바다눈
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1. 개요
바다 눈은 죽거나 죽어가는 동물, 식물성 플랑크톤, 원생생물, 분변, 모래, 유기물 및 무기물로 구성된 응집체이다. 조류 대번식 기간 동안 형성되며, 표층에서 조류가 사라지는 주요 원인 중 하나로 여겨진다. 바다 눈은 콜로이드 입자의 응집으로 시작하여, 다양한 역학적 과정을 거치며 심해로 탄소를 수송하는 역할을 한다. 또한, 바다 눈은 해양 세균, 시아노박테리아, 나노편모조류 등 다양한 미생물의 서식지이며, 심해 탄소 순환에 중요한 영향을 미친다. 지구 온난화로 인한 해양 성층화 강화는 바다 눈 생산을 감소시킬 수 있으며, 해양 시비와 같은 기술은 탄소 격리를 위한 시도로 연구되고 있다.
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| 바다눈 | |
|---|---|
| 해양 | |
| 이름 | 바다눈 |
| 영어 이름 | Marine snow |
| 개요 | |
| 정의 | 윗물에서 심해로 떨어지는 유기물 찌꺼기 |
| 구성 요소 | 죽은 플랑크톤, 분변, 모래, 진흙 및 기타 무기물 |
| 중요성 | |
| 역할 | 심해 생물에게 영양 공급, 탄소 순환에 기여 |
| 탄소 수송 | 대기 중 이산화 탄소를 심해로 격리하는 데 도움 |
2. 구성
바다 눈은 죽거나 죽어가는 동물, 식물성 플랑크톤, 원생생물, 배설물, 모래 및 기타 무기 먼지 등 다양한 유기 물질로 구성된다. 포획된 입자는 자유롭게 떠다니는 개체보다 포식자에게 더 취약하다. 세포외 고분자 물질은 주로 식물성 플랑크톤과 세균에 의해 폐기물로 배출되는 자연 고분자이며, 비생물적 과정을 통해 응집체를 형성할 수 있다.[2] 살파, 유미류, 익족류와 같은 동물성 플랑크톤이 분비하는 점액 또한 응집체 형성에 기여한다.[3] 이러한 응집체는 시간이 지남에 따라 성장하여 직경이 몇 센티미터에 달할 수 있으며, 해저에 도달하기 전에 몇 주 동안 이동한다.
조류 대번식 동안 바다 눈이 활발하게 형성된다. 식물성 플랑크톤이 축적됨에 따라 응집되거나 다른 응집체에 포획되는데, 이 두 가지 모두 침강 속도를 가속화한다. 응집과 침강은 표층수에서 조류 손실의 주요 원인으로 여겨진다.[4]
바다 눈의 대부분의 유기 성분은 여정의 처음 1,000미터 이내에서 미생물, 동물성 플랑크톤 및 기타 여과 섭식 동물에 의해 소비된다. 이러한 방식으로 바다 눈은 심해 중층 해양 및 저서생물 생태계의 기초로 간주될 수 있다. 햇빛이 도달할 수 없기 때문에 심해 생물은 에너지원으로 바다 눈에 크게 의존한다. 얕은 물에서 소비되지 않은 소량의 물질은 해저를 덮고 있는 진흙 "연니"에 통합되어 생물학적 활동을 통해 더 분해된다.
2. 1. 응집체 형성 과정
응집체는 보통 1nm에서 수 μm 크기의 콜로이드 입자에서 시작된다.[23] 바다의 콜로이드 성분은 식물성 플랑크톤이나 박테리아보다 총 질량이 훨씬 크지만, 잠재적 소비자가 이용하기에는 입자 크기가 너무 작다. 따라서 콜로이드 성분이 생물학적으로 이용 가능하게 되려면 응집되어야 한다.응집체는 비생물적 과정, 특히 식물성 플랑크톤과 세균이 배출하는 세포외 고분자인 천연 고분자에 의해 형성될 수 있다.[2] 살파, 유미류, 익족류와 같은 동물성 플랑크톤이 분비하는 점액 또한 응집체 형성에 기여한다.[3] 이러한 응집체는 시간이 지남에 따라 성장하여 직경이 몇 센티미터에 달할 수 있으며, 해저에 도달하기 전까지 몇 주 동안 이동한다.
조류 대번식 동안 식물성 플랑크톤이 축적되면서 서로 응집되거나 다른 응집체에 포획되어 침강 속도가 빨라진다. 실제로 응집과 침강은 표층수에서 조류 손실의 주요 원인으로 여겨진다.[4]
골드만의 "응집 회전 바퀴 가설"에 따르면, 식물성 플랑크톤, 미생물, 세균은 응집체 표면에 부착되어 살면서 빠른 영양소 재활용에 관여한다. 식물성 플랑크톤은 동물성 플랑크톤의 배설물이나 세균에 의한 유기물 분해로 재생된 영양소와 같이 국소적으로 농축된 유기물에서 영양소를 섭취할 수 있다.[5] 응집체가 바다 바닥으로 천천히 가라앉는 동안, 그 위에 서식하는 많은 미생물은 끊임없이 호흡하며 미생물 루프에 크게 기여한다.
3. 역학
바다눈 입자가 직경 수 마이크로미터로 응집되면 박테리아가 축적되어 섭식과 번식이 시작된다. 이 크기는 침강을 겪을 만큼 충분히 크다. 또한 응집체는 "응집 회전바퀴 가설(Aggregate spinning wheel hypothesis)"에 필요한 요소를 포함하고 있다. Alldredge와 Cohen(1987)은 응집체 내에서 호흡과 광합성 모두의 증거를 발견하여 자가영양생물과 종속영양생물의 존재를 시사했다.[29] 동물 플랑크톤의 수직 이동 동안 응집체의 양은 증가하고 크기 분포는 감소했다. 동물 플랑크톤의 복부에서 응집체가 발견되었으며, 이는 큰 응집체가 세분화됨을 나타낸다.[30]
3. 1. 평형 효과 (Ballasting effect)
바다 밑으로 더 빠르게 가라앉는 응집체는 심해저로 탄소를 수송할 가능성이 더 크다. 수주(水柱) 내 체류 시간이 길수록 포식될 가능성이 커진다. 먼지가 많은 지역에서 형성된 응집체는 먼지 입자가 없는 응집체에 비해 더 빠르게, 그리고 더 얕은 층에서 밀도를 높일 수 있으며, 이러한 리토제닉 물질이 증가된 응집체는 입자 유기 탄소 플럭스와 관련이 있다.[6] 그러나 리토제닉 물질로 과도하게 평형이 이루어지면 하강하는 동안 추가적인 광물을 제거할 수 없으므로 먼지 퇴적이 많은 지역에서 심해로의 탄소 수송은 표층 해양으로의 먼지 유입에 의해 강력하게 제어되는 반면, 더 깊은 수층에 있는 부유 먼지 입자는 침강 응집체와 크게 상호 작용하지 않는다.[6]해저로 더 빨리 가라앉는 응집체는 심해저로 탄소를 수송할 가능성이 높아지는 반면, 수중 체류 시간이 길수록 그곳에 서식하는 생물 등에 의해 이용될 가능성이 높아진다. 광물 성분이 많은 고농도 먼지 영역에서 형성된 응집체는 먼지가 존재하지 않는 상태에서 형성된 골재와 비교하여 밀도를 높일 수 있으며, 암석 생성 물질이 증가한 이러한 응집체는 입자상 유기 탄소 플럭스에 큰 영향을 미친다.[28] 평형 효과가 높은 응집체는 수중에서 이동할 때 미네랄 축적이 관찰되지 않으므로 표층 해역에서만 일어날 수 있다고 생각된다.
3. 2. 단편화 (Fragmentation)
입자가 직경 수 마이크로미터로 뭉쳐지면 먹이 섭취와 번식에 충분한 공간이 생겨 박테리아가 축적되기 시작한다. 이 크기가 되면 침강을 겪을 만큼 충분히 커진다. 또한 "응집 회전바퀴 가설"에 부합하는 구성 요소를 갖추고 있다. Alldredge와 Cohen(1987)은 응집체 내에서 호흡과 광합성 모두의 증거를 발견하여 자가영양생물과 종속영양생물의 존재를 시사했다.[7] 동물 플랑크톤의 수직 이동 동안 응집체의 양은 증가하고 크기 분포는 감소했다. 응집체가 동물플랑크톤의 복부에서 발견되어 이들의 섭식이 더 큰 응집체를 파편화시킬 것임을 나타낸다.[8]3. 3. 표면 응고 (Surface coagulation)
응집체는 떠오르는 거품 표면에 갇힌 콜로이드로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 켑카이 등은 거품 응집이 세균의 호흡을 증가시킨다는 것을 발견했는데, 이는 세균이 더 많은 영양분을 이용할 수 있기 때문이다.[9][31]3. 4. 여과 (Filtration)
바다 눈 응집체는 다공성이지만, 물기둥을 떠다니는 입자와 작은 유기체를 가두어 심해로 운반하는 역할을 한다.[1]4. 입자 관련 미생물
바다 눈 응집체는 미생물 활동의 중심지이며, 해양 세균이 가장 풍부하고, 시아노박테리아와 나노편모조류가 그 뒤를 잇는다.[10] 응집체 내 미생물 농도는 주변 해수보다 약 1,000배 더 높을 수 있으며, 계절에 따라 변동하여 여름철에 가장 높은 농도를 보인다.[1]
해양 원생생물(진핵 미생물) 중 심해 응집체는 주로 균류와 미로균류로 구성되어 있으며, 작은 응집체는 심해에서 발견되는 것과 유사하게 진핵생물을 많이 포함하지 않는다. 심해의 응집체는 표층 해양과 유사한 군집 구조를 보인다.[14] 응집체 미생물 군집은 수층 군집과 다르며, 부착된 미생물은 자유 생활 미생물보다 수십 배 높은 효소 활성을 나타낸다.[16]
4. 1. 탄소 순환
심해에는 지구상에 존재하는 용존 무기 탄소의 98% 이상이 포함되어 있다.[44] 마린 스노우는 지구 규모의 탄소 순환에 큰 영향을 미치는 것으로 생각되지만, 부착성 미생물이 어떠한 영향을 미치는지는 아직 밝혀지지 않았다. 연구에 따르면, 심해 미생물은 휴면 상태가 아니라 대사적으로 활발하며, 종속 영양 생물뿐만 아니라 독립 영양 생물에 의한 영양분 순환도 관여하고 있다. 현재 예측으로는 심해에서의 미생물의 탄소 요구량과 표층 해양으로부터의 탄소 수송은 균형을 이루지 못하고 있다.[44] 모델 기반 연구에서 용존 무기 탄소 고정은 표층 해양의 종속 영양 미생물과 비슷한 수준으로 일어나고 있다고 추정되며, 용존 무기 탄소 고정 속도는 1-2.5 밀리몰 C m-2d-1의 범위로 추정된다.[44]
거대한 응집체는 무산소 상태가 되어 혐기성 대사를 일으킨다. 일반적으로 혐기성 대사는 에너지적으로 유리한 경우에만 나타난다. 마린 스노우에서 추정되는 탈질균과 황산염 환원 세균의 존재량을 고려하면, 이러한 대사도 마린 스노우의 응집체 내에서 발생하고 있다고 생각된다. Bianchi 등이 개발한 모델에서는, 응집체 내에 다양한 산화 환원 전위가 있다는 것이 제시되었다.[45]
5. 한국 연안의 바다 눈
한국 연안, 특히 동해는 수심이 깊고 플랑크톤 생산량이 많아 바다 눈 형성이 활발한 지역이다. 동해의 독도와 울릉도 주변 해역은 다양한 해양 생물의 서식지로, 바다 눈을 통한 유기물 공급이 심해 생태계를 유지하는 데 중요한 역할을 한다.
스루가 만이나 사가미 만처럼 연안부에서 급격하게 깊어지는 해역에서는 강이나 도시에서 흘러들어오는 유기물에 의해 플랑크톤이 많이 발생하여 바다 눈을 많이 볼 수 있다.
최근 기후 변화와 해양 오염으로 인해 한국 연안의 바다 눈 형성과 침강 과정에 변화가 나타나고 있으며, 이는 심해 생태계와 탄소 순환에 영향을 미칠 수 있다.
6. 시사점
기후 변화로 인해 해양 온도가 상승하고 성층화가 강화되면, 해양 눈의 생산이 감소할 수 있다. 성층화가 심해지면 질산염, 인산염, 규산과 같은 식물성 플랑크톤 영양분의 공급이 줄어들어, 1차 생산량이 감소하고 결과적으로 해양 눈도 줄어들게 된다. 이는 심해 생태계와 지구 탄소 순환에 영향을 줄 수 있다.
해양 눈과 관련된 미생물 군집은 미생물학 분야에서 주목받는 연구 대상이다. 최근 연구에 따르면, 해양 눈에 포함된 박테리아는 넓은 해저에 서식하는 고립된 박테리아 집단과 유전자를 교환할 수 있다. 이러한 해저 지역에는 높은 압력과 극심한 추위에 적응한, 아직 발견되지 않은 종들이 존재할 수 있으며, 이들은 생명공학 및 약학 분야에 활용될 가능성이 있다.
6. 1. 해양 시비와 탄소 격리
해양의 열염 순환은 매우 느리기 때문에 생물학적 펌프에 의해 해양 눈으로 심해로 운반된 탄소는 1000년 이상 대기와 접촉하지 않고 남아 있을 수 있다. 즉, 해양 눈이 마침내 무기 영양분과 용존 이산화 탄소로 분해될 때, 이것들은 해양 순환과 관련된 매우 긴 시간 동안 표층 해양으로부터 효과적으로 격리된다. 결과적으로, 심해에 도달하는 해양 눈의 양을 증가시키는 것은 해양에 의한 탄소 격리를 강화하기 위한 여러 지구 공학 계획의 기초가 된다. 해양 영양 공급과 철분 시비는 표층 해양에서 유기 물질의 생산을 촉진하고, 이에 따라 심해에 도달하는 해양 눈의 증가를 추구한다.[20][46] 하지만, 탄소를 효과적으로 수송하는 지속 가능한 비료를 생산하는 방법은 아직 개발되지 않았다.참조
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