탄소안정동위원소를 활용한 연안 해수 내 육상 및 해양 기원 유기물의 거동 추적 = Tracing the fates of terrestrial and marine organic matter in coastal waters using stable carbon isotopes

국문 초록 (Abstract)

2023년 여름(8월)과 2024년 봄(5월)에 시화호에서 염분, 용존산소(dissolved oxygen; DO), 용존 무기 영양염(NO3-, NH4+ 및 PO43-), 입자 유기탄소(particulate organic carbon; POC) 및 용존 유기탄소(dissolved organic carbon; DOC)와 이들의 탄소안정동위원소(δ13C-POC, δ13C-DOC)값을 측정하여 육상 및 해양 기원의 POC와 DOC의 거동을 규명하고자 하였다. NO3-는 주로 담수 기원을 나타낸 반면, NH4+와 PO43-는 특히 여름철에 성층화로 인한 저층에서의 유기물 분해 과정을 통해 공급되는 것으로 보인다. POC와 DOC는 각각 주로 수층 내 생물생산과 담수에 의해 기원하였으며, 이들의 δ13C 값은 단순한 농도만으로는 파악할 수 없는 기원과 거동을 규명하는 데 추가적인 정보를 제공하였다. δ13C 값을 이용한 단성분 혼합모델(two end-member mixing model)을 기반으로, 육상 및 해양 기원 POC와 DOC가 시·공간적으로 뚜렷하게 상반된 거동을 보이는 것으로 나타났다. 해양 기원 POC는 봄철에 생물학적 생산의 증가로 인해 높은 농도를 보였으나, 여름철에는 저층에서 미생물에 의한 활발한 분해가 일어나면서 감소하였으며, 이는 산소 소비와 함께 NH4+ 및 PO43- 등의 영양염 재생에 기여한 것으로 보인다. 반면, 육상 기원 POC는 여름철에도 저층에서 높은 농도를 보였으며, 이는 퇴적물 재부유에 의한 영향으로 보인다. 해양 기원 DOC는 생물학적 생산 및 POC의 미생물 전환에 영향을 받는 것으로 나타났으나, 육상 기원의 DOC는 비교적 변화 없이 유지되며 잠재적으로 외해로 유출될 가능성이 관찰되었다. 이러한 결과는 시화호와 같이 인간 활동의 영향을 강하게 받는 연안 환경에서, 외부로부터 유입된 난분해성(refractory) 육상 기원 유기물보다, 현장에서 생성된(in-situ) 해양 기원 유기물과 그 분해 과정이 수질에 더 큰 영향을 미친다는 점을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study measured the concentrations of dissolved oxygen, nutrients, particulate (POC) and dissolved organic carbon (DOC), and their δ13C values in Lake Sihwa, Korea, during spring (May 2024) and summer (August 2023) to determine the fates of terrestrial and marine POC and DOC. NO3- mainly originated from freshwater, whereas NH4+ and PO43- were additionally supplied from bottom sediments in the innermost bay. Although POC and DOC originated primarily from biological production and freshwater, respectively, their δ13C values provided further insights into their sources and transformation processes, which could not be inferred from bulk concentrations alone. Based on a two end-member mixing model using δ13C, the spatiotemporal behaviors of terrestrial and marine POC and DOC were identified. Marine POC increased in spring due to enhanced biological production, but decreased markedly in the subsurface layer during summer due to active microbial degradation, contributing to oxygen consumption and the regeneration of nutrients, such as NH4+ and PO43-. In contrast, terrestrial POC remained in the subsurface layer during summer due to sediment resuspension. Marine DOC was influenced by both biological production and microbial transformation of POC, whereas terrestrial DOC remained largely unaltered, potentially being exported to the open ocean. Thus, our results suggest that in-situ produced marine organic matter (OM) and its subsequent degradation contribute more substantially to the regulation of water quality in anthropogenically impacted coastal environments, such as Lake Sihwa, than the direct input of refractory terrestrial OM, while terrestrial OM is more important for the transport to the open ocean.

목차 (Table of Contents)

• 초 록 ⅰ
• 목 차 ⅲ
• List of tables ⅳ
• List of figures ⅴ
• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 재료 및 방법 6
• 2.1. 연구 해역 6
• 2.2. 시료 채취 및 분석 항목 7
• 2.3. 분석 방법 8
• 2.3.1. 용존 산소 분석 8
• 2.3.2. 용존 무기 영양염 분석 9
• 2.3.3. 입자 유기탄소 분석 10
• 2.3.4. 용존 유기탄소 분석 10
• 2.3.5. 탄소안정동위원소 분석 11
• 2.4. 단성분 혼합 모델 12
• 2.5. 통계 분석 14
• 제 3 장 결 과 24
• 3.1. 염분, 용존 산소, 용존 무기 영양염의 분포 24
• 3.2. POC, DOC, 탄소안정동위원소의 분포 28
• 3.3. 육상 및 해양 기원 POC, DOC의 분포 32
• 제 4 장 고 찰 35
• 4.1. 시화호 내 용존 무기 영양염의 기원 및 거동 35
• 4.2. 시화호 내 POC, DOC의 기원 및 거동 39
• 4.3. 육상 및 해양 기원 POC와 DOC의 기원 및 거동 45
• 제 5 장 결 론 53
• 참고문헌 55
• Abstract 67