산호초(coral reefs)는 암초(reefs) 구축과 붕괴 사이의 균형을 유지한다. 산호가 성장할 때, 산호는 어류와 다른 암초 유기체에 서식지를 제공하는 복잡한 탄산칼슘(calcium carbonate) 프레임워크를 구축한다. 동시에 비늘돔류 물고기와 같은 생물부식자(bioeroder)와 구멍을 뚫는 해양 연충류는 암초 구조를 돌무더기와 해변을 풍요롭게 하는 모래로 분해한다. 암초가 지속되기 위하여 암초 구축의 속도는 암초 붕괴를 초과해야만 한다.
이러한 균형은 해양 산성화(감소하는 해양 pH)를 유발하는 증가된 대기 중 이산화탄소(carbon dioxide)에 의해 위협을 받는다. 이전 연구는 주로 산호초 성장의 해양 산성화(ocean acidification)의 부정적인 영향에 초점을 맞추었다. 그러나 미국 하와이 대학(UHM; University of Hawai`i – Mānoa) 산하 HIMB(Hawai`i Institute of Marine Biology) 소속의 연구진이 수행한 새로운 연구는 보다 더 낮아진 해양 pH가 변화하는 기후에서 산호초에 대한 이중고인 암초 붕괴(reef breakdown)를 강화할 수 있다는 것을 증명했다.
산호초는 부착-부식 균형(accretion-erosion balance)을 지속시키고, 인위적인 이산화탄소 배출의 결과로 발생하는 해양 산성화는 순 암초 부식을 진행시키도록 이러한 균형이 이동하도록 위협하고 있다. 산호와 석회화된 조류는 주로 암초 부착에 책임이 있으며 해양 산성화와 관련된 환경 변화에 취약하다. 그러나 암초 부식에 대한 보다 더 낮은 pH의 직접적인 효과는 덜 관심이 집중됐으며, 특히 생물 부식의 추진자와 자연적인 가변성에 관점은 거의 조명되지 않았다.
이 연구는 산호 골격의 실험적인 블록을 이용하여 자연적인 환경 구배 특성이 잘 규명된 하와이 Kāne‘ohe만을 따라 암초 부착과 부식 사이의 균형을 조사했다. 순 부착과 부식을 정량화하기 위하여 전과 후의 microCT(micro-computed tomography) 스캔을 비교하였으며, 연구진은 이 연구의 작은 공간적 규모(수백 미터)에서 pH가 이전의 연구에서 제안됐던 해안으로부터의 거리, 자원 이용 가능도, 기온 및 깊이 등을 포함한 다른 환경 추진자 보다 부착-부식 균형을 더 잘 예측한다는 것을 보여주었다.
생물 부식(bioerosion)을 측정하기 위하여, 연구진은 1년 동안 산호 위에 탄산칼슘의 작은 덩어리를 배치했다. 전통적으로 이러한 덩어리는 암초 위에 배치되기 전 후 무게가 측정된다. 그러나 HIMB 연구진은 각각의 덩어리의 전후에 대한 3-D 이미지를 생성하기 위하여 고분해능 CT 스캔인 microCT를 이용했다. 이 연구의 주저자이며, HIMB 박사 과정 학생인 Nyssa Silbiger는 이러한 새로운 기술이 보다 더 정확한 부식 속도(erosion rate)와 부착 속도(accretion rate)를 제공한다고 밝혔다.
연구진은 산호초에서 pH의 자연적인 가변성의 장점을 취하기 위하여, 하와이 Kāne`ohe만에 서식하는 얕은 산호초 위에 100-ft 단면을 따라 생물 부식 덩어리를 배치했다. 연구는 pH의 영향, 자원 이용 가능도, 온도, 해안으로부터 거리 및 부착-부식 균형에 대한 깊이 등을 비교했다. 암초는 보다 더 산성 해수에서 더 높은 부식 속도로 이동했다. 이러한 조건은 다음 세기 기후 변화에 걸쳐 보다 더 일반화될 것이다.
또 이 연구는 산호초에 대한 연안 해양 화학에서 미세한 규모의 변화의 영향을 조명했다. 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC; International Panel on Climate Change)의 현재 모델은 대양에 대한 pH에서의 변화를 예측했지만, 이러한 예측이 대단히 가변적인 연안 생태계가 포함되어 있는 산호초에 대하여는 문제가 될 소지가 있다. 이 연구는 짧은 거리에 걸쳐 일일 가변성과 해양 pH에서 비약적인 차이를 확인했다.
환경에서 작은 규모의 변화가 생태계 수준의 암초 공정에 영향을 끼칠 수 있다는 것은 놀라운 발견이라고 Silbiger는 밝혔다. 연구진이 미터 단위에 대하여 pH 변화를 관찰했으며, 이러한 작은 pH 변화가 암초 부착-부식(reef accretion-erosion)에서 유형을 유발할 수 있다는 것을 확인했다고 Silbiger는 밝혔다.
Silbiger와 동료 연구진은 microCT 스캔(microCT scan)으로부터 이러한 사실을 확인할 수 있었으며, 전과 후 microCT 스캔이 산호초에 대한 부착-부식을 측정하는 데 최초로 사용됐다. 진행되고 있는 연구에서, 연구진은 부착과 부식의 차이를 구분하고, 특정 생물부식자 집단(즉, 해양 연충류로부터 유발된 구명 대 생물부식 스펀지)으로부터 부식 흔적을 선별하기 위하여 이러한 기술을 이용하고 있다. 또 연구진은 하와이 군도의 훨씬 더 넓은 지역에 걸쳐 부착-부식 균형을 추진하는 요인을 조사하는데 이 기술을 이용하고 있다.
그림1> 하와이 Kāne`ohe만에 1년 동안 배치 된 후 실험적인 산호 블록의 밖(상층)과 내부(하층)의 μCT 스캔 이미지. 생물 부식의 흔적이 블록의 내부에서 확인된다.
Coral reefs persist in a balance between reef construction and reef breakdown. As corals grow, they construct the complex calcium carbonate framework that provides habitat for fish and other reef organisms. Simultaneously, bioeroders, such as parrotfish and boring marine worms, breakdown the reef structure into rubble and the sand that nourishes our beaches. For reefs to persist, rates of reef construction must exceed reef breakdown. This balance is threatened by increasing atmospheric carbon dioxide, which causes ocean acidification (decreasing ocean pH). Prior research has largely focused on the negative impacts of ocean acidification on reef growth, but new research this week from scientists at the Hawai'i Institute of Marine Biology (HIMB), based at the University of Hawai'i - Mānoa (UHM), demonstrates that lower ocean pH also enhances reef breakdown: a double-whammy for coral reefs in a changing climate. To measure bioerosion, researchers deployed small blocks of calcium carbonate (dead coral skeleton) onto the reef for one year. Traditionally, these blocks are weighed before and after deployment on the reef; however, HIMB scientists used microCT (a high-resolution CT scan) to create before and after 3-D images of each block. According to Nyssa Silbiger, lead author of the study and doctoral candidate at HIMB, this novel technique provides a more accurate measurement of accretion and erosion rates.
The researchers placed the bioerosion blocks along a 100-ft transect on shallow coral reef in Kāne'ohe Bay, Hawai'i, taking advantage of natural variability of pH in coastal reefs. The study compared the influence of pH, resource availability, temperature, distance from shore, and depth on accretion-erosion balance. Among all measured variables, pH was the strongest predictor of accretion-erosion. Reefs shifted towards higher rates of erosion in more acidic water - a condition that will become increasingly common over the next century of climate change.
This study also highlights the impact of fine-scale variation in coastal ocean chemistry on coral reefs. Current models from the International Panel on Climate Change (IPCC) predict changes in pH for the open ocean, but these predictions are problematic for coral reefs, which are embedded in highly variable coastal ecosystems. The study found dramatic differences in ocean pH and in the daily variability of pH across a short distance.
"It was surprising to discover that small-scale changes in the environment can influence ecosystem-level reef processes," said Silbiger. "We saw changes in pH on the order of meters and those small pH changes drove the patterns in reef accretion-erosion."
Silbiger and colleagues are learning all they can from the microCT scans, as this is the first time before-and-after microCT scans were used as a measure of accretion-erosion on coral reefs. In ongoing work, they are using this technology to distinguish between accretion and erosion and to single out erosion scars from specific bioeroder groups (e.g., holes from boring worms versus bioeroding sponges). The researchers are also using this technology to investigate the drivers of the accretion-erosion balance over the much larger area of the Hawaiian Archipelago.
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