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학위논문
저자정보

한지연 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수
문희선
발행연도
2020
저작권
과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수7

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

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습지는 대표적인 지하수의존생태계 중 하나로 다양한 물리적, 화학적 및 생물학적 기작 통해 수체 내 질소와 같은 영양염류를 처리하거나 제거하는 등 오염물질을 정화할 수 있는 기능을 가진 생태계로써 그 가치가 높다. 그러나, 최근 기후변화로 증가된 홍수 및 가뭄을 포함한 계절 변동은 습지의 수문학적 변화를 야기할 수 있다. 이러한 수리학적 변화는 습지 퇴적토의 산화환원조건에 영향을 미칠 수 있으며, 더 나아가 습지 내 질소의 생지화학적거동에 영향을 줄 수 있다. 하지만, 아직까지 국내에는 습지의 수리적 특성 변화와 계절 특성 변화에 따른 질소의 생지화학거동 연구는 아직 미흡한 수준이다. 따라서 본 연구에서는 계절에 따른 습지 퇴적토의 질소 환원 특성을 비교하고자 하였다. 연구를 위해 전라북도 군산시에 위치한 백석제습지에서 PA와 PB 두 지점에서 계절별 (2019년 6월, 12월) 및 심도별 (0~50 cm 깊이) 습지 공극수와 퇴적토를 채취 하였다. 공극수의 이화학특성 (질소화합물, DOC, SO42-, S2-, Fe2+), 퇴적토의 이화학 특성 (수분함량, NH4-N, NO3-N, pH) 및 탈질 속도 (잠재적 탈질율)와 질소 환원 관련 유전자 (narG, nirS, nosZ, nrfA) 및 미생물 군집 특성 분석을 수행하여, 계절에 따른 습지 퇴적토의 질소 환원 특성을 비교 분석하였다. 연구 결과, 본 연구 지역의 공극수 DOC 농도는 식물 성장으로 인해 12월 보다 6월에 더 높은 농도로 나타났으며, 질소화합물은 NO3-N보다 NH4-N가 더 우세하게 나타났다. 퇴적토의 잠재적 탈질율은 6월과12월에 PA 지점은 각각 2.67?4.67, 3.13?15.13 ng N2O/g/hr 범위이고, PB 지점은 1.77?6.30, 3.60?6.30 ng N2O/g/hr 범위로 두 지점 모두 6월 보다12월에 더 높게 관찰되었으며, 이와 관련된 탈질 유전자 (narG, nirS, nosZ)도 12월에 더 높게 관찰되었다. 잠재적 탈질율은 수분함량과 양의 상관관계를 나타냈는데, 이는 6월 보다 12월에 침수되어 있던 환경이 상대적으로 높은 퇴적토의 수분함량을 야기하여 12월에 더 높은 잠재적 탈질율이 나타난 것으로 판단하였다. 한편, 탈질 관련 유전자 보다 DNRA (Dissimilatory nitrate reduction to ammonium)에 관여하는 유전자 (nrfA)가 더 높게 관찰되었는데, 이는 본 연구 지역에서는 탈질 보다 DNRA가 더 우세 할 수도 있음을 시사한다. 미생물 군집은 계절에 따 라 심도별로 서로 다른 군집이 나타났다. PCA 결과, 잠재적 탈질율에 영향을 미치는 주요 인자는 공극수의 경우 SO42-, 퇴적토의 경우 수분함량으로 나타났다. 미생물의 경우 Class 수준의 Verrucomicrobia와 Bacteroidia와 유전자의 경우 narG와 nosZ와 높은 상관성을 가지는 것으로 나타났다. 결과적으로 질소 환원과 관련된 생지화학적요인들은 계절에 따른 습지의 수리수문학적 특성에 영향을 크게 받는 것으로 나타났으며, 12월에 6월보다 상대적으로 높은 탈질 기작을 나타냈다. 본 연구에서는 질소 환원의 여러 기작 중 탈질을 중점으로 연구를 진행하였으나, 향후 연구에서는 복잡한 질소 환원을 생지화학적인 측면에서 이해하고 규명하기 위한 다른 질소 환원 기작 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것으로 보인다.

목차

1. 서 론 ·································································· 1
1.1. 연구 배경 ······················································ 1
1.2. 문헌 연구 ······················································ 3
1.2.1. 습지 내 질소 생지화학적 순환 특성 ·········· 3
1.2.1.1. 질산화 (Nitrification) ························· 5
1.2.1.2. 탈질화 (Denitrification) ······················ 6
1.2.1.3. DNRA (Dissimilatory nitrate reduction to ammonium) ················································· 8
1.2.2. 기후변화가 습지 내 질소 거동에 미치는 영향 인자 ···················································· 9
1.2.2.1. 식물 생장의 변화 ···························· 11
1.2.1.2. 퇴적토 내 환경 변화 ······················· 13
1.2.1.3. 미생물 군집 특성 변화 ···················· 15
1.2.3. 연구 동향 및 필요성 ······························· 16
1.3. 연구 목표 ······················································ 17
1.3.1. 연구 목적 ·············································· 17
1.3.2. 연구 범위 ·············································· 17
2. 연구 재료 및 방법 ················································ 18
2.1. 연구 지역 및 지점 ·········································· 18
2.2. 습지 지표수 및 지하수위 모니터링 ···················· 21
2.3. 습지 퇴적토 시추조사 ······································ 22
2.4. 습지 심도별 공극수 및 퇴적토 시료 채취 ··········· 24
2.5. 습지 공극수 및 퇴적토 물리화학적 분석 ············ 27
2.6. 실험실 규모의 습지 퇴적토 잠재적 탈질율 측정 ·· 29
2.7. 습지 퇴적토의 미생물 특성 분석 ······················· 34
2.6.1. DNA 추출 및 미생물 군집 분석 ················ 34
2.6.2. qPCR 분석 ············································· 35
2.8. 통계 분석 ······················································ 37
3. 결과 및 고찰 ························································ 38
3.1. 계절에 따른 심도별 이화학적 특성 ···················· 38
3.1.1. 심도별 공극수의 이화학적 특성 ················ 38
3.1.2. 심도별 퇴적토의 이화학적 특성 ················ 43
3.2. 계절에 따른 퇴적토 심도별 질산염 환원 특성 ····· 46
3.2.1. 습지 퇴적토의 잠재적 탈질율 ··················· 46
3.2.2. 습지 퇴적토의 질소 환원 관련 유전자 qPCR 60
3.2.3. 습지 퇴적토의 미생물 군집 분석 ··············· 63
3.3. 계절에 따른 공극수와 퇴적토 질소화합물 인자 사이의 상관성 ················································ 74
3.4. 계절에 따른 잠재적 탈질율과 환경 인자 사이의 상관성 ··························································· 77
3.4.1. 잠재적 탈질율과 환경 인자 변수 사이의 관계 ································································· 77
3.4.2. 잠재적 탈질율과 유전자 및 미생물 특성 사이의 관계 ······················································ 86
4. 결론 ···································································· 89
참고문헌 ······························································ 91

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