생물학적 메커니즘 (식물, 플랑크톤의 광합성)
광합성은 생물학적 탄소 흡수 과정에서 가장 중요한 역할을 한다. 식물, 해양 플랑크톤, 미생물 등은 광합성을 통해 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 흡수하여 유기 탄소 화합물로 전환한다. 이 과정에서 식물은 태양 에너지를 사용하여 이산화탄소와 물(H₂O)을 포도당(C₆H₁₂O₆)과 산소(O₂)로 변환한다.
포도당은 식물의 생장과 에너지 저장에 필수적인 화합물이며, 이 과정에서 대기 중 이산화탄소가 흡수되고 저장된다.이 과정을 통해 대기 중 이산화탄소가 식물의 조직에 유기 탄소 형태로 저장되며, 이는 대기 중 이산화탄소를 단기적으로 제거하는 효과를 가져온다. 특히 산림과 같은 육상 생태계는 광합성을 통해 대기 중 탄소를 효과적으로 흡수하는 주요 탄소 흡수원으로 작용한다.
육상 생태계의 탄소 저장(식물의 광합성)
식물은 산소를 배출하고 동물은 호흡과 기타 배설작용을 통해 이산화탄소(CO₂)를 배출한다.
식물은 잎 표면에 있는 작은 구멍인 기공(stomata)을 통해 대기 중의 이산화탄소(CO₂)를 흡수한다. 기공은 주로 잎의 아랫면에 있으며, 기공을 통해 이산화탄소가 세포 내로 들어가 광합성 과정에 사용된다.
광합성을 통해 흡수된 탄소는 식물의 조직과 토양에 저장된다. 이산화탄소가 흡수되면 식물의 잎, 줄기, 뿌리 등의 조직에 유기 탄소 형태로 저장되며, 이를 통해 대기 중 이산화탄소 농도가 일시적으로 감소한다. 숲과 같은 산림은 이러한 탄소 저장소로서 중요한 역할을 하며, 나무가 성장하면서 더 많은 이산화탄소를 흡수하고 저장할 수 있다.
광합성 과정에서 이산화탄소(CO₂)는 대기에서 제거되고, 식물의 바이오매스1)로 저장된다. 광합성은 이산화탄소 제거의 가장 중요한 생물학적 메커니즘 중 하나다.
이 과정에서 탄소는 생물체 내에 저장되며, 이는 육상 생물권에서 중요한 탄소 고정 방식이다.
식물은 이산화탄소(CO₂)를 흡수하여 광합성 후 잎, 줄기, 뿌리, 씨앗, 토양 등 여러 부분에 고정된 탄소로 저장하고, 그 중 일부는 오랜 시간 동안 환경에 영향을 미치며 기후 조절에 기여한다.
식물이 이산화탄소(CO₂)를 흡수한 후 광합성을 통해 저장하는 탄소는 주로 유기탄소(organic carbon) 형태로 저장한다. 잎과 줄기에는 광합성으로 생성된 포도당과 같은 유기 화합물 속에 주로 셀룰로오스, 리그닌, 녹말 등의 형태로 저장된다. 뿌리는 탄소를 저장하고 토양 속의 미생물과 상호작용하여 더 많은 유기 탄소를 토양에 전달한다. 씨앗에는 탄수화물, 지방, 단백질 등의 유기 화합물 형태로 저장된다. 토양에는 식물의 잔해물이 분해되면서 유기 탄소가 토양에 축적되며, 이는 탄소 저장소 역할을 한다.
해양 생물학적 펌프(플랑크톤의 광합성)
플랑크톤 역시 광합성을 통해 이산화탄소(CO₂)를 흡수하고, 해양 먹이 사슬을 통해 탄소를 전달하며, 일부는 죽은 후 침전되어 해저에 축적된다.
생물 펌프(biological pump)
‘생물펌프(biological pump)'2)는 중요한 탄소 순환 메커니즘이다. 이 과정은 해양 생물이 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 흡수해 유기물을 생성하고, 이후 죽은 생물체나 분해된 유기물이 해양 깊은 곳으로 가라앉아 장기적으로 탄소를 격리하는 방식으로 이루어진다.
생물 펌프는 지구의 탄소 순환에서 중요한 역할을 하며, 기후 변화 완화에도 중요한 기여를 한다. 생물 펌프의 작동 과정은 다음과 같다.
광합성
식물성 플랑크톤(Phytoplankton)은 해양의 광합성 생물로, 대기 중의 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)을 당과 같은 유기 화합물로 변환하고 산소(O₂)를 방출하는 광합성을 진행하고 유기물을 생성한다. 이때 대기 중의 이산화탄소는 해수로 용해되어 해양으로 흡수된다. 이 과정에 고정된 이산화탄소는 생물학적으로 고정된다. 즉, 플랑크톤의 생체 물질(세포 구조, 지방 등)로 저장된다.
식물성 플랑크톤은 동물성 플랑크톤(zooplankton)과 같은 작은 해양 동물들에게 먹이가 된다. 이러한 동물성 플랑크톤은 식물성 플랑크톤에서 고정된 탄소를 섭취하여 자신들의 생체 조직을 형성한다.
동물성 플랑크톤은 더 큰 해양 생물, 예를 들어 작은 물고기나 해양 포식자들에게 먹히면서 탄소가 점차 상위 먹이 사슬로 전달된다. 이 과정에서 플랑크톤을 먹은 생물의 신체와 생물 활동을 통해 탄소가 계속해서 유기물로 저장된다. 이렇게 먹이 사슬을 통해 탄소가 전달되면서, 다양한 해양 생물들이 탄소를 생체 내에 축적하게 된다.
죽음과 침전
플랑크톤, 해양 생물의 배설물, 그리고 죽은 생물체는 해양 바닥으로 가라앉는다. 이러한 유기물은 심층 해양으로 이동하면서 탄소가 대기로 방출되지 않고 심해에 격리된다.
해양 생물들이 죽으면, 그들의 시체와 배설물에는 탄소가 포함되어 있으며, 이것들은 해양 표면에서 깊은 바다로 가라앉는다.
특히, 플랑크톤의 배설물이나 유기물 덩어리는 ‘해양 눈(marine snow)’이라고 불리며, 이들은 바다 속을 천천히 침전하면서 탄소를 해저로 운반한다.
‘해양 눈’은 플랑크톤의 배설물, 죽은 생물, 부유하는 미세한 유기물 등이 뭉쳐진 덩어리들이 해양 표층에서 바닥으로 천천히 가라앉는 것을 말한다. 이 덩어리들은 마치 눈이 내리는 것처럼 보이기 때문에 "해양 눈"이라고 부른다.
해양 눈은 해양 생물의 죽음, 배설물, 미세한 유기물들이 결합하여 형성되며, 해양 생태계에서 중요한 영양 공급원이기도 하다. 이 덩어리들은 바다 밑으로 이동하면서 해양 바닥에 탄소를 저장하게 된다.
해양 눈은 생물학적 탄소 펌프라고 불리는 탄소 고정 메커니즘의 중요한 부분이다. 이는 대기 중 이산화탄소가 해양 생물의 활동을 통해 유기물로 변환되어 깊은 해양으로 이동하고, 오랜 시간 동안 탄소가 해양에 고정되는 과정이다.
해양의 깊은 곳에 탄소가 고정되면, 오랜 시간 동안 대기로 다시 방출되지 않고 지구의 탄소 균형을 유지하는 데 기여한다.
심해 저장
심해로 가라앉은 유기 탄소는 퇴적물로 축적되거나, 미생물에 의해 분해되어 이산화탄소(CO₂)로 전환되지만, 이 과정에서 방출된 이산화탄소는 오랜 시간 동안 심해에 고정된다. 해류가 심해로 탄소를 이동시키는 과정에서, 이산화탄소가 지구 대기권으로 돌아가는 속도는 매우 느리기 때문에, 탄소는 수백 년에서 수천 년까지 깊은 바다에 저장될 수 있다. 이러한 퇴적물은 석회암이나 석유와 같은 화석 연료로 전환되거나 해양 지각의 일부로 축적되어, 탄소가 대기로 다시 방출되지 않도록 막는다.
생물펌프의 효과
이처럼 생물 펌프는 기후 변화 완화, 탄소저장, 해양 생태계 유지하는 중요한 먹이사슬의 기초를 제공한다. ‘생물 펌프(biological pump)’는 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 해양 생물들이 흡수하고, 이산화탄소(CO₂)를 해양 깊은 곳으로 이동시키며, 일부는 해저에 장기적으로 저장하는 과정을 말한다. 생물펌프의 효과에 대해서 정리하면 다음과 같다.
대기 중 이산화탄소 감소
생물 펌프는 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 감소시키는 데 큰 역할을 한다. 광합성을 하는 식물성 플랑크톤이 대기 중의 이산화탄소를 흡수하여 유기물을 생성하고, 이를 통해 탄소가 해양 생물에 의해 해양으로 이동한다. 이 과정을 통해 대기 중 이산화탄소의 농도가 조절된다.
탄소의 해양 고정
생물 펌프를 통해 탄소가 해양 깊은 곳에 장기적으로 고정된다. 식물성 플랑크톤이 흡수한 탄소는 그들이 죽거나 다른 생물에게 섭취되는 과정에서 배설물, 유기물 덩어리(해양 눈) 등의 형태로 해저로 가라앉는다. 이 탄소는 심해에 고정되어 오랜 기간 동안 대기 중으로 방출되지 않으므로, 지구 온난화를 완화하는 데 기여한다.
해양 생태계의 에너지와 영양 공급
생물 펌프는 해양 생태계에서 중요한 에너지와 영양 공급원으로 작용한다. 플랑크톤과 같은 작은 생물들이 탄소를 유기물로 변환함으로써, 그들이 죽은 후나 배설한 유기물이 해양 바닥에 도달할 때, 해양 생태계의 다른 생물들에게 중요한 영양 공급원이 된다.
지구 기후 안정화
생물 펌프는 지구 기후의 장기적 안정에 중요한 역할을 한다. 대기 중의 이산화탄소(CO₂)가 해양으로 흡수되고 해양 깊은 곳에 고정됨으로써, 지구의 탄소 순환 시스템이 안정된다. 이는 지구의 기온 상승을 완화하고, 기후 변화를 억제하는 데 기여한다.
해양 산성화와의 관계
생물 펌프는 탄소를 해양으로 이동시키는 중요한 역할을 하지만, 이 과정에서 해양이 더 많은 이산화탄소(CO₂)를 흡수함에 따라 해양 산성화가 촉진될 수 있다. 이산화탄소(CO₂)가 해양에 용해되면서 물이 산성화되고, 이는 해양 생태계에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 특히, 산호초와 같은 해양 생물들이 산성화로 인해 위협을 받는다.
생물 펌프의 한계
생물 펌프는 탄소 순환에서 중요한 역할을 하지만, 그 효율성에는 한계가 있다. 해양의 일부 지역에서는 탄소가 해저까지 도달하지 못하고 표층에서 다시 방출되기도 한다. 또한, 해양의 변화와 온난화로 인해 플랑크톤의 생산성이 감소할 경우, 생물 펌프의 효과도 약해질 수 있다.
생물펌프의 효과와 부작용
생물 펌프는 탄소 순환 시스템에서 매우 중요한 역할을 하며, 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 해양으로 이동시켜 장기적으로 저장함으로써 지구 기후를 안정화하는 데 기여한다. 그러나 해양 산성화와 같은 부작용도 동반될 수 있으며, 기후 변화가 생물 펌프의 효과를 저해할 가능성도 있다.
토양의 탄소 흡수 및 제거
생물학적 메커니즘에서 탄소가 흡수된 후, 식물이나 해양 생물이 죽으면 미생물에 의해 분해된다. 이 분해 과정에서 일부 탄소는 대기 중으로 다시 방출되지만, 일부는 토양에 유기 탄소 형태로 저장된다. 토양에 저장된 탄소는 오랜 시간 동안 대기 중으로 방출되지 않으며, 이로 인해 대기 중 이산화탄소가 일시적으로 제거되는 역할을 한다.
분해 과정은 미생물의 활동에 의해 주도되며, 이산화탄소와 메탄(CH₄)이 대기로 방출되는 결과를 가져온다. 그러나 토양 내 유기 탄소가 축적되는 과정은 장기적으로 대기 중 탄소 농도를 줄이는 데 기여할 수 있다. 특히, 북반구의 한대림 지역과 같은 영구 동토층에서는 수천 년 동안 탄소가 저장될 수 있으며, 이러한 지역은 전 세계 탄소 순환에서 중요한 역할을 한다.
생물학적 메커니즘의 탄소 제거 효율성
생물학적 메커니즘은 자연적으로 대기 중 이산화탄소를 흡수하고 제거하는 중요한 역할을 한다. 그러나 그 효율성은 여러 요인에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 산림 벌채는 탄소 흡수원의 양을 감소시키고, 농업 활동은 토양 탄소 저장 능력을 약화시킬 수 있다. 반면, 산림 복원과 같은 활동은 탄소 제거 효율성을 높일 수 있으며, 이를 통해 대기 중 이산화탄소 농도를 줄이는 데 기여할 수 있다.
생물학적 메커니즘은 지구 기후 시스템의 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 하지만, 인간 활동으로 인해 그 균형이 무너지고 있다. 인간의 영향이 증가함에 따라 이 메커니즘의 복원과 강화가 기후 변화 완화에서 중요한 과제가 되고 있다.
생물학적 메커니즘은 광합성, 해양 생물학적 펌프, 토양 탄소 저장과 같은 자연적 과정을 통해 대기 중 이산화탄소를 흡수하고 제거하는 중요한 역할을 한다. 이러한 과정은 대기 중 이산화탄소 농도를 조절하며, 지구 기후 시스템의 균형을 유지한다. 그러나 인간 활동으로 인해 생물학적 메커니즘이 교란되고 있으며, 이를 복원하고 강화하는 것이 기후 변화 대응에서 중요한 과제가 되고 있다.(끝)
각주
1) 식물 바이오매스(Plant Biomass)는 식물이 광합성을 통해 이산화탄소(CO₂)와 물을 이용하여 생산한 유기물의 총량을 의미한다. 즉, 식물체의 모든 부분(잎, 줄기, 뿌리, 열매 등)에 저장된 생물학적 물질의 양을 나타낸다.↩
2.해양수산부 공식 블로그 https://blog.naver.com/koreamof/222208544836 ↩
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