지구 기후가 어떻게 발달하는가를 예측하기 위하여, 과학자들은 해양에 의해 자연적으로 고정 및 배출되는 미량 원소와 기체가 무엇인지, 그 양은 얼마나 되는지 등을 규명할 필요가 있다. 바이오매스 생산에 필수 원소인 질소(nitrogen)에 대하여, 풀리지 않은 많은 의문이 남아 있다. 독일 GEOMAR(Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel) 소속의 연구진은 최근 네이처(Nature)에 발표한 연구에서 광범위하게 적용된 방법이 이러한 문제의 일부를 지니고 있다는 사실을 보여주었다.

 

물론 과학자들은 측정 결과가 서로서로 잘 맞아 떨어지는 것을 선호한다. 그러나 과학자들이 자연에서 측정하여 수치를 비교할 때, 결과가 순조롭게 얻어지는 경우는 거의 없다. 현대의 사례는 해양-질소 부하량(marine-nitrogen budget)이다. 여기서 질문은 다음과 같다. 얼마나 많은 질소가 해양에서 고정되며, 얼마나 많은 질소가 해양으로부터 방출될 것인가? 이 질문에 대한 해답은 미래 기후 발달을 예측하는 데 중요하다. 모든 유기체는 유전 형질과 바이오매스를 구축하기 위하여 고정된 질소를 필요로 한다고 GEOMAR 소속의 Julie LaRoche 교수는 설명했다.

 

과학적 노력에도 불구하고, 질소 부하량은 분명한 딜레마에 시달리고 있다. 장기적인 기후 기록(climate archive)으로 해양 침전물의 분석, 즉 해양 침전물에서 얻은 질소-동위원소 자료를 통하여 얻은 해양-질소 목록(marine-nitrogen inventory)은 고정된 질소의 양이 과거 3000년 동안 배출된 질소의 양과 동일하다는 것을 보여주었다. 그러나 해양에서 현대의 측정은 배출된 질소의 양이 고정된 질소의 양을 초과한다는 것을 증명했다. 이러한 결과는 질소 부하량에서 격차를 보여주었으며, 과거의 장기적인 재현과 현대에 이르는 단기 측정 사이에 모순이 있음을 보여준다.

 

2010년 GEOMAR 소속 미생물학자인 Wiebke Mohr는 이러한 모순이 부분적으로 현대적인 생물학적 질소 고정(biological nitrogen fixation)을 측정하는데 광범위하게 이용되는 방법들에 기인한다고 지적했다.

 

이러한 결과에 이어서, GEOMAR 소속의 과학자, CAU(Christian-Albrechts-University of Kiel), MPI(Max Planck Institute for Marine Microbiology), 캐나다 댈하우지 대학(Dalhousie University) 및 독일 브레멘 대학(Bremen University) 등의 연구진은 Mohr가 제안했던 새로운 접근을 대서양에서 테스트했다. 동 연구의 결과는 최근 네이처(Nature) 저널에 발표됐다.

 

Collaborative Research Centre 754(Sonderforschungsbereich 676)와 SOPRAN 프로젝트가 후원한 이 연구는 독일 연구 선박인 METEOR호와 POLARSTERN호에 승선하여 수행됐으며, 열대와 적도 대서양 및 온대 대서양 등에 위치한 다양한 지역에서 해수 시료를 채취했다. 각각의 기지에서, 한 개의 시료는 광범위하게 적용되고 있는 오래된 방법으로 처리됐으며, 한 개의 시료는 질소 고정 평가를 위하여 새로운 방법으로 처리됐다. 이후 시료는 MPI Bremen에서 측정됐다.

 

직접적인 측정을 기반으로 하는 균형 잡힌 해양-질소 부하량의 생성은 약 200?Tg?N?yr?1 가까이 탈질소 고정으로부터 얻어진 질소 소실 초과로 입증하기는 어렵다. 이 연구에서 연구진은 대서양으로부터 얻은 자료를 제시하여 가장 일반적으로 사용되고 있는 해양 질소 고정 속도를 측정하는 방법이 새롭게 개발된 방법과 비교하여 질소 고정 미생물(N2-fixing microorganism, diazotrophs, 질소자급영양체)의 기여를 과소평가하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 동 연구의 결과는 오래된 방법이 특정 유기체에 의한 질소 고정 속도를 과소평가하고 있다는 것을 명확하게 보여주었다고 이 논문의 주저자이며 GEOMAR 소속의 과학자인 Tobias Groβkopf는 밝혔다. 새로운 방법은 과거의 오래된 방법보다 62~600 % 더 높은 속도로 측정됐다.

 

또 Groβkopf와 그의 동료 연구진은 미생물 군집의 조성을 분석하여 물에 있는 미생물의 종류와 두 가지 방법으로 밝혀낸 질소 고정 속도 사이에 상관관계를 확인했다. 오래된 방법으로 측정된 속도는 해수의 깊은 곳 또는 표면에 가까운 곳 등 미생물이 거주하는 위치에 따라 변화를 측정했다. 새로운 방법은 이러한 편차를 피할 수 있었다고 Groβkopf는 강조했다.

 

그러나 질소 하량에서의 격차는 질소 고정의 개선된 측정 방법으로 완전히 차단된 것은 아니다. 그 이유는 우리가 아직까지 질소 고정과 관련된 모든 공정에 책임이 있는 미생물을 모두 알지 못하기 때문이라고 Groβkopf는 설명했다. CAU 소속의 미생물학자이며, 이 논문의 공동 저자인 Ruth Schmitz-Streit 교수는 Collaborative Research Centre 754 내에서 연구진이 질소를 고정하는 7개의 새로운 미생물 군집을 규명했으며, 아직까지 많은 종이 규명되기를 기다리고 있다고 덧붙였다.

 

GEOMAR에서 연구팀을 주도하고 있는 LaRoche 교수는 과학적 방법이 적용되기 전 주의 깊게 테스트되어야만 한다는 사실을 증명했다는 점에서 이 연구가 중요하다고 밝혔다. 2012년 2월 GEOMAR에서 국제 워크숍이 진행되는 동안, LaRoche는 이미 해양에서 생물지구화학적인 흐름을 분석하는 일관되고 신뢰할 수 있는 방법을 지지했다. LaRoche는 우리가 연구 결과를 비교하기 위하여 전 세계적으로 일반적인 기초에 근거하여 연구를 수행할 필요가 있다고 강조했다.

 

그림1> 거품 추가(bubble-addition) 방법과 용해(dissolution) 방법의 비교
a, 모든 기지 및 깊이에 대한 질소 고정 속도, b, 모든 기지 및 깊이에 대한 탄소 고정 속도

 

  [출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑(GTB)』]