水생태계 유기물, 환경 변화에 따라 온실가스 배출량 다르다
지구 온난화 등 기후 변화에 따른 생태계 유기탄소 변환 기작 예측 모델 개발 KBSI-중국과학원 국제공동연구, 세계적 권위의 국제학술지 Environmental Science & Technology誌 표지논문 및 Nature Communications誌 게재
하천, 호수와 같은 담수생태계 내 용존유기물*의 탄소 변환 기작을 예측할 수 있는 방법이 개발됐다. 탄소중립에 효과적으로 대응할 수 있는 담수생태계 관리방안에 대한 과학적 근거 제공이 가능할 것으로 전망된다. * 용존유기탄소라고도 불리며, 지구상 전체 유기탄소의 최대 20%를 차지하고, 해양 및 담수 시스템에 풍부하게 존재하는 물질로, 생물학적 또는 화학적인 반응에 의해 분해되어 최종적으로 온실가스의 형태로 전환되기도 함.
한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 연구장비운영부 장경순 박사 연구팀과 중국과학원 난징지질호소학연구소 Jianjun Wang 박사 연구팀이 공동으로 담수생태계 내 존재하는 다양한 용존유기물이 지구온난화, 부영양화 등 세계적인 기후 변화에 따른 변환 기작을 분자 수준에서 예측할 수 있는 생태학적 분석 모델을 개발했다고 27일(수) 밝혔다.
전 지구적 규모의 탄소 순환 과정에서 전체 지구표면의 약 2%에 불과한 담수생태계가 대기로 내뿜는 온실가스량은 실로 막대하다. 매년 약 95억톤의 이산화탄소가 화석연료 사용에 의해 배출되는데, 그 규모의 20%에 해당하는 약 19억톤의 이산화탄소가 하천, 호수와 같은 담수생태계에서 자연적으로 방출된다. 이에, 글로벌 탄소중립 실현을 위해서는 담수생태계의 온실가스 배출 기작에 대한 이해와 효과적인 관리가 꼭 필요하다.
그림1. 중국 Laojun산과 노르웨이 Balggesvarri산에서 온도 및 영양분 변화에 따른 호수 퇴적층에서의 미생물 군집과 용존유기물의 변화를 분석하기 위한 실험조건_(a)동일 지역의 산에서는 고도가 높아짐에 따라 온도가 낮아지므로, 기후대가 다른 두 지역에서 고도에 따른 온도별 차이를 확인하기 위한 실험을 진행, (b) 글로벌 차원의 부영양화를 모사하기 위해 두 지역에서 각 10개의 고도별 장소에 질소와 인과 같은 영양분 농도가 다른 각 10개의 실험조건을 구축, (c) 서로 다른 기후대에서 온도 및 영양 변화에 따라 미생물과 용존유기물의 상관관계가 어떻게 변화하는지 확인한 결과
공동연구팀은 담수생태계에 다양하게 존재하는 용존유기물의 기능적 특성에 따른 분류 기준을 새로 제시하고, 지구온난화와 부영양화라는 두 가지 기후 위기 요인에 의해, 이를 분해 또는 변환하는 미생물과 여러 환경요인과의 상관관계를 분자 수준에서 확인하고자 했다. 이를 위해, 중위도 아열대와 고위도 아한대 지역을 대표하는 중국 Laojun산과 노르웨이의 Balggesvarri산에서 ‘온도 변화’(temperature elevation) 및 ‘영양 과다’(nutrient enrichment)에 따른 호수 퇴적층을 모사, 미생물 군집과 용존유기물 조성의 변화를 비교․분석했다.
그 결과, 미생물 군집이 용존유기물의 조성에 가장 큰 효과가 있으며, 온도 변화보다는 영양 상태에 따른 미생물의 군집 변화가 중요한 영향을 끼친다는 사실을 확인할 수 있었다.
특히, 용존유기물을 미생물에 의한 생물학적 분해 정도를 나타내는 반응성(reactivity)과 잠재적인 생화학적 변환 정도*를 나타내는 활성(activity)이라는 지표 특성에 따라 4개 그룹**으로 나누고, 각 그룹의 해당 물질들이 기후 변화 요인인 ‘온도 변화’와 ‘영양 과다’에 따라 어떻게 반응하는 지를 확인해 봤다. * 잠재적인 생화학적 변환 정도 : 초고분해능 FT-ICR 질량분석 결과를 바탕으로, 특정 유기물질이 미생물이 가진 효소에 의한 생화학적 반응이나 환경의 산화-환원 조건 등에 의해 다른 화합물로 전환 또는 변환(생산)되는 정도를 의미 ** (labile-active) 미생물에 의해 잘 분해되고, 잠재적인 생화학적 변환 정도가 큰 물질 (recalcitrant-active) 미생물에 의해 잘 분해되지 않고, 잠재적인 생화학적 변환 정도가 큰 물질 (recalcitrant-inactive) 미생물에 의해 잘 분해되지 않고, 잠재적 생화학적 변환 정도가 적은 물질 (labile-inactive) 미생물에 의해 잘 분해되고, 잠재적인 생화학적 변환 정도가 적은 물질
그림2. 담수와 같은 자연생태계에는 다양한 용존유기물이 존재하며, 이들은 주변의 환경 변화에 따라 다양하게 반응함. 기존에 미생물에 의한 생물학 분해 정도(reactivity) 만으로 반응 정도를 해석했다면, 본 연구에서는 용존유기물이 가진 잠재적인 생화학적 변환 정도(activity)가 환경 변화에 따른 반응성을 해석하는 데 보다 중요하게 작용한다는 내용을 형상화함.
실험결과, 생화학적 변환 정도가 큰 물질의 탄소 전환은 미생물에 의한 영향을 많이 받지만, 생물학적으로 잘 분해되지 않고 생화학적 변환 정도가 적은 물질의 탄소 전환은 온도 변화보다는 산화-환원 조건이나 미네랄 흡착과 같은 외부 환경요인에 의한 영향을 많이 받는다는 것을 관찰할 수 있었다.
또한, 아열대 지역은 영양 농도가 높아짐에 따라 생화학적 변환 정도가 큰 물질이 미생물에 의해 분해되어 줄어들고, 아한대 지역은 반대로 높은 영양분 조건에서 생화학적 변환 정도가 적은 물질이 환경요인 등에 의해 분해되는 것이 확인됐다. 이를 통해 기후대에 따라 미생물에 의한 용존유기물의 변환 기작이 다르게 작용한다는 것을 알 수 있었다.
사진1. 공동연구자 사진_(왼쪽부터) 장경순 책임연구원(공동제1저자 및 공저자), 중국과학원 난징지질호소학연구소 Jianjun Wang 교수(교신저자)
사진2. 활용 연구장비(초고분해능 15 T 퓨리에변환 이온싸이클로트론공명 질량분석기, 15 T FT-ICR MS) 및 연구하는 모습 이미지
KBSI 장경순 박사 연구팀은 선도연구장비인 초고분해능 FT-ICR 질량분석 시스템을 활용, 도출된 용존유기물에 대한 분석데이터를 이용해 4개의 기능적 특성그룹으로 분류하여, 각 그룹에 해당하는 물질들의 환경 변화 모사실험 해석을 위한 모델링 변수를 도출했다. 중국과학원 Jianjun Wang 박사 연구팀은 현장 실험 디자인 및 수행, 미생물 군집분석과 모델링을 수행했다.
본 연구결과는 KBSI의 선도장비 이용자 활성화 사업과 과기부의 해양극지기초원천기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 두 편의 논문에 관련 내용이 실렸다. 환경과학 분야 최상위 학술지인 Environmental Science & Technology誌[논문명: Microbial and environmental processes shape the link between organic matter functional traits and composition, IF=9.028, 장경순(공동제1저자), 중국과학원 난징지질호소학연구소 Jianjun Wang(교신저자)]에 7월 19일 표지논문으로 게재됐으며, Nature Communications誌 온라인판[논문명: Ecological networks of dissolved organic matter and microorganisms under global change, IF=14.919, KBSI 장경순(공저자), 최미라(공저자), 중국과학원 난징지질호소학연구소 Jianjun Wang(교신저자)]에 6월 23일 게재됐다.
KBSI 장경순 박사는 “기존에 하천, 호수와 같은 담수생태계에서 부영양화가 심할수록 더 많은 온실가스가 나온다는 보고가 있었지만, 용존유기물 조성이 온실가스 변환에 미치는 영향을 보고한 연구는 없었다”며, “이번 연구로 국내는 물론, 다른 기후대에서의 담수 내 존재하는 미생물 군집, 영양 정도 및 용존유기물 조성을 고려해, 온실가스의 배출 저감을 위한 맞춤형 관리방안의 필요성을 확인할 수 있었고, 향후 후속 연구를 통해 보다 실용적인 관리방안을 제안할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. <끝> | 
