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동해 울릉분지 퇴적물 내 유기물 분해경로: 망간환원의 중요성 (Organic carbon oxidation dominated by Mn reduction in the deep Ulleung Basin, East Sea)
- 수층의 높은 생산력과 빠른 침강으로 인해, 동해 울릉분지의 표층퇴적물에는 다량의 유기물이 함유(>2.5%, dry wt.) 되어 있으며, 분지 중앙부(수심 2000 m 이상)의 표층 퇴적물 내에는 산화된 망간과 철이 다량 함유되어 있다. 특히, 울릉분지의 높은 산화망간 농도(150-200 μmol cm-3)는 전세계적으로도 3곳(Panama basin, Black Sea, Skagerrak)에서만 보고 된 특이한 지역이다.
- 퇴적물 내에서 용존 형태의 망간은 분자확산과 생물관개을 통해, 입자성 망간은 생물교란과 이류 과정을 통해 이동될 수 있다. 대륙사면 부근의 퇴적물 내에서 퇴적물/수층 경계면으로 이동된 망간은 저층수로 빠져 나와 느리게 산화되면서 분지 쪽으로 이동될 수 있으며, 분지 퇴적물 내 망간은 저층수로 이동되어 산화된 후 다시 재퇴적 될 수 있다. 특히 분지 내 망간 순환 과정에서 생물교란(Fig. 1 속 왼쪽사진)의 영향으로 망간의 이동과 재퇴적이 빠르게 촉진될 수 있을 것으로 이해되고 있다(Fig. 1).
Fig. 2. Sequential distribution of major electron acceptors in the sediments of Ulleung Basin (adopted from Hyun et al. 2017)
- Fig. 2의 경우, 분지 정점(D3)에서 산소, 질산염, 산화망간, 산화철과 같은 전자수용체들이 유기물 분해 과정에서의 에너지 산출 순서에 따라 뚜렷한 수직 분포를 보이고 있다. 표층 8 cm 내에 산화망간과 산화철의 농도가 높고, 망간/철 환원이 우세한 것으로 나타났다.
- 동해 울릉분지 지역은 동수심대(1000-2500 m) 지역들 중 유기물 분해율이 가장 높고, 영양염 재순환이 빠르게 진행되는 생지화학적 핫스팟(biogeochemical hotspot)으로 인식되고 있다.
- 퇴적물 내에서 유기물 분해경로는 수층으로부터의 유기물 공급 및 퇴적물 내에서 이용 가능한 전자수용체(산소, 질산염, 산화망간, 산화철, 황산염) 분포에 의해 결정된다. 지난 30년간 동해에서는 저층수 내 용존산소 농도 감소와 수온 증가(각각 10 % 감소, 0.04 C 증가)가 관측되었다. 이러한 결과들은, 향후 울릉분지 퇴적물 내 유기물 분해 및 분해경로의 변화가 일어날 수 있음을 시사한다.
- 따라서 울릉분지에서 유기물 분해 및 분해경로 변화에 대한 장기모니터링은 동해에서 장기적 기후변화와 관련된 생지화학적 물질 순환의 변화를 이해하고 예측하기 위해 중요하다. 본 연구실에서는 심해 퇴적물 내 미생물에 의한 생지화학적 과정을 파악하여 해양환경 내 다양한 원소들(C, N, P, S, Fe, Mn 등)의 순환을 이해하는 연구를 진행하고 있다.
[문의:목진숙(bokbok@hanyang.ac.kr)]
Fig. 3. Changes in concentrations of DIC, acetate, Mn2+ and Fe2+ during anoxic incubation of sediment slurries at the center of the UB
- 더불어, 해양 환경 내 탄소 및 각종 원소 순환을 조절하는 핵심적인 역할을 수행하는 미생물 군집구조 및 다양성을 이해하는 연구는 지화학적 해석과 함께 반드시 수행되어야 할 연구 분야이다 [문의:조혜연 (youn798@hanmail.net)].
- 망간 산화물이 풍부한 울릉분지 중심부에서 최종 유기물 분해과정(terminal organic carbon oxidation process)을 이해하고, 이에 관여하는 미생물 군집을 검출해 내고자 분지 퇴적물 내 아세테이트를 첨가하여 일정 기간 동안 혐기성 조건에서 배양하였다. 아세테이트 첨가에 따라 미생물 호흡이 자극됨과 동시에 Mn2+ 이온의 농도가 증가하였다. 이는, 분지 퇴적물 내 혐기성 아세테이트 분해는 망간환원과 짝을 이루어 일어나고 있음을 의미한다 (Fig. 3).
- 안정동위원소로 표지된 아세테이트(13C-acetate)를 첨가한 실험구의 퇴적물 슬러리에서 RNA를 추출한 후 초고속 원심분리(Ultracentrifugation)를 통해 아세테이트를 직접 분해하여 13C가 RNA에 표지된 미생물 그룹을 검출해내었다.
- 동해 망간 산화물이 풍부한 분지 중심부에서 Gammaproteobacteria에 속하는 Colwellia 와 Oceanosprillales 그리고, Deltaproteobacteria에 속하는 Desulfuromonadales 그룹이 주요 아세테이트 분해-망간환원 미생물로 검출되었다.
- 한편, autotrophic ammonia oxidizer로써 알려진 Thaumarchaeota도 아세테이트로부터 유래된 탄소를 체내 합성한 것으로 나타나, 해양 퇴적 환경에서 탄소 순환에 있어Thaumarchaeota의 새로운 생태적 역할에 대한 정보를 제공하였다 [문의:조혜연(youn798@hanmail.net)]
Table 1. Phylogenetic affiliation of reversely transcribed 16S rRNA in the center of the UB
| Phylogenetic affiliation |
Center of the Ulleung Basin |
| 0 day |
Heavy fraction |
| No. of clones (%) |
No. of clones (%) |
| Bacteria |
Actinobacteria |
1 (1.3) |
0 (0.0 ) |
| Acidobacteria |
5 (6.3) |
0 (0.0 ) |
| Bacteriodetes |
2 (2.5) |
0 (0.0 ) |
| Chloroflexi |
2 (2.5) |
0 (0.0 ) |
| Nitrospira |
2 (2.5) |
0 (0.0 ) |
| Alphaproteobacteria |
9 (11.3) |
|
| Deltaproteobacteria |
9 (11.3) |
4 (8.2) |
| Gammaproteobacteria |
30 (37.5) |
39 (79.6) |
| Fusobacteria |
0 (0.0) |
1 (2.0) |
| Planctomycetes |
5 (6.3) |
3 (6.1) |
| Unclassified |
15 (18.8) |
2 (4.1) |
| Archaea |
Thaumarchaeota |
42 (82.4) |
18 (58.1) |
| C3 |
1 (2.0) |
2 (6.5) |
| MBGB |
1 (2.0) |
2 (6.5) |
| MBGD |
5 (9.8) |
5 (16.1) |
| Unclassified |
2 (3.9) |
3 (9.7) |
