탄소 및 질소 안정동위원소 비를 이용한 영산강하구역 유기물 기원 추정 연구 Determination of the Origin of Particulate Organic Matter at the Estuary of Youngsan River using Stable Isotope Ratios (${\\delta}^{13}C$, ${\\delta}^{15}N$)원문보기
본 연구는 영산강하구역 입자물질 유입원의 시 공간적인 변화를 추정해 보고자 몽탄대교에서 영산강 하구둑에 이르는 영산강하구역 세 정점에서 연 6회에 걸쳐 수 층 부유 물질의 탄소 및 질소 안정동위원소 비를 비교하였다. 모든 정점에서 8월에 강우를 통한 외부기원 유기물의 유입이 증가하였으며, 이 때 암모니아성 질소 및 규산염의 유입 역시 함께 증가하였다. 탄소 안정동위원소 비 측정 결과 11월과 8월에 정점 별 유기물의 기원이 크게 차이 났으며, 안정동위원소 비 값을 이용하여 주요 유입원 추정이 가능하였다. 11월에 모든 정점에서 질소 안정동위원소 비가 무거운 값을 보였고, 인산염의 농도가 가장 높게 나타났는데 이는 축산폐수 및 농경지를 통한 유입이 영향을 준 것으로 판단된다. 또한 다른 정점에 비해 영산강 하구둑에서 모든 조사 기간 동안 비교적 높은 질소 안정동위원소 비를 보였으며, 이를 통해 축산폐수 및 농경지를 통한 유기물 유입이 다른 정점에 비해 높을 것으로 추정된다. 본 연구 결과를 통해 안정동위원소 비 분석은 입자성유기물의 기원을 추정하는데 유용한 방법임을 확인할 수 있었다.
본 연구는 영산강하구역 입자물질 유입원의 시 공간적인 변화를 추정해 보고자 몽탄대교에서 영산강 하구둑에 이르는 영산강하구역 세 정점에서 연 6회에 걸쳐 수 층 부유 물질의 탄소 및 질소 안정동위원소 비를 비교하였다. 모든 정점에서 8월에 강우를 통한 외부기원 유기물의 유입이 증가하였으며, 이 때 암모니아성 질소 및 규산염의 유입 역시 함께 증가하였다. 탄소 안정동위원소 비 측정 결과 11월과 8월에 정점 별 유기물의 기원이 크게 차이 났으며, 안정동위원소 비 값을 이용하여 주요 유입원 추정이 가능하였다. 11월에 모든 정점에서 질소 안정동위원소 비가 무거운 값을 보였고, 인산염의 농도가 가장 높게 나타났는데 이는 축산폐수 및 농경지를 통한 유입이 영향을 준 것으로 판단된다. 또한 다른 정점에 비해 영산강 하구둑에서 모든 조사 기간 동안 비교적 높은 질소 안정동위원소 비를 보였으며, 이를 통해 축산폐수 및 농경지를 통한 유기물 유입이 다른 정점에 비해 높을 것으로 추정된다. 본 연구 결과를 통해 안정동위원소 비 분석은 입자성유기물의 기원을 추정하는데 유용한 방법임을 확인할 수 있었다.
Organic carbon and total nitrogen stable isotope ratios of suspended materials were determined at 3 stations (from Mongtan Bridge to Youngsan river estuary barrage) (n=6, each) from November 2008 to August 2009, in order to understand the origin of particulate organic matter at the Estuary of Youngs...
Organic carbon and total nitrogen stable isotope ratios of suspended materials were determined at 3 stations (from Mongtan Bridge to Youngsan river estuary barrage) (n=6, each) from November 2008 to August 2009, in order to understand the origin of particulate organic matter at the Estuary of Youngsan River. Allochthonous organic matter, ammonia-N and silicate were increased after heavy rain (in August). Carbon isotope ratios were significantly different between stations in November and August, and it was possible to determine the origin of organic matter. The heavier nitrogen isotope ratios, as well as higher phosphate concentrations, were found in November than other sampling times. Livestock wastewater and farmland input was likely the main causes of these high values. In addition, YS3 station, the nearest site to estuary barrage, appears to be affected by a substantial amount of livestock wastewater and farmland input, considering that nitrogen isotope ratios were heavier than those at the upper sites. These results suggest that the analysis of stable isotope ratios is a simple but useful tool for the determination of organic matter origin in aquatic environments.
Organic carbon and total nitrogen stable isotope ratios of suspended materials were determined at 3 stations (from Mongtan Bridge to Youngsan river estuary barrage) (n=6, each) from November 2008 to August 2009, in order to understand the origin of particulate organic matter at the Estuary of Youngsan River. Allochthonous organic matter, ammonia-N and silicate were increased after heavy rain (in August). Carbon isotope ratios were significantly different between stations in November and August, and it was possible to determine the origin of organic matter. The heavier nitrogen isotope ratios, as well as higher phosphate concentrations, were found in November than other sampling times. Livestock wastewater and farmland input was likely the main causes of these high values. In addition, YS3 station, the nearest site to estuary barrage, appears to be affected by a substantial amount of livestock wastewater and farmland input, considering that nitrogen isotope ratios were heavier than those at the upper sites. These results suggest that the analysis of stable isotope ratios is a simple but useful tool for the determination of organic matter origin in aquatic environments.
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문제 정의
, 2011), 영산강은 주변에 농업 및 축산 활동이 활발하게 진행되고 있는 지역으로 이와 같은 기법이 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료되나 현재까지 영산강 수층 입자성 물질의 안정동위원소 비 자료는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구는 이화학적 요인 및 입자성 물질의 탄소 및 질소 안정동위원소 비 측정을 통해 영산강하구역 입자물질 유입원의 시∙공간적 변화를 추정해보고자 실시되었다.
본 연구는 영산강하구역 입자물질 유입원의 시∙공간 적인 변화를 추정해 보고자 몽탄대교에서 영산강 하구둑에 이르는 영산강하구역 세 정점에서 연 6회에 걸쳐 수층 부유 물질의 탄소 및 질소 안정동위원소 비를 비교하였다. 모든 정점에서 8월에 강우를 통한 외부기원 유기물의 유입이 증가하였으며, 이 때 암모니아성 질소 및 규산염의 유입 역시 함께 증가하였다.
제안 방법
입자성 유기탄소의 농도 및 안정동위원소 비 측정을 위한 시료는 현장에서 채집한 원수를 전처리한 GF/F 여과지(450ºC, 4시간)로 여과(50~200 mL)한 후 12N 농도의 진한 염산 증기를 이용하여 무기탄소를 제거하고 원소-질량 분석기(EuroEA-Isoprime irms, GV instruments, UK)로 분석하였다.
입자성 유기탄소의 농도 및 안정동위원소 비 측정을 위한 시료는 현장에서 채집한 원수를 전처리한 GF/F 여과지(450ºC, 4시간)로 여과(50~200 mL)한 후 12N 농도의 진한 염산 증기를 이용하여 무기탄소를 제거하고 원소-질량 분석기(EuroEA-Isoprime irms, GV instruments, UK)로 분석하였다. 입자성 질소의 농도 및 안정동위원소 비 측정을 위한 시료는 염산 증기 처리를 제외하고 입자성 유기탄소와 동일하게 진행하였다. 기기오차를 검정하기 위한 표준물질은 Urea(Reference material for NC, Eurovector, UK)를 사용하였다(S.
대상 데이터
강우량 자료는 기상청 홈페이지(www.kma.go.kr) 자료를 사용하였으며, 염분 및 탁도는 수질 다항목 측정기(YSI-85, YSI inc., USA)를 이용하여 표층에서 측정하였다. 입자성 부유물질(SPM: Suspended particulate matter)의 농도는 여과 전∙후 건조된 GF/F 여과지의 무게 차를 여과량으로 나누어 계산하였으며, 입자성 유기물질(POM: Particulate organic matter)의 농도는 강열감량 방법을 이용하여 계산하였다.
입자성 질소의 농도 및 안정동위원소 비 측정을 위한 시료는 염산 증기 처리를 제외하고 입자성 유기탄소와 동일하게 진행하였다. 기기오차를 검정하기 위한 표준물질은 Urea(Reference material for NC, Eurovector, UK)를 사용하였다(S.D.=0.1). 일반적으로 시료의 안정동위원소 비를 표현할 때에는 국제적으로 공인된 표준물질과의 차이를 천분율로 표시하며 그 식은 다음과 같다.
본 연구는 영산강 하류역의 3개 정점(YS1, YS2, YS3)에서 2008년 11월, 2009년 1월, 2월, 3월, 6월, 8월 총 6회 실시되었으며, 조사지점은 Fig. 1에 나타내었다. 국가수자원관리종합정보시스템의 토지이용 자료에 의하면 2000년 기준 영산강 하류 및 영산강 하구언 유역의 토지피복별 면적 비율은 산림과 논이 각각 31%, 48%로 높은 비율을 차지하였으며, 수역 및 도시, 나지, 습지, 초지, 밭 등은 10% 미만의 비율을 보였다.
여기서 R은 무거운 동위원소와 가벼운 동위원소(탄소의 경우 13C/12C, 질소의 경우 15N/14N)의 비를 의미하며, Rsample은 시료의 값, Rstandard는 표준물질의 값으로 탄소는 VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite), 질소는 대기 중 질소를 표준물질로 사용하였다. 통계분석은 PASW Statistics 18.
데이터처리
는 표준물질의 값으로 탄소는 VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite), 질소는 대기 중 질소를 표준물질로 사용하였다. 통계분석은 PASW Statistics 18.0 프로그램을 사용하였으며, 분석 항목들 간의 피어슨 상관계수(r)는 상관분석을 통하여 계산하였으며, 결정계수(R2)는 단순회귀분석을 통해 구하였다. 모든 분석의 유의확률은 0.
이론/모형
(1984)의 방법에 따라 자동영양염분석기(AACS5, BLTEC®, Japan)를 이용하여 분석하였고, Chl.a의 농도는 현장수를 여과한 GF/F 여과지를 90% 아세톤으로 추출한 후 형광광도계(10-AU, Turner Designs, USA)를 이용하여 분석하였다.
, USA)를 이용하여 표층에서 측정하였다. 입자성 부유물질(SPM: Suspended particulate matter)의 농도는 여과 전∙후 건조된 GF/F 여과지의 무게 차를 여과량으로 나누어 계산하였으며, 입자성 유기물질(POM: Particulate organic matter)의 농도는 강열감량 방법을 이용하여 계산하였다. 영양염류 농도는 Parsons et al.
성능/효과
2NTU의 범위를 보였으며, 11월 YS1을 제외하고 모든 정점에서 다른 시기에 비해 6월과 8월에 비교적 높은 값을 보였다. SPM은 1.3~40.0mg L-1의 범위로 YS1과 YS2에서 SPM과 탁도가 높은 상관을 보였으며(r=0.94, 0.65), POM은 1.2~13.7mg L-1의 범위로 강우에 의한 영향이 두드러지게 나타나지 않았다. 11월 YS1에서 탁도와 SPM의 값은 높게 나타난 반면 강우량 및 염분, POM의 농도는 큰 변화가 없었다.
11월에 모든 정점에서 질소 안정동위원소 비가 무거운 값을 보였고, 인산염의 농도가 가장 높게 나타났는데 이는 축산폐수 및 농경지를 통한 유입이 영향을 준 것으로 판단된다. 또한 다른 정점에 비해 영산강 하구둑에서 모든 조사 기간 동안 비교적 높은 질소 안정동위원소 비를 보였으며, 이를 통해 축산폐수 및 농경지를 통한 유기물 유입이 다른 정점에 비해 높을 것으로 추정된다. 본 연구 결과를 통해 안정동위원소 비 분석은 입자성유기물의 기원을 추정하는데 유용한 방법임을 확인할 수 있었다.
, 2013). 모든 연구 정점에서 인산염의 농도가 강우량이 높은 8월보다 11월에 높게 나타나는 것으로 보아 비료 사용 등의 인간활동에 의한 유입이 인산염의 주요한 경로로 사료된다. 11월 YS1에서는 강우량이 높지 않았음에도 불구하고 탁도 및 SPM의 높은 농도가 관찰되었고, SPM 내 POM의 비율은 약 26%로 육지 기원 물질 유입이 높았던 8월과 유사하게 매우 낮게 나타났다.
65‰ 로 나타났으며 하구둑 앞 정점인 YS3에서 다른 정점에 비해 비교적 무거운 값을 보였다. 모든 정점에서 11월에 매우 무거운 질소 안정동위원소 비를 보였다.
본 연구는 영산강하구역 입자물질 유입원의 시∙공간 적인 변화를 추정해 보고자 몽탄대교에서 영산강 하구둑에 이르는 영산강하구역 세 정점에서 연 6회에 걸쳐 수층 부유 물질의 탄소 및 질소 안정동위원소 비를 비교하였다. 모든 정점에서 8월에 강우를 통한 외부기원 유기물의 유입이 증가하였으며, 이 때 암모니아성 질소 및 규산염의 유입 역시 함께 증가하였다. 탄소 안정동위원소 비 측정 결과 11월과 8월에 정점 별 유기물의 기원이 크게 차이 났으며, 안정동위원소 비 값을 이용하여 주요 유입원 추정이 가능하였다.
2μg L-1으로 POC와 동일하게 YS3에서 가장 낮게 나타났다. 모든 정점에서 Chl.a의 농도는 동절기인 1월 또는 2월에 최대 값을 보였으며, POC는 YS1과 YS2에서만 동절기에 가장 높은 농도를 보였다. YS1부터 YS3까지의 탄소 안정동위원소 비는 각각 -17.
모든 정점에서 염분은 탁도 및 SPM과 통계적으로 유의하게 음의 상관관계를 보였으며(p<0.05), POM은 YS3 정점을 제외하고 다른 환경 요인과 통계적으로 유의한 상관을 보이지 않았다.
또한 다른 정점에 비해 영산강 하구둑에서 모든 조사 기간 동안 비교적 높은 질소 안정동위원소 비를 보였으며, 이를 통해 축산폐수 및 농경지를 통한 유기물 유입이 다른 정점에 비해 높을 것으로 추정된다. 본 연구 결과를 통해 안정동위원소 비 분석은 입자성유기물의 기원을 추정하는데 유용한 방법임을 확인할 수 있었다.
지리적으로 강을 통해 연결되어 있는 유수역 정점들에서 입자성유기물의 탄소 및 질소 안정동위원소 비가 시∙공간적으로 상이하게 나타난 것은 조사 시기에 따라 상류를 통해 유입되는 유기물뿐만 아니라 지천을 통해 주변 유역에서 지속적으로 다양한 기원의 유기물들이 유입되고 있음을 의미한다. 본 연구 결과를 통해 탄소 및 질소 안정동위원소 비는 유입원을 추적하는데 유용한 방법으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 그러나 유입된 유기물의 안정동위원소 비는 미생물 분해활동 등에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에(Karlsson et al.
입자성 질소의 농도 범위는 YS1부터 YS3까지 각각 210~739μgN L-1 , 171~710μgN L-1 , 126~527μgN L-1의 범위를 보였으며, POC 농도와 유의한 상관관계를 보였다 (r>0.99).
조사 기간 동안 모든 정점에서 POC와 PN의 상관계수는 모두 약 0.99로 매우 높은 상관관계를 보였으며, YS1과 YS2에서 POC와 Chl.a, PN와 Chl.a의 결정계수(R2 )는 모두 0.7 이상으로 POC의 농도 변화가 식물플랑크톤에 의해 크게 영향을 받는 반면 YS3은 모두 0.3으로 다른 유입원에 의한 영향이 상대적으로 크게 나타났다. 정점 별 POC와 PN 비의 평균 값은 YS1부터 YS3까지 각각 5.
0 μM의 농도 범위를 보였다. 질산성 질소 및 아질산성 질소는 2월과 3월에 높은 농도를 보인 후 강우량이 높았던 6월이나 8월에 감소하는 경향을 보였다. 반면 암모니아성 질소는 강우량이 높았던 8월에 높게 나타났으며, 이는 규산염의 농도 변화와 유사하였다.
질소 안정동위원소 비 결과는 6월과 8월 YS1, YS2, 3월 YS1, 11월 모든 정점을 제외하고 모두 동물의 배설물에서 기인한 질산염의 값과 유사한 범위를 보였다. 이는 식물플랑크톤이나 주변 육지식물이 사용하는 무기질소원이 동물 배설물에서 기인하였음을 간접적으로 나타내지만 이를 확인하기 위해서는 추가적인 분석이 이루어져야할 것으로 판단된다.
2psu의 범위로 하구둑 앞 정점(YS3)에서 상대적으로 높은 값을 보였으며, 강우량이 높았던 6월과 8월에 염분 감소가 나타났다. 탁도는 0.5~44.2NTU의 범위를 보였으며, 11월 YS1을 제외하고 모든 정점에서 다른 시기에 비해 6월과 8월에 비교적 높은 값을 보였다. SPM은 1.
탄소 안정동위원소 비 결과는 11월 YS1, YS2, 8월 YS3을 제외하고 비교적 좁은 범위를 보였으며, 특정 기원 유기물의 값을 보이지 않는 것으로 보아 다양한 기원의 유기물이 혼합되어 있는 것으로 사료된다. 반면 11월 YS2는 C3식물 기원 유기물, 8월 YS3은 C4식물 기원 유기물에 가까운 값을 보여 이들의 기여도가 높았던 것으로 추정된다.
모든 정점에서 8월에 강우를 통한 외부기원 유기물의 유입이 증가하였으며, 이 때 암모니아성 질소 및 규산염의 유입 역시 함께 증가하였다. 탄소 안정동위원소 비 측정 결과 11월과 8월에 정점 별 유기물의 기원이 크게 차이 났으며, 안정동위원소 비 값을 이용하여 주요 유입원 추정이 가능하였다. 11월에 모든 정점에서 질소 안정동위원소 비가 무거운 값을 보였고, 인산염의 농도가 가장 높게 나타났는데 이는 축산폐수 및 농경지를 통한 유입이 영향을 준 것으로 판단된다.
후속연구
본 연구 결과를 통해 탄소 및 질소 안정동위원소 비는 유입원을 추적하는데 유용한 방법으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 그러나 유입된 유기물의 안정동위원소 비는 미생물 분해활동 등에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에(Karlsson et al., 2011), 차후 농경지 및 축산폐수, 토양 등 유입원 별 초기 및 분해 후 안정동위원소 비를 측정하면 더욱 정확한 영산강 유기물 기원 추적 및 기여도 계산이 가능할 것으로 사료된다. 이와 더불어 분자 생체지표의 농도 및 안정동위원소 비 분석 등이 추가된다면 유기물 기원 추정 뿐만 아니라 이동에 대한 정보까지 얻을 수 있을 것이다.
질소 안정동위원소 비 결과는 6월과 8월 YS1, YS2, 3월 YS1, 11월 모든 정점을 제외하고 모두 동물의 배설물에서 기인한 질산염의 값과 유사한 범위를 보였다. 이는 식물플랑크톤이나 주변 육지식물이 사용하는 무기질소원이 동물 배설물에서 기인하였음을 간접적으로 나타내지만 이를 확인하기 위해서는 추가적인 분석이 이루어져야할 것으로 판단된다. 6월과 8월 YS1, YS2에서는 비교적 가벼운 질소 안정동위원소를 보였으며, 이는 강우를 통해 다른 기원의 무기질소 및 입자성 질소의 유입에 의한 결과로 사료된다.
, 2011), 차후 농경지 및 축산폐수, 토양 등 유입원 별 초기 및 분해 후 안정동위원소 비를 측정하면 더욱 정확한 영산강 유기물 기원 추적 및 기여도 계산이 가능할 것으로 사료된다. 이와 더불어 분자 생체지표의 농도 및 안정동위원소 비 분석 등이 추가된다면 유기물 기원 추정 뿐만 아니라 이동에 대한 정보까지 얻을 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강을 통한 탄소의 유입 및 이동을 파악하는 것은 왜 중요한가?
식물플랑크톤이나 육상식물은 1차 생산자로서 이들이 사용한 무기탄소나 무기질소의 기록이 1차 생산자에 의해 생성된 유기물에 반영되기 때문에 그 기원을 해석하는 것이 가능하게 된다. 강을 통한 탄소의 유입 및 이동은 전지구적 탄소 순환 관점에서 매우 중요하며(Ludwig et al., 1996; Cole et al., 2007), 특히 하구역은 해양과 연결되어 있으면서 담수에 의한 유입이 존재하기 때문에 육지기원 물질들이 해양으로 유입되는 통로로서 이 환경의 유입원에 대한 이해가 중요하다고 할 수 있다.
영산강하구역 세 정점에서 조사한 탄소 및 질소 안정동위원소 비를 조사한 결과는 어떠한가?
본 연구는 영산강하구역 입자물질 유입원의 시∙공간 적인 변화를 추정해 보고자 몽탄대교에서 영산강 하구둑에 이르는 영산강하구역 세 정점에서 연 6회에 걸쳐 수층 부유 물질의 탄소 및 질소 안정동위원소 비를 비교하였다. 모든 정점에서 8월에 강우를 통한 외부기원 유기물의 유입이 증가하였으며, 이 때 암모니아성 질소 및 규산염의 유입 역시 함께 증가하였다. 탄소 안정동위원소 비 측정 결과 11월과 8월에 정점 별 유기물의 기원이 크게 차이 났으며, 안정동위원소 비 값을 이용하여 주요 유입원 추정이 가능하였다. 11월에 모든 정점에서 질소 안정동위원소 비가 무거운 값을 보였고, 인산염의 농도가 가장 높게 나타났는데 이는 축산폐수 및 농경지를 통한 유입이 영향을 준 것으로 판단된다. 또한 다른 정점에 비해 영산강 하구둑에서 모든 조사 기간 동안 비교적 높은 질소 안정동위원소 비를 보였으며, 이를 통해 축산폐수 및 농경지를 통한 유기물 유입이 다른 정점에 비해 높을 것으로 추정된다. 본 연구 결과를 통해 안정동위원소 비 분석은 입자성유기물의 기원을 추정하는데 유용한 방법임을 확인할 수 있었다.
수층의 유기물은 무엇으로 이뤄져 있는가?
, 2013). 수층의 유기물은 식물플랑크톤으로부터 만들어지는 자생기원 유기물과 육상식물이나 토양 등 육지에서 유입되는 외부기원 유기물로 이루어져 있다. 식물플랑크톤이나 육상식물은 1차 생산자로서 이들이 사용한 무기탄소나 무기질소의 기록이 1차 생산자에 의해 생성된 유기물에 반영되기 때문에 그 기원을 해석하는 것이 가능하게 된다.
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