Biogeochemical characteristics and fluxes of wet depositional organic matter in urban versus rural regions

Abstract

유기물질은 대기 중 어디에나 존재하는 주요 화학성분으로, 기후변화에서부터 사람의 건강에 이르기까지 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 또한, 유기물질은 전 지구적 생지화학 순환과 영양염에 중요한 부분을 차지하는 것으로 인식되어 왔지만, 그에 대한 연구는 미미하다. 생지화학적 순환에서 대기 중 유기물질의 역할을 이해하기 위해, 한반도 내 두 연구지역(서울과 울진)을 선정하여 장기 관측(2009-2013)를 통해 강수 중 용존유기물질의 기원, 플럭스, 생지화학적 특성에 대하여 조사하였다. 서울에서 용존유기탄소(DOC)의 농도는 15 μM 에서 780 μM 의 범위를 보였고, 가중평균농도값은 94 μM였다. 일반적으로 인정되는 추적자를 사용한 결과, 화석연료의 연소가 주요한 기원으로 밝혀졌다. Air mass backward trajectory analyses를 이용하여, 강수 중 용존유기탄소는 한반도 내부 지역에서 대부분 발생하였고, 동중국과 북동중국으로부터의 장거리 수송도 상당히 영향을 주는 것으로 판단된다. 서울과 세계 다른 도심지역에서 강수 중 고정 유기탄소(relatively invariant organic carbon)와 황(sulfur)간의 질량 비율을 고려해보면, 전 지구적으로 화석연료를 통한 습성 침적(wet depositional) 용존유기탄소 의 양은 36±10 Tg C yr-1로 계산되었다. Air mass backward trajectory analyses으로 울진에서 채수한 강수시료 중 무기질소(NO3-와 NH4+)의 기원을 분석한 결과, 상당 부분이 아시아대륙으로부터 유입된 것으로 판단되고, 용존유기질소(DON)는 한반도 내에서 기원한 것으로 판단된다. 추적자로써의 주요 이온들과 조합하여 직교회전(varimax-rotated) 요인분석을 한 결과 한반도 내 농업활동이 용존유기질소의 주요 기원으로 나타났다. 또한, 울진 강수 시료에서 총 반응성(reactive) 질소 중 유기성분의 크기와 유기물 중 질소 대 탄소의 원소 비율 사이에 양의 상관관계를 보였다. 이 상관관계는 세계 다른 지역에서도 관측되는데, 대기 중 유기질소의 사용가능성은 총 질소 중 유기질소의 비율에 따라 증가함을 의미한다. 이 연구에서 측정된 습성 침적양과 이전 연구에서 측정된 동해 외딴섬에서 측정된 건성(dry deposition) 침적양을 이용하여, 대기를 통해 동해 남부로 유입되는 반응성 질소의 총 플럭스는 115 mmol N m-2 yr-1로 계산되었다. 이러한 결과는 대기를 통한 질소, 특히 유기물 성분의 공급에 의해서 북서 태평양의 일차생산(primary production)에 상당한 기여를 할 것으로 보인다. 서울(도심지역)에서 평균 용존유기탄소, 용존유기질소, 총 가수분해성(total hydrolyzable) 아미노산의 평균농도는 울진(연안 농촌지역)에 비해 낮은 값을 보였다. 두 지역에서 용존유기물질의 서로 다른 벌크조성(bulk composition)은 주로 기여하는 기원의 차이에 따른 것이다. 4가지 아미노산(aspartic acid, glutamic acid, serine, alanine)의 D-enantiomers은 강수시료에 모두 존재하였다. 울진보다 서울에서 보다 높은 D/L 아미노산 비율이 나타나는 것은 육상환경에 서식하는 박테리아의 영향과 보다 더 진행된 속성작용(advanced diagenetic stages)으로 나타난 것으로 판단된다. 강수 시료에서 D-alanine의 탄소와 질소로 정상화된 수득률(normalized yield)은, 용존유기물질의 대부분이 박테리아기원으로 알려져 있는 해양환경에서 보고된 값과 유사하게 나타났다. 이 결과는 박테리아와 박테리아의 잔류물(remnants)이 대기 유기물의 중요한 부분을 구성하고 있음을 나타내며, 대기 중 유기물의 질과 표층 생태계에 침적 된 이후 생물학적 이용 가능성(bioavailability)에 상당한 영향을 주는 것으로 판단된다. 이 연구는 생지화학적 관점에서 대기 중 유기물질에 대한 우리의 이해에 기여한다. 이는 대기 중 유기물의 화학적 분화(chemical speciation)와 생물학적 이용가능성과 같은 생지화학적 역할에 관한 종합적인 지식을 위한 포괄적인 추가 연구가 필요함을 강조한다.

Organic matter is a significant and ubiquitous chemical constituent in the atmosphere, which plays crucial roles in multiple aspects, ranging from climate change to human health. In addition, it has increasingly been recognized to constitute an important part of global biogeochemical cycles and nutrient budgets, the knowledge on which is, however, rather limited. In order to improve our understanding of the significant role of atmospheric organic matter in biogeochemical cycling, the sources, fluxes, and biogeochemical characteristics of dissolved organic matter in precipitation were investigated at two representative sites (Seoul and Uljin) of Korea based on a long-term survey (2009–2013). The concentrations of dissolved organic carbon (DOC) at Seoul varied from 15 μM to 780 μM, with a volume-weighted average of 94 μM. Using the commonly acknowledged tracers, the combustion of fossil-fuels was recognized to be the dominant source. With the aid of air mass backward trajectory analyses, I concluded that the primary fraction of DOC in the precipitation samples originated locally in Korea, albeit the frequent long-range transport from eastern and northeastern China might contribute substantially. In light of the relatively invariant organic carbon to sulfur mass ratios in precipitation over Seoul and other urban regions around the world, the global magnitude of wet depositional DOC originating from fossil-fuels was further calculated to be 36±10 Tg C yr-1. In precipitation collected at Uljin, air mass back trajectory analysis revealed that a significant fraction of the inorganic nitrogen (NO3- and NH4+) originated from mainland Asia, whereas the DON was primarily derived from Korea. Using varimax-rotated factor analysis in combination with major ions as tracers, agricultural activities in Korea were identified as the primary sources of DON. In addition, a positive correlation was found at Uljin between the size of organic fraction in total reactive nitrogen and nitrogen to carbon atomic ratio in organic matter. This correlation has also been observed at other locations worldwide, implying the utilization potential of atmospheric organic nitrogen might increase with its proportion in total nitrogen. Combining wet deposition measurements in this study with literature values for dry deposition observed at a remote island in the East/Japan Sea (EJS), the total atmospheric depositional flux of reactive nitrogen was estimated to be 115 mmol N m-2 yr-1 over the southern EJS. These results shed new light on the potentially significant contribution to primary productivity of the northwestern Pacific Ocean by atmospheric deposition of nitrogen, especially the organic fraction. The average concentrations of DOC, DON, and total hydrolyzable amino acids at Seoul (an inland urban area) were found to be lower than those at Uljin (a coastal rural area). The different bulk compositions of dissolved organic matter (DOM) at these two sites (reflected by qualitative indicators) were mainly attributed to differences in contributing sources. The D-enantiomers of four individual amino acids (aspartic acid, glutamic acid, serine, and alanine) were ubiquitously present in precipitation samples. The much higher D/L ratios observed at Seoul than at Uljin might result from more advanced diagenetic stages as well as higher contributions from bacteria inhabiting terrestrial environments. The C- and N-normalized yields of D-alanine in DOM in precipitation samples were found to be comparable to literature values reported for aquatic systems, where a significant portion of DOM was suggested to be of bacterial origin. These results suggest that bacteria and their remnants might constitute an important fraction of OM in the atmosphere, contributing significantly to the quality of atmospheric OM and its post-depositional bioavailability in the surface ecosystems. This study contributes to our understanding of OM in the atmosphere from the biogeochemical perspective. It further underscores the necessity of extensive future researches to obtain more comprehensive knowledge regarding the biogeochemical role of atmospheric organic matter, such as chemical speciation and bioavailability.