가막만 빈산소 해역의 퇴적물 산소소모율과 용존산소 고갈에 의한 황화수소 용출 Sediment Oxygen Consumption Rate and Hydrogen Sulfide Release by Dissolved Oxygen Depletion in Hypoxic Area of the Gamak Bay, Korea원문보기
가막만 빈산소 해역에서 챔버 실험과 지화학적 분석을 통하여 퇴적물 산소소모율과 퇴적물 특성을 파악하였다. 가막만 표층퇴적물의 유기탄소 함량은 만의 안쪽이 높고 바깥쪽으로 갈수록 감소하는 경향을 보였다. 만의 안쪽 퇴적물에는 바깥쪽에 비해 상대적으로 육성기인 유기물이 더 많이 포함되어 있다. 빈산소가 빈번하게 발생하는 가막만 북부 내만의 시추퇴적물에 기록된 탄산칼슘 함량의 분포는 이 지역에서 과거 백 년 이전부터 빈산소가 발생하였음을 지시한다. 2010년과 2011년 2월, 5월, 8월 및 11월에 가막만 빈산소 해역에서 퇴적물 챔버 실험을 하였는데, 북부 내만에 위치한 정점 C3과 남부 외해 쪽에 위치한 정점 C17에서 퇴적물 산소소모율은 각각 $3.98-12.43mmol\;m^{-2}d^{-1}$, $3.28-8.18mmol\;m^{-2}d^{-1}$ 범위였다. 퇴적물 산소소모율은 수온에 가장 큰 영향을 받는 것으로 보인다. 정점 C3과 정점 C17 에서 산소가 모두 고갈되어 저층이 무산소로 바뀌면 유독성의 황화수소플럭스는 각각 $1.38mmol\;m^{-2}d^{-1}$, $1.3mmol\;m^{-2}d^{-1}$로 수층으로 용출되어 나왔다.
가막만 빈산소 해역에서 챔버 실험과 지화학적 분석을 통하여 퇴적물 산소소모율과 퇴적물 특성을 파악하였다. 가막만 표층퇴적물의 유기탄소 함량은 만의 안쪽이 높고 바깥쪽으로 갈수록 감소하는 경향을 보였다. 만의 안쪽 퇴적물에는 바깥쪽에 비해 상대적으로 육성기인 유기물이 더 많이 포함되어 있다. 빈산소가 빈번하게 발생하는 가막만 북부 내만의 시추퇴적물에 기록된 탄산칼슘 함량의 분포는 이 지역에서 과거 백 년 이전부터 빈산소가 발생하였음을 지시한다. 2010년과 2011년 2월, 5월, 8월 및 11월에 가막만 빈산소 해역에서 퇴적물 챔버 실험을 하였는데, 북부 내만에 위치한 정점 C3과 남부 외해 쪽에 위치한 정점 C17에서 퇴적물 산소소모율은 각각 $3.98-12.43mmol\;m^{-2}d^{-1}$, $3.28-8.18mmol\;m^{-2}d^{-1}$ 범위였다. 퇴적물 산소소모율은 수온에 가장 큰 영향을 받는 것으로 보인다. 정점 C3과 정점 C17 에서 산소가 모두 고갈되어 저층이 무산소로 바뀌면 유독성의 황화수소 플럭스는 각각 $1.38mmol\;m^{-2}d^{-1}$, $1.3mmol\;m^{-2}d^{-1}$로 수층으로 용출되어 나왔다.
This study investigated sediment oxygen consumption rates and geochemical characteristics of sediment in hypoxic area of the Gamak Bay based on the chamber experiments and geochemical analyses. The organic carbon contents of surface sediment in the Gamak Bay showed that the inner bay area has higher...
This study investigated sediment oxygen consumption rates and geochemical characteristics of sediment in hypoxic area of the Gamak Bay based on the chamber experiments and geochemical analyses. The organic carbon contents of surface sediment in the Gamak Bay showed that the inner bay area has higher organic carbon content than those of the outer bay. They toward the outer bay, contents dropped off. The vertical profiles of calcium carbonate ($CaCO_3$) content at piston core sediment assumed that the hypoxia have been frequently occurred during past century in the northern inner bay. The benthic chamber experiments were conducted in February, May, August and November 2010, 2011 in the hypoxic area of the Gamak Bay. In the sediment incubation experiment with chamber at site C3 in the northern inner bay and site C17 in the southern outer bay, the sediment oxygen consumption rate ranged from $3.98mmol\;m^{-2}d^{-1}$ to $12.43mmol\;m^{-2}d^{-1}$ and $3.28mmol\;m^{-2}d^{-1}$ to $8.18mmol\;m^{-2}d^{-1}$, respectively. When the oxygen was completely depleted, the toxic hydrogen sulfide was released with $1.38mmol\;m^{-2}d^{-1}$ and $1.3mmol\;m^{-2}d^{-1}$, respectively.
This study investigated sediment oxygen consumption rates and geochemical characteristics of sediment in hypoxic area of the Gamak Bay based on the chamber experiments and geochemical analyses. The organic carbon contents of surface sediment in the Gamak Bay showed that the inner bay area has higher organic carbon content than those of the outer bay. They toward the outer bay, contents dropped off. The vertical profiles of calcium carbonate ($CaCO_3$) content at piston core sediment assumed that the hypoxia have been frequently occurred during past century in the northern inner bay. The benthic chamber experiments were conducted in February, May, August and November 2010, 2011 in the hypoxic area of the Gamak Bay. In the sediment incubation experiment with chamber at site C3 in the northern inner bay and site C17 in the southern outer bay, the sediment oxygen consumption rate ranged from $3.98mmol\;m^{-2}d^{-1}$ to $12.43mmol\;m^{-2}d^{-1}$ and $3.28mmol\;m^{-2}d^{-1}$ to $8.18mmol\;m^{-2}d^{-1}$, respectively. When the oxygen was completely depleted, the toxic hydrogen sulfide was released with $1.38mmol\;m^{-2}d^{-1}$ and $1.3mmol\;m^{-2}d^{-1}$, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 퇴적물 챔버 실험으로 가막만 빈산소 수괴가 발생하는 지역에서 퇴적물이 소모하는 산소의 양을 측정하여 빈산소 수괴 형성에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 또한 빈산소가 지속되었을 때 퇴적물로부터 용출되는 황화수소 플럭스를 측정하고자 하였다.
황화수소는 독성이 강하며 500 ppm 이상이면 생물에 큰 피해를 미치고, 1000 ppm 이상이면 폐사를 불러온다(Guidotti, 1994). 본 연구에서는 퇴적물 챔버 실험으로 가막만 빈산소 수괴가 발생하는 지역에서 퇴적물이 소모하는 산소의 양을 측정하여 빈산소 수괴 형성에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 또한 빈산소가 지속되었을 때 퇴적물로부터 용출되는 황화수소 플럭스를 측정하고자 하였다.
제안 방법
4 Φ 이하 크기의 퇴적물은 퇴적물 입도분석기(Sedigraph 5100)을 이용하여 입도분석을 한 후 4 Φ 이상 크기와의 함량 비율을 계산하여 통계처리 하였다(Folk, 1954). 또한 퇴적물 시료는 실험실로 운반하여 건조시킨 후 무게를 재어 함수율을 측정하였고, 건조시킨 퇴적물 시료를 분말화하여 총탄소(total carbon) 함량과 무기탄소(inorganic carbon) 함량을 측정하였다. 총탄소(total carbon) 함량과 총질소 함량은 CHNS 원소분석기(Carlo- Erba)를 이용하여 분석하였고, 무기탄소(inorganic carbon) 함량은 Coulometric 탄소분석기 (UIC)를 이용하여 분석하였다.
표층퇴적물과 시추퇴적물은 전처리 과정을 거친 후 입도분석을 하였다. 시료의 전처리는 10% 염산용액으로 탄산염을 제거하였고, 30% 과산화수소수(H2O2)로 유기물을 제거하였다. 전 처리를 거친 퇴적물 시료는 증류수로 수 회 세척을 하였고, 4 Φ 체(sieve)를 사용하여 4 Φ 이상 크기와 이하 크기로 나누었다.
표층퇴적물은 샘플백에 담아 냉장보관 후 실험실에서 건조한 후 분말화하여 지화학적 분석을 하였고, 이와 더불어 입도분석도 병행하였다. 시추퇴적물은 실험실에서 절개 후 각 깊이별로 부시료를 채취하여 입도분석과 지화학 분석을 실시하였다.
전 처리를 거친 퇴적물 시료는 증류수로 수 회 세척을 하였고, 4 Φ 체(sieve)를 사용하여 4 Φ 이상 크기와 이하 크기로 나누었다.
챔버를 이용하여 퇴적물 부시료를 채취한 후 현장의 온도 및 빛 조건과 유사한 환경 하에 배양실험을 실시하였다. 챔버는 온도조절이 가능한 수조에서 저층의 온도와 최대한 유사하게 유지하였고, 자연광이 거의 들어오지 않는 암실을 만들어 빛 노출을 최소화하였다.
퇴적물 부시료가 들어있는 챔버에 현장에서 채취한 저층수를 최대한 교란이 일어나지 않도록 조심스럽게 약 2 L 붓고, 공기의 접촉을 완전히 차단하였다. 챔버에는 클라크 타입의 산소 센서, pH 센서 및 황화수소 센서(Unisense)를 장착하여 시간별로 각 항목의 변화를 기록하였다. 퇴적물 배양시간은 산소가 완전히 고갈되었거나, 산소의 감소현상이 일정한 양상을 보일 때까지 실시하였고, 배양의 처음과 끝 부분에 상층수를 채취하여 윈클러 적정으로 상층수의 산소 농도를 보정해 주었다.
또한 퇴적물 시료는 실험실로 운반하여 건조시킨 후 무게를 재어 함수율을 측정하였고, 건조시킨 퇴적물 시료를 분말화하여 총탄소(total carbon) 함량과 무기탄소(inorganic carbon) 함량을 측정하였다. 총탄소(total carbon) 함량과 총질소 함량은 CHNS 원소분석기(Carlo- Erba)를 이용하여 분석하였고, 무기탄소(inorganic carbon) 함량은 Coulometric 탄소분석기 (UIC)를 이용하여 분석하였다. 유기탄소(organic carbon) 함량은 총탄소 함량에서 무기탄소 함량을 빼서 계산하였다.
챔버에는 클라크 타입의 산소 센서, pH 센서 및 황화수소 센서(Unisense)를 장착하여 시간별로 각 항목의 변화를 기록하였다. 퇴적물 배양시간은 산소가 완전히 고갈되었거나, 산소의 감소현상이 일정한 양상을 보일 때까지 실시하였고, 배양의 처음과 끝 부분에 상층수를 채취하여 윈클러 적정으로 상층수의 산소 농도를 보정해 주었다. 퇴적물 산소소모율과 황화수소 플럭스는 챔버에 장착한 산소센서와 황화수소 센서로 측정한 농도 변화의 기울기를 구하여 아래의 식에 적용하여 추정하였다.
빈산소가 지속되어 무산소 환경이 된다면 용존 인뿐만 아니라 황화수소, 메탄 등도 수층으로 용출되어 나올 가능성이 있다. 퇴적물이 무산소 환경이 되었을 때 퇴적물에서 용출되어 나오는 물질을 확인하기 위해서 퇴적물 배양 챔버에 황화수소 센서를 장착하여 황화수소 농도를 측정하였는데, 2011년 8월에 황화수소의 용출을 확인할 수 있었다. 2011년 8월에는 산소소모율이 최대였었고, 배양 시작 후 얼마 지나지 않아 산소가 모두 고갈되어 무산소 환경으로 바뀌었었다.
표층퇴적물과 시추퇴적물은 전처리 과정을 거친 후 입도분석을 하였다. 시료의 전처리는 10% 염산용액으로 탄산염을 제거하였고, 30% 과산화수소수(H2O2)로 유기물을 제거하였다.
1). 표층퇴적물은 샘플백에 담아 냉장보관 후 실험실에서 건조한 후 분말화하여 지화학적 분석을 하였고, 이와 더불어 입도분석도 병행하였다. 시추퇴적물은 실험실에서 절개 후 각 깊이별로 부시료를 채취하여 입도분석과 지화학 분석을 실시하였다.
대상 데이터
표층퇴적물 분석을 위하여 17개 정점에서 그랩(Grab) 샘플러로 표층퇴적물을 채취하였고, 4개의 정점에서 피스톤 코어러(piston corer)를 이용하여 시추퇴적물을 채취하였으며, 2개의 정점에서 계절별로 상자형 시추기(box corer)를 이용하여 퇴적물 배양실험을 위한 퇴적물을 채취하였다(Fig. 1). 표층퇴적물은 샘플백에 담아 냉장보관 후 실험실에서 건조한 후 분말화하여 지화학적 분석을 하였고, 이와 더불어 입도분석도 병행하였다.
데이터처리
4 Φ 이하 크기의 퇴적물은 퇴적물 입도분석기(Sedigraph 5100)을 이용하여 입도분석을 한 후 4 Φ 이상 크기와의 함량 비율을 계산하여 통계처리 하였다(Folk, 1954).
성능/효과
(2010)의 연구에서 가막만으로 유입되는 하천의 오염부하량을 조사하였는데, 하천 유량의 월별 총합은 87,220 – 191,686 m3 day-1 이었고, 총질소(TN), 총인(TP) 및 총유 기탄소(TOC)는 각각 1,112 kg day-1, 89 kg day-1, 285 kg day-1 이었다. 계절별로는 강우량이 많았던 5월과 7월에 높은 오염 부하량을 보이며, 정점 C3과 가까운 곳에 위치한 하수처리장과 선소 주변 하수구 지역에서 높은 오염 부하량을 보이는 것으로 조사되었다. 가막만 북쪽 내만역에서 발생하는 빈산소 수괴의 형성에는 하천으로 유입되는 오염원이 직접적으로 영향을 미치는 것으로 추정할 수 있다.
시추퇴적물에서 유기탄소와 탄산칼슘 함량을 분석한 결과 유기탄소 함량은 정점 P1에서 가장 높게 나왔는데, 퇴적물 상부에서는 1.5% 이상이었고 깊이가 깊어질수록 점차 감소하는 경향을 보였다. 그러나 정점 P2, P3, P4에서는 깊이에 따른 유기탄소 함량 변화가 거의 나타나지 않았고, 그 함량도 1% 이내로 상대적으로 낮은 함량을 보였다(Fig.
pH의 감소는 산소의 소모 경향과유사한 양상을 나타내었다. 용존산소가 급격하게 감소하면 pH도 급격하게 감소하였고, 용존산소 농도의 감소가 완만할때에는 pH의 감소도 완만하였다(Fig. 8). 이는 산소 및 여러산화제가 관여하는 유기물 분해과정에서 이산화탄소가 수층으로 용출되어 나오고, 저층수의 이산화탄소 농도가 증가하면서 pH가 낮아진 것이다.
2d). 전체적으로 8 이하의 값을 보이는 것으로 볼 때 만에 퇴적된 유기물은 대부분 해양기원성 유기물로 판단되나(Prahl et al., 1994), 만의 안 쪽 일부지역은 육상으로부터 기인한 유기물이 일부 유입되었다고 판단된다.
31 mmol m-2 d-1로 수층으로 용출되어 나왔다. 챔버 실험 결과 황화수소는 생물에 유해한 농도까지 용출되어 나올 수 있는 가능성이 보였다.
챔버를 이용하여 퇴적물 부시료를 채취한 후 현장의 온도 및 빛 조건과 유사한 환경 하에 배양실험을 실시하였다. 챔버는 온도조절이 가능한 수조에서 저층의 온도와 최대한 유사하게 유지하였고, 자연광이 거의 들어오지 않는 암실을 만들어 빛 노출을 최소화하였다. 퇴적물 부시료가 들어있는 챔버에 현장에서 채취한 저층수를 최대한 교란이 일어나지 않도록 조심스럽게 약 2 L 붓고, 공기의 접촉을 완전히 차단하였다.
퇴적물 산소소모율과 저층 용존산소의 농도 및 저층 온도와의 상관관계를 보면 저층의 용존산소 농도가 낮았을 때, 저층의 온도가 높았을 때 산소소모율이 큰 것으로 나타났다(Fig. 9). 저층의 온도가 높을 때 저층의 용존산소 농도는 상대적으로 낮은 경향을 보이므로 이것은 결국 저층수의 온도와 밀접한 연관이 있는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연안역의 빈산소는 어디에서 발생하는가?
연안역의 빈산소(hypoxia)는 하구역, 용승이 일어나는 연안역 또는 강으로부터의 영양염 과다유입으로 인해 인위적 부영양화가 일어나는 해역에서 계절적으로 발생한다. 빈산소 수괴는 생지화학적 요인들에 의해 용존산소의 농도가 2 mg/L 이하로 낮아지는 현상으로 전 세계의 부영양화된 호소, 용승으로 인해 생산성이 높은 해역 및 반폐쇄형의 내만에서 주로 나타난다(Severdrup et al, 1972; Hanazato, 1997; Karim et al, 2002; Wu, 2002; Turner et al, 2005).
빈산소 수괴란?
연안역의 빈산소(hypoxia)는 하구역, 용승이 일어나는 연안역 또는 강으로부터의 영양염 과다유입으로 인해 인위적 부영양화가 일어나는 해역에서 계절적으로 발생한다. 빈산소 수괴는 생지화학적 요인들에 의해 용존산소의 농도가 2 mg/L 이하로 낮아지는 현상으로 전 세계의 부영양화된 호소, 용승으로 인해 생산성이 높은 해역 및 반폐쇄형의 내만에서 주로 나타난다(Severdrup et al, 1972; Hanazato, 1997; Karim et al, 2002; Wu, 2002; Turner et al, 2005). 저층으로의 유기물 유입량이 많고, 성층의 형성으로 해양 표층과 저층사이의 해수 유동이 차단되면 빈산소가 일어나기에 적합한 환경이 된다.
가막만의 형태 측면에서 특징은?
가막만은 한반도 남해안 중앙부에 위치하는 내만으로 반폐쇄적인 형태를 가지고 있다. 남북방향 길이가 약 15 km, 동서 방향 길이는 약 9 km의 타원형으로 만 입구에는 크고 작은 섬들이 위치하고 있어 거의 폐쇄적인 형태를 가지고 있다. 가막만의 중앙부는 수심 6-7 m 내외이며, 북쪽 내만은 9-10m로 오목한 분지 형태의 해저지형이 형성되어 있다(Fig.
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