식물 플랑크톤, 영양염(인삼염, 질산염), 산소
식물 플랑크톤은 바다에서 가장 중요한 유기체다. 햇빛이 닿는 바다 표층에 주로 서식하며 광합성을 통해 바다 생물의 먹이인 유기탄소를 합성하고, 인류 호흡에 필요한 산소를 내놓는다.
지구온난화는 해양의 심층부보다 표층부 바닷물을 더 데운다. 표층수가 따뜻해지면 밀도가 가벼워지며 심층부와 층이 더 명확히 분리(성층화)된다. 식물 플랑크톤은 영양염과 이산화탄소를 광합성에 이용하는데, 해양이 성층화되면 심층부에 풍부한 영양염이 표층부에 덜 도달한다. 즉, 지구온난화는 식물 플랑크톤의 먹이를 줄인다.
1) 식물 플랑크톤(Phytoplankton):: 바다 표면에 떠다니는 작은 조류로 해양 먹이사슬의 기초를 형성한다. 광합성을 하는 동안 식물 플랑크톤은 물에 녹은 영양염(인삼염, 질산염)과 이산화탄소를 흡수하여 유기물과 산소를 생산한다. 식물 플랑크톤이 만들어낸 유기물은 먹이사슬 상위 단계 포식자들의 먹이가 되고, 식물 플랑크톤이 만든 산소는 우리가 들이쉬는 총 산소량의 약 50%를 차지한다.
2) 영양염: 주요 영양염으로는 바닷물에 녹아 있는 인산염과 질산염이 있는데, 플랑크톤 번식에 필수인 인과 질소를 각각 제공한다. 영양염이 없는 환경에서는 플랑크톤이 번식할 수 없다.
식물 플랑크톤(Phytoplankton)
태양광 패널이 빛에너지를 포착하듯, 바다 생태계에서는 현미경으로 볼 수 있는 물속을 떠다니는 작은 식물플랑크톤이 엽록소에서 광합성으로 빛에너지를 포착해 탄소와 물을 화학적으로 결합한 쌀과 같은 탄수화물에 저장한다.
지구로 들어온 빛 중 약 2%만 식물플랑크톤이 받아 탄수화물에 저장한다. 그림에서는 처음 빛에너지 50만 칼로리 중 2%인 1만 칼로리 정도를 식물플랑크톤이 탄수화물에 저장하는 것을 보여주고 있다. 이 식물플랑크톤은 먹고 먹히는 먹이사슬을 따라 그 에너지가 강물처럼 흐른다.
먹이사슬에서 식물플랑크톤은 영양단계 1에 위치하면서 동물플랑크톤(영양단계 2)에게 먹히고, 동물플랑크톤은 작은 물고기(영양단계 3)에 먹히며, 이들은 다시 큰 물고기(영양단계 4)에 먹힌다. 궁극적으로 식물플랑크톤 생산력이 수산자원(영양단계 3, 4)을 포함한 생태계 전체 생산량을 결정한다. 큰 물고기를 어선으로 잡아먹는 사람은 영양단계 5에 있다.
한 영양단계 생물이 다음 단계 생물에 먹힐 때 그 에너지 전달 효율인 ‘생태효율’은 평균 10% 정도이고, 나머지 90%는 움직이거나 배설하는 데 쓰여 먹이사슬에서 빠져나간다. 이 때문에 우리 몸에서 에너지 1칼로리에 해당하는 몸무게를 늘리는 데는 빛에너지 50만 칼로리가 필요하다. 어선이 영양단계 4인 다랑어와 같은 큰 물고기 대신 영양단계 3인 멸치처럼 작은 물고기를 잡는다면 어업생산량은 10배 늘어날 수 있다는 의미다. 다랑어 1만ｔ을 잡는 것은 멸치 10만ｔ을 잡는 것에 해당한다. 소보다 콩을 먹는 것이, 바다에서는 다랑어보다 멸치를 잡는 것이 생태계에 충격을 덜 준다.
그림에서는 영양단계가 모두 5개라 먹이사슬 길이가 5이지만, 실제 바다에서는 그 길이가 시간과 공간에 따라 달라질 수 있다. 먹이사슬 길이가 하나 짧아질수록 어업생산량은 10배 늘어날 수 있으며, 반대로 하나 길어질수록 10분의 1로 줄어들 수 있다.
부영양화(富營養化)
수중에 영양염(nutrients)의 농도가 자연상태일 때보다 더 높은 상태를 말한다. 호수와 만(灣)과 같이 물이 정체되어있고, 상류 또는 주변에서 농사용 비료, 축산 분뇨 또는 생활하수 등 유기물과 영양염이 대량 유입되면 그 수중환경에 쌓이면서 발생할 수 있다. 부영양화는 그 자체로 인한 문제보다 그 이후에 따라오는 문제들이 더 심각하다.
물에 영양이 풍부해졌다는 단어 자체로 보면 긍정적인 현상이 아닌가 오해할 소지가 있으나, 정확히 말하면 '썩은 음식더미에 깔려 숨도 못 쉬고 죽는 것'에 가까워 심각한 환경 오염이다.
영어 eutrophication은 그리스어 εὔτροφος에서 왔으며, '잘(εὔ) 영양화되다(τροφος)'라는 뜻이다.
영양염
일반적으로는 질소(N, Nitrogen)와 인(P, Phosphorus)을 들 수 있다. 그중에서도 질산염(NO3, nitrate), 인산염(PO4, phosphate)이다. 식물플랑크톤의 경우 세포 내 인:질소:탄소 비율이 1:16:106 으로 이루어져 있다.[1] 그중 탄소는 가장 많은 양을 차지하지만 물 속에 녹아있는 이산화탄소 및 탄산염계열이 풍부하기 때문에 보통 인과 질소가 부족해 식물플랑크톤의 성장 및 번식에 제한요소로 작용한다.
발생
부영양화는 자연적으로 발생할 수 있는 현상이다. 그러나 인간활동으로 인해 그 발생빈도나 발생지역이 증가하고 있다.
자연환경
강, 호수, 하구역 주변이나 상류에서 비가 내리거나 토양의 침식으로 토양에 있던 영양염과 유기물이 강이나 바다로 흘러들어가게 된다. 이렇게 흘러들어온 유기물과 영양염은 물의 순환이 느린 곳에 쌓이게 된다. 유기물은 수중 미생물에 의해 분해되어 영양염이 된다. 수중 내 영양염의 농도는 높아지고 부영양화가 일어난다. 부영양화에 따른 조류 대증식(algal bloom)은 자연 상태의 바다에서도 종종 일어난다. 인류의 등장 이후, 인류가 원인인 부영양화가 많이 발생하고 있다.
인간활동
농업에서 비료의 이용, 축산폐수, 생활하수 등이 유입되어 영양염의 양 자체가 늘거나, 강이나 호수, 하구역의 수변이 개발되고 불투수층이 증가하면서 영양염의 유입을 줄여주거나 늦춰주는 완충지역이 사라져 부영양화를 촉진하고 있다.
축산폐수, 생활하수 같은 점오염원의 경우, 하수종말처리장이나 자체 정화시설 등으로 어느정도 관리를 하고, 할 수 있다. 그러나 비료나 기타 비점오염원의 경우에는 비가 오면 우수관이나 도랑, 땅 표면등을 통해 하천으로 흘러들어가고 있어 관리가 어렵다. 자연환경에서 수변식물 및 투수층은 영양염을 흡수하거나 잡아둘 수 있어 비점오염원의 유입을 줄여줄 수 있었지만, 개발에 의해 사라지고 있는 상태이다.
부영양화의 발생과 그 뒤에 일어날 수 있는 현상.
유기물 및 영양염 유입
위의 설명처럼 유기물 및 영양염이 수중 환경으로 유입된다. 그중 유기물은 미생물에 의해 영양염으로 분해된다.
수중환경 내 인과 질소가 풍부해진다.
비옥화 : 적당량의 영양염은 식물플랑크톤의 번식 및 성장에 도움을 준다. 이런 1차생산량의 증가는 동물플랑크톤 같은 1차소비자 및 상위 소비자의 증대를 가져와 생태계가 더 건강해질 수 있다. 단 적당량의 유입이다.
식물플랑크톤 대량 발생
영양염이 풍부한 상태에서 수온이 성장 및 번식에 적합하다면 식물플랑크톤이 대량으로 번식하게 된다. 이때 번식하는 종류에 따라 조류 대증식(algal bloom), 녹조, 적조(HABs; harmful algal blooms) 등으로 불린다.
유기물 침강, 분해
플랑크톤이 수명이 다해 죽거나, 동물플랑크톤에 먹혀 배설되면 바닥으로 침강한다. 침강하면서 또는 바닥에 퇴적되고 미생물이 용존산소를 이용해 유기물을 분해한다.
저층 용존산소 고갈
만약 평소와 같다면 용존산소를 적당히 사용하겠지만, 플랑크톤의 대량 발생 이후에는 유기물 양이 엄청나기 때문에 사용하는 산소의 양도 엄청나다. 표층의 경우는 빛이 있기 때문에 광합성을 통해 산소를 얻을 수 있지만, 빛이 없는 저층에서는 산소가 고갈된다.
빈산소 수괴의 형성
산소가 사용만 되고 다시 만들거나, 얻을 수 없기 때문에 저층의 용존산소 농도는 생물이 살아갈 수 있는 최저한도보다 낮은 빈산소 환경(hypoxia)이 된다.
저서생물 사멸
이동성이 강한 어류, 또는 게, 새우는 주변환경이 안좋아지면 다른 지역으로 이동할 수 있다. 그러나 바닥에 붙어살고 움직일 수 없는 저서생물의 경우, 산소가 부족하면 살고있던 그 자리에서 다 죽게된다. 특히 굴, 따개비 같은 생물은 현탁물식자 로 물을 정화할 수 있는 능력을 가진 생물로, 이런 생물이 죽는다면 위의 현상이 악순환되어 더 심각한 상태로 만들 수 있다.
악순환의 반복
유기물은 계속 유입되고, 식물플랑크톤 및 유기물을 걸러줄 수 있는 굴 같은 정화생물은 죽어나가고, 바닥으로 유기물은 쌓여가고, 미생물은 계속해서 산소를 쓰고, 바닥에 사는 생물은 계속 죽어나가고, 무한반복.
무산소 환경
미생물이 유기물을 계속 분해하다가 결국에 저층 용존산소가 다 떨어지면 산소가 아예 없는 무산소 환경(anoxia)이 된다. 무산소 환경에서는 혐기성 미생물이 나타나 유기물을 분해하기 시작한다. 황화 수소가 배출되며, 바닥 퇴적물은 썩어가게된다. 무산소 환경이 계속 유지되면 Dead Zone이라 불리게된다. 혐기성 미생물을 제외한 살아있는 생물이 없기 때문이다.