지구온난화와 기후변화로 인해 지구상에 나타나고 있는 기현상에 대한 연구는 인류가 이러한 문제에 대처 방안을 찾는데 있어 매우 중요한 단서들을 제공한다. 최근 남극해에 조류 생장이 활발해지고 있고, 이들은 엄청난 양의 대기 중 이산화탄소를 흡수하고 있다.

하지만 해양학들은 이러한 현상에 대해 의아해하고 있다. 조류가 많은 양의 이산화탄소를 흡수하려면 많은 양의 철이 필요한데, 이것이 어디로부터 공급되는지 알 수 없었기 때문이다.

최근 스페인과 칠레 과학자들로 구성된 연구진이 이러한 의문에 한 가지 해답을 제시하고 있다. 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 『환경과학과 기술(Environmental Science & Technology)』 저널 게재가 확정되어 온라인으로 공개된 연구 보고서에 따르면, 풍화작용과 박테리아의 활동으로 암석에서 ’철(iron; Fe)‘ 성분이 해양으로 유입되고 있고, 이러한 현상이 조류의 활동에 상당 부분 영향을 미치고 있다고 주장했다. 즉, 기후변화로 식물성 플랑크톤(Phytoplankton)의 활발한 번식과 이로 인한 해양 이산화탄소 흡수 현상이 가속화되고 있는 셈이다.

암석에서 철 성분이 빠져나와 바닷물로 유입되는 현상은 산성암배수(acid rock drainage; ARD)와 풍화작용이 주요 원인이라고 연구진은 주장하고 있다. 산성암배수 현상은 황 성분을 포함하는 광물이 공기 중에 노출되면서 호산성 황철광(pyrite) 산화 미생물의 활동으로 나타나는 현상이다. 즉, 미생물의 활동이나 풍화작용 모두 기후 변화로 인해 남극 대륙의 암석이 대기 중에 노출되었기 때문이라는 것이 연구진의 분석이다.

남극대륙을 둘러싸고 있는 남극해의 면적은 전체 대양의 약 25%에 불과하다. 하지만 남극해에 서식하는 조류가 흡수하는 이산화탄소의 양은 해양에서 흡수하는 전체량의 40% 정도에 이른다. 연구진은 선행 연구에서 남극해의 식물성 플랑크톤 과다 발생 실태와 이로 인한 이산화탄소 흡수량 변화를 조사해 밝혀낸 바 있다.

하지만 선행연구에서 조류의 이산화탄소 흡수 활동에 영향을 주는 철 성분의 공급 루트는 확인되지 못했었다. 그래서 칠레 컵셉시온대학(University of Concepcion) 번하드 돌(Bernhard Dold) 박사를 주축으로 연구진은 이번 연구에서 남극 대륙의 암석으로부터 얼마나 많은 양의 철 성분이 배출되고 있는지 조사하기 시작했다.

연구진은 세 번의 원정을 통해 남극 대륙에서 물, 암석, 미생물 샘플을 채취했다. 두 번째 원정에서 연구진은 산성암배수에 의해 생성되는 광물을 발견했다. 연구진이 발견한 광물은 ‘슈베르트마나이트(schwertmannite)’라는 것으로, 산성암배수에 의해 생성되기 때문에 철 성분을 많이 포함하고 있는 것이 특징이다.

연구진은 풍화작용으로 매년 450톤의 철 성분이 바다로 유입되고 있으며, 산성암배수 현상에 의해서도 대략 1,000톤의 철 성분이 바다로 유입되고 있다고 추산했다. 아울러 연구진은 이러한 추산을 통해 다른 경로를 통해 매년 대략 1,000톤의 철 성분이 바다로 유입되고 있는 것으로 보인다는 예측을 내놓았다. 이상의 연구 결과는 남극해 조류 발생 원인에 대한 큰 그림을 제시했다는 점에서 의미를 부여할 수 있겠다.

 

Phytoplankton in the Southern Ocean pull down a large amount of carbon dioxide from the atmosphere. Oceanographers have wondered where these photosynthetic microbes get enough iron to fuel this process. A new study suggests that iron leached into the sea from rock weathering and bacterial activity on Antarctica may be part of the answer (Environ. Sci. Technol. 2013, DOI: 10.1021/es305141b). Climate change could actually accelerate this iron release, leading to larger blooms of phytoplankton and more carbon dioxide uptake by the ocean, the researchers say.

 

Though the Southern Ocean around Antarctica encompasses only about a quarter of the global ocean, algae there take up roughly 40% of all the carbon dioxide that the planet’s seas absorb. Previous studies have shown that the level of phytoplankton growth in the Southern Ocean, and as a result how much carbon dioxide the sea can absorb, depends on the amount of iron in the water. But researchers have had a difficult time accounting for how enough iron enters that sea to fuel its high level of algal growth.
 

A group of Spanish and Chilean researchers led by Bernhard Dold, a geochemist at Chile’s University of Concepcion, set out to estimate how much iron might be liberated from Antarctic rocks. They considered two key processes. Weathering caused by wind and water breaks down rocks chemically, forming iron oxides. Also, through a process called acid rock drainage, bacteria oxidize iron-containing minerals such as pyrite, transforming the iron into a soluble form. Both processes free iron that can then wash into the ocean, either through runoff or groundwater.
 

The team went on three expeditions to Antarctica to collect water, rock, and microbe samples. Their second trip got cut short as they had to retreat to their icebreaker ship via helicopter to dodge an approaching storm. But before leaving, they observed that schwertmannite, an iron-rich mineral produced through acid rock drainage, had turned much of the ice in the protected cove where they were working reddish brown. The storm ultimately pushed the schwertmannite ice out to sea, a potential mechanism along with ocean currents for transporting iron away from land, the researchers say.
 

The team found that phytoplankton blooms coincided with times when the iron transport was likely to be greatest, suggesting a linkage between iron from the continent and algal growth. Overall, the researchers estimate that rock weathering releases some 450 million g of iron per year into the sea, and acid rock drainage another 1 billion g of dissolved iron. These estimates put the rocks on par with other major iron sources. For example, dust blown from other continents deposits about 1 billion g of iron into the Southern Ocean each year.
 

“This is one more piece of the puzzle,” says Kenneth S. Johnson, an ocean chemist at the Monterey Bay Aquarium Research Institute in Moss Landing, Calif. “The whole Southern Ocean is just starved for iron, so any kind of source is possibly significant.”
 

The researchers say that as global temperatures increase and Antarctic ice melts, the magnitude of these iron releases likely will grow, because weathering and acid rock drainage expand as temperatures and rock exposure increase. This could mean a welcome, if small, mitigating effect to climate change by accelerating phytoplankton growth and carbon dioxide uptake in the Southern Ocean.