[논문]연안 퇴적물에서 인의 존재형태가 용출 특성에 미치는 영향에 대한 연구

김범근; 모하메드아케트키룰; 권성현

doi:10.13047/kjee.2019.33.2.228

연안 퇴적물에서 인의 존재형태가 용출 특성에 미치는 영향에 대한 연구
A Study on the Influence of Release Characteristics of Phosphorus Fraction in the Sediment 원문보기

한국환경생태학회지 = Korean journal of environment and ecology, v.33 no.2, 2019년, pp.228 - 236

김범근 (경상대학교 대학원 해양시스템공학과) , 모하메드아케트키룰 (경상대학교 대학원 해양시스템공학과) , 권성현 (경상대학교 해양환경공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 남해 연안에서 채취한 퇴적물을 대상으로 수질의 환경변화에 의해 퇴적물이 용출 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 실험실에서 20일 동안 용출 배양실험을 진행하였으며, 퇴적물 인의 존재형태와 수질의 환경 인자, 총 인의 용출률을 측정하였다. 관찰 결과, 수층에서 미생물의 성장에 의해 용존 산소가 감소하여, 퇴적물의 산화환원전위가 낮아지는 혐기성환경이 진행되었다. 그에 따라 배양 초기일과 20일 후를 비교하면, 퇴적물 인의 존재 형태 중철 산화물과 결합한 인산염의 감소하는 변동성이 높게 나타났다. 이는 철 산화물이 환원될 경우 금속 이온과 분리된 무기인이 수중으로 이동하는 것을 의미하는데, 분리된 무기인은 플랑크톤에 의해 잘 흡수되는 특성을 가진다. 수층의 총 인을 분석한 결과 20일 차 0.304mg/L까지 지속적으로 증가하였으며, 산정된 용출률의 경우 배양 5일 이후 용존 산소의 감소와 높은 관계성을 보였다. 따라서 본 연구의 결과로부터, 수층의 부영양화를 관리하기 위한 요소로서 수질의 용존 산소와 퇴적물 인의 존재형태 중 철 산화물의 중요성을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the effect of the sediment phosphorus fraction sampled from the southern coast of Korea on the release characteristics of sediments by environmental changes of water quality. We conducted the release experiment in the laboratory for 20 days and measured the phosphorus fraction properties, the environmental factors of water quality, and the release rate of total phosphorus. The results showed a decrease in dissolved oxygen by the growth of microorganisms in the water layer, leading to the anaerobic condition in which the redox potential of the sediments decreased. As such, the decreasing variability of phosphates bonded to iron oxide in the sediment phosphorus was higher after 20 days of the release experiment than the first day. It means that the metal ions and the separated inorganic phosphorus transfer into the water when the iron oxide is reduced. The separated inorganic phosphorus is easily absorbed by the plankton. The analysis of total phosphorus in the water layer showed that it continuously increased to up to 0.304 mg/L for 20 days, and the release rate had a high correlation with the decrease of dissolved oxygen after 5 days of culture. Therefore, it is necessary to pay attention to the characteristics of iron bonded to phosphorus in the phosphorus fraction and dissolved oxygen to manage the eutrophication of the system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구의 목적은 외부 유입원이 제한된 실험실 조건에서배양조 내 수질환경 인자의 변화를 관찰하여, 수층에서 소모되는 산소의 농도가 인의 용출량과 형태에 미치는 영향을평가하는 것이다. 특히, 인의 주요 공급원이 되는 퇴적물의 평가에서 기존 연구와 같이 인의 양적 부분만 나타내는 분석 방법을 개선하여, 존재 형태별 성분 추출을 통해 수층으로의 공급에 실제 관여하는 인의 형태를 규명하였다.

제안 방법

본 연구의 목적은 외부 유입원이 제한된 실험실 조건에서배양조 내 수질환경 인자의 변화를 관찰하여, 수층에서 소모되는 산소의 농도가 인의 용출량과 형태에 미치는 영향을평가하는 것이다. 특히, 인의 주요 공급원이 되는 퇴적물의 평가에서 기존 연구와 같이 인의 양적 부분만 나타내는 분석 방법을 개선하여, 존재 형태별 성분 추출을 통해 수층으로의 공급에 실제 관여하는 인의 형태를 규명하였다. 이러한 통제된 조건에서 인의 순환에 대한 연구는 조건의 변화로 해양환경을 개선시키는 연구를 검토하기 위한 기초자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 퇴적물과 해수 시료는 경상남도 통영시산양면 연안에서 채취하였다. 퇴적물 시료의 채취에는 포나그랩 채니기가 사용되었으며, 채수기로 5m 가량 중층의 해수를 채취한 뒤 연구실로 옮겨와 분석 전까지 4℃로 냉장보관 하였다.
본 연구에서 수층의 용존 산소는 DO meter (YSI 550A,USA)를 이용하여 측정하였다. 수층과 퇴적물의 pH와 ORP는 multi-meter (Orion 3star, USA)로 측정하였다.

이론/모형

2단계를 제외한 모든 단계의 용존 인은 몰리브덴 청 발색법으로 880nm 파장에서 분광분석법을 통해 측정하였으며,2단계 (Fe bound P)는 Watanabe and Olsen(1962)의 부탄올 추출법에 따라 분석하였다.
용존 산소가 충분히 존재하는 경우 퇴적물은 인의 용출을억제하지만, 저층수에 존재하는 산소의 농도가 감소하는 경우, 표층 퇴적물-수층 계면상을 통해 인을 지속적으로 용출하는 특성을 가진다. 따라서, 저층수의 환경 변화가 퇴적물에서 인의 존재 형태의 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 Ruttenberg(2009)의 순차적 인 추출법을 수행하였다.
배양조의 수층 상등액을 대상으로 퇴적물에서 용출되어 축적되는 영양염의 용출률을 Hieltjes and Lijklema(1980)의 연구에 따라 다음의 공식과 같이 산정하였다.
해수시료는 분석 전 GF/C filter로 여과하여 분석에 사용하였다. 용존총인(DTP), 용존 무기인(DIP), 총 인(T-P)의 분석은 해양환경공정시험법(2015)에 준하여 수행하였으며, 총 인의 경우 필터과정 전의 시료에 과황산칼슘을 주입하고 120℃의 고압멸균기에 가수분해 시킨 후 몰디브덴산 흡광법에 따라 분광광도계로 880nm의 파장으로 측정하였다. 퇴적물 시료의 경우 인산염의 분석은 원심분리용 튜브에 퇴적물을 채취하여 2000rpm으로 20분 원심분리 하여 추출된 공극수를 정량범위에 맞게 희석하여 분석에 사용하였다.
약하게 흡착되어쉽게 교환되는 인(Loosely sorbed or exchangeable P), 철산화물에 결합되어 있는 인 (Ferric iron bound P), 자생광물에 포함된 인으로 carbonate fluorapatite나 생물기원 apatite또는 탄산칼슘에 결합된 인 (Authigenic apatite + Biogenicapatite + CaCO3boundP),쇄설성 apatite에 포함된 무기인,나머지 무기인 (Fluorapatite P + other inorganic P), 잔류유기인 (Organic P)의 형태와 같다. 자세한 실험 방법은Figure 1의 순차적 추출법에 따라 수행하였다.
1L의 해수 시료를 여과(GF/C, Ø45mm)하여, 90%의 아세톤이 주입된 튜브를 4℃ 이하의 냉암소에 24시간 배양 후실온에서 10분간 3000rpm으로 원심분리 하였으며, 상등액을 750, 664, 647, 630 nm의 파장으로 흡광도를 측정하여계산식에 따라 도출하였다. 퇴적물에서 철(Fe)의 분석은Stookey(1970)와 Viollier at el.(2000) 등의 Ferrozine 분석법에 따라 수행하였으며, Fe(Ⅲ)은 퇴적물에서 추출된 총Fe 측정값에서 Fe(Ⅱ)를 제외하는 방법으로 계산하였다

성능/효과

산화환원전위(ORP)는 낮은 수치에서 환원반응이지배적으로 일어나는 환경을 의미한다. 수층에서의 ORP는 안정적으로 유지되었으나, 퇴적물에서의 경우는 배양기간이 지속됨에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이는 시간에 따라 퇴적물에서 환원반응이 일어나기 쉬운 혐기성 환경이 조성되고 있는 것으로 판단된다.

후속연구

이러한 현상의 파악을 위해 최근 국내에서도 퇴적물 인의 분류에 대한 연구의 중요성과 관심도가 높아지고 있으나, 인의 존재상과 퇴적물의 용출에 대한 연구가 대부분 저수지, 하천, 호수 등에서만 진행되는 실정이다(Ki at el, 2010; Lee at el, 2010; Oh at el, 2017). 그러므로 해양 퇴적물을 대상으로한 인의 존재상의 특성에 대한 연구가 진행될 필요성이 있다.
특히, 인의 주요 공급원이 되는 퇴적물의 평가에서 기존 연구와 같이 인의 양적 부분만 나타내는 분석 방법을 개선하여, 존재 형태별 성분 추출을 통해 수층으로의 공급에 실제 관여하는 인의 형태를 규명하였다. 이러한 통제된 조건에서 인의 순환에 대한 연구는 조건의 변화로 해양환경을 개선시키는 연구를 검토하기 위한 기초자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조류는 어떠한 특성이 있나?	조류의 경우 광합성과 호흡을 통해 성장하지만 광합성이 일어나지 않는 밤 사이에 호흡으로 산소를 소모하는 특성이 있으며, 특히 저층으로 침강하는 조류의 사체와 같은 유기물은 박테리아의 호기성 분해활동으로 인해 저층수의 산소 소모에 영향을 미친다(Murray and Wetzel, 1987). 퇴적물과 접촉한 저층수에서 산소의 소모는 퇴적물의 혐기성 환경조성을 가속화 시킨다.
	수화현상의 원인은 무엇인가?	도시하수, 축사, 항만 등 육지의 오염원으로부터 하천,호수 또는 연안으로 유입되는 유기물, 그리고 질소와 인 같은 영양염은 수질환경에서 오염물의 축적을 유발하여 수생태계에 막대한 영향을 미친다. 생태계의 자생범위를 넘어선 과도한 물질의 유입은 수질을 부영양화 단계에 이르게 하며, 이는 조류가 크게 증식하는 수화현상 (Algal blooming)의 원인이 된다.
	존재 형태 중철 산화물과 결합한 인산염의 감소하는 변동성이 높게 나타난 것은 무엇을 의미하나?	그에 따라 배양 초기일과 20일 후를 비교하면, 퇴적물 인의 존재 형태 중철 산화물과 결합한 인산염의 감소하는 변동성이 높게 나타났다. 이는 철 산화물이 환원될 경우 금속 이온과 분리된 무기인이 수중으로 이동하는 것을 의미하는데, 분리된 무기인은 플랑크톤에 의해 잘 흡수되는 특성을 가진다. 수층의 총 인을 분석한 결과 20일 차 0.

참고문헌 (29)

Andersen, J.(1975) Influence of pH on release of phosphorus from lake sediments. Arch. Hydrobiol. 76: 411-419.
Boers, P. C.(1991) The influence of pH on phosphate release from lake sediments. Water Res. 25: 309-311.

상세보기
Bostrom, B.(1982) Phosphorus release from lake sediment. Arch. Hydrobiol. Beih. Ergebn. Limn. 18: 5-59.
Bostrom, B., J.M. Andersen, S. Fleischer and M. Jansson(1988) Exchange of phosphorus across the sediment-water interface. Hydrobiologia 170: 229-244.

상세보기
Cha H., C. Lee, B. Kim, M. Choi and K. Ruttenberg(2005) Early diagenetic redistribution and burial of phosphorus in the sediments of the southwestern east sea (Japan sea). Mar. Geol. 216: 127-143.

상세보기
Chapra, S. C.(2008) Surface water-quality modeling. Waveland press.
Dapeng, L., H. Yong, F. Chengxin and Y. Yan(2011) Contributions of phosphorus on sedimentary phosphorus bioavailability under sediment resuspension conditions. Chem. Eng. J. 168: 1049-1054.

상세보기
Fisher, T.R., P.R. Carlson and R. Barber(1982) Sediment nutrient regeneration in three north carolina estuaries. Estuar. Coast. Shelf Sci. 14: 101-116.

상세보기
Froelich, P., M. Bender, N. Luedtke, G. Heath and T. DeVries(1982) The marine phosphorus cycle. Am. J. Sci. 282: 474-511.
Grande, K.D., P.J.L. Williams, J. Marra, D. A. Purdie, K. Heinemann, R.W. Eppley and M.L. Bender(1989) Primary production in the north pacific gyre: A comparison of rates determined by the 14C, O2 concentration and 18O methods. Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers 36: 1621-1634.

상세보기
Hieltjes, A.H. and L. Lijklema(1980) Fractionation of inorganic phosphates in calcareous sediments 1. J. Environ. Qual. 9: 405-407.
Jensen, H.S. and B. Thamdrup(1993) Iron-bound phosphorus in marine sediments as measured by bicarbonate-dithionite extraction. Proceedings of the Third International Workshop on Phosphorus in Sediments, pp. 47-59.
Kaya, K., Y. Liu, Y. Shen, B. Xiao and T. Sano(2005) Selective control of toxic microcystis water blooms using lysine and malonic acid: An enclosure experiment. Environmental Toxicology: An International Journal 20: 170-178.

상세보기
Kenner, R. and S. Ahmed(1975) Correlation between oxygen utilization and electron transport activity in marine phytoplankton. Mar. Biol. 33: 129-133.

상세보기
Ki, B., B. Lim, E. Na and J. Choi(2010) A study on the nutrient release characteristics from sediments in the asan reservoir. Journal of Korean Society of Environmental Engineers 32: 1-8. (in Korean with English abstract)
Lee, J., T. Ahn and J. Oh(2010) A study on the influence of water quality on the phosphorus fraction properties from reservoir sediments. Journal of Korean Society of Environmental Engineers 32: 840-850. (in Korean with English abstract)
Mort, H.P., C.P. Slomp, B.G. Gustafsson and T.J. Andersen(2010) Phosphorus recycling and burial in baltic sea sediments with contrasting redox conditions. Geochim. Cosmochim. Acta 74: 1350-1362.

상세보기
Murray, L. and R.L. Wetzel(1987) Oxygen production and consumption associated with the major autotrophic components in two temperate seagrass communities. Mar. Ecol. Prog. Ser. 38: 231-239.
Nealson, K.H. and D. Saffarini(1994) Iron and manganese in anaerobic respiration: Environmental significance, physiology, and regulation. Annu. Rev. Microbiol. 48: 311-343.

상세보기
Oh, H.S., I.A. Huh and J.H. Choi(2017) Laboratory study of phosphorus fractionation in the sediments of yeongsan river. Journal of Korean Society Environmental Engineers 39: 519-526. (in Korean with English abstract)
Ruttenberg, K., N. Ogawa, F. Tamburini, R. Briggs, N. Colasacco and E. Joyce(2009) Improved, highthroughput approach for phosphorus speciation in natural sediments via the SEDEX sequential extraction method. Limnology and Oceanography: Methods 7: 319-333.
Ruttenberg, K.C. and R.A. Berner(1993) Authigenic apatite formation and burial in sediments from non-upwelling, continental margin environments. Geochim. Cosmochim. Acta 57: 991-1007.

상세보기
Ruttenberg, K.C.(1992) Development of a sequential extraction method for different forms of phosphorus in marine sediments. Limnol. Oceanogr. 37: 1460-1482.

상세보기
Son, J., T. Lee and H.S. Yang(1999) Phosphorus phases in the surface sediment of the south sea. Korean Journal of Fisheries and Aquatic Sciences 32: 680-687. (in Korean with English abstract)
Sondergaard, M., J.P. Jensen and E. Jeppesen(1999) Internal phosphorus loading in shallow danish lakes. Springer, 145pp.
Stookey, L.L.(1970) Ferrozine---a new spectrophotometric reagent for iron. Anal. Chem. 42: 779-781.

상세보기
Taylor, A.W. and H.M. Kunishi(1971) Phosphate equilibria on stream sediment and soil in a watershed draining an agricultural region. J. Agric. Food Chem. 19: 827-831.
Viollier, E., P. Inglett, K. Hunter, A. Roychoudhury and P. Van Cappellen(2000) The ferrozine method revisited: Fe (II)/Fe (III) determination in natural waters. Appl. Geochem. 15: 785-790.

상세보기
Watanabe, F.S. and S.R. Olsen(1962) Colorimetric determination of phosphorus in water extracts of soil. Soil Sci. 93: 183-188.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증