주요 연구 주제 (Main Research Interests)
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입자유기물이 생성된 후 해양에서 겪는 과정 연구
Processes particulate organic carbon undergoes in the ocean from primary production to sedimentation
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용존유기물 순환 연구
Dissolved organic carbon cycling based on radiocarbon
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기후변화와 같은 외부의 물리적 요인에 대한 해양 탄소순환의 반응
Impact of climate change on marine biological carbon pump
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방사성탄소를 추적자로 이용하여 해양물리학적 과정 구명
Physical/chemical processes such as gas exchange and water circulation in the ocean based on radiocarbon of DIC
주요 연구 방법 (Research Tools)
방사성탄소 (Radiocarbon)
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방사성탄소를 탄소 순환을 추적하는 도구로 이용하는데, 우리 실험실에서는 가속질량분석기 (AMS)로 방사성탄소를 측정하기 위하여 용존무기탄소, 입자유기탄소, 용존유기탄소 시료의 전처리 장치를 보유하고 있다.
Various forms of samples, i.e., DIC, POC, and DOC can be processed in our lab. for radiocarbon measurements.
지방계 바이오마커 (Lipid biomarker)
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유기물의 기원을 밝히는데 다양한 지방계 바이오마커를 활용한다. Freeze dryer (Alpha 1-4 LD plus, Martin Christ) with a diaphragm pump과 MARS6 microwave lipid extractor 를 갖추고 있으며, Agilent 7890A GC, Agilent 7890B GC와 5977A 질량분석기를 주로 이용하여 분석한다.
Various lipid biomarkers are used to understand the sources of POC in the ocean. We mainly use Agilent GC and GC-MS for
chemical analysis.
Agilent 7890B GC
Agilent 5977A MS
퇴적물 트랩을 이용한 침강입자 시료 채취
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심해에서 침강하는 입자는 퇴적물트랩의 계류를 통하여 채집하는데 보통 수개월에서 1년까지의 기간 동안 계류하여 시간에 따른 시료를 채집하게 된다.
Sediment trap moorings are the main way to collect time-series sinking particle samples.
퇴적물 트랩을 계류하는 모습
계류하였던 퇴적물 트랩을 회수
주요 진행 연구
해양에서 퇴적물의 재부유로부터 기인하는 입자유기물의 침강입자에 대한 기여도 파악
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표층해수의 일차생산에서 기원하는 입자 이외에 재부유된 퇴적물의 수평적인 이동에 의한 기여가 총침강입자유기물의 어느 정도를 차지하는지를 방사성탄소를 이용하여 연구한다. 특히 방사성탄소 함량과 퇴적물을 대표하는 알루미늄의 농도와의 상관관계로부터 재부유된 퇴적물의 침강입자에의 기여가 상당함을 밝히고 서로 다른 해양환경에서 퇴적물 재부유의 생물에 대한 영향을 연구한다.
Lateral transport of resuspended sediment appears to contribute to sinking particles in the ocean significantly in most ocean
settings. Radiocarbon content of sinking POC and Al content of sinking particles show a negative correlation supporting the
contribution of resuspended sediment as a main cause for lower radiocarbon content in sinking POC than expected if primary
production in the overlying surface water is the only source of sinking POC.
Hwang et al. 2010 (GBC)
남극 아문젠해의 생물학적 펌프와 무기탄소, 유기탄소 순환
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남극 아문젠해는 급격한 해빙 감소를 겪고 있는 해역으로 따뜻한 CDW (Circumpolar Deep Water)가 대륙붕으로 유입되는 곳이다. 남극 주변에서 가장 높은 일차생산성을 보이는 아문젠해 폴리냐가 열리는 동안 일차생산에 의한 대기중 이산화탄소의 흡수, 생물학적 펌프의 작동과 이에 따른 용존유기탄소와 용존무기탄소의 순환과정을 연구한다.
The Amundsen Sea in the west Antarctic experiences rapid physical change such as decline in sea ice cover and rapid melting
of ice shelves. The intrusion of the Circumpolar Deep Water is a main feature of the water circulation on the Amundsen Shelf.
We study the biological pump system and concurrent DIC and DOC cycling in the Amundsen Sea.
해양의 유기탄소 순환과 이전 연구들 소개
지구의 탄소 저장고들은 크게 다섯 개로 나누면 대부분의 탄소는 지각에 탄산염의 형태로 갖혀 있고 그 다음으로 큰 저장고가 해양이다. 토양과 육상생물이 그 다음, 그리고 대기중에는 해양에 녹아있는 탄소량의 약 50분의 1정도의 양만이 존재한다. 따라서 해양의 탄소순환이 대기의 탄소량을 조절하는데 중요한 역할을 한다.
지구적 탄소순환의 모식도. 빨간색 숫자는 산업화 이후 인간활동에 의하여 지구의 탄소순환이 얼마나 교란되었는가를 보여준다. 단위는 기가톤으로 10^15 gC과 같은 단위이다. 산업화 이후 산림훼손에 의하여 140 기가톤, 화석연료 소비에 의하여 244 기가톤의 탄소가 대기로 방출되었다. 이 중 165 기가톤만이 대기 중에 남아있으며 해양으로 118 기가톤이 흡수되었고, 새로 생긴 식생으로 101 기가톤이 흡수되었다 (출처 NASA).
우리 실험실에서 특히 관심있는 분야는 해양의 침강유기물이다. 침강유기물은 해양표층으로 흡수된 이산화탄소를 심층으로 이동시키는 주요 기작이며 (Biological Pump라고 부른다) 심해의 생물에게 공급되는 주요 에너지원이다 (해저열수계 등 생물이 햇빛 없이도 화학적으로 유기물을 생산하는 특수한 환경을 제외하고는 표층으로부터 떨어지는 유기물이 거의 유일한 에너지원이다).
침강입자는 퇴적물 트랩 (sediment trap)으로 채집한다. 크기가 아주 작은 입자들은 오랜 시간 동안 해수중에 떠다니며 가라앉지 않기 때문에 해수를 필터해서 채집해야 한다. 해수 중의 대부분 입자들은 부유입자 (suspended particles)이며 작은 양만이 가라앉을 정도의 크기와 비중을 가진 침강입자 (sinking particles)이다.
유기물의 순환을 이해하기 위해서 우리는 유기물을 유기물 전체 (bulk), 생화학적 화합물 그룹 (compound classes: 지질, 단백질, 탄수화물, 추출 불가능한 물질), 개별적 화합물 (individual compounds)로 나누어서 그 생지화학적 성질을 연구할 수 있다.
먼저 유기물을 한 덩어리로 연구하는 예로 북극해의 캐나다 분지 3000m 깊이에서 채집한 시료의 침강입자 플러스와 방사성탄소동위원소 자료를 살펴보자.
2007년과 2008년 9월의 북극해의 해빙 분포. 북극해는 보통 9월에 얼음이 가장 후퇴한다. 분홍색 선은 1970년부터 1990년까지 20년 동안의 여름의 평균 얼음 분포를 나타낸다. 빨간점은 연구정점을 나타낸다. 2008년 여름에는 연구정점이 거의 3개월 동안이나 얼음으로부터 노출되었다.
2004년 여름에서 2005년 여름까지 캐나다 분지 3000m 깊이에서 채집한 침강입자의 방사성동위원소(△14C)와 안정탄소동위원소 (δ13C) 값의 변화 (a), 연구정점 표층에서 얼음의 농도변화와 침강입자의 플러스 (b), 연구정점의 2000m 깊이에서 측정한 해류의 방향 (위쪽이 북쪽)과 세기 (c)
연구 정점은 한 여름을 제외하고는 연중 얼음에 덮혀 있어 침강입자 플럭스가 매우 낮다. 연평균 10mg/m^2day 정도이며, 일년 동안 입자들을 모은다면 겨우 3g 정도가 모여진다 (단위 무게당 단가는 다이아몬드보다 비싸다). 그런데 재미있는 것은 한겨울인 3월에 플럭스가 갑자기 증가하였다는 것이다. 광합성에 의하여 최근에 만들어진 입자들이 아니라 다른 곳에서 해류를 타고 온 것들이다.
△14C 값이 이것을 잘 보여준다. 여름에는 △14C 값이 높아서 (그림의 녹색선이 광합성에 의하여 최근에 만들어진 유기물이 가져야 할 값임) 광합성에 의하여 만들어진 유기물이 침강 유기물의 대부분을 차지한다는 것을 보여주지만 다른 계절에는 모두 아주 낮은 값을 가져서 이 유기물들은 약 1900년 정도 전에 생성된 것임을 보여 준다 (참고: △14C은 14C/12C의 비율을 표준시료와의 차이로 나타낸 것인데 시료의 13C/12C의 비율을 이용하여 동위원소의 fractionation을 보정한 값이다. 따라서 시료의 △14C값을 변화시키는 것은 시간과 다른 나이를 가지는 유기물과의 혼합 뿐이다). 이 유기물들은 어디에선가 1900년 정도의 시간을 보낸 끝에 연구 정점까지 이동되어온 것이다. 또 다른 재미있는 현상은 2008년 여름에는 2004년과 2005년과는 달리 침강입자 플럭스가 최고로 상승했다는 것이다. 북극해는 기후변화의 영향이 빠르게 나타나고 있는 해역으로 여름철에 얼음이 녹는 속도가 빠르게 증가하는 추세이다. 2008년 여름에는 연구정점에서 거의 3달간 얼음이 걷혔으며 이 시기 동안 입자플럭스가 증가하였다는 것은 이 유기물들이 광합성에 의하여 여름에 생성된 것일 가능성이 크다는 것을 암시한다. △14C 값을 측정해보면 이것이 확실해 질 것이다. 이 자료들은 북극해가 빠르게 변하고 있으며 탄소순환 또한 변하고 있음을 보여준다. 북극해는 수십 년 후면 여름에 북극점까지도 얼음이 모두 녹을 것으로 예측되고 있다. 위에 보인 자료는 이런 변화가 일어났을 경우 북극해의 탄소순환이 어떻게 바뀔 것인가를 예측하는데 귀중한 자료이다 (Hwang et al., 2008).
2008년 여름에서 2009년 여름까지 전체 입자 플럭스와 정점에서의 얼음 농도
위의 예에서 보았듯이 표층에서 만들어진 유기물이 수직으로 심해로 이동하는 것 이외에 다른 곳에 퇴적되어 있던 유기물이 재부유된 후 해루에 의하여 수평적으로 이동하기도 하는데, 과연 이런 현상은 전세계 해양에서 얼마나 보편적으로 일어나는 것일까?
Normalized △14C 값 (침강 입자유기물의 △14C 값에서 광합성을 할 때 탄소의 기원인 표층해수의 용존무기탄소의 △14C 값을 빼어준 값, 따라서 광합성에 의하여 최근에 생성된 유기물의 normalized △14C 값은 0이 된다)을 살펴보면 이 값들은 대부분 0보다 낮아서 광합성에 의하여 최근에 생산된 유기물 이외에도 나이가 많은 유기물이 침강입자에 섞여있음을 암시한다.
이렇게 나이가 많은 유기물은 대부분 재부유된 퇴적물로 부터 기인하는 유기물의 수평적 이동으로부터 온 것인데, 이런 퇴적물의 재붑유과 수평적 이동이 해양에서 일반적으로 일어나는 현상임을 보여준다 (Hwang et al. 2010). 재부유되어 이동되는 유기물들은 광물입자 (clay와 같은)에 달라붙어 있다. 광물입자는 바람에 의하여 이동된 후 발다로 들어가는 소량의 풍성기원의 입자들을 제외하면 대부분 재부유된 퇴적물 입자에 기인한다. 따라서 침강입자 중에서 광물입자의 농도를 보면 재부유된 퇴적물에서 오는 유기물이 얼마나 많은가를 알 수 있다.
광물입자의 농도는 알루미늄(Al)의 농도로 대표될 수 있다. 따라서 침강입자 유기물의 △14C 값(유기물 나이)과 Al의 농도는 음의 상관관계를 가지게 된다. 즉 Al 농도가 커질수록 재부유된 퇴적물로부터 기원하는 유기물이 많이 포함되어 있다는 것을 나타내고 침강 입자유기물의 △14C 값이 낮아지게 (유기물의 나이가 많아지게) 된다. 실제로 동해를 비롯한 해양의 몇 몇 정점에서 관측된 자료는 이런 경향을 잘 보여준다 (Hwang et al. 2010).
침강 입자유기물의 보정된 △14C 값들. 지금까지 세계 해양의 여러 곳에서 관측된 값들을 모은 것이다. 한 정점을 제외하고는 모든 값들이 0보다 낮아 퇴적된 후 오랜 시간을 거친 유기물들이 재부유되어 이동하다가 퇴적물 트랩에 채집되는 현상이 전해양에서 일어나는 일반인 현상임을 보여준다. 그림에서 막대의 색은 시료가 채집된 깊이를 나타낸다. 녹색은 <500m, 파란색은 500m<<2000m, 빨간색은 >2000m이다.
세계 해양의 여러 곳에서 채집된 침강 입자유기물의 normalized △14C 값과 Al은 음의 상관상관계를 나타내며, 이것은 침강 입자유기물 중 일정 부분이 표층에서 광합성에 의하여 최근 수년간 생성된 것이 아니라 오랜시간 퇴적되어 이ㅆ던 유기물이 재부유되어 수평적으로 이동하여 온 것임을 보여준다.
다음으로 입자유기물을 생화학적 화합물 그룹으로 나누어 연구하는 예를 살펴보기 위하여 하나의 질문을 생각해보자. 해양의 침강 입자유기물의 생화학적 조성은 어떻게 되는가? 가령 플랑크톤은 지질, 아미노산, 탄수화물의 화합물들로 구성되어 있으며, 약 80% 이상이 분석 가능하다. 하지만 심해의 침강 입자유기물의 생화학적 조성이 무엇인지는 확실히 모르고 있는데 그 이유는 유기물의 50% 이상이 어떤 유기용매나 산, 염기에도 추출되지 않아서 통상적인 크로마토그래피 등을 이용한 기기분석이 불가능하기 때문이다. 밝혀지지 않은 나머지 성분이 무엇인가에 대하여 크게 두 가지 설이 있는데 하나는 침강 입자유기물 역시 플랑크톤의 조성과 비슷하게 대부분 지질, 단백질, 탄수화물로 구성되어 있다는 것이다 (Hedges et al. 2001). 또 다른 가설은 침강 입자유기물의 50% 이상을 차지하는 산불용성 물지 (nonhydrolyzable fraction, 산에 추출되지 않아 성분 분석을 할 수 없는 물질)이 단백질이나 탄수화물과는 달리 주로 지질 성분으로 되어 있다는 주장이다.
입자유기물을 지질, 아마노산, 탄수화물, 산불용성 물질로 분리하고 탄소의 동위원소를 측정해 본 결과 산불용성 물질의 동위원소비가 아미노산, 탄수화물과는 다르며 오히려 지질과 비슷하다는 것이다 (Hwang and Druffel, 2003). 이 연구는 유기물이 해양표층에서 심해로 이동되면서 99%가량은 박테리아에 의하여 이용되고 나머지 1% 정도만이 보존되는데, 이 과정이 선택적 보존인지 아니면 비선택적 보존인지의 무제에 실마리를 제공한다. 선택적 보존일 경우 마치 애초에 사과 한 상자가 있었는데 나중에 대부분의 맛있는 부분을 먼저 먹어서 나중에 껍질과 씨앗 등 맛없고 먹기 힘든 부분만 남게 된다는 것이고, 비선택적 보존의 경우 한 상자의 사가과 나중에 한 두개의 사과가 남게 된다는 것에 비유할 수 있다. 화합물그룹의 동위원소 결과는 선택적보존의 가능성 편을 들고 있다. 즉 침강 입자유기물의 대부분을 차지하는 산불용성 물질은 탄수화물, 단백질, 지질로 이루어져 있기보다는 지질 성분이 선택적으로 농축되는 것으로 생각된다.
침강 입자유기물을 네 화합물 그룹으로 나누어 △14C 값을 측정한 결과 탄수화물(TCHO)과 아미노산(THAA)은 서로 유사한 값을 가지며 산불용성물지과 지질(lipids)이 비슷한 값을 보였다.
동일한 현상이 δ13C 값에도 관측되었다.
이러한 현상은 침강입자 뿐만 아니라 부유입자유기물에서도 마찬가지로 관측된다.
북동 태평양의 Station M에서 채집한 부유입자유기물을 지질과 산에 용해되는 성분 (주로 탄수화물과 단백질, AS)과 용해되지 않는 성분 (산불용성 물질, Al)으로 분리하여 δ13C 값을 측정한 결과 산불용성 물질의 값은 탄수화물과 단백질의 값과는 다르다는 것을 알 수 있다 (Hwang and Druffel, 2006).
다음으로 유기물 입자의 개별 화합물들은 탄소순환에 어떤 정보를 제공할까? 많은 예가 있지만 알케논 (alkenones)을 예로 들어보자. 알케논은 보통 탄소 36개에서 38개로 이루어진 긴 사슬 모양으로 2~4개의 이중결합을 가지고 있으며, Coccolithophore 라는 생물종, 특히 Emiliania huxleyi에 의해 주로 생산된다. 재미있는 것은 알케논이 가진 이중결합의 수가 서식하고 있는 물의 온도에 따라 달라진다는 것인데 수온이 낮아질수록 이중결합의 수가 많은 알케논을 더 많이 생산한다. 이런 사실을 이용하여 알케논의 포화도 (이중결합 수의 함수)는 수온의 proxy로 이용된다.
이중 결합이 두 개 있는 알케논의 분자구조 모형. 빨간색은 산소, 짙은 녹색은 탄소, 옅은 녹색은 수소이다. 이중 결합이 특이하게 trans 구조를 가지고 있어 거의 직선 모양이다.
