환경 문제 연구 번역(한국어 원본)최근 연안 하구에서 환경용량을 초과하는 영양염과 유기물의 유입으로 자체 정화능력이 상실되는 징후가 나타나고 있으며, 부영양화로 인해 빈산소(hypoxia) 혹은 무산소층(anoxia)이 빈번히 발생하고 있다(Cloern, 2001; Rabouile et al., 2008). 빈산소(Dissolved Oxygen; DO < 1.4 ml/L)층은 연안 하구에서 화학적인 유기물 분해 과정과 물리적인 수괴의 성층화에 의해 형성된다(Hobbi et al., 2000). 강을 통해 하구로 유입되거나(allochthonous) 현장에서 자체적으로 생산된(autochthonous) 유기물은 수층과 퇴적층에서 미생물에 의해 산화되면서 급격히 산소를 소모하며, 이때 온도 또는 염분에 의해 하구 수층의 수직적 성층이 형성되면 표층과 저층 간 산소공급이 제한되어 빈산소층이 형성된다(Dagg et al., 2007; Rabioule et al., 2008). 유기물은 분해 특성에 따라 생물에 의해 쉽게 분해 가능한 생분해성 유기물(LOM: Labile Organic Matter)과 분해가 어려운 난분해성 유기물(ROM: Refractory Organic Matter)로 구분된다(Ogura, 1975; Fukashima et al.,1996; Turnewitsch et al., 2007). LOM은 대체적으로 수일 내에 빠른 속도로 분해되는 것으로 알려져 있으며, 동시에 산소를 급격히 소모시킨다(Ogura, 1975, Fukashima et al., 1996). 수심이 얕은 연안시스템에서 LOM은 빈산소층 형성의 조절자 역할을 하는 것으로 알려져 있으며(Andrews and Rickard, 1980; Soetaert et al., 2006), 특히 계절적으로 따뜻한 시기에 하구와 연안으로 과다 유입되어 저층의 산소를 빠르게 고갈시키는 주요 요인으로 여겨진다.(Kemp et al., 2009). Thames estuary와 Scheldt estuary에서는 하구로 유입되는 LOM(or biological oxygen demand)을 감소시켰을 때 수층의 산소농도가 회복되어, LOM의 증가와 감소는 수층 산소결핍과 매우 밀접한 연관성을 갖는 것으로 확인되었다(Andrews and Rickard, 1980; Soetaert el al., 2006).
LOM의 정의는 다소 복잡하며 연구들마다 그 목적에 따라 차이를 보이지만, 일반적으로, 당, 아미노산, 지방, 그리고 다른 간단한 요소들로 구성되어 있어 박테리아에 의해 쉽게 이용될 수 있는 물질로 정의 된다(Moran and Hodson, 1990; Fabiano and Danovaro, 1994; Young et al., 2005). Sondergaard and Middelboe (1995)는 LOM을 총 유기물 중 박테리아에 의해 1~2주 안에 분해될 수 있는 물질로 정의하였다. ROM은 주로 거대분자(macromolecular) 물질인 휴믹산(Humic acids)과 풀빅산(fulvic acids) 등과 여러 물질이 혼합된 복잡한 물질로 화학적 구조가 잘 알려져 있지 않고(Turnewitsch et al., 2007), 박테리아가 이용하기 어려운 물질이다(Young et al., 2005). 연안 시스템에서 LOM은 수층 식물플랑크톤 및 식물의 광합성 활동에 의해 세포막 외로 배출된 물질, 쉽게 분해가능한 동물의 사체(단백질, 탄수화물, 지방) 조직 등으로 간주되고 있으며, ROM은 주로 강을 통해 유입되는 육상기원 물질인 토지중합물(geopolymers), 나무, 벌레의 껍질과 김, 미역 등 해조류의 잔해로 알려져 있다(Turnewitsch et al., 2007). LOM과 ROM은 박테리아에 의한 유기물 분해 실험을 통해 측정된다(Ogura, 1975; Fukashima et al., 1996). 일반적으로 타가영양 박테리아와 같은 미생물은 해양시스템에서 유기물의 주요한 소비자로 알려져 있다(Chin-Leo and Benner, 1992). 일정 기간(day or week) 동안의 암배양을 통해 유기물의 총량 중 배양 동안 분해된 유기물을 LOM, 배양 후 남아 있는 유기물을 ROM으로 정량화 한다(Ogura, 1975; Fukashima et al., 1996). Ogura(1975)와 Fukashima et al.(1996)은 유기물 배양실험을 통해 LOM과 ROM의 분해속도가 큰 차이를 보임을 밝혔으며, LOM 분해 동안에는 급격한 분해속도를 보이며, 그 후 ROM 분해 시에는 완만한 분해속도를 보이는 것으로 나타났다. 이 분해속도의 변화는 배양 중 DO의 변화와 일치한다(Ogura, 1975). 이는 박테리아가 유기물 분해 시 DO를 소비하며(Williams, 1984), 연안 수층에서 산소소모 중 상당부분(42~81%)을 차지하기 때문이다(Griffith et al., 1990).
LOM을 추정하기 위한 간접적인 방법으로 단기간의 배양시 산소소모율을 측정하고 있으며, LOM이 빈산소층 형성에 기여하는 정도를 평가하는데 응용되고 있다(Dagg et al., 2007). 빈산소층 형성의 대표적 예인 멕시코 걸프만에서 Amon and Benner(1998)은 박테리아의 산소소모율을 추정하여 여름철 빈산소층 형성에 1~7주가 걸리는 것으로 추정하였으며, Chin-Leo and Benner(1992)는 26~56일 동안의 밀도약층 아래 수층 산소소모(퇴적물에서의 산소소모 제외)가 빈산소층 형성에 기여하는 것으로 밝혔다. 하구에서 산소소모는 수온과 상관관계를 보이지만, 수온 이외에 다른 요인이 중요할 수 있음이 알려져 있다(Hobkinson and Smith, 2005). 유기물의 공급 변화가 산소소모 변동의 많은 부분을 설명할 수 있다고 제안되고 있으며, 유광대에서 수층 산소소모 또는 미생물의 생산성과 식물플랑크톤의 일차 생산 사이의 강한 양의 상관관계가 계절적 시간 규모로 관측 되고 있다(Hobkinson and Smith, 2005). 예를 들어 부영양화 지역인 Roskilde Fjord에서 식물플랑크톤 생산성의 변동은 하구 내 수층 산소소모의 계절적, 공간적 변동에 영향을 끼치는 최대 변수이며(Jensen et al., 1990), Chesapeake bay(Smith and Kemp, 1995)와 Urdaibai estuary(Iriarte et al., 1996)에서도 수층 산소소모와 식물플랑크톤 생산성 간의 계절적 상관관계가 나타났다. 그러나 이러한 상관관계는 두 변수들 간의 직접적인 인과관계를 의미하는 것은 아니며(Hobkinson and Smith, 2005) 식물플랑크톤의 생산력 증가와 관련된 자체적인 호흡(Iriate et al., 1991), 일차 생산의 증가와 관련된 상위 영양단계 생물의 증가로 인한 호흡(Smith and Hollibaugh, 1993), 타가영양 박테리아와 같은 미생물의 유기물 분해로 인한 DO 소비(Chin-Leo and Benner, 1992) 등 여러 요인들이 복합적으로 작용한 결과이다.
대한민국 주요수계 중 하나인 영산강에서는 1981년 하구댐의 건설 이후에 하구 내 물의 순환이 차단되어 해수의 순환이 정체 되었으며, 담수 및 해수와의 물질교환이 원활하지 않아 하구 안쪽 댐과 가까운 곳에 유기물질과 세립한 퇴적물의 퇴적이 증가되었다(Cho and Park, 1998). 이러한 환경적 변화는 여름철 표층 수온 상승으로 인한 성층화와 결합하여 매년 계절적 빈산소층이 형성되게 하였다(Lim et al., 2006). 하지만 영산강 하구 빈산소층의 계절적 패턴과 범위에 대한 연구는 부족한 실정이며 형성 원인, 즉 산소소모의 변동과 빈산소층 형성의 연관성에 관한 연구는 전무하다. 산소소모와 빈산소층 형성의 상관관계는 여러 연구에서 그 중요성이 보고되어 왔으나(Chin-Leo and Benner, 1992; Amon and Benner, 1998; Dagg et al., 2007), 실제 측정 자료가 많지 않은 실정이다(Hobkinson and Smith, 2005). 그 주요 원인 중 하나는 산소소모를 측정하는 방법이 배양을 필요로 하고 측정 정밀도가 충분치 않아, 단기간의 산소 농도 변화를 측정하는 것이 어려웠기 때문이다(Hopkinson and Smith, 2005). 본 연구에서는 산소소모율의 정밀한 측정을 위해 Membrane inlet mass spectrometer(MIMS) system을 사용하였다. MIMS system은 담수나 해수의 용존기체를 정확하고 빠르게 측정할 수 있는 질량분석 시스템 중 하나이다(Kana et al., 1994; An et al., 2001; An et al., 2007; Lee, 2009). 메탄, 질소, 아르곤, 산소, 이산화탄소 등의 기체의 질량을 측정하는 것이 가능하여(Kana et al., 1994; 이, 2009) 최근에 여러 분야에서 이용되고 있다(Kana et al., 1994; An et al., 2001; Tortell, 2005; An et al., 2007; Demeestere et al., 2007).
우리는 LOM의 간접지표로서 수층 산소소모율(WOD; Water-column Oxygen Demand)를 측정하였다. 이 연구에서 LOM은 50시간의 배양 동안 분해되어 수층에서 DO를 소모시킬 수 있는 유기물로 입자성, 용존성, 살아있는 또는 죽은 유기체 등의 형태를 구분하지 않고 모두 포함한다. 따라서 WOD는 빈산소층 형성에 기여할 수 있는 식물 및 동물 플랑크톤의 호흡, 그리고 박테리아의 호흡 등 수층에서 일어나는 모든 유기체의 호흡과 분해 및 재광물화에 의한 산소소모를 모두 포함한 개념이다. WOD의 한계점은 시료 배양 시 각 조사시기의 현장온도로 배양되었기 때문에 수온이 수층산소소모에 미치는 영향을 배제하지 못해 LOM의 절대량을 추론하기엔 어려움이 있다. 하지만 많은 하구시스템에서 관측된 수온과 수층 산소소모의 상관관계를 통해, 수온은 하구 수층 산소소모의 변동성을 단지 28%밖에 설명하지 못하는 것으로 밝혀져 수온 외 다른 요인들이 WOD에 끼치는 영향이 더 큰 것으로 조사되었다(Hobkinson and Smith, 2005). 또한 각 계절별 WOD를 통해 LOM의 공간적 분포를 살펴보는데 있어서는 그 의의가 있으며, 빈산소층 형성에 WOD가 기여하는 바를 밝히기에는 수온 변화를 고려한 측정이 적합할 것이다. 따라서 본 연구는 MIMS system을 이용해 영산강 하구 수층의 산소소모율(WOD; Water-column Oxygen Demand)과 퇴적물의 산소소모율(SOD; Sediment Oxygen Demand)을 동시에 측정함으로써 상대적 기여도를 평가하고, LOM의 계절적/공간적 거동을 살펴보고 여름철 하구댐 인근 빈산소층 형성과의 연관성에 대해 알아보고자 한다. 그리고 잠재적인 산소소모 속도를 측정하여 영산강 하구가 빈산소층 형성에 있어서 얼마나 취약한가를 밝히는 것도 주요 목적 중 하나이다. |
환경 문제 연구 번역(영어 번역본)Excess inflow of nutrients and organic matters into estuaries has frequently led to the loss of self-purification capacity, with eutrophication repeatedly resulting in hypoxia or anoxia (Cloern, 2001; Rabouile et al., 2008). In estuary system, bottom water hypoxia (dissolved oxygen< 1.4 ml/L) is caused by decomposition of organic matter and stratification of water column (Hobbi et al., 2000). Microbial decomposition of allochthonous and autochthonous organic matter results in rapid oxygen consumption. In such instance, vertical stratification due to temperature or salinity gradient restricts oxygen availability in the bottom water and causes hypoxia in the estuary (Dagg et al., 2007; Rabioule et al., 2008). Organic matter is classified into easily biodecomposed labile organic matter (LOM) and refractory organic matter (ROM) (Ogura, 1975; Fukashima et al., 1996; Turnewitsch et al., 2007). LOM is generally known to be rapidly decomposed within a few days, thereby quickly consuming oxygen (Ogura, 1975; Fukashima et al., 1996). In shallow coastal systems, LOM is a key factor in formation of hypoxia (Andrews and Rickard, 1980; Soetaert et al., 2006). It is especially important when excess input of LOM into estuaries and coasts occurs during warm seasons (Kemp et al., 2009). In Thames and Scheldt estuaries, reduction in LOM (or biological oxygen demand) resulted in recovery of oxygen concentration in the water column, thereby confirming close relationship between increase of LOM and oxygen deficiency in the water column (Andrews and Rickard, 1980; Soetaert el al., 2006).
Definition of LOM is complex and differs between studies depending on their purposes. Generally, it is defined as a matter that is composed of sugars, amino acids, fatty acids, and other simple molecules that can be easily decomposed by bacteria (Moran and Hodson, 1990; Fabiano and Danovaro, 1994; Young et al., 2005). Sondergaard and Middelboe (1995) have defined LOM as a matter that can be decomposed by bacteria within one to two weeks. ROM is a complex mixture of various macromolecules such as humic acids and fulvic acids, and they are not easily decomposed by bacteria (Young et al., 2005). In coastal systems, LOMs are easily decomposable tissue from animal corpse (e.g., protein, carbohydrate, and fatty acids) and compounds excreted outside the cellular membrane by photosynthetic metabolism of phytoplanktons (Ogura, 1975) and plants, while ROMs are matters from the land that are introduced via rivers, such as geopolymers, wood, and insect shells, and remains of algae such as laver and sea mustard (Turnewitsch et al., 2007). LOM and ROM are quantified by organic matter decomposition experiments (Ogura, 1975; Fukashima et al., 1996). Microbes such as heterotroph bacteria are known to be important consumers of organic matter in marine systems (Chin-Leo and Benner, 1992). The amount of organic matter decomposed by bacteria during dark incubation is quantified as LOM and the remainder is quantified as ROM (Ogura, 1975; Fukashima et al., 1996). Ogura (1975) and Fukashima et al. (1996) showed through organic matter incubation experiments that decomposition rates of LOM and ROM significantly differ. They showed that LOM is rapidly decomposed while the rate is lower for ROM. This change in decomposition rate agrees with change in DO during the incubation (Ogura, 1975). This is because bacteria consume DO during decomposition of organic matter (Williams, 1984). In fact, decomposition of organic matter accounts for significant portion (42 to 81%) of total oxygen consumption in the coastal water column (Griffith et al., 1990).
An indirect method to measure LOM is to measure the oxygen demand during short-term incubation. This method is used to evaluate contribution of LOM to hypoxia formation (Dagg et al., 2007). Amon and Benner (1998) estimated bacterial oxygen consumption in the Gulf of Mexico and concluded that it takes about one to seven weeks for hypoxia formation in the summer. Chin-Leo and Benner (1992) showed that oxygen consumption over 26 to 56 days below the pycnocline (excluding sediment oxygen demand) contributes to formation of hypoxia. Although oxygen demand is correlated with water temperature in the estuaries, other factors may also be important (Hobkinson and Smith, 2005). It is proposed that changes in organic matter supply can explain a large part of oxygen demand changes, and strong seasonal correlation is reported between water column oxygen demand or microbe productivity and primary production of phytoplanktons in the eutophic zone (Hobkinson and Smith, 2005). For example, a change in productivity of phytoplankton in the Roskilde Fjord, which is a eutrophicated zone, is the largest factor of the seasonal and spatial change in the oxygen demand within the estuary (Jensen et al., 1990). Similarly, seasonal relationship was found between water column oxygen consumption and phytoplankton productivity in the Chesapeake Bay (Smith and Kemp, 1995) and the Urdaibai estuary (Iriarte et al., 1996). However, such correlation does not equate to direct causal relationship between the two variables (Hobkinson and Smith, 2005). Rather, it is the combined result of various factors such as increase in self-respiration of phytoplankton (Iriate et al., 1991), increase in respiration due to increase in primary production and organisms of higher trophic levels (Smith and Hollibaugh, 1993), and increase in oxygen consumption due to microbial decomposition of organic matter (Chin-Leo and Benner, 1992).
In the Yeongsan River, which is one of important water systems in Korea, ocean water has stagnated since the construction of an estuary dam in 1981, and matter transfer between fresh water and sea water has been hindered such that organic matter and fine-grained sediment are deposited near the estuary dam (Cho and Park, 1998). Such environment change, combined with stratification due to higher surface water temperature during the summer, has resulted in seasonal hypoxic layer (Lim et al., 2006). However, research of seasonal pattern and extent of hypoxia in the Yeongsan estuary is lacking, and there is no study on the relationship between oxygen consumption and hypoxia formation. Although several studies have suggested correlation between oxygen consumption and hypoxia formation to be important (Chin-Leo and Benner, 1992; Amon and Benner, 1998; Dagg et al., 2007), only a few measurement data are available (Hobkinson and Smith, 2005). One major reason for deficit of data is that oxygen consumption measurement requires incubation and its accuracy is low, thereby making measurement of oxygen consumption change over a short period difficult (Hopkinson and Smith, 2005). In this study, we used membrane inlet mass spectrometry (MIMS) system for accurate measurement of oxygen consumption rate. MIMS is a mass analyzing system for fast and accurate measurement of dissolved gas in fresh and sea water (Kana et al., 1994; An et al., 2001; An et al., 2007; Lee, 2009). It is capable of quantifying mass of gas such as methane, nitrogen, argon, oxygen, and carbon dioxide (Kana et al., 1994; Lee, 2009), and is used for various applications (Kana et al., 1994; An et al., 2001; Tortell, 2005; An et al., 2007; Demeestere et al., 2007).
We measured water column oxygen demand (WOD) as an indirect indicator of LOM. LOM was defined as organic matter that can be decomposed during 50-hours of incubation, and includes all types of organic matter such as particulates, dissolved matter, and live or dead organisms. Therefore, WOD encompasses all oxygen consumption, including respiration of phytoplankton, zooplankton, bacteria, and other organisms, decomposition, and remineralization that may contribute to hypoxia formation. Limitation of WOD is that the effect of water temperature on oxygen consumption cannot be excluded because the samples were incubated at different temperatures corresponding to respective survey periods. This difference prevents accurate quantification of LOM. However, water temperature was shown to explain only 28% of oxygen consumption variability, and other factors had a greater influence on WOD (Hobkinson and Smith, 2005). Also, examination of spatial distribution of LOM by studying seasonal WOD in this study will be meaningful in itself. Measurement that accounts for water temperature will be more suitable for elucidating contribution of WOD to the hypoxia formation. Therefore, the purpose of this study was to use MIMS to simultaneously measure WOD and sediment oxygen demand (SOD) of the Yeongsan estuary, to examine seasonal and spatial variation of LOM, and to explore relationship between LOM and hypoxia near the estuary dam in the summer. Another main purpose of the study was to measure potential oxygen consumption rate and assess the vulnerability of the Yeongsan estuary to hypoxia formation. |
