비가 내릴 때마다 낙엽 찌꺼기, 작물의 잔해 및 기타 유기물질들에서 우려 나온 유출수가 빗물배수관과 미국 체사피크 만(Chesapeake Bay)으로 들어가는 하천으로 유입된다.

미국 버지니아 해양과학연구소의 연구팀이 발표한 새로운 연구 결과는 유역(watershed) 별 토지사용 현황과 이에서 배출되는 용존 유기물(dissolved organic matter)이 체사피크 만의 수질에 중요한 역할을 함을 밝혀내었다. 도심지역이나 농업 집중지역에서 배출되는 유기탄소는 하류로 이동하는 동안에도 보다 강한 지속력을 보이며, 그에 따라 연안 해역에서 산소가 부족한 데드존(dead zone)을 생성하는데 일조한다.

본 연구 결과는 과학저널 Journal of Geophysical Research를 통해 발표되었다. 본 연구에는 버지니아 해양과학연구소의 박사후 연구원이었던 Yuehan Lu, Elizabeth Canuel 교수, 오하이오 주립대학의 Jim Bauer 교수, 일본 홋카이도 대학의 Youhei Yamashita 교수, 윌리엄메리대학의 Randy Chambers 교수, 플로리다 국제대학의 Rudolf Jaffe 교수 등이 참여하였다.

데드존 내의 낮은 산소 농도는 체사피크 만을 포함한 전세계의 해안 생태계에서 문제로 대두되고 있다. 대부분의 관리가 데드존의 형성을 일으킨다고 알려져 있는 질소와 기타 영양물질들의 유입을 줄이는 데에 초점을 맞추고 있지만, 유역에서 배출되는 유기물질 또한 데드존의 원인이 된다. 본 연구의 목표 중 하나는 하천에서 기인한 유기물질을 분석하고 그것이 데드존의 형성에 미치는 잠재성을 파악하는 것이었다.

용존 유기물이 하천을 통해 하류로 이동하면서 박테리아 또는 햇빛이 그것을 생물이 이용하기 힘든 형태로 변화시킨다. 본 연구는 정화된 유역이나 삼림유역에서 기인한 유기물질의 박테리아 분해에는 큰 차이가 없음을 보였지만 인간활동에 의해 영향을 받은 유역의 유출수 내 유기탄소는 삼림유역에서 기인한 것 보다 햇빛에 의해 덜 분해되는 것을 보였다.

따라서 이러한 도시 유기물질(urban organics)들은 오랜 기간 동안 높은 수치로 존재하게 되며, 그로 인해 보다 많은 물질들이 하구로 유입되어 강어귀와 연안 바다와 같은 하류 지역에 저산소 조건이 만들어질 확률이 증가한다.

연구팀은 체사피크 만의 지류인 제임스강(James river)과 요크강(York river)으로 유입되는 7곳의 소규모 하천에서 채집된 샘플을 사용하여 연구를 수행하였다. 이 중 3곳의 하천은 87에서 100 퍼센트가 나무로 덮여 있는 삼림유역에서 기인하였으며 다른 4곳은 인간 활동에 의해 목장, 경지, 인도, 건물 등으로 전환된 유역에서 기인하였다.

연구팀은 보다 개발된 유역에서 기인한 유기탄소가 햇빛에 의해 잘 분해되지 않는 원인에 대해서는 확신하지는 못하지만, 아마도 이 유기탄소가 그늘이 적은 도심과 농경지 환경에서 이미 많은 양의 햇빛에 노출되었기 때문이 아닐까 하고 추측하고 있다.

도시 유기물질들은 상대적으로 광화학반응이 쉬운 물질들은 이미 도심 지역과 농경지에서의 노출에 의해 분해되었기 때문에 난분해성을 가지며, 햇빛에 잘 분해되지 않는 물질들만 남아 해안으로 흘러 들어가게 된다.

본 연구는 지난 수십 년 동안 북미와 유럽 지역의 표층수 내 용존 유기탄소 농도가 증가한 것에 대한 한 가지 가능한 메커니즘을 제시하였으며, 이는 전세계에 존재하는 연안지역의 수질을 관리하는 데에 도움이 될 것이다.

본 연구 결과는 하천으로 유입되는 용존 유기탄소의 양뿐만 아니라 그 배출원에 대한 연구가 필요함을 보였다. 개발된 수역과 개발되지 않은 수역에서 기인한 유기물질이 수중 환경에서 어떠한 양상을 보이는지를 이해하는 것은 보다 효과적인 수역 관리법을 개발하는 데에 도움을 줄 것이며, 이를 통해 산소가 부족한 데드존의 수, 범위, 지속 기간을 줄일 수 있게 될 것으로 기대된다.

 

 

Source of Organic Matter Affects Bay Water Quality

 

Each time it rains, runoff carries an earthy tea steeped from leaf litter, crop residue, soil, and other organic materials into the storm drains and streams that feed Chesapeake Bay.

 

A new study led by researchers at the Virginia Institute of Marine Science reveals that land use in the watersheds from which this "dissolved organic matter" originates has important implications for Bay water quality, with the organic carbon in runoff from urbanized or heavily farmed landscapes more likely to persist as it is carried downstream, thus contributing energy to fuel low-oxygen "dead zones" in coastal waters.
 

The study appears in this month's issue of the Journal of Geophysical Research, and was highlighted by the journal's publisher, the American Geophysical Union, as an "AGU Research Spotlight" in their print and online channels.
 

The study was authored by VIMS post-doctoral researcher Dr. Yuehan Lu (now at the University of Alabama), VIMS Professor Elizabeth Canuel, Professor Jim Bauer of Ohio State University, Associate Professor Youhei Yamashita of Hokkaido University in Japan, Professor Randy Chambers of the College of William & Mary, and Professor Rudolf Jaffe of Florida International University.
 

Low-oxygen dead zones are a growing problem in Chesapeake Bay and coastal ecosystems worldwide. While most management practices focus on reducing inputs of nitrogen and other nutrients known to fuel dead zones, Canuel says "organic matter from the watershed may also contribute. One goal of our study was to examine the quality of organic matter derived from streams and its potential to contribute to dead-zone formation."
 

Sunlight & bacteria
As streams and rivers carry dissolved organic matter downstream, bacteria or sunlight can modify it into compounds and forms that are more difficult for organisms to use. While the team's research showed no significant difference in bacterial degradation of organic matter from cleared or forested watersheds, Canuel says it did show that "organic carbon in runoff from watersheds affected by human activity is less susceptible to solar degradation than that from forested watersheds."
 

"Urban organics" thus remain at higher levels longer, says Canuel, "delivering more organic material to the river mouth and increasing the likelihood that low-oxygen conditions will develop in downstream locations such as estuaries and the coastal ocean."
 
The research team conducted their study using samples taken from seven small streams that flow into the James and York rivers, major tributaries of Chesapeake Bay. Three of these streams drain forested watersheds, with 87 to 100% tree cover, while the other four drain watersheds largely converted by human activity into pasture, cropland, or pavement and buildings.
 

The authors aren't yet sure why the organic carbon from the more developed watersheds is less vulnerable to breakdown by sunlight in rivers and streams, but suggest that it might be because it has already been exposed to appreciable sunlight in the less shady urban and agricultural environment.
 

Says Canuel, "Urban organics may persist downstream because their more photoreactive compounds have already been degraded due to greater light exposure in urban areas, farm fields, and pastures, leaving only the more photo-resistant, refractory compounds to wash into the coastal zone."
 

The team's findings provide one possible mechanism for an observed increase in the concentration of dissolved organic carbon in the surface waters of North America and Europe during the last few decades, and have implications for management of water quality in coastal zones worldwide.
 

"Our results show that future studies should assess not only the quantity of dissolved organic carbon entering our rivers and streams, but also its source," says Canuel. "Understanding how organic matter from developed and undeveloped watersheds behaves in the aquatic environment will contribute to the development of more effective watershed management practices and hopefully more successful efforts to reduce the number, extent, and duration of low-oxygen dead zones."