Original Article

Ecology and Resilient Infrastructure. 30 September 2023. 85-96
https://doi.org/10.17820/eri.2023.10.3.085

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 방법

  •   2.1 염분농도에 따른 퇴적물 내 영양염류 농도 통계분석

  •   2.2 호소별 영양염류 확산 용출량 산정을 위한 용출 실험

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 염분에 따른 호소별 퇴적물 내 총질소 및 총인 농도 통계 분석

  •   3.2 상등수의 염분 농도가 용출량에 미치는 영향 분석

  •   3.3 퇴적물 내 영양염류의 양이 용출량에 미치는 영향 분석

  • 4. 결 론

1. 서 론

퇴적물 (sediment)은 수체에 존재하는 유기물, 영양염류 등과 같은 오염물질의 침강 (settling) 및 흡착 (adsorption) 등의 다양한 반응이 발생하는 자갈, 모래, 점토, 유기물질 및 광물질 등의 혼합물로 이러한 퇴적물은 시간의 경과에 따라 확산 (diffusion), 재부유 (resuspension) 등의 수리학적 과정 및 물질의 분해 (degradation) 및 산화/환원 (oxidation/reduction) 등의 생지화학적인 과정에 의해 다시 수층으로 용출 (diffusive flux)되어 호소의 수질 및 수생태계에 직간접적인 영향을 미칠 수 있다 (Oh and Cho 2007, Youn et al. 2017). 일반적으로 영양염류의 존재형태 및 물리화학적 변화와 미생물 군집, 저서생물의 활동 및 수생식물의 대사작용과 같은 복잡한 인자에 의해 수층과 퇴적물의 확산경계면 (diffused boundary layer)에서 영양염류의 용출량 (benthic nutrient flux)이 복잡하고 다양하게 변화하는 것으로 보고되고 있다 (Joo et al. 2017, Kim et al. 2017). 특히 호소의 부영양화 (eutrophication)는 질소 (N)와 인 (P)의 농도 및 존재형태에 의해 크게 영향을 받기 때문에 퇴적물로 침강되어 수층과 퇴적물의 확산 경계면에서 용출되는 호소 내 질소와 인의 물질전달 및 순환 (cycle)에 대해 분석하는 것은 다양한 형태의 호소 수질관리에서 매우 중요한 인자이다.

호소 내 염분 (salinity)은 수층과 퇴적물의 확산경계면에서 질소와 인의 물질전달 및 순환에 영향을 미치는 또 다른 주요 요인이다 (Kinsman-Costello et al. 2023). 호소에서 질소의 순환은 Fig. 1 (a)에서 제시한 것과 같이 질산화 (nitrification), 탈질 (denitrification), 암모니아화 (ammonification), 아나목스 (anammox)와 같은 미생물에 의한 생물학적 반응이 주요하게 작용하며 (Small et al. 2014, Xia et al. 2018), 수중 염분의 농도는 미생물의 대사를 통한 생지화학적 반응 및 미생물 군집과 유전자의 변화를 유발하는 등의 복잡한 영향을 미친다 (Beck et al. 2013, Feng et al. 2023). Wang et al. (2018)에 의하면 퇴적물의 염분 농도가 증가할수록 질산화 및 탈질 작용의 활성도가 저감되어 퇴적물 내 NH4+가 축적되고 NO2- 및 NO3-가 감소하며, 질산화 세균과 탈질 세균의 분포 및 군집의 다양성이 감소하였다.

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Fig. 1

Schematic diagram estimating the inhibition effect of salinity on the (a) nitrogen and (b) phosphorus cycles at the sediment-water interface.

호소의 수층과 퇴적물에서 인의 순환은 Fig. 1 (b)와 같이 유기인 화합물은 수류에 의해 부유하다 퇴적물로 침전되고 유기물 분해에 의해 인산염 형태로 공극수로 용출되어 퇴적물 내 존재하는 철 산화물과 결합하여 존재하며, 이후 철과 결합된 인 (Fe-bound P)은 철 산화물이 환원 분해되어 다시 공극수로 용출되고 PO43-, HPO42-의 용해된 상태로 퇴적물에 흡착되거나 수중에 존재하게 된다 (Dijkstra et al. 2018, Markovic et al. 2019). 이러한 복잡한 인 순환에서 염분은 미생물의 인 활용성과 유기 사체에서 인의 용출과 철과 결합된 인의 용해도 등의 생지화학적 변화에 큰 영향을 미치고 유기인산과 무기인산의 거동과 용출을 촉진시킨 것으로 보고되고 있다 (Jordan et al. 2008, Zhao et al. 2019, Hu et al. 2023).

하천 및 호소 퇴적물에서의 질소와 인 용출에 관한 연구는 국내외에서 지속적으로 수행되어 왔으며, 국내의 경우 다양한 인자가 영양염류 용출에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있으나 (Jung and Kim 2006, Joo et al. 2017, Kim et al. 2017, Youn et al. 2017), 염분 농도에 따른 영양염류 용출에 대한 연구 (Kim et al. 2004, Ji et al. 2009)는 해수의 영향을 고려한 연안지역에서 제한된 형태의 연구가 진행되었다. 그러나, 수체 내 염분 농도의 변화는 상류유역과 하류유역 및 기수역에서 큰 차이를 나타내며, 이러한 염분 농도의 차이는 퇴적물 내 물질의 흡착/탈착, 산화/환원, 미생물의 대사 작용 등의 생지화학적 과정에 큰 교란을 일으킬 것으로 판단된다. 또한 염분 농도에 따른 수층과 퇴적물의 확산경계면에서 생지화학적 과정의 교란은 질소와 인의 물질전달 및 순환에도 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.

본 연구에서는 미생물의 군집과 조성이 상이하고 수체 내 염분 농도 차이가 유의한 호소별 영양염류의 확산 용출량을 비교하기 위하여, 1) 국내 호소를 염분 농도가 확연히 다른 기수성 석호 (brackish lagoon), 하구 저수지 (coastal reservoir), 상류 저수지 (inland reservoir)로 분류하여 호소의 퇴적물 내 총질소 (T-N) 및 총인 (T-P)의 농도의 차이를 통계적으로 분석하고, 2) 염분 농도가 다른 송지호 (Songji lagoon), 간월호 (Ganwol reservoir), 장군 저수지 (Janggun reservoir)의 현장 퇴적물과 호소수를 이용한 실험을 통해 질소와 인의 확산 용출량을 비교하였으며, 3) 실험을 통해 도출된 영양염류의 확산 용출량과 퇴적물 내 총질소, 총인 농도 및 염분 농도와의 상관성을 분석하였다.

2. 연구 방법

2.1 염분농도에 따른 퇴적물 내 영양염류 농도 통계분석

2.1.1 자료 수집

염분농도에 따른 호소의 퇴적물 내 영양염류의 농도 (mg-nutrient/kg-sediment)를 비교하기 위하여 환경부에서 운영 중인 ‘물환경정보시스템 (http://water.nier.go.kr)’의 2021년 퇴적물 측정망 자료와 호수의 퇴적물에 관한 기존 연구 (Choi 2015)를 활용해 159개의 총질소와 149개의 총인 농도 자료를 수집하였다.

본 연구에서 측정망이 위치한 호소를 염분 농도에 따라 분류하고자 하였으나 측정망의 수질 인자에 염분 농도가 제시되어 있지 않아 간접 지표 (indirect index)를 이용하여 염분 농도별 호소를 분류하고자 하였다. 간접 지표를 활용한 기존 분류 방법은 전기전도도 (electrical conductivity)를 이용한 방법으로, Kong (2019)은 전기전도도를 이용하여 국내 호소를 담수호 (<700 μS/cm)와 기수호 (≥700 μS/cm)로 분류하였다. 해당 방법은 환산된 염분 농도를 통해 직관적으로 호소 분류가 가능하나, 일부 측정망의 전기전도도 정보가 불충분하여 활용하지 못하였다. 대안으로 제시된 방법은 국내 하구 유형을 분류한 연구 (Lee et al. 2011, NIE 2021)를 참고하여 구분하는 방법으로, 해당 방법을 통해 본 연구에서는 비교적 직접적인 해수의 영향을 받는 호소를 기수성 석호로 분류하고 하구호 및 일부 해수의 영향을 받는 호소를 하구 저수지로 분류하였으며 앞선 2개의 분류에 해당하지 않는 하천의 상류에 위치하여 해수 및 염분의 영향을 거의 받지 않는 호소를 상류 저수지로 분류하였다.

2.1.2 자료의 전처리 및 통계분석

수질 및 퇴적물과 같은 환경생태학적인 자료는 관측 시 강우에 의한 비점오염물질 유입, 관측 유역의 토지 이용 형태 등에 의해 복합적인 영향을 받아 극단적인 값을 가지는 이상치 (outlier)가 존재한다 (Jackson and Chen 2004, Go et al. 2021). 이러한 이상치로 인한 통계 결과에 왜곡을 방지하기 위해 이상치를 사분위수 범위 (interquartile range, IQR)를 활용해 제거하여 통계 결과의 평균값 도출 오류를 최소화하고 데이터를 표준화 (standardization) 하였다. IQR은 제1사분위수 (Q1)와 제3사분위수 (Q3)의 차이를 의미하고, 본 연구에서는 이상점 계수 (outlier constant)인 1.5를 곱하여 높은 이상치 (upper limit)는 Q3 + 1.5 * IQR 으로, 낮은 이상치 (lower limit)는 Q1 – 1.5 * IQR 로 하여 그 범위 밖의 값을 이상치로 규정하였다 (Chin et al. 2019).

자료의 분석은 통계처리 프로그램인 SPSS Statistics 22 (IBM, USA)를 활용해 기술통계 (descriptive statistics)를 실시하였다. 3개 이상의 표본에 대해 독립변수가 1개인 경우 집단 간의 종속변수 평균값을 비교하여 통계적 유의성을 확인하는 일원분산분석 (one-way analysis of variance, ANOVA)을 수행하기 위하여 Kolmogorov-Smirnov test를 통해 표본 집단의 분포 상태를 확인하여 모집단의 정규성을 검정하였다. 또한 Levene의 등분산 검정을 실시하여 각 집단이 등분산성을 만족하는 경우 ANOVA, 등분산성을 만족하지 못하는 경우 Welch’s ANOVA를 활용하여 신뢰구간 95%로 ANOVA를 진행하였다. 염분에 따른 호소별 퇴적물의 총질소, 총인 농도 간의 통계학적 차이가 유의할 경우 (p<0.05), ANOVA는 Scheffe 방법을 이용하였으며 Welch’s ANOVA는 Games-Howell 방법을 이용하여 그룹 간 차이의 유의성을 검증하는 사후검정 (post-hoc)을 실시하였다.

2.2 호소별 영양염류 확산 용출량 산정을 위한 용출 실험

2.2.1 연구대상지

염분 농도에 따른 호수별 영양염류 확산 용출량을 산출하기 위하여 염분 분포 특성이 다른 세 곳의 연구 대상지를 선정하였다 (Fig. 2). 첫 번째 연구대상지인 송지호는 강원도 고성군 죽왕면에 위치한 유역면적 5.4 km2, 수면면적 0.495 km2, 최대수심 5 m (평균수심 2.0 - 3.8 m)의 석호 (lagoon)이다. 내호 (북호)를 통하여 담수가 공급되며 외호 (남호)는 동해안과 인접하여 갯터짐 현상 및 지하수로 해수가 침투되어 염분농도가 계절별로 2.4 – 7.4%인 담수와 해수가 섞인 기수 환경을 나타내고 있다 (Heo et al. 1999). 두 번째 연구대상지인 간월호는 충남 서산에서 간척사업에 의해 유역 하구에 방조제를 건설하여 생성된 유역면적 26.47 km2, 수면면적 28.76 km2, 총저수량 115,900 m3의 인공 담수호이다. 방조제로 인해 해수의 유입이 차단되었으나, 염분농도가 0.5 – 1.1%로 상류지역 저수지 대비 염분의 영향을 크게 받고 있다 (Lee et al. 2005). 마지막 연구대상지 충북 음성군 장군 저수지는 유역면적 5.61 km2, 수면면적 0.155 km2, 총저수량 435.6 m3의 농업용 저수지로 내륙에 위치하여 해수와 염분의 영향을 받지 않는다.

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Fig. 2

Pictorial view of sampling sites and sediment sampling of (a) Songli Lagoon (11.80 psu), (b) Ganwol reservoir (0.73 psu), and (c) Janggun reservoir (0.08 psu) in South Korea.

2.2.2 퇴적물 용출 실험

저서 퇴적물로부터 상등수로의 영양염류 확산 용출량을 측정하는 방법은 현장에 챔버를 설치한 퇴적물 배양법 (Kononets et al. 2021), 넓은 지역에 대해 장기간 용출량을 연속적으로 측정할 수 있는 에디 공분산법 (Berg et al. 2022), 관측된 수층-퇴적층의 농도 기울기를 기반으로 하는 계산법 (McGillis et al. 2011), 현장 퇴적물 코어를 실험실에서 배양하여 현장조건을 재현하는 코어 배양법 (Riekenberg et al. 2017) 등 다양하다. 이러한 방법 중 상대적으로 간단하고 우리나라와 같이 수심이 얕은 호소에서 신뢰도가 비교적 높은 퇴적물 용출 실험 결과가 도출된 실험실 코어 배양법 (laboratory core incubation)을 채택하였다 (Kim et al. 2017, Joo et al. 2017). 본 연구에서 코어 배양을 위해 사용된 퇴적물과 상등수는 염분 농도의 차이가 유의성을 나타낸 송지호, 간월호, 장군 저수지에서 각각 채취 및 채수하였다 (Fig. 2). 호소 내 표층 퇴적물은 Petite ponar grab (Wildco, USA)을 이용하여 채취하였으며, 호소수의 경우 퇴적물과의 거리가 10 cm 이내로 근접한 수심에서 Van dorn water sampler (RIGO, Japan)를 이용하여 채수하였다. 시료 운반 시 대기 중 산소의 유입을 최소화하고 교란이 일어나는 것을 방지하기 위하여 밀봉 후 냉장 상태 (4°C 이하)를 유지하여 운반하였다.

현장 퇴적물 영양염류 용출환경을 실험실에서 모사하기 위해 내경 (I.D.)이 160 mm, 높이 (H)가 500 mm인 2개의 원통형 아크릴 반응조에 퇴적물을 4 cm까지 채우고 퇴적물이 부유하여 교란되지 않도록 주의하여 호소수를 16 cm만큼 충전한 후 아크릴 덮개를 덮어 밀폐하였다 (Fig. 3). 각각의 반응조에 얕은 수심의 비교적 물순환이 활발하여 용존산소 농도가 높은 호기성 (aerobic) 환경의 호소를 모사하기 위해 공기 (air)를 지속 주입한 반면, 깊은 수심으로 물순환이 저해되어 용존산소 농도가 낮은 무산소 (anoxic) 환경의 호소를 모사하기 위해 질소 가스 (N2)를 지속적으로 주입하여 호기성 및 무산소 환경을 조성하였다. 특히 무산소 반응조는 알루미늄 호일을 반응조 외부에 피복하여 빛을 차단하여 조류의 광합성으로 인한 산소 발생을 방지하였다.

실험은 일부 혼합된 퇴적물과 상등수의 고액분리를 위해 48시간 동안 안정화 후 20일 간 반응조 내 온도를 23±1°C로 유지하며 동일한 방법으로 2회 반복하였다. 채수는 sampling port를 통해 40 mL를 1 - 4일 간격으로 총 10회 진행하였다. 채수한 시료는 0.45 μm Nylon 필터로 여과한 후 NH3-N는 분광광도계를 활용하여 인도페놀법으로 분석했으며, NO3 -, PO43-는 이온크로마토그래피를 이용하여 수질오염공정시험기준에 근거한 방법으로 분석하였다.

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Fig. 3

Schematic diagram (a) and pictorial view (b) of benthic nutrient fluxes experiment.

2.2.3 영양염류 용출량 산정

퇴적물의 농도 분포에 대한 지배 방정식은 단위면적당 확산되는 물질 확산량이 농도 기울기에 비례한다는 Fick’s first law of diffusion에 근거한다 (Eq. 1).

(Eq. 1)
Js=-nDs(dCdz)z=0

여기서, Js는 일별 영양염류 용출량 (mg m-2 d-1)이고, n은 퇴적물의 공극률, Ds는 영양염류의 확산계수 (diffusion coefficient, m2 d-1)이며 (dC/dz)z=0는 수층과 퇴적물의 확산경계면에서 농도 구배 (mg L-1 m-1)를 의미한다.

퇴적물 실험실 코어 배양법으로 일정한 면적의 퇴적물과 일정한 부피의 상등수를 배양하고 시간에 따른 상등수의 영양염류 농도 변화를 측정하여 퇴적물로 유출되거나 퇴적물로 유입되는 확산량을 산정하였다 (Eq. 2).

(Eq. 2)
Js=(Ct-C0t)VA

여기서 Js는 상등수와 퇴적물 경계면에서 용출량 (mg m-2 d-1), (C t-C 0)/t는 시간에 따른 농도 구배 변화 (mg L-1 d-1), V는 상등수의 부피 (L), 그리고 A는 수층과 퇴적물 확산경계면의 표면적 (m2)이다. 용출량이 양의 값이면 퇴적물에서 상등수로 영양염류가 유출된 것이고, 음의 값이면 상등수에서 퇴적물로 영양염류가 유입된 것을 의미한다.

3. 결과 및 고찰

3.1 염분에 따른 호소별 퇴적물 내 총질소 및 총인 농도 통계 분석

호소를 염분에 따라 석호, 하구 저수지, 상류 저수지로 구분하고 이상치를 제거한 후 이에 따른 퇴적물 내 영양염류 농도 데이터 수 (n), 산술평균 (μ), 표준편차 (σ), 변동계수 (CV), 최대값 (max.) 및 최소값 (min.)을 Table 1에 제시하였다. Kolmogorov-Smirnov 검정을 이용해 모집단의 정규성을 확인한 결과, 호소별 총질소와 총인 각각 p>0.05로 정규성을 만족하였다. Levene의 등분산 검정을 실시한 결과, 총질소는 p=0.180 (≥0.05)으로 분산이 동일하여 ANOVA를 이용하여 분석하였으며, 총인은 p=0.027 (<0.05)로 등분산성을 만족하지 못하여 Welch’s ANOVA를 진행하였다. 본 연구에서 염분에 따른 호소별 퇴적물 내 총질소 및 총인 농도는 통계학적으로 유의한 수준 (α=0.05)에서 다르지 않다는 귀무가설 (H 0)을 수립하고 ANOVA를 진행한 결과, 총질소와 총인 모두 귀무가설이 기각되고 (p<0.05), 염분 농도가 다른 호소별로 퇴적물 내 영양염류의 농도가 통계학적으로 유의한 차이가 있는 것으로 분석되었다.

Table 1.

Descriptive statistics of total nitrogen (mg-TN/kg-sediment) and total phosphorus (mg-TP/kg-sediment) concentrations in various sediments with the different levels of salinity

Nutrient Reservoir Type Sample Number
(n)
Mean
(μ)
Standard
deviation
(σ)
Coefficient of
Variation
(CV)
Min. Max.
TN
(mg/kg)
Brackish lagoon 8 2,669.75 693.35 0.26 1,972 3,787
Coastal reservoir 31 2,093.97 943.56 0.45 605 4,211
Inland reservoir 113 2,918.45 785.20 0.27 680 4,737
TP
(mg/kg)
Brackish lagoon 8 533.38 134.25 0.25 371 711
Coastal reservoir 20 741.15 325.36 0.44 195 1,260
Inland reservoir 115 788.96 229.25 0.29 331 1,348

호소별 총질소와 총인을 각각 Scheffe와 Games-Howell 검정법을 이용하여 사후검정한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 퇴적물 내 총질소의 경우 산술평균이 상류 저수지 (2,918 mg/kg)에서 가장 높았으며 하구 저수지 (2,094 mg/kg)에서 가장 낮았고, 상류 저수지와 하구 저수지는 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다 (p<0.001). 이는 담수화 된 퇴적물에 염분이 노출될 경우, 질산화와 탈질의 생물학적 대사가 억제되어 질소 순환이 변화하여 퇴적물 내 질소의 양이 감소하였다는 기존 연구 (Osborne et al. 2015) 결과와 일치한다.

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Fig. 4

Box plots and ANOVA results of (a) total nitrogen and (b) total phosphorus concentrations in various sediments with the different levels of salinity.

퇴적물 내 총인의 경우 상류 저수지 (789 mg/kg), 하구 저수지 (741 mg/kg), 석호 (533 mg/kg) 순으로 높은 농도를 나타내었으며, 상류 저수지와 석호의 퇴적물 내 총인의 농도는 통계적으로 유의한 차이를 나타냈다 (p<0.01). 이러한 결과는 염분농도가 높아질수록 퇴적물 내 존재하는 인의 존재형태가 달라지며, 퇴적물 내 결합된 인의 양이 비교적 감소하는 것으로 보고된 기존 연구 결과와 유사하다 (Paludan and Morris 1999). 비록 하구 저수지가 염분의 영향을 받음에도 불구하고 상류 저수지와 유사한 인의 농도를 나타내는 것은 하구 말단에 인공구조물을 설치하여 생긴 폐쇄적인 수체의 특성으로 인해 상류 저수지와 유사하게 퇴적물 내 인의 지속적인 축적으로 인한 것으로 판단된다.

3.2 상등수의 염분 농도가 용출량에 미치는 영향 분석

현장에서 채취한 상등수의 염분 농도와 퇴적물의 총질소 및 총인 함량을 조사하여 Table 2에 제시하였다. 상등수의 염분 농도는 해수 침투가 비교적 직접적인 송지호 (11.80 psu), 일부 해수의 영향을 받는 간월호 (0.73 psu), 해수의 영향을 거의 받지 않는 장군 저수지 (0.08 psu) 순으로 조사되었다. 염분 농도가 각각 다른 호소별 영양염류 용출량을 비교하여 Fig. 5로 나타냈으며, 자세한 값은 Table 3에 제시하였다.

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Fig. 5

Comparison of benthic nutrients fluxes of (a) NH4 +-N, (b) NO3 --N, and (c) PO4 3--P under the aerobic and anoxic conditions, respectively (JR: Janggun reservoir, GR: Ganwol reservoir, and SL: Songji lagoon).

Table 2.

Salinity (psu), total nitrogen (mg-TN/kg-sediment) and total phosphorus (mg-TP/kg-sediment) concentrations in various sediments evaluated in this study

Site Songji lagoon Ganwol reservoir Janggun reservoir
Reservoir Type Brackish lagoon Coastal reservoir Inland reservoir
Salinity
(psu)
11.80 0.73 0.08
Total nitrogen in sediment
(mg/kg)
3,740 1,994 4,389
Total phosphorus in sediment
(mg/kg)
46 582 1,116
Table 3.

Summary of measured benthic nutrient fluxes (mg/m2/d) for various sediments with the different levels of salinity.

Site Songji lagoon Ganwol reservoir Janggun reservoir
Reservoir Type Brackish lagoon Coastal reservoir Inland reservoir
NH4 +-N
(mg/m2/d)
Aerobic -55.55 100.68 -176.87
Anoxic 34.15 106.5 2.12
NO3 --N
(mg/m2/d)
Aerobic 0.43 45.16 199.65
Anoxic 0 -9.43 -16.86
PO4 3--N
(mg/m2/d)
Aerobic 0 -0.55 -1.48
Anoxic 5.55 1.16 0.66

암모니아성 질소 (Fig. 5 (a))의 경우 호기 조건과 무산소 조건 양쪽에서 간월호에서의 용출량이 가장 높게 나타났다. 이는 하굿둑 형태의 인공 담수호인 간월호의 특성상 폐쇄성 수역 내 염분 밀도류 형성을 통해 상류 저수지 대비 높은 염분 농도에 의해 퇴적물 표층의 질산화 미생물의 대사가 저해되어 질산화가 억제되어 암모니아성 질소로 용출된 것으로 판단된다 (Rysgaard et al. 1999). 반면에 염분에 의한 저해가 크지 않은 장군 저수지의 경우 비교적 높은 질산화율로 인해 암모니아성 질소가 아질산염 (NO2 -) 또는 질산염 (NO3 -) 등의 형태로 산화되어 가장 낮은 암모니아성 질소 용출량이 측정되었다. 송지호는 담수성 미생물 대비 염분에 대한 내성이 강하지만 질산화 속도가 느린 호염성 (halophilic) 또는 내염성 (halotolerant) 미생물에 의해 질산화가 진행되어 (Yoshie et al. 2006, Servais et al. 2021), 퇴적물 내 암모니아성 질소가 일부 질산화 되지 못하고 잔존하여 무산소조건에서 수층으로 용출된 것으로 판단된다. 이러한 생물학적 요인 이외에도 비생물학적 (abiotic) 요인으로 암모니아 (NH3)와 염수 (saline water)의 음이온 성분 간의 이온쌍 형성이 암모늄 이온 (NH4 +)의 극성을 부분적으로 중화시켜 퇴적물 입자 표면에 암모니아의 흡착을 저해시켜 암모니아성 질소가 용출된 것으로 판단된다 (Gardner et al. 1991). 기존연구에서도 NH4 +-N 용출량은 호소의 미생물 군집, 초기 퇴적물의 염분 농도 등에 큰 영향을 받는 것으로 조사되었다 (Rysgaard et al. 1999, Jackson and Vallaire 2009).

질산염의 용출량 (Fig. 5 (b))은 호기 조건에서 염분 농도가 낮은 장군 저수지, 간월호, 송지호 순으로 용출량이 높았으며, 이는 염분 농도 증가에 의한 질산화의 억제가 유의하다는 것을 설명할 수 있다. 또한 염분은 수중의 무기물을 미생물에 의해 유기물 형태로 변환시키는 부동화작용 (immobilization)을 일으켜 질산염이 토양에 고착되도록 유도하므로 (Duan and Kaushal 2015) 더 낮은 용출량이 측정되었다. 무산소 조건에서의 간월호와 장군 저수지의 질산염 용출량은 음의 값을 나타내어 수층에서 퇴적물 경계면으로 질산염 물질전달이 증가되었으며, 무산소 조건의 낮은 용존산소 농도로 인해 질산화가 억제되고 질산염이 아질산염 또는 질소 가스로 일부 탈질되어 발생한 것으로 사료된다. 질산염의 감소가 발생하는 탈질 과정에서도 염분에 의해 미생물의 활동이 억제되어 염분 농도가 낮은 호소일수록 질산염이 더욱 많이 감소한 것을 확인할 수 있다 (Marks et al. 2016). 또한 기수성 석호인 송지호는 호기 상태와 무산소 상태에서 큰 질산염 용출량의 변화를 보이지 않았으며, 이는 석호의 내염성 및 호염성 미생물의 질산화 및 탈질의 속도는 염분 및 용존산소와 농도와 무관하게 담수 미생물에 비해 상대적으로 느린 특성으로 인해 발생한 것으로 판단된다 (Servais et al. 2021, Zhang et al. 2021).

인산염의 용출 (Fig. 5 (c))은 호기 조건에서 송지호 0 mg m-2 d-1, 간월호 –0.55 mg m-2 d-1, 장군 저수지 -1.48 mg m-2 d-1로 호소 내 염분의 농도가 감소할수록 인산염이 퇴적물에 축적되는 것을 확인할 수 있었다. Spiteri et al. (2008)에 의하면 담수의 경우 소량의 염분이 인의 흡착 (adsorption) 및 흡수 (absorption)를 촉진시켰으나, 염분 농도가 특정 임계치를 초과한 높은 값의 하구 저수지와 연안의 경우 염분으로 인해 퇴적물로의 인 흡착이 억제되었다. 무산소 조건에서는 염분 농도가 높은 호소 일수록 인의 용출량이 증가하였으며, 이러한 결과는 수중의 높은 염분으로 인해 칼슘과 철, 망간 등에 결합된 다량의 인산염이 부유성 콜로이드 입자 형태로 퇴적물 내에 존재하였다가 무산소 조건에서 분리되어 수층으로 용출되며 (Zhang and Huang 2011), 높은 황산염 함량으로 인해 음이온 흡착 경쟁을 통해 철 산화물과 결합된 인산염의 결합을 해리하고 방출을 촉진하기 때문이다 (Flores-Alsina et al. 2016). 또한 염분은 무기인산과 유기인산을 인산염 형태로 변화시키는 미생물의 유전자 다양성을 증가시키고, 관련 효소를 자극하여 인산염의 용출을 촉진시킨다는 기존 연구 (Sundareshwar and Morris 1999, Hu et al. 2023) 결과와도 동일하다. 호기 조건 대비 무산소 조건에서 인산염의 용출량이 증가한 것은 혐기적 상태가 되며 퇴적물 표면에서 안정한 구조를 갖던 다원자 금속 이온들이 환원 상태에서 인과의 결합이 해리되어 발생한 것으로 판단된다 (Kwon and Cho 2010).

3.3 퇴적물 내 영양염류의 양이 용출량에 미치는 영향 분석

퇴적물 내 총질소 양이 많을수록 호기 상태와 무산소 상태에서의 NH4 +-N 용출량이 감소하였다 (Fig. 6 (a)). NO3 -N의 용출량은 퇴적물 총질소 농도와 큰 상관성을 띄지 않았으며 (Fig. 6 (b)), 총인의 양이 많을수록 PO4 3--P의 용출량이 호기 상태 및 무산소 상태에서 감소하는 것으로 나타났다 (Fig. 6 (c)). 이러한 복잡한 경향성은 퇴적물에 다량의 영양염류가 존재하더라도 수층과 퇴적물의 확산경계면 내 영양염류 물질의 결합형태, 이온 구성 (ionic composition), pH, 염분, 미생물의 군집 및 활동도 등의 다양한 물리-생지화학적 조건에 의해 용출 특성이 크게 변화한다는 것을 시사한다 (Bai et al. 2017). 따라서 현장의 퇴적물 내 영양염류의 용출량은 부지특이성 (site-specific)을 나타내므로 퇴적물 코어를 실험실에서 배양하여 현장조건을 재현하여 실험을 수행해야 수층과 퇴적물의 확산경계면 내 영양염류의 용출량을 정확히 산정할 수 있으리라 사료된다.

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Fig. 6

Effect of nutrient concentration in sediments on benthic nutrient fluxes (JR: Janggun reservoir, GR: Ganwol reservoir, and SL: Songji lagoon).

4. 결 론

본 연구에서는 수질 인자로써 염분이 호소 퇴적물 내 질소 및 인의 용출에 미치는 영향을 분석하기 위하여 국내 호소를 상류 저수지, 하구 저수지, 석호로 분류하고 퇴적물의 총질소와 총인 농도를 수집하여 SPSS ver.22를 이용해 통계분석 진행하였으며, 코어 배양 실험을 통해 각 호소의 영양염류 용출량을 산정하였다.

염분에 따라 호소를 분류하고 퇴적물 내 총질소와 총인의 ANOVA 결과, 퇴적물 내 총질소와 총인 농도는 호소별로 유의한 차이가 있는 것으로 조사되었다 (p<0.05). 사후검정을 통해 총질소의 경우 상류 저수지 (2,918 mg/kg)와 하구 저수지 (2,094 mg/kg)가 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나타났으며 (p<0.001), 총인의 경우 상류 저수지 (789 mg/kg)와 석호 (533 mg/kg)가 통계적으로 유의한 차이를 나타냈다 (p<0.01).

퇴적물 코어 배양 실험을 통해 염분이 다른 호소별 질소와 인의 확산 용출량을 비교한 결과, NH4 +-N은 호기 조건과 무산소 조건에서 해수에 의해 염분의 영향을 일부 받던 하구 저수지인 간월호에서의 용출량이 가장 높게 나타났다. NO3 --N은 염분 농도가 낮은 장군 저수지, 간월호, 송지호 순으로 용출량이 높게 나타났다. PO4 3--P는 염분 농도가 높은 송지호, 간월호, 장군 저수지 순으로 높은 용출량을 확인할 수 있었다.

통계 분석과 실험을 통해 암모니아성 질소는 염분에 의해 질산화와 같은 미생물 활동에 저해를 받거나 이온쌍 형성과 같은 비생물학적 요인에 의해 흡착이 감소하고 용출이 촉진되는 것으로 확인되었다. 질산염은 염분에 의해 질산화 미생물의 활동이 억제되거나 부동화 작용을 일으켜 토양에 고착되도록 하기 때문에 용출량이 감소했다. 인산염은 호소 내 염분 농도가 증가할수록 퇴적물로부터 용출량이 증대되는데 이는 염분이 음이온 흡착 경쟁을 통해 퇴적물로부터 인산염의 방출을 촉진시키기 때문이다. 이러한 결과는 기존의 연구 결과와 일치하며 퇴적물 내 미생물의 군집, 성장률과 세대시간 등 생물학적 요인과 산화, 환원 및 영양염류의 결합형태 등의 물리화학적인 요인도 염분 농도에 의해 영향을 받으므로 각 호소의 용출량이 차이가 있는 것으로 확인하였다.

종합적으로 검토하였을 때, 본 연구에서는 염분이 질소와 인의 용출량 산정에 물리-생지화학적인 측면에서 영향을 미치며, 해수 (염분)의 영향을 받는 호소의 퇴적물 용출을 조사 시 염분에 의한 영향도 추가적으로 고려해야 할 것으로 판단된다. 또한 염분 밀도류 형성 및 영양염류 용출을 예방하기 위해 빈산소화를 방지하는 폭기, 주기적인 물순환, 저층 염수 배제시설 등을 고려해야 할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 한국지질자원연구원 기본사업의 연구비지원 (22-3411-위탁1)에 의해 수행되었습니다.

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