국내 연구진이 지구온난화로 가장 빠르게 뜨거워지는 북극 땅 속에서, 기후변화 미래 경로를 가늠할 '분자 단서'를 발견했다.

한국기초과학지원연구원(KBSI·원장 양성광)은 장경순 디지털오믹스연구부 박사와 정지영 극지연구소 박사 공동연구팀이 7년에 걸친 캐나다 북극 툰드라 지역 온난화 시뮬레이션 실험 끝에 토양 깊이에 따른 유기물 조성 및 미생물 반응 변화를 분자 수준에서 규명했다고 22일 밝혔다.

연구팀은 개방형 온도상승챔버(OTC)를 북극 툰드라 현장에 설치해 여름철 기온을 자연스럽게 상승시키는 방식으로 약 7년간 온실 효과를 모사했다. OTC는 온실 효과를 내면서도 자연 기상 변화 조건을 크게 변화시키지 않고 자연적으로 기온을 높이는 방법으로, 전력 공급이 원활하지 않은 극지 연구에 적합하다.

이런 현장 기반 장기 온난화 실험은 향후 실제 기후변화가 생태계에 미치는 영향을 과학적으로 예측하고, 생태계 탄소순환이나 토양 생물군집 변화 등을 정량화하는 데 매우 중요한 기준점으로 작용할 수 있다.

북극 툰드라 지역에 설치된 Open-Top Chamber (OTC) 기반 수동 온난화 실험 장치.

보통 토양 유기물 분석은 총 유기탄소나 질소 농도 측정, 적외선 분광법, 원소 분석기 등으로 이뤄졌는데 이런 방법은 전체적인 유기물 양적 변화나 기능성 그룹 수준까지만 파악할 수 있다. 정밀한 생태계 변화 메커니즘을 밝히는 데 있었다.

반면 이번 연구는 KBSI 오창바이오·환경연구소에 구축된 15T 초고분해능 퓨리에변환 이온사이클로트론 공명 질량분석기(FT-ICR MS)를 활용해, 토양 내 수용성 유기물질(WEOM)의 조성과 반응성(분자 간 전환 가능성)을 분자 단위로 정밀하게 분석함으로써 기존 방법으로는 포착이 어려운 땅속 생태계 변화 메커니즘을 정량 규명했다.

이처럼 분자 조성과 전환 경로를 함께 분석한 사례는 북극 토양 생태계 연구에서 국내 최초며, 국제적으로도 드물다.

특히 WEOM 분자 간 질량 차 분석을 기반으로 '산화' '탈아민화' '메틸화'와 같은 생화학적 전환 경로를 유추하는 기법을 도입, 온난화에 따라 토양 미생물이 어떤 유기물을 어떻게 이용하는지 간접적으로 파악할 수 있었다.

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

특히 온난화 조건에서 무기층 WEOM 분자 수가 급격히 증가했고, 특히 고불포화 페놀계 화합물(HUP) 및 펩타이드 유사 화합물 비율이 높아져 미생물 유기물 분해 및 질소 순환이 촉진되고 있음을 시사했다.

연구팀은 장기간 온실효과에 의해 식물 지상부 및 뿌리 생장이 촉진돼 근권이 확장, 일부 미생물 군집이 하부 토양층에서 활성화됐고 미생물과 식물 상호작용이 활발해진 결과로 추정했다. 실제 식물 유래 물질에 의한 국지적 유기물 증가와 이에 따른 미생물 반응이 관찰됐으며, 이런 추론을 검증하기 위한 후속 연구도 진행중이다.

연구를 이끈 정지영 극지연 박사는 “지금까지 북극 표면 생태계에 초점이 맞춰져 있었지만, 이번 연구는 유기물이 부족한 지하 토양 환경이 기후변화에 훨씬 더 민감하게 반응할 수 있음을 과학적으로 입증한 것”이라고 설명했다.

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

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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