Sinking particle fluxes and nitrogen loss in the eastern tropical North Pacific oxygen deficient zone measured using incubating sediment traps

태양빛이 내리쬐는 광활한 해양 상층부에서는 식물성 플랑크톤이라 불리는 아주 작은 식물들이 자라고 번식하며 해양 먹이 그물의 기초를 형성합니다. 이 유기체들이 죽거나 동물이 이를 먹고 배설물을 만들어내면, 이 유기 물질은 마치 눈송이처럼 어두운 심해를 향해 가라앉습니다. 가라앉는 동안 박테리아와 다른 미생물들이 이를 분해하는데, 이 과정에서 산소가 소비됩니다. 대부분의 해역에서는 해류와 혼합 작용을 통해 이 산소가 빠르게 보충됩니다. 그러나 적도 인근의 특정 지역에서는 물이 매우 안정적이고 산소 소비가 매우 강렬하여, 산소가 거의 없는 두꺼운 수층이 형성됩니다. 과학자들은 이를 산소 결핍 구역(oxygen-deficient zones)이라고 부릅니다. 이 어둡고 공기가 없는 환경에서는 다른 종류의 미생물 생명체가 주도권을 잡습니다. 산소를 호흡하는 대신, 이 미생물들은 질소 화합물을 사용하여 생존하며, 이 과정은 궁극적으로 질소 가스를 대기로 다시 방출합니다. 이러한 질소 제거는 해양의 화학적 구조에서 중요한 부분이며, 전 세계적으로 해양이 지탱할 수 있는 식물 생명체의 양을 조절하는 제동 장치 역할을 합니다.

수십 년 동안 과학자들은 이 구역에서 정확히 얼마나 많은 질소가 손실되는지, 그리고 이 과정의 연료가 어디에서 오는지 이해하기 위해 노력해 왔습니다. 지배적인 견해는 질소 손실이 주로 햇빛이 비치는 표면에서 가라앉는 유기물, 즉 위에서 떨어지는 죽은 식물과 동물의 꾸준한 비에 의해 주도된다는 것이었습니다. 이를 측정하기 위해 연구자들은 전통적으로 해저에 설치되거나 고정된 수심에 떠 있는 장기 계류형 트랩(moored traps)을 사용하여 몇 주 또는 몇 달 동안 떨어지는 파편들을 수집해 왔습니다. 그러나 이러한 장기 배치 방식은 시스템에 결정적일 수 있는 단기적인 활동의 급증을 완화하거나 놓칠 수 있습니다. 더욱이, 이 깊고 산소가 부족한 구역의 물 샘플을 테스트하기 위해 표면으로 끌어올리는 것은 매우 어렵습니다. 물이 공기에 닿는 순간, 내부의 미생물을 연구하는 데 필요한 섬세한 화학적 균형이 산소에 의해 오염될 수 있기 때문입니다.

메건 더피(Megan Duffy)가 이끄는 연구팀은 심해를 실험실로 가져오는 대신, 실험실을 심해로 가져감으로써 이 문제들을 해결하고자 했습니다. 그들은 세계 최대의 산소 결핍 구역인 동태평양 열대 지역에 새로운 유형의 장비를 배치했습니다. 이 장비들은 배양실(incubation chambers)을 갖춘 정교한 부유식 퇴적물 트랩(free-floating sediment traps)이었습니다. 이 트랩들은 단순히 떨어지는 입자들을 수집하는 것에 그치지 않고, 특정 수심에서 문을 닫아 물과 침강하는 입자들을 안에 가둔 뒤, 특수 추적자(tracer)를 주입하여 미생물이 질소를 가스로 얼마나 빨리 전환하는지를, 차갑고 어둡고 산소가 없는 자연 그대로의 압력 속에서 측정할 수 있었습니다. 연구팀은 2017년, 2018년, 2019년에 걸쳐 세 차례의 항해를 통해 실험을 수행하였으며, 산소가 부족한 층 내의 다양한 수심에서 데이터를 포착했습니다.

연구 결과는 기존의 모델이 예측했던 것보다 훨씬 더 역동적이고 놀라운 바다의 모습을 보여주었습니다. 연구진은 침강하는 입자의 흐름이 수십 년 동안 예상되었던 매끄럽고 예측 가능한 감소를 따르지 않는다는 것을 발견했습니다. 입자들이 깊이 내려갈수록 단순히 희박해지는 것이 아니라, 특정 수심 내에서 유기물의 양이 오히려 증가했습니다. 이러한 "역전된 플럭스(inverted flux)"는 유기물이 단순히 표면에서 떨어지는 것뿐만 아니라, 바로 그 수중의 근원지로부터 신선한 유기물이 산소 결핍 구역 중간에 주입되고 있음을 의미했습니다. 연구팀은 이 국지적 생산의 두 가지 주요 원인을 확인했습니다. 첫째, 산소 결핍 구역의 상단부에서 저광도에 적응한 특정 유형의 남조류(cyanobacteria)인 녹조류 층이 형성되어 침강하는 흐름에 신선한 물질을 더하고 있었습니다. 둘째, 더 깊은 곳에서는 동물성 플랑크톤이나 작은 물고기 같은 이동하는 동물들이 수직으로 움직이며 배설물과 파편을 배출하여 특정 수심의 유기물을 늘리고 있었습니다.

연구진이 질소 가스가 생성되는 속도를 측정했을 때, 이러한 국지적 유기물 공급원이 이전에 생각했던 것보다 더 많이 이 과정을 주도하고 있다는 것을 발견했습니다. 실험 결과, 침강하는 입자 위에 사는 미생물들이 질소 손실의 막대한 부분을 담당하고 있음이 드러났습니다. 실제로, 물 샘플을 표면으로 가져와 측정했던 이전 연구들에서 측정된 것보다 심해에서 직접 측정한 질소 생성률이 더 높았습니다. 이는 전통적인 샘사 방식이 가장 활발한 미생물 생명체의 핫스팟을 놓쳤을 가능성을 시사하는데, 아마도 이러한 반응을 촉발하는 커다란 입자들이 표준적인 물 채취용 병에 담기기에는 너무 빨리 가라앉기 때문일 것입니다. 입자와 물을 자연스러운 환경 그대로 유지함으로써, 새로운 트랩은 생물학적 활동의 진정한 강도를 포착할 수 있었습니다.

이 연구는 또한 질소 손실량이 해양 최표면의 식물 성장량과 엄격하게 연결되어 있다는 생각에 도전했습니다. 표면 생산성도 중요하지만, 연구진은 표면 성장이 크게 변하더라도 침강하는 입자의 플럭스가 종종 일정하게 유지된다는 것을 발견했습니다. 이는 시스템이 단지 위에서 떨어지는 것에 의 بست (의존) 하는 것이 아니라, 어두운 구역 내부에서 생성되는 것에 의해 연료가 공급되기 때문입니다. 남조류와 이동하는 동물들은 내부 엔진 역할을 하여, 표면 해역이 조용할 때조차 질소를 제거하는 미생물들에게 먹이를 공급할 신선한 유기물을 만들어냅니다. 이 발견은 해양의 질소 예산이 작동하는 방식에 대한 이해를 변화시킵니다. 이는 기후 변화로 인해 산소 결핍 구역이 확장되고 새로운 영역으로 이동함에 따라, 표면 생산성이 감소하더라도 이러한 내부의 먹이원을 동력 삼아 해양이 높은 비율로 질소를 계속해서 잃게 될 수 있음을 시사합니다.

연구진은 측정값을 바탕으로 이 지역에서 1년 동안 손실되는 총 질소량을 계산했습니다. 그들은 침강하는 입자만으로 연간 약 24.0 테라그램(teragrams)의 질소가 손실되며, 물의 용존 성분을 포함할 경우 총 손실량이 40.7 테라그램에 달한다고 추정했습니다. 이 수치들은 다른 방법을 사용한 이전의 추정치와 밀접하게 일치하여, 새로운 접근 방식에 대한 과학적 신뢰를 부여했습니다. 그러나 핵심적인 교훈은 단순히 총량에 있는 것이 아니라 그 메커니즘에 있습니다. 이 연구는 바다가 단순히 표면의 부스러기를 받는 수동적인 수혜자가 아니라, 어둠 속의 생명체가 글로벌 질소 순환을 추진하기 위한 스스로의 연료를 만드는 능동적이고 자립적인 시스템임을 증명합니다. 연구팀은 바다를 방해하지 않고 자연 상태 그대로 관찰함으로써, 지구의 가장 중요한 화학적 과정 중 하나에 대해 더 명확하고 정확한 시각을 제공했습니다.