Valskys, Vaidotas;Motiejunas, Mindaugas;Ignatavicius, Gytautas;Sinkevicius, Stanislovas
한국환경과학회지
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제25권1호
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pp.1-10
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2016
Bottom sediment pollution with heavy metals of the Sventoji River in Ukmerge, Lithuania using X-ray fluorescence spectrometry is analyzed in this article. During the research, qualitative and quantitative parameters of heavy metal concentrations and their distribution were investigated. This article presents obtained results of study, where bottom sediment samples were examined from both shores of the river of Sventoji. During this research, received data was treated using GIS software, which helped to interpolate the data of concentrations into the research polygon of the river. GIS software also helped to evaluate the urban runoff influence to the bottom sediment quality and exclude sources of pollution. The runoff dischargers which transport surface wastewater to the river were registered before sampling. At the mouth of streams, flowing into the river of Sventoji, additional samples were taken. After comprehensive river bottom sediment research there is a possibility to assess the extent of anthropogenic activity and its impact on the river ecosystem and human health.
하천퇴적물은 유역내 다양한 오염원으로부터 발생하는 중금속, 유기물 등 오염물질의 수용체일 뿐만 아니라 수질 오염 및 수생태 악영향을 유발할 수 있는 2차적 오염원이기에 중요한 관리대상이라고 할 수 있다. 오염된 하천퇴적물의 효과적인 관리를 위해서는 오염원에 대한 식별과 이와 연계된 관리대책의 수립이 우선되어야 한다. 본 연구는 하천퇴적물내 측정된 다양한 이화학적 오염항목 분포 특성에 기반하여 퇴적물의 주요 오염원을 식별하기 위한 방법으로서 기계학습모델의 적용성을 평가하였다. 기계학습 모델의 성능 평가를 위해 전국 4대강 수계내 주요 폐금속광산 및 산업단지 인근에서 수집된 총 356개의 하천퇴적물에 대한 중금속 10개 항목(Cd, Cu, Pb, Ni, As, Zn, Cr, Hg, Li, Al)과 토양항목 3개(모래, 실트, 점토 비율) 수질항목 5개(함수율, 강열감량, 총유기탄소, 총질소, 총인)를 포함한 총 18개 오염항목에 대한 분석자료를 활용하였다. 기계학습 분류 모델로서 선형판별분석(linear discriminant analysis, LDA)과 서포트벡터머신(support vector machine, SVM) 분류기를 사용하여 폐금속광산('광산')과 산업단지('산단') 인근에서의 하천퇴적물 시료의 분류 성능을 평가한 결과, 채취 지점 및 시기별 4가지 경우(비강우시 광산, 강우시 광산, 비강우시 산단, 및 강우시 산단)에 대한 퇴적물 시료의 분류 성능이 우수하였으며, 특히 비선형 모델인 SVM(88.1%)이 선형모델인 LDA(79.5%) 보다 퇴적물을 분류하는데 있어 보다 우수한 성능을 나타냈다. SVM 앙상블 기반 비배타적 다중라벨분류기 모델을 이용하여 각 시료채취 지점 상류 유역 1km 반경 내 지배적인 토지이용 및 오염원을 다중 타겟값으로 다중분류 예측을 수행한 결과, 폐금속광산과 산업단지의 분류는 비교적 높은 정확도로 수행하였으나, 도시와 농업지역 등 다른 비점오염원에 대한 분류정확도는 56~60%범위로 비교적 낮게 나타났다. 이는 다중라벨 분류모델의 복잡성에 비해 데이터셋의 크기가 상대적으로 작아서 발생한 과적합에 기인한 것으로 향후 보다 많은 측정자료가 확보될 경우 기계학습 모델을 적용한 오염원 분류의 정확도를 보다 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
인천연안 8개 지역 갯벌의 72개 지점의 표층퇴적물과 24개 지점의 주상퇴적물 시료를 2011년 봄 가을 2회에 걸쳐 채취하여, 다환방향족탄화수소(PAHs), 석유계총탄화수소(TPHs) 및 벤젠-톨루엔-에틸벤젠-자일렌(BTEX)의 시 공간적 농도분포 특성을 조사하였다. 또한 PAHs 화합물 구성비에 의한 오염발생기원을 평가하였다. 갯벌 전체의 PAHs 평균농도는 $95.62{\mu}g/kg$으로 조사되었고, 계절별 PAHs 농도분포는 가을철이 봄철보다 낮은 특징을 보였다. 주상퇴적물의 PAHs 농도가 표층퇴적물보다 높았으며, 주상퇴적물의 상부가 하부보다 높은 농도분포를 보였다. 전체 갯벌의 TPHs 평균농도는 46 mg/kg으로 조사되었고, TPHs 평균농도 분포 양상은 봄철보다 가을철이 현저하게 높고, 표층퇴적물이 주상퇴적물보다 높게 나타났다. 갯벌 퇴적물내 PAHs의 오염발생 기원을 평가한 결과, 장화리 갯벌의 표층퇴적물과 소래 및 옥련 갯벌의 주상퇴적물의 PAHs 배출원은 연소와 석유류기원으로 조사되었고, 나머지 모든 갯벌은 연소기원으로 나타났다.
부산 남항은 도심 속의 다기능 항만으로 공동어시장, 선박수리소, 연근해 및 원양어선 접안시설 등이 설치되어 산업 활동이 활발하다. 산업 활동으로 인해 발생한 유해화학물질이 해저퇴적물에 지속적으로 유입되어 축적되면 수생생태계와 인간에게 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 부산 남항에서 2013년 11월(1차), 2014년 11월(2차)에 8개 정점을 선정하여, 해저퇴적물 중 다환방향족탄화수소류(PAHs), 폴리염화비페닐(PCBs), 부틸계유기주석화합물(BTs)를 분석하여 부산 남항의 농도분포 특성 및 유입원을 밝혀내고자 하였다. 연구 지역에서 PAHs의 평균 농도는 1차, 2차 조사에서 각각 4174.0 ng/g-d.w., 1919.0 ng/g-d.w., PCBs의 평균 농도는 1차, 2차 조사에서 각각 166.3 ng/g-d.w., 21 ng/g-d.w.를 보였으며, BTs의 평균 농도는 1차, 2차 조사에서 각각 50.9 ng/g-d.w., 30.8 ng/g-d.w.를 나타내었다. 유기오염물질의 검출농도는 1차에 비해 2차에서 해저퇴적물 수거로 인해 낮아지는 경향을 보였으며, 본 조사에서 PAHs, PCBs, BTs 유입원은 각각 연소기원, 육상기원, 도시하수 또는 산업폐수에 의한 기원을 확인 할 수 있었다.
We evaluated contamination with organic matter and trace metals by analyzing grain size, ignition loss (IL), chemical oxygen demand (COD), acid volatile sulfide (AVS), and trace metals (Al, Fe, Cu, Pb, Zn, Cd, Ni, Cr, Mn, Hg, and As) in surface sediments at 28 stations around the Geum River estuary in July 2008. The surface sediments in the estuary were mainly composed of coarse sediment (sand and muddy sand), with mean grain size (Mz) ranging between $2-4{\O}$. The high concentrations of IL, COD, and trace metals were mainly found at stations in front of the Gusan outer port and industrial complex, and near the Seocheon coast with relatively fine sediments. In addition, the concentrations of IL and all trace metals, except Pb and As, showed good positive correlations with Mz, indicating that the concentrations of organic matter and trace metals were mainly dependent on sediment grain size. The concentrations of COD, AVS, and trace metals in most sediments did not exceed the sediment quality guideline (SQGs). Although the sediments in the study region are not polluted with organic matter and trace metals, there are many point sources of pollutants, such as Gusan port and industrial complex, Janghang refinery, and a thermoelectric power plant around the Geum River estuary. Thus, the management of coastal environments through periodic monitoring of organic matter and trace metals is required in the future.
To understand the geochemical characteristics of intertidal sediment in a semi-enclosed bay, we measured various geochemical parameters, including grain size, ignition loss (IL), chemical oxygen demand (COD), acid volatile sulfide (AVS), and trace metals (Al, Fe, Cu, Pb, Zn, Cd, Hg, and As), in intertidal sediment from three bays (Deukryang Bay, Yeoja Bay, and Gamak Bay) in the southern region of Jeollanam Province. The intertidal sediment in Deukryang Bay consisted of various sedimentary types, such as sand, gravelly muddy sand, mud, and silt, whereas the intertidal sediments in Yeoja and Gamak Bays were composed mainly of mud. The concentrations of IL, COD, AVS and trace metals in the intertidal sediments of the three study regions were relatively high near areas affected by input of stream waters and/or shellfish farming waste. The concentrations of organic matter and trace metals in Gamak Bay were much higher than those in Deukryang and Yeoja Bays, which appears to be due to the influence of anthropogenic pollutants, originating from the city and the industrial complex near Gamak Bay. The evaluation results of organic matter and metal pollution using the sediment quality guidelines showed that the intertidal sediments in the three study regions were not polluted in terms of organic matter and trace metals. In future, sustainable management for sources of organic matter and trace metal is necessary to conserve a healthy benthic ecosystem in intertidal sediments.
We investigated food webs of a $Salix$$subfragilis$-dominated wetland in the Janghang wetland in the Hangang estuary, which is very close to the Demilitarized Zone, along the west coast of Korea. Our study focused on understanding sesarmine crab ($Sesarma$$dehaani$)-related food webs in a $S.$$subfragilis$ forest. For our study, we used carbon and nitrogen stable isotopes and fatty acid biomarkers. We collected samples of plants, animals, and detrital sediment from four quadrats ($5{\times}5m^2$) set in the $S.$$subfragilis$ community. Samples were collected from September 2006 to June 2009, except during the winter hibernation period of $S.$$dehaani$. In the wet season, the sediment showed relatively high ${\delta}^{13}C$ and low ${\delta}^{15}N$ signatures compared with relatively low ${\delta}13C$ and high ${\delta}15N$ signatures in the dry season. Mature $S.$$dehaani$ appeared to feed on fresh leaves and other carbon sources, such as immature individuals or fish, in addition to detrital sediment, which appeared to be the main carbon source for immature crabs. Principal component analysis of fatty acid biomarkers of $S.$$dehaani$ showed a clear difference between immature individuals (10-30 mm) and mature ones (larger than 30 mm), indicating that the main food source for immature crabs was detrital sediment, whereas mature crabs foraged plants in addition to consuming detrital sediment. On the basis of our results from stable isotope and fatty acid analyses, mature $S.$$dehaani$ appeared to feed on detrital sediment and fresh leaves of $S.$$subfragilis$ in summer in addition to engaging in cannibalism of immature individuals.
Sediment bacterial communities are critical to the biogeochemical cycle in river ecosystems, but our understanding of the relationship between sediment bacterial communities and their specific input streams in rivers remains insufficient. In this study, we analyzed the sediment bacterial community structure in a local river receiving discharge of urban domestic sewage by applying Illumina MiSeq high-throughput sequencing. The results showed that the bacterial communities of sediments samples of different pollution types had similar dominant phyla, mainly Proteobacteria, Actinobacteria, Chloroflexi and Firmicutes, but their relative abundances were different. Moreover, there were great differences at the genus level. For example, the genus Bacillus showed statistically significant differences in the hotel site. The clustering of bacterial communities at various sites and the dominant families (i.e., Nocardioidaceae, and Sphingomonadaceae) observed in the residential quarter differed from other sites. This result suggested that environmentally induced species sorting greatly influenced the sediment bacterial community composition. The bacterial co-occurrence patterns showed that the river bacteria had a nonrandom modular structure. Microbial taxonomy from the same module had strong ecological links (such as the nitrogenium cycle and degradation of organic pollutants). Additionally, PICRUSt metabolic inference analysis showed the most important function of river bacterial communities under the influence of different types of domestic sewage was metabolism (e.g., genes related to xenobiotic degradation predominated in residential quarter samples). In general, our results emphasize that the adaptive changes and interactions in the bacterial community structure of river sediment represent responses to different exogenous pollution sources.
Lakes are one of major sources of methane gas due to anaerobic decomposition of organic matter in sediments. Since methane released from lakes is a greenhouse gas, it is necessary to investigate factors affecting methane production of lakes. This study conducted field and incubation experiments in Lake Asan in August and October to determine effects of thermal stratification and sediment organic matter characteristics on methane production. Field experiments measured temperature and dissolved oxygen to determine the formation of thermal stratification of lakes. Methane and organic matter characteristics were analyzed using gas chromatography, Total Organic Carbon (TOC) analyzers, and fluorescence spectroscopy. Incubation experiments under anaerobic conditions used sediment and water samples from the same site. Field results showed higher methane fluxes in August and increased Dissolved Organic Carbon (DOC) concentration closer to Asan Bay seawall. Elevated methane fluxes and DOC concentration resulted from intensified anaerobic decomposition formed by thermal stratification. Incubation results indicated that sediment organic matter characteristics influenced methane flux between sites. Statistical analysis revealed that thermal stratification could be a primary factor affecting methane production of lakes. Characteristics of sediment organic matter with respect to quantity and quality could be factors influencing methane production of lakes. Results of this study can serve as fundamental data for predicting methane emissions from lakes due to climate change and for mitigating lake's contributions to global warming.
In situ particle size spectra are obtained from two sequent cruises in order to evaluate the physical consequences of suspended particulate matters caused by episodic storm runoff from the Santa Ana River watershed, an urbanized coastal watershed. Suspended particles from various sources including surface runoff, near-bed resuspension, and phytoplankton are identified in empirical orthogonal function (EOF) analysis and an entropy-based parameterization (Shannon entropy). The first EOF mode is associated with high turbidity and fine particles as indicated by the elevated beam attenuation near the Santa Ana River and Newport Bay outlets, and the second EOF mode explains the suspended sediment dispersal and particle coarsening at the near-surface plume. Chlorophyll particles are also distinguished by negative magnitudes of the first EOF mode, which is supported by the relationship between fluorescence and beam attenuation. The integrated observation between the first EOF mode and the Shannon entropy index accentuates the characteristics of two different structures and/or sources of sediment particles; the near-surface plumes are originated from runoff water outflow, while the near-bottom particles are resuspended due to increased wave heights or mobilizing bottom turbidity currents. In a coastal pollution context, these methods may offer useful means of characterizing particle-associated pollutants for purposes of source tracking and environmental interpretation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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