분광기를 사용하여 강과 호수 생태계 모니터링

소개

물, 식량, 에너지에 대한 필요성이 커지면서 담수 생태계 과정과 지속 가능한 관리에 대한 더 나은 이해가 필요합니다. 담수는 인간의 생존에 필수적이며 세계적 물 안보, 식량 생산, 경제 활동에 기여합니다. 특히 호수와 강에서 발견할 수 있는 이러한 생태계는 식수, 에너지, 운송, 레크리에이션을 제공할 뿐만 아니라  생물다양성을 보존하는 데 중요한 역할을 하며 생태 순환에서 필수적인 연결 고리입니다. 그러나 인간 활동, 기후 변화, 인구 증가로 인한 압력이 커지면서 생물다양성과 생태계 건강이 위험에 처하게 됩니다. 특히 담수 시스템은 환경 파괴에 매우 취약하기 때문입니다. 지구 표면의 작은 면적을 차지하지만 담수 생태계는 엄청난 생물다양성을 포함하고 있어 세계적 생태적 균형에 필수적입니다. 그럼에도 불구하고 생물다양성 손실률이 가장 높습니다. 많은 사람들이 강의 이점에 의존하고 있기 때문에 강과 호수 생태계를 모니터링하는 것은 수자원 관리, 생물다양성 보장, 환경 변화 평가에 중요합니다. 과학자들은 분광법과 같은 기술을 사용하여 흐르는 물과 그 주변 환경의 안정성과 건강을 모니터링하고 있습니다.

방법

분광기를 사용하여 강과 호수 생태계를 모니터링하는 방법은 물에 반사되거나 흡수되는 빛의 파장을 감지하는 데 의존합니다. 유기물, 영양소, 오염 물질과 같은 다양한 물의 특성은 고유한 방식으로 빛과 상호 작용하여 분광기가 이러한 매개변수를 정량화할 수 있도록 합니다.

많은 연구에서 원격 장기 수질 모니터링을 위해 지상 기반 UV-VIS 분광 장치를 사용하는 것을 기록했습니다. UV- Vis 분광법은 자외선(200~400nm) 과 가시광선(400~700nm)을 사용 하여 물을 분석합니다. UV와 가시광선은 물을 통과하거나 물에서 반사되며 , 다양한 물질은 분자 구성과 농도에 따라 특정 파장의 빛을 흡수합니다.

물 속의 다양한 화합물이 특정 파장의 빛을 흡수하면 생태계 건강과 관련된 주요 생태계 매개변수를 정량화할 수 있습니다. 여기에는 질산염, 인산염 농도, DOM(용존 유기물), 엽록소, COD(화학적 산소 요구량) 등이 포함됩니다.

결과

그림 3. 호수 물 샘플의 클로로필 a 농도(mg/L). 물 샘플은 세 지점에서 수집되었고, 클로로필 a 농도의 차이는 흡광도를 위해 구성된 모듈형 분광기를 사용하여 측정되었습니다. OD: 광학 밀도. Yvette Mattley 제공.

그림 3은 호수 표면의 세 지점에서 수집한 세 가지 샘플의 클로로필 a 농도를 보여줍니다. 흡광도 스펙트럼에서 440nm피크는 샘플의 클로로필 a 존재를 나타냅니다. 세 가지 샘플 스펙트럼의 차이는 농도 차이를 보여주었고, 이는 수온, 햇빛 노출 면적, 샘플 내 영양소 농도의 변화에 영향을 받습니다. 유사한 실험을 강물에서 수행할 수 있으며, 여기서 클로로필 농도는 체류 시간(화학 물질이 물에서 보내는 시간), 강물 흐름 및 기타 요인에 따라 달라집니다.

그림 4. 휴대용 UV-VIS 분광기를 사용하여 수집한 표면수 샘플의 UV 흡광도. 신호 강도는 호수 물, 지상 눈, 눈 유출수 간에 다릅니다. 오염 물질의 존재는 UV 범위에서 강한 흡광도로 표시될 수 있습니다. 샘플은 워싱턴주 스포캔 산에서 수집되었습니다. Derek Guenther 제공.

또 다른 실험은 반사율을 측정할 수 있는 태양광 시스템을 사용하여 눈의 여러 매개변수를 측정하도록 설계되었습니다. 목표는 먼지, 검은 탄소, 조류의 존재를 감지하는 것입니다. 이는 눈 녹는 속도, 화학적 흐름 특성, 인근 산의 개울과 강으로 흘러든 후 물의 부영양화(영양소와 미네랄 축적)에 영향을 미칠 수 있습니다. 그림 4의 결과는 피크 210nm의 흡광도로 인해 다른 샘플에 입자가 존재함을 나타내며, 플로리다 호수 물의 오염 물질은 다른 두 샘플보다 훨씬 높습니다.

장비

모니터링을 위한 분광기:

다중파장 검출기는 분광기는 선택된 파장의 흡광도를 통해 일부 특정 수질 인자(UV254, 질산염)의 농도를 결정할 수 있습니다. QEPro 고성능 분광기는 넓은 동적 범위(85000)로 측정하기에 적합한 장비로 매우 낮고 매우 높은 신호 레벨을 모두 감지할 수 있어 다양한 수질 매개변수를 모니터링하는 데 다재다능하며, 200nm에서 1100nm까지 넓은 파장 범위를 커버하여 자외선(UV)에서 가시광선까지 광범위한 수질 지표를 감지할 수 있으며 영양소, 유기물, 오염 물질과 같은 물질을 분석하는 데 필수적입니다. 그 외에도 QEPro의 광학적 분해능은 약 1.2nm FWHM 으로 자세한 스펙트럼 분석을 보장하여 복잡한 수질 샘플에서 밀접하게 간격이 있는 흡수 특성을 구별하는 데 도움이 됩니다. 이러한 특징 덕분에 QEPro는 수생 생태계의 자세하고 정확한 모니터링을 위한 탁월한 선택이 되었으며 , 수질과 생태계 건강에 대한 중요한 상세 정보를 제공합니다.

그림 1. QEPro 고성능 분광기

Vis 분광법 용 광원광원은 강도, 안정성, 수명 등과 같은 주요 요구 사항에 맞는 스펙트럼을 기준으로 선택됩니다. 여기에서는 200-2500nm의 다양한 파장 분할을 포괄하는 크세논, 중수소 및 텅스텐 할로겐을 조명하는 UV-LIS-NIR DH-2000 광원을 권장합니다. 이는 흡광도, 투과도, 반사도 등과 같은 여러 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

그림 2. UV-VIS- NIR 광원

그 외에도 INTINS는 측정 시스템을 보완하고 강화하기 위한 추가 품목과 액세서리도 제공합니다. 포괄적인 도구 범위를 제공함으로써 INTINS는 사용자가 수질 모니터링 시스템을 사용자 맞춤 설정하고 조정하여 실시간 생태계 평가에서 보다 정확하고 효율적인 결과를 얻을 수 있도록 보장합니다.

결론

Vis 분광기를 사용하여 강과 호수 생태계를 모니터링하는 것은 이러한 중요한 수자원을 이해하고 보존하는 강력하고 비침습적인 기술입니다. 분광기는 물 속의 화합물이 영양소 수준, 용해된 유기물 및 오염 물질과 같은 특정 파장의 빛을 어떻게 흡수하는지 측정하여 필수적인 수질 지수를 실시간으로 안정적으로 감지할 수 있습니다. 이 기술은 대규모 연속 생태계 모니터링을 위한 빠르고 시약 없는 대안을 제공하여 담수 자원을 보다 효과적으로 관리할 수 있습니다. 인간 활동과 기후 변화가 수생 생태계에 새로운 위협을 가함에 따라 분광법은 생물 다양성을 보호하고 장기적인 수질을 보장하는 데 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것입니다.