백악기 중기, 세노마눔절-투로니아절에 발생한 해양 무산소 사건인 Oceanic Anoxic Event 2 (OAE2)는 다량의 유기물을 포함한 흑색셰일이 전세계적으로 퇴적된 단기간의 탄소 순환 교란 사건이다. 백악기 후기의 온실 지구의 환경 (높은 CO2 농도, 고해수면, 해양의 무산소 환경 확장)은 탄소, 황 및 여타 주요 원소의 생지화학 순환의 교란과 밀접하 게 상호 작용하였다. 1970년대 최초 명명 이후 동위원소를 포함한 화학적 지시자 연구가 활발하게 진행되었으며, 그 결 과 화산 활동과 해양 표층의 유기물 생산 증가가 무산소 환경 발달의 주된 원인으로 여겨진다. 본 논평에서는 OAE2 의 기작을 탄소 및 황, 미량 금속원소의 순환을 중심으로 살펴보고자 한다.

Although rivers cover only 0.5% of the total land area on the Earth, they are windows that show the integrated effects of watershed biogeochemistry. Studies on the loads and properties of riverine carbon have been conducted because they are directly linked with drinking water quality, and because regional or global net ecosystem production (NEP) can be overestimated, unless riverine carbon loads are subtracted. Globally, ~0.8-1.5 Pg yr-1 and ~0.62-2.1 Pg yr-1 of carbon are transported from terrestrial ecosystems to the ocean via rivers and from inland waters to the atmosphere, respectively. Concentrations, δ13C, and fluorescence spectra of riverine carbon have been investigated in South Korea to understand the spatiotemporal changes in the sources. Precipitation as well as land use/land cover can strongly influence the composition of riverine carbon, thus shifting the ratios among DIC, DOC, and POC, which could affect the concentrations, loads, and the degradability of adsorbed organic and inorganic toxic materials. A variety of analyses including 14C and high resolution mass spectroscopy need to be employed to precisely define the sources and to quantify the degradability of riverine carbon. Long-term data on concentrations of major ions including alkalinity and daily discharge have been used to show direct evidence of ecosystem changes in the US. The current database managed by the Korean government could be improved further by integrating the data collected by individual researchers, and by adding the major components ions including DIC, DOC, and POC into the database.

식생의 계절 및 연간변동성은 식물을 먹이자원으로 살아가는 섭식자의 개체군 동태와 상호작용하는 중요한 생태계 요소이다. 이 발표에서는 생태계생지화학모형, 위성영상정보, 지상관측영상정보 등을 활용해 수행한 산림식생의 계절성 및 연간변동성에 대한 연구결과를 소개한다. 구체적인 사례들로 (1) 2009년 남부지방에서 보고된 광범위한 소나무 고사현상에 대한 기상요인의 영향을 파악하기 위해 수행한 생태계 생지화학모델링의 식생동태 계절 및 연간변동성 결과, (2) 지상관측영상정보를 활용해 낙엽활엽수림 임관의 계절변화를 관측하고 이를 증산류 측정과 연계하여 해석한 연구결과, 그리고 마지막으로 (3) 위성영상정보를 활용해 우리나라 전역의 임관개엽일 추정모형의 개발과 적용사례를 소개한다. 생태계 생지화학모형은 대기-식생-토양간의 에너지/물/탄소/질소 흐름과정을 모사하는 과정에서 다양한 생태계 상태(state) 및 과정(flux) 변수를 생산한다. 이를 이용해 식물성장의 빛/물/질소이용효율과 같은 생태생리학적 지수를 산출하여 기상현상에 따른 식물생육의 영향을 분석하는 수단을 제공한다. 2009년에 남부지방에서 소나무 고사현상이 널리 발견되었으며, 모형분석 결과 이전 해 가을부터 당해 이른 봄철까지의 심각한 강수량 부족현상으로 인한 광합성 효율을 저하가 한가지 원인으로 파악되었다. 이러한 물 부족에 의한 생태생리학적 성장저해는 2008-2009년 겨울은 물론, 2000년 이후 수 차례 반복된 현상으로 특히 진주 인근의 경남지역에서 심각했던 것으로 분석되었다. 반면에 중부지역의 경우 2000년대 중반에 경기도 지역을 중심으로 낙엽활엽수림의 성장저해가 심각하였던 것으로 모사되었다. 모형의 모사결과와 당시 중부지방에 창궐하였던 참나무 마름병 간의 연관성은 아직 분석된 바가 없다. 매일 주야 4회 제공되는 MODIS 위성영상은 임관의 개엽과 발달, 성숙, 쇠퇴와 낙엽 등 식물계절현상을 관측하는 유용한 수단을 제공한다. 그러나 250m에서 1km에 달하는 거친 공간해상도는 다양한 수종의 혼합된 분광정보를 제공하고, 빈번한 운무에 의한 위성영상자료의 결손은 정교한 식물계절일 탐지의 어려움을 제공한다. 이러한 단점을 일부 극복한 전처리 과정을 거친 MODIS 영상을 이용해 혼효림 및 낙엽활엽수림 지역의 임관개엽일을 추정하는 기법을 개발하였고, 위성기반의 개엽일 자료와 기상자료를 결합하여 기온의 계절변화에 따른 임관개엽일 추정모형을 개발하였다. 임관개엽모형을 이용해 미래 기후변화에 따른 한반도 식생의 개엽일 변화를 예측하였다. 이 발표에서는 이들 연구과정과 결과들을 간략히 소개하여, 곤충개체군 연구와의 접목점을 논의할 것이다.

2010년 4월 가막만 전역의 19개 정점에서 표층퇴적물을 채취하여 퇴적물의 입도 분포, 유기물의 기원, 알칼리 원소(Li, Na, K, Rb) 및 알칼리 토금속(Be, Mg, Ca, Sr, Ba)원소의 분포특성을 파악하였다. 조사해역의 퇴적물 유형은 대부분 Mud로 나타났다. Chlorophyll a, TOC, TN, TS 및 LOI의 경우 만의 북부해역과 어류양식장이 산재되어 있는 남측해역에서 높은 농도분포를 보였으며, 만의 중앙부에서 낮은 농도를 보였다. 이들 성분과는 반대로 산화환원전위의 경우 만의 중앙부에서 대체로 (+)값으로 산화상태를 나타내었으며, 만의 북부해역과 남측해역에서 (-)상태로 환원환경 특성을 보였다. 유기물의 기원은 대부분 자생기원 유기물질 이였으나, 일부 정점에서 육상 및 박테리아성 유기물 기원 특성을 보였다. 알칼리 및 알카리 토금속 원소 중 Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Ca 및 Sr의 경우 대부분의 정점에서 석영희석 효과에 의해 일차적으로 농도 분포가 결정된다. Ba의 경우 본 조사해역에서 중정석(Barite)가 존재하는 것으로 생각되며, Sr 및 Ba의 경우 이차적으로 탄산염 희석과 산화환원전위에 의한 생지화학적 영향을 직간접적으로 받는 것으로 보인다.

석탄회는 독특한 화학조성과 광물학적 특징을 가지고 있다. 본 연구는 해안가에 위치한 영동화력발전소의 매립 호수에서 배출되는 석탄회와 주변 해수와의 반응에서 토착 미생물이 중금속 용출에 어떤 영향을 미치는지를 알아보았다. 매립 호수의 pH는 6.3-8.5로 나타났다. 본 연구를 위해 매립 호수의 세 지점을 선정하여 각 지점에서 석탄회(0.4 L)와 해수(1.6 L)가 혼합된 세 개의 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 각각 120˚C, 2.5기압 환경하에서 멸균 처리하고, 미생물의 활동을 촉진하기 위해 글루코스를 첨가하여 배양하였으며, 나머지 하나는 자연 상태로 60일 동안 보관하면서 박테리아의 활동에 따른 지화학적 변화과정을 살펴보았다. 다른 시료와 비교하여 글루코스를 첨가한 시료에서 15일 후에 알카리도가 크게 증가하였으며, Mg, Ca, K와 같은 양이온은 글루코스를 넣은 시료에서 초기에 증가하다가 15일 이후 감소하였다. SO42-는 글루코스를 첨가한 시료에서 크게 감소하였다. 이러한 지화학적 결과는 매립 호수에 서식하는 박테리아의 활동성과 관련이 있다. 이러한 결과는 석탄회 내에 서식하는 박테리아의 특성을 이해하기 위한 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

석탄회는 독특한 화학조성과 광물학적 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 석탄회의 철산화광물에는 중금속원소들이 다량 농집되어 있어서 침출이 일어나는 환경에서는 토양과 지하수 및 해양오염의 가능성이 높다. 본 연구에서는 해안가에 위치한 당진화력 발전소에서 배출하고 있는 석탄회와 주변 해수와의 반응과정에서 토착 미생물이 어떤 역할을 하는지를 알아보고자 하였다. 이를 위해 해수와 석탄회를 혼합하여 배양기에 60일 동안 보관하면서 물시료와 석탄회 시료를 분석함으로써 박테리아의 활동에 따른 광물의 상변화 및 해수의 지화학적 변화 정도를 살펴보았다. 매립호수에서 해수의 평균 pH는 8.97이다. 지화학적 변화 결과에 비추어 볼 때, 박테리아의 활동은 실험 시작 7일 이후부터 급격하게 활성화되었다. SO42-는 글루코스를 첨가한 시료에서 다른 처리방식에 비해 현저하게 감소하는 경향을 나타낸다. 매립호수에 서식하는 박테리아는 주로 Mn, Fe, Zn와 반응하여 매립호수로부터 금속이온을 제거시킬 수 있을 뿐 아니라 탄산염 광물을 형성하는 과정에서 이산화탄소를 고정시킬 수 있는 역할도 할 수 있을 것으로 기대된다.

산화/환원 반응에 매우 민감한 우라늄의 침철석 및 몬모릴로나이트에 대한 수착 특성을 알아보기 위해 산화우라늄(VI)과 환원우라늄(IV)를 준비하였다. 환원우라늄은 황산염환원박테리아에 의해 황산염이 환원되는 과정에서 같이 환원된 우라늄(IV)를 희석하여 사용하였다. 광물에 대한 우라늄의 수착량은 우라늄(IV)가 우라늄(VI)에 비해 상대적으로 낮았으며, 이러한 원인 중의 하나는 용액상의 우라늄(IV)가 미세한 콜로이드 형태로 존재하여 광물 표면에 대한 수착력이 약했기 때문이다. 투과전자현미경을 사용하여 우라늄(IV)가 나노 콜로이드의 특징을 가지고 있음을 확인하였고, 이러한 결과는 심부 자연계의 지하수를 따라 이동 가능한 우라늄종이 이온성 우라늄(VI)뿐만 아니라 콜로이드성 우라늄(IV)도 포함될 수 있음을 의미한다.

서해안 지역 갯벌의 퇴적학적인 연구는 많이 진행되어 왔으나 갯벌 퇴적물의 광물학적인 연구 및 지구 미생물학적 연구는 미비하다. 따라서 본 연구는 전라남도 무안군의 청계면과 해제면의 갯벌 퇴적물 내 광물의 특성 관찰 및 철 환원 박테리아의 존재에 따른 철산화물 상전이를 연구하는데 목적이 있다. 갯벌 퇴적물의 광물학적인 특성 관찰을 위해 입도분석으로 분리된 입자를 주사전자현미경(SEM-EDX), 투사전자현미경(TEM), X-선회절(XRD) 분석을 이용하여 구성광물을 관찰하였다. 생지화학적 연구는 갯벌 퇴적물 내 철 환원 박테리아의 존재를 확인한 후, 갯벌 내 서식하는 철 환원 박테리아를 이용하여 akaganeite, ferrihydrite, 침철석을 전자수용체로 그리고 젖산, 글루코스를 전자공여체로 사용하여 3가 철의 환원 실험을 실시하였다. 이들 박테리아에 의한 산화철의 상전이 과정에서 형성된 이차광물을 투사전자현미경과 X-선회절 분석을 사용하여 관찰하였다. 청계면과 해제면의 갯벌 퇴적물 모두 석영, 사장석, 미사장석, 흑운모, 카올린, 일라이트 등으로 구성되어 있었다. 또한 갯벌 퇴적물로부터 배양한 철 환원 박테리아는 글루코스 또는 락테이트를 전자공여체로 이용하여 적갈색이었던 akaganeite를 나노미터 크기의 검은색 자철석으로 그리고 적갈색의 ferrihydrite를 검은색의 비정질 광물로 상전이 시켰다. 또한 노란색의 침철석을 녹색으로 환원시켰으며 침철석의 일부를 나노미터 크기의 광물로 상전이 시켰음을 확인하였다. 본 연구 결과에 따르면 갯벌 퇴적물로부터 배양한 미생물들은 유기물을 전자공여체로 이용하며 3가철을 포함한 산화철을 환원시키고 자철석과 같은 2가 철을 포함한 광물을 형성함을 보여 주었다. 이들 박테리아의 활동은 갯벌 퇴적물 내에서 유기물과 금속이온의 순환에 영향을 미칠 뿐만 아니라 자철석을 형성하는 등 생광화작용에 영향을 미치는 것으로 사료된다.