북극 땅속 보니 ‘온난화’ 심각…토양 내 유기물질 변화 ‘포착’

KBSI, 토양 깊이별 미생물 변화 분자 수준 규명
유기물 부족한 토양환경, 기후변화에 더 민감

국내 연구진이 지구온난화로 가장 빠르게 뜨거워지고 있는 북극의 땅속에서 기후변화의 미래를 가늠할 수 있는 '분자 단서'를 발견했다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 장경순 박사와 정지영 극지연구소 박사 연구팀이 공동으로 캐나다 북극 툰드라 지역에서 7년에 걸친 실제 현장 기반의 온난화 시뮬레이션 실험을 통해 토양 깊이에 따른 유기물 조성과 미생물 반응의 변화를 분자 수준에서 규명했다고 22일 밝혔다.

일반적으로 토양 유기물 분석은 총 유기탄소나 질소 농도 측정, 적외선 분광법, 원소 분석기 등을 통해 이뤄져 왔으나, 유기물의 전체적인 양적 변화나 기능성 그룹 수준까지만 파악할 수 있어 생태계 변화의 정밀한 기전은 밝히는 데 한계가 있었다.

연구팀은 '개방형 온도상승챔버'(OTC)를 북극 툰드라 현장에 설치해 여름철 기온을 자연스럽게 상승시키는 방식으로 7년여간 온실 효과를 모사했다. OTC는 온실효과를 내면서 자연 기상 변화 조건을 크게 변화시키지 않고, 자연적으로 기온을 높이는 방법으로, 전력공급이 원활하지 않은 극지연구에 적합하다.

이어 기초지원연 오창 바이오·환경연구소에 구축된 '15 테슬라(T)급 초고분해능 퓨리에변환 이온사이클로트론 공명 질량분석기'(15T FT-ICR MS)를 활용해 토양 내 수용성 유기물질의 조성과 반응성을 분자 단위로 정밀하게 분석하는 데 성공했다. 15T FT-ICR MS는 세계 최고 수준의 질량 분해능과 정확도를 자랑하는 초고성능 분석 장비로, 복잡한 혼합물 속에서도 수천∼수만 종의 유기 분자를 구분해 그 분자식을 정확히 확인할 수 있다.

분석 결과, 유기물 함량이 풍부한 지표층(0∼5㎝)에서는 온난화에 따른 유기물 조성 변화가 거의 감지되지 않았다. 이에 반해 상대적으로 유기물이 부족한 하부 토양층(5∼10㎝)에서는 온난화 조건에서 질소 농도 증가, 미생물 변환 증가, 페놀계 화합물·펩타이드류 등 특정 유기물질 비율 변화 등이 나타나 분자 수준에서의 의미 있는 변화가 확인됐다.

특히 온난화 조건에서 미생물 유기물 분해와 질소 순환이 촉진되고 있음을 보여줬다. 이런 변화가 장기간 온실효과에 의해 식물 지상부와 뿌리 생장이 촉진되면서 근권(식물의 뿌리가 영향을 미치는 범위)이 확장되면서 일부 미생물 군집이 하부 토양층에서 활성화됐고, 미생물과 식물의 상호작용이 활발해진 결과로 추정된다고 연구팀은 설명했다.

이처럼 분자 조성과 전환 경로를 함께 분석한 사례는 북극 토양 생태계 연구에서 국내 처음이며, 국제적으로도 드물다고 연구팀은 설명했다.

연구를 이끈 정지영 극지연 박사는 "이번 연구는 유기물이 부족한 지하 토양 환경이 기후변화에 훨씬 더 민감하게 반응할 수 있음을 과학적으로 입증한 것"이라고 말했다.

장경순 기초지원연 박사는 "이번 결과는 북극 탄소 순환 모델이나 생태계 변화 시뮬레이션의 정밀도를 높이는 데 중요한 과학적 단서가 될 것"이라고 밝혔다.

이 연구결과는 국제 학술지 '환경 연구(지난 8일자)' 온라인판에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr

북극 툰드라 토양에서 온난화에 따른 수용성 유기물 반응 모식도.

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북극 툰드라 지역에 설치된 온난화 실험장치.

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