본 연구는 퇴적물이 소모하는 산소량(SOD)과 환경 인자가 서로 미치는 영향을 파악하기 위해 퇴적물 배양실험을 수행하였다. 이를 위해 실험실에서 용출 반응조를 설치하여 20일간 배양하였으며, 퇴적물에 존재하는 물질 중 P 및 Fe와의 관계를 중점적으로 연구하였다. 분석 결과, 수층의 용존 산소는 시간의 경과에 따라 감소하는 경향을 나타냈으며, 퇴적물의 산화환원전위 또한 음의 방향으로 진행되어 혐기적 환원환경이 조성되었다. 퇴적물 산소요구량(SOD)은 배양 초기 0.05mg/g로 측정되었으며, 20일차 0.09mg/g으로 퇴적물이 소모하는 산소량이 증가하는 경향을 관찰하였다. 이는 chl-a의 증가로 퇴적물 표층에 축적된 유기물의 분해에 의한 산소 소모(Biological-SOD), 그리고 환원반응에 의해 생성된 금속 환원물이 재산화 할 경우 소모되는 산소(Chemical-SOD)에 의한 것으로 보인다. 퇴적물에서 추출한 존재형태별 인과 SOD의 상관관계를 살펴보면 Ex-P, Org-P의 경우 양의 상관관계, Fe-P의 경우 음의 상관관계를 나타내었다. 또한, 실험 20일차 퇴적물의 미생물 군집을 분석한 결과 혐기성 철 환원균(FeRB)이 우점종으로 검출되었다. 따라서, 철 산화물과 결합한 인산염이 환원반응에 의해 분리될 경우 인산염은 수중으로 용출되어 일차생산력을 증가시키며, 환원물은 재산화 하여 퇴적물 산소 소모량에 기여하므로 본 연구는 산소 수지의 개선을 위한 기초 자료로 이용될 것으로 기대된다.
본 연구는 퇴적물이 소모하는 산소량(SOD)과 환경 인자가 서로 미치는 영향을 파악하기 위해 퇴적물 배양실험을 수행하였다. 이를 위해 실험실에서 용출 반응조를 설치하여 20일간 배양하였으며, 퇴적물에 존재하는 물질 중 P 및 Fe와의 관계를 중점적으로 연구하였다. 분석 결과, 수층의 용존 산소는 시간의 경과에 따라 감소하는 경향을 나타냈으며, 퇴적물의 산화환원전위 또한 음의 방향으로 진행되어 혐기적 환원환경이 조성되었다. 퇴적물 산소요구량(SOD)은 배양 초기 0.05mg/g로 측정되었으며, 20일차 0.09mg/g으로 퇴적물이 소모하는 산소량이 증가하는 경향을 관찰하였다. 이는 chl-a의 증가로 퇴적물 표층에 축적된 유기물의 분해에 의한 산소 소모(Biological-SOD), 그리고 환원반응에 의해 생성된 금속 환원물이 재산화 할 경우 소모되는 산소(Chemical-SOD)에 의한 것으로 보인다. 퇴적물에서 추출한 존재형태별 인과 SOD의 상관관계를 살펴보면 Ex-P, Org-P의 경우 양의 상관관계, Fe-P의 경우 음의 상관관계를 나타내었다. 또한, 실험 20일차 퇴적물의 미생물 군집을 분석한 결과 혐기성 철 환원균(FeRB)이 우점종으로 검출되었다. 따라서, 철 산화물과 결합한 인산염이 환원반응에 의해 분리될 경우 인산염은 수중으로 용출되어 일차생산력을 증가시키며, 환원물은 재산화 하여 퇴적물 산소 소모량에 기여하므로 본 연구는 산소 수지의 개선을 위한 기초 자료로 이용될 것으로 기대된다.
This study conducted a sediment culture experiment to investigate the effects of sediment oxygen demand (SOD) and environmental factors on sediment and water quality. We installed a leaching tank in the laboratory, cultured it for 20 days, and analyzed the relationship between P and Fe in the sedime...
This study conducted a sediment culture experiment to investigate the effects of sediment oxygen demand (SOD) and environmental factors on sediment and water quality. We installed a leaching tank in the laboratory, cultured it for 20 days, and analyzed the relationship between P and Fe in the sediment. As a result, the dissolved oxygen of the water layer decreased with time, while the oxidation-reduction potential of the sediment progressed in the negative direction to form an anaerobic reducing environment. The SOD was measured to be 0.05 mg/g at the initial stage of cultivation and increased to 0.09 mg/g on the 20th day, indicating the tendency of increasing consumption of oxygen by the sediment. The change is likely to have caused by oxygen consumption from biological-SOD, which is the decomposition of organic matter accumulated on the sediment surface due to the increase of chl-a, and chemical-SOD consumed when the metal-reducing product produced by the reduction reaction is reoxidized. The correlation between SOD and causality for sediment-extracted sediments was positive for Ex-P and Org-P and negative for Fe-P. The analysis of the microbial community in the sediment on the 20th day showed that anaerobic iron-reducing bacteria (FeRB) were the dominant species. Therefore, when the phosphate bonded to the iron oxide is separated by the reduction reaction, the phosphate is eluted into the water to increase the primary productivity. The reduced substance is reoxidized and contributes to the oxygen consumption of the sediment. The results of this study would be useful as the reference information to improve oxygen resin.
This study conducted a sediment culture experiment to investigate the effects of sediment oxygen demand (SOD) and environmental factors on sediment and water quality. We installed a leaching tank in the laboratory, cultured it for 20 days, and analyzed the relationship between P and Fe in the sediment. As a result, the dissolved oxygen of the water layer decreased with time, while the oxidation-reduction potential of the sediment progressed in the negative direction to form an anaerobic reducing environment. The SOD was measured to be 0.05 mg/g at the initial stage of cultivation and increased to 0.09 mg/g on the 20th day, indicating the tendency of increasing consumption of oxygen by the sediment. The change is likely to have caused by oxygen consumption from biological-SOD, which is the decomposition of organic matter accumulated on the sediment surface due to the increase of chl-a, and chemical-SOD consumed when the metal-reducing product produced by the reduction reaction is reoxidized. The correlation between SOD and causality for sediment-extracted sediments was positive for Ex-P and Org-P and negative for Fe-P. The analysis of the microbial community in the sediment on the 20th day showed that anaerobic iron-reducing bacteria (FeRB) were the dominant species. Therefore, when the phosphate bonded to the iron oxide is separated by the reduction reaction, the phosphate is eluted into the water to increase the primary productivity. The reduced substance is reoxidized and contributes to the oxygen consumption of the sediment. The results of this study would be useful as the reference information to improve oxygen resin.
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문제 정의
에서는 SOD의 측정을 위해 폭기 시킨 해수로부터 5시간 간격으로 측정된 DO의 기울기 변화를 바탕으로 퇴적물에서 산소를 소모하는 잠재력을 평가하였다. SOD는 단위 면적, 단위 시간 당 산소당량의 변화 flux를 이용하는 것이 일반적이나, 본 연구는 퇴적물 무게 당 산소를 소모하는 유기물질 량을 나타내는 잠재적 SOD를 표현하였다.
따라서, 본 연구에서는 실험실에서 수질환경을 재현한 용출 배양조를 설치하여 자연상태에서 발생하는 수질환경의 변화를 관찰하였으며, 이를 통해 측정된 퇴적물 산소요구량(SOD)과외부인자 사이에 상관관계를 나타내어 퇴적물의 산소 소모와 내부부하에 대한 기여도를 평가하였다. 이는 해양의 저층에서 산소부족 현상 개선을 위한 연구의 기초 자료로 이용 될 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
Stir plate에서 마그네틱 바를 이용해 교반 시킨 후 DO meter (YSI 550A)를 이용하여 초기 DO농도를 측정하였다. 5시간 후 DO 농도를 재측정하여 배양 시간에 대한 DO 농도 감소량의 slope를 이용하여 다음과 같이 SOD값을 계산하였다.
Biomedicals, Santa Ana, CA, USA)로 분석하였다. 우선 추출된 DNA 샘플 중 16s rDNA를 primers 27f 및 1492r을 사용하여 동정하였다.
퇴적물 시료 2g을 300ml 부피의 BOD병에 채취하여, 폭기된 증류수를 산소교란이 일어나지 않게 실리콘 튜브를 이용하여 cypon 방식으로 벽면을 통해 주입하였다. Stir plate에서 마그네틱 바를 이용해 교반 시킨 후 DO meter (YSI 550A)를 이용하여 초기 DO농도를 측정하였다. 5시간 후 DO 농도를 재측정하여 배양 시간에 대한 DO 농도 감소량의 slope를 이용하여 다음과 같이 SOD값을 계산하였다.
우선 추출된 DNA 샘플 중 16s rDNA를 primers 27f 및 1492r을 사용하여 동정하였다. 두 번째, 16s rDNA V3 region으로 터치다운 PCR을 실시하였고, 40-bp GC-clamps (Bioneer Inc., Daejeon, Korea)가 장착된 Primer GC-341F로 재증폭 시켰다. PCR 반응조건은 95℃에서 5분간 열처리 후, 95℃에서 30초 동안 변성, annealing 온도는 초기 65℃에서 시작하여 2cycle마다 0.
본 연구에서 인산염의 분석은 퇴적물 시료의 경우 원심분리 튜브에 채취, 2000rpm으로 20분 원심분리 하여 추출된 공극수를 정량범위에 맞게 희석하였다. 해수시료는 분석 전 GF/C filter로 여과하였다.
반응조의 배양은 인큐베이터에서 22℃ 온도조건에 광량은 약 6300lux (12L : 12D; white LED)하에서 실시하였다. 실험주기는 시작일로부터 5일에 1회씩 총 20일간 분석항목들을 수행하였다.
Biomedicals, Santa Ana, CA, USA)로 분석하였다. 우선 추출된 DNA 샘플 중 16s rDNA를 primers 27f 및 1492r을 사용하여 동정하였다. 두 번째, 16s rDNA V3 region으로 터치다운 PCR을 실시하였고, 40-bp GC-clamps (Bioneer Inc.
TE buffer 25μL를 첨가하여 -70℃에서 15분, 50℃에서 15분을 3회 반복한 후 원심분리를 하여 상등액을 수집하였다. 정제된 최종산물을 염기서열 분석하였으며, 염기서열 데이터는 NCBI BLAST(Basic Local Alignment Searchmerol) search를 통해 가장 유사도가 높은 미생물 종을 선정하였다.
퇴적물 산소요구량(Sediment oxygen demand;SOD)의 측정은 (Wang, 1981)의 방법에 따라 진행되었다. 퇴적물 시료 2g을 300ml 부피의 BOD병에 채취하여, 폭기된 증류수를 산소교란이 일어나지 않게 실리콘 튜브를 이용하여 cypon 방식으로 벽면을 통해 주입하였다. Stir plate에서 마그네틱 바를 이용해 교반 시킨 후 DO meter (YSI 550A)를 이용하여 초기 DO농도를 측정하였다.
수층의 용존 산소는 DO meter (YSI 550A, USA)를 이용하여 측정하였다. 퇴적물의 ORP는 multi-meter (Orion 3star, USA)로 측정하였다. 클로로필-a의 측정은 아세톤 추출법에 따랐다.
대상 데이터
퇴적물 산소요구량(SOD)의 측정을 위해 고려해야 하는 몇 가지 영향 요인으로는 퇴적물의 깊이(depth), 초기 DO농도, 광합성 여부, 온도 등이 있다(Wang, 1981). 그 중, 깊이의 경우 생지화학적 반응이 가장 활발히 일어나는 표층(0~2 cm)의 퇴적물을 사용하였으며, 온도는 20℃의 조건을 유지하여, 온도보정이 요구되지 않는 조건에서 진행되었다. Figure 2.
본 연구에 사용된 퇴적물과 해수 시료는 경남 통영시 산양면 인근 연안에서 채취하였다. 퇴적물은 포나 그랩(ponar grab) 채니기를 이용하였으며, 채수기로 중층의 해수를 채취한 뒤 연구실로 옮겨와 분석 전 4℃로 냉장보관 하였다.
용존 총인(DTP), 용존 무기인(DIP), 총 인(T-P)의 분석은 아스코르빈산 환원법을 이용하였으며, 총 인은 여과하지 않은 시료에 과황산칼륨(K2S2O5)을 주입하고 120℃의 고압멸균기에 가수분해 시킨 후 몰디브덴산 흡광법에 따라 분광광도계로 880nm의 파장으로 측정하였다. 수층의 용존 산소는 DO meter (YSI 550A, USA)를 이용하여 측정하였다. 퇴적물의 ORP는 multi-meter (Orion 3star, USA)로 측정하였다.
데이터처리
, Chicago, IL, USA)로 수행하였다. 변수 간의 상관관계는 Pearson 상관 계수를 사용하여 분석하였다(Table.1). 평균 분산은 P<0.
이론/모형
해수시료는 분석 전 GF/C filter로 여과하였다. 용존 총인(DTP), 용존 무기인(DIP), 총 인(T-P)의 분석은 아스코르빈산 환원법을 이용하였으며, 총 인은 여과하지 않은 시료에 과황산칼륨(K2S2O5)을 주입하고 120℃의 고압멸균기에 가수분해 시킨 후 몰디브덴산 흡광법에 따라 분광광도계로 880nm의 파장으로 측정하였다. 수층의 용존 산소는 DO meter (YSI 550A, USA)를 이용하여 측정하였다.
퇴적물의 ORP는 multi-meter (Orion 3star, USA)로 측정하였다. 클로로필-a의 측정은 아세톤 추출법에 따랐다. 퇴적물에서 철(Fe)의 분석은 (Stookey, 1970; Viollier et al.
퇴적물 산소요구량(Sediment oxygen demand;SOD)의 측정은 (Wang, 1981)의 방법에 따라 진행되었다. 퇴적물 시료 2g을 300ml 부피의 BOD병에 채취하여, 폭기된 증류수를 산소교란이 일어나지 않게 실리콘 튜브를 이용하여 cypon 방식으로 벽면을 통해 주입하였다.
퇴적물에서 인의 존재상에 대한 실험 방법은 (Ruttenberg et al., 2009)의 순차적 추출법(SEDEX method)에 따라 수행하였으며, Fe-P를 제외한 모든 단계의 용존 인은 몰리브덴 청 발색법으로 880nm 파장에서 분광분석 하였고 Fe-P는 (Watanabe and Olsen, 1962)의 부탄올 추출법에 따라 분석하였다.
클로로필-a의 측정은 아세톤 추출법에 따랐다. 퇴적물에서 철(Fe)의 분석은 (Stookey, 1970; Viollier et al., 2000)의 Ferrozine 분석법에 따라 수행하였으며, Fe(Ⅲ)은 퇴적물에서 추출된 총 Fe 측정값에서 Fe(Ⅱ)를 제외하는 방법으로 계산하였다.
성능/효과
188의 기울기를 나타냈으며, 실험이 진행될수록 초기 DO에서 5시간 뒤 감소하는 폭이 증가하였다. 20일차 퇴적물에서는 초기 DO 농도 6.75mg/L에서 5시간 후 5.49mg/L로 감소하여 -0.252의 기울기를 나타내어, 반응조의 배양기간이 길어질수록 SOD의 측정에 사용된 퇴적물에서 소모하는 산소량이 증가하는 현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 퇴적물이 산소를 소모하는 영향인자인 유기물의 분해량과 환원물의 재산화 현상에 의해 결정되는 것으로 밝혀져 있다(Walker and Snodgrass, 1986).
36mg/gdw으로 증가하였다. 그 결과, 퇴적물에서 추출된 총 Fe의 농도 중 Fe(Ⅲ)의 비율이 줄어들고 Fe(Ⅱ)의 비율이 증가하는 경향이 관찰되었다.
이 과정에서 분리된 무기인산염은 공극수로 용출되어 일차생산력을 증가시키며, 일부 Fe2+ 이온의 경우 상부 수층으로 이동하다 용존 산소와 만나게 되어 재산화 반응을 일으켜 철 산화물을 형성한다(Hyun, 2005). 따라서,혐기성 환경의 퇴적물에서 Fe2+ 이온이 많이 존재할 경우 재산화 과정에서 용존 산소를 소모하는 C-SOD의 증가에 영향을 미치는 것으로 보인다. 또한, 분리되어 용출된 인산염의 경우 식물플랑크톤의 성장에 사용되므로 철과 결합한 형태의 인의 거동은 다른 형태에 비해 그 중요도가 높다고 볼 수 있다.
에 나타내었다. 반응조의 수층에서 DO의 초기값은 7.5mg/L에서 10일차 6.4mg/L까지 서서히 감소하였으나, 이후 15일차 4.75mg/L로 급격히 감소하였으며, 20일차 3.98mg/L로 나타나며 전체적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 퇴적물에서 측정된 ORP의 경우 초기 -126.
배양 초기일의 퇴적물에서는 초기 DO 농도가 6.46mg/L에서 5시간 후 5.52mg/L로 감소하여 -0.188의 기울기를 나타냈으며, 실험이 진행될수록 초기 DO에서 5시간 뒤 감소하는 폭이 증가하였다. 20일차 퇴적물에서는 초기 DO 농도 6.
260mg/L로 한 차례 급격히 증가하였다. 이후 20일차 0.300mg/L를 나타내며 배양기간 동안 지속적으로 증가하는 경향을 보였다. DIP의 경우, 초기 0.
이후 20일차 151.1μg/L까지 식물플랑크톤의 농도는 증가하였으나, 증식률은 감소한 것을 확인하였다.
159mg/g으로 감소함을 나타냈다. 총 인에서 무기인이 차지하는 비율은 약 80%에 가까우며, 퇴적물의 공극수에 존재하는 유기인은 15일차를 제외하면 거의 변동이 없는 것으로 나타났다.
퇴적물의 P fraction과 SOD 사이의 상관관계를 살펴보면,Ex-P와 Org-P에서 SOD와 양의 상관관계를 보이는 것을 확인하였다. 이는 Ex-P에 포함된 성분 요소가 CaCO3-P, Phytoplankton 그리고 zooplankton으로 구성되어 있으며, 특히 퇴적물에 유입된 지 얼마 되지 않은 분해되기 쉬운 유기인의 형태로 다수 존재하기 때문으로 판단된다(Ruttenberg, 1992).
퇴적물의 공극수에서 검출된 인의 농도 분포를 살펴보면, 총 인의 경우 변동성을 보이며 전체적으로 감소하는 경향을 나타내었으며, 초기 T-P 농도 0.296mg/g에서 20일차 0.210mg/g으로 관찰되었다. 무기인의 경우도 총 인과 유사한 감소하는 경향을 보이며, 초기 0.
후속연구
이는 해양의 저층에서 산소부족 현상 개선을 위한 연구의 기초 자료로 이용 될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
퇴적물에 유입된 유기물이 호기성 분해에 의해 무기화되는 과정에서 발생하는 산소소모율은 무엇인가?
퇴적물 SOD는 산소 소모 주체에 따라 두 종류로 분류 된다(Wang, 1980). 퇴적물에 유입된 유기물이 호기성 분해에 의해 무기화(mineralization)되는 과정에서 발생하는 산소소모율은 Biological SOD(B-SOD) 라고 한다. 이것은 전체 SOD 중 약 65% 가량의 비중을 차지하는 것으로 알려져 있다.
퇴적물 산소요구량은 무엇인가?
부영양화된 해양의 경우 수중 생물의 성장이 왕성하며, 이에 따른 광합성과 호흡은 용존 산소의 농도에 변화를 가져온다(Phelps and Streeter, 1958). 또한, 조류의 대증식이 일어나면 입자 유기물, 즉 미생물 사체가 퇴적물 바닥에 침강되며 유기물 분해를 위한 다량의 산소 소모가 퇴적물에서 발생하게 된다. 이를 퇴적물 산소요구량(SOD)이라 하며, 퇴적물이 수중의 산소 고갈에 미치는 잠재력에 따라 50%에 가까이 차지할 경우도 있어, 많은 연구에서 퇴적물 산소소모량의 측정에 대한 관심도가 증가하고 있다(Brewer et al.
수계에서 용존 산소의 거동이 수질연구에 있어 가장 중요한 연구주제 중 하나인 이유는?
해양을 포함한 수계에서 용존 산소의 거동은 수질연구에 있어 가장 중요한 연구주제 중 하나이다. 이는 용존 산소가 오염원의 유입에 따라 민감하게 반응하는 영향 인자인 동시에 해양 생태계를 좌우하는 중요한 제한 요소이기 때문이다. 부영양화된 해양의 경우 수중 생물의 성장이 왕성하며, 이에 따른 광합성과 호흡은 용존 산소의 농도에 변화를 가져온다(Phelps and Streeter, 1958).
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