자연 정화작용 연구: I. 갯벌과 농지 상층수중 유 ${\cdot}$ 무기 원소의 거동에 관한 예비 연구 = Self-purification Mechanisms in Natural Environments of Korea: I. A Preliminary Study on the Behavior of Organic/Inorganic Elements in Tidal Flats and Rice Fields

국문 초록 (Abstract)

우리나라 갯벌과 농지내 유 ${\cdot}$ 무기 원소의 거동을 이해하기 위해 제한된 환경의 실험실 수조에서 예비실험을 수행하였다. 총 6개의 아크릴 투명 수조에 갯벌 퇴적물 3종 SW1&2(anoxic, silty mud), SW3&4(anoxic, mud), SW5&6(suboxic, mud)과 농지 토양 3종 FW1&2(벼 포기 포함), FW3&4(벼 포기 제외), FW5&6(간척 농지,펴 포기 제외)을 채운 후 오염물질(구리, 비소, 카드뮴, 크롬, 납, 수은, Glucose+Glutamic acid)이 주입된 해수와 담수를 각각 SW 및 FW수조에 넣고, 2주일에 걸쳐 상층수 및 표층 퇴적물/토양을 채취 ${\cdot}$ 분석하였다. 분석 결과 FW와 SW상층수 중 질산염 이온의 농도는 각각 700${\sim}$800 ${\mu}$M, 2${\sim}$5 ${\mu}$M로 FW에서 현저히 높았고, 인산염 이온의 농도는 각각 3${\sim}$4 ${\mu}$M, 1${\sim}$2 ${\mu}$M(SW1 제외)로 FW에서 약간 높았다. 특이하게 SW1에서 인산염 이온은 시간이 지남에 따라 수 십 ${\mu}$M에 이르는 높은 농도로 증가하였다. 한편, 표층 퇴적물/토양 중 박테리아 세포 수는 FW1&3에서 평균 2.5${\times}$10$^9$cells/g dry sediment으로 SW의 평균 3.0${\times}$10$^8$cells/g dry sediment 보다 약 10배가 높았다. FW5 토양 중 박테리아 세포 수(3.5${\times}$10$^8$cells/g dry sediment)는 SW 퇴적물 중 숫자와 유사하였다. SW 퇴적물 중 MUF-Phosphate 활성도는 100-200 nM/ml/hr이지만 FW5&6을 제외한 FW 토양에서는 약 2,000 nM/ml/hr로 현저히 크게 나타났다. ${\beta}$-D-Cellobiose, ${\alpha}$-D-Glucose, 그리고 ${\beta}$-D-Glucos의 활성도 또한 FW 퇴적물에서 큰 값을 보였다. 그러나 FW5&6 토양 중 효소활성도는 SW 퇴적물에서의 값과 유사했다. 수조 상층수 중 Cu, Cd, As 농도는 모든 FW, SW수조에서 시간이 지남에 따라 일관성 있게 감소하였고, 제거속도는 Cu가 다른 원소에 비해 빨랐다. 제거속도는 FW 3개 수조 중 FW5&6에서 세 원소 모두 가장 느렸고, SW 3개 수조 중에서는 SW1&2에서 가장 빨랐다. SW와 FW간 제거속도 차이는 세 원소 모두 명확치 않았다 Cr은 FW에서 전반적으로 감소하는 경향을 보였지만 SW에서는 실험 초기에 감소하다 24시간 이후에는 증가 후 일정한 양상을 보였다. Pb은 FW에서 전반적으로 감소했지만 SW에서는 초기에 급격히 증가 후 다시 급격히 감소하는 양상을 보였다 Pb 또한 Cu, Cd, As와 마찬가지로 SW1&2에서 제거속도가 가장 빠르게 나타났다. FW 상층수 중 Hg는 시간에 따라 급격히 감소했고, 제거속도는 Fw5&6에서 가장 느렸다. 이러한 결과에 근거할 때 벼가 자라고 있고 이분해성 유기물이 풍부한 FW1&2, FW3&4 토양과 상층수에서는 유기물의 분해 활동이 활발하였지만, 벼가 경작되지 않는 FW5&6과 SW 에서는 유기물이 상대적으로 결핍되어 유기물의 분해활동이 적었을 것으로 판단된다. 한편, 수조에 인위적으로 유기물을 첨가한 경우 박테리아 세포수는 SW1에서 164시간 동안 4배 증가하였으나 SW3과 SW5에서는 각각 2.7배, 1.5배 그리고 FW1&3&5의 경우 각각 약 2배, 1.7배, 0.6배 정도만 증가하였다. Cu, Cd, As등 친 유기성 원소들의 시간에 따른 농도 감소 그리고 이들 원소(Hg 포함) 농도 감소 속도가 유기물이 적은 FW5&6에서 상대적으로 느리게 나타난 결과 등은 이들 금속들이 부유 입자 표면의 유기물과 결합 ${\cdot}$ 침적되어 퇴적물로 제거되었기 때문에 나타난 결과로 생각된다. 한편, SW1&2에서 이들 원소의 제거 속도가 빨랐고

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Organic and inorganic characteristics including bacterial cell number, enzyme activity, nutrients, and heavy metals have been monitored in twelve acrylic experimental tanks for two weeks to estimate and compare self-purification capacities in two Korean wet-land environments, tidal flat and rice field, which are possibly different with the environments in other countries because of their own climatic conditions. FW tanks, filled with rice field soils and fresh water, consist of FW1&2 (with paddy), FW3&4 (without paddy), and FW5&6 (newly reclaimed, without paddy). SW tanks, filled with tidal flat sediments and salt water, are SW1&2 (with anoxic silty mud), SW3&4 (anoxic mud), and SW5&6 (suboxic mud). Contaminated solution, which is formulated with the salts of Cu, Cd, As, Cr, Pb, Hg, and glucose+glutamic acid, was spiked into the supernatent waters in the tanks. Nitrate concentrations in supernatent waters as well as bacterial cell numbers and enzyme activities of soils in the FW tanks (except FW5&6) are clearly higher than those in the SW tanks. Phosphate concentrations in the SW1 tank increase highly with time compared to those in the other SW tanks. Removal rates of Cu, Cd, and As in supematent waters of the FW5&6 tanks are most slow in the FW tanks, while the rates in SW1&2 are most fast in the SW tanks. The rate for Pb in the SW1&2 tanks is most fast in the SW tanks, and the rate for Hg in the FW5&6 tanks is most slow in the FW tanks. Cr concentrations decrease generally with time in the FW tanks. In the SW tanks, however, the Cr concentrations decrease rapidly at first, then increase, and then remain nearly constant. These results imply that labile organic materials are depleted in the FW5&6 tanks compared to the FW1&2 and FW3&4 tanks. Removal of Cu, Cd, As from the supernatent waters as well as slow removal rates of the elements (including Hg) are likely due to the combining of the elements with organic ligands on the suspended particles and subsequent removal to the bottom sediments. Fast removal rates of the metal ions (Cu, Cd, As) and rapid increase of phosphate concentrations in the SW1&2 tanks are possibly due to the relatively porous anoxic sediments in the SW1&2 tanks compared to those in the SW3&4 tanks, efficient supply of phosphate and hydrogen sulfide ions in pore wates to the upper water body, complexing of the metal ions with the sulfide ions, and subsequent removal to the bottom sediments. Organic materials on the particles and sulfide ions from the pore waters are the major factors constraining the behaviors of organic/inorganic elements in the supernatent waters of the experimental tanks. This study needs more consideration on more diverse organic and inorganic elements and experimental conditions such as tidal action, temperature variation, activities of benthic animals, etc.