메탄 저장소로 인식되지 못했던 탄산염 암석

30여 년 전 해저 메탄 누출이 발견된 이후, 과학자들은 지구가 어떻게 작용하는지를 이해하는 연구의 일환으로 해저 침전물에 서식하는 미생물(microbe)이 온실가스인 메탄(methane)을 어떻게 소비하는지를 꼼꼼하게 분석하고 측정했다.

침전물 기반의 미생물(sediment-based microbe)은 화학물질이 대기로 도달하는 것과 온실가스 축적하는 데 기여하는 것을 예방하는 중요한 메탄 저장소(methane sink)를 형성한다. 이러한 과정의 부산물로 미생물은 자생적 탄산염(authigenic carbonate)이라고 알려진 암석의 유형을 생성한다. 그러나 과학자들은 자생적 탄산염이 메탄 공정에 관여한다고 생각하지 않았다.

그러나 더 이상 그렇지 않다. 과학자 연구팀은 이러한 자생적 탄산염 암석이 메탄을 섭취하는 활성 미생물을 다량으로 함유하고 있다는 것을 발견했다. 미국 국립과학재단(NSF; National Science Foundation)의 지원으로 수행된 연구진의 결과는 2014년 10월 15일 Nature Communications 저널에 발표됐다.

해양으로부터 유래한 메탄의 대기 흐름은 미생물에 의하여 중재된 황산염과 짝을 이루는 메탄 산화(methane oxidation)를 통하여 주로 경감되며, 그 결과 자생적 탄산염 침전을 얻는다. 깊은 해수 탄산염은 흔하게 활성을 띠고 있으며, 고대와 관련된 메탄 누출(palaeo-methane seepage)로 메탄 산화의 수동적인 배출원으로 간주되고 있다. 따라서 메탄을 지속적으로 소모시킬 수 있는 활성의 독특한 미생물 서식지로서 해저 탄산염의 역할은 조사된 바 없었다.

과거에 살아 있는 서식지로 이러한 암석을 조사했던 사람은 없었다고 오리건 주립대학(Oregon State University) 해양 생태학자이며 이 논문의 공동 저자인 Andrew Thurber는 지적했다. 자생적 탄산염은 불활성이라고만 간주됐다. 이전의 연구에서, 연구진은 암석에서 DNA와 지질(lipid)같은 미생물의 자투리를 관찰했다. 그러나 연구진은 이러한 물질이 과거 활성의 조각으로 생각했다. 연구진은 이러한 물질이 활성을 가지고 있다는 것을 알지 못했다. 이것은 지구 메탄 공정이 아직까지 완전하게 규명되지 않았음을 보여주는 것이라고 Thurber는 덧붙였다.

캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology) 소속의 주저자인 Jeffrey Marlow와 그의 동료 연구진은 태평양 연안 북서부(하이드레이트 릿지, Hydrate Ridge), 캘리포니아 북부(일 강 유역, Eel River Basin) 및 중앙아메리카(코스타리카 융기선, Costa Rica margin) 등으로부터 수거한 자생적 화합물로부터 얻은 시료를 연구했다. 암석은 작은 조약돌에서 12평방마일의 탄산염 보도(carbonate pavement)에 이르는 크기와 분포 범위를 나타냈다.

이 연구에서, 연구진은 누출과 관련된 탄산염(seep-associated carbonates)이 미생물 군집을 품고 있으며, 역동적인 메탄 저장소로 작용한다는 것을 보여주었다. 탄산염 내부에 풍부한 미생물 집합체는 누출되는 침전물에 서식하는 미생물을 초과하고, 분자 다양성 조사는 원석기 시대의 혹과 잘 석화된 탄산염 보도 내에 서식하는 메탄 영양 세균 군집(methanotrophic communities)을 규명했다.

메탄에서 유래한 탄산염은 수많은 누출 시스템(seep system) 내에서 거대한 부피를 대표한다. 활성 메탄 소비 고세균류(archaea)와 탄산염 암석의 내부에 있는 박테리아의 발견은 탄산염 흙더미를 덮고 있는 상대적으로 얇은 침전물 층 이상의 메탄을 소비하는 유기체를 위한 알려져 있는 서식지를 확장한다고 캘리포니아 공과대학 Victoria Orphan 실험실 소속의 지질생물학과 대학원 학생인 Marlow는 밝혔다.

이러한 미생물 집합체는 칠레, 뉴질랜드, 아프리카, 유럽뿐 아니라 멕시코 만에서도 발견되며, 전 세계 모든 해양 지역에 훨씬 더 많이 발견된다고 오리건 주립대학(Oregon State University) 지수, 해양 및 대기 과학과(College of Earth, Ocean, and Atmospheric Sciences) 조교수인 Thurber는 지적했다.

탄산염 기질 내 미생물 세포의 집합은 안정한 동위원소 FISH?나노SIMS 실험과 14CH4 방사성 트레이서 비율 측정(radiotracer rate measurement)을 이용하여 규명됐다. 탄산염에 서식하는 미생물을 이용한 메탄의 소비(carbonate-hosted methanotrophy)는 전 세계 메탄 부하에서 고려되지 않았던 이전에는 규명되지 않았던 메탄 저장소이다.

암석 기반의 미생물이 다량의 메탄을 소비할 수 있는 가능성이 있기 때문에, 이 연구는 중요하다. 미생물은 침전물에서 발견되는 경우 활성이 저하되지만, 훨씬 더 풍부하게 존재한다. 미생물이 서식하는 지역이 광범위하기 때문에, 암석 기반의 미생물의 존재는 상당히 중요하다. 많은 연구들은 대기 중 메탄의 약 3~6%가 해양 공급원으로부터 기인한다는 것을 발견한 바 있다. 그리고 이러한 수치는 메탄의 60~90%를 해양 침전물에 서식하는 미생물로 인하여 대기로 배출되는 대신 소비되어 더 낮아진다.

현재 이러한 비율은 얼마나 많은 탄소 저장소가 암석에 서식하는 미생물과 침전물에 서식하는 미생물이 기여하는지를 결정하기 위한 재조사가 수행될 필요가 있다. 잠재적으로 매우 중요한 온실가스에 대한 규명되지 않은 저장소이기 때문에, 암석에 서식하는 미생물과 침전물에 서식하는 미생물의 차이는 중요하다고 연구진은 밝혔다.

연구진은 활성 메탄이 누출되는 지역에 위치한 이러한 탄산염 암석이 더 활성이 높다는 사실을 발견했다고 Thurber는 밝혔다. 비교적 불활성을 띠는 지역에 위치한 암석은 미생물 활성을 거의 가지지 못한다. 그러나 이러한 지역은 메탄이 이용 가능한 조건이 될 때 신속하게 활성화될 수 있다. 어떤 점에서, 이러한 암석은 필요할 때 메탄을 흡수하도록 하는 요청을 기다리는 군대와도 같다.

해양은 방대한 양의 메탄을 포함하고 있으며, 이러한 사실은 과학자들에게 오랫동안 우려를 낳고 있다. 메탄의 해양 저장소는 전체 455 기가톤(gigaton)이 될 것으로 추정되고 있으며, 메탄에 10,000기가톤 가량의 탄소가 보유되고 있다. 기가톤은 약 11억 톤으로 추정된다.

그와 대조적으로, 식물의 기체 및 오일 증착의 모든 것은 전체 약 200~300 기가톤의 탄소를 보유하고 있는 것으로 추정되고 있다.

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