영구 동토 토양(permafrost soil)은 지구 온난화의 영향 하에 해동되기 때문에, 이러한 지역의 토양 미생물 군집이 지구 기후 변화의 잠재적인 증폭기라는 사실을 국제 연구는 보여주었다.
작은 토양 미생물(soil microbe)은 인간이 유발한 기후 변화에 전 세계적으로 가장 큰 잠재적인 증폭기 중 하나이지만, 미생물 군집은 환경에 종속되어 있거나 영향력이 있는지에 대하여 의문이 제기되어 왔다. 최근 미국 애리조나 대학(University of Arizona) 소속의 과학자들이 주도하는 미국, 스웨덴 및 호주 출신의 과학자로 구성된 국제 연구팀은 매우 최근에 발견된 단일 종 미생물이 기후 변화(climate change)에 예기치 않았던 핵심 기여자라는 것을 보여주었다.
Nature 저널에 발표된 연구 결과는 과학자들이 다른 미생물 군집이 이러한 기체의 배출을 어떻게 제어하는가에 대한 새로운 이해와 함께 해동되고 있는 영구 동토층으로부터 배출되는 다양한 온실가스에 대한 가정을 대체함으로써, 미래 기후에 대한 시뮬레이션을 개선하는데 도움을 줄 것으로 기대된다.
2014년 초, 국제 연구팀은 과학 분야에서 이전에는 언급되지 않았던 미생물 단일 종이 전 지구적으로 상승하는 기온의 효과 하에 해동되기 시작한 스웨덴 북부 영구동토 토양에서 우세하다는 것을 발견했다. 연구진은 미생물이 지구 대기에서 열을 붙잡아 두는 강력한 온실가스인 메탄(methane)의 형성을 통하여 북극권 한계선(Arctic Circle)에 가까운 영구 동토 토양에 저장된 방대한 양의 탄소(carbon)를 해리시킴으로써 지구 온난화에 상당한 역할을 하는 것으로 의심했다. 그러나 이러한 미생물의 실제적인 역할은 규명되지 않았다. 예비적인 이름이 Methanoflorens stordalenmirensis로 “Stordalen Mire로부터 메탄의 번성”이라고 번역할 수 있다.
새로운 연구는 미생물의 역할을 규명하고 있으며, 해동되고 있는 영구 동토층에서 다른 미생물 종과 비교하여 Methanoflorens의 가파른 번성이 미래 기후 변화에 집단적인 영향을 예측하는데 도움을 준다고 제안했다.
만약 당신이 유사한 조건으로 아프리카 사바나를 생각한다면, 당신은 사자와 코끼리가 이산화탄소를 모두 생성하지만, 다른 먹이를 섭취한다고 말할 수 있다고 애리조나 대학 생태학과 진화 생물학과(Department of Ecology and Evolutionary Biology)과 조교수이며, 생태학 EGI(Ecosystem Genomics Institute) 소속 책임자인 Scott Saleska는 밝혔다. Methanoflorens에서 연구진은 코끼리에 상응하는 미생물을 발견했으며, 이 유기체는 전체 생태계에서 일어나는 현상에서 매우 중요한 역할을 한다고 Saleska는 밝혔다.
이러한 미생물의 활동 때문에, 모든 습지가 메탄이 배출될 때 동일한 현상을 겪는 것이 아니라는 사실을 동 연구는 밝혔다.
모델은 메탄 분자에서 탄소의 다른 형태 또는 동위원소 사이에 특정한 비를 가정했으며, 실제로 기록된 비율이 다르다는 것이 입증됐다고 주저자이며 뉴햄프셔 대학(University of New Hampshire)의 지구 시스템 연구소 과학자이며 이 논문의 주저자인 Carmody McCalley는 밝혔다. 탄소의 동위원소가 동일하도고 가정하는 것은 현재 기후 모델의 주요한 단점이다. 이러한 모델이 습지에서 유래하는 잘못된 동위원소 비율(isotope ratio)을 가정하고 있기 때문에, 모델은 생물학적 공정에서 배출되는 탄소는 과대평가되고 있으며, 화석 연료 같은 인위적인 활동에 의해 배출된 탄소는 과소평가하고 있다고 McCalley는 지적했다.
토양 미생물은 ① 식물로부터 유래하는 유기 분자인 아세트산염(acetate) 또는 ② 이산화탄소와 수소로부터 두 가지 다른 방법으로 메탄을 만든다. 두 가지 공정은 미생물을 위한 에너지를 생산하고, 미생물은 우리가 이산화탄소를 뿜어내는 것처럼 메탄을 배출한다고 McCalley는 밝혔다. 그러나 연구진은 해동되고 있는 영구 동토층에서, 대부분의 메탄이 초기에는 이전에 가정했던 것처럼 아세트산염에서 유래하는 것이 아니라 다른 경로에서 유래한다는 것을 발견했다. 이후 이러한 비율은 이전의 결빙된 토양이 습지로 전환됐을 때 추정했던 것으로 변화되어 아세트산염이 탄소 공급원으로 우세하게 생성했다.
기후 과학자가 직면한 가장 큰 의문 중 하나는 토양에 저장된 탄소가 미생물 활동에 의해 얼마나 많이 대기로 배출되는가이다. 지구 냉동고인 영구 동토층이 온난화의 영향 하에 해동되고 있기 때문에, 우리는 토양 미생물이 보다 더 넓은 생태계 수준에서 얼마나 많은 탄소를 배출하는지에 대한 이해를 개선할 필요가 있다고 그는 밝혔다.
공동 저자인 Virginia Rich는 수년 동안 생태계가 집단적으로 어떤 행동을 할 것인가에 대한 미생물 생태계 문제가 논쟁을 거듭해왔다. 이 사례에서는 다른 형태의 온실가스를 배출하는 문제이다. 미생물이 단순하게 시스템의 물리적 화학적 종속자인가에 대한 의문이 제기되어 왔다. 이 연구는 미생물 생태가 상당한 정도로 기여하고 있으며, 우리가 해빙되고 있는 생태계에 서식하는 미생물의 유형에 더 많은 관심을 가질 필요가 있다는 것을 보여주었다.
미생물 생태계를 고려함으로써, 우리는 얼마나 많은 메탄이 해동되는 영구 동토층과 화석 연료와 같은 다른 오염원으로부터 유래하는지를 규명하는 기후 모델을 정확하게 마련할 수 있다고 McCalley는 덧붙였다.
그림1> 연구 위치. 스웨덴 아비스코 국립공원(Abisko National Park) 내 Stordalen Mire
그림2> 연구 위치에 설치된 현장 장치. 토양 미생물에 의한 온실가스 생산을 측정하는 장비를 설치하고 있는 Carmody McCalley.
그림3> 플렉시글라스 챔버(Plexiglas chamber)를 이용한 흐름을 측정하는 특별한 도구를 설치하는 연구진.
Tiny soil microbes are among the world's biggest potential amplifiers of human-caused climate change, but whether microbial communities are mere slaves to their environment or influential actors in their own right is an open question. Now, research by an international team of scientists from the U.S., Sweden and Australia, led by University of Arizona scientists, shows that a single species of microbe, discovered only very recently, is an unexpected key player in climate change.
The findings, published in the journal Nature, should help scientists improve their simulations of future climate by replacing assumptions about the different greenhouse gases emitted from thawing permafrost with new understanding of how different communities of microbes control the release of these gases.
Earlier this year, the international team discovered that a single species of microbe, previously undescribed by science, was prominent in permafrost soils in northern Sweden that have begun to thaw under the effect of
globally rising temperatures. Researchers suspected that it played a significant role in global warming by liberating vast amounts of carbon stored in permafrost soil close to the Arctic Circle in the form of methane, a powerful greenhouse gas trapping heat in the Earth's atmosphere. But the actual role of this microbe — assigned the preliminary name Methanoflorens stordalenmirensis, which roughly translates to "methane-bloomer from the Stordalen Mire" — was unknown.
The new research nails down the role of the new microbe, finding that the sheer abundance of Methanoflorens, as compared to other microbial species in thawing permafrost, should help to predict their collective impact on future climate change.
"If you think of the African savanna as an analogy, you could say that both lions and elephants produce carbon dioxide, but they eat different things," said senior author Scott Saleska, an associate professor in the UA's Department of Ecology and Evolutionary Biology and director of the UA's new Ecosystem Genomics Institute. "In Methanoflorens, we discovered the microbial equivalent of an elephant, an organism that plays an enormously important role in what happens to the whole ecosystem."
Significantly, the study revealed that because of these microbial activities, all wetlands are not the same when it comes to methane release.
"The models assume a certain ratio between different forms, or isotopes, of the carbon in the methane molecules, and the actual recorded ratio turns out to be different," said lead author Carmody McCalley, a scientist at the Earth Systems Research Center at the University of New Hampshire who conducted the study while she was a postdoctoral researcher at UA. "This has been a major shortcoming of current climate models. Because they assume the wrong isotope ratio coming out of the wetlands, the models overestimate carbon released by biological processes and underestimate carbon released by human activities such as fossil-fuel burning."
Soil microbes can make methane two different ways: either from acetate, an organic molecule that comes from plants, or from carbon dioxide and hydrogen.
"Both processes produce energy for the microbe, and the microbe breathes out methane like we breathe out carbon dioxide," McCalley said. "But we find that in thawing permafrost, most methane initially doesn't come from acetate as previously assumed, but the other pathway. This ratio then shifts towards previous estimates as the frozen soils are turned into wetlands and acetate becomes the preferred carbon source."
One of the big questions facing climate scientists, according to Saleska, is how much of the carbon stored in soils is released into the atmosphere by microbial activity.
"As the 'global freezer' of permafrost is failing under the influence of warming, we need to better understand how soil microbes release carbon on a larger, ecosystem-wide level and what is going to happen with it," he said.
Said UA co-author Virginia Rich: "For years, there's been a debate about whether microbial ecology 'matters' to what an ecosystem collectively does — in this case, releasing greenhouse gases of different forms — or whether microbes are just slaves to the system's physics and chemistry. This work shows that microbial ecology matters to a great degree, and that we need to pay more attention to the types of microbes living in those thawing ecosystems."
Added McCalley: "By taking microbial ecology into account, we can accurately set up climate models to identify how much methane comes from thawing permafrost versus other sources such as fossil-fuel burning."
The paper was co-authored by: Richard Wehr in the UA's Department of Ecology and Evolutionary Biology; Eun-Hae Kim in the UA Department of Soil, Water and Environmental Science; Gene Tyson, Ben Woodcroft and Rhiannon Mondav of the University of Queensland in Brisbane, Australia; Suzanne Hodgkins and Jeffrey Chanton of Florida State University; and Patrick Crill at the University of Stockholm, Sweden.
The research was supported by the Department of Energy Office of Biological and Environmental Research through awards DE-SC0004632 and DE-SC0010580, and by the UA Technology and Research Initiative Fund through the Water, Environmental and Energy Solutions initiative.
The paper 'Methane dynamics regulated by microbial community response to permafrost thaw' has been scheduled for publication in Nature on 23 October 2014.
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