Analyses of microbial characteristics to assess the impacts of potential leakage from carbon capture and storage sites for climate change mitigation = 기후변화 완화를 위한 이산화탄소 저장지에서의 잠재적 누출 영향 평가를 위한 미생물 특성 분석

국문 초록 (Abstract)

범지구적으로 진행 중인 기후변화로 인해 전례 없는 폭염, 집중호우, 홍수, 가뭄, 대규모 산불 및 빈번하고 강해지는 폭풍 등과 같은 극한 기상 현상이 지속적으로 발생하고 있으며, 이러한 기후변화에 대응하기 위해 전 세계적으로 많은 국가들과 국제기구들이 여러 방면으로 노력을 기울이고 있다. 이산화탄소 포집 및 저장 (CCS) 기술은 현재 세계적인 산업 구조 상황에서 기후변화를 완화시키고 효과적으로 대응하기 위한 유망한 기술이다. 이러한 CCS 기술을 안전하고 성공적으로 적용하기 위해서는 저장된 이산화탄소의 잠재적 누출을 신속하게 감지하고, 주변 환경 및 생태계에 미치는 위험성에 대한 영향을 평가해야 한다. 토양 생태계는 탄소 순환 및 저장에 중요한 역할을 하며, 풍부한 미생물 군집다양성을 보인다. 이산화탄소 누출에 대한 토양 미생물 군집의 반응은 환경 스트레스 및 생태계 기능에의 잠재적 영향의 지표로 활용할 수 있다. 따라서 본 논문은 고농도의 이산화탄소가 토양 및 수중에 존재하는 미생물 군집 특성과 군집구조에 미치는 영향을 파악하여 CCS 영향평가에 생태학적 적용의 포괄적인 이해에 기여하고자 한다.
먼저 CCS 시설에서 발생할 수 있는 잠재적 이산화탄소 누출의 영향을 평가하기 위한 연구 방향을 설계하기 위해, 현장 및 온실에서의 인위적 이산화탄소 누출 실험과 이산화탄소 저장 실증지에서 식물 및 미생물의 여러 변수를 모니터링한 선행 연구 결과들을 종합적으로 분석하였다. 결과에 따르면, 고농도의 토양 이산화탄소 조건 하에서 (i) 식물 스트레스 반응이 짧은 시간 내에 명확하게 나타났으며; (ii) 대부분의 연구에서 쌍떡잎식물이 단자엽식물보다 더 민감했으며; (iii) 미생물의 반응은 식물의 반응보다 다양하고 일반화하기 어려운 것으로 나타났다. 현재까지 제한된 수의 현장 및 온실 실험 연구만 수행되었으므로, 고농도 토양 이산화탄소에 대한 식물 및 미생물의 반응을 더 잘 이해하고 이러한 반응의 구체적인 메커니즘을 밝히기 위해 더 많은 현장 및 온실 실험 연구가 필요한 것으로 판단되었다.
바람, 일조량, 습도, 강수 등의 외부 환경적인 요인이 통제된 온실 실험지에서 단기적 이산화탄소 누출의 영향을 조사하기 위해, 옥수수 (Zea mays)가 심어진 화분에 고농도의 이산화탄소를 주입하여 인위적 누출 실험을 실시하였다. 99.99 % 이산화탄소 가스를 분당 0.1 L의 유량으로 30일 동안 주입하였으며, 대조구에는 처리하지 않았다. 토양 미생물 군집의 기능과 구성 변화는 토양 효소 활성도 분석과 토양 세균 군집 분석을 실시하였다. 이산화탄소가 주입된 화분의 평균 토양 이산화탄소 농도는 31.6 %, 산소 농도는 15.6 % 였으며, 대조구는 주변 수준으로 확인되었다. 토양 NH4+ 및 NO3- 농도는 이산화탄소가 주입된 화분에서 대조구에 비해 유의하게 높았는데, 이는 식물 성장 억제로 인한 것으로 사료되었다. Proteobacteria의 상대 풍부도는 이산화탄소가 주입된 화분에서 대조구 보다 낮은 것으로 나타났으며 (28.8 % vs. 34.1 %), 이는 가용성 C 감소로 인한 것으로 사료되었다. 반면, Saccharibacteria_TM7의 풍부도는 이산화탄소가 주입된 화분에서 대조구 보다 유의하게 높게 나타났다 (6.0 % vs. 1.3 %). 또한, 생태계에서 질소고정에 관여하는 것으로 알려진 Bradyrhizobiaceae와 Phyllobacteriaceae의 상대 풍부도는 이산화탄소가 주입된 화분에서 유의하게 낮은 것으로 확인되었다. 이산화탄소 주입으로 인한 토양 특성 및 미생물의 변화는 주로 식물 성장 억제로 인한 것으로 사료되며, 지중 저장된 이산화탄소 누출이 토양 미생물 군집에 직접적인 영향을 줄 수 있는지 파악하기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단되었다.
이산화탄소 누출에 대한 환경영향평가를 위한 현장 실험지에서 인위적으로 이산화탄소를 주입하여 토양 물리화학적 특성을 비롯하여 식물, 토양 미생물 및 지중 이산화탄소 거동 특성 등을 파악하기 위한 누출 실험을 2016년과 2017년에 각각 실시하였다. 2016년에는 2.5 m 깊이에 설치된 수평관정을 통해 이산화탄소를 주입하였으며, 총 5개의 구간으로 나뉘어진 실험지에서 식물이 식재되어 있는 구간의 토양 미생물 활성도와 무기질소 이온, 미생물 생체량을 분석하여 누출 전과 후의 영향을 비교하였다. 해당 누출 실험에서는 식물과 미생물 활성도에 영향을 파악하는데 제한됨에 따라 2017년에는 0.5 m 깊이의 천부 누출 실험으로 설계를 변경하여 추가 누출 실험을 실시하였다. 이산화탄소가 주입되는 주입관 중심부에서는 고농도의 토양 내 이산화탄소로 인하여 식물 성장이 억제되었고, 가장자리는 중심부에 비해 건강도가 양호한 것으로 확인되었다. 하지만, 토양 미생물 활성도와 생체량은 이산화탄소가 주입되지 않은 대조구와 비교하였을 때, 이산화탄소 주입구와 뚜렷한 차이가 확인되지 않아 이산화탄소에 의한 직접적인 영향을 파악하는데 제한되었다.
마지막으로, 인위적 이산화탄소 누출 실험과는 달리, 이산화탄소가 풍부한 천연 용출수에서의 미생물 군집 구성과 수리화학적 특성은 이산화탄소가 지중의 깊은 저장소로 주입되는 CCS 시설에서 저장된 이산화탄소 누출을 모니터링하는 데 유용한 지표가 될 수 있는 중요한 요인이라고 할 수 있다. 장기적인 이산화탄소 누출이 지하수 생태계에 미치는 영향을 파악하기 위해, 국내의 동남부 지역에 위치한 천연 탄산수 용출지 두 곳 (HS, CS)을 자연 유사지로 선정하였다. 이산화탄소가 풍부한 천연 용출수의 미생물 군집은 이산화탄소 농도가 높은 결과로 낮은 pH를 포함한 환경적 압력에 적응해 왔다. 수리화학적 특성과 세균 및 고세균의 16S rRNA 시퀀싱 분석 결과, 두 용출지 사이에 뚜렷한 차이가 확인되었다. HS에서는 CS에 비해 pH, 중탄산 이온 (HCO3-)의 농도, 주요 양이온 (Ca2+, Mg2+) 및 특정 미량 원소 (Fe, Mn)의 농도가 더 높았으나, 이산화탄소 분압 (pCO2)에 대한 차이는 확인되지 않았다. 특히, HS에서는 철 산화균인 Gallionella의 상대풍부도가 유의하게 높았으며, 반면에 이산화 철 환원균으로 알려진 Albidiferax의 상대풍부도는 CS에서 더 높게 나타났다. 이는 두 용출지의 철 농도 차이를 반영한 결과로 판단되었다. 본 연구에서 미생물 군집 구성은 이산화탄소의 농도보다는 철의 농도에 의해 더 강하게 영향을 받는 것으로 확인되었다.
결론적으로, 본 논문은 CCS 모사 시설과 자연적으로 이산화탄소가 풍부한 천연 용출지에서의 물리화학적 및 수문화학적 특성, 식물 생리학 및 미생물 군집 대한 이해를 증진시키며, 나아가 식물의 근권 (rhizosphere)이나 지화학적인 요인들과 매우 밀접하게 연관되어 상호작용을 하는 미생물의 특성과 생태계에서 특정 기능을 담당하는 미생물 군집구조를 분석하는 것이 CCS 시설에서 이산화탄소 누출에 대한 영향평가에 유용한 모니터링 방법임을 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Global climate change have profound impacts on extreme weather phenomena, including unprecedented heatwaves both on terrestrial and marine environments, intensified rainfall, severe floods, drought, catastrophic wildfire, and frequent and intensified storms. Around the world, many nations and intergovernmental organizations have been making various efforts to respond to this climate change. Carbon capture and storage (CCS) is considered as a promising and effective strategies for mitigating climate change under the present global industrial circumstances. To make CCS technology safe and successful, potential leakage of stored CO2 should be detected as soon as possible, and its risks impact on surrounding environments and ecosystems need to be assessed. Soil ecosystems, rich in microbial diversity, play a crucial role in carbon cycling and sequestration. The response of soil microbial communities to CO2 leakage can serve as an indicator of environmental stress and potential impacts on ecosystem functions. Therefore, this dissertation focuses on elucidating the impacts of high CO2 conditions on microbial communities, thereby contributing to a comprehensive understanding of the ecological implications of CCS technologies.
Firstly, in order to suggest directions of future research for determining the impact of potential CO2 leakage from CCS sites on plants and microorganisms, plant and microbial parameters were monitored in artificial CO2 release experiments in the field and in greenhouses, and in CO2 storage sites. The review showed that under high levels of soil CO2, (i) plant stress response was visible within short period of time; (ii) dicots were more sensitive than monocots in most studies; and (iii) the responses of microorganisms were more various and difficult to generalize than those of plants. Only a limited number of experimental studies conducted in greenhouse and field have been conducted so far, and thus more those experimental studies are required to better understand the plant and microbial response to elevated soil CO2 levels and elucidate specific mechanisms underlying these responses. Determining the ecological impacts of geological CO2 storage and ensuring its environmental safety via such research will make CCS a more feasible technology.
To minimize the external environmental factors such as climatic conditions and seasonal variations, mentioned above, greenhouse CO2 leakage experiment was conducted to investigate the short-term impacts of geological CO2 leakage on soil ecosystem. High levels of CO2 were injected to pots planted with corn (Zea mays). 99.99 % CO2 gas was injected at a flow rate of 0.1 l min-1 for 30 days whereas no gas was injected to control pots. Changes in the function and composition of soil microbial communities were determined by soil enzyme assay and soil bacterial community analysis. Mean soil CO2 and O2 concentrations were 31.6 % and 15.6 %, respectively, in CO2-injected pots, while they were at ambient levels in control pots. Soil NH4+ and NO3- concentrations were significantly higher in CO2-injected pots than in control pots, likely due to inhibited plant growth. The relative abundance of Proteobacteria was lower in CO2-injected than in control pots (28.8 % vs. 34.1 %) likely due to decreased C availability. On the other hand, the abundance of Saccharibacteria_TM7 was significantly higher in CO2-injected than in control pots (6.0 % vs. 1.3 %). In addition, the relative abundance of Bradyrhizobiaceae and Phyllobacteriaceae, known for their ecological role in N-fixation, was significantly lower in the CO2-injected pots. The changes in soil characteristics and microorganisms to injected CO2 was likely due mainly to inhibited plant growth, and further studies are needed to determine if belowground CO2 leakage can directly affect soil microbial communities.
Then, to investigate the impacts of CO2 leakage on microbial characteristics and soil microbial functions were analyzed in a shallow CO2 release experiment at the field facility for environmental impact test (EIT) established in Eumsung, Korea. Shallow subsurface (2.5-m depth) CO2 release experiment, which took place in 2016, used the entirety of the unsaturated area, which was divided in five zones with 3 types of vegetation, Pinus densiflora, Quercus variabilis and Ipomoea batatas, at which CO2 was injected at a depth of 2.5 m and a rate of 6 L min-1 for the duration of one month. Near-surface (0.5-m depth) CO2 release experiment, which took place in 2017, used a shallower injection depth of 0.5 m, but a smaller rate of 3 L min-1 in a more concentrated control area vs. CO2 injection area set-up, populated with only Ipomoea batatas. Overall, this research result fell short of observing the direct effects increased levels of CO2 can have on soil microbial communities, however, stands in line with previous research that used similarly short injection period. The observed trends and changes in enzyme activity, microbial biomass and forms of inorganic nitrogen could be attributed to seasonal changes, climatic conditions, or plant-microbiome interaction, rather than the effects of elevated CO2.
Lastly, to determine how long-term CO2 leakage from CCS sites affects the groundwater ecosystems, the bacterial and archaeal community composition and hydrochemical features were analyzed of two different natural CO2-rich springs, Hansil (HS) and Chosukol (CS), located in south-eastern Korea which are natural analog sites for groundwater ecosystems affected by CO2 leakage from geological CO2 storage sites. Microbial communities in CO2-rich springs have adapted to environmental pressure including low pH resulting from high concentrations of CO2. Analyses of hydrochemical characteristics and 16S rRNA gene amplicon sequencing of bacteria and archaea revealed a marked distinction between the two springs. The pH, the concentrations of bicarbonate ion (HCO3–), major cations including Ca2+ and Mg2+, and specific trace elements including Fe and Mn were higher in HS as compared to CS while no distinction in pCO2 between the two springs was observed. Microbial community composition was distinct between the two springs at the genus level. Specifically, the relative abundance of Gallionella, an iron-oxidizer, was significantly higher in HS whereas that of Albidiferax known as dissimilatory iron-reducing bacteria was higher in CS than HS, reflecting the difference of iron concentration in the two springs. In this study, microbial community composition appeared to be more strongly affected by the concentration of iron than that of CO2.
Overall, this dissertation enhances the understanding of soil physicochemical and hydrochemical features, plant physiology and microbial communities in simulated CCS sites and natural CO2-rich springs as natural analogues, and suggest that monitoring the characteristics and microbial communities of rhizosphere zone, where plants and microbes closely interacted or interaction between microbial communities and physicochemical features, may be effective approach to assess impacts of potential CO2 leakage from CCS sites.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Literature review (Impacts of CO2 leakage on plants and microorganisms : A review of results from CO2 release experiments and storage sites) 9
• 1. Introduction 9
• 2. Plant monitoring at CO2 release experiments and storage sites 13
• 2.1. Shallow CO2 release field experiments 14
• 2.1.1 ASGARD experiment 14
• 2.1.2 ZERT experiment 21
• 2.1.3 Ginninderra experiment 29
• 2.2. Deep saline aquifer 30
• 2.3. Greenhouse CO2 release experiments 31
• 3. Microbial monitoring at CO2 release experiments and storage sites 35
• 3.1. Shallow CO2 release field experiment 35
• 3.2. Deep saline aquifer 41
• 4. Conclusions 42
• Chapter 3. Lab-scale CO2-release experiment (Soil microbial community responses in a CO2 release experiment) 44
• 1. Introduction 44
• 2. Materials and methods 47
• 2.1. Artificial CO2-leakage greenhouse experiment 47
• 2.2. Soil enzyme activity 50
• 2.3. Soil inorganic nitrogen 50
• 2.4. DNA extraction, PCR amplification and 16S rRNA gene sequencing 50
• 2.5. MiSeq pipeline method 52
• 3. Results 52
• 3.1. Soil physicochemical characteristics 52
• 3.2. Soil microbial activity 55
• 3.3. Soil bacterial diversity 57
• 3.4. Soil bacterial community composition 58
• 4. Discussion 66
• 5. Conclusions 69
• Chapter 4. Field-scale CO2-release experiment (Soil microbial characteristics in an artificial CO2 release field experiment in South Korea) 70
• 1. Introduction 70
• 2. Materials and methods 72
• 2.1. Site description and experimental design 72
• 2.2. Soil sampling and analyses 74
• 2.3. Statistical analysis 77
• 3. Results 78
• 3.1. Shallow-subsurface (2.5-m depth) CO2 release 78
• 3.2. Near-surface (0.5-m depth) CO2 release 84
• 4. Discussion 86
• 5. Conclusions 88
• Chapter 5. Natural CO2-springs as an analogue for CO2 leakage (Microbial diversity of two natural CO2-rich springs with contrasting hydrochemical features) 90
• 1. Introduction 90
• 2. Materials and methods 91
• 2.1. Water sampling and hydrochemical analyses 91
• 2.2. DNA extraction and amplification for MiSeq sequencing 94
• 2.3. Community sequence analysis 94
• 3. Results and discussion 95
• 3.1. Hydrochemical characteristics of CO2-rich springs 95
• 3.2. Microbial composition and diversity of CO2-rich springs 98
• 4. Conclusions 106
• Chapter 6. Conclusions 107
• References 111
• Appendix. Bacterial and fungal community composition across the soil depth profiles in a fallow field 134
• Abstract (in Korean) 154