Introduction

온도 상승에 따른 토양 유기물 분해 속도 변화는 온난 기후 조건에서 토양 유기물 동역학 연구는 물론 지구 탄소 순환 모형에서 중요하게 고려되는 요소이다 (Lindsey et al., 2000; Raich et al., 1992). 토양 유기물 분해 속도는 토양 호흡을 통해 발생되는 이산화탄소 (CO₂) 플럭스를 측정하여 계산하는데, CO₂ 플럭스는 가스크로마토그래피 (Gas chromatography, GC)나 적외선 분석기 (Infrared analyzer, IR)를 이용하여 가스상의 CO₂를 직접 측정하거나 (Müller et al., 2010), 발생된 CO₂를 알칼리 용액 (예를 들면, NaOH)과 반응시켜 중탄산 (CO₃^2-)형태로 안정화 시킨 후 남은 알칼리를 산으로 역적정하여 분석할 수 있다 (Haney et al., 2008; Rottmann et al., 2009). 분석 방법별로 CO₂ 플럭스를 비교하면, NaOH 방법과 GC의 회수율이 97~102%임에 반해, IR 방법은 104~114%로 다소 과대 평가되지만 밀폐와 같은 인위적인 요인을 제거할 수 있다는 장점이 있다 (Rottmann and Joergensen, 2011).

NaOH 방법은 고가의 장비가 필요 없어 실험실내 항온 배양 실험에서 토양 호흡량을 측정하는 데 가장 빈번하게 이용되지만, 항온 배양 기간 동안 용기를 밀폐시켜야 하기 때문에 토양 미생물에 필요한 산소 공급이 제한적일 수 있다는 단점이 있다 (Lucretia et al., 2012; Rottmann and Joergensen, 2011). 이와 같은 단점에도 불구하고, 특정 처리에 따른 미생물 호흡량 비교 연구에서는 큰 문제 없이 사용된다 (Lim et al., 2012, 2017). 또한, NaOH 방법으로 토양으로부터 방출되는 CO₂를 100% 포집할 수 있다는 장점이 있어 CO₂의 탄소동위원소비 (δ¹³C) 분석을 위한 전처리 방법으로도 활용된다 (Harris et al., 1997; Jeon et al., 2017). 토양 호흡 CO₂의 δ¹³C를 측정하면 C3 식물과 C4 식물 유래 유기물의 분해 특성을 비교할 수 있다는 장점이 있다 (Boutton, 1996; Bruno, 2005).

하지만, 온도 상승에 따른 토양 호흡 변화 연구에 NaOH 방법을 이용할 경우 CO₂ 가스 용해도가 온도에 반비례하기 때문에 고온 조건에서 CO₂의 흡수 효율이 낮아 토양 호흡량을 과소평가할 수 있는 우려가 있다 (Fang and Moncrieff, 2001). 1기압에서 CO₂의 용해도는 온도가 증가함에 따라 0°C, 1.8 cm³ CO₂ g^-1 water에서 20°C, 0.88 cm³ CO₂ g^-1 water 및 40°C, 0.65 cm³ CO₂ g^-1 water로 감소한다 (Shell Internationale Petroleum Maatschappij BV, 1978). 이와 같은 온도에 따른 CO₂의 용해도 감소는 CO₂가 순수한 물과 반응하여 탄산(H₂CO₃)이 생성되고, 약산인 탄산이 이온화 되어 중탄산이온 (HCO₃^-)과 탄산이온 (CO₃^2-)이 생성되는 탄산 평형 시스템의 결과이다(Reid et al., 1987).

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃                                                                   (Eq. 1)

H₂CO₃ ↔ HCO₃^- + H⁺ (pK_a1 = 6.37 at 25°C)                                                 (Eq. 2)

HCO₃^- ↔ CO₃^2- + H⁺ (pK_a2 = 10.25 at 25°C)                                                 (Eq. 3)

탄산해리상수 (pK_a)를 고려하면, 강알칼리성 NaOH 용액에서 정반응이 우세하게 되고, 용액의 pH가 12 이상인 조건에서는 대부분 CO₃^2-로 존재하여 온도 상승시에도 안정적으로 존재할 수 있다 (David, 1990, 1991). 하지만, 온도 상승에 따른 NaOH 용액의 CO₂ 흡수 효율에 대한 연구 결과가 없어 NaOH 방법으로 온도 변화에 따른 토양 호흡량 (CO₂ 발생량) 변화 측정시 결과의 신뢰도에 의문이 제기 되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 이와 같은 의문을 해소하기 위해 온도 변화에 따른 NaOH 용액의 CO₂ 흡수량을 정량하기 위해 1) 온도 상승에 따라 NaOH 용액에서 CO₂의 용해도가 감소하여 고온 조건에서 CO₂의 흡수량이 감소하거나, 2) NaOH 용액은 순수한 물과 달리 탄산 평형에서 정반응이 우세하기 때문에 온도에 따른 CO₂ 흡수량에 차이가 없을 것이라는 두 가지의 상반된 가설을 세워 실험을 실시하였다.

Materials and Methods

실험 개요   본 연구에서는 CO₂ 방출-흡수, CO₂ 주입-흡수, 외기 CO₂ 흡수 등 세 가지 실험을 수행하였다 (Table 1). 각 실험은 5, 15, 25, 35°C에서 5반복 수행하였다. CO₂ 방출-흡수 실험에서는 밀폐 용기에 각각 Na₂CO₃ 용액과 NaOH 용액이 담긴 비이커를 넣고 황산으로 Na₂CO₃ 용액을 산성화 시켜 CO₂를 방출 시키고, 방출된 CO₂가 NaOH에 흡수되도록 하였다 (Fig. 1(a)). 하지만, CO₂ 방출-흡수 실험에서는 NaOH 용액에서의 CO₂ 용해도 뿐만 아니라, Na₂CO₃ 용액에서의 CO₂ 용해도도 온도 민감성을 나타낼 수 있다. 따라서, Na₂CO₃ 용액에서의 CO₂ 발생 속도에 대한 온도의 영향을 배제하고 NaOH 용액에서의 CO₂ 용해도의 온도 민감성을 독립적으로 조사하기 위해 CO₂ 주입-흡수 실험을 추가하였다. CO₂ 주입-흡수 실험에서는 별도의 septa 병에 Na₂CO₃ 용액을 넣고 황산으로 산성화 시킨 후 발생된 CO₂를 주사기로 포집하여 NaOH 용액이 담긴 별도 용기에 주입하여 NaOH 용액의 CO₂ 흡수 효율을 조사하였다 (Fig. 1(b)). 마지막으로, 외기 CO₂ 흡수 실험에서는 인위적인 CO₂ 발생이나 주입 없이 NaOH 용액을 외기에 노출시켜 NaOH 용액의 CO₂ 흡수 효율을 조사하였다 (Fig. 1(c)).

Table 1. Experimental outline to determine CO₂ absorption efficiency of NaOH solution.

Fig. 1.

Experimental procedures for estimation of CO₂ absorption efficiency of NaOH solution with temperature: a. CO₂ emission-absorption method, b. CO₂ injection-absorption method, and c. ambient CO₂ absorption method. More details of the experiment are described in Table 1.

CO₂ 방출-흡수 실험   1 L Mason 병 뚜껑에 구멍을 뚫고 septa cap을 실리콘으로 고정하였다. 6.25% Na₂CO₃ 용액 20 mL (CO₂ 55 mg, 0.5 N NaOH 10 mL가 포집할 수 있는 CO₂의 50%에 해당)가 담긴 비이커와 0.5 N NaOH 용액 10 mL가 담긴 바이얼을 Mason 병에 넣고 밀봉한 후 각각의 온도 (5, 15, 25, 35°C)가 설정된 항온배양기에 미리 넣어 용액의 온도를 항온 배양 온도와 평형을 이루도록 하였다. 1시간 후 1 mL 주사기로 진한 황산 0.1 mL를 septa cap을 통해 주입하여 Eq. 1~3의 탄산 평형의 역반응에 의해 CO₃^2-가 CO₂로 방출되도록 하였다 (Fig. 1(a)). 0.5 N NaOH에 포집된 CO₂는 반응 6시간, 1일, 2일, 3일, 5일째에 0.5 N HCl로 적정하여 정량하였다. 각 반응시간별로 별도의 Mason 병을 준비하여 실험하였다.

50 mL septa 바이얼에 0.25 N Na₂CO₃ 용액 10 mL를 넣고, septa를 끼우고 클램프를 이용해 밀봉한 후 50 mL 주사기로 바이얼 내부 공기를 제거하였다. 1 mL 주사기로 진한 황산 0.1 mL를 주입하여 CO₂를 발생시켰고, 1시간 후에 50 mL 주사기로 CO₂를 포집하였다. 포집된 CO₂의 NaOH 흡수량을 조사하기 위해, Mason 병에 0.5 N NaOH 용액 10 mL를 담은 비이커를 넣고 CO₂ 방출-흡수 실험에 사용한 septa cap이 장착된 뚜껑을 닫았다. CO₂ 방출-흡수 실험과 동일하게 NaOH 용액의 온도 평형을 위해 Mason 병을 항온배양기에 미리 넣었다. 1시간 후 50 mL 주사기로 Mason 병 안의 공기를 제거하여, 주사기로 포집한 CO₂ 가스를 주입하였다 (Fig. 1(b)). 0.5 N NaOH에 포집된 CO₂는 반응 6시간, 1일, 2일, 3일, 5일째에 0.5 N HCl로 적정하여 정량하였다. 각 반응시간별로 별도의 Mason 병을 준비하여 실험하였다.

외기 CO₂ 흡수 실험   25 mL 바이얼에 0.5 N NaOH 10 mL를 담고 뚜껑을 닫은 상태로 각각의 온도가 설정된 항온배양기에 넣어 NaOH 용액의 온도가 항온 배양 온도와 동일하도록 하였다. 1시간 후 외기 CO₂가 NaOH에 흡수되도록 바이얼의 뚜껑을 제거하였고, 반응 6시간, 1일, 2일, 3일, 5일째에 0.5 N HCl로 적정하여 정량하였다 (Fig. 1(c)). 각 반응시간별로 별도의 바이얼을 준비하여 실험하였다.

계산 및 통계분석   CO₂ 농도는 다음의 식으로 계산하였다.

CO₂ = (B-S) × N × E                                                                    (Eq. 4)

여기서, B는 Blank 적정 시 들어간 HCl 양 (ml)으로 본 연구에서는 2반복 하여 평균값을 사용하였다. S는 시료 (Sample) 적정 시 소비된 HCl 양 (mL)이며, N은 적정 시약 (HCl)의 노르말 농도 (0.5 N), E는 CO₂의 당량 (22 mg)이다.

모든 분석 결과는 Shapiro-Wilkt 검정과 Levene's 검정으로 정규성 및 등분산성을 검정하였다. 모든 분석 값이 정규성을 보이며 이질성이 나타나지 않아 데이터 변환은 하지 않았다. 항온배양기간 중 온도에 따른 CO₂ 흡수량 차이는 SPSS 21.0 (SPSS Inc., Chicago)의 일반선형모형을 이용하여 ANOVA로 평가하였으며, 처리 효과가 인정될 경우 Duncan의 다중 비교를 통해 처리 간 차이를 비교하였다. 모든 통계분석은 95% 수준에서 유의성을 검토하였다.

Results and Discussion

CO₂ 방출-흡수 실험에 의하면 반응 초기에 해당하는 6시간과 1일째에는 온도가 상승함에 따라 CO₂ 흡수량이 증가하였다 (P < 0.001) (Fig. 2(a), Table 2). 구체적으로 반응 6시간째에는 5°C에서 Na₂CO₃의 형태로 투입된 CO₂ (55 mg)의 37%, 35°C에서는 57%가 흡수되었고, 반응 1일째에는 5°C에서 77%, 35°C에서 93%가 흡수되었다. 이와 같은 경향은 온도 상승에 의해 CO₂의 용해도가 감소하여 NaOH 용액의 CO₂ 흡수능이 감소할 수 있다는 가설 그리고 고온 조건에서 알칼리 용액의 CO₂ 흡수능이 급격하게 감소한다는 Edwards and Sollins (1973)의 보고와 상반된다. 이와 같은 온도 상승에 따른 NaOH 용액의 CO₂ 흡수능 증가는 CO₂ 주입-흡수 실험의 반응 6시간째 (Fig. 2(b))와 외기 CO₂ 흡수 실험의 전체 반응 시간에서도 관찰 되었다 (Fig. 2(c)). 비록 CO₂ 주입-흡수 실험의 반응 1일째 5°C를 제외한 온도 구간에서 온도가 상승함에 따라 CO₂ 흡수량이 감소하는 경향이 나타났지만, 통계적으로 유의하지 않았다 (P > 0.05) (Fig. 2(b), Table 2).

Table 2. F statistics and P values for CO₂ absorption of NaOH with temperature during different reaction times in three experiment; CO₂ emission-absorption, CO₂ injection-absorption, and ambient CO₂ absorption^†.

^†Details of the experiment are described in Table 1 and Fig. 1.
^‡df is the degree of freedom used in the derivation of the F and P statistics.
§The bold indicates that the effects are significant at α= 0.05.

CO₂ 방출-흡수 실험에서 이와 같은 온도 상승에 따른 NaOH 흡수량 증가는 일차적으로 온도가 상승함에 Na₂CO₃ 용액에서의 CO₂ 용해도가 감소하여 CO₂ 방출 속도가 빨라졌기 때문으로 판단된다 (Fig. 2(a)). 즉, NaOH 용액의 CO₂ 흡수능이 온도와 무관하다 하더라도 Na₂CO₃ 용액에서의 CO₂ 방출 속도가 증가하면 더 많은 CO₂가 NaOH 용액에 흡수될 수 있기 때문이다. 하지만, 가스상 CO₂를 직접 주입한 CO₂ 주입-용해 실험 (Fig. 2(b))과 NaOH 용액을 외기 CO₂에 노출시킨 실험에서도 (Fig. 2(c)) 유사한 경향이 나타났기 때문에 온도 상승에 의한 Na₂CO₃ 용액에서의 CO₂ 용해도 감소만으로 결과를 설명하기에는 제한이 있다. CO₂ 가스는 확산에 의해 NaOH 용액으로 이동되어 일련의 탄산평형과정을 통해 최종적으로 CO₃^2-로 안정화되는데, 가스의 확산 속도는 온도에 비례하기 때문에 상승 온도 조건에서 NaOH 용액의 CO₂ 흡수량이 증가할 수 있다 (Belgodere et al., 2015; Cadogan et al., 2014). 예를 들면, Maharajh and Walkley (1972)는 CO₂의 확산 계수 (10⁵ cm² s^-1)가 5°C 0.085, 15°C 1.09, 25°C 1.44, 그리고 35°C 1.82로 온도에 따라 증가한다고 하였다. 따라서, 이상의 결과에 의해 온도가 상승함에 따라 CO₂의 용해도가 감소하여 NaOH 용액의 CO₂ 흡수능이 감소하지 않고 오히려 CO₂ 분자의 확산 속도가 증가하여 NaOH 용액의 CO₂ 흡수능이 높아졌다.

Fig. 2.

Changes in the CO₂ absorption amount of NaOH solution trap with temperature measured using a. CO₂ emission-absorption method, b. CO₂ injection-absorption method, and c. ambient CO₂ absorption method. Standard error bars are provided and some bars are not depicted due to small error. Different letters on the data bars indicate significant (P<0.05) difference among the treatments (temperature and reaction time). .

한편, CO₂ 방출-흡수 실험에서 반응 2일째부터는 투입한 CO₂의 95% 이상이 흡수되어 NaOH 용액의 CO₂ 흡수 효율이 높은 것으로 나타났다. Lim et al. (2017)도 퇴비화 기간 동안 방출된 CO₂를 NaOH 용액으로 포집하여 정량한 결과, 포집된 탄소의 양이 퇴비화 기간 동안 손실된 탄소의 양과 동일함을 확인하여 NaOH 용액의 CO₂ 포집능이 우수함을 보여준 바 있다. 이와 같은 결과는, 토양 호흡에서 발생된 CO₂의 δ¹³C 분석시 NaOH 용액을 이용한 CO₂ 포집 방법의 타당성을 간접적으로 제시한다.

Conclusions

온도 변화에 따른 토양 호흡량 (CO₂ 발생량) 변화 측정시 NaOH 용액의 CO₂ 흡수능 변화를 조사한 결과, 온도가 높아짐에 따라 CO₂의 용해도가 감소한다는 이론과는 달리 온도 상승에 따라 NaOH의 CO₂ 흡수량이 많아졌다. 이는 온도가 상승함에 따라 CO₂의 확산 속도가 증가하여 NaOH 용액에 의한 CO₂ 흡수가 빠르게 일어났기 때문으로 해석되었다. 따라서, 일부의 우려와 달리 NaOH 용액을 이용하여 온도 상승에 따른 토양 호흡량 변화 연구시 온도 상승에 의한 CO₂의 용해도 감소가 연구 결과에 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다. 하지만, 일반적으로 알려지고 있는 온도 상승에 따른 토양 호흡량 증가 경향이 단순히 유기물 분해 속도 증가만을 반영하지 않고, 생성된 CO₂의 확산 속도 증가도 함께 반영할 수도 있기 때문에 이에 대한 추가적인 검토가 필요하다.