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문제 정의
- 본 연구는 중금속을 많이 함유하고 있는 안동 사문암 지역의 자연 토양에 분포하는 식물이 함유하는(Brooks, 1987; Kim et al., 1997; Kim, 1998; Kim et al., 2006; Kim and Shim, 2008) 중금속이 낙엽분해에 억제효과를 나타내는지 현장 실험을 통해 검토하였다. 이를 위하여 사문암 토양의 생물학적 활성을 조사했으며 사문암 지대에 넓게 분포하는 새(Arundinella hirta)와 억새(Miscanthus sinensis var.
제안 방법
- 토양 내 무기영양 원소분석을 위한 전처리는 Matin(1993)의 방법을 사용하였으며, ICP(Inductively coupled Plasma Spectrometry: JY-ULTIMA-2)를 사용하여 측정하였다(Helrich 1990). Total N 함량과 Total C 함량은 식물시료와 마찬가지로 ball mill을 사용하여 powder 상태로 분쇄한 후 CHN analyser(240XA)를 사용하여 측정하였다.
- 각각 두 지역에서 획득한 낙엽은 망목 1.2㎜×1.2㎜인 주머니(15㎝×15㎝)에 1.5-2 g 씩 담아 11월에 우점식생과 수목피도가서로 비슷한 사문암 지역과 비사문암 지역 임상에 4반복으로 설치하고, 4월, 7월, 9월, 11월에 각각 회수하였다.
- Total C와 N의 함량은 ball mill로 분쇄한 시료를 CHN analyser(240XA)로 측정하였다. 모든 시료는 4반복 측정하였다.
- , 2006; Kim and Shim, 2008) 중금속이 낙엽분해에 억제효과를 나타내는지 현장 실험을 통해 검토하였다. 이를 위하여 사문암 토양의 생물학적 활성을 조사했으며 사문암 지대에 넓게 분포하는 새(Arundinella hirta)와 억새(Miscanthus sinensis var. purpurascens)를 대상으로 식물체 내 함유 중금속에 의한 분해의 저해와 사문암 토양 및 대조구 토양에서의 낙엽 분해율을 비교하였다.
- Dehydrogenase의 활성은 채취한 신선한 토양을 사용했으며 대조구의 토양은 멸균한 토양을 사용하였다. 토양 1g과 기질로서 2-(p-iodophenyl)-3-(p-nitrophenyl) -5-phenyltetrazoliumchloride(INT)를 사용했으며, 40℃에서 2시간 반응시킨 후 여과하여 Iodonitrotetrazolium formazan(INTF)을 N,N-dimethylformamide로 발색시켜 464nm에서의 흡광도를 측정하였다(Mersi and Schinner, 1991).
- 포장용수량은 충분히 풍건시킨 토양에 증류수를 채워 방치 후 여분의 물을 제거한 후 토양 내에 포함된 수분의 양으로 하였다. 토양 pH는 채취한 토양의 풍건세토와 증류수를 1 : 2.5의 비율로 섞어 진탕한 후 유리전극 pH meter(Corning 345)로 측정하였다. 토양 유기물 함량은 105℃에서 충분히 건조시킨 토양시료를 800℃에서 4시간 작열시킨 후 건조 토양 무게에 대한 작열 소실량을 백분율로 나타내었다.
- 토양은 낙엽층과 부식층을 제거한 후 깊이 15㎝까지의 표층 토양을 채취하여 풍건시켜 1㎜ 체로 친 후 유기물 함량, pH, 포장용수량(water holding capacity),영양 원소와 중금속 원소 측정에 사용하였고, 모든 측정은 4회 반복하였다.
- 포장용수량은 충분히 풍건시킨 토양에 증류수를 채워 방치 후 여분의 물을 제거한 후 토양 내에 포함된 수분의 양으로 하였다. 토양 pH는 채취한 토양의 풍건세토와 증류수를 1 : 2.
대상 데이터
- Dehydrogenase의 활성은 채취한 신선한 토양을 사용했으며 대조구의 토양은 멸균한 토양을 사용하였다. 토양 1g과 기질로서 2-(p-iodophenyl)-3-(p-nitrophenyl) -5-phenyltetrazoliumchloride(INT)를 사용했으며, 40℃에서 2시간 반응시킨 후 여과하여 Iodonitrotetrazolium formazan(INTF)을 N,N-dimethylformamide로 발색시켜 464nm에서의 흡광도를 측정하였다(Mersi and Schinner, 1991).
- 식물 종은 Kim(1998)과 Kim(2006)의 연구를 바탕으로 비사문암 지역과 사문암 지역에서 동시에 출현하며, 식물체 내 Cr, Ni, Mg 등의 금속원소 함량 차이가 큰 식물로 새(Arundinella hirta)와 억새(Miscanthus sinensis var. purpurascens)를 선정하였다.
- 야외 실험은 안동 사문암 지역과 그 인근의 비사문암 지역인 마늘봉(364m)에서 진행되었다(Kim, 1998). 각각 두 지역에서 획득한 낙엽은 망목 1.
데이터처리
- 이 두 식물 종의 낙엽 분해에 대하여 낙엽의 채집 장소와 분해 장소에 따른 차이를 Olson(1963)의 낙엽 분해식 ln(Xt/X0) = -kt를 이용하여 분해 상수(k)를 비교하였다(Table 6). 낙엽의 분해는 사문암지역에서 획득한 낙엽이 비사문암 지역에서 획득한 낙엽보다 느린 분해율을 보였다.
이론/모형
- Microbial biomass-C의 측정은 Ross and Sparling(1993)의 방법에 따랐으며, k-factor는 0.38(Vance et al., 1987)을 사용하였다. Microbial biomass-N은 ninhydrin-reaction 방법(Joergensen and Brookes, 1990)에 근거하여 측정하였다.
- , 1987)을 사용하였다. Microbial biomass-N은 ninhydrin-reaction 방법(Joergensen and Brookes, 1990)에 근거하여 측정하였다. 측정된 NH4-N을 biomass N으로 환산하기 위해 Microbial biomass-N = 5.
- 무기영양원소의 함량은 습식분해과정을 거쳐 ICP(Inductively coupled Plasma Spectrometry: JY-ULTIMA-2) 를 사용하여 측정하였다(Helrich, 1990). 리그닌과 셀룰로즈의 함량 측정은 ADF(acid detergent fiber)법(Rowland and Roberts, 1994)에 의거하였으며, 가용성탄수화물은 anthron법으로 측정하였다. Total C와 N의 함량은 ball mill로 분쇄한 시료를 CHN analyser(240XA)로 측정하였다.
- 무기영양원소의 함량은 습식분해과정을 거쳐 ICP(Inductively coupled Plasma Spectrometry: JY-ULTIMA-2) 를 사용하여 측정하였다(Helrich, 1990). 리그닌과 셀룰로즈의 함량 측정은 ADF(acid detergent fiber)법(Rowland and Roberts, 1994)에 의거하였으며, 가용성탄수화물은 anthron법으로 측정하였다.
- 측정된 NH4-N을 biomass N으로 환산하기 위해 Microbial biomass-N = 5.0 · EN을 사용하였다(Joergensen and Brookes, 1990).
- 토양 유기물 함량은 105℃에서 충분히 건조시킨 토양시료를 800℃에서 4시간 작열시킨 후 건조 토양 무게에 대한 작열 소실량을 백분율로 나타내었다. 토양 내 무기영양 원소분석을 위한 전처리는 Matin(1993)의 방법을 사용하였으며, ICP(Inductively coupled Plasma Spectrometry: JY-ULTIMA-2)를 사용하여 측정하였다(Helrich 1990). Total N 함량과 Total C 함량은 식물시료와 마찬가지로 ball mill을 사용하여 powder 상태로 분쇄한 후 CHN analyser(240XA)를 사용하여 측정하였다.
성능/효과
- Microbial biomass C와 N의 함량에 있어서 사문암 토양과 비사문암 토양은 유의한 차이를 나타내지는 않았다. 이러한 결과는 장기간 동안 오염된 토양에서의 미생물 군집은 중금속에 대한 내성을 증가시킨다는 연구 결과로 볼 때(Griffiths et al.
- ) = -kt를 이용하여 분해 상수(k)를 비교하였다(Table 6). 낙엽의 분해는 사문암지역에서 획득한 낙엽이 비사문암 지역에서 획득한 낙엽보다 느린 분해율을 보였다. 그 차이는 새의 경우보다 억새의 경우에 더 컸다.
- 낙엽이 분해되면서 수용성인 K와 Na는 분해초기에 상당히 가파른 감소 경향을 보였으나, Ca의 경우에는 완만한 감소 경향이거나 또는 초기함량을 거의 그대로 유지하였으며, P의 함량은 분해 초기에 빠른 감소를 보인 후 일정 수준을 보여 낙엽의 중량 감소에 비하여 상대적인 증가경향을 나타내었다.
- 또한 비사문암 토양에서 낙엽이 분해될 때 이들 중금속 원소가 증가하는 것보다 중금속 원소를 다량 함유하는 사문 암지역에서 낙엽이 분해될 때 낙엽 내 그 함량의 증가경향이 큰 것을 보면 기존 미생물에 의해 이들 원소가 분해중인 낙엽에 흡수 농축됨을 예측할 수 있다.
- , 1991; Khan and Joergensen, 2006). 또한 중금속을 함유하는 낙엽과 그렇지 않은 낙엽의 분해는 사문암지역에서 보다 비사문암 지역에서 뚜렷한 차이를 보여 입지의 영향보다는 낙엽의 질이 큰 영향을 주는 것으로 판단된다.
- 본 실험 결과 사문암 지역의 토양 내 높은 중금속 함량은 식물의 체내로 흡수되어 낙엽에 잔류하고 낙엽의 분해에 영향을 끼치며(Berg, 1991; Cotrufo et al., 1995; McEnroe and Helmisaari, 2001; Berg and McClaugherty, 2003), 낙엽의 질을 결정하는 고분자 유기물 조성의 차이는 중금속의 효과를 능가하지 못하는 것으로 나타났다. 이로 말미암아, 사문암 지역에서의 높은 중금속함량은 식물의 성장에 억제 효과 뿐만 아니라 낙엽분해 억제로 인한 생태계의 느린 물질회전속도(turnover rate)를 초래할 것으로 예상된다.
- , 1995; McEnroe and Helmisaari, 2001). 본 실험의 결과에서도 낙엽 분해는 온도와 강수량의 영향을 많은 받는 것으로 나타났으며, 강수량이 많고 온도가 높아지는 여름에 특히 많은 분해가 일어났다.
- 억새의 경우에도 같은 양상을 나타냈다. 비사문암 지역에서 행한 분해실험에서 비사문암과 사문암 지역에서 채취한 낙엽이 각각 55.2%, 62.6%의 잔존량을 보였고, 사문암 지역에서 행한 분해실험에서는 각각 58.3%, 61.5%의 잔존량을 보였다.
- 비사문암과 사문암 지역에서 채취한 새의 낙엽을 비사문암 지역에서 분해시킨 결과 각각 53.2%, 57.8%의 잔존량을 보였고, 사문암 지역에서 분해시킨 결과는 각각 58.9%, 60.2%의 잔존량을 나타냈다.
- 사문암 지대의 높은 pH에 의해 alkali phosphatase의 활성은 사문암 토양에서 높게 나타났으며, dehydrogenase(r = 0.885, P <0.05)와 urease(r = 0.909, P < 0.05)의 경우에는 높은 pH에서 활성이 억제되는 결과를 나타냈다.
- 낙엽 내 탄소와 질소, 그리고 셀룰로즈와 리그닌의 함량은 Table 4와 같다. 사문암 지역에서 채취한 낙엽 내 질소 함량이 비사문암 지역에서 채취한 낙엽에서 보다 다소 높았으며, 탄소의 함량은 비사문암 지역의 낙엽에서 사문암에서 획득한 낙엽에 비해 다소 높게 나타났다. 따라서 C/N과 lignin/N은 사문암 지역에서 채집한 식물체에서 낮은 값을 보였다.
- 사문암 지역과 비사문암 지역에서 채취한 식물 체내 영양 원소 및 금속원소 함량은 Table 5와 같다. 사문암 지역에서 획득한 낙엽이 비사문암 지역에서 획득한 낙엽 보다 Cr, Ni, Mg, Fe와 같은 금속원소의 함량이 높았으며, Ca, Na, K의 함량은 비사문암 지역의 낙엽에서 높았다. Cr의 농도는 지역 간 차이가 작았으며, Ni의 농도는 사문암지역에서 2~3배 더 큰 값을 보였다.
- 사문암 토양은 K와 같은 영양 원소의 함량은 매우 낮지만 Cr, Ni, Fe, Mg의 함량은 비사문암 토양에 비해 각각 약 19, 78, 2, 9배 높았다(Table 2).
- 따라서 C/N과 lignin/N은 사문암 지역에서 채집한 식물체에서 낮은 값을 보였다. 셀룰로즈의 함량은 비사문암 토양에서, 리그닌 함량은 사문암 지역의 식물체에서 다소 높게 나타났다.
- 토양의 dehydrogenase와 urease의 활성은 비사문암 토양에서 더 높았으며(p<0.05), alkali phosphatase의 활성은 사문암 토양에서 높은 것으로 나타났다(p<0.01).
- 한편 분해되는 낙엽 내에서 Mg, Fe, Cr, Ni의 함량은 분해시간 경과에 따라 그 함량이 증가하는 결과를 보였고, 그런 경향은 사문암지역에서의 분해에서 더욱 뚜렷하였다. 일반적으로 낙엽분해 시에 모든 양분이 방출되는 것은 아니며 더구나 중금속의 경우에는 중금속이 없는 장소에서도 낙엽이 분해되면서 그 잔존물에 결합되어 남아있으며, 낙엽의 무게가 80% 감소할 때까지 낙엽 내 중금속함량은 증가한다(Berg and McClaugherty, 2003).
- 한편 분해되는 낙엽 내에서의 Mg, Fe, Cr, Ni의 함량은 분해시간 경과에 따라 그 함량이 증가하는 결과를 보였는데, 사문암지역에서 낙엽이 분해될 때 더욱 뚜렷하게 증가하였으며, 비사문암에서 획득한 낙엽보다 사문암에서 획득한 낙엽에서 그 함량이 훨씬 높게 나타났다.
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