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Korea Institute of Ocean Science & Technology

Rising Acidity Brings An Ocean of Trouble

  • 조회 : 3580
  • 등록일 : 2013-12-31
Rising Acidity Brings An Ocean of Trouble
해양산성화는 바다에 골칫거리 문제를 가져오고 있음

 

□ 2012년 7월 13일, SCIENCE (NEWS FOCUS)

 

이산화탄소 배출로 인해 바다의 화학성분이 변하면서 패각을 형성하는 바다생물을 비롯한 해양생태계에 피해를 가져오고 있음

 

미국 오레곤주 네타르트만(Netarts bay)에 위치한 굴유생 양식장(oyster larvae hatchery)은 해양산성화로 인해 해양생태계가 입는 피해를 잘 보여주고 있음. 미국 서부해안은 여름철 북풍이 불면 심층수를 표층해수로 밀어올리는 용승작용이 일어남. 이곳 심층수는 바닥에 가라앉은 유기물을 미생물이 대사활동을 통해 분해시키며 배출한 이산화탄소로 가득차 있음. 이산화탄소가 풍부한 심층수가 네타르트만으로 흘러들면 Whiskey Creek 지역에 산재한 양식장에서 사육하는 굴유생들이 죽거나 성장이 멈추게 되며 2007년과 2008년에 연간 유생생산량의 80%를 잃음. 과학자와 양식업자의 협력으로 이 문제의 원인이 해양산성화에 있음을 알아냈으며, 용승작용이 끝난 이후 해양산성도가 낮아진 이후에만 바닷물을 유입시키고 있음. 하지만 이런 대책으로는 미국 서부해안에 산재한 조개양식장의 피해를 막지는 못할 것임. 심층수의 문제가 아니라 바다 전체가 산성화 될 수 있기 때문임.

 

매년 화석연료로 인해 배출되는 이산화탄소는 350억 톤에 달함. 대기 중 이산화탄소의 25%가 바다로 녹아들어감. 이산화탄소가 풍부한 바닷물은 산성을 띠게 됨. 그 원리는 이러함. 이산화탄소가 해수와 반응하면 탄산(carbonic acid, H 2 CO 3 )이 됨. 탄산은 다시 음이온을 띤 중탄산이온(bicarbonate, HCO 3 - )과 산성을 가져오는 수소이온(H + )으로 분리됨. 중탄산이온이 수소이온 하나를 더 잃으면 해양생물이 패각형성에 이횽하는 탄산염이온(carbonate, CO 3 2 - )이 됨. 바다 산성도가 강해지면 수소이온이 많아지게 되며, 이때 탄산염은 많아진 수소이온과 결합하여 중탄산염으로 됨. 결과적으로 산성도가 강해지면(pH가 낮아지면) 탄산염이 줄어들고 중탄산염이 많아지게 됨. 따라서 탄산염을 이용하는 해양생물이 피해를 입게 되는 것임.

 

산업혁명 이후 바다 산성도(pH)는 8.2에서 8.1로 낮아짐. pH는 로그단위를 쓰기 때문에 0.1 감소는 산성도가 30% 증가한 것과 맞먹음. 2100년까지 바다 산성도는 7.8까지 낮아질 것이며 이는 산성도가 150% 증가하는 것을 의미함. 엄밀히 말하면 세상의 바다는 산성화 되지 않을 것임. 산성은 pH가 7.0 이하로 떨어져야 하는 것임. 하지만 pH 8.2보다 7.8이 산성도가 강하기 때문에 8.2에서 7.8로 낮아지는 현상을 해양산성화로 부르는 것임.

 

탄산염 이용도는 방해석과 아라고나이트의 탄산칼슘 포화도 값을 떨어뜨림. 아라고나이트는 수용성이기 때문에 산성도에 더욱 민감하며 굴유생이 패각을 형성하는데 필요한 필수성분임. 아라고나이트 포화도가 1.0 이하로 떨어지면(저포화상태) 이미 형성되어 있는 아라고나이트 탄산칼슘이 녹게 될 것임. 문제는 그 이전에 발생하게 됨. 아라고나이트 포화도가 1.5 이하로 떨어지면 일부 패각형성 생물들은 유생시기에 패각을 형성할 수 없어 빠르게 사망함. 2008년 오레곤에서 굴부화장이 붕괴에 직면했을 당시에는 바다 산성화를 주범으로 여기지 않았으며 유해조류나 비브리오균( Vibrio tubiashii )에 의한 것으로 여겼음.

 

비브리오균은 여름철에 해조류, 잘피와 같은 해양식물이 광범위하게 번성하고 난 후 8월이 되면 위력을 발휘하여 지난 수십 년 간 양식장의 골칫거리였음. 해양식물은 성장하면서 이산화탄소를 흡수하면 바다 산도는 낮아짐(알칼리도가 증가). 식물이 죽고 나면 미생물이 식물을 분해시키고 이후 비브리오균이 증식하여 굴유생을 감염시키고 성장을 저해시킴. 2007년과 2008년 비브리오균 개체수가 많았지자 이 박테리아를 걸러내기 위해 필터를 설치하고 배양수조 해수를 새로 교환했으나 굴유생은 계속 죽었음.

 

이후 NOAA와 오레곤 주립대 연구팀이 투입되어 원인을 밝힌 결과 낮은 산성도값 변동이 굴유생 폐사를 가져온 것으로 나타남. 이 결과는 Limnology and Oceanography 2012년 5월호에 보고됨. 문제의 원인이 밝혀진 이후 미국정부는 Stimulus package의 일환으로 50만 달러를 투입하여 오레곤과 워싱톤주에 있는 굴유생 양식장에 해양산성화를 탐지할 수 있는 탐지기 네트워크를 설치함.

 

관측결과 평시에도 해양식물이 광합성을 위해 이산화탄소를 사용하는 낮에는 이산화탄소 부분압이 200 마이크로기압까지 떨어지며, 밤에는 광합성이 멈추고 호흡이 지속되면서 이산화탄소 부분압이 2800 마이크로기압까지 높아짐. 따라서 양식장들은 하루 중 이산화탄소 부분압이 가장 낮은 시기에 바닷물을 퍼올리고 있음. 만일 용승작용이 이산화탄소 부분압을 높이면 이 시기 동안은 바닷물을 채우지 않음. 이 전략은 상당한 효과를 보임. Whiskey Creek 양식장들은 과거 굴유생 생산의 80%까지 회복됨. 미국의 유명 패류양식업체인 Taylor Shellfish는 더욱 성공적인 결과를 가져옴. 자연상태에서 굴들이 제대로 산란하지 못할 때 양식장에서는 사상 최대의 유생생산량을 기록함. 이제 굴유생 양식장에서 해양산성화 모니터링은 반드시 필요한 것임.

 

하지만 이러한 좋은 소식은 일시적인 것으로 보임. 2012년 사이언스에 출간된 Gruber et al. (2012) 논문에서는 대기 중 이산화탄소 축적에 이은 해양확산으로 인해 대부분 해양생물이 살고 있는 바다 표층 60 m에서 아라고나이트 포화도가 1 미만인 경우가 빠르게 증가하고 있음을 밝혀냄. 이 연구는 캘리포니아 해류 시스템을 대상으로 수행된 것이며 기존 글로벌 모델보다 400배 정교한 해상도의 지역모델을 이용함. 산업혁명 이전에는 캘리포니아해류 상층부에 이런 저포화는 발생하지 않았음. 오늘날 이 지역에서 아라고나이트 저포화현상이 지속되는 기간은 1년 중 2-4%에 해당함. 2050년까지는 이 지역에서 1년 중 절반이 저포화 상태인 시기가 될 것이며 굴유생이 서식할 수 있는 1.5 이상의 아라고나이트 포화도는 표층수에서 거의 찾아보기 힘들 것임. 산성화된 표층수가 깊은 곳으로 퍼짐에 따라 심층수에서는 저포화상태가 연중 계속 존재할 것이며, 이곳에서는 패각형성 생물이 전혀 서식하지 못할 것임.

 

연간 1억 1000만 달러 규모인 미국과 캐나다의 태평양 굴산업이 가까운 장래에 붕괴할 수 있으며 이 글을 읽는 독자 중 누군가는 죽기 전에 이 사건을 겪을 수도 있음.

 

심층수가 용승하는 지역은 남아메리카 칠레, 아프리카 서부해역을 포함하여 전 세계에 많이 존재함. 인간이 배출하는 이산화탄소를 지금 막는다 해도 이 상황은 수십 년 동안 개선되지 않을 것임. 미국 서부해안을 따라 용승하는 심층수는 30-60년 동안 해저를 따라 순환하고 있음. 따라서 현재 가장 오래된 심층수는 1950-60년대에 대기와 접촉한 것임. 당시는 이산화탄소 농도가 310-320 ppm 정도 였음. 오늘날 390 ppm 농도의 대기와 접촉한 해수는 앞으로 30-60년 간 해저를 따라 순환하고 있을 것임. 따라서 오늘 당장 이산화탄소 배출을 멈춘다 해도 이미 순환중인 해수에는 이산화탄소가 풍부하게 녹아 있으며 앞으로 60년 동안 해수산성화를 더욱 가중시킬 것임.

 

바다산성화에 의해 위협을 받는 생물은 조개나 굴만이 아님. 더 큰 문제는 먹이사슬 첫 번째 단계에서 생태계가 붕괴될 지도 모른다는 것임. 프랑스 연구팀이 2011년 8월 네이처에 발표한 논문(Beaufort et al., 2011)에 따르면 해양의 이산화탄소 부분압이 증가하면 석회비늘편모류(cocolithophore)라 불리는 식물플랑크톤이 패각을 형성할 수 있는 능력이 현저하게 감소함. 이 연구팀은 전 세계 해양 180개 지역에서 시료를 채취하여 555개 퇴적물 코어에 간직되어 있는 과거 흔적과 비교함. 해양 이산화탄소 부분압이 220에서 400 마이크로기압으로 상승했을 때 석회비늘편모류가 패각에 부착하는 방해석양이 30% 감소함.

 

하지만 모든 석회비늘편모류가 그러한 것은 아님. 자연적 용승현상이 발생하는 칠레 해안에서 채집된 Emiliania huxleyi 종은 이산화탄소가 풍부한 해수에 잘 대처함. 석회비늘편모류의 다양성이 감소하게 되면 생태계에 무슨 일이 발생할지는 아직 불분명함.

 

해양산성화의 영향은 석회편모조류에 그치지 않음. 유공충(foraminifera)의 패각 중량은 5만 년 전보다 35% 하락했음. 남중국해의 규조류는 탄소흡수량이 40% 감소했는데 이는 해양이 흡수하는 이산화탄소 양을 감소 시켜 대기 중 이산화탄소 농도를 상승시킬 수 있음. 극지방 해역에 번성하는 작은 부유성 달팽이인 익족류(pteropod)도 패각형성을 위해 아라고나이트를 사용함. 극지방 바다는 자연적으로 낮은 탄산염 농도를 지니고 있음. 익족류가 해양산성화에 제대로 대처하지 못하면 이를 먹고사는 연어, 크릴, 고래, 바다표범 개체군이 심각한 타격을 받을 것임.

 

해저화산 근처에는 이산화탄소가 자연적으로 배출되는 곳이 있으며 이 해역의 생태계 변화를 관측하면 해양산성화에 의한 해양생태계의 피해모습을 재현할 수 있음. 자연적으로 이산화탄소가 배출되는 파푸아뉴기니 근처 해역 3곳은 2100년에 예상되는 지구평균 산성도 값을 지니고 있는데 이곳의 산호 종다양성은 다른 해역보다 40% 감소함. pH가 7.7 이하로 하락한 곳에서는 산호성장이 멈춤. 냉대지역에 분포하는 산호에서도 해양산성화로 인한 피해가 보고됨.

 

오레곤과 워싱톤 주 해안은 여름철이 되면 어김없이 북풍이 찾아옴. 이곳은 이미 2050년이나 2100년 해양산성화를 겪고 있음. 앞으로 수십 년의 준비기간을 통해 다른 지역들도 해양산성화에 대비해야 할 것임.

 

2013-12-31 

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2018-11-05