) reduction rates were 1.7 times higher at the Ganghwa wetland ($0.1368{\mu}mol\;cm^{-3}\;d{-1}$) than at the Shiwha wetland ($0.087{\mu}mol\;cm^{-3}\;d{-1}$). The results implied that the water flow system of the Shiwha wetland was too stagnant to flush out the reduced pore water from the sediment, and thus anaerobic microbial respiration was limited by the availability of electron acceptors.
The objectives of this study are: (1) to compare the rates and pathways of organic matter minerlaization at stagnant freshwater wetland in Shiwha to highly irrigated coastal wetland in Ganghwa; and (2) to discuss the significance of irrigation into the sediment in controlling the organic carbon oxidation in Shiwha wetland. Concentrations of $CO_2$, $NH_4{^+}$ and $H_2S$ in the pore water of the Shiwha wetland were 3 times, 30 times, and 3 times higher than that in the pore water of the Ganghwa wetland, respectively. The ratio of Fe(III) to total reduced sulfur at the Ganghwa wetland was 12 times higher than at the Shiwha wetland. The results indicated that the Ganghwa wetland with frequent tidal inundation were relatively oxidized than highly stagnant Shiwha wetland. Rates of organic matter oxidation at the Ganghwa wetland ($0.039mM\;C\;h{-1}$) was 390 times higher than that at the Shiwha wetland ($0.0001mM\;C\;h{-1}$). Rates of sulfate reduction at the Shiwha wetland ($314{\sim}580nmol\;cm^{-3}\;d{-1}$) were comparable to the sulfate reduction at Ganghwa wetland ($2{\sim}769nmol\;cm^{-3}\; d{-1}$), whereas Fe(III) reduction rates were 1.7 times higher at the Ganghwa wetland ($0.1368{\mu}mol\;cm^{-3}\;d{-1}$) than at the Shiwha wetland ($0.087{\mu}mol\;cm^{-3}\;d{-1}$). The results implied that the water flow system of the Shiwha wetland was too stagnant to flush out the reduced pore water from the sediment, and thus anaerobic microbial respiration was limited by the availability of electron acceptors.
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문제 정의
, 1996; 노 등, 2002; 이윤영, 2004), 유기물 분해능 평가와 물질제거 기작을 이해하기 위한 분해경로에 대한 연구는 갯벌을 위주로 진행되었다. 담수습지에 대한 유기물 분해능 평가와 분해경로 및 이를 조절하는 주요 요인 중 상층수 흐름의 중요성에 대한 연구는 미미한 실정으로, 본 연구에서는 상대적으로 정체된 환경인 시화 인공습지와 조석에 의한 흐름이 존재하는 강화도 갯벌에서 유기물 분해능과 분해경로 중 황산염환원과 철환원의 상대적 중요성 및 퇴적물 상층수 흐름의 중요성에 대해 토의 하였다.
제안 방법
5 ㎕ carrier-free 35SO42-(약 2.5 μ Ci)를 미리 실리콘으로 막아놓은 주입구 (1 cm 간격)를 통해 주입한 후, 현장온도 조건하의 배양기안에서 2 시간 동안 배양하였다.
질소가스로 충진 된 혐기성 박스 안에서 퇴적물을 고르게 섞어 준 후, 50 ㎕ 플라스틱 원심분리 튜브에 일정량씩 옮겨 담고 현장 온도 조건 아래 배양하였다. 일정시간 간격으로 튜브를 꺼내어, 원심분리(3500 rpm, 10분) 시킨 후, 다시 혐기성 박스 안에서 공극수를 뽑아내어 공극수 내 CO2를 분석하여 시간에 따른 CO2 증가율을 계산하였다.
퇴적물의 온도는 HW와 VMF에서 각각 15.0℃, 11.9℃ 로 측정 되었고, 염분은 HW와 VMF에서 각각 ND (not detected) 및 27% 로 측정되었다.
환원된 고체상(solid phase)의 Fe(Ⅱ)는 혐기성 박스 안에서 oxalate extract solution(Ammonium oxalate 200 mM + Oxalic acid 120 mM)을 이용하여 추출한 후 ferrozine buffer (0.02% in 50 mM HEPES, pH 7)와 반응시켰으며(Lovley and Phillips, 1987), 총 고체상의 철(total Fe)은 공기 중에서 완전히 산화시킨 퇴적물을 oxalate extract solution으로 추출 한 후 ferrozine buffer + hydroxylamine hydrochloride 1% (w/v)와 반응시켜 분석하였다(Thamdrup and Canfield, 1996).
황산염(SO42-)의 농도 분석을 위해 퇴적물에서 뽑아낸 공극수 중 2 ㎕을 취하여 2 ml 플라스틱 vial에 담고 20 ㎕의 진한 염산을 넣은 후 분석 전까지 냉동 보관하였으며, 이온 크로마토그래피(761 Compact IC, Metrohm)를 이용하여 농도를 측정하였다.
, 2003). 황화수소(HS-)의 농도는 Zn-Acetate (20%)로 고정된 시료를 Cline solution 과 반응시킨 후 spectrophotometer로 측정하여 분석하였다(Parsons et al., 1984). 총 환원황(Total reduced sulfur; TRS)의 농도는 Chromium 환원법(Fossing and Jørgensen, 1989)에 의해 추출된 시료를 Zn-Acetate (20%)로 고정 처리한 후 Cline solution과 반응시켜 spectrophotometer로 측정하였다 (Parsons et al.
대상 데이터
황산염 환원력 측정을 위해 core injection technique (Jørgensen, 1978)을 이용하였다. 내경 1.6 cm, 길이 25 cm의 아크릴 코어를 이용하여 퇴적물을 채집한 후 냉장 보관하여 실험실로 운반하였다. 5 ㎕ carrier-free 35SO42-(약 2.
본 연구를 위한 퇴적물은 안산시에 위치하는 시화 인공습지의 식생이 발달하고 물이 정체되어 있는 고습지 지역(정점 HW: high wet land, 37°17'00.07"N 126°50'00.09"E)에서 2005년 5월 채취하였고 갈대습지와 갯벌의 비교를 위해 강화도 남단 동검리의 칠면초 군락 식생이 발달한 지역(정점 VMF: vegetated mud flat, 37 °35'47.23"N 126°30'47.30"E)에서 2005년 4월에 채취를 하였다(Fig. 1).
이론/모형
Zn-Acetate 용액에 보관된 퇴적물로부터 35S를 추출하기 위해 single-step chromium reduction방법을 이용하였다(Fossing and Jørgensen, 1989).
총 환원황(Total reduced sulfur; TRS)의 농도는 Chromium 환원법(Fossing and Jørgensen, 1989)에 의해 추출된 시료를 Zn-Acetate (20%)로 고정 처리한 후 Cline solution과 반응시켜 spectrophotometer로 측정하였다 (Parsons et al., 1984).
퇴적물을 질소가스로 충진된 혐기성 박스 안에서 원심분리관에 담고 원심분리(3500 rpm, 10 min) 시킨 후, 혐기성 박스 안에서 공극수를 취하여 syringe filter(MFS-25, CA, 0.2 ㎛)로 부유물을 제거시킨 다음, CO2와 NH4+는 일정량을 2 ml 유리병에 옮긴 후 FIA(Flow injection analysis) 방법을 이용하여 분석하였다(Hall and Aller, 1992).
황산염 환원력 측정을 위해 core injection technique (Jørgensen, 1978)을 이용하였다.
성능/효과
또한 산화/환원 정도를 알 수 있는 Fe(III)/TRS ratio는 VMF에서 약 12배 이상 높은 값을 나타내어(Fig. 2), VMF가 HW에 비해 상대적으로 산화된 환경임을 알 수 있다(Table 2).
, 2000). 또한 식물은 생장시기에 따라 식물뿌리로부터 공급되는 산소가 일정하지 않은 반면, 조석은 갯벌에 지속적으로 산소를 공급한다는 측면에서 식생보다는 tidal flushing에 의한 효과가 더 높다 그러나 정체된 환경인 시화 인공습지에서는 유기원을 효과적으로 제거하지 못하고 있는 것으로 인식되었으며, 이는 시화 인공습지의 설립목적 중의 하나인 유기물 분해의 기능이 약화되었음을 보여주고 있다. 이의 개선을 위해서는 강화도 갯벌의 조석과 같은 상층수의 흐름을 조절하는 것이 필수적인 사항으로 인식되었다.
또한 갯벌에서는 조석작용으로 인한 지속적인 노출 및 해수유통이 혐기성 퇴적물에 산소를 공급해줄 뿐만 아니라 암모니아, 망간은 수층으로 유출되고 철(II)은 빠르게 산화되는 것으로 보고되었다(Caetano et al, 1997). 본 연구결과에서도 정체된 환경인 시화 인공습지와 조류의 영향을 받는 강화도 갯벌 또한 노출 및 물의 흐름에 따른 차이가 뚜렷하게 나타났다(Table 1). 즉, 강화도 갯벌에 비해 흐름이 존재하지 않는 시화 인공습지에서 CO2, NH4+, H2S 등이 약 3 ~ 20 배 축적되었고(Table 1), 퇴적물의 산화-환원의 정도를 알 수 있는 Fe(III)와 TRS의 비는 강화도 갯벌에서 12배 이상 높은 값을 나타냄으로써, 흐름이 존재하는 강화도 갯벌이 정체된 시화 인공습지에 비해 상대적으로 산화된 상태를 보였다(Table.
즉, 강화도 갯벌에 비해 흐름이 존재하지 않는 시화 인공습지에서 CO2, NH4+, H2S 등이 약 3 ~ 20 배 축적되었고(Table 1), 퇴적물의 산화-환원의 정도를 알 수 있는 Fe(III)와 TRS의 비는 강화도 갯벌에서 12배 이상 높은 값을 나타냄으로써, 흐름이 존재하는 강화도 갯벌이 정체된 시화 인공습지에 비해 상대적으로 산화된 상태를 보였다(Table. 2).
, 2004). 한편, 시화 인공습지 연구 정점은 전형적인 담수습지로서 해양의 영향을 받지 않으나, 담수습지 임에도 불구하고 황산염의 농도가 0.69 ~ 15.52 mM 로 높은 값을 보였다(Table 1). 담수에서의 황산염 공급은 gypsum(CaSO4・2H2O)과 비료에 의한 것으로 알려져 있다(Minnesota Pollution Control Agency, 1999).
5). 혐기성 유기물 분해경로의 상대적 중요성에서 철 환원과 황산염 환원의 상대적 비율은 VMF (4.4:5.6)에서 HW (3.0:7.0) 보다 철 환원의 상대적 중요성이 약 1.7배 높게 측정되었다(Table 3).
혐기성 유기물 분해능은 VMF (0.039 mM C h-1)에서 HW (0.0001 mM C h-1)보다 약 390배 높은 유기물 분해능을 보이는 것으로 조사되었다(Fig. 3).
황산염 환원력은 HW (314 ~ 580 nmol cm-3 d-1)에서 담수습지임에도 불구하고 높은 값을 나타내었고 VMF (2 ~ 769 nmol cm-3 d-1) 역시 높은 값을 나타내었다(Fig. 4). 철 환원력은 VMF (0.
후속연구
또한 Fe(III) 환원은 철에 흡착 되었던 인이나 미량금속원소들이 방출되는 작용을 중재하며, 황산염 환원에 비해 높은 에너지 효율로 황산염 환원의 환원물인 황화수소 억제에도 영향을 미친다(Lovley and Phillips, 1986, 1987). 결론적으로 시화 인공습지의 높은 황산염 환원력은 황화수소의 농도를 높여 탈질산화, 망간환원, 철 환원 같은 다른 혐기적 작용을 저해시키고 황산염 환원을 더욱 촉진시켜 악순환이 계속 반복 될 수 있으므로 황산염 환원을 저해시키기 위해서는 상류하천에서의 농업활동으로 인한 황산염의 지속적인 유입 관리와 함께 황화수소의 제거가 필요한 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
습지는 어떤 땅으로 간주되는가?
습지는 전통적으로 필요 없는 버려진 땅으로 간주되었으나, 최근의 연구를 통하여 야생동식물의 서식처로서 뿐만 아니라 수층의 침전물과 유기물 제거, 지하수 저장 및 충전, 지표수 공급 및 유량 조절 등 다양한 기능을 보유한 중요한 생태 환경의 보고로 확인되었다(Mitsch and Gosselink, 2000). 특히 습지에서의 유기물 제거는 습지의 유형과 규모, 습지 식생, 오염원 및 유형, 물길 및 규모, 수체크기 그리고 미생물 호흡 등의 요인들에 의해 영향을 받는다(Novitzki et al.
습지에서의 유기물 제거는 무엇에 의해 영향을 받는가?
습지는 전통적으로 필요 없는 버려진 땅으로 간주되었으나, 최근의 연구를 통하여 야생동식물의 서식처로서 뿐만 아니라 수층의 침전물과 유기물 제거, 지하수 저장 및 충전, 지표수 공급 및 유량 조절 등 다양한 기능을 보유한 중요한 생태 환경의 보고로 확인되었다(Mitsch and Gosselink, 2000). 특히 습지에서의 유기물 제거는 습지의 유형과 규모, 습지 식생, 오염원 및 유형, 물길 및 규모, 수체크기 그리고 미생물 호흡 등의 요인들에 의해 영향을 받는다(Novitzki et al., 1999).
미생물에 의한 혐기성 유기물 분해경로를 조절 하는 주요 요인든은 유기물 분해에 어떤 도움을 주는가?
미생물에 의한 혐기성 유기물 분해경로를 조절 하는 주요 요인으로는 1) 생물교란과 식생에 의한 유기물 및 산소공급, 2) 조석에 의한 퇴적물 내 공극수의 교환(tidal flushing) 등이 있다(현, 2005). 이러한 요인들은 퇴적물 내에 유기 영양원을 풍부하게 공급하여 미생물의 대사활동을 증가시킴으로써 유기물 분해를 향상시키고 혐기성 상태를 완화시켜 다양한 분해경로를 통한 유기물 분해가 일어날 수 있게 한다(목 등, 2005). 따라서 인공습지의 효율적 관리를 위해서는 갯벌에서와 같은 식생, 생물교란과 조석에 의한 산소공급 특히, 조석에 의한 퇴적토의 전단응력 영향과 주기적인 대기에의 노출이 필요하다(Sun et al.
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