This paper reviewed effects of global climatic changes on wetland biogeochemistry, Wetlands play key roles in global as well as local material cycle, which includes carbon sequestration, $CH_4$ emission and DOC leaching, Increased air temperature, elevated $CO_2$ levels and changed precipitation patterns are believed to affect those processes substantially by modifying oxygen supply, carbon sources, and decomposition rates. For example, elevated $CO_2$ may increase $CH_4$ emission as well as DOC leaching from wetlands. In addition, interactions of multiple effects warrant further investigation.
Wetland plants have evolved specialized adaptations to survive in the low-oxygen conditions associated with prolonged flooding. The development of internal gas space by means of aerenchyma is crucial for wetland plants to transport $O_2$ from the atmosphere into the roots and rhizome. The formation of tissue with high porosity depends on the species and environmental condition, which can control the depth of root penetration and the duration of root tolerance in the flooded sediments. The oxygen in the internal gas space of plants can be delivered from the atmosphere to the root and rhizome by both passive molecular diffusion and convective throughflow. The release of $O_2$ from the roots supplies oxygen demand for root respiration, microbial respiration, and chemical oxidation processes and stimulates aerobic decomposition of organic matter. Another essential mechanism of wetland plants is downward water movement across the root zone induced by water uptake. Natural and constructed wetlands sediments have low hydraulic conductivity due to the relatively fine particle sizes in the litter layer and, therefore, negligible water movement. Under such condition, the water uptake by wetland plants creates a water potential difference in the rhizosphere which acts as a driving force to draw water and dissolved solutes into the sediments. A large number of anatomical, morphological and physiological studies have been conducted to investigate the specialized adaptations of wetland plants that enable them to tolerate water saturated environment and to support their biochemical activities. Despite this, there is little knowledge regarding how the combined effects of wetland plants influence the biogeochemistry of wetland sediments. A further investigation of how the Presence of plants and their growth cycle affects the biogeochemistry of sediments will be of particular importance to understand the role of wetland in the ecological environment.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2021.06a
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pp.283-283
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2021
혼합대는 지표수와 지하수의 수리적 교환이 일어나는 경계부로써 1) 수문학적 관점에서는 하도와 하상간의 물교환이 이루어지는 공간으로 다양한 물리적·화학적 작용이 발생, 2) 생지화학적인 관점에서는 하상 간극수 흐름에 의한 전이대(ecotone)를 형성하여 용존산소·영양물질·용존유기탄소의 이동뿐만이 아니라 지하수로부터 열에너지·무기염류의 공급을 유도하면서 높은 생지화학적 활동과 변환을 야기하는 산화·환원 반응구역, 3) 생태적인 관점에서는 저서생물과 지하 유기체종을 특징으로 하는 서식지이나 잠재적인 레퓨지움(refugium) 등의 관점에서 해석될 수 있다. 국내 하천환경의 생태학적 지속가능성을 위한 지표수-지하수 혼합대 관리에 대한 중요성이 점차 증대되고 있지만 우리나라는 여전히 지하수의 이용 및 보전과 지하수의 안정적인 수량·수질 확보를 목표로 관리를 추진하고 있다. 따라서, 실질적인 지표수-지하수 혼합대에서 발생하는 다양한 현상의 이해나 관리방안에 관한 연구는 아직 미비한 상황이다. 지표수-지하수 혼합대에 관한 보고서, 논문 등을 종합하여 혼합대의 영향인자를 살펴보면 1) 수리수문 특성에는 수리전도도·하천 수위·하천 유속·하천수 수온, 2) 수질 특성에는 유기오염물질·영양염류, 3) 수생태 특성에는 대형무척추동물 등으로 분류할 수 있다. 지금까지 단일 연구분야의 접근방법으로 다양한 현장측정기법 및 모델링을 통한 혼합대 연구가 수행되고 있지만, 혼합대가 가지는 환경적 중요성에 대한 이해와 인식이 부족하고, 혼합대 내부에서 발생하는 복합적인 프로세스로 인해 전문가들조차 연구에 어려움을 가질 것이다. 지표수-지하수 혼합대의 효율적인 관리를 위해서는 수리수문·수질·수생태 등 다양한 시각에서 접근하여 학제간 융합연구를 통해 기초 데이터를 상호교환하고, 기존의 혼합대 조사에 부족한 부분을 해결할 필요가 있다. 향후 하천 기저유출 및 혼합대 기초자료 구축, 혼합대 흐름 정량화, 하천복원사업에 의한 혼합대 영향 규명 등의 연구를 수행함으로써 혼합대를 체계적으로 관리할 수 있는 기술 방안을 제시할 필요가 있다.
Wetlands are a well known ecosystem which have high spatial-temporal heterogeneity of chemical characteristics. This high heterogeneity induces diverse biogeochemical processes, such as aerobic decomposition, denitrification, and plant productivity in wetlands. Understanding the dynamics of dissolved organic carbon (DOC) and inorganic nitrogen in wetlands is important because DOC and inorganic nitrogen are main factors controlling biological processes in wetlands. In this study, we assessed spatial distribution of DOC and inorganic nitrogen with relation to the different hydrology and vegetation in created wetlands. Both DOC and nitrate contents were significantly higher in vegetated areas than open areas. Different water levels also affected DOC contents and their quality. Average DOC contents were $0.37mg{\cdot}g^{-1}$ in deep riparian (DR) and $0.31mg{\cdot}g^{-1}$ in shallow riparian (SR). These results appeared to be related to the interaction between carbon supply by vegetation and microbial decomposition. On the other hand, inorganic nitrogen contents were not affected by water level differences. This result indicates that presence/absence of vegetation could be a more important factor than hydrology in the spatial dynamics of inorganic nitrogen. In conclusion, we observed that vegetation and hydrology differences induced spatial distribution of carbon and nitrogen which are directly related to biogeochemical processes in wetlands.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.30
no.9
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pp.918-924
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2008
This research investigates the influences of the presence of aquatic macrophytes on the changes of biogeochemistry in the sediments through the comparative analysis of porewater and sediments. From the in situ measurements, elevated SO$_4{^{2-}}$ concentrations were observed in the rhizosphere during the growing season, which was resulted from the oxidation of reduced sulfide in the sediments by the oxygen release from the plant roots. There was sufficient AVS in the sediments to induce observed SO$_4{^{2-}}$ concentrations. The amount of oxygen in the oxidation of AVS to produce observed SO$_4{^{2-}}$ concentrations is 0.85 g/m$^2$ day which is relevant to the results of other researches. The AVS concentrations in the vegetated sediments increased with the depth whereas there is higher mass of AVS in the surface of the non-vegetated sediments. This shows that evapotranspiration induces the transportation of SO$_4{^{2-}}$ in the surface water into the anaerobic sediments. In addition, the elevated organic content caused by the presence of plants increased $\beta$-glucosidase activities which play an important role in the carbon cycle of the sediments.
The Sea:JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF OCEANOGRAPHY
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v.17
no.2
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pp.120-129
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2012
We investigated seasonal variation of sediment-water oxygen and inorganic nitrogen fluxes, and denitrification at tidal flat sediments located in the Nakdong River Estuary from July 2005 to September 2006. Net oxygen fluxes, measured with sediment incubations at in situ temperature, varied from -37.0 to $0.5mmol\;O_2\;m^{-2}\;d^{-1}$. Oxygen fluxes into the sediments from the overlying water increased due to the increased water temperature. Denitrification rate ($4{\sim}2732{\mu}mol\;N\;m^{-2}\;d^{-1}$) in this study was higher compared to the other Korean coast measured with the same method. Denitrification showed the same seasonal variation as oxygen fluxes. Denitrification rate based on $^{15}N$-nitrate showed a strong correlation with nitrate flux into the sediments from the overlying water. Denitrification via "water column supplied nitrate ($D_w$)", calculated from Isotope pairing technique, also correlated well with nitrate flux into the sediments. Nitrate from water column seems to account for seasonal variation of denitrification in Nakdong River Estuary. To understand general patterns and trends of biogeochemical processes of sediments in the Nakdong River Estuary, we categorized biogeochemical fluxes measured in this study according to direction and sizes of fluxes. Type 1(high oxygen and inorganic nitrogen fluxes into the sediments and high denitrification) occurred in summer, whereas Type 2(low oxygen and inorganic nitrogen fluxes into the sediments and low denitrification) occurred in rest of the season. Intertidal flat sediments seem to react sensitively to influence of freshwater from the Nakdong River.
An experimental removal of dissolved uranium (U) exsiting as uranyl ion (${UO_2}^{2+}$) was carried out using Shewanella p., iron-reducing bacterium. By the microbial reductive reaction, initial U concentration ($50{\mu}M$) was constantly decreased, and most U were removed from solution after 2 weeks. Major mechanism that U was removed from the solution was adsorption, precipitation and mineralization on the microbe surface. Under the transmission electron microscopy, the U adsorbed on the microbe was observed as being crystallized and eventually enlarged to several ${\mu}m$ sizes of minerals by combining with individual microbes and organic exudates. It seems that such U growth and mineralization on the microbial surface could affect the U behavior in a radioactive waste disposal site. Thus, the biogechemical reaction of metal-reducing bacteria observed in this experiment could give an affirmative measure that the microbial activity may retard U movement in subsurface environment.
Wetlands can remove organic contaminants, metals and radionuclides from wastewater through various biogeochemical mechanisms. In this study, a mathematical model was developed for simulating the fate and transport of chemical species in marsh wetland sediments. The proposed model is a one-dimensional vertical saturated model which is incorporated advection, hydrodynamic dispersion, biodegradation, oxidative/reductive chemical reactions and the effects from external environments such as the growth of plants and the fluctuation of water level due to periodic tides. The tidal effects causes periodic changes of porewater flow in the sediments and the evapotranspiration and oxygen supply by plant roots affect the porewater flow and redox condition on in the rhizosphere along with seasonal variation. A series of numerical experiments under hypothetical conditions were performed for simulating the temporal and spatial distribution of chemical species of interests using the proposed model. The fate and transport of a trace metal pollutant, chromium, in marsh sediments were also simulated. Results of numerical simulations show that plant roots and tides significantly affect the chemical profiles of different electron acceptors, their reduced species and trace metals in marsh sediments.
It is known that coal-derived fly ashes have the unique chemical composition and mineralogical characteristics. Since iron oxides in coal fly ash are enriched with heavy metals, the subsurface media including soils, underground water, and sea water are highly likely contaminated with heavy metals when the heavy metals are leached from fly ashes by water-fly ash interactions. The purpose of this study was to investigate how indigenous bacteria affect heavy metal leaching and mineralogy in fly ash slurry during the fly ash-seawater interactions in the ash pond located in Dangjin seashore, Korea. The average pH of ash pond seawater was 8.97 in nature. Geochemical data showed that microbial activity sharply increased after the 7th day of the 60-day course batch experiments. Compared with other samples including autoclaved and natural samples, ${SO_4}^{2-}$ was likely to decrease considerably in the fly ash slurry samples when glucose was added to stimulate the microbial activity. Geochemical data including Eh/pH, alkalinity, and major and trace elements showed that the bacteria not only immobilize metals from the ash pond by facilitating the chemical reaction with Mn, Fe, and Zn but may also be able to play an important role in sequestration of carbon dioxide by carbonate mineral precipitation.
In this study, two types of wetland plants, Eichhornia crassipes (a floating plant) and Ceratophyllum demersum (a submerged plant) were introduced to wetland mesocosms to understand how the water properties of wetlands such as pH, dissolved oxygen content, water temperature, oxidation reduction potential, and nutrient concentrations are affected by different types of wetland plant. The floating plant lives on the water surface and can block light penetration; it exhibited the lowest water temperature and temperature difference between lower and upper layers. After the addition of contaminants, the dissolved oxygen (DO) concentration decreased abruptly but recovered continuously in all mesocosms; especially the submerged plants, which photosynthesize in water, showed the largest increases in DO and diel periodicity DO, as well as in pH value. The oxidation-reduction potential in both water and sediment were affected by the presence of wetland plants and plant type and the results suggest that various aspects of wetland biogeochemistry are affected by the presence and type of wetland plants. The total nitrogen and phosphorous concentrations in water decreased in the following order: Water only < Water + Soil < Floating Plants < Submerged Plants. Although both floating and submerged plants can control algal concentrations, the effect was more prominent for floating plants.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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