해양환경의 황산염 환원율 조절요인 및 유기물 분해에 있어 황산염 환원의 중요성

현정호,이홍금,권개경 한국해양학회 2003 바다 Vol.8 No.2

황산염 환원은 혐기성 해양환경에서 황산염 환원 박테리아가 진행시키는 미생물 반응이다. 황산염 환원 반응은 저층으로 공급되는 유기물 분해의 상당 부분을 담당하며, 이때 발생되는 황화가스의 독성 및 주변 금속과의 높은 반응성, 그리고 유기물 분해시 유리되는 무기 영양염들의 수층 용출 등으로 인해 연안생태계 내의 생물 다양성 및 생지화학적 물질의 순환경로에서 중요한 역할을 한다 여러 해양환경의 퇴적토에서 보고 된 황산염 환원율과 이에 영향을 미치는 주요한 환경요인들에 대해 정리한 결과, 공급되는 유기물과 여러 전자수용체들(산소, 질산염, 산화 철, 망간 등)의 분포가 황산염 환원율 및 유기물 분해시 황산염 환원의 상대적 중요성에 직접 영향을 미치는 것으로 나타났다 아울러 전자수용체의 분포와 유기물의 양과 질을 조절하는 요인으로서 온도, 식생의 유무, 생물교란의 영향에 대해 토의하였다. 끝으로, 우리나라와 같이 갯벌이 발달되고, 유기물 부하가 높은 인공양식장의 가동, 부영양화 등으로 인해 혐기성 환경과 적조의 발생빈도가 점증하는 상황에서 유기(오염)물 분해과정과 영양염 순환 경로를 보다 잘 이해하기 위해서 황산염 환원을 중심으로 한 다양한 혐기성 미생물 생태연구가 중요함을 제안한다. Sulfate reduction is a microbiological process which occurs ubiquitously in anaerobic marine environment. Sulfate reducing bacteria play a significant role in anaerobic decomposition of organic matter and regeneration of inorganic nutrients which supports the primary production in the water column (i.e., benthic-pelagic coupling) and, in special case, could be responsible for the harmful algal bloom in the coastal marine environment. Summary of the sulfate reduction rates reported in various marine sedimentary environments revealed that supply of organic substrates and presence of various electron acceptors (i.e., $O_2$, NO$_{3}$$^{[-10]}$ , Fe(III) and Mn(IV), etc.) for other aerobic and anaerobic respiration directly affect the sulfate reduction rate and relative significance of sulfate reduction in organic matter mineralization. Significance of temperature, macrophytes and bioturbation is discussed as factors controlling supply of organic substrates and distribution of electron acceptors. Finally, we suggest studies on the anaerobic microbiological processes associated with biogeochemical element cycles in the coastal environments of Korea where massive operation of organic enriched fish cage farm, frequent occurrence of toxic algal bloom and hypoxia and conservation of tidal flat are of major environmental issues.

북동태평양 심해 퇴적물에 서식하는 중형 저서 생물군집의 위도별 특징

현정호,최진우,이경용,김동성,Hyun, Jung-Ho,Choi, Jin-Woo,Lee, Kyeong-Yong,Kim, Dong-Sung 한국해양학회 2000 바다 Vol.5 No.3

This study was conducted to investigate the community structure and distributional pattern of meiobenthos in the deep sea bottoms of northeastern Pacific during July 1998. The faunal samples were collected using the multiple corer at ten stations; eight stations along the transects from 5$^{\circ}$N to 12$^{\circ}$N, and two stations in the Preservation Zone and Impact Zone of the KODOS (Korea Deep Ocean Study) area. The organic carbon content in sediments ranged from 0.79 to 1.76 mg cm$^{-3}$, and higher concentration appeared at stations in lower latitudes than 8$^{\circ}$N. The most abundant meiobenthos was nematodes and followed by foraminiferans; these two taxa comprised more than 70% of the total abundance at all stations. The most abundant meiobenthos occurred with mesh size of 0.063 nm. The maximum density of meiobenthos was 442 ind./10 cm$^2$ at station N5, and the density gradually decreased toward station N8 where the minimum density of 92 md./10 cm$^2$ was found. More than 60% of meiobenthos were distributed at surface sediment layer within 1.0 cm, and the peak abundance was found at 0-0.25 cm layer. The latitudinal distribution pattern of meiobenthos in the study area seemed to be related with the primary productivity of the surface water that is also connected to the water circulation pattern of the Pacific Ocean near the Equator, diverging at latitude of 8$^{\circ}$N and conversing at 5$^{\circ}$N. 본 연구는 심해 중형저서생물의 군집 특성을 파악하기 위해서 1998년 7월에 북동 태평양의 북위 5도에서 l2도까지 8개 정점과 KODOS(Korea Deep Ocean Study)해역의 P-zone 및 I-zon게서 각각 1개씩의 정점을 포함한 총 10개의 정점에서 MC(Multiple corer)를 사용하여 시료를 채취하였다. 퇴적물의 유기탄소함량은 표층 퇴적물 1 cm 깊이에서는 0.79${\sim}$1.76 mg cm$^{-3}$의 범위로 나타났으며, 지역적으로는 북위 8도에 위치한 정점 N8을 기준으로 남쪽에 위치한 정점들(N5${\sim}$N7)에서 북쪽의 정점들에 비해 높은 값을 보였다. 중형저서생물의 각 분류군별 조성비율을 보면 정점 N9와 정점 Nl2를 제외하고는 선충류(nematodes)가 우점하여 전 정점에서 35${\sim}$53%를 차지했으며, 다음으로는 유공충류(foraminiferans)로 이들 두 분류군이 전체 출현 개체수의 70${\sim}$82%를 차지하였다. 개체의 크기에 있어서는 0.125 mm를 통과하고 0.063 mm크기의 체에 남는 생물이 전 정점에서 가장 많은 비율을 차지하였다. 위도별 분포양상을 보면 북위 5도의 정점 N5에서 442개체/10 cm$^2$로서 가장 높은 서식밀도를 보였고, 북쪽으로 갈수록 점차 감소하는 경향을 보여 정점 N8에서 가장 낮은 밀도인 92개체/10 cm$^2$이었다. 북쪽의 정점들에서는 정점 N8보다 다소 높은 161개체/10 cm$^2$${\sim}$175개체/10 cm$^2$의 서식밀도를 보였다. 퇴적물 깊이에 따른 수직분포 양상은 대부분의 정점에서 표층 0${\sim}$0.25 cm에서 가장 높은 서식밀도를, 표층 0${\sim}$1 cm에 약 60%전후의 개체수가 밀집되어 있음을 나타내었다. 중형저서생물의 위도에 따른 분포양상은 북위 5도에서의 표층수 수렴과 북위 8도에서의 표층수 발산으로 인한 수층의 일차생산력 변화와 관련이 있는 것으로 나타났다.

한강기수역에서의 암모늄 제거율 변화 및 질산화의 잠재적 역할

현정호,정경호,박용철,최중기,Hyun, Jung-Ho,Chung, Kyung-Ho,Park, Yong-Chul,Choi, Joong-Ki 한국해양학회 1999 바다 Vol.4 No.1

부영양화된 한강기수역에서의 용존산소 및 $NH_4{^+}$ 제거에 있어 조석의 영향 및 질산화의 중요성을 이해하고자 1995년 7월에 강화도 남단에서 만조, 중조 및 소조 시에 해수시료를 채취하였다. 수온과 DO를 제외한 하계 한강기수역의 생물, 화학적 환경을 결정짓는 요인들이 담수의 유입과 수역 내의 심한 조석 변화에 의해 조절되는 것으로 나타났다. 조석상태에 따른 용존산소 및 $NH_4{^+}$ 의 제거율은 만조 시 각각 2.76 ${\mu}M\;O_2\;d^{-1}$ 및 1.76 ${\mu}M\;N\;d^{-1}$이며, 간조 시 각각 5.66 ${\mu}M\;O_2\;d^{-1}$ 및 3.36 ${\mu}M\;N\;d^{-1}$로 최대로 나타나 간조 시 담수와 함께 유입되는 다량의 각종 유기물 및 무기영양염에 대한 미생물의 분해 및 흡수가 활발히 진행되고 있음을 알 수 있다. $NH_4{^+}$-질산화는 간조 시 총 DO 소모량의 약 24%를 차지하며 $NH_4{^+}$-질산화에 의한 $NH_4{^+}$의 회전율도 0.18 $d^{-1}$로 만조 때에 비해 각각 3.7배 및 3배 높게 나타나, 담수성 $NH_4{^+}$-질산화 박테리아가 간조 시 한강기수역으로 유입되면서 DO 및 $NH_4{^+}$의 소모에 중요한 역할을 담당하고 있는 것으로 사료된다. 만조 시 $NH_4{^+}$ 감소율 및 $NH_4{^+}$-질산화가 낮은 것은 염분증가에 따른 담수성 $NH_4{^+}$-질산화 박테리아의 활성이 위축되어 나타난 결과로 보이며, 이상의 결과들은 한강기수역에서 $NH_4{^+}$의 효율적인 생물학적 제거를 위해서는 $NH_4{^+}$를 포함하는 각종 오 폐수가 기수역으로 유입되기 이전에 처리됨이 바람직함을 의미한다. 향후 한강기수역과 같은 대규모 담수의 유입이 일어나는 부영양화된 기수역에서 질소계 원소의 순환을 보다 잘 이해하기 위해서는 $NH_4{^+}$ 및 $N0_2{^-}$를 유일한 화학에너지원으로 이용하는 자가영양 질산화 박테리아에 대한 생태적 연구가 병행되어야 한다. In order to understand the importance of tidal action and $NH_4{^+}$ -nitrification in the removal of dissolved oxygen (DO) and $NH_4{^+}$, concentrations of DO, $NH_4{^+}$, $NO_2{^-}$ and $NO_3{^-}$ were measured with time for water samples collected at different tidal state in the eutrophic macrotidal Han River estuary. Field measurements indicated that most environmental parameters, except for the water temperature and DO concentration, were tightly controlled by the eutrophic freshwater runoff and large-scale tidal action. Dark incubation of the water sample at $25^{\circ}C$ showed that the removal rates of DO and $NH_4{^+}$ in high tide sample were 2.76 ${\mu}M\;O_2\;d^{-1}$ and 1.76 ${\mu}M\;N\;d^{-1}$ respectively, and increased to 5.66 ${\mu}M\;O_2\;d^{-1}$ and 3.36 ${\mu}M\;N\;d^{-1}$ respectively, in low tide sample. These changes indicated that microbial degradation and uptake of organic matter and inorganic nutrients were more active during low tide. $NH_4{^+}$-nitrification responsible for total DO removal in low tide (23.81%) and $NH_4{^+}$ turnover rates due to $NH_4{^+}$-nitrification in low tide (0.18 $d^{-1}$) were approximately 3.7 times and 3 times, respectively, higher than those in high tide. These results indicated that $NH_4{^+}$ -nitrifying bacteria introduced into the Han River estuary during low tide played a significant role in the removal of DO and $NH_4{^+}$. The decreasing removal rates in DO and $NH_4{^+}$ with the increasing tidal level seemed to be associated with the salinity impact on the halophobic freshwater $NH_4{^+}$-nitrifying bacteria. The results implied that anthropogenic $NH_4{^+}$ sources should be treated prior to the freshwater runoff into the estuary for the effective control of $NH_4{^+}$ in the Han River estuary. These results also suggest that parallel ecological studies on the chemoautotrophic nitrifying bacteria are essential for the elucidation of nitrogen cycles in the eutrophic Han River estuary.

최적라인 설계 및 자동 분석을 위한 e-FEED 시스템 적용 효과

현정호,최상수,이범기,장용,성낙윤,신연식 (사)한국CDE학회 2014 한국 CAD/CAM 학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.2

Cognition and control using optogenetic approach

현정호 한국공업화학회 2021 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2021 No.1

Portable NMR/MRI용 소형 영구자석에 특화된 Shim/Gradient 코일의 설계

현정호,서증훈,조영승,한상덕,문동민,김경한,오창현 대한전기학회 2011 정보 및 제어 심포지엄 논문집 Vol.2011 No.4

아데노신 3인산(ATP; Adenosine-5′ triphosphate)을 이용한 심해저 및 연안퇴적토의 총 미생물 생체량 측정

현정호,김경홍,권개경,이정현,이홍금,김상진,김기현 한국미생물학회 2002 미생물학회지 Vol.38 No.2

ATP concentrations far estimating total microbial biomass in the sediment were measured in three different marine sedimentary environments. ATP concentrations were highest in the surface sediment and decreased with increasing sediment depth and distance from the land. The results indicated that the benthic microbial biomass is primarily controlled by nutrient inputs from the overlying water column. Because of the longer residence time and adsorption to the sediment, the variations in organic carbon (OC) contents with sites and depths were not as distinct as that of ATP, and the correlation between OC and ATP was not significant in the coastal sediments. No significant correlation between OC and ATP in the coastal sediments also suggested that microbial biomass in the labile organic-enriched coastal sediment is suppressed by the grazing of higher trophic level such as meiofauna. Overall regional and vertical distribution of ATP indicated that h\`w can be a relevant tool for measuring total microbial biomass in various marine sedimentary environments. 심해와 연안의 서로 다른 해양퇴적토 환경에서 ATP농도를 이용한 총 미생물 생체량을 측정하였다. 표층 ATP의 분포는 연안역에서 가장 높았으며, 육지로부터 멀어질수록 감소하였다. 또한 수직적으로는 깊이에 따라 급격히 감소하는 양상을 나타내, 저층의 생태계가 수층으로 부터의 영양원 공급에 의해 일차적으로 조절되고 있는 것으로 나타났다. 한편, 유기물은 퇴적물로의 흡착으로 인해 환경 내 체류시간이 길어짐으로 인해, 유기탄소의 함량 변화가 ATP에 비해 급격히 일어나지 않았으며, 특히, 연안퇴적토의 경우 유기탄소의 함량 변화에 비해 ATP의 농도변화가 일정하게 나타나 두 변수간의 유의성 이 없는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 분해가능한 유기물의 공급이 많은 연안퇴적토의 경우, 영양원에 의한 조절보다는 상위영양단계의 포식활동이 미생물의 생체량을 최종적으로 조절하는 요인으로 작용하기 때문 인 것으로 사료된다. 지역분포 특성 및 수직적 분포 특성으로부터 ATP는 서로 다른 저서 생태환경의 생체량 분석을 위한 일차적 인 도구로 유용하게 쓰일 수 있는 것으로 나타났다.

북동적도 태평양 KODOS 97-2 해역 심해저 퇴적물 내의 ATP 분포양상

현정호,김경홍,지상범,문재운,Hyun, Jung-Ho,Kim, Kyeong-Hong,Chi, Sang-Bum,Moon, Jai-Woon 한국해양학회 1998 바다 Vol.3 No.3

심해저 망간단괴 채광에 따른 저층생태환경의 변화를 평가하기 위한 기초환경연구의 일환으로 북동적도 태평양 심해저 퇴적물 내의 총 ATP(T-ATP), 용존 ATP(D-ATP) 그리고 입자성 ATP(P-ATP)의 농도 및 수직분포양상을 연구하였다. T-ATP는 퇴적물 6 cm 깊이 내에서 4.4~40.6, D-ATP는 0.6~16.1, 그리고 P-ATP는 3.0~29.2 ng/g dry sediment의 범위로 변했다. T-ATP의 약 84%, D-ATP의 약 81% 그리고 P-ATP의 약 74%가 표층 퇴적물 2 cm 이내에 분포하는 것으로 나타났으며, 분포양상이 퇴적물 내의 함수율과 높은 상관관계를 나타냈다. 이러한 결과는 심해저 퇴적물 내의 미생물(P-ATP) 분포가 수층으로부터 전달되는 유기탄소에 의해 결정됨을 의미한다. 다중주상 시료채집기를 사용해 획득한 퇴적물에서 P-ATP 최대층이 0~0.5 cm 깊이 내에 존재하는 것으로 나타나, 표층이 교란되는 상자형 퇴적물 채집기보다는 다중주상 시료채집기가 심해저 퇴적물내 ATP의 미세수직구조의 연구를 위해서 더욱 효과적인 것으로 판명되었다. 결론적으로 ATP 농도가 퇴적물 깊이 6cm 이내에서 뚜렷한 수직분포양상을 보이는 것으로 미루어, ATP 분포양상이 향후 심해저 광업에 따른 미생물 생체량 변화를 평가하기 위한 유용한 환경기초자료로 사용될 수 있는 것으로 나타났다. Environmental baseline information is necessary in order to assess the potential environmental impact of future manganese-nodule mining on the deep-seabed ecosystem. Total ATP (T-ATP), dissolved ATP (D-ATP) and particulate ATP (P-ATP) were measured to estimate total microbial biomass and to elucidate their vertical distribution patterns in the seabed of KODOS (Korea Deep Ocean Study) area, northeast equatorial Pacific Ocean. Within the upper 6 cm depth of sediment, the concentrations of T-ATP, D-ATP and P-ATP ranged from 4.4 to 40.6, from 0.6 to 16.1, and from 3.0 to 29.2 ng/g dry sediment, respectively. Approximately 84% of T-ATP, 81% of D-ATP, and 74% of P-ATP were present within the topmost 2 cm depth of sediment, and the distributions of ATP were well correlated with water content in the sediment. These results indicate that the distribution of total microbial biomass was largely determined by the supply of organic matter from surface water column. Fine-scale vertical variations of ATP were detected within 1-cm thick veneer of the sediment samples collected by multiple corer, while no apparent vertical changes were observed in the box-cored samples. It is evident that the box-core samples were disturbed extensively during sampling, which suggests that the multiple corer is a more appropriate sampling gear for measuring fine-scale vertical distribution pattern of ATP within thin sediment veneer. Overall results suggest that the concentrations of ATP, given their clear changes in vertical distribution pattern within 6 cm depth of sediment, are a suitable environmental baseline parameter in evaluating the variations of benthic microbial biomass that are likely to be caused by deep-seabed mining operation.

하계 강화도 갯벌의 혐기성 유기물 분해능 및 황산염 환원력

현정호,목진숙,조혜연,조병철,최중기 한국습지학회 2004 한국습지학회지 Vol.6 No.1

갯벌이나 연안습지의 생태구조 및 생지화학적 물질 순환을 이해하기 위해서는 유기물 분해기능 평가 및 분해경로에 대한 연구가 필수적으로 진행되어야 함에도 불구하고 국내에는 이에 대한 연구가 거의 없다. 본 논문에서는 하계 강화도 남단의 갯벌에서 미생물에 의한 혐기성 유기물 분해정도를 파악하고, 황산염 환원을 통한 유기물 분해경로의 정량적 중요성을 평가하고자 하였다. 유기물 분해율은 깊이 6 cm 이내에서 41.9~89.4 mmol m-2 d-1의 범위로 나타났으며, 이를 강화도 갯벌의 전체 면적(약 300 km2)으로 환산할 경우, 하루에 216 ton의 유기물이 혐기적 과정을 통해 분해되는 것으로 계산되었다. 이러한 결과는 하구갯벌인 강화도 갯벌의 유기물 분해능이 생산력이 높은 염습지의 유기물 분해능에 비해 결코 뒤지지 않음을 보여주는 결과이다. 한편, 인위적으로 유기물(acetate)을 공급하였을 경우 유기물 분해율이 약 2배~5배의 증가율을 나타냈다. 이러한 결과는 미생물의 유기물 분해가 이용 가능한 유기물의 공급 부족에 의해 제한되고 있음을 의미한다. 한편 깊이 6 cm 이내에서 적분한 황산염 환원율은 20.7~45.1 mmol SO42- m-2 d-1의 범위로 나타났으며, 전체 혐기성 유기물 분해의 대부분을 차지하였다. 이러한 연구결과는 황산염 환원력의 과도한 증대가 향후 갯벌 주변 생태계의 생물 다양성 감소로 이어질 수 있음을 시사하는 것이다. Despite its significance in understanding ecological structure and biogeochemical element cycles, there have been few studies on the microbial mineralization of organic matter and mineralization pathway in the intertidal flat of Korea. We measured anaerobic mineralization of organic matter and sulfate reduction rate, and evaluated the significance of sulfate reduction in total anaerobic carbon respiration at the southern part of Ganghwa Island. Depth-integrated carbon mineralization rate down to 6 cm depth ranged from 41.9 to 89.4 mmol m-2 d-1, which accounted for approximately 216 tons of organic matter mineralization in entire intertidal flat area of Ganghwa(300 km2). The results indicated that capacity for the organic matter mineralization in the Ganghwa tidal flat is comparable to highly productive salt marsh environments. Mineralization rates in the sediment amended with acetate were 2~5 times higher than in unamended sediment. The results implied that microbial mineralization was limited by the availability of organic substrates, and the organic matter mineralization capacity seems to be higher than estimated at ambient organic substrate level. Depth-integrated sulfate reduction rates within 6 cm depth of the sediment ranged from 20.7 to 45.1 mmol SO4 2- m-2 d-1, and sulfate reduction was mostly responsible for organic matter remineralization. It should be noticed that the increase of H2S in the sulfate reduction dominated tidal flat may result in the decrease of biological diversity.

혐기성 해양환경에서 철 환원세균에 의한 유기물 분해 및 생물정화

현정호,Hyun Junc-Ho 한국해양학회 2005 바다 Vol.10 No.3

산소가 고갈된 혐기성 환경의 유기물 분해 및 물질순환에서 철 환원반응의 생태/환경적 중요성에 대해 고찰하였다. 다양한 해양환경에서 유기물 분해 시 철 환원이 차지하는 중요성은 미약한 수준에서 거의 $100\%$에 이르기까지 그 범위가 극단적으로 다양하게 나타났다. 일반적으로 철 환원은 Fe(III)의 농도가 높은 곳에서 황산염 환원보다 중요한 유기물 분해 경로로 나타나, 유기물 분해에서 철 환원의 중요성은 철 환원세균이 이용 가능한 Fe(III)의 공급정도에 의해 결정되는 것으로 인식되었다. 산소공급이 미약한 연안혐기성 퇴적토 내에서 Fe(III)의 공급은: (1)조석에 의한 퇴적물 내 공극수의 교환(tidal flushing): (2)저서동물에 의한 생물교란: (3)식생의 유무에 따른 퇴적물의 산화/환원 상태의 변화 등에 의해 주로 영향을 받는 것으로 나타났다 철 환원세균에 의한 유기물 분해 및 다양한 금속원소의 전환기능을 이용한 특정 유기오염원과 금속오염원의 생물정화는 우리나라와 같이 부영양화된 연안생태환경의 개선 및 독성 유t무기 오염원의 생물정화 등 연안역의 환경친화적 관리가 절실히 요구되는 환경에서 생태/환경공학 분야의 유용한 해결수단으로 간주된다. I reviewed an ecological and environmental significance of microbial carbon respiration coupled to dis-similatory reduction of fe(III) to Fe(II) which is one of the major processes controlling mineralization of organic matter and behavior of metals and nutrients in various anaerobic environments. Relative significance of Fe(III) reduction in the mineralization of organic matter in diverse marine environments appeared to be extremely variable, ranging from negligible up to $100\%$. Cenerally, Fe(III) reduction dominated anaerobic car-bon mineralization when concentrations of reactive Fe(III) were higher, indicating that availability of reactive Fe(III) was a major factor determining the relative significance of Fe(III) reduction in anaerobic carbon mineralization. In anaerobic coastal sediments where $O_2$ supply is limited, tidal flushing, bioturbation and vegetation were most likely responsible for regulating the availability of Fe(III) for Fe(III) reducing bacteria (FeRB). Capabilities of FeRB in mineralization of organic matter and conversion of metals implied that FeRB may function as a useful eco-technological tool for the bioremediation of anoxic coastal environments contaminated by toxic organic and metal pollutants.