[미국] 전 세계 해양의 수은 농도 분석
수은(mercury)은 석탄 연소와 시멘트 제조 등과 같은 공정에서 발생하는 인위적인 부산물일 뿐 아니라 자연적으로 발생하는 원소이다. 동물과 인간에 의해 흡수될 수 있는 원소 형태인 생분해 가능한 수은의 추정은 수은 배출로부터 환경과 인간을 보호하기 위한 국제 협약의 채택에서부터 해산물 소비에 대한 경고 뒤에 함축된 대중 정책의 수립에 이르기까지 중요한 역할을 한다.
그러나 환경에서 얼마나 많은 수은이 인간 활동(human activity)의 결과로 초래되는지 또는 얼마나 많은 생분해가 가능한 수은이 지구 해양에 존재하는지에 대하여는 알려진 바가 거의 없다.
미국 분만기 여성의 5~10%는 이미 어린이에서 신경 발달 문제의 위험을 증가시키는 혈중 수은 수준을 나타냈으며, 매년 유럽에서 태어난 150만~200만 명의 어린이가 지능지수 결함(IQ deficit)과 관련된 수은 노출 수준을 보이는 것으로 추정됐다. 야생 생물과 해양 생물 역시 위험을 피할 수 없다. 이 연구는 수은 수준이 일부 어류와 조류에서 생식 건강(reproductive health)과 생식력(fertility)을 타협한다는 것을 발견했다.
미국 우즈홀 해양 연구소(WHOI; Woods Hole Oceanographic Institution), 라이트 주립대학(Wright State University), 프랑스 Observatoire Midi-Pyréneés 및 NIOZ(Royal Netherlands Institute for Sea Research) 등의 연구진으로 구성된 연구팀이 수행한 새로운 연구는 지난 8년에 걸쳐 12회에 이르는 탐사 운항으로부터 얻어진 자료를 기반으로 오염으로부터 전 세계 해양에서 수은에 대한 직접적인 계산을 처음으로 제공했다.
연구팀은 2006년과 2011년 사이 북부와 남부 대서양과 태평양 해양에서 연구 탐사 운항 동안 수천 개에 이르는 물 시료를 수거했다. 수은 수준이 시간에 따라 어떻게 변화하는지 결정하기 위하여, 연구진은 물과 가까운 해수 5킬로미터 아래 깊이에서 토양과 공기로부터 수은 오염에 보다 더 최근에 노출됐던 표면까지 해수 시료를 비교했다.
이 연구는 미국 국립과학재단(NSF; U.S. National Science Foundation)과 유럽 연구 위원회(European Research Council)의 후원을 받았으며, WHOI 해양 화학자인 Lamborg이 주도했다. 이 연구는 해양 환경(marine environment)에서 수은의 전 세계 분포(global distribution of mercury)에 대한 견해를 제공했다.
만약 우리가 환경과 우리가 섭취하는 식품으로 배출되는 수은을 규제하기를 원한다면, 우리는 먼저 얼마나 많은 수은이 존재하는지 알 필요가 있으며, 얼마나 많은 인간 활동이 매년 추가되는지를 알아야 한다고 Lamborg는 밝혔다. 그러나 바로 지금, 물 시료를 조명하고, 오염으로부터 유래한 수은과 자연적인 공급원에서 유래한 수은 사이의 차이를 알려줄 수 있는 방안은 없다. 최근 연구진은 시간 경과에 따른 수은의 자연적인 공급원과 인위적 공급원의 기여를 최소한 분리할 수 있는 방법을 확보했다고 Lamborg는 밝혔다.
연구팀은 수은보다 더 잘 연구되고 해양에서 동일한 방식으로 거동하는 물질인 인산염(phosphate)의 해양 수준에 관한 세부적인 정보를 제공하는 자료 모음을 조명하는 데서 출발했다. 인산염은 수은과 같은 영양 물질로 유기물과 결합함으로써 해양 먹이사슬에 흡수된다. 산업 혁명 이후 지구 대기와 접촉할 수 없는 1,000미터 이하의 더 깊은 해수에서 수은에 대한 인산염의 비율을 결정함으로써, 연구팀은 해양에서 토양 암석의 풍화 또는 분해와 같은 자연적 공급원에서 유래한 수은을 추정했다.
연구진의 결과는 연구진이 기대했던 것처럼 전 세계 해양 순환(global ocean circulation)의 알려진 유형과 일치했다. 예를 들면, 깊고 간헐적인 해수 흐름을 형성하기 위한 표면 해수가 기온과 염도 변화의 영향 하에서 가라앉기 때문에, 북대서양 해수는 오염으로부터 수은의 가장 분명한 징후를 보여주었다. 반대로 열대와 북동 태평양은 이러한 지역에서 해수가 순환하는 데 수 세기가 소요되기 때문에, 상대적으로 더 적은 영향을 받는 것으로 나타났다.
그러나 인간 활동으로부터 수은의 기여를 결정하는 것은 또 다른 단계가 요구된다. 보다 더 얕은 해수에 대한 추정치를 얻고, 전 세계 해양에서 수은의 양에 대한 수치를 제공하기 위하여, 연구팀은 최초의 장소에서 환경으로 수은을 배출하는 주요 활동을 뒷받침하는 것과 연관이 있는 물질인 추적자(tracer)를 필요로 했다. 연구팀은 지난 40년에 걸쳐 가장 잘 연구된 기체인 이산화탄소(carbon dioxide)를 확인했다. 해수에서 이산화탄소 데이터베이스는 광범위하고 실제적으로 모든 깊이에 대하여 쉽게 이용할 수 있다. 인간 공급원으로부터 수은과 이산화탄소가 동일한 활동으로부터 유래하기 때문에, 연구팀은 두 가지 물질과 관련된 지수를 유추하여, 인간 활동에서 기원한 전 세계 해양 유역에서 수은의 분포와 양을 계산하는데 사용했다.
분석 결과는 이전에 사용됐던 모델에 대한 대략적인 일치를 보여 주었다. 해양은 약 60,000~80,000톤에 이르는 오염 수은(pollution mercury)을 함유했다. 부가적으로, 연구팀은 약 100미터 보다 더 얕은 해수가 산업 혁명 이후 3배 이상 증가한 수은 농도를 나타냈으며, 전체로서 해양이 산업 혁명 이전의 수은 수준이 약 10% 가량 증가했다는 것을 보여 주었다.
최근 과거에서 관찰된 증가를 이용하여, 향후 50년은 우리가 과거 150년 동안 관찰했던 것과 동일한 양이 추가될 수 있다고 Lamborg는 밝혔다. 문제가 되는 것은 우리가 어류와 해양 포유동물에 어떤 영향이 초래될지 알지 못한다는 것이라고 Lamborg는 지적했다. 분석 결과는 일부 어류가 150년 전 보다 최소한 3배 또는 그 이상 더 많은 수은을 함유할 수 있다는 것을 의미한다. 현재 중요한 것은 우리가 지속적인 연구를 토대로 일부 충실한 기록을 확보해야 한다고 Lamborg는 밝혔다.
수은은 전 세계 해양 심연을 포함하여 우리가 볼 수 있는 곳 어디서나 검출될 수 있는 우선순위가 높은 환경 독성 물질이라고 이 연구를 지원한 NSF 산하 화학적 해양학 프로그램(Chemical Oceanography Program) 책임자인 Don Rice는 밝혔다.
그림1> 자연적 수은과 인위적 수은의 양을 추정하는 Carl Lamborg 박사(왼쪽)와 공동 저자인 Gretchen Swarr
그림2> 해양 먹이 사슬 최상층에 위치하여 수은 축적을 보이는 다랑어(Bluefin tuna)
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 8월 11일]
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Humans have tripled mercury levels in upper ocean
Mercury levels in the upper ocean have tripled since the beginning of the Industrial Revolution, and human activities are to blame, researchers report today in Nature1.
Although several computer models have estimated the amount of marine mercury, the new analysis provides the first global measurements. It fills in a critical piece of the global environmental picture, tracking not just the amount of mercury in the world's oceans, but where it came from and at what depths it is found.
“Nobody's attempted to do a more comprehensive overview of all the oceans and get an estimate of total mercury in the surface and some deeper waters before,” says David Streets, an energy and environment policy scientist at Argonne National Laboratory in Lemont, Illinois, who was not involved in the study.
Researchers collected thousands of water samples during eight research cruises to the North and South Atlantic and Pacific oceans between 2006 and 2011. To determine how mercury levels had changed over time, they compared samples of seawater from depths down to 5 kilometres with water closer to the surface, which had been more recently exposed to mercury pollution from land and air.
Mercury magnified
Their analysis reveals that human activities — mostly the burning of fossil fuels, but also mining — had boosted the mercury levels in the upper 100 metres of the ocean by a factor of 3.4 since the beginning of the Industrial Revolution. The total amount of anthropogenic mercury in the world's seas now stands at 290 million moles, with the highest levels in the Arctic and North Atlantic oceans.
“They were really able to look back in time with their study,” says Noelle Eckley Selin, an atmospheric chemist at the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, who was not involved in the study.
The researchers say that ocean circulation patterns have helped to blunt the effects of some of the rise in marine mercury. Circulation patterns that drive very cold, salty and dense water to sink into the deep ocean carry large amounts of mercury from shallower depths where life abounds. That provides some protection to marine life, as mercury's toxic effects magnify with every step up the food chain. For example, the mercury levels in a top predator such as tuna are 10 million times higher than those in the surrounding seawater.
Ocean buffer
But study co-author Carl Lamborg, a marine geochemist at Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts, says that the deep water's ability to sequester mercury may soon be exhausted. Humans are on track to emit as much mercury in the next 50 years as they did in the last 150 years, he notes.
“You're starting to overwhelm the ability of deep water formation to hide some of that mercury from us, with the net result that more and more of our emissions will be found in progressively shallower water,” Lamborg adds. That increases the odds that mercury levels in key food species will rise, increasing humans' exposure.
Between 5–10% of US women of childbearing age already have blood mercury levels that that increase the risk of neurodevelopmental problems in their children2, and an estimated 1.5 million–2 million children are born in the European Union each year with mercury exposure levels associated with IQ deficits3. Wildlife and marine life is not spared either. Studies have found that mercury levels compromise the reproductive health and fertility of some fish and birds4, 5.
Pollution control
David Krabbenhoft, a geochemist with the US Geological Survey in Middleton, Wisconsin, says that the new study suggests that efforts to reduce mercury pollution could be effective, because oceans are not uniformly contaminated.
“Work like this strongly suggests that generational changes have been seen in the oceans' mercury levels — and if that's the case we would expect them to undergo responses linked to, hopefully, reduced mercury outputs from mankind moving forward,” he says.
Lamborg agrees. “The new data suggest that the problem is actually a bit more tractable,” he says. “It's a cause for optimism and should make us excited to do something about it because we may actually have an impact.”
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