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

한국기초과학지원연구원 장경순 박사와 극지연구소 정지영 박사 공동연구팀은 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.

분자 수준 분석은 각각의 유기 분자가 가진 화학식과 구조적 특성을 하나하나 식별해 분석했다는 것을 의미한다.

공동 연구팀은 '개방형 온도상승챔버'(Open-Top Chamber, OTC)를 북극 툰드라 현장에 설치, 여름철 기온을 자연스럽게 상승시키는 방식으로 7년여간 온실 효과를 모사했다.

이러한 현장 기반 장기 온난화실험을 통해 실제 미래의 기후변화가 생태계에 미치는 영향을 예측하고, 토양 생물군집 변화 등을 정량화하는 데 활용할 수 있다.

일반적으로 토양 유기물 분석은 총 유기탄소나 질소 농도 측정, 적외선 분광법, 원소 분석기 등을 통해 이뤄져 왔으나, 유기물의 전체적인 양적 변화나 기능성 그룹 수준까지만 파악이 가능해 분자적 수준까지는 분석하기 어려웠다.

연구팀은 기초지원연 오창바이오·환경연구소에 구축된 '15 테슬라(T)급 초고분해능 퓨리에변환 이온사이클로트론 공명 질량분석기'(15T FT-ICR MS)를 활용해 토양 내 '수용성 유기물질'(Water-Extractable Organic Matter, WEOM)의 조성과 반응성(분자 간 전환 가능성)을 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.

이를 통해 기존 방법으로는 포착하기 어려운 땅속 생태계 변화 기제를 정량적으로 규명했다.

WEOM 분자 간 질량 차 분석을 바탕으로 '산화', '탈아민화', '메틸화' 등 생화학적 전환 경로를 유추함으로써 온난화에 따라 토양 미생물이 어떤 유기물을 어떻게 이용하고 있는지 간접적으로 파악할 수 있다.

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·펩타이드류) 비율 변화 등이 나타나 분자 수준에서의 의미 있는 변화가 확인됐다.

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

이러한 변화는 장기간 온실효과에 의해 식물 지상부와 뿌리 생장이 촉진되면서 근권(根圈·식물의 뿌리가 영향을 미치는 범위)이 확장됐고, 이에 일부 미생물 군집이 하부 토양층에서 활성화돼 식물과의 상호작용이 활발해진 결과로 추정된다고 연구팀은 설명했다.

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

이번 연구 결과는 국제 학술지 '환경 연구'(Environmental Research) 지난 8일 자 온라인판에 실렸다.