동위원소로 추적한 비료 질소의 멕시코만 유입 경로

연구진은 멕시코만 북부로 흘러드는 미시시피-아차팔라야 강 유역의 한 지류인 Wax Lake Delta에서 채취한 질산염(nitrate)과 입자성 질소(particulate nitrogen, 미세 부유 입자에 결합된 질소)의 질소 동위원소를 분석했습니다. 이 유역은 해당 멕시코만 해역에 유입되는 담수의 약 80%와 하천을 통한 질소의 약 90%를 공급합니다. 하천 유량이 많은 우기 동안에는 질산염과 입자성 질소 모두의 동위원소 값이 건기에 비해 일관되게 1000분의 2~3 낮게 나타났습니다. 비료에서 유래한 질소는 지하수, 축산분뇨, 또는 하수에서 유래한 질소보다 낮은 동위원소 값을 갖기 때문에, 이러한 패턴은 강우가 많은 시기에 비료 유래 질소가 우선적으로 멕시코만으로 유출된다는 것을 보여줍니다.

이는 멕시코만으로 유입되는 질소가 연안 부영양화(eutrophication, 조류의 과잉 증식을 유발하는 과도한 영양염류), 유해 조류 대발생(harmful algal bloom), 그리고 계절적 저산소증(hypoxia), 즉 산소가 부족한 데드존과 연결되어 왔기 때문에 중요합니다. 연방 태스크포스는 2035년까지 저산소 구역의 5년 평균 크기를 5,000제곱킬로미터 이하로 줄이는 것을 목표로 세웠지만, 현재 관측치는 이 목표치의 약 3배 수준에 머물러 있습니다.

질소 원자는 더 가벼운 형태와 약간 더 무거운 형태, 두 가지 안정 동위원소로 존재하며, 그 비율은 델타-15N(delta-15N)이라는 값으로 표현됩니다. 합성 비료와 대기에서 침적되는 질소는 대체로 낮은 델타-15N 값을 갖는 경향이 있습니다. 지하수, 하수, 축산분뇨에서 유래한 질소는 대체로 더 높은 값을 갖는 경향이 있는데, 이는 탈질작용(denitrification, 미생물이 질산염을 기체로 전환하는 과정) 같은 과정이 더 가벼운 형태를 우선적으로 제거하여 남은 질소가 무거운 형태로 농축되기 때문입니다. 이러한 값을 비교하면 연구자들은 모든 배출관이나 농경지를 일일이 직접 확인하지 않고도 특정 시점에 어떤 공급원이 우세한지 구분할 수 있습니다.

Wax Lake Delta 연구에서는 질산염 농도가 하천 유량에 의해 희석되기보다는 유량과 함께 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 우기에 질산염이 풍부한 물이 더 많이 멕시코만에 도달한다는 것을 의미합니다. 연구팀은 또한 조류가 질산염을 흡수하는 것과 같은 하천 내부의 과정이 공급원의 변화가 아니라 동위원소 변화 자체를 설명할 수 있는지도 검토했습니다. 그 효과는 하천을 따라 동위원소 값을 약 1000분의 1 정도만 변화시키는 데 그쳐 작은 것으로 나타났고, 이에 따라 연구진은 계절에 따른 동위원소 변화가 주로 하천 화학이 아니라 우세한 질소 공급원의 변화를 반영한다고 결론지었습니다.

별도의 연구는 동일한 동위원소 논리를 산호에 직접 적용했습니다. 일본 이시가키섬(Ishigaki Island) 주변 12개 암초 지점의 산호 8종을 대상으로 한 연구에서는, 산호 조직 내 질소 동위원소 값이 종의 차이보다 오염 스트레스에 의해 더 강하게 영향을 받는다는 것이 확인되었습니다. 그곳에서 높게 나타난 산호의 질소 동위원소 값은 또한 종속영양(heterotrophic) 섭식에 대한 더 큰 의존도를 반영했는데, 이는 산호가 공생조류가 공급하는 영양분에만 의존하기보다 동물성 플랑크톤이나 다른 먹이 입자를 섭취하고 있다는 의미이며, 이러한 의존도는 오염이 더 심한 지점에서 더 강하게 나타났습니다.

Wax Lake Delta 연구 저자들은 이번 발견이 비료 시비 시기를 조정하면 멕시코만에 대한 질소 부하와 그로 인한 환경 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있음을 시사한다고 밝혔습니다. 문제의 일부는 현재 강 유역에서 멕시코만으로 유입되는 용존 질산염의 약 50%가 30년 넘게 유역의 토양과 지하수에 축적되어 온 이른바 '레거시 질소(legacy nitrogen)'라는 점인데, 이 때문에 오늘 이루어지는 변화라 해도 하류에서 결과가 나타나기까지는 시간이 걸립니다.

멕시코만과 카리브해 전역에서 50년간 영양염류 오염과 조류 대발생을 연구해 온 한 연구자가 설명한 장기 연구 결과에 따르면, 이 해역의 조류 대발생과 연안 부영양화를 주로 유발하는 것은 인이 아니라 인위적 질소인 것으로 밝혀졌습니다. 같은 연구 결과들은 이로 인한 질소와 인의 균형 변화가 산호를 더욱 인 제한적인 상태로 만들고 대사 스트레스를 가중시킨다는 것도 발견했습니다. 또한 이 연구는 해양과 인간 건강에 미치는 점점 더 심각해지는 영향 때문에 대형조류(macroalgae) 대발생도 유해 조류 대발생의 한 유형으로 분류해야 한다고 주장하며, 2011년 이후 카리브해로 유입된 대량의 유영성 해조류 Sargassum이 열대 대서양의 영양염류 증가에 대한 부영양화 반응으로 보이며, 이는 현재 지구상에서 가장 큰 유해 조류 대발생으로 여겨진다고 밝혔습니다.

영양염류 오염만이 이들 암초에 가해지는 유일한 압력은 아닙니다. 기후변화 하의 산호초 생태계에 관한 별도의 연구는 더 낮은 온실가스 배출 경로 하에서도 온난화가 2040년에서 2050년 사이에 대부분의 온수성 산호초를 소멸시킬 가능성이 높다고 결론짓습니다. 이 시간표는 앞서 설명한 영양염류 유발 스트레스를 대체하는 것이 아니라 그와 나란히 존재합니다.

Wax Lake Delta 연구 저자들은 이러한 종류의 동위원소 측정이 2000년대에 미시시피-아차팔라야 유역에서 짧게만 사용되었고, 2010년 이후로 질산염 동위원소 자료에 공백이 있었다는 점을 지적하며, 이 때문에 최근의 질소 공급원 컴퓨터 모델과의 직접적인 비교가 제한된다고 밝혔습니다. 그리고 이러한 모델들은 질소가 토양과 물을 이동하며 변형되는 과정을 완전히 포착하지 못하기 때문에 그 자체로 불확실성을 안고 있습니다. 저자들은 우기 동안 비료 질소가 우선적으로 이동한다는 동위원소 증거가 자신들이 관찰한 계절적 패턴을 설명하는 가장 유력한 설명이라고 서술하면서도, 이를 직접 관측된 경로라기보다는 자료로부터 도출한 추론으로 규정하고 있습니다.

산호 동위원소에 관한 발견은 멕시코만이 아니라 일본 이시가키섬 주변 암초 지점에서 나온 것으로, 멕시코만 암초에 대한 직접적인 증거를 제공한다기보다는 질소 동위원소가 일반적으로 산호의 오염 스트레스와 종속영양 섭식을 어떻게 드러낼 수 있는지를 보여줍니다. 멕시코만과 카리브해에 관한 더 폭넓은 영양염류 연구는 하나의 새로운 단일 연구라기보다는 50년간의 연구 결과를 담은 개인적인 서술로 제시된 것입니다. 그리고 산호초에 관한 기후 예측은 명시적으로 유보적인 표현으로 서술되어 있는데, 특정 배출 시나리오 하에서 금세기 중반까지 대부분의 온수성 산호초가 소멸될 '가능성이 높다(likely)'고 표현하면서도, 산호초가 온난화 속도를 따라잡을 만큼 빠르게 적응하고 있다는 증거는 거의 없다고 언급하고 있습니다.