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Spatial variations of microbial activity and physicochemical properties in intertidal sediment

Title
Spatial variations of microbial activity and physicochemical properties in intertidal sediment
Authors
정수현
Issue Date
2010
Department/Major
대학원 환경공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
박석순
Abstract
전세계적으로 연안 퇴적물은 간척 사업이나 방조제 건설 등과 같은 인위적 활동으로 인해, 그 환경이 변화하고 있다. 예를 들어, 염습지의 면적은 농지 개발 등을 위한 간척 사업으로 해마다 그 면적이 줄어들고 있으며, 한국의 경우 순천만처럼 법에 의해 보전되지 않는 곳의 면적은 공식적인 자료를 구하기 어려울 정도이다. 또한, 연안 퇴적물의 토양 성상은 댐 건설 등과 같은 활동에 따라 변화하고 있다. 연안 퇴적물은 오염 물질 분해나 물질 순환과 같은 다양한 생태 기능을 수행하는데, 이들은 대부분 연안 퇴적물에 서식하는 미생물의 활성에 의해 매개된다. 따라서 연안 퇴적물의 환경 변화는 미생물의 활성에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 식생의 분포와 퇴적물 성상에 따라 구분되는 다양한 물리적 구조를 지닌 연안 퇴적물의 미생물 활성에 대한 연구를, 연안 퇴적물의 물질 순환에 있어 그 속도를 결정하는 미생물 체외 효소 활성도를 분석하여 수행하였다. 또한, 식생이 없는 연안 퇴적물과 식생이 서식하는 연안 퇴적물의 미생물 활성의 공간적 변이에 대한 연구를 각각 수행하였다. 1. 식생의 유무와 토양 성상 차이에 따른 미생물 활성의 차이 시료는 강화도의 여차리와 동검도의 조간대 퇴적물에서 채취하였다. 여차리와 동검도 조간대 퇴적물은 토양 성상이 각각 혼합 사질과 니질인 것으로 알려져 있다. 또한, 여차리 퇴적물에서는 갈대 (Phragmites australis Trin.), 동검도 퇴적물에서는 칠면초 (Suaeda japonica)가 서식하고 있다. 따라서 총 네 지역에서 시료를 채취함으로써 식생의 유무와 퇴적물의 토양 성상이 미생물의 활성에 미치는 영향을 비교 분석할 수 있었다. 분석항목은 다음과 같다. 퇴적물의 기본적인 성상 (pH, 수분 함량, 유기물 함량)과 함께 β-glucosidase, aminopeptidase와 N-acetylglucosaminidase 활성도를 분석하였고, 미생물의 주요 탄소원과 질소원인 용존유기탄소, Chl-a와 무기 질소 및 유기 질소도 분석하였다. 또한, 탄소원의 질적 특성을 비교분석하기 위해 SUVA (Specific Ultra Violet Absorbance)와 phaeopigment 를 분석하였다.연안 퇴적물의 식생은 퇴적물의 유기물 함량과 pH 에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 분석된 체외 효소 활성도가 모두 식생이 있는 퇴적물에서 더 높은 것으로 나타났으며, 이로 인해 식생이 있는 연안 퇴적물에서 더 활발한 물질 순환이 일어날 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 미생물의 탄소원과 질소원은 식생의 유무에 따라 일관적인 차이를 보이지 않았다. 특히 질소원의 경우, 식생의 생리학적 특성에 따라 그 분포가 영향을 받는 것으로 분석되었고, 퇴적물의 토양 성상에 따라 영향을 받는 것으로 보였다. 2. 식생이 없는 연안 퇴적물 물리적 구조가 미생물 활성에 미치는 영향과 미생물 활성의 공간적 분포 식생이 없는 연안 퇴적물의 표면에 형성된 연흔 구조 (Ripple mark structure)는 미생물 활성의 공간적 분포에 영향을 주는 주요한 물리적 구조이다. 본 연구에서는 이러한 연흔 구조를 감안해 퇴적물 시료를 연안선에 평행 방향과 수직 방향으로 설정된 축을 따라 채취하여, 연흔 구조가 미생물 활성에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 또한, 이러한 연흔 구조를 감안한 미생물 활성의 공간적 분포 특성을 지구통계학 (Geostatistic) 기법을 이용해 분석하였다. 퇴적물의 기본적인 성상 (pH, 수분 함량, 유기물 함량)과 함께 β-glucosidase, N-acetylglucosaminidase, phosphatase와 arylsulfatase 활성도를 분석하였다. 그리고 박테리아 군집구조를 T-RFLP (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) 기법을 이용해 분석하였다. 또한 퇴적물의 음이온 (NO3-, SO42-, Cl-), 용존 유기 탄소도 분석하였다. 주요인분석 (Principal Component Analysis) 에 따르면 퇴적물의 연흔 구조가 미생물 활성에 영향을 미치는 것으로 보였다. 특히, β-glucosidase와 arylsulfatase 활성도가 영향을 받는 것으로 분석되었다. 그리고 대부분의 분석 항목이 1 m 이내에 공간적 의존성을 지니는 것으로 분석되었고, 대표값을 분석하기 위해 필요한 면적은 1 m2를 기준으로 했을 때 pH, 수분 함량, 유기물 함량, N-acetylglucosaminidase, phosphtase 활성도는 1 m2가 적당한 것으로 분석되었다. 그러나 음이온, 용존유기탄소, 박테리아 다양성 등은 1 m2보다 넓은 면적이 필요할 것으로 생각되었다. 3. 식생이 있는 연안 퇴적물의 근권과 비근권의 미생물 활성과 황산염환원균의 군집 구조의 차이 황산도 조간대 퇴적물에서 칠면초 (S. japonica)와 퇴적물을 함께 채취해 생장 챔버에서 이산화탄소 농도 조건을 각각 380 ppm과 760 ppm으로 설정해 배양하였다. 이는 근권과 비근권의 미생물 활성 차이를 일반적인 조건보다 더 크게 만들기 위함이었다. 퇴적물의 기본 성상과 β-glucosidase, aminopeptidase와 N-acetylglucosminidase 활성도를 근권과 비근권 토양에서 분석하였으며, 연안 퇴적물의 유기물 분해에서 중요한 역할을 담당하는 황산염 환원균의 군집 구조를T-RFLP (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) 기법을 이용해 분석하였다. 대부분의 항목이 근권과 비근권의 차이를 보이지 않았으며, 이러한 경향은 760 ppm의 이산화탄소 농도에서 배양된 퇴적물에서도 나타났다. 다만, 근권의 β-glucosidase 활성도는 이산화탄소가 증가했을 때 비근권 토양과 유의한 차이를 보였다 (p < 0.05). 그러나 황산염환원균은 근권과 비근권의 군집구조가 차이가 나는 것으로 분석되었다.;Coastal area in Korea have experienced dynamic change in physical structure, for example, decline of salt marsh, and change of the proportion of sandy and muddy area. In particular, the area of remained salt marsh is very small, such a study on the interaction between coastal areas with different physical structure has not been conducted. In this study, variations of extracellular enzyme activities and physicochemical properties in intertidal sediment with various physical structures were analyzed. In addition, variations of them within non-vegetated intertidal sediment and vegetated sediment were also studied. A. Extracellular enzyme activity and physicochemical property in intertidal sediment with four different physical structures Depth profile of extracellular enzyme activity in vegetated and non-vegetated intertidal sediment suggested physical mixing would be active in sediment, because the apparent decreasing pattern from surface to deeper sediment was not always observed in all sediment. The activities were higher in salt marsh than in intertidal flat, which was not affected by sediment substrate. This indicated more active nutrient cycling in vegetated intertidal sediment than in non-vegetated intertidal sediment. In addition, it suggested that vegetation could be more important factor than soil structure of sediment to affect capacity of organic matter decomposition in intertidal sediment. This was supported that the variation of dissolved inorganic nitrogen species in intertidal sediment. Vegetation seemed to be more important than soil structure of sediment to the difference in organic matter content and aminopeptidase activity between vegetated sediment and non-vegetated sediment. However, in the difference in DON between vegetated and non-vegetated sediment, soil structure seemed to be more important than vegetation. B. Spatial dependence of microbial and physicochemical properties and suggestion of sampling strategy in intertidal flat sediment In intertidal flat sediment, some physicochemical and microbial parameters were analyzed to affect each other and varied at similar spatial scales. Most variables except for N-acetylglucosaminidase activity and organic matter content seemed to have spatial dependence within 1 m. Comparison of three quadrates of small area (1 m2) suggested that the area of 1 m2 would be sufficient to characterize representative values of pH, water content, organic matter content, N-acetylglucosaminidase and phosphatase activities, while it was not for anions, DOC, bacterial diversity, β-glucosidase and arylsulfatase activities. However, this was affected by physical structures in intertidal flat sediment at microscale. Variables analyzed along the perpendicular and parallel transect to shoreline were grouped by the directionality of transect. C. Spatial variation of extracellular enzyme activities and community structure of sulfate reducing bacteria in rhizome and bulk soil of salt marsh Extracellular enzyme activities in rhizome and bulk soil of salt marsh were not significantly different, even when the effect of root was enhanced by elevated atmospheric CO2. However, the relative contribution of fungi and bacteria to organic matter decomposition seemed to be changed in rhizome soil. In addition, community structure of sulfate reducing bacteria in rhizome and bulk soil was also grouped and the extent increased by elevated CO2 concentration. These results are important and should be considered in studying ecological functions of intertidal sediment. In particular, when nitrogen cycle in intertidal sediment is studied, consideration of these will help understanding of it and its regulating factors and ecological functions where it plays a major role, for example denitrification.
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