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탄소중립을 위한 실마리, 해양에서 찾다!

- 해양플랑크톤 군집 내 높은 탄소보유량 가지는 먹이망 구조 밝혀내 -

□ 국내 연구진이 해양생태계의 먹이망 구조*를 통해 탄소중립을 실현할 수 있는 실마리를 찾아냈다.

* 먹이망 구조 : 생태계에서 여러 생물의 먹이 사슬(피·포식 관계)이 그물망처럼 이루어져 있는 먹이 관계.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 정해진 교수(서울대학교)팀이 이끌고, 서울대 강희창 박사, 포항공대 이기택 교수, 전남대 김광용 교수 등이 참여한 국내 공동연구진이 해양 플랑크톤* 군집 내 높은 탄소보유량**을 가지는 먹이망 구조를 찾아냈다고 밝혔다.

* 해양 플랑크톤 : 해양 표층 근방에 서식하는 작은 생물들. 해양에서 이산화탄소 흡수의 대부분을 차지하는 식물플랑크톤, 이들을 잡아먹는 단세포성 원생동물플랑크톤, 원생동물플랑크톤을 잡아먹고 어패류의 먹이가 되는 후생동물플랑크톤, 유기물을 분해하는 박테리아성 플랑크톤으로 구성되어있다.

** 탄소보유량 : 생물의 유기탄소 보유량.

□ 탄소중립은 탄소의 발생량과 흡수량이 같아지는 것을 말한다. 이는 산업 활동으로 발생하는 탄소량을 급격히 감소시킬 수 없다면 흡수를 늘리는 방법으로 균형을 맞춰야 한다는 것을 의미한다.

▪︎ 이에 대기 내 이산화탄소의 25%를 흡수하는 해양의 역할에 관심이 모아지고 있지만, 전 세계 해양 광합성 생물의 탄소 보유량이 육상 광합성 생물의 1%밖에 되지 않는 것으로 확인되면서 이에 대한 해결책이 요구되는 상황이다.

□ 연구팀은 해양생태계 먹이망의 근간이 되는 해양플랑크톤 군집 내의 먹이망 구조에 주목, 전 세계 해양에서 채집·분석된 자료를 이용하여 어떤 먹이망 구조가 가장 많은 탄소를 보유하는지를 밝혀냈다.

▪︎ 총 6,954개 자료를 분석한 결과 식물플랑크톤의 탄소량이 가장 높은 피라미드 구조가 57%로 제일 많았다. 다음으로는 단세포 원생동물플랑크톤의 탄소량이 가장 높은 다이아몬드 구조가 31%로 두 번째로 많았고, 다세포 후생동물플랑크톤의 탄소량이 가장 높은 역피라미드 구조가 13%로 가장 적다는 사실을 최초로 밝혀냈다.

▪︎ 아울러 먹이망 구조가 피라미드인 경우에 가장 많은 탄소를 보유한다는 사실도 알아냈다.

□ 정해진 교수는 “가장 많은 탄소를 보유하는 먹이망 구조가 식물플랑크톤> 원생동물플랑크톤> 후생동물플랑크톤의 피라미드 구조로 밝혀졌으므로 식물플랑크톤을 늘리는 방법을 찾아야 한다”며 “무해성 식물플랑크톤의 양을 늘리고 이를 잘 포식하는 원생동물플랑크톤의 양도 늘리는 방법을 찾는다면 해양생태계 내 탄소보유량을 늘리는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.

□ 제1저자인 강희창 박사는 “어떤 먹이망 구조가 가장 많은 탄소를 보유하는지를 세계 최초로 밝힘으로써 앞으로 해양에 흡수되는 탄소량과 해양 생물 내 탄소보유량을 늘리는데 핵심적인 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다”고 덧붙였다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 해양-육상-대기 탄소순환시스템 연구사업으로 수행된 이번 연구 성과는 세계적 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 12월 16일 게재되었다.

 1. 연구의 필요성

○ 이산화탄소 증가는 지구온난화를 가속하고 있어 전 세계적으로 대기 중 이산화탄소를 줄이는 노력을 경주하고 있다. 인류에 의하여 배출된 이산화탄소의 약 25% 정도가 해양에 흡수되고 있다.

○ 전 세계 해양과 육상에서 광합성을 통하여 흡수하는 이산화탄소 총량은 비슷하다. 그러나 전 세계 해양 내 광합성 생물의 탄소보유량은 육상 광합성 생물의 탄소보유량의 1% 밖에 되지 않는다. 해양에서는 광합성 생물이 동물에 먹힌 후 동물 몸속에 저장되거나 박테리아에 의하여 분해되어 이산화탄소로 방출되기 때문이다.

○ 그러므로 해양생태계 내에서 광합성 생물 -> 초식동물 -> 육식동물로 이어지는 먹이망 구조가 중요하다. 특히 어떤 먹이망 구조가 가장 많은 탄소를 보유하는지 알아내는 것은 학자들의 오랜 숙제였다.

2. 연구내용

○ 연구팀은 전 세계 해양에서 채집, 분석된 자료를 이용하여 어떤 플랑크톤 먹이망 구조가 가장 많은 탄소를 보유하는 지를 밝혀냈다.

○ 연구팀은 전 세계 해역에서 채집 분석한 6,954개 자료 중 식물플랑크톤의 탄소량이 가장 높은 피라미드 구조가 57%로 가장 많았고, 단세포 원생동물플랑크톤의 탄소량이 가장 높은 다이아몬드 구조가 31%로 그 다음으로 많았으며, 다세포 후생동물플랑크톤의 탄소량이 가장 높은 역피라미드 구조가 13%로 가장 적다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다.

○ 아울러 먹이망 구조가 피라미드인 경우에 가장 많은 탄소를 보유하고 있으며 (약 250 ng C/ml), 그 다음은 다이아몬드인 경우이며(약 100 ng C/ml), 역피라미드 경우에 가장 적은 탄소(약 50 ng C/ml)를 보유하는 것을 처음으로 밝혔다.

3. 연구성과/기대효과

○ 탄소중립을 실현해야하는 시대에 해양생태계 내 탄소보유는 매우 중요하다. 이 논문을 통하여 어떤 먹이망 구조일 때 가장 많은 탄소를 저장할 수 있는지를 밝힌 것은 매우 창의적이고 획기적이라는 평가를 받았다.

○ 본 연구는 어떤 먹이망 구조가 가장 많은 탄소를 보유할 것인지를 세계 최초로 밝힘으로서 앞으로 해양에 흡수되는 탄소량과 해양 생물 내 탄소보유량을 늘리며 탄소순환을 이해하는데 핵심적인 자료를 제공할 것으로 판단된다.

그림 설명

(그림1) 전 세계 해양의 먹이망 구조 (탄소량 기준)

(A) 식물플랑크톤 > 원생동물플랑크톤 > 후생동물플랑크톤 (피라미드, 빨간색).

식물플랑크톤 > 후생동물플랑크톤 > 원생동물플랑크톤 (밑넓은 모래시계, 연빨간색).

원생동물플랑크톤 > 식물플랑크톤 > 후생동물플랑크톤 (밑넓은 다이아몬드, 파란색).

원생동물플랑크톤 > 후생동물플랑크톤 > 식물플랑크톤 (위넓은 다이아몬드, 하늘색).

후생동물플랑크톤 > 식물플랑크톤 > 원생동물플랑크톤 (위넓은 모래시계, 초록색).

후생동물플랑크톤 > 원생동물플랑크톤 > 식물플랑크톤 (역피라미드, 연두색).

(B) 먹이망 구조 비율. 피라미드가 가장 많은 비율(37%) 차지

그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 정해진 교수

(그림2) 먹이망 구조 타입별 탄소보유량.

먹이망 구조가 피라미드인 경우에 가장 많은 탄소를 보유 (약 250 ng C/ml). 그 다음은 다이아몬드인 경우(약 100 ng C/ml). 역피라미드 경우에 가장 적은 탄소(약 50 ng C/ml)를 보유.

그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 정해진 교수

연구 이야기

<작성 : 서울대학교 정해진 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

인간이 대기로 배출한 이산화탄소 중 약 25%는 해양에서 흡수하고 있습니다. 특히 해양식물플랑크톤이 광합성을 통하여 이산화탄소를 포도당으로 합성하고, 동물플랑크톤들이 이를 포식합니다. 동물플랑크톤은 단세포인 원생동물플랑크톤과 다세포인 후생동물플랑크톤으로 나뉘는데 주로 원생동물플랑크톤은 식물플랑크톤과 세균을 잡아먹고 후생동물플랑크톤은 원생동물플랑크톤을 잡아먹으며 탄탄한 먹이망을 이룹니다.

그런데 해양생태계에서는 전 세계 바다에 서식하는 동물들이 보유하고 있는 총탄소량이 식물들이 보유하고 있는 총탄소량보다 5배가량 많은 것으로 알려져 있습니다. 즉 역피라미드 먹이망인데 이는 매우 불안정한 구조입니다. 아마 어류, 파충류, 포유류 등이 많아서라고 생각합니다. 만일 해양 먹이망의 근간이 되는 플랑크톤 군집에서도 역피라미드 먹이망 구조라면 해양생태계가 유지되기 어렵다고 생각하고 이를 연구하는 것이 필요하다고 판단하였습니다.

아울러 어떤 먹이망 구조일 때 가장 많은 탄소를 보유하는지 알아내는 것은 지구 내 탄소순환을 이해하고 탄소중립을 실현하는데 중요하다는 판단을 하여 연구를 시작하였습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

해양생태계에서 식물플랑크톤-원생동물플랑크톤-후생동물플랑크톤으로 이어지는 먹이망 구조를 알아내기 위해서는 식물플랑크톤, 원생동물플랑크톤, 후생동물플랑크톤의 밀도를 동시에 측정한 현장시료나 해역의 자료가 필요하였습니다. 저희 연구팀은 1990년~2021년 전 세계 해양에서 채집한 시료나 분석 자료 중 3가지 플랑크톤 그룹의 밀도를 측정한 모든 시료나 자료(6,954개)를 분석하였습니다.

이 자료를 바탕으로 총 6개의 먹이망 구조 타입을 만들었는데,

(타입 1) 식물플랑크톤 > 원생동물플랑크톤 > 후생동물플랑크톤,

(타입 2) 식물플랑크톤 > 후생동물플랑크톤 > 원생동물플랑크톤,

(타입 3) 원생동물플랑크톤 > 식물플랑크톤> 후생동물플랑크톤,

(타입 4) 원생동물플랑크톤 > 후생동물플랑크톤 > 식물플랑크톤,

(타입 5) 후생동물플랑크톤 > 식물플랑크톤 > 원생동물플랑크톤,

(타입 6) 후생동물플랑크톤 > 원생동물플랑크톤 > 식물플랑크톤 입니다.

그 후 6,954개 시료 각각의 식물플랑크톤, 원생동물플랑크톤, 후생동물플랑크톤의 탄소량 합을 구하였습니다. 탄소량이 가장 높은 것부터 낮은 것으로 내려오면서 어떤 먹이망 구조일 때 가장 많은 탄소량을 보유하는지를 알아냈습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

사실 전 세계 해양에서 채집된 시료나 분석자료 중 식물플랑크톤, 원생동물플랑크톤, 후생동물플랑크톤의 밀도를 동시에 측정한 시료나 지역의 자료를 모두 찾아내는 작업과 모든 플랑크톤 종 각각의 탄소보유량을 측정하거나 계산해내는 작업이 어려웠습니다. 그러나 실험실 연구원 전원과 졸업생과 타 대학 교수님들의 도움을 받아 이 어려운 문제를 잘 해결할 수 있었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

현재 인간이 배출한 이산화탄소가 대기 중으로 들어가 그 농도가 증가하고 있습니다. 이로 인하여 기후변화와 지구온난화가 심해지고 있습니다. 그러므로 세계 각국은 대기 내 증가한 이산화탄소를 줄이기 위하여 많은 노력을 하고 있습니다. 특히 해양에서 20~30% 흡수하는 양을 늘리는 것은 매우 중요한데 그러기 위해서는 해양생물 내 탄소보유량을 늘리는 것도 중요합니다. 본 연구는 어떤 먹이망 구조가 가장 많은 탄소를 보유할 것인지를 세계 최초로 밝힘으로써 앞으로 해양에 흡수되는 탄소량과 해양 생물 내 탄소보유량을 늘리며 탄소순환을 이해하는데 핵심적인 자료를 제공할 것으로 판단됩니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

가장 많은 탄소를 보유하는 먹이망 구조가 식물플랑크톤>원생동물플랑크톤>후생동물플랑크톤인 타입1로 밝혀졌으므로 식물플랑크톤을 늘리는 방법을 찾아야 합니다. 그런데 식물플랑크톤이 유해성일 경우에는 어패류에 영향을 줄 수 있으므로 무해성 식물플랑크톤의 양을 늘리고 이를 잘 포식하는 원생동물플랑크톤의 양도 늘리는 방법을 찾는다면 해양생태계 내 탄소보유량을 늘리는데 활용될 수 있습니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

해양생태계를 이용하여 탄소보유량을 늘려 탄소중립을 실현하는데 기여하고 싶고, 이를 위한 기초 및 응용연구를 수행하고자 합니다.