~ 지구 내부의 생명권과 원소순화에 새로운 패러다임 ~

독립행정법인 해양연구개발기구 고치코어연구소 지구심부생명연구그룹은 미국 로드아일랜드대학, 도쿄대학, 히로시마대학, 시즈오카현립대학, 츠쿠바대학 등과 공동으로 종합국제심해굴삭계획 제329차 연구항해 ‘남태평양 환류권 생명조사’를 실시하고, 지구상에서 가장 해수의 투명도가 높다고 알려진 남태평양 환류역의 해저를 미과학굴삭선으로 굴삭하였다. 이 항해에 의해 채취된 코어시료를 분석하여 세계 각지의 해양 퇴적물의 퇴적속도 및 산소농도 등에 관한 데이터와 비교, 종합한 결과, 전 해양의 최대 37%의 범위를 차지하는 외양환경의 표층에서 1억 년을 넘는 해양지반(현무암) 위까지의 모든 퇴적물에 산소가 존재하고 있다는 것을 세계에서 처음으로 실증하였다. 그리고 이러한 산소가 풍부한 퇴적물 환경에 상당히 대사활성이 낮은 호기성 미생물이 서식하는 ‘초저영양 생명권’이 존재하고 있다는 것을 발견하였다.

2010년 10월~12월에 걸쳐, 지구상에서 가장 표증 해수의 기초 생산량이 적고, 가장 투명도가 높은 해역으로 알려진 남태평양 환류역에서 미국의 과학굴삭선을 이용한 IODP 제329차 연구항해를 실시하였다.

이 항해에서는 남태평양 환류역의 중심역을 포함한 7개소의 굴삭지점(사이트 U1365-U1371, 수심 3,740~5,695m, 온도 1.1도~10.6도)에서 조사를 실시하여 해저표층에서 현무암까지 모든 퇴적물(두께 최대 131m)의 코어시료를 채취하였다. 굴삭된 코어시료는 선상에 회수된 후 바로 냉장실험실로 옮겨졌고, 미소전극 및 광학식 산소센서를 이용한 용존산소농도의 측정을 수행하고 동시에 간극수 중의 화학성분 분석 및 퇴적물의 지질학적인 특징 등에 관한 선상분석을 수행하였다. 또한 코어시료에 포함된 미생물 세포의 수를 정확하게 측정하기 위해 외부오염을 받지 않는 코어 중심부로부터 무균적으로 시료를 채취하여 해양연구개발기구 고치코어연구소에서 개발한 고정도, 고감도 세포계수법을 이용하여 분석하였다.

분석결과, 남태평양 환류역 모든 굴삭사이트에서 해저 표층에서 약 1억 2,000만 년 전(백악기)에 형성된 현무암까지의 모든 퇴적물의 간극수 중에 산소가 존재하고 있다는 것을 밝혀내었다. 미생물의 활성이 높은 대륙연안의 퇴적물 환경에서도 해수로부터 공급되는 산소는 해저 밑 수 밀리미터에서 수 미터의 범위 내에서 완전히 소비되어 혐기, 무산소상태가 된다. 한편 남태평양 환류역과 같은 영양원이 부족한 외양환경에서는 퇴적물 중의 미생물 대사활성이 뚜렷하게 낮기 때문에 해수로부터 천천히 확산, 침투하는 산소가 완전히 소비되지 않고, 현무암까지 도달한다는 것을 세계에서 처음으로 실증하였다. 또한 본 연구항해에서 얻은 데이터를 지금까지 과학해양굴삭조사에 의해 얻어진 세계 각지의 해양퇴적물의 퇴적속도 및 산소농도 등에 관한 데이터와 비교, 통합함으로써 전체 해양의 최대 37%의 범위에서 해수로부터 퇴적물로 공급된 비교적 풍부한 산소가 상부 현무암을 포함한 해양지반에 공급되고 있다는 것을 시사하였다.

그리고 남태평양 환류역의 심해저 퇴적물에는 미생물의 영양원이 되는 유기물의 농도가 0.25%~0.002%(검출한계) 이하로 상당히 소량임에도 불구하고 퇴적물 1cm3 당 약 103~104세포 정도의 미생물이 서식하고 있다는 것을 밝혀내었다. 퇴적물 중의 산소농도 감소분을 퇴적물 중의 미생물 에너지대사(산소호흡)에 의해 소비되는 농도로 환산하면 1년간에 소비되는 산소의 양은 퇴적물 1cm3당 약 10^-17~10^-14mol 정도로 환산된다. 이것은 남태평양 환류역과 같이 차가운 심해저 퇴적물에 필요한 최저 에너지를 소비하면서 존속하고 있는 생명의 존재를 나타내는 증거이고, 지구의 광대한 심해저 퇴적물 환경에 지구상에서 가장 대사활성이 낮은 ‘초저영양생명권’이 존재하고 있다는 것을 나타낸다.

(그림 1) IODP 제 329차 연구항해 ‘남태평양 환류역 생명탐사’의 굴삭사이트(U1365-U1371)
(그림 2) 굴삭선(좌)와 IODP 제329차 연구항해에서 미생물 분석시료를 채취하는 모습(좌상). 선상에 회수된 코어시료는 약 4도로 설정된 선내의 냉장실험실로 운반되고, 센서에 의한 용존산소농도 측정이 수행됨(우하)
(그림 3) IODP 제329차 연구항해에 의해 채취된 퇴적물의 코어시료에 포함된 세포수(좌), 용존산소농도(중), 전유기농도(우)의 심도 프로파일

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 3월 19일]