[논문] 하천변 습지생태계 토양의 미생물 체외효소 활성의 시공간적 동태

(Seasonal and spatial variations of soil extracellular enzyme activity in riparian wetlands)
서울대학교 김재근 교수님과 박혜경 조교선생님과 함께한 교육청 R&E의 산출물로써 류관형, 신지호, 전윤재, 정유민이 참여한 논문입니다.

초 록

이 연구는 우리나라의 하천변 습지생태계에서 범람에 따라 토양 미생물 체외효소 활성의 시공간적 동태를 이해하기 위한 것이다. 4개월에 걸쳐 방형구 내의 종 다양성과 밀도, 피도 등 정성적인 분석을 수행하고, pH와 전기전도도 등의 물리적 특성과 질소와 인 등의 화학적 특성을 분석한 후, 미생물이 유기물질을 분해하여 영양물질의 순환에 기여하는 바를 확인하기 위하여 미생물의 체외효소 중 탄소, 질소, 인의 순환에 관여하는 와 phosphatase의 활성도를 측정하여 실험을 진행하였다. 하천으로부터의 거리, 계절에 따른 토양 환경과 식생의 차이 및 체외효소의 활성도에 영향을 미칠 수 있는 다양한 요인을 분석함으로써 하천변의 기능을 극대화할 수 있을 것이다.

본 문

I. 서 론

하천변 습지생태계는 하천이나 강을 따라 존재하며 선적인 경관을 갖는 습지로, 육상생태계와 하천이 만나는 점이지대이다. 또한 식생의 천이와 유기물의 분해 및 영양소 순환이 활발하게 일어나는 물질순환의 중간 전이대와 생물학적 완충제로 야생생물의 다양한 서식처 제공 생물다양성 증진, 홍수 저감, 수질 정화 등의 기능을 한다. 우리나라는 몬순 기후의 영향으로 여름철인 6월에서 8월 사이에 강우가 집중되는 장마가 발생하면 하천변 습지생태계의 발달과 유지의 중요한 요인으로 작용하는 하천의 흐름과 범람이 일어나게 됨. 이러한 범람은 수문학적뿐만 아니라 토양의 이화학적 특징과 식생 구조의 변화, 미생물 군집에도 영향을 미치며 하천변 습지생태계는 범람의 영향으로 주기적인 교란과 천이를 반복하면서 되먹임 조절이 역동적으로 일어나는 곳 이므로 물질순환 또한 변할 것으로 예상되었다. 토양 미생물은 유기물의 분해 및 동화에 관여함으로써 물질순환에 기여하는 분해자로, 생태계 내에서 중요한 기능을 수행한다. 범람에 의해 토양 환경과 식생 구조가 변함에 따라 미생물 군집의 종 구성이 변하거나 토양 미생물의 자원 활당이 변하게 되면서 미생물 군집의 기능에도 변화가 있을 것으로 예상된다. 토양 미생물의 체외효소는 초기 분해과정의 촉매로 작용할여 고분자의 영양물질을 식물이나 미생물이 이용할 수 있는 저분자의 형태로 분해하여 토양 내 영양물질 순환에 기여하며 이 토양 미생물 체외효소 활성도는 미생물 군집의 기능에 대한 주요한 지시자로 관여한다. 이때까지 하천변생태계에서 범람에 따른 토양 미생물 체외효소의 활성에 관한 연구가 몇몇 수행되었으나, 각각의 연구 결과는 서로 다른 조건에 따라 상이한 결과가 나타났다. 이는 토양 미생물 체외효소 활성 변화에 영향을 미치는 다양한 요인인 계절, 온도, 수위, 수문학적 주기, pH, 가용 양분 등 을 복합적으로 고려하지 않았기 때문으로 보이며 일반적으로 알려진 식물의 존재가 미치는 미생물 활성 증가에 대한 것이 아닌 식물 종 구성 또는 다양성, 군집 구조 등 식물이 미치는 영향에 대한 연구는 미비한 실정으로 보인다. 따라서 본 연구는 우리나라 하천변 습지생태계에서 범람에 따른 토양 미생물 체외효소 활성의 시공간적 동태 이해를 목적으로 진행하고 시간적 변화, 범람에 따른 교란, 토양환경 및 식생을 종합적으로 고려하여 하천변생태계에서의 토양 미생물 체외효소 활성에 영향을 미치는 요인을 파악한다.

II. 연구 방법 및 과정

1. 연구 방법 및 재료

본 연구는 야외조사 및 토양의 이화학적 특성 분석, 미생물 체외 효소 활성 분석을 차례로 진행하였다.

1.1. 야외조사

조사장소는 경기도 여주시 금사면 전북리 남한강 하천변이고 범람 전인 6월 초에 한 번, 범람 후인 9월 초에 한 번 진행하였다. 하천으로부터 거리에 따라 하부, 중부, 상부로 나누고 이를 다시 하천과 평행하게 3 부류로 나누어 2x2m의 방형구를 설치했다. 각 방형구 사이의 거리는 5m 이고 여기에서 각 종의 평균 초고, 밀도, 피도 등을 조사하고 토양의 샘플을 채취하였다. 토양 샘플 채취는 토양의 0~10cm를 걷어내면 존재하는 표층토를 부삼이나 토양채취기를 사용하여 채취했다.

1.2. 토양 이화학적 특성 분석

토양을 격자크기 2mm의 체를 친 후 위치, 방형구 명 등을 기입하여 토양의 물리적 특성인 pH, 전기전도도, 수분함량, 유기물 함량과 화학적 특성인 질산태 질소(NO3-N), 암모늄태 질소(NH4-N), 인산태 인(PO4-P) 양이온(K+, Ca2+, Na+, Mg2+) 함량을 측정했다. 이는 물리화학적 특성 분석을 위한 실험방법이다.

1.3. 수분함량 분석

1. 건조하지 않은 토양을 이용한다.
2. 도가니 번호를 기록, 도가니 무게를 측정한다.(이때 영점조절을 하지 않는다)
3. 도가니에 토양 약 7~10g을 담고 105ºC 건조 전(도가니+토양) 무게를 측정한다.
4. 공기순환 건조기에 넣고 105ºC에서 24시간 이상 무게의 감량이 없을 때까지 건조한다.
5. Desiccator에서 실온까지 식힌다.
6. 도가니+생토 도가니 무게에서 105ºC 건조 후 도가니의 무게를 빼서 수분함량을 확인한다.

1.4. 유기물 함량 분석

1. 수분함량 측정 후 용광로에 넣고 550ºC, 4시간 작열한다.
2. 용광로가 식었을 때 도가니를 desiccator에 옮기고 실온까지 식힌다.
3. 105ºC 건조 후 도가니의 무게에서 550ºC 건조 후 도가니의 무게를 뺴서 유기물함량을 확인한다.

1.5. pH, EC 분석

1. 토양과 증류수를 250ml 삼각플라스크를 이용하여 1:5로 섞는다.
2. 30분, 180rpm으로 shaking한다.
3. 1분, 3000rpm으로 원심분리한다.
4. 거름종이인 Whatman #42 or 44를 이용해 filtering 한다.
5. buffer로 보정된 pH meter와 Conductivity meter를 사용해 측정한다

1.6. 질소(N): 질산 및 암모늄(NH4+)이온

1. 체로 친 토양 8g을 50ml conical tube에 넣는다.
2. 토양을 넣은 conical tube에 40ml의 침출액을 넣는다.
3. 180rpm으로 15분동안 shaking 한다.
4. 3000rpm으로 7분동안 원심분리한다.
5. 접어둔 Whatman No.42 거름종이로 상등액을 여과하여 새 falcon tube에 받는다.

1.7. 인: 인산(PO4-)이온

1. 체로 친 토양 5.7g을 50ml conical tube에 넣는다.
2. 토양을 넣은 conical tube에 침출액 40ml(1:7)을 가한다.
3. 180rpm으로 1분동안 shaking 한다.
4. 3000rpm으로 5분동안 원심분리 한다.
5. 접어둔 Whatman No.42 거름종이로 상등액을 여과하여 새 falcon tube에 받는다.

1.8. 양이온 함량 측정

1. 침출액(1N-NH4OAc) 만들기: Ammonium Acetate(CH3COONH4) 77.08g을 증류수에 용해하여 1L로 한다.
2. pH 7.00이 되도록 CH3COOH와 NH4OH로 정확하게 조절한다.
3. 체로 친 토양 4g을 50ml conical tube에 넣는다.
4. 토양을 넣은 conical tube에 40ml의 침출액을 넣는다.
5. 180rpm으로 30분 shaking한다.
6. 3000rpm으로 5분 원심분리 한다.
7. 접어둔 Whatman No.42 거름종이로 상등액을 여과하여 새 Falcon tube에 받는다.
8. 원자흡광광도계에 용액의 흡광도와 농도를 측정하고, 측정값을 벗어난 경우 10배 희석액을 사용하여 다시 측정한다.

1.9. 질산태 질소(NO:-N) 분석: Hydrazine method

1. 토양 추출액(N 침출액) 혹은 물 시료 10 ml씩을 15 ml conical tube에 넣는다. 토양 질소와 물 질소에 대한 표준 농도 용액을 제작한다 (0, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2. 0.5, 1.0 mg/L).
2. 질산태 질소 분석을 위한 모든 샘플을 37℃ 항온수조에 30분 이상 담가 온도를 일정하게 만든다.
3. 데운 시료에 Phenate buffer 0.4 ml, Reducing solution 0.2 ml을 넣고 vortex한다.
4. vortex한 시료를 다시 항온수조에 넣고, 30분 담가 온도를 일정하게 한다.
5. 항온수조에서 시료를 꺼내 찬물에 10분 이상 담가 샘플을 차갑게 한다.
6. 식은 시료에 Sulfanilamide와 NED를 1:1로 섞은 용액 0.4 ml을 각 tube에 넣고, vortex한다.
7. 30분 이상(2시간 이하) 색이 나타날 때까지 기다린다.
8. 0 mg/L NOs-N 용액으로 543nm에서 흡광도가 0이 되도록 spectrophotometer를 setting한다.
9. spectrophotometer로 각 시료의 흡광도를 측정한다.
10. 흡광도가 표준 농도 용액의 값 이상일 때에는 희석하여 재실험한다.

1.10. 암모늄태 질소(NH4-N) 분석: Indophenol method

1. 토양 추출액(N 침출액) 혹은 물 시료 10 ml씩을 15 ml vial 에 넣는다. 토양 질소와 물 질소에 대한 표준 농도 용액을 제작한다 (0, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0 mg/L).
2. 각 시료에 P-E 0.4 ml, Catalyst 0.4 ml, Oxidizing solution 1.0 ml를 넣고 vortex한다.
3. vial들을 뒤집어서 스티로폴 박스에 넣고, 365 nm ultraviolet light을 45분간 켜서 반응시킨다.
4. 0 mg/L NH3-N 용액으로 640nm에서 흡광도가 0이 되도록 spectrophotometer를 setting한다.
5. spectrophotometer로 각 시료의 흡광도를 측정한다.
6. 흡광도가 표준 농도 용액의 값 이상일 때에는 희석하여 재실험한다.

1.11. 인산태 인(PO4-P) 분석: AScorbic acid reduction method

1. 토양 추출액(P 침출액) 혹은 물 시료 10 ml씩을 15 ml conical tube 에 넣는다. 토양 질소와 물 질소에 대한 표준 농도 용액을 제작한다 (0, 0.02,0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0 mg/L).
2. 각 시료에 M-A solution 1.0 ml 과 AA 0.1 ml을 넣고 vortex 한다.
3. 항온수조에서 30분간 담가 샘플을 가열한 뒤 꺼낸다.
4. 0 mg/L POA-P 용액으로 675nm에서 흡광도가 0이 되도록 spectrophotometer를 setting한다.
5. spectrophotometer로 각 시료의 흡광도를 측정한다.
6. 흡광도가 표준 농도 용액의 값 이상일 때에는 희석하여 재실험한다.
1.12. β-glucosidase(BG) 활성도 분석
1.13. β-N-acetylglucosaminidase(NAG) 활성도 분석
1.14. Acid phosphatase(ACP) 활성도 분석

III. 연구 결과 및 고찰

1. 종 구성, 종 분포, 종 다양성 분석

1.1. 종 구성

범람 전과 범람 후의 종 구성은 다음과 같다.

Species	Frequency	Degree of Wetness	Pre-flooding (June)			Post-flooding (August)
			L	M	H	L	M	H
Zizania latifolia Turczaninow	OBW	Emer	O	O		O	O
Scirpus radicans Schkuhr	OBW	Emer	O	O		O	O
Phragmites communis Trinius	OBW	Emer	O	O	O	O	O	O
Persicaria thunbergii H.Gross	FACW	Hygro	O	O		O	O
Actinostemma lobatum Maxim.	FAC		O			O
Artemisia selengensis Turczaninow ex Besser	FACW	Hygro		O	O		O	O
Humulus scandens Merr.	OBU			O	O		O	O
Galium spurium var. echinospermon Hayek	OBU				O			O
Persicaria perfoliata H.Gross	OBU			O	O		O	O
Bidens frondosa Linne	FACW	Hygro	O			O
Phalaris arundinacea Linne	FACW	Hygro		O			O
Equisetum arvense Linne	FACU			O	O		O	O
Stellaria aquatica Scopoli	FAC				O			O
Calystegia hederacea Wallich	OBU				O			O
Miscanthus sacchariflorus Bentham	FACW	Hygro			O			O
Rumex crispus Linne	FAC			O	O		O	O
Salix gracilistyla Miquel	FACW	Hygro			O			O
Prunella vulgaris var. lilacina Nakai	OBU				O			O

Fig. 1. 연구한 riparian wetland의 종 목록

범람 전과 범람 후에 살고 있는 생물의 종류에는 변화가 없다.

1.2. 종 분포, 종 다양성

다음으로는 종의 구성과 그 수를 비교하여 분포와 다양성이 어떻게 변하였는지를 심슨 지수 (Simpson Index)를 이용해 구하였다.

Fig. 2. 6월(범람 전)의 종 다양도

Fig. 3. 8월(범람 후)의 종 다양도

위의 두 그래프는 각각 범람 전(pre-flooding)과 후(post-flooding)의 종다양성 지수(simpson index)를 나타낸 것이다. x축은 riparian wetland의 특성상 경사가 져있기에, 각각의 개체 사이를 수면으로부터 좌표상 위치변화와 고도를 거리로 나타낸 것이다. pre-flooding과 post-flooding 사이의 차이는 첫 번째로 범람 후 최대 종다양성을 나타내는 지점이 약 20m 정도 뒤로 이동하였다. 또한, 그래프에서 볼 수 있듯 26.4m 부근에서 측정한 종다양성 지수는 범람 후 절반가량 줄어들었으며, 100m 부근에서 측정한 종다양성 지수는 40% 정도 증가하였다. 범람 후에는 토양의 수분 함유량 및 정체전선으로 인한 기후 변화에 의해 종의 분포 및 다양성이 감소함을 확인할 수 있었다.

2. 토양의 이화학적 특징 분석

2.1. 수분, 유기물 함량

Fig. 4. 범람 전과 범람 후 토양 수분함량

Fig. 5. 범람 전과 범람 후 토양 유기물함량

Pre-flooding 때의 수분함량은 Low에서 High로 갈 수록 낮아지는 경향을 보였고 이러한 경향은 Post-flooding에서도 나타났다. Low에서 High로 갈 수록 강에서부터의 거리가 멀어지고 고도도 높아지기 때문인 것으로 생각되었다. 또한 Post-flooding의 수분함량이 대체적으로 Pre-flooding 보다 낮은 것을 볼 수 있었다. 유기물함량은 Pre-flooding과 Post-flooding 둘 다 Low에서 High로 갈 수록 낮아지는 경향을 보였다. 강과의 거리가 가까울 수록 더 많은 유기물이 존재한다는 것을 알 수 있었다. 또한 전반적으로 Post-flooding의 유기물함량이 Pre-flooding 보다 낮은 것을 볼 수 있었는데 이는 범람 전에 존재했던 유기물들이 범람 후 물에 쓸려갔기 때문에 나온 결과라고 예측되었다.

2.2 pH, EC

Fig. 6. 범람 전과 범람 후 pH

Fig. 7. 범람 전과 범람 후 토양 전기전도도

pH는 Pre-flooding 때 Low에서 High로 갈 수록 낮아지는 경향을 보였지만 Post-flooding 때는 이와는 반대로 High에서 Low로 갈 수록 낮아지는 경향을 보였다. EC는 Pre-flooding 때 고도가 높아질수록 커짐을 알 수 있었고, Post-flooding 때는 Middle-Low-High 순으로 전기전도도가 높아졌지만 전반적으로 비슷한 값을 갖고 있음을 알 수 있었다. Pre-flooding과 비교해보았을 때 Post-flooding의 EC값이 커졌는데 그 이유는 범람에 의해서 염, 이온물질, 총용존고형물(TDS, total dissolved solid)등이 쓸려내려왔기 때문으로 보았다.

2.3. NO₃-N, NH₄-N, PO₄-P 함량

Fig. 8. 범람 전과 범람 후 NO₃-N농도

Fig. 9. 범람 전과 범람 후 NH₄-N 농도

Fig. 10. 범람 전과 범람 후 PO₄-P 농도

NO₃-N농도는 대체적으로 모두 비슷한 값을 가졌지만 NH₄-N농도는 Pre-flooding 때 Low에서 High로 갈 수록 낮아지는 경향을 보였고 Post-flooding에서는 Low-High-Middle 순으로 낮아지는 것을 알 수 있었다. 하지만 Pre-flloding 때와 Post-flooding 때를 비교해보면 NO₃-N농도는 많이 낮아지고 NH₄-N농도가 많이 높아지는 것을 볼 수 있었는데 이는 유기물이 미생물의 활동으로 암모늄태질소가 질산태질소로 가수분해된 것으로 보아 범람 후 미생물들이 더욱 활발하게 활동했다는 것을 알 수 있었다. PO₄-P농도는 Pre-flooding은 Low에서 High로 갈 수록 낮아지고 Post-flooding은 Low-High-Middle 순으로 낮아졌는데, 뿐만아니라 Pre-flooding에 비해 Post-flooding때 PO₄-P농도가 전체적으로 증가함 또한 볼 수 있었다. 토양에 인산이 모자라면 질산태질소가 쌓이는데 현재 결과값으로 PO₄-P농도가 증가함에 따라 질산태질소가 쌓이지 않아 농도가 감소했음과도 연관지을 수 있었다.

2.4. 양이온 함량

양이온은 Na+, Ca2+, K+, Mg2+를 물에서의 거리(Low, Middle, High)와 범람 여부(Pre-flooding, Post-flooding)으로 나누어 측정했다. 양이온의 종류에 따라 범람 후 줄어드는 위치가 상이하였다. Na+는 전반적으로 줄어들었으나 Middle에서 크게 줄었고, Ca2+는 Low에서 조금 줄어들었지만 거의 변화가 없었으며, K+는 High에서 더 증가했고, Mg2+는 Low에서 절반으로 감소했다.

3. 토양의 이화학적 특징에 따른 효소 활성도 분석

3.1. 수분함량과 유기물함량과의 관계

범람 후에 유기물함량은 Low, Middle, High에서 모두 감소하였으며, 수분함량은 Low, Middle에서 유기물함량의 감소를 따라 감소하였다.

3.2. 수분함량과 토양 효소 활성

β-glucosidase는 Middle에서, β-N-acetylglucosaminidase는 Middle과 High에서, Acid phosphatase는 Low와 Middle에서 선행연구와 일치하는 결과를 보였다.

3.3. pH와 토양 효소 활성

토양 pH의 증가는 β-N-acetylglucosaminidase와 Acid phosphatase의 활성도를 증가시키는 경향을 보인 반면, β-glucosidase의 활성도는 감소시키는 경향을 보인다.

3.4. 전기전도도와 토양 효소 활성

범람 후에 전기전도도는 Low, Middle, High에서 모두 증가하였다. 전기전도도의 증가는 β-glucosidase와 Acid phosphatase의 활성도를 감소시키는 경향을 보인 반면, β-N-acetylglucosaminidase의 활성도는 증가시키는 경향을 보인다.

IV. 결론

Riparian wetland에서의 범람 전과 범람 이전의 종 분포와 종 다양성 분석을 통해 서식하는 종의 다양성과 개체의 수가 감소하는 것은 하천 토양 내의 미생물이 활동하는 데에 있어 부정적인 영향을 끼쳤으며, 이로 인해 미생물 체외 효소 활성화도가 감소하게 되었고, 이가 또 다른 토양의 특성에 영향을 주게 됨을 알 수 있었다. 토양 효소 활성은 고도에 따라 차이를 보이며, 범람에 따라 활성의 차이가 나타난다.

토양 효소 활성에 유의미하게 영향을 미치는 토양의 이화학적 특징은 효소의 종류에 따라 다르게 나타난다. 토양의 수분함량이 토양 효소 활성의 차이를 결정하는 주요한 요인으로 작용하는 경향을 보이며, 시기에 따라 토양 효소 활성에 영향을 미치는 요인에는 차이가 있다.

V. References

[1] 강호정, “하천습지 보전 및 관리에서 생지화학적 반응의 중요성”, 한국수자원학회지(물과미래), Vol.40 No.7 [2007], 5쪽
[2] Cunningham et al, “Riparian Buffers : Functions and Values”, University of arkansas division of agriculture, FSA 5026, 4page,
[3] Geng et al, “Effects of different inundation periods on soil enzyme activity in riparian zones in Lijiang”
[4] Ou et al, “Identification of the alteration of riparian wetland on soil properties, enzyme activities and microbial communities following extreme flooding”
[5] Mace et al, “Flood-Induced Changes in Soil Microbial Functions as Modified by Plant Diversity”
[6] 박순영 등, “하변토양의 미생물체외효소활성에 미치는 침입성 식물의 영향”