질산비료 개발이 해양생물에 미친 영향
질산비료 개발이 해양생물에 미친 영향
우선 해양에서 식물플랑크톤이 어떻게 생명을 유지를 하고 있는지 살펴보겠습니다. 식물플랑크톤은 해양생태계의 근간을 이루고 있습니다. 빛이 충분한 표층에서 광합성 작용을 통하여 세포분열을 하면서 번성하게 됩니다. 여기 광합성에 필요한 원소들이 나열되어 있습니다. 탄소, 수소, 질소, 산소, 인, 황입니다. 식물플랑크톤이 광합성에 필요한 이 원소들은 바다에 아주 풍부하게 존재하고 있습니다. 하지만 해양 표층에는 식물플랑크톤이 항상 풍부하게 존재하지는 않습니다. 식물플랑크톤이 광합성을 하기 위해서는 광합성에 필요한 모든 원소가 해양 표층에 풍부하게 존재해야 합니다. 그러나 이 조건을 만족시키지 못하는 원소가 두 가지 있습니다. ”질소” 와 “인”입니다. 질산염 형태의 질소와 인산염 형태의 인은 해양 전체에 풍부하게 존재합니다. 하지만 90% 이상의 질산염과 인산염은 식물플랑크톤이 사용할 수 없는 수심이 아주 깊은 곳에 존재합니다. 즉, 광합성에 사용되는 질산염과 인산염은 극히 적은 양입니다. 결과적으로 해양 표층의 플랑크톤의 총량은 해양 표층으로 유입되는 질산염과 인산염의 총량에 의해서 결정되겠죠. 그런데 인간의 간섭이 광합성에 필수 성분 중 하나인 질산염을 변화시키기 시작했습니다. 인간의 간섭은 산업혁명 이후 시작되었습니다.
질산비료로 인한 해양 문제
산업혁명은 인류문명이 화석연료에 기반을 두기 시작했다는 것을 의미합니다. 화석 연료를 태우면 연소과정에서 다양한 형태의 질소산화물이 대기로 배출되게 됩니다. 화석연료가 연소되는 온도가 높아질수록 질소산화물의 방출은 더욱더 증가하게 됩니다. 산업혁명 이후 중요한 발명이 이루어지게 됩니다. 질소비료의 대량생산입니다. 질소비료가 대량 생산되기 이전에 단위면적당 농업생산성은 아주 낮았습니다. 이는 특정 면적의 경작지가 먹여 살릴 수 있는 인구가 많지 않았다는 것을 의미합니다. 1911년 질소비료 대량 생산을 가능케 한 간단한 프로세스가 개발되었습니다. 이 프로세스는 고온, 고압에서 질소와 수소가스를 혼합시켜 암모니아를 생산하고 이를 바탕으로 질소비료 생산을 가능케 했습니다. 질소비료를 대량 생산하기 시작한 이후에 농업생산성이 획기적으로 증대했고, 이는 인구증가로 이어졌습니다. 화석연료와 질소비료의 사용 증가는 막대한 양의 질소산화물이 대기로 방출되게 되었습니다. 전 세계에 질소산화물을 대량으로 방출하는 Hot Spots은 세 곳입니다. 북미대륙의 오대호 주변의 공업지역, 서유럽 그리고 동북아 지역입니다. 아주 특이하게도 3곳의 hot spot은 모두 편서풍대에 위치하고 있습니다. 이곳에서 방출되는 질소산화물은 편서풍을 타고 동쪽으로 이동하면서 육상지역이나 인근 해역으로 떨어지게 됩니다. 특히 동북아 해역에서 발생하는 질소산화물은 편서풍을 타고, 동쪽으로 이동하면서 황해, 동중국해, 동해, 더 나아가 서태평양에 떨어지게 되겠죠. 질소산화물이 해양에 떨어지게 되면 질산염의 증가를 일으키게 됩니다. 해양에 질산염이 증가하게 되면 광합성이 증가하게 되고, 이는 식물플랑크톤의 개체 수 증가를 유발하겠지요. 이 시나리오가 예상은 되지만 해양의 질산염 농도 변동이 너무 심하여 증명하기가 쉽지 않습니다. 하지만 1980년 대 이후로 수많은 해양학자들의 노력 덕분에 동북아 해역에서 엄청난 해양자료가 축적되었습니다.
해양학자들의 질산염에 대한 관측
간략히 해양학자들의 관측 노력을 소개하겠습니다. 한반도 주변해역에 빨간색으로 표시된 정점은 1995년 이후 한국 수산과학원 연구자들의 매년 7차례 관측을 통하여 얻은 소중한 자료입니다. 하얀색으로 표시된 정점은 일본 과학자들이 1980년대 이후 지금까지 관측을 통하여 축적된 자료입니다. 무려 140만 개의 자료를 수집했습니다. 이 자료를 분석해 보면 1980년 이후 동북아 해역의 영양염 농도가 어떻게 변했는지 알 수가 있습니다. 우선 서해안 임실 근해와 제주도 해역의 질산염 농도 변동을 살펴보겠습니다. 파란색으로 표시된 것이 질산염 농도 변동입니다. 그리고 검은색 표시가 인산염 농도 변동입니다. 임실 근해에서는 1995년 이후 질산염 농도가 꾸준히 증가해 왔습니다. 놀랍게도 인산염의 농도는 변동이 거의 없습니다. 동일한 패턴이 제주도 해역에서도 발견됩니다. 제주도 해역에서는 심지어 1985년 이후부터 2010년까지 변동은 크지만 꾸준히 질산염 농도가 증가해 왔습니다. 동일한 패턴이 동해의 두 정점에서도 발견됩니다. 울진 근해와 일본 오 끼 섬에서 1980년 이후 꾸준히 증가해 왔습니다. 물론 증가속도는 임실 근해와 제주도 해역보다는 훨씬 느리지요. 동북아 해역 전역에서 분석 결과를 정리하면 다음과 같습니다. 동북아 전해역, 즉, 황해, 동중국해, 동해, 그리고 태평양 일본 연안에서 질산염의 농도가 1980년대 이후로 꾸준히 증가해 왔으면 이는 같은 기간에 질소비료와 화석연료 사용 증가에 기인한다고 할 수 있겠습니다.