Seasonal Variations in Dissolved Rare Earth Elements and Excess Gadolinium in the Suyeong River, Busan, Korea

Abstract

Excess gadolinium (Gdex) has been reported in many urbanized rivers as a result of magnetic resonance imaging, which has harmful effects on aquatic ecosystems. However, few studies have focused on Gdex and its seasonal variation. Herein, we collected seasonal water samples from the Suyeong River, Busan, Korea, to investigate seasonal variations in dissolved rare earth elements (REEs) and Gdex in highly urbanized areas. The salinities during winter were relatively high compared to those obtained in summer. This implies that seawater could intrude more easily into the river in winter due to lower river discharge rates. Relatively high concentrations of dissolved REEs were measured in summer (ΣREE = 471–32900 pM) compared with winter (ΣREE = 123–1390 pM). Dissolved REE concentrations exhibited no significant correlation with salinity, except for some HREEs (heavy REEs) in winter. The post-Archean Australian shale-normalized REE patterns in winter except generally exhibited HREE enrichment relative to LREEs (light REEs), whereas flat patterns were observed in summer. This indicates a considerable influence of terrestrial source inputs during summer. Positive Gd anomalies (Gd/Gd* = 1.2–50) were observed consistently at all sampling sites in all seasons. Estimated Gdex concentrations in the Suyeong River exhibited similar levels between winter (99.6 ± 62.8 pM, n = 28) and summer (118 ± 66.2 pM, n = 15). However, the flux of Gdex in summer (19.5 ± 11.0 mM d-1) was approximately five times higher than that in winter (4.20 ± 2.65 mM d-1) due to the differences in discharge rates. Our results suggest that seasonal variations should be considered when evaluating the impact of dissolved REEs and Gdex on aquatic environments.

수생 생태계에 해로운 영향을 미칠 수 있는 인위적 가돌리늄(Gdex)은 자기 공명 영상(MRI)에 이용되며, 인구가 밀집된 도시에 위치한 강에서 많이 보고되었다. 하지만 인위적 가돌리늄과 그 계절적 변동에 대한 연구는 보고된 바가 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 고도로 도시화된 부산 수영강에서 용존 희토류 원소의 분포 및 인위적 가돌리늄(Gdex)의 계절적 변동 특성을 조사하기 위해 2020년 겨울(2월)과 여름(8월), 2021년 겨울(1월)에 시료를 채취하였다. 염분은 여름철보다 겨울철에 상대적으로 높았고 이는 겨울철 낮은 강수량으로 인해 유량이 작기 때문에 해수가 강물에 더 쉽게 유입될 수 있음을 의미한다. 또한, 용존 희토류 원소의 농도는 겨울(ΣREE = 123–1390 pM)보다 여름(ΣREE = 471–32900 pM)에 비교적 높았다. 용존 희토류 원소의 농도는 겨울에 일부 무거운 희토류 원소(heavy REEs; HREEs)를 제외하고 염분과 유의한 상관관계를 나타내지 않았다. 표준지질물질(Post-Archean Australian shale)을 이용한 표준화 패턴은 겨울에 가벼운 희토류 원소(light REEs; LREEs)에 비해 HREEs에서 부화가 된 경향을 보였지만, 여름에는 전체적으로 부화가 된 비교적 평평한 패턴을 보였다. 이는 여름에 육상 기원 유입의 영향이 크다는 것을 의미한다. Gd anomaly (Gd/Gd* = 1.2–50)는 여름과 겨울에 거의 모든 정점에서 일관되게 관찰되었다. 수영강에서 추정된 인위적 가돌리늄(Gdex)의 농도는 겨울 (99.6 ± 62.8 pM, n = 28)과 여름(118 ± 66.2 pM, n = 15)에서 유사한 농도 수준을 나타냈다. 하지만 수영강에서 계절적 유량을 이용해 계산된 인위적 가돌리늄(Gdex)의 플럭스의 경우 여름(19.5 ± 11.0 mM d-1)이 겨울(4.20 ± 2.65 mM d-1)보다 약 5배 정도 높았다. 본 연구의 결과는 용존 희토류 원소와 인위적 가돌리늄(Gdex)이 수환경에 미치는 영향을 평가할 때 계절적 변동을 고려해야 함을 시사한다.