<사진. 크릴새우
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

해양 화학에 영향을 끼치는 이동하는 동물의 오줌

지구상에서 가장 큰 이동은 야간에는 식물을 섭취하는 대양의 표면에서 주간 동안 포식자로부터 몸을 감추는 일광이 없는 깊은 바다로 향하는 작은 동물의 이동이다.

미국 워싱턴 대학(UW; University of Washington) 소속의 연구진은 이러한 규칙적인 이동(regular migration)이 해양을 형성하는 데 도움을 준다는 사실을 발견했다. 주간 동안에 표면 아래에서 동물은 인간의 소변에 해당하는 암모니아(ammonia)를 배출하고 암모니아는 해양 화학 특히, 저-산조 지역(low-oxygen zone) 또는 무산소 지역(anoxic zones)에서 상당한 역할을 한다는 것이 확인됐다. 관련 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS; Proceedings of the National Academy of Sciences) 온라인 판에 발표됐다.

주저자인 UW 해양학과(School of Oceanography) 소속의 박사 후 연구원인 Daniele Bianchi는 이러한 큰 이동이 매력적이라고 밝혔다. 이러한 이동이 해양에서 대규모의 동물 행동 양식(animal behavior)에 대한 효과를 검토하게 해주었다고 Bianchi는 덧붙였다.

사람들은 광활한 해양에 소변을 추가하는 것이 영향을 초래할 것이라고 생각하지 못할 것이다. 그러나 작은 동물성 플랑크톤, 크릴과 같은 갑각류 동물, 몇 인치 길이의 바늘치(lanternfish) 같은 어류 등을 포함한 동물은 전 세계 해양을 통해 상당히 풍부하게 존재하기 때문에, 이러한 동물의 작은 크기를 보상한다.

야간 표면 인근의 축제를 끝낸 후, 작은 동물은 650~2000피트(200~600 미터) 깊이로 몇 시간 동안 헤엄친다. 고형의 폐기물은 알갱이(pellet)로 떨어진다. 액체 폐기물은 점진적으로 배출된다.

측정은 아질산염(nitrite, anammox 아나목스)의 혐기성 암모늄 산화(anaerobic ammonium oxidation)가 대양의 무산소 지역(anoxic zones)에서 고정된 질소를 제거하는 주요 경로라는 것을 보여주었다. 아노목스는 무산소 조건이 종속 영양 생물 탈질화(heterotrophic denitrification)를 통하여 가라앉는 유기물을 분해함으로써 공급되는 암모늄 공급원을 필요로 한다.

그러나 아나목스가 측정되는 많은 지역에서 탈질소 작용(denitrification)의 속도는 작거나 검출될 수 없다. 대체의 암모늄 공급원이 예를 들면 질산염이 암모늄으로 이화적 환원(dissimilatory reduction)을 통하여 무산소 침전(anoxic sediment)으로부터 이동하는 이러한 역설을 설명하는데 제안됐다.

그러나 개방된 해양의 무산소 지역에서 이러한 공급원의 타당성이 논의됐다. 이 연구에서 연구진은 이름하여 표면에서 무산소 해수로 이동하는 식물성 플랑크톤(zooplankton)과 소형유영동물(micronekton)에 의한 주간 배설인 암모늄의 부가적인 공급원에 관심을 가졌다.

연구진은 대부분의 식물성 플랑크톤과 소형유영동물이 주간 동안 시간을 보내는 것을 확인하기 위하여 음향 자료의 합성을 사용했다. 비록 이러한 작은 동물이 표면으로부터 일차 생산에 낮은 비율만을 수출한다고 하더라고, 이러한 동물은 입자 투입이 소규모인 무산소 해수의 깊이 범위 내에서 배설에 초점을 맞추었다.

단순한 생물지구화학적 모델(biogeochemical model)을 이용하여, 연구진은 수직 이동(vertical migrations)을 경험하는 이러한 깊이에서 식물성 플랑크톤과 소형유영동물로부터 암모늄 공급원이 입자의 재광화(remineralization)로부터 배출을 초과할 수 있으며, 이러한 지역의 아나목스 속도를 강화시킨다는 사실을 제안했다.

초기 이전 연구에서, Bianchi는 동물이 저-산소 물에서 하루의 대부분을 보낸다는 놀라운 사실을 발견했다. 해양 박테리아는 가라앉는 죽은 재료 분해할 때 산소를 소비하고, 표면 아래 수 백 피트의 저-산소 지역이 생성된다. 동물은 실제로 저-산소 지역에서 멈춰 있는 것으로 보인다고 Bianchi는 밝혔다. 이러한 지역이 보다 더 큰 포식자로부터 작은 동물을 보호할 것이라고 일부는 추축했다. 또 초기 연구는 동물이 호흡을 위하여 약간 남아 있는 산소를 이용함으로써 실제로 이러한 저-산소 지역에 기여한다는 것을 보여 주었다.

연구진은 다음으로 동물의 다른 생체 기능에 대하여 궁금하게 여겼다. 새로운 연구에 대하여, 저자들은 수중 음향 조사에서 많은 동물이 깊이에 따라 어디로 이동하는지를 계산하는 방안에 이르는 자료를 얻었다. 다음으로 연구진은 결합된 동물의 주간 동안 일어나는 소화의 효과를 측정했다.

결과는 해양의 특정 부분에서, 동물로 배출되는 암모니아는 중요한 화학적 전이인 암모늄(ammonium)과 다른 분자를 질소로 산소가 없는 전환의 큰 부분을 추진한다는 것을 보여주었다.

연구진은 아직까지 박테리아가 이러한 일을 대부분 수행하는 것으로 생각하고 있지만, 동물의 효과는 이러한 반응의 속도를 변경하기 충분하고 측정의 일부를 설명하는데 도움을 줄 것이라고 Bianchi는 밝혔다.

저-산소 지역 내에서, 박테리아가 얼마나 많은 질소 기반의 암모니아를 대기 중에서 발견되는 질소 원자처럼 식물 또는 동물에 의해 이용될 수 없는 질소 원자의 쌍으로 어떻게 전환시키는지는 아직까지 규명되지 않았다. 얼마나 많은 질소 기반의 비료가 전 세계 해양에 생명을 유지하기 위하여 남아 있는가를 결정하기 때문에, 이러한 전환은 중요하다.

연구진은 전형적으로 해류, 기상 및 박테리아 성장 등과 같은 요인을 이용하여 저-산소 지역을 모형화했다. 새로운 연구는 모형화하는 것이 어렵다고 할지라도, 잠수하는 동물이 해양 화학에서 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었다.

온난한 해수가 더 적은 산소를 보유하고, 표면 하래 질소 함량을 감소시키기 때문에, 해양의 저-산소 지역은 기후 변화 하에서 확대될 것으로 예측되고 있다. 따라서 이러한 지역을 이해하는 것은 기후 변화 조건 하에서 해양에 어떤 일이 일어날 것인가를 예측하는데 중요하다.

캐나다 선행 연구소(Canadian Institute for Advanced Research), 캐나다 혁신 재단(Canadian Foundation for Innovation) 및 미국 국립과학재단(U.S. National Science Foundation) 등이 이 연구를 지원했다. 공동 저자로는 프린스턴 대학(Princeton University) 소속의 Andrew Babbin과 캐나다 맥길 대학(McGill University) 소속의 Eric Galbraith 등이 참여했다. 즉 수직 이동(vertical migrations)을 경험하는 해양의 깊이에서 식물성 플랑크톤과 소형유영동물로부터 암모늄 공급원이 입자의 재광화(remineralization)로부터 발생하는 배출을 초과할 수 있으며, 이러한 지역의 아나목스 속도를 강화시킨다는 사실을 제안했다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr