마산-진해만에서 유색 용존 유기물과 라듐 동위원소를 이용한 용존 유기 영양염의 기원 추적

Abstract

In order to trace the sources of dissolved organic nutrients causing paralytic shellfish poisoning (PSP) in Masan-Jinhae Bay, stream waters and sea surface waters were collected in March 2019, April 2020, May, and September 2021. Salinity, nutrients, dissolved organic carbon (DOC), colored dissolved organic matter (CDOM), and Ra isotopes concentrations were measured. In March 2019, April 2020, and May 2021, the salinity was above 30. In September 2021, when the low salinity waters including streams were observed, the salinity ranged from 0 to 27.2. The concentrations of dissolved inorganic nitrogen (DIN) and dissolved inorganic phosphorus (DIP) ranged from 35 to 238 μM and 0.09 to 2.32 μM, respectively, in September 2021. DIN and DIP concentrations in the other periods were below 1 μM and 0.38 μM, respectively. The concentrations of dissolved organic nitrogen (DON), dissolved organic phosphorus (DOP), and DOC ranged from 9.9 to 15.6 μM, 0.20 to 0.78 μM, and 110 to 147 μM, respectively, in September 2021. In the middle of Masan Bay where salinity was over 30, excess DON, DOP, and DOC concentrations were observed in May 2021. The concentrations of terrestrial humic-like CDOM (CDOMC) and marine humic-like CDOM (CDOMM) ranged from 4.60 to 12.31 R.U. and 2.58 to 6.19 R.U., respectively, in September 2021. The conservative behaviors of CDOMC and CDOMM suggest that the streams were the major sources of humic-like CDOM in this bay. The protein-like CDOM (CDOMP), generally known as a component produced by primary production, showed concentrations ranging from 1.63 to 3.05 R.U. in September 2021. In the middle of Masan Bay where salinity was over 30, excess CDOMP concentration was observed in May 2021. DON concentrations showed no correlations with CDOMC and CDOMM. However, DON concentrations showed a positive correlation with CDOMP (R2=0.43). This result suggests that the major source of DON in Masan-Jinhae Bay is biological production. The residence time of Masan-Jinhae Bay, estimated using the Ra isotope ratio and the flushing time, was about 70 days. Based on the estimated residence time, the DIN and DIP were depleted at approximately 10 km from the stream sources within 15 days, while DON and DOP increased at about 20 km from the streams in 40 days. Therefore, the DON in Masan-Jinhae Bay seems that the DIN uptaken by phytoplankton, in the northern part of Masan Bay, was converted to DON and released into the water columns. In this process, it is considered that the long water residence time of this bay provided enough time for phytoplankton to produce sufficient DON to cause PSP.

마산-진해만에서 마비성 패류독소 원인종인 와편모조류 Alexandrium의 대번성을 유발하는 용존 유기 영양염의 기원을 추적하기 위해 2019년 3월, 2020년 4월, 2021년 5월과 9월에 하천수와 표층 해수 시료를 채취하여 염분, 영양염, 용존 유기 탄소(dissolved organic carbon; DOC), 유색 용존 유기물(colored dissolved organic matter; CDOM), 라듐 동위원소(Radium isotope; Ra)를 분석하였다. 염분은 2019년 3월, 2020년 4월, 2021년 5월 모두 30 이상으로 나타났으며, 하천을 포함한 저염분 구간 관측 시기인 2021년 9월에는 0-27.2으로 나타났다. 용존 무기 질소(dissolved inorganic nitrogen; DIN)와 용존 무기 인(dissolved inorganic phosphorus; DIP)의 농도는 2021년 9월 하천과 저염분 구간(염분<30) 조사 시기 35-238 μM, 0.09-2.32 μM로 나타났으며, 그 외 조사 시기(염분>30)는 약 1 μM, 0.38 μM 이하의 고갈된 농도를 보였다. 용존 유기 질소(dissolved organic nitrogen; DON), 용존 유기 인(dissolved organic phosphorus; DOP), 용존 유기 탄소의 농도는 2021년 9월 하천과 저염분 구간에서 각각 9.9-15.6 μM, 0.20-0.78 μM, 110-147 μM의 범위를 보였으며, 염분 30 이상 해역 조사 시 마산만 중앙 해역에서 과잉의 농도를 나타냈다. Terrestrial humic-like CDOM (CDOMC)와 marine humic-like CDOM (CDOMM)의 농도는 2021년 9월 하천과 저염분 구간에서 4.60-12.31 R.U., 2.58-6.19 R.U.로 나타났으며 염분에 따라 보존적인 거동을 보였기 때문에 마산만 최북단 하천이 기원인 것으로 판단된다. 일반적으로 생물의 일차 생산에 의해 생성되는 성분으로 알려진 protein-like CDOM (CDOMP)의 농도는 2021년 9월 하천 및 저염분 구간 조사 시 1.63-3.05 R.U.로 나타났으며, 염분 30이상 해역 조사 시 마산만 중앙 해역에서 과잉의 농도를 보였다. DON과 CDOM의 상관관계를 보았을 때, DON은 CDOMC, CDOMM과는 상관관계를 보이지 않았으나 CDOMP와 양의 상관관계(R2=0.43)을 보였기 때문에 생물 생산이 주요 기원으로 판단된다. Ra 동위원소 비 값과 flushing time을 이용하여 산정한 마산-진해만의 체류시간은 약 70일으로 나타났으며, 산정된 체류시간을 바탕으로 거리와 시간에 따른 영양염 변화를 보면 하천에서 유입된 DIN은 15일, 10 km 이내 99% 감소하여 고갈되었지만 DON은 40일, 20 km 부근에서 농도의 증가를 보였다. 따라서 마산-진해만의 DON은 하천을 통해 유입된 DIN이 마산만 최북단에서 식물플랑크톤에 의해 소비된 후 DON으로 생성된 결과로 보이며, 이 과정에서 마산-진해만의 긴 체류시간은 식물플랑크톤에게 패류독소 원인종 Alexandrium의 대번성을 유발하기에 충분한 양의 DON을 생성할 시간을 제공한 것으로 판단된다.