<사진. KISTI 미리안의 사진자료
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

철이 탄소순환과 기후변화에 기여한다?

철은 생명체의 필수 원소 중 하나로 미오글로빈(myoglobin)과 헤모글로빈, 시토크롬(cytochrome) P450과 같은 효소에서 발견되며 모든 살아있는 세포의 바이오시스템에 필수적인 톱니로 해양에서 이들이 부족하면 지구 생명의 원천에서 중요성이 높아진다. 이 같은 가운데 철의 근원과 탄소순환에 관한 연구가 발표돼 눈길을 끌고 있다 .

철은 해수 1리터에 수십억 분의 몇 그램으로 미량 존재하며 이 때문에 존재가 불일치한다는 결론이 나올지도 모른다. 사우스캐롤라이나 대학교(University of South Carolina) 해양과학과 조교수인 세스 존(Seth John)은 “1톤의 물에 함유된 철의 무게는 눈썹만큼이나 많았다”고 말하기도 했다.

사우스캐롤라이나 대학교 예술과학대학의 지구해양환경 대학원 연구원인 존(John)은 “모든 이가 철에 관심을 가지는 중요한 이유는 조류 같은 식물성플랑크톤의 성장을 제한하기 때문“이라고 말했다.

철이 소량 변화해도 광합성 유기물의 성장에 큰 영향을 미치고 이산화탄소 흡수 능력의 변화도 뒤따른다. 조류와 식물성 플랑크톤은 성장할 때 이산화탄소를 대기로부터 흡수해 단백질과 살아있는 세포를 구성하는 탄소 기반 분자로 전환한다. 존은 이 같은 프로세스를 진행하는데 매우 소량의 철이 필요하고 말했다. 작은 철은 식물성 플랑크톤이 성장하고 공기 중에서 이산화탄소를 흡수케 하기 위해 오랫동안 지속된다. 따라서 철이 해양으로 어떻게 이동하는지를 아는 것은 지구 탄소 사이클을 깊이 완전하게 이해하는데 중요하다.

존과 그의 동료들은 지난 몇 년간 이 사이클을 깊이 연구했다. 그들은 해양샘플을 수집하고 해수의 자연 철 동위원소를 정량화하는 분석기법을 개발하고 있다.

철은 다양한 원천에서 해양에 도달한다. 원천에서 안정한 자연 동위원소 철 56과 철 54의 비율은 지구 지각의 비율과 다른데, 그 이유는 다수의 화학적 프로세스가 두 동위원소 중 하나의 방출을 촉진함으로써 비율을 변화시키기 때문이다. 철 방출을 컨트롤하는 프로세스는 원천에 따라 다양해 원천이 달라지면 철-56/철-54 비율도 달라진다. 따라서 해수 샘플에 나타난 동위원소 비율의 작은 편차가 철의 기원에 대한 통찰력을 제공한다.

일례로 원천이 해저퇴적물이라면 대개 철은 매우 낮은 산소(무산소) 상태에서 해양으로 방출된 것으로 가벼운 철-54가 선호될 것이다. 대기 중 먼지라면 무거운 철-56을 선호하는 프로세스를 통해 해양으로 배출될 것이다. 이 같은 정보를 이용한 연구자들은 최초로 해수에 용해된 철의 기원을 입증할 수 있었다.

존과 박사후 과정 동료인 팀 콘웨이(Tim Conway)는 해수샘플을 정화하고 철-56/철-54의 비율을 결정하는 고성능의 스루풋 방법(high-throughput means)을 개발하고 있다. 이 방법은 GEOTRACES 항해에서 그들이 얻은 북대서양을 횡단한 600개의 고해상도 샘플을 처리할 수 있다.

샘플을 분석한 그들은 네이처(Nature) 저널에 발표된 논문에서 북대서양 철의 가장 큰 근원을 보여줄 수 있었다. 어떤 장소에서 70~90%가 배출됐는데 사하라 사막에서 불어오는 먼지에 있었다. 연구 결과는 이해가 매우 빈약한 탄소순환을 규정하는데 도움을 주고 있다.

존은 “이 같은 사실은 빙하기와 간빙기 같은 과거의 기후변화를 이해하는데 도움을 줄 수 있다”고 말하면서 “빙하기 때 해양으로 유입되는 먼지 플럭스에 큰 변화가 있었을 것이며 따라서 오늘날 먼지로부터 얼마나 많은 철이 발생하는지를 이해하는 것은 빙하기와 간빙기 사이클의 운전자를 이해하는데 도움이 될 것”이라고 말했다.

존과 콘웨이에 따르면 철 배출원의 브레이크다운도 놀라울 정도로 많다고 한다. 존은 “많은 사람들이 북대서양에 많은 먼지가 있을 것이라고 여기며 따라서 사하라 사막 외의 다른 원천에서 철이 20%가 방출되는 것은 아마도 더 놀라운 사실이며 매우 만족스러운 증명”이라고 말했다.

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