현재 해양연구의 큰 연구주제 중 하나는 탄소 순환이다. 탄소 순환은 지구의 진화를 이해하는데 필수적이며, 인류가 당면한 기후변화에 직접적인 관계가 있어 매우 중요한 주제이다. 이에 따라 탄소순환과 이와 연관된 친생물성 성분의 경로를 규명하고 정량화하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 
이산화탄소는 대기와 해수면 사이에서 교환된다. 해수의 표층에 있는 이산화탄소는 기초생산자의 광합성을 통해 입자형태의 유기탄소로 변환된다. 입자성 유기탄소는 중력에 의해 심해로 가라앉으면서 미생물을 통해 분해되거나 먹이사슬 내에서 순환된다. 그리고 일부만이 해저면에 퇴적된다. 퇴적된 입자 물질의 표면은 미생물이 새로운 공간과 에너지를 제공한다. 퇴적층 상부층에서 미생물의 활동은 영양염 및 미량성분의 재광물화를 촉진시킨다. 분해된 친생물성 성분은 수층(水層)으로 다시 공급되어 수층의 기초생산에 큰 영향을 준다. 퇴적물과 수층 사이에서 일어나는 입자성 유기물 “퇴적-분해-생산” 피드백 순환은 해양 생태계와 환경의 특성을 결정하는 주요 요인으로 “수층-저층 연결고리 (benthic-pelagic coupling)”라 한다. 
한편, 유광대의 해저면의 생산력은 심해에 비해 월등히 높다. 따라서 이 곳에서 탄소의 순환은 생물의 탄소 공급원/제거원으로써 중요하다. 그러나 연안의 환경적 수용용량은 작은 규모여서, 외부의 충격(기후변화, 산성화, 빈/무 산소화, 부영양화 등)에 쉽게 깨질 수 있으므로, 이곳에서 탄소순환에 미치는 생태학적인 기능에 대한 연구가 필요하다.
해저면은 탄소 순환에 중요한 곳으로 많은 연구들이 진행되고 있다. 그러나 대부분의 반응이 미생물 활동에 의해 결정됨으로 새로운 분석기법들이 요구된다. 미생물의 활동은 외부의 물리적 요인(수온, 압력, 유속 등)에 쉽게 변질될 가능성이 있어 현장에서 측정할 수 있는 기법들이 개발되어 활용된다. 대표적인 현장 관측 장비는 벤틱랜더, 마이크로프로파일러, eddy correlation method 등이 있다. 현장관측 결과는 측정결과의 신뢰성을 향상시켜 보다 정확한 정보를 확보할 수 있다.

KIOST 관련 연구 사업

우리나라 서해 연안은 넓은 갯벌이 특징이다. 갯벌은 육지와 해양의 경계면에 위치하여 많은 육지로부터 다양한 물질이 공급된다. 이러한 물질은 갯벌에서 복잡한 생지화학적 반응 경로를 거친다. 더욱이 갯벌은 생산력과 생물다양성이 커서 해양 생태계에서 중요한 부분을 차지한다. 따라서 갯벌에 대한 정량적 연구는 환경의 기능 특성과 변화를 이해하는데 필수적이다. 특히, 최근에 전국 연안에서 시행된 갯벌매립은 생물 서식공간 파괴를 야기하여 수산자원 감소를 초래하고 있을 뿐 아니라 입자성 유기탄소의 생촉매 기능을 약화시킬 수 있다.
이와 별도로 서해는 북서태평양 주변해 중 기초생산력이 비교적 높은 곳이다. 수심이 얕아 유기물 중 많은 부분이 퇴적될 수 있다. 더욱이 투수성이 큰 모래퇴적물이 많은 부분을 차지하는 것으로 알려져 있어 다른 대륙붕 해역보다 유기탄소와 친생물성 성분의 순환 속도가 매우 빠를 것으로 예상되고 있다. 그러나 이에 대한 연구는 전무한 상태이다.
우리나라 영해에 속한 동해는 매우 독특한 해양학적 특성을 갖고 있다. 동해 남부는 대한해협을 통해 대마난류가 동해 표층수로 유입되며 지형적인 영향으로 동해 남서부에서 지역적인 용승과 중소 규모의 eddy가 형성된다. 그리고 동해 중부에서 계절적인 극전선이 형성되기도 한다. 이러한 동해의 해양학적 특성은 수주의 기초생산력을 증대시켜 유기탄소의 생지화학적 순환에 큰 영향을 줄 수 있다. 실제로 기존의 동해 연구결과에 의하면 해저면에서 유기탄소의 생지화학적 순환이 매우 활발하고 많은 양이 퇴적물로 매몰되는 것으로 보고되고 있다. 즉, 동해는 탄소의 중요한 저장고 역할을 담당할 가능성이 있다.
2015년부터 시작된 우리원의 주요과제 중 “한반도 해역 신자원도 작성 연구”와 “섬진강하구 관리를 위한 환경변화 연구”는 해저면에서 유기탄소의 생지화학적 순환연구에 새로운 분석기법을 도입하고 있다. 해저면의 유기탄소 연구는 현장관측(in-situ measurement)이 매우 중요하다. 사진 1은 우리원에서 개발한 심해저용 벤틱랜더(KIOST Belc II & Belp II ) 이다. 이 장비는 배양 챔버(Belc II )와 마이크로 프로파일러(Belp II )로 구성된다.
벤틱랜더는 완전 자동화된 장비이다. 벤틱랜더를 선상에서 투하하면, 초당 0.5 미터 이하의 속도 하강하여 해저면에 착지한다. 착지 후 미리 설정한 시간이 되면 배양 챔버는 자동으로 뚜껑을 닫고 배양수의 용존산소를 측정한다. 이와 별도로 설정한 시간 별로 챔버 내의 배양수를 자동으로 채수한다. 채수된 물은 연구목적에 따라 다양한 항목을 분석하여 퇴적물과 해수 경계면에서 교환되는 물질의 교환 플럭스를 추정할 수 있다.
사진 3은 공극수의 용존산소 농도를 고해상도로 측정하는 마이크로프로파일러 이다. 이 장비는 해저면 경계면에서 산소 확산에 의한 소모율과 표층퇴적층 수 mm 내에서 미생물의 호흡율을 측정할 수 있는 특화된 장비이다. 최근 새로운 분석기법으로 개발되고 있는 eddy correlation method (EC method)는 완전 비파괴 분석장비로 벤틱챔버와 마이크로프로파일러를 활용할 수 없는 암반, 모래퇴적물, 잘피밭, 산호초등에서 산소 플럭스를 정확히 측정하여 해저면 생태계에서 유기물의 생산/소모의 순 양을(net ecosystem metabolism) 추정하는 장비이다. (사진4. KIOST EC I ) 
벤틱 랜더의 현장 실험을 통해 남해 해저면에서 유기탄소의 생지화학적 순환 및 영양염의 저층 플럭스를 추정하여 입자성 유기탄소의 정확한 수지와 benthic-pelagic coupling 영향을 이해할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 마이크로프로파일러 및 EC method는 섬진강 하구의 투수성 모래퇴적물의 생태학적 기능을 이해할 수 있는 좋은 분석기법으로 판단한다.

국제 동향

미국, 독일, 일본 등은 유기탄소의 생지화학적 연구에 첨단 현장 분석기법을 개발하여 적용하고 있다. 연안의 경우 저서 생태계 관련 탄소의 대사율(benthic metabolism) 이해에 주목하고 있다. 한편, 심해는 주로 퇴적물에서 유기탄소의 수지(mass budget)를 추정하는 데 관심을 둔다. 미국 MBARI의 켄 스미스 박사팀은 장시간 동안 심해저에서 이동하면서 배양시험과 시료채집을 할 수 있는 벤틱 로버를 개발하여 기후변화가 심해 생태계에 미치는 영향에 대한 모니터링 연구를 진행하고 있다. 또한 독일 막스플랑크 해양미생물 연구소와 AWI 등은 공동으로 현장관측센서 및 장비를 개발하여 퇴적물-해수 경계면에서 질소, 황, 메탄 등의 새로운 반응 경로 연구를 수행하고 있다. 특히, 최근에는 남덴마크대학과 일본 JAMSTEC 연구소가 11,000미터의 마리아나 해구에서 매우 역동적인 탄소의 순환율을 측정하였다.
최근에 개발중인 EC method는 비파괴 분석 특성으로 인해 기존 방법으로 측정이 어려웠던 잘피밭, 산호초, 모래퇴적물, 극지 얼음 등에서 생태학적 기능과 유기탄소의 생지화학적 순환 연구가 활발히 진행되고 있다.

결론 및 제언

지난 수십 년 간 해저면에서 입자성 유기탄소의 생지화학적 순환 연구는 전지구적 탄소 수지를 추정하는데 목적을 두었다. 초기 연구는 단순히 저층 플럭스의 정량화로 해저면 자생광물의 성장에 미치는 요인 파악, 수주의 생산력과 유기탄소 산화율과의 상관관계 규명 등에 국한되었으나, 현재는 기후/환경 변화에 따른 저층 생태계의 환경 대사의 반응 등으로 다양화 되고 있다. 특히 질량분석기와 광센서 등 첨단 분석기법을 응용하여 다 학제간 연구로 개발되고 있다.
우리원은 조만간 대양 종합 조사선을 확보할 예정이다. 심해저에서의 유기탄소 순환 연구는 대양 연구에 필수적이다. 그러나 현장관측의 어려움으로 이 연구를 할 수 있는 능력을 보유한 곳은 극히 일부이며 신뢰성이 있는 현장관측결과는 새로운 현상을 밝히는데 필수적으로 요구된다. 대양의 심해 연구는 우리나라 해양과학기술을 발전에 필수적이며, 국가가 추진하고 있는 핵심 과학기술 분야로도 육성할 수 있다. 더불어 정확한 현장관측 결과의 도출은 연구결과의 신뢰성 향상과 선도화 큰 기여를 할 것으로 판단된다.

글 | 환경기반연구센터  이재성  책임연구원