1. 서 론
2. 인도양에서 주요 미량원소 연구 결과
과거(2000년대 이전) 인도양 미량원소 연구
2010년대: GEOTRACES 인도양 미량원소 연구
3. 이사부호 기반 대한민국의 최근 인도양 연구 활동 및 미량원소 연구 동향
4. 향후 연구 방향
분석 측면: 현장(in-situ onboard) 미량원소 분석 기술 확보
인도양 탐사 방법 관련
해양과정연구(process study)
5. 요약 및 결론
1. 서 론
해양에서 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 등의 미량원소(trace elements)는 생체 내 효소(metalloenzyme)를 구성하거나 효소의 작용을 촉진하는 촉매로 작용하는 등, 해양 생물의 생장과 일차 생산에 필수적인 미세영양염(micronutrients)으로 알려져 있다(de Baar and de Jong 2001; Bruland and Lohan 2006). 따라서 미량원소들은 해양에서 생태계 변동, 생물의 영양염(nutrient) (e.g., N) 이용, 그리고 해양의 영양염과 탄소 순환에 중요한 역할을 하는 것으로 보고되었다(Morel 2008). 또한, Hg, Pb 등의 인위적 오염 기원의 금속들은 생물에게 독성 영향을 끼치기도 한다(Tangahu et al. 2011). 따라서 해양에서 미량원소의 분포, 기원, 거동 및 그 순환을 이해하는 것은 해양 과학의 가장 중요한 이슈인 기후변화와 생태계 환경 변화에 직접적인 연관이 있다. 그러나 이러한 해양학 적인 중요성에도 불구하고 해양의 미량 원소와 그 동위원소(Trace Elements and their Isotopes, TEIs)는 해수 중에서 극미량으로 분포하여(< 1–10 nM)대양에서 시료 채취 및 분석 과정의 어려움 등의 이유로 아직 많은 부분이 잘 연구되지 않았다(Cutter and Bruland 2012). 특히, 국내에서는 선상에서 미량원소의 오염을 방지하는 청정 해수 채취 기술 및 방법의 부재에 따른 한계가 있었다.
‘GEOTRACES’는 대양에서 해양 TEIs의 분포와 순환을 이해하기 위한 목적으로 2000년대 중반부터 현재까지 30여개국 이상이 참여하는 국제 공동 연구 프로그램이다. GEOTRACES 프로그램의 목표는 전세계 해양 TEIs의 기원, 제거, 거동 등 생지화학적 프로세스를 규명하는 것으로(SCOR Working Group 2007; Anderson et al. 2014), 이를 위하여 전 대양에서 고해상도 종/횡단 국제공동관측(section cruise)과 개별 국가의 다양한 해양과정연구(process study)를 동시에 진행하고 있다. 또한, 연구진 간의 상호 비교 검증(intercomparison)을 통해 신뢰도 있는 대양의 미량원소와 동의원소의 측정값을 얻기 위해 노력하고 있다. 이 과정에서 연구자들의 시료채취 절차와 분석 방법의 표준화를 통해 기존 연구진들의 경험과 지식을 공유함으로써 신규 참여국들을 지원 및 독려하는 활동 또한 수행 중에 있다(http://www.geotraces.org). 최근, 2차례의 중간 자료 산출 (Intermediate Data Product, IDP in 2014 and 2017)을 통해 GEOTRACES탐사에서 얻어진 TEIs 자료들을 취합하여(Mawji et al. 2015; Schlitzer et al. 2018), 현재 어느 누구나 GEOTRACES 참가 연구진의 출판된 연구결과를 접근하여 열람이 가능한 웹데이터베이스(web database)인 ‘e-GEOTRACES’를 구축하였다.
국내(대한민국)의 미량원소 연구진들은 2000년대부터 꾸준히 GEOTRACES연구 활동 참여를 위한 노력을 기울여왔다. 그러나 대양의 미량원소 청정 해수 시료채취 경험 및 기술 부재와 함께 이러한 연구를 수행할 역량이 있는 연구선의 부재 등으로 본격적인 연구 수행이 계속 미루어졌다. 최근(2016년 11월) 한국해양과학기술원(Korea Institute of Ocean Science and Technology, KIOST)에서는 종합 대형 연구선 이사부호(R/V Isabu)가 건조되고 취항하였으며, 세계에서 8번째로 > 5000 t 급 대형 연구선을 보유한 새로운 대양 연구 시대의 개막을 알렸다. 특히, 이사부호에는 대양 미량원소 청정 해수채취장비(clean seawater sampling)인 PRISTINE Ultra Clean CTD (NIOZ, NL) (Rijkenberg et al. 2015; Kim et al. 2019)와 이를 운용하기 위한 비금속(non-metal) kevlar wire를 함께 관급장비로서 갖추고 있어, 대양 미량원소 연구 시작의 새로운 가능성을 열게 되었다.
세계 3대양 중 하나인 인도양(Indian Ocean)은 온대/한대가 없는 열대성 해양으로 다른 대양과는 다른 특이한 환경 특성을 보이는데, 특히 가변적인 인도양 몬순(monsoon)현상은 주변 지역인 동아시아의 날씨와 기상 환경에 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다(Schoot and McCreary 2001; Yamagata et al. 2004; Izumo et al. 2008). 또한 인도양의 환경 변화는 계절풍에 의한 열대수렴대의 규칙적인 진동에 의해 발생하는데, 특히 쌍극진동(인도양 서쪽과 동쪽에서의 수온이상 교번 현상, Indian Ocean Dipole, IOD) (Saji et al. 1999; Vinueza et al. 2006; Wiggert et al. 2006), 매든-줄리안 진동(Madden-Julian Oscillation, MJO)(Saji et al. 2006), 및 엘니뇨 남방진동(El Niño/Southern Oscillation, ENSO) (Krishnamurthy and Goswami 2000; Murtugudde et al. 2004; Meyers et al. 2007) 등의 상호 영향으로 인한 경년 변동성(interannual variability)은 주변국의 기상 현상과 전지구적 기후변동성에 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 인도양의 표층 수온의 상승은 미국, 유럽과 아시아의 가뭄과 직접적으로 연관된 것으로 보고 되었다(Han et al. 2014). 또한, 인도양은 3대양 중 가장 복잡한 해저 지형을 가지고 있어 다양한 해양 물리-화학-생물학적 현상에 영향을 끼칠 것으로 예상되지만(Han et al. 2014), 태평양과 대서양에 비해 가장 탐사가 적게 이루어진 지역으로 인도양의 복잡한 기후 현상과 생지화학적 변동성이 동아시아 등 주변지역에 미치는 영향에 대해서는 역시 아직 많은 연구들이 이루지지 않고 있다.
2000년대 중반 국제적으로 GEOTRACES 국제 공동 연구의 논의가 본격화된 이래, GEOTRACES를 활용한 대양 미량원소 및 그 해양 생태학적 영향 연구가 대양에서 시도되었다(Anderson et al. 2014; Anderson 2020). 그러나 태평양과 대서양 그리고 극지방 해역에 비해, 인도양 수층(water column)에서의 GEOTRACES 연구는 많이 이루어지지 않았다. 2009–2010년 일본에서 수행한 종단(latitudinal) section cruise (Fig. 1) (Japan-GEOTRACES, GI04 in 2009–2010, by R/V Hakuho Maru)가 인도양에서 첫 공식 GEOTRACES 공식 연구항해로서 수행되었고, 2010년대 이후 인도양 북부의 지역해(marginal sea)를 중심으로 인도의 연구진의 수차례의 관측이 있었으나(India-GEOTRACES) (GI01-03 and GI05-06, Fig. 2), 현재 e-GEOTRACES에는 Japan-GEOTRACES의 미량원소 분포 관측 결과(GI04)만이 열람이 가능하다(Fig. 1). GEOTRACES에서 기 수행된 인도양 연구 항해들의 세부 정보와 관측 항목, 시료 채취 방법과 정량적 연구 성과 등의 세부 정보들을 Table 1에 나열하였다.
Table 1.
The details of GEOTRACES listed (completed and future planned) cruises (Basic information, research item, sampling method, and number of publication)
| Section (Cruise name) | County | Date | Platform R/V (Chief Scientist) | Observation item (for TEIs) | Sampling method (Tool) | Num. of SCIE Publications (until 2020) |
|
GI01 & GI02 (SK311-312) | India | Mar.–May 2014 |
Sagar Kanya (Dr.S.K. Singh) |
Fe, Al, Zn, Mn, Cd, Cu, δ15N, and Si-, Nd-, Mo isotopes, |
Niskin–X3 mounted on a Kevlar wire4 | > 3 |
|
GI03 (SK304) | Jan.–Mar. 2013 |
Sagar Kanya (Dr. S.K. Singh) |
Fe, Al, Zn, Mn, Cd, Cu, δ15N, 230Th, Si isotopes, and Nd isotopes | > 1 | ||
|
GI041 (KH-09-5) | Japan |
Nov. 2009 –Jan. 2010 |
RV Hakuho Maru (Dr. T. Gamo) |
Fe, Al, Zn, Mn, Cd, Cu, Co, Pb 230Th, 231Pa, Nd isotopes, and etc. |
Niskin–X3 with Ti armored cable | > 10 |
|
GI05 (SK324) | India |
Sep.– Oct. 2016 |
Sagar Kanya (Dr.S.K. Singh) |
Trace elements and isotopes, particulate matter, 14C, Nd and Hf isotopes |
Niskin–X3 mounted on a Kevlar wire4 | > 1 |
|
GI06 (SK338) | India |
Jan.– Mar. 2017 |
Sagar Kanya (Dr. V. Chinni) | > 1 | ||
| GI07 | Germany | Postponed | ||||
| GI08 | TBD2 | Still to be decided | ||||
| GS02 | France |
Jan.– Mar. 2021 |
Marion-Dufresne (Dr. C. Jeandel & Dr. H. Planquette) |
Fe-, Zn-, Cd-, Si isotopes 13C, 15N, REE, Pb, Ba, Nd isotope Hg, 232Th/230 Th, Pa, Ra, 227Ac |
Go-Flo bottles mounted on a Kevlar wire | |
| GS03 | Australia | Still to be decided | ||||
| GS04 | TBD2 | |||||
| GS05 | Germany | |||||
2017년부터 KIOST 등 국내 연구진들이 이사부호 기반의 인도양 미량원소 연구를 국내에서 수행 중에 있으며, 국내에서는 처음으로 청정 해수 채취 방법을 기반으로 대양 수층에서 미량원소 분포 자료를 생산하기 시작하였다(Kim et al. 2019). 또한 2020년대 이후, 유럽 국가들을 중심으로 여러 인도양 GEOTRACES 연구 항해가 계획 및 추진되고 있다(Table 1 and Fig. 2). 이 논문에서는 과거에서부터 최근까지, 특히 2010년대 수행된 GEOTRACES의 연구 결과를 위주로 인도양에서의 국제 인도양 미량원소 연구 성과들을 2에서 검토 및 소개하고자 한다. 2.1에서는 과거 1990년대 전후의 인도양에서 초기의 미량원소 연구를 소개하고, 2.2에서는 Japan-GEOTRACES (GI04)를 통해 얻어낸 연구 성과, 2.3에서는 인도 등 최근의 Indian- GEOTRACES 연구성과에 대해 요약하였다. 그리고 3에서는 대한민국에서 수행된 최근 인도양 미량원소 연구 성과들 역시 검토하였으며, 이어 4에서 향후 인도양에서 필요할 것으로 생각되는 미래 연구 방향에 대한 제안하였다.
Fig. 2.
The Indian Ocean (with Arabian Sea (AS), Bay of Bengal (BoB), and also regionally linked Antarctic polar region) GEOTRACES cruise sections. The details of each cruises were listed in Table 1. Yellow lines indicate completed cruises, black lines indicate International Polar Year cruises, and red lines indicate planned cruises. Modified from https://www.bodc.ac.uk/geotraces/cruises/section_maps/indian_ocean/ (accessed in 1st June 2021)
2. 인도양에서 주요 미량원소 연구 결과
과거(2000년대 이전) 인도양 미량원소 연구
1970년대 이후, 대양에서 미량원소의 역할의 중요성에 대해 인식하게 된 이후, 청정 해수 시료 채취와 분석법의 개발이 이루어지기 시작하였고, Geochemical Ocean Sections Study (GEOSECS) 등의 국제 대양 관측 프로그램을 통해서 대양에서 미량원소 자료가 발표되기 시작하였으나(Boyle et al. 1976; Bruland et al. 1979; Bruland and Franks 1983), 인도양은 다른 대양에 비해 상대적으로 관심이 적었다. 1980–1990년대 전후의 인도양에서의 미량원소 연구는 적도 인도양(Equatorial Indian Ocean, EqIO)등 분지 규모(Basin-scale)의 대양 연구보다 아라비아해(Arabian Sea, AS)와 Bay of Bengal (BoB) 등, 북인도양(Northern Indian Ocean, NIO)의 marginal sea에서 주로 산소가 적은 지역(suboxic)의 생산성 및 생지화학적 영향에 대한 연구가 주로 이루어졌다(Fowler et al. 1984; Nolting et al. 1989; Upadhyay and Sen Gupta 1994). 인도양에서 초기 미량원소(1980s~1990s) 분포 자료는 i) 1976년 구소련의 인도양 탐사(R/V Academik Kurchatov, April–June 1976) (Danielsson 1980), ii) 1977–1978년 Indian Ocean ‘GEOSECS’ expedition (R/V Melville, 60°E in 1977–1978) (Cochran et al. 1983), iii) 1986년 영국의 West-Equatorial Indian Ocean (WEIO)에서 ‘Charles Darwin expedition’ (Saager et al. 1989; German and Elderfield 1990; Morley et al. 1993)까지 이 3 차례의 인도양 탐사에서 주로 이루어졌다.
Danielsson (1980)은 AS에서부터 EqIO, 남인도양(Southern Indian Ocean, SIO)에 이르기까지(20°N–20°S) 수층에서 용존 Cd, Co, Cu, Fe, Pb, Ni, Zn의 수직 분포를 처음 발표하였다. Transparent Plastic Nansen (TPN) 채집기로 시료를 채취하고 선상에서 2단계 용매추출법으로 시료 전처리, 선상에서 원자흡광분광기(Atomic Absorption Spectrophotometry, AAS)으로 측정을 하는 등, 선상에서 오염을 최소화하기 위한 노력을 기울였다. Danielsson (1980)은 인도양 미량원소들이 질산염 등 영양염(nutrient)과 좋은 상관관계를 보임을 발표하였는데(Cd과 질산염은 r = 0.92–0.95, 인산염과 0.94–0.96), Fe, Pb, Zn 등의 측정 자료는 오염(contamination)에 의해 다소 일관적이지 않은 농도 범위를 보였다. 1978년 GEOCECS section cruise를 통해 인도양 수층에서 Se (Grant et al. 1983)과 자연 방사능 추적자 226Ra, 210Pb, 210Po의 관측이 이루어졌으나(Cochran et al. 1983; Chung 1987; Chung and Finkel 1988) 금속 원소(trace metal)들에 대한 연구 결과는 발표되지 않았다.
1986년 영국의 Charles Darwin expedition (Royal Research Ship, R.R.S Charles Darwin)을 통해 다양한 인도양 수층에서 다양한 미량원소들의 연구가 본격화되었다. 이 관측에서는 북서인도양의 Gulf of Oman에서부터 AS, EqIO의 67°E 종단면 관측을 수행하였다. 현재에도 주로 널리 쓰이는 CTD-Rosette기반의 테프론(polytetrafluoroethylene, PTFE) 코팅된 Go-Flo (General Oceanics, US) 해수 채취기를 통해 해수 시료를 채취하였으며, 1978년 GEOCECS 정점을 재방문하는 상 비교검증 관측(cross-over station) 역시 수행하였다. Saager et al. (1989)은 북서인도양(Northwest Indian Ocean, NWIO)에서부터 EqIO에서 이르기까지 (0°–23°N) 용존 Fe과 Mn 농도를 측정하였다. 시료는 킬레이트 수지(Chelex 100 resin)를 이용하여 추출(extraction)된 Fe과 Mn을 AAS로 분석하였다. Fe과 Mn의 최대 농도는 주로 OMZ에서 나타났으며 특히 Mn 농도는 Red Sea (홍해)와 Gulf of Oman에서 기인하였음을 제안하였다(Saager et al. 1989). Morley et al. (1993)은 남서인도양(Southwestern Indian Ocean, SWIO) (7°S–27°S) 종단선 6 정점에서 채취한 해수를 용매추출법으로 전처리 한 후 흑연원자로-추출분광법(Graphite Furnace AAS, GF-AAS)을 이용해 용존 Cd, Ni, Cu, Zn 농도를 분석하고, 이 미량금속들의 수직분포가 영양염과 유사한 수직 분포(nutrient-type)임을 보고하였다.
당시 인도양은 지역적으로 산업화가 늦게 시작된 국가들로 둘러 쌓여있어, 일부 주변국의 빠른 도시화와 산업 활동에 의한(배경 농도 대비) 급격한 해양의 화학 특성 변화를 이해하기에 좋은 환경으로 인식되었다(Saager 1994). 따라서 관련 연구의 필요성이 강조되며 1990년대 이후, GEOSECS, The Indian Ocean Marine Affairs Cooperation (IOMAC), World Ocean Circulation Experiment (WOCE), The Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS) 등의 국제 공동 연구가 계획되고 추진되었다. 그러나 이후, 일부 대기분진 및 퇴적물에서의 미량원소 연구 결과들이 보고되었을 뿐(Chester et al. 1991; Nath et al. 1997; Pattan et al. 2005), 인도양 수층에서 미량원소 연구 결과는 2010년대에 이르기까지 거의 발표되지 않았다.
2010년대: GEOTRACES 인도양 미량원소 연구
주요 미량원소의 인도양 수층 내 분포 특성
2000년대 중반 국제적으로 GEOTRACES 국제 공동 연구의 논의가 본격화된 이래, 현재까지 100회가 넘는 GEOTRACES 연구 항해(cruise)가 수행되었으며 그 중 인도양에서는 총 6회의 GEOTRACES 연구 항해(GI01-GI06, Fig. 2 and Table 1)가 Japan-GEOTRACES와 India-GEOTRACES의 일환으로 수행되었다. 이 시기의 2010년대 연구들은 분석 기술과 질량분석기(mass spectrometer)등의 분석 기기 발전으로 극미량의 시료만을 사용하는 고체상 추출법(Solid Phase Extraction, SPE)이 주로 이루어졌고, 따라서 여러 미량원소들을 동시에 측정하는 연구가 이루어지게 되었다. Japan-GEOTRACES의 인도양 GEOTRACES 탐사를 통해(R/V Hakuho Maru, 2009–2010)(IO04, Figs. 1 and 2), AS와 BOB에서부터 아남극(sub-polar)과 SIO에 이르는 종단선 7 정점에서의(8.5°N–38°S, 70°E) 시료채취가 이루어졌다. Vu and Sohrin (2013)은 서인도양(Western Indian Ocean, WIO) 수층에서 용존 Al, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, and Pb 분포를 측정하여 보고하였다(Fig. 3). 미량원소들의 분포 특성은 크게 i) Scavenged-type의 Al, Mn, Co, Pb, ii) Nutrient-type의 Ni, Cu, Zn, Cd, 그리고 ii) Scavenged and recycled type의 Fe, 이렇게 3개의 그룹으로 나눠지는 것으로 나타났다. Scavenged-type의 1그룹 원소들은 주로 인도양 북쪽 정점에서 높고 심해에서 낮게 나타났으며 심층에서는 거의 일정한 분포를 보였다. 또한, 대기 기원의(aeolian dust) 높은 Al이 표층 해류의 수송으로 인해 남위 20°S 지역의 수심 500미터 깊이에까지 관측되는 것으로 나타났다(Fig. 3a). 특히, 1그룹 원소간에도 지역적으로 다른 거동을 보였다. 예를 들면, Mn/Al 의 비 값(0.03–0.14)은 NIO 상층부에서 AS 기원 에어로졸에서의 비 값(Mn/Al~0.007, Chester et al. 1991)보다 매우 높게 나타났는데, 이는 OMZ (80 to 1500 m in the AS and BoB)에서 광화학적 환원 반응에 의해 Mn이 해수 중에 더 효율적으로 용해되기 때문이다. 또한 Mn과 Co는 아질산염(nitrite)과 함께 약 200미터 깊이에서 매우 높게 나타났는데, 이는 OMZ에서 질산염(nitrate) 환원반응과 함께 입자상(particulate) Mn이 해수로 더 용해(dissolution)되기 때문이라 보고하였다(Vu and Sohrin 2013). Nutrient-type의 2그룹 원소들은 일반적인 대양의 미량원소 경향성과 같이 영양염들과 매우 좋은 상관성을 나타냈다(Fig. 3); Ni, Cu, Zn는 규산염(silicate)과 매우 유의한 양의 상관관계(r = 0.81–0.87), Cd은 인산염(phosphate)와 매우 유의한 양의 상관관계(r = 0.97)를 보였다. 그러나 나머지 3그룹으로 분류된 Fe 다른 원소들과 다른 특이한 지역적(local) 분포 특성을 보인다고 보고하였으며(Fig. 3d) (Vu and Sohrin 2013), 이는 다음 절에서 더 자세히 소개하고자 한다.
Fig. 3.
Dissolved (a) Al, (b) Mn, (c) Cd, and (d) Fe in GEOTRACES GI04 expedition (2009–2010) in the Indian Ocean transect (Nishioka et al. 2013; Vu and Sohrin 2013). Modified from Web Ocean Data View (ODV) in eGEOTRACES (accessed in 1st June 2021)
인도양 수층에서 Fe 기원과 거동
Nishioka et al. (2013)은 Japan-GEOTRACES GI04탐사에서 선상에서 용존 Fe 농도를 유동주입식 분석법(Flow Injection Analysis, FIA)으로 측정하였다. 전반적으로 용존 Fe 분포는 EqIO 종단선에서 표층에서 소모되고 심층으로 갈수록 높아지는 경향을 보였으나, 적도 인근과 5°N 근처의 심해수에서(> 3000 m) 열수(hydrothermal)로부터 기원한 배경농도에 비해 2–4배 이상 높은 Fe 농도(1.0 to 2.3 nmol kg-1)가 관측되었다(Nishioka et al. 2013). 또한 이 열수 기원의 높은 Fe가 인도양 중앙 해령 확장 구간(Central Indian Ridge Segment)을 따라 약 3,000 km 떨어진 심해 (2000–4000 m)에서도 나타나고 있는 것을 보고하였다(Nishioka et al. 2013) (Fig. 3d). 앞서 Sands et al. (2012)는 2001년 인도양 Edmond 열수구(hydrothermal vent)탐사에서 열수 플룸(plume)에서 직접 미량 원소(Fe, Mn, Cu, P)들의 크기별 농도 분포(size fractionation)를 측정하였는데, 열수 플룸에서 Mn은 대부분이 용존(dissolved)형태인 반면, Fe은 전체 농도 중에서 용존 형태가 가장 적은 부분(minor portion)을 차지한다고 보고하였다; Cu 역시 주로 입자상, P는 주로 입자 및 콜로이드(colloidal) 상으로 존재하였다. 그러나, Nishioka et al. (2013)의 GEOTRACES 심해 정점들에서 hydrothermal 기원의 용존 Fe의 형태는 많은 부분이(전체 농도의 30–90%) 콜로이드 상이 아닌 실제 용존 형태(real soluble fraction, 1000 kDa filtrate)인 것으로 나타났는데, 이는 앞선 Sands et al. (2012)의 결과와 다소 상충되는 결과로 나타났다. 또한 NIO의 AS의 중층수(intermediate water)에서 역시 높은 Fe 이 관측되었는데(Fig. 3d), 이는 아산소 환경(suboxic zone)에서의 침강 입자(settling particles)나 환원환경의 퇴적물(reducing sediment)에서부터 재광물화(remineralization)에 의한 것이라고 제안하였다(Nishioka et al. 2013). 또한 용존 Fe의 화학적 형태에 대한 연구도 수행되었다. Kondo and Moffett (2013)은 GI04의 같은 관측 정점에서 용존 Fe의 화학적 종조성(Fe (III) and Fe (II))을 선상 루미놀-화학발광법(luminol- chemiluminescence detection)으로 측정하였다. EqIO 수층에서 약 7–29%의 총 용존(total dissolved) Fe이 실제로는 Fe (II)의 형태로 존재하였으며, 이 지역에서 OMZ의 환경적 영향과 상층에서 미생물 작용의 영향이 Fe의 redox cycle에 중요한 역할을 하고 있음을 제안하였다. 또한 이러한 Fe (II)의 상대적인 중요성은 계절적 및 연간 변동성(seasonal-and annual variation) 을 보이지 않으며 장기간 시간 범위에서도(long-term scale) 거의 일정하게 유지된다고 보고하였다.
인도양에서 인위적 기원 Pb 유입 연구
앞서 인도양은 다른 대양에 비해 인접한 대륙이 적고, 상대적으로 산업화가 덜 된 국가들에 둘러 쌓여 있어, 육상 및 대기를 통한 인위적 기원 오염물질의 유입이 적은 지역이라고 인식되어왔다(Saager 1994). 그러나 Echegoyen et al. (2014)은 NIO와 열대(tropical) 지역 표층수에서 Pb농도 범위는 42–82 pmol kg-1로 나타났으며, 이는 SIO (20°S–60°S) (7–21 pmol kg-1 Pb)에 비해 약 4–6배 높은 수치라고 보고하였다(Fig. 4a and b). NIO와 EqIO에서의 다소 높은 Pb 농도는 중앙태평양/북태평양이나 북대서양에서의 현재 검출되는 농도보다 다소 높았으며, 이는 인근 국가들의 급속한 산업화와 납 휘발유(유연 가솔린, leaded gasoline)의 늦은 단계적 폐기에 의한 것이라 보고하였다. 이어서, Lee et al. (2015)는 같은 시료에서 안정 납 동위원소(stable Pb isotpes)분석을 통해, NIO에서 인위적 기원 Pb이 공급되고 있음을 밝혀내었다. 이상적으로(anomalous) 낮거나 높은 206Pb/207Pb와 208Pb/207Pb이 SIO와 AS 수온약층 아래 shallow water에서 주로 관측되었으며, 이는 주요 인위적 Pb의 기원 물질 변화가 수괴에 반영되기 때문인 것으로 제안하였다(Fig. 4b and c) (Lee et al. 2015). 또한, BoB에서 206Pb/207Pb 과 208Pb/207Pb이 AS보다 다소 높게 나타났으며(Fig. 4b and c), 이는 i) 인위적 기원 Pb의 공급, 또는 ii) 하천이나 퇴적물 등 경계면에서 입자(natural)와 해수의 혼합 및 교환 작용에 의한 Pb 동위원소의 분별작용(fractionation)에 의한 것으로 제안하였다(Lee et al. 2015).
그 외 최근(Up-to-date) 인도양에서 미량원소 연구
2013년부터 2017년에 이르기까지 인도 연구진의 India- GEOTRACES 활동의 일환으로 AS와 BoB를 포함한 NIO의 marginal sea와 EIO, 아열대 해역(subtropical gyre)을 아우르는 4차례 GEOTRACES 관측을 수행하였다(India- GEOTRACES, GI01-GI03 and GI05-GI06). 이 관측 결과는 아직 GEOTRACES IDP에 등재되지 않아 meta form의 자료만이 현재 GEOTRACES를 통해 열람할 수 있다. India-GEOTRACES 관측 항목 등 세부 정보는 Table 1과 Fig. 2에 나타내었으며 이어 주요 연구 성과들을 소개하겠다.
India-GEOTRACES의 GI01, GI03, GI06 탐사에서는 (Fig. 2) 선상 FIA분석을 이용한 용존 Fe과 Al의 기원과 거동에 대한 연구가 수행되었다. Chinni et al. (2019)는 GI01 과 GI03 (Table 1 and Fig. 2) 탐사에서 AS, BoB, EIO (20°N–26°S, 72°E–105°E)에서 용존 Fe 농도를 관측하였다. 대륙붕 근처의 NIO에서 높은 Fe의 기원은 육상 및 강물 기원의 입자와 대기를 통한 유입, 그리고 suboxic 환경에서 유기물의 remineralization의 작용 때문이라 보고하였다. 또한, 심해에서 열수 기원의 Fe의 유입이 인도양 전체에 미치는 정량적 영향 및 subduction zone에서의 지역적 유입(local input)에 의한 높은 철(다른 인도양 심해수의 약 4배 높은 농도)의 기원 및 유입량에 대해서 향후 더 집중적인 연구의 필요성을 제안하였다(Chinni et al. 2019). Singh et al. (2020)은 GI01과 GI06 탐사에서 (Table 1 and Fig. 2) 용존 Al 의 기원과 거동에 대한 연구를 수행하였다. NIO의 BoB and Andaman Sea에서 육상 물질 유입(riverine particle and lithogenic sediment)을 통한 Al의 shelf에서의 유입양과 BoB의 표층수의 Al 농도를 통해 계산해 본 결과 Al의 표층에서의 용해도(solubility)는 약 1.1–4.7%임을 밝혀내었다. 또한 대륙붕에서의 육상 유입이 NIO 상층에서 높은 Al의 가장 중요한 기원이며, 이 지역에서, 심해(> 1000 m)에서는 빠른 수직 혼합(rapid vertical mixing)으로 인해 심해 Al의 농도는 거의 일정하게 (~3.7 nM) 분포한다고 보고하였다. 더 나아가 EIO 상층에서 scavenging에 의한 Al의 체류시간은 계산한 결과 약 90–140년(based on 1-D scavenging-advection-diffusion model)으로 나타났다. 그리고 EIO의 심층 (2000–3500 m)에서 지역적으로 높은 Al 농도를 통해 향후 퇴적물로부터의 미량원소의 재생산 및 재부유(sediment resuspension)의 중요성에 대한 연구가 필요함을 제안하였다(Singh et al. 2020).
또한 GEOTRACES활동과는 별개로 여러 국제 대양 관측 프로젝트를 통해 인도양에서의 미량원소 연구 결과가 역시 소개되었으며, 여기서 몇가지 연구 결과를 소개하고자 한다. 인도양에서의 앞선 연구가 주로 종단선 관측이었다면, Japan-GEOTRACES 이전에 SIO에서의 횡단(longitudinal cross-sectional)선을 따라 미량원소 중 Zn 관측 또한 수행된 적이 있다. Climate Variability and Predictability (CLIVAR) 기후 프로그램의 일환으로 수행된 인도양 관측 (I5, 2009)에서 Gosnell et al. (2012)은 FIA로 선상에서 Zn를 측정하였다. 일반적으로 Zn과 Si는 대양에서 좋은 상관성을 보이며 유사한 수직 분포를 보이는 것으로 알려져 있으나(Bruland et al. 1978), 최근 연구에 의하면 수괴의 기원(pre-formed Zn/Si)이나 생물 작용에 따라 Zn/Si의 비 값의 변동성이 있을 수 있다고 보고되었다(Kim et al. 2017). 따라 생물 작용이나 수괴의 기원에 따라 표층과 연안 지역에서 Zn/Si 비 값은 100–800 m 심해보다 다소 높게 나타났으며 생물학적 영향에 의해 Zn/Si의 decoupling이 나타날 수 있다고 보고하였다(Lohan et al. 2002; Croot et al. 2011; Kim et al. 2017; Vance et al. 2017; Middag et al. 2019). Gosnell et al. (2012)는 이 연구에서 Zn/Si 비 값이 특히 표층이나 연안 지역에서 심층(100–800 m)보다 다소 높거나 다소 변동성(variation)을 보이는 것을 보고하였다. 과거부터 최근의 GEOTRACES 활동에 이르기까지 인도양 section cruise 연구가 주로 WIO (50–70E)에서 이루어졌다면, Twining et al. (2019)은 2016년 U.S. Global Ocean Ship-based Hydrographic Investigations Program (GO-SHIP) 프로그램에서 열대 처음으로 열대 동인도양(Eastern Indian Ocean, EIO)의 ‘종단’ section cruise를 수행하였으며(95°E, R/V Roger Revelle), 용존상과 입자상의 Fe, Mn, Zn, Pb를 측정하였다. 이 연구에서는 식물 플랑크톤 생체(small eukaryotic flagellates 2–7 μm) 내 미량금속(Fe, Mn, Co, Ni, Cu, and Zn) 농도와의 화학양론 분석(stoichiometry)을 통해 인도양에서는 주요영양염(macronutrient)과 함께, 미량원소 등의 미세 영양염(micronutrient) 역시 생물생산의 제한요소(limiting factor)로 작용하고 있음을 제안하였다(Twining et al. 2019).
Fig. 4.
Dissolved Pb concentration and stable Pb isotope ratios in GEOTRACES GI04 expedition (2009–2010) in the Indian Ocean transect. Modified from Echegoyen et al. (2014) and Lee et al. (2015)
3. 이사부호 기반 대한민국의 최근 인도양 연구 활동 및 미량원소 연구 동향
국내에서는 대양 연구 시대 구현을 위해 대형 연구선 건조의 필요성이 꾸준히 제기되어왔으며, 그 결과 한국해양과학기술원(Korea Institute of Ocean Science and Technology, KIOST)의 종합 연구선 ‘이사부호’(R/V Isabu)가 2016년 11월 취항하였다. 이로써 대한민국은 전세계에서 8번째로 5000 t 급 연구선을 보유한 국가가 되었으며, 대양 연구 시대의 새로운 전기가 마련되었다. ‘이사부호’의 활용 극대화 및 대양의 해양과학공동연구 저변 확대의 일환으로 2017년부터 현재까지 인도양 연구 프로젝트를 개발 및 진행 중에 있다. 최근 국제 인도양 탐사 협의체(International Indian Ocean Expedition, IIOE-2)에 대한민국이 주요 운영위원회 국가로 선정되고, KIOST의 최근 인도양 탐사 활동(2017–2019)이 국제 공인 인도양 탐사 프로젝트로 공식 승인(endorsed)을 받는 등(https://iioe-2.incois.gov.in/ IIOE-2/Endorsed_Projects.jsp), 최근까지 활발한 인도양 연구 수행 중에 있다. 앞서 소개한 바와 같이, 이사부호의 관급장비에는 국내에서는 처음으로 대양 미량원소 연구를 위한 청정 해수채취장비 PRISTINE Ultra Clean CTD (UCC) (NIOZ, NL) (Rijkenberg et al. 2015; Kim et al. 2019)를 관급장비로서 갖추고 있어, 2017년부터 인도양에서 대양 미량원소 연구를 수행 중에 있다(Fig. 5).
Fig. 5.
Sampling station in the Indian Ocean (yellow dots) (Apr 2018. Yellow star (station 19) indicates the GEOTRACES crossover station (69.54°E–5.16°S). Yellow dotted arrow line denotes the cruise track. Photographs of operating the PRISTINE UCC at sea (upper right) and subsampling (lower right). Modified from Kim et al. (2019)
2017년과 2018년, WIO 60°E와 68°E 인도양 현장 시료채취를 수행하였으며(Fig. 5), 이 연구 정점에서는 GEOTRACES 탐사의 절차(protocol)에 따라 과거 Japan-GEOTRACES (GI04)에서 관측한 정점을 재방문하는 상호 비교(cross- over station) 정점(69.54°E–5.16°S) 을 포함하였다. 측정한 미량 원소(Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn)의 농도는 Japan- GEOTRACES GI04의 자료(Vu and Sohrin 2013)와 매우 잘 일치하는 것으로 자료의 신뢰도를 확보하였으며(Fig. 6), 이 자료를 국제 해양 데이터베이스인 National Center for Environmental Information (NCEI)에 등재하였다(Kim and Kim 2019). 당시에는 용존 Fe 농도가 과거 일본의 자료보다 다소(2–3배, Fig. 6) 높게 나타나기도 하였으나, 현재는 i) 산처리 용액의 정제(초순도 염산, ultra-pure Hydrochloric acid), ii) KIOST 보유 분석기기(an automated preconcentrated system (SC-4 DX seaFAST pico; ESI) directly coupled with an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS) (Nexion 2000, Perkin Elmer)의 안정화를 통해 Fe 농도 측정의 정확도 개선의 노력을 하였다. 현재는 개선된 분석 환경 하에서 i) GEOTRACES 상호비교(inter-comparison) 표준 해수(reference seawater)인 GSC (bottle number 97) 측정 결과, Fe 농도가 알려진(Consensus Value) 값과 약 6% 이내의 범위에서 일치하고 있으며(measured Fe = 1.4 nM and reported value = 1.5±0.1), ii) 캐나다 국립 연구 위원회(National Research Council of Canada, NRC)의 NASS-7, CASS-6 해수 표준물질 측정 결과 또한 인증값(certified values)과도 2–5% 범위 내에서 일치 하는 등, 현재는 신뢰도 있는 Fe 농도 측정 값이 생산되고 있다.
Fig. 6.
Intercomparison results at the Indian Ocean crossover station (69.54°E 5.16°S). Red dots denote previous results from a Japanese GEOTRACES cruise (2009–2010), and blue and green dots denote the results from KIOST Indian Ocean study (KIOS) in 2017 and 2018, cruises of R/V Isabu, respectively. Modified from Kim et al. (2019)
Kim et al. (2019)은 인도양 60°E와 68°E 종단 관측선에서 주요 미량원소의 수직/수평 분포를 국내에서는 처음으로 보고하였다(Fig. 7). 미량원소의 수직 분포는 i) Nutrient- type, ii) Scavenging type (Mn and Pb) 두 그룹으로 나뉘었으며 이는 앞선 GI04의 일본 연구진의 결과와 일치했다(Vu and Sohrin 2013). Co의 경우 어느 두 그룹에 속하지 않고 수층에서 거의 일정하나 표층과 해저면에서 지역적 유입(local input)이 있는 것을 인도양에서 처음 관측하였는데, 이는 과거 대서양에서의 Co 수직분포 경향성과 매우 유사한 것으로 나타났다(Saito and Moffet 2002). 또한, Kim et al. (2019)은 인도양에서 REE의 수직 분포를 처음 측정하여 보고하였다(Fig. 7). 그러나 지역적 차이 때문에, 앞서 Japan-GEOTRACES (GI04) 탐사에서 나타났던 열수 기원의 높은 Fe 농도는 관측되지 않았다.
Fig. 7.
Contour maps of dissolved trace element concentrations (Mn, Cr, Ni, Cu, V, Co, Pb, and Nd as LREE) along the western Indian Oceans (60°E and 68°S) from KIOST Indian Ocean study (KIOS) in 2018. The direction of contour (left to right) is the same as the cruise track in Fig. 5. Modified from Kim et al. (2019)
최근 Kim et al. (2018)은 234Th방사성 동위원소 추적자를 입자상 미량원소(particulate trace element) 농도와 결합하여, 입자상 미량원소의 입자 침강에 의한 제거율(scavenging rate)를 산정하는 연구를 처음 시도하였다. 대양에서 234Th/238U의 비평형은 입자상 유기탄소(Particulate Organic Carbon, POC)의 침강 수송량(export flux)를 산정하는 전통적인 추적자로 사용되었으나(Buesseler et al. 1992; Moran et al. 1997), 미량원소 등 다른 입자상 원소에 적용한 거의 수행되지 않았다. 입자상 미량원소의 농도와 수층 234Th/238U 비평형을 적용한 인도양 수층(68°E)에서 입자상 미량원소의 침강 플럭스의 결과를 Table 2에 나타내었다(Kim et al. 2018). 특히, 60°E 지역의 수심 200미터 이하로 급격이 얕아지는 셰이첼-차고스 융기 해역(Seychelles-Chagos Thermocline Ridge, SCTR)(Fig. 5)에서 68° EqIO 종단면보다 입자 침강에 의한 미량원소의 침강 플럭스가 3배 정도 더 높게 나타났다(Table 2). 그러나 입자상 미량원소의 침강 수송에 관련한 연구가 다른 해역에서는 아직 이루어지지 않아, 향후 더 많은 연구가 수행되어야 할 것이다.
Table 2.
The export flux of particulate trace element (μmol m-2 d-1 for Al, Fe, and Zn, and nmol m-2 d-1 for the other trace elements) in the upper (< 100 m) Indian Ocean based on 234Th/238U disequilibrium. Values in the parenthesis indicate the estimated residence time (< 100 m) of particulate trace element (τ100, unit: day) in Indian Ocean (in 2018). Result from Kim et al. (2018)
또한, Kim and Kim (2019)는 인도양 중앙 해령(Central Indian Ocean ridge) 주변의 4개의 열수구(Vent A, B, C, and Edmond Vent, Fig. 8)에서 열수 플룸(plume)이 관측되는 심해 수층에서, Fe과 Mn (특히 열수가 중요한 기원으로 알려진) (Fig. 8), 및 기타 주요 미량원소의 농도 분포를 보고하였다(Kim and Kim 2019). 열수 플룸의 상대적인 세기는 열수 분출구 탐사 장비인 현장 고분해능탁도검출기(Miniature Autonomous Plume Recorder, MAPR)를 이용해 열수 부유 물질에 의한 탁도 이상치(anomaly) (ΔNTU)를 측정하였다(Fig. 8). 인도양에서 3개의 열수구(vent A, B, C)에서 모두 총용존(total dissolved) Fe, Mn 농도가 열수 플룸이 지나가는 깊이에서 다른 정점에서의 배경농도(background, 열수 영향을 받지 않는 다른 EIO 인도양 심해 미량원소의 평균농도)보다 평균 각각 5–10배에서 6–15배 이상 높게 나타났으며, Edmond 열수구에서는 Fe, Mn 모두 최대 60–70배 이상 높게 나타나는 것으로 나타났다(Fig. 8). 그 외에 다른 미량원소들은 Cu와 Cr, 그리고 일부 V와 Pb 농도가 열수 플룸의 영향으로 수층에서 다소(약 2–3배) 높은 농도를 보인 반면, Cd, Ni, Zn, Co는 배경농도와 큰 차이가 없는 것으로 나타났다(Kim and Kim 2019). 이는 다른 대양에 비해 많은 대륙에 인접하지 않은 인도양 수층에서 심해 열수구를 통한 미량원소 유입이 수층 미량원소의 중요한 기원이 될 수 있음을 시사하며 향후 대양 물질 수지에 미치는 영향을 산정하기 위하여 추가적인 연구가 필요할 것으로 기대된다.
Fig. 8.
The Fe and Mn concentration in seawater in Indian Ocean hydrothermal vents (Vent A, B, C and Edmond). The solid line indicates the strength of plume based on turbidity (ΔNTU, Nephelometric Turbidity Units) measured by (Miniature Autonomous Plume Recorders). The dotted line indicates the Redox potential. Data from Kim and Kim (2019). This data is also available in National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) National Centers for Environmental Information (NCEI) (https://www.ncei.noaa.gov/access/metadata/landing-page/bin/iso? id=gov.noaa.nodc:0201820, accessed in 1st June 2021)
4. 향후 연구 방향
마지막으로, GEOTRACES에서 소개된 최근 연구 동향과 인도양에서의 최근 연구 결과를 바탕으로 인도양 등 대양에서 미량원소 순환을 이해하기 위해 필요한 관련 향후 연구 방향에 대하여 제안하고자 한다.
분석 측면: 현장(in-situ onboard) 미량원소 분석 기술 확보
질량분석기를 통한 육상 실험실에서의(laboratory) 미량원소 분석은 짧은 시간에 여러 종류의 원소를 동시에 분석할 수 있다는 장점이 있지만, 시료 채취부터 전처리 및 분석에 이르기까지 단계별 시료와 원소의 오염을 파악하는 데 어려움이 있다. 따라서 현장(in situ)에서, 오염이 되기 쉬운(contamination-prone) Fe, Zn 등의 원소를 현장에서 곧바로 분석하는 장비와 분석법을 갖춘다면, 선상에서 시료의 오염여부를 즉각 판단하여 시료 채취의 문제점을 개선하고 보완 하거나 효율적으로 연구 대상의 시료를 선별할 수 있을 것이다. 이전 연구에서, Vu and Sohrin (2013)은 Fe의 농도가 실험실에서 6개월 이상 보관 후, 질량분석기로 측정한 결과와 선상에서 측정한 농도와 최대 3배 가까이(선상에서 1 nM이었으나 이후 실험실에서 3 nM로 증가) 차이가 발생하였음을 보고하였다. 따라서 현장 측정법 개발과 적용은 기존 시료의 보관법 개선 및 시료의 변질 여부 파악, 연구자 간의 상호 결과 비교 검정 등에 활용될 수 있을 것이며, 연구자의 선상 시료채취 방법 및 분석 결과의 신뢰도 확보를 위해서도 필요하다.
인도양 탐사 방법 관련
입자상 미량원소의 분포 및 순환 연구
초기의 GEOTRACES 연구가 수층(water column)에서 용존 미량원소의 수직 및 수평 분포를 파악하는 연구 활동에 중점을 거두었다면, 최근에는 대양에서 최근 입자상 미량원소(particulate trace element)의 분포 및 거동이 최근 GEOTRACES의 주요 관심 분야로 대두되고 있다(Buck et al. 2021; Close et al. 2021; Marsay and Achterberg 2021). 특히, 수층에서 비보존적 성질을 보이는 미량원소들은 실제로 짧은 체류시간(< 10–100 years)내에 입자 흡착에 의해 제거되는 성격을 보인다. 그러나 이렇게 심층으로 수송된 입자상 미량원소들은 퇴적물에서 유기물에 의해 재광물화가 이루어지고 결국 재부유를 통해 수층으로 다시 유입되어 장기적 시간 규모에서(long-term scale)에서 대양 미량원소의 인도양 내 물질수지에 매우 중요한 역할을 할 것으로 알려져 있다(Lacan and Jeandel 2005). 최근 이러한 퇴적물로부터의 Zn와 Al 재부유를 통한 공급이 남인도양에서 매우 중요한 공급원이 된다는 것이 앞선 연구를 통해 제안되기도 하였다(Gosnell et al. 2012; Singh et al. 2020).
앞서 소개한 바와 같이, 최근 국내의 연구진을 중심으로 인도양에서 입자 침강에 의한 상층 입자상 미량원소의 심해로의 수송량(export)을 234Th 을 활용한 미량원소 연구를 수행한 적이 있으나 대양에서 더 정밀한 입자상 미량원소 농도 및 동위원소 비 값을 측정하기 위해서는 대용량의 (> 수백 L) 여과된 입자상 시료가 필요하다. 최근 해양 심층에서도 시간당 수천 L의 해수를 여과할 수 있는 대용량 여과 장비(Multiple Unit Large Volume in-situ Filtration System, MULVFS, coupled with commercially available McLane WTS-LV in-situ) (Bishop and Wood 2008)를 활용해 청정 입자 시료를 얻는 방식의 연구가 소개되어 현재 GEOTRACES의 대양에서 다양한 입자상 미량원소 연구 결과가 발표되고 있으며(Lam et al. 2015a, 2015b, 2018; Lee et al. 2018), 최근 국내에서도 대학에 도입되어 현장 관측에 활용되기 시작하였다. 미량원소의 생지화학적 순환과정을 명확히 규명하기 위해서는 용존상과 함께 입자상 미량원소의 인도양 수층에서의 거동에 대한 연구가 향후 필요하다.
열수구(Hydrothemal vent)에서의 미량원소 유입량 산정 및 대양 영향 규명 연구
국내외에서의 최근 연구를 통해, 인도양 중앙해령과 열수 분출을 통한 Fe 등의 미량원소 유입에 대한 연구 결과가 발표되었다. Nishioka et al. (2013)은 이러한 열수 기원의 Fe이 남인도양 심층에서 약 3,000 km 거리까지 전달 될 수 있다고 보고하였는데, 당시의 인도양 탐사(GI04)에서는 종단 관측선의 정점간 간격이 위도 7°–15°, 수층 시료의 깊이 간격이 500–1000 m로 고해상(high-resolution) 심층 Fe 분포 특성을 보여주기에는 무리가 있었다. 또한, 열수공 또는 열수 플룸으로부터 유입된 미량원소의 수송 양상을 규명하기 위해서는 미량원소의 입자 크기별 분포양상(Size fractionation)을 비롯한 화학적 종조성 연구가 필수적이며, 최근 GEOTRACES에서도 관련 연구가 매우 활발히 수행되고 있다(Fang and Wang 2021; Lee et al. 2021; Stewart et al. 2021). 그러나 앞서 인도양에서의 사전 연구 결과에 따르면, 열수 플룸에서의 Fe 종조성의 결과는 연구자에 따라 다소 상충되는 결과를 보이기도 하였다; Nishioka et al. (2013)은 Fe이 주로 용존상(true dissolved) 형태로 존재한다고 보고하였는데, 이는 콜로이드상에 더 많이 분포한다고 알려진 Sands et al. (2012)의 결과와 상충되는 결과로, 향후 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다. 또한 열수의 유입의 지시자인 3He 기체 추적자를 활용한다면, 열수 기원 미량원소의 분포 및 거동을 더 정밀하게 파악할 수 있을 것으로 기대된다.
해양과정연구(process study)
미량원소의 화학적 형태 및 생물가용성 연구
해수 중 미량원소의 분석 기술의 발달로 용존 미량원소의 농도와 분포를 정확히 측정 할 수 있게 되었음에도 불구하고, 여전히 각 미량원소의 생물 가용성(bioavailability)에 대해서는 아직 알려지지 않은 부분이 많은데, 이는 미량원소에 따라 그 화학적 존재 형태(chemical speciation)가 다르기 때문이다. 특히, 용존 유기배위자(organic ligands)와 잘 결합하는 것으로 알려진 Fe, Cu, Zn의 경우, 금속-유기착화합물(organic complexed metals)을 형성할 경우 강한 결합력으로 인해 생물 가용한 자유 이온(free ion)의 형태로 쉽게 해리되지 못하여 생물가용성의 효율이 매우 낮아지게 된다. 과거 연구에 따르면 총 용존상 Fe과 Zn 중 과반수(> 50%) 이상이 실제로 유기착화물 형태로 존재하게 되며, 실제 생물 가용한 부분은 총 용존상 농도의 10% 미만이 된다고 알려져 있다(Bruland 1989; Muller et al. 2001; Bruland and Lohan 2006; Kim et al. 2015b).
최근 GEOTRACES에서도 화학적 존재 형태에 따른 미량원소의 거동 특성과(Kim et al. 2015b; Cabanes et al. 2020; Mellett and Buck 2020; Ruacho et al. 2020), 그에 따른 생물이용가능성 평가에 대한 연구가 태평양과 대서양에서 활발히 이루어지고 있다(Shaked et al. 2020). 그러나, 인도양에서는 현재까지, free Fe+의 산화-환원 상태(redox state)에 따른 형태(Fe (II)와 Fe (III)) (Kondo et al. 2013) 및 열수구에서 미량원소의 크기별 조성(size-fractionation)에 관련된 연구가 수행되었지만(Sands et al. 2012; Nishioka et al. 2013), 유기배위자와 결합한 Zn의 분포 연구가 북동인도양 일부지역인 Andaman Sea 연안에서 연구 만이 앞서 수행되었다(Kim et al. 2015a). 따라서, 향후 화학 존재 형태에 따른 미량원소의 생물 가용성 연구가 인도양에서 필요할 것이다. 또한, 해수 중 미량원소 농도와 생물(식물 플랑크톤 등)시료에서의 미량원소 농도와의 화학양론(stoichiometry)적 분석을 통한 생물의 미량원소 이용 특성에 대한 연구 또한 제안해본다.
셰이첼-차고스 융기 해역(SCTR)에서 육상 기원 물질 유입에 따른 영향 연구
KIOST의 앞선 연구 성과에 따르면 특히 수심 200미터 이하로 급격이 얕아지는 SCTR 지역(60°E, 0–20°S)에서의 입자상 미량원소의 침강 플럭스가 3배 가까이 높게 나타나는 것이 관측되었다(Table 2). 이 지역에서 유입된 육상 기원(Lithogenic) 물질이 적도 인도양 대양의 미량원소의 기원 및 물질 수지에 큰 역할을 할 수 있음을 시사한다. 따라서. 수괴의 혼합에 따른 물질의 이류 수송(advection)의 추적자인 226Ra과 228Ra, 육상 기원 lithogenic particle의 Th 동위원소(232Th and 230Th) 등의 자연 방사성 추적자를 각각 용존/입자상 미량원소와 결합(coupling)한다면 SCTR로부터 유입되는 미량원소의 플럭스(flux)를 추정 수 있을 것이다. 생각된다. 최근 시작된 한-미 인도양 공동연구프로그램(Korea-US Joint Indian Ocean Study, KUDOS)에서는 이 SCTR지역의 인도양 물성 및 생지화학에 미치는 영향에 대한 집중 장기 공동 관측(2020–2025)이 계획되어 있어, SCTR에서의 물질 유입이 인도양 미량원소 순환에 미치는 영향 평가에 대한 연구를 하는 좋은 기회가 될 것으로 생각된다.
또한 최근 연구에 따르면 육상기원의 휴믹물질(terrestrial humic-like) 등의 유기물과 미량원소의 강한 화학 결합이 입자 흡착에 의한 미량원소의 제거에 일종의 보호 효과(protection effect)를 가지며, 결과적으로 수층 용존 유기물질(Dissolved Organic Matter, DOM)이 미량원소가 해양에서 장기체류하게 되는데 중요한 역할을 하는 것이 보고되고 있다(Dulaquais et al. 2020; Hassler et al. 2020; Chen et al. 2021). 따라서, 유기물질함량이 높은 riverine particle 및 riverine input이 중요한 북인도양에서 유기물 유입이 역시 미량원소의 거동 및 순환에 영향이 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. GEOTRACES에서는 section cruise뿐만 아니라 지역해에서의 process 연구에 대한 중요성에 대해서도 역시 강조하고 있으며, 또한 GEOTRACES에서도 대한민국의 인도양 연구 활동의 잠재적 성과로 이 지역적 물질 순환에 대한 연구 성과를 기대하고 있어, 향후 관련 연구가 필요할 것으로 생각된다.
5. 요약 및 결론
인도양은 과거 수차례의 국제 공동 관측이 수행되었음에도 불구하고 태평양, 대서양, 극지방 해역 등 다른 대양에 비해서 미량원소 연구 결과가 많이 발표되지 않은 지역이다. 특히, Arabian Sea와 Bay of Bengal 등 산소최소층이 발달한 연안 지역에서의 산환-환원 반응을 하는 원소(redox-sensitive element)들 및 연안 유입에 대한 연구가 주로 이루어졌으나, 2010년대 이후 일본(Japan-GEOTRACES, GI04)과 인도(India-GEOTRACES, GI01-03 and GI04- GI06)를 중심으로 section cruise를 기반으로 한 주요 미량원소의 분포 및 기원 등에 대한 연구가 이루어지기 시작하였다. 최근, 대한민국의 연구진들도 인도양에서 GEOTRACES protocol을 따른 인도양 미량원소 연구를 시작하였으며, 현재 선진국 수준의 극미량원소의 분석 역량 및 분석법의 국제 신뢰도 확보를 위한 국제상호비교검증(intercalibration)에 참여하며 국내 주도의 이사부호 기반 미량원소 연구 활동 및 성과를 국제적으로 공인 받기 위한 노력을 하고 있다. 또한, 최근 전지구적 기후변화 예측에의 인도양의 중요성이 대두되면서, 가까운 미래에 유럽 국가들을 중심으로 인도양에서의 GEOTRACES 관련 다수의 탐사 프로젝트들이 계획되고 있다. 한국도 이러한 국제적인 동향에 발맞추어 선진국 수준의 청정 분석기술 역량 극대화와 함께, 신규 인도양 GEOTRACES 관측 프로그램의 주도적 추진 및 다양한 해양 현상을 밝혀내기 위한 해양과정연구의 아이디어 발굴 등, 다음단계의 인도양 미량원소 연구의 준비가 필요할 것이다.
