해양 산성화란?

산업혁명 이후 급격히 증가한 대기 중 이산화탄소(CO2)의 약 1/4 이상이 해양으로 흡수되면서 해수의 수소이온 농도가 증가되어 해수의 pH가 낮아지게 되는 현상을 통상적으로 "해양 산성화(Ocean acidification)"라 부른다. 그러나 실제로 해양의 pH 수치가 7이하로 내려가서 산성화될 것이라고 절대 혼돈해서는 안된다. 해수의 pH가 7이하로 내려가는 건 현실적으로 거의 불가능하기 때문이다. 해양 산성화가 일어나더라도 해수의 염기성은 줄어들겠지만 산성으로는 절대 변하지 않는다. 즉,  "해양 산성화"는 해수의 pH 감소과정과 이에 파생되는 영향을 말한다. 

[수소이온 농도에 따른 pH수치 및 각 pH수치에 대표되는 용액의 예]

해양의 산성도는 산업혁명이후 약 30% 증가하였으며 지금과 같은 추세로 대기 이산화탄소 농도가 지속적으로 증가한다면 21세기 말에는 pH가 0.2-0.4정도 낮아질 것으로 추정되고 있다. 지질학적 기록에 따르면 해양산성화는 이미 과거에 수차례 발생되었으며, 약 5천 5백만년 전에 발생했던 산성화는 탄산칼슘을 골격으로 하는 해양생물종들의 대량 멸종과 연관되어 있다. 이 산성화는 수 백만년에 걸쳐 서서히 진행되었음에도 불구하고, 산호초가 이로부터 회복하는 데에는 백만년 이상이 걸렸다. 
한편 지금의 산성화는 산업혁명 이후 약 250년 동안 pH가 0.1 정도 낮아져 과거의 산성화보다 약 100배 이상 빠르게 진행되고 있다. 현재와 같은 속도로 산성화가 진행된다면 몇 세기 안에 열대 해역에서는 산호가 사라지고 대부분의 극지해역에서도 탄산칼슘 골격을 가진 해양생물의 골격이 녹기 시작할 것이다. 이러한 변화는 궁극적으로 먹이사슬과 생물다양성, 수산자원에도 심각한 영향을 미치게 될 것이다.

[북태평양 하와이 마우나 로아(Mauna Loa)와 하와이 근해 알로하(Aloha) 정점에서 관측된
대기 및 해수의 이산화탄소 농도와 해수 pH의 시계열 자료]
Data source: 대기 이산화탄소 농도 - US NOAA ESRL DATA, 해수 이산화탄소 분압 및 pH - taken from Hawaii Ocean Time-series data(cited from Dore et al. (2009)). 

해양 산성화의 발생 원리

대기 중의 이산화탄소 농도가 증가하면 해양으로 용해되는 이산화탄소의 농도도 증가하게 되는데, 이는 대기와 해양의 이산화탄소 농도 평형을 유지하려는 화학적 균형 때문이다. 해수로 흡수된 이산화탄소는 물(H2O)과 반응하여 중탄산염(HCO3-)과 수소이온(H+)을 만들어 낸다. 이 때 발생한 수소이온은 산호 등과 같은 해양생물이 탄산칼슘(CaCO3)골격을 만드는데 필요한 탄산이온(CO32-)과 반응하여 중탄산염을 형성한다. 이에 따라 해수 중 탄산 농도 평형이 이동하며 탄산칼슘의 형성이 어려워지게 된다. 그리하여 해양의 가장 중요한 화학적 특성 중 하나인 화학적 완충능력(buffer)이 저하된다. 그리고 해양의 이산화탄소 흡수량은 해수온과 반비례하므로 해수온이 낮은 극지방이나 심층수가 표층으로 용승하는 해역에서의 산성화는 더욱 심각할 수 있다. 아직 대기 중의 이산화탄소 증가로 인한 기후변화 영향에 대해서는 많은 것들이 불확실하지만, 이러한 대기 중 이산화탄소 증가로 인한 해수의 산성화는 현재 진행되고 있으며, 미래 대기의 이산화탄소 변화 양상에 따라 예측도 가능하다. 따라서 만약 지구의 온도를 내리고 이산화탄소를 제외한 온실가스량을 낮춘다고 하더라도 해양 산성화가 멈추는 건 아니다. 산성화는 기후보다는 과다한 이산화탄소의 배출로 인하여 발생하는 또 다른 환경 문제인 것이다. 또한 해양 산성화는 해양의 대기 이산화탄소 흡수 능력을 저하시켜 대기 중 이산화탄소 농도안정화를 더 어렵게 할 것이다. 그리하여 최근에는 온실가스 방출 저감을 위한 협의에 해양 산성화도 하나의 의제로 포함되어야 한다는 목소리가 많다.

[대기 중 이산화탄소의 해양 용존 및 해양에서의 해수 탄산염 화학 - 복잡한 연쇄 화학 반응 및 화학 평형; K1, K2는 탄산과 중탄산염 해리(解離)평형 상수로서 해수의 물리, 화학적 특성에 영향을 받음] 

해양의 이산화탄소 흡수능 저하

제거되고 있다. 하지만 산성화로 인해 탄산칼슘을 골격으로 하는 생물량이 감소하거나 비정상적인 골격을 형성하여 이들 사체의 침강 속도가 감소하는 등 표층에서 심층으로 제거하는 이산화탄소량이 줄어들게됨에 따라 탄소배출감축량은 더욱더 필요할 것으로 보인다. 이러한 추가적 탄소 저감 비용(탄소감축 비용: 톤당 20-200 $)을 실제 경제적 가치로 추정해 보면 년간 약 4백∼4천억 정도(0.1-1% 총세계 생산량)로 추산된다. 해양 산성화는 해양의 대기 이산화탄소 흡수능을 저해시켜 대기 중 이산화탄소 농도 또한 증가시킬 것이다. 이러한 산성화를 비롯한 여러가지 전지구적 환경문제를 최소화하기 위해 대기 중 이산화탄소 농도 안정화를 위한 노력을 적극 추진해야한다. 

해양 산성화의 생물 및 생태적 영향

해양 산성화로 인해 1차적으로 발생하는 현상은 해수 내에 용존 이산화탄소량의 증가이며, 2차적 현상은 pH의 감소, 즉, 산성도의 증가이다. 두 현상을 구분하여 생물이나 생태계에 일어날 변화를 다루는 건 쉽지 않다. 하지만 굳이 구분한다면 해수 중 용존 이산화탄소량의 증가는 어류 등을 포함한 전반적인 해양생물의 호흡이나 에너지 저장, 소모 등 생리, 생태에 영향을 주게 될 것이며, pH의 변화는 탄산칼슘을 골격으로 하는 생물들에게 직접적으로 심각한 영향을 주게 될 것이다. 그러나 해양 산성화 외에도 온난화 등과 같은 다른 환경요인들도 상존하고 있으므로 해양 산성화가 해양생물 및 생태계에 직접적으로 미치는 영향만을 현장에서 파악하는 것은 쉽지 않다. 현재 가장 우려 되는 것은 해양 산성화가 지속적으로 진행될 경우 탄산칼슘을 골격으로 하는 생물의 생존 가능성 여부이다. 우선 탄산칼슘으로 형성된 껍질이나 골격은 그 구조나 성분에 따라 크게 두 종류인 산석(霰石, aragonite)과 방해석(方解石, calcite)으로 구분되는데 방해석은 함유된 마그네슘(Mg)의 양에 따라 고마그네슘 방해석 (High Mg-calcite 혹은 Mg-calcite)과 저마그네슘 방해석 (low Mg-calcite 혹은 calcite)으로도 나눌 수 있다. 산석을 골격으로 하는 대표적인 해양생물들에는 산호초 및 익족류(pteropods)가 있으며, 방해석을 골격으로 하는 대표적 생물로는 유공충(foraminifera) 및 석회비늘편모조류(coccolithophorids)가 있다. 또한 성게, 해삼, 불가사리 등의 극피동물 및 일부 산호말류 등은 고마그네슘 방해석으로 골격을 형성하고 있다. 이처럼 생물에 따라 형성하는 탄산칼슘의 형태가 조금씩 다른데 중요한 것은 해양에서 이들 두 가지 형태의 탄산칼슘은 그 포화도(Ω) ^*와 포화수심이 해수의 물리·화학적 특징에 따라 해역별로 큰 차이를 보이고 있다는 것이다.

※ 방해석(calcite)과 산석(aragonite)에 대한 해수 중의 포화도(Ω)는 칼슘(Ca ²⁺ )과 탄산염(CO ₃ 2- )의 농도와 해수의 주어진 온도, 염분, 압력 조건 하에서의 화학적 평형상태의 용존 생산물(stoichiometric solubility product: K × sp _{arag or calc} )로 나누어 구해진다. 방해석의 포화도가 1일 경우 방해석은 해수에 포화상태로 용존되어 있으며 만약 포화도가 1보다 크면 해수 중 용존 방해석은 과포화되어 있어서 방해석의 침전현상이 일어난다는 걸 의미한다.

[해양 산성화로 심각한 영향을 받게 될 것으로 예상되는 대표적 탄산칼슘 골격 형성 생물군: 
(가) 유공충, (나) 익족류, (다) 성게 , (라) 홍합, (마) 굴, (바) 고동, (사) 산호, (아) 게, (자) 바다가재]

[전지구 해양 방해석(Aragonite) 및 산석(Calcite) 포화수심 분포. Source: Feely et al, Science 305 (2004)]

예를 들면 한국 동해의 방해석 포화수심은 산업혁명이후 약 500-700m 상승하여, 현재 약 수심 1,000m 수준을 유지하고 있는 것으로 관측되고 있다. 포화수심이 얕아진다는 건 탄산칼슘을 골격으로 하는 생물이 서식할 수 있는 수심이 점점 얕아짐으로써 그들이 서식할 수 있는 공간이 점점 줄어들게 됨을 의미한다. 이렇게 산성화가 진행될 경우 일부 생물들은 성장과 발달에 장애가 될 뿐만 아니라 궁극적으로는 멸종 위기에 처할 수도 있다. 또한 해수가 산성화되면 10KHz 이하의 저주파 음파의 흡수율이 약화되므로, 선박 엔진 및 군사용 음파 소음 등이 해수 중에 쉽게 전달되어 음파를 이용하여 서로 소통하고 먹이를 찾는 해양 포유류, 특히 고래와 돌고래 등은 생활에 심각한 영향을 받게 될 것으로 예상된다. 
한편, 매우 제한적이지만 해양 산성화로 인해 혜택을 보는 해양생물들도 있다. 예를 들면 빈영양해역에 서식하는 질소고정 ^** 미생물인 Trichodesmium의 질소고정률은 산성화와 함께 증가하며 골격이나 외피를 석회질로 형성하지 않는 불가사리 종(Pisasater ochraceus)의 성장도 증가하는 것으로 보고되고 있다. 

※ 해양에서 독립영양생물이 직접 이용할 수 없는 기체생태의 질소를 생리 작용을 통해 직접 유기 질소 화합물로 바꿀 수 있는 생물체를 의미하며 주로 질소 고정 미생물(일명 시아노박테리아 또는 남조류라고도 불림)에 의해서 일어난다. 대체로 해수 중에 용존된 무기 질소 화합물이 절대적으로 부족한 빈영양해역에서 가장 우점하는 기초 생산자이다.

서식지(산호초)에 대한 위협

산호초 군락은 해양에서 가장 다양한 생태계를 형성하며 열대, 아열대해역에 주로 서식하고 있지만 고위도의 차가운 해역에서도 서식하고 있다. 열대 해역의 산호초 지역은 해양 어종의 약 25%의 서식처와 먹이를 제공하며 전세계 어획량의 9-12%를 차지한다. 물론 차갑고 깊은 심해에 서식하는 냉수산호도 어류의 산란장과 보육장으로써 중요하다. 결론적으로 이들 산호초는 세계 5억 인구를 위한 생계와 식량을 제공하는 것이다. 그러므로 산호초의 심각한 감소 또는 소실은 생물다양성, 식량 감소와 해안선의 해일피해에 의한 완충력을 감소시킴으로서 연안지역사회(communities)의 생존을 위협할 것이다. 미래 해양 산성화는 산호 성장 및 번식, 산호말(coralline algae) 성장, 산호초 구조의 강도 그리고 bio-eroding grazer와 predators의 밀도에도 영향을 줄 것으로 예상된다. 산성화 외에도 산호백화현상의 주원인인 수온상승은 산호초 생존에 추가적인 위협이다. 이러한 수온상승과 산성화의 복합적인 영향은 산호초 생태계에 스트레스를 증가시키게 될 것이며, 산호초의 생존을 위해서는 대기 이산화탄소 농도를 450ppm이하로 유지해야 한다.

수산자원에 대한 위협

어류는 전 지구 어획량의 약 80%이상을 차지하며 인간이 바다로부터 섭취하는 단백질의 대부분을 공급한다. 대부분 어류는 육식성으로 복잡한 해양 먹이망에 의존하고 있다. 대구와 같은 어종은 체내 pH를 자정할 수 있기 때문에 해수의 산성화가 유영능력에 직접적인 영향을 미치지는 않는다. 하지만 어린 열대어(clownfish)의 경우 산성화에 따라 평형 및 위치 감각에 장애가 발생하고 후각기능이 약화되어 쉽게 포식당할 수 있다.궁극적으로는 개체군의 유지가 어려워 질 수 있는 것이다. 하지만 어류에게는 이러한 산성화의 직접적인 영향보다 먹이의 변화와 서식지의 손실과 같은 간접적인 영향이 더 심각한 것으로 고려되고 있다. 예를 들면 북태평양 베링해에서 상위포식자의 먹이원인 익족류(pteropod)의 경우 산성화가 진행되면 방해석 껍질의 형성이 어려워져 개체수가 급감할 것으로 예측되며 이에 따라 이들을 먹이로 하는 상위 포식자(청어, 연어, 고래, 바다새 등)의 생존에도 치명적인 영향을 미치게 될 것이다. 또한 산성화는 해파리 수를 증가시켜 어류의 주 먹이인 동물플랑크톤 뿐만 아니라 어란과 치어에 대한 대량 포식으로 어류의 정상적인 성장과 생존은 크게 위협받게 될 것이다. 그 외에 성게, 불가사리, 해삼, 멍게 등과 같은 극피동물도 어류의 먹이망과 밀접하게 연결되어 있기에 향후 산성화에 따라 이들의 변화가 어류 생산량에도 큰 영향을 미칠 수 있다.

최근 패류와 갑각류 등 해양무척추동물의 양식이 급증하고 있는데 이들 무척추동물들은 여러 성장단계에서 산성화에 대해 민감한 반응을 보이고 있다. 대부분 부유성인 패류와 갑각류의 알과 유생은 산성화에 심각하게 영향을 받는다. 굴의 경우 초기 성장단계에 껍질의 석회화가 감소되며 그들의 형태와 크기도 변형된다. 이는 성체까지 발달과 성장에 심각한 영향을 줄 수 있다. 패류(molluscs)는 전세계 해양 어획량의 8%이지만 양식산업에서 그 중요성은 점차 증가하고 있다. 조개, 가리비, 홍합, 굴, 전복, 소라는 여러 섬과 해안선에 거주하는 인구에 직접적인 단백질 공급원일뿐만 아니라 몇몇 종들은 다른 종을 위한 서식처(mussel beds)를 형성/유지해주는 중요한 역할을 한다. 
또한 대부분의 연체동물들은 다양한 성장단계에서 산성화에 성장감소와 생리저하를 보였으며 새우, 바다가재, 게와 같은 갑각류 또한 일부 종에만 국한한 산성화 연구이나 이산화탄소의 증가와 수온상승이 동시에 진행될 때 더욱더 취약한 것으로 나타났다. 그러므로 산성화 영향은 수온상승, 오염물질 유입 등 인간 활동으로 인해 발생하는 부가적 환경요인에 의해 더욱더 심화될 수 있다. 

해양 산성화의 산업·경제적 영향

해양산성화로 인해 해양환경이 급격히 변화하게 되면, 바다와 연관된 인간 활동에도 필연적으로 사회？경제적인 영향이 발생하게 될 것이다. 가장 직접적으로는어패류의 생산량이 감소하고 그 질이 떨어지는 등 수산업 종사자의 경제활동에 타격을 주게 될 것으로 예상된다. 해양산성화는 해양먹이망을 통한 연쇄적인 영향으로 수산자원에 몇 조원이상의 피해를 입힐 뿐더러 빈민국의 심각한 식량문제를 야기할 것이다. 하지만, 해양산성화에 따른 직접적인 사회？경제적 영향을 정량적으로 예측하는 것은 매우 어려우며 기후변화 및 여타 해양환경을 변화시키는 요인을 종합적으로 고려하여 해양환경관리의 차원에서 접근해야 할 것이다.