으로부터 해양 환경을 효과적으로 보호하기 위해 그리고 개발 전의 기초 환경을 파악하 기 위한 전반적인 해양환경 정보를 획득하기 위하여 수행되었다. 기초 환경 조사는 국제 해저기구의 심해저 광물자원 개발규칙(International Seabed Authority, 2010; 2013)에서 권 고하는 기초 환경 조사방법 및 항목을 고려하여 계획·수행되었다. 조사항목으로는 수층 의 물리·생물·화학적 특성을 이해하기 위한 해수 물성(예, 수온, 염분, 용존산소, 투과 도), 무기영양염, 수소이온 및 용존무기탄소, 미량금속, ATP, 입자유기질소·탄소, 식물·
동물플랑크톤 등을 포함하고 있다. 이 조사 자료들은 향후 열수광상의 개발을 위한 환경 영향평가 자료로 활용될 예정이다.
diameter 25 mm; MFS)로 낮은 압력 하(<10 mmHg)에서 여과시켰다. ATP 추출은 여과된 여과지를 접어서 미리 heating block에서 110℃ 이상으로 가열된 5 mL phosphate buffer(60 mM)가 들어있는 유리 testtube(15 mL)에 넣고 5분간 끓여서 처리하였다. 추출 이 끝나면 식힌 후 phosphate buffer를 이용해 증발된 buffer 용액을 보충해 5 mL를 맞 춘 다음 -20℃에서 냉동보관 하였으며 실험실에서 Microplate Lumino- meter(Berthold Tech., Centro XS3)를 이용해 분석하였다.
마. 입자유기질소·탄소 분석
입자유기질소 및 탄소 분석은 현장에서 해수 시료 500 mL를 저진공 압력식 여과 장치 를 이용해 450℃에서 4시간 이상 태운 GF/F glass-fiber filter(25 mm diameter, Whatman) 로 거른 후 냉동·보관하여 실험실로 옮겨 분석하였다. 무기탄소를 제거하기 위해 염산 (10 N)으로 훈증(acid fuming) 후 건조한 다음 주석 용기(tin capsule)에 담아서 CHNS analyzer(Model FLASH EA1112, Thermo)로 분석하였다. 표준물질로는 Cystine(탄소 29.99%, 질소 11.66%, Thermo)를 사용하였으며, 바탕용액에 대한 농도 보정은 고온에서 태운 여과지를 시료 처리 과정과 동일하게 처리한 후 분석한 값을 이용하였다.
Fig. 3.1-1. 연구해역의 CTD 정점도
3. 결과 및 토의
인도양 중앙해령에 위치한 8개의 우리나라 열수광상 탐사광구 중 북쪽에 위치한 탐사 광구 1 지역(CTIR1801, 02)과 2 지역(CTIR1801, 02), 그리고 3지역(CTIR1805, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12)에서 CTD 관측을 통해 확인된 조사 시기(5월)의 수온 분포는 수온이 비교 적 일정한 표면혼합층이 수심 약 35 ∼ 60 m 까지 형성된 양상을 나타내며 수온약층의 깊이는 지역적인 차이는 나타나지 않음. 하지만 표층수온에서는 탐사광구 1 지역이 29℃
이상으로 나타나 다른 탐사광구와 차이가 나타나고 있다(Fig. 3.1-2a). 이러한 결과는 위 도 차이에 의한, 즉 CTIR1801, 02 정점들이 상대적으로 적도해역과 가까이 위치한 지리적 영향으로 판단된다. 표면혼합층 이하에서는 전형적인 대양에서의 분포와 동일하게 수심 이 깊어질수록 계절수온약층(수심 약 200 m까지)을 형성하지만 수온약층의 양상은 태평 양과는 다르게 변화가 약하게 나타나고 있었다(Fig. 3.1-2a). 염분은 표층에서 34.8 psu 이 하의 농도를 보이고 탐사광구 1 지역의 CTIR1801, 02에서 수심 80 m에서 최대염분층에 형성되고 탐사광구 3-1지역 (CTIR1805, 06, 07, 08)에서는 수심 120 m 이하에서 최대염분 층이 형성되어 있다(Fig. 3.1-2b). 그리고 탐사구역 3-2 지역에서는 다시 최대염분층이 수 심 80 m로 낮아지는 경향을 보이고 있다. 전반적으로 고염수(35.2 psu 이상)는 수온약층 내에 분포하다 수심 500 m까지 지속적으로 감소한 후 저층까지 비교적 일정(34.7 psu 내 외)한 값으로 분포하는 양상을 보여준다(Fig. 3.1-2b).
용존산소 분포는 수심에 따라 다양한 증감 형태를 보였는데, 정점마다 차이가 있지만 대기와 평형을 이루는 표면혼합층에서 180 μmol/kg이상의 높은 값을 보인 후 수심 약 200 m까지 지속적으로 감소하는 형태를 나타냄(Fig. 3.1-2c). 이후 수심 약 400 m 지점까 지 증가한 후 감소해 수심 약 800 m에서 최소층을 형성하였다. 이후에는 저층까지 지속 적으로 증가하는 분포 양상을 보임. 최대염분층이 120 m 이하에 형성되었던 탐사광구 3-1지역에서는 유사한 수심에서 용존산소 증가층이 존재하고 있어 탐사광구 1과 2와는 다른 수괴의 유입이 있는 것으로 판단된다. 한편, 수층에서 부유물질 농도에 반비례하게 백분율(%) 값으로 측정되는 투과도(Beam Transmission, BT)는 생물학적 활동이 비교적 왕 성한 것으로 알려진 수심 100 m 이내에서 가장 낮은 값(부유물질 농도가 높음을 의미)을 보인 후 수심이 깊어질수록 높은 값을 나타냄(Fig. 3.1-2d). 몇몇 정점들의 수심 3,000 m 이 하에서 투과도 값이 감소한 결과를 보이고 있으며 이는 부유 입자 농도가 높은 열수 플룸 에 의한 영향을 직접적으로 지시한다(Son et al., 2014).
수온-염분 도표로부터 연구 해역은 수직적으로 5개의 주요 수괴가 분포하는 것으로 파악됐다(Fig. 3.1-3). 2017년 결과에서는 수심 약 100 m 이내의 유광층에는 인도양 적도
수심 400 m 전후의 남극 중층수와 인도양 심층수 사이에 용존산소 최소층이 형성된 것 으로 파악됐다(Fig. 3.1-3a). 2018년은 2017년과 상이한 결과를 보이고 있음. 특히, 염분최 대층이 표층수에서 수심 80m 이하에 나타나고 표층수의 염분은 2017년에 비해 0.6 psu 이상 낮아진 상황임(Fig. 3.1-3b). 이를 정확히 해석하기 위해서는 수층의 해류 등 물리적 인 특성을 더 정밀히 파악할 필요가 있음.
Fig. 3.1-2. 연구해역 CTD 정점에서 파악된 (a) 수온, (b) 염분, (c) 용존산소(DO) 그리고 (d) 투과도 (BT)의 수직 분포도
Fig. 3.1-3. 수온-염분 도표 (a) 2017년 자료, (b) 2018년 자료(1. 남극 저층수, 2. 인도양 심 층수, 3. 남극 중층수, 4. 인도양 중앙수, 5. 인도양 적도수)
해양생태계에서 무기영양염은 해양 생물의 생화학적 대사과정에 밀접하게 연결되어 있는 친생물 원소(질소, 인, 규소)로 구성되어 있으며, 아열대 또는 열대 해역에서 일차 생산력을 조절하는 성장 제한 요인으로 작용하고(Capone et al., 1997; Falkowski, 1997), 주로 생물기원 유기물의 생산과 분해 그리고 입자 물질의 침강과 같은 생지화학적 과정 에 의해 조절된다(Hirose and Kamiya, 2003). 연구 해역에서 분석된 무기영양염 중 암모니 아(NH4) 농도는 0.00-0.41 μM의 범위를, 질산염(NO3)은 0.00-37.03 μM의 범위를, 인산염 (PO4)은 0.05-2.75 μM의 범위를 그리고 규산염(Si(OH)4)은 1.99-129.36 μM의 범위를 나타 냈다(Fig. 3.1-4, 부록 3-1). 탐사광구 해역에서 수심에 따른 무기영양염의 수직 분포 양상 은 암모니아를 제외하고 전반적으로 표면혼합층 내에서 가장 낮은 농도를 보인 후(빈영 양 환경 형성) 계절수온약층을 지나면서 수심 1,000 m까지 지속적으로 증가한 다음 저층 까지 서서히 증가 또는 유지하는 형태를 나타냈다. 무기영양염 성분 중 암모니아의 경우 는 수심 200 m 이내의 표층에서 그 이하의 수심에 비해 높은 농도로 분포하였는데, 이는 생물학적 활동에 의한 영향으로 판단된다(Fig. 3.1-4a). 한편, 일반적으로 현무암으로 조성 되어 있는 열수 환경(basalt-hosted)에서 질산염과 인산염 농도는 낮게, 규산염은 상대적 으로 높게(고온에서 기반암과의 상호 작용 결과) 존재하는 것으로 알려져 있는데(German and Von Damm, 2006), 비부력성 열수 플룸의 영향으로 투과도나 메탄의 증가 현상이 관 측된 수심에서 무기영양염 성분은 약하지만 증가 또는 감소하는 경향이 관측되어 열수 플룸의 영향을 받는 것으로 여겨졌다.
미생물 생체량을 지시하는 생화학적 추적자인 ATP(Adenosine Triphosphate)는 일반적 으로 생물 생산력이 높은 표층에서 높은 농도를 보이고 중ㆍ저층에서는 낮은 농도로 분 포하는 것으로 알려져 있다. 하지만 혐기성 대양 분지나 열수 분출 환경에서는 ATP 농도 가 증가하는 특성을 가지며 이는 열수 플룸의 생화학적 추적자로서 활용가치를 높이게 된다(Karl, 1980; Naganuma and Seki, 1994). 기존 연구에 의하면 수심 1,000 m 이상에서 는 일반적으로 4 pM 이하의 낮은 ATP 농도 값이 나타나지만(Karl, 1978) 흑해에서 측정 된 자료에는 1,000 m 이하의 깊이에서도 10-30 pM의 높은 값을 보였고(Karl et al., 1977), Cariaco 해구에서도 10-20 pM의 값을 나타냈다(Lupton, 1995). 또한 수심 1,000 m 이하의 Galápagos 해령 열수공에서는 ATP 농도가 980 pM으로 매우 높게 나타난다(Karl 1978). Guaymas Basin의 저층수에서 4.7 pM로 나타나지만 열수 플룸에서는 737 pM까지 나타나는 것이 확인되었다(Karl, 1995). 연구 해역에서 분석된 ATP 농도는 최소 0.011 ng/L(0.044 pM)에서 최대 162.60 ng/L(650.40 pM)의 범위로, 표층에서 높고 수심이 증가할 수록 감소하는 전형적인 대양에서의 수직분포 양상을 나타냈다(Fig. 3.1-5a, 5b, 부록 3-1). 더욱이 수심 3,200 m 이하의 저층에서 주변 환경에 비해 미약하지만 최소 0.3 ng/L(1.2 pM)에서 최대 1.39 ng/L(5.5 pM)까지 증가한 결과는 직접적으로 열수 플룸에 의 한 영향을 지시한다. 한편, 연구 해역에서 파악된 입자유기질소(Particulate Organic Nitrogen, PON) 농도는 0.22-1.17 μM의 범위를, 입자유기탄소(Particulate Organic Carbon, POC)은 1.40-7.57 μM의 범위를 보였으며, 수직 분포 양상은 생물학적 활동이 왕성한 표층에서 높고 수심이 깊어질수록 감소하는 전형적인 대양에서의 분포 양상을 나 타냈다(Figs. 3.1-5c and –5d, 부록 3-1). ATP와 마찬가지로 몇몇 정점들의 저층에서 증가 한 결과를 보이고 있어 POC, PON도 열수의 영향 직접적으로 받고 있음 시사한다.
해양에서 동·식물플랑크톤의 원소 조성과 해수의 질소와 인 그리고 유기물의 탄소와 질소 농도로부터 도출된 Redfield ratio(N:P=16:1, C:N=6.6; Redfield et al., 1963)은 많은 연구자들이 유기물의 생성과 재무기질화, 일차생산자의 성장 제한 요인, 수괴 추적 등 생 태학적 연구에 중요하게 인용하고 있는 인자이다(Anderson and Sarmiento, 1994; Sardans et al., 2012). 연구 해역에서 TIN(아질산염+질산염+암모니움)과 인산염 농도 사이의 관계 로부터 파악된 N:P ratio은 전반적으로 14.4로 기존의 Redfield ratio에 비해 낮은 결과(∼
90%)를 보여 인 성분에 비해 상대적으로 질소 성분이 제한된 환경임을 지시하였다(Figs.
3.1-6a). 한편, 입자유기물 분석을 통해 파악된 C:N ratio는 5.7으로 Redfield ratio에 비해 다소 낮은 결과(~86%)를 나타냈다(Figs. 3.1-6b).
연구 해역에서 파악된 N:P ratio 결과는 Sardessai et al.(2010)이 인도양 적도해역 (78°E-83°E, 5°S-5°N)에서 보고한 결과(평균 N:P=~11) 보다는 높은 수준으로, 그들은 인도양 적도 해역이 기존의 Redfield ratio 보다 낮은 결과로 전반적으로 아라비아 해에서 질산염이 고갈된 해수가 수심 1,000 m 이하의 저층으로 유입된 영향으로 해석하였다. 한 편, 여름 시기 아라비아 해의 영향을 받지 않은 해역(질산염 농도 25 μM 이하)에서 파악 된 N:P ratio는 14.7로 기존의 Redfield ratio와 비교해 여전히 낮지만 본 연구 해역에서 파악된 N:P ratio와 유사한 결과를 나타냈다. 연구 해역에서 파악된 입자유기물의 C:N