이산화탄소 해양지중저장에서 심해환경을 고려한 생물영향평가

1. 서 론

온실가스에 의한 기후 영향에 대응하기 위해 가장 핵심적인 방법으로 인식되고 있는 것은 온실가스의 대기 중 방출을 감축하는 것이다(Global CCS Institute[2022]). 대표적인 온실가스 중 하나인 CO₂의 대기 중 방출을 줄이기 위한 가장 유망한 전략 중 하나로 간주되는 것은 CO₂의 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture and Storage) 기술이다(Leung et al.[2014]). 특히, 포집된 CO₂를 해양 퇴적 암반층 또는 지층구조에 주입하는 것이 현재 환경적으로 허용 가능한 CO₂ 처리 방법으로 알려져 있다(Bachu and Adams[2003]). 일부 연구는 육상 또는 해양 지중저장과 저장소의 수명 주기에 따라 CO₂ 배출량을 70~80% 정도까지 감축시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다(Thatchera et al.[2022]).

2. 해양지중저장 CO₂의 누출에 따른 해양환경 변화 및 생물, 생태계 영향

2.1 해양 탄산염계의 변화 및 산성화 과정

대기 중으로 방출되는 CO₂의 약 30~50 %는 해양으로 흡수되어 산성화 과정을 유발한다(Caldeira and Wickett[2003]; Sabine et al.[2004]). 대기와 해양의 CO₂ 농도 평형을 유지하려는 화학적 균형 때문에 대기 중의 CO₂ 농도가 증가하면 해양으로 용해되는 CO₂의 농도도 증가하게 된다. 해수에 용해되는 CO₂는 탄산염 화학종(H₂CO₃, HCO₃^-, CO₃^2-, CO₂(aq)) 사이의 평형과 해수의 완충 능력에 의해 조절되는 pH를 교란하게 된다(Dickson and Millero[1987]). 과도한 양의 CO₂가 해수로 유입되었을 때 탄산염 화학종의 구성 비율에 영향을 미쳐 평형이 붕괴된다(Fig. 1). 상대적으로 해수의 총 알칼리도(Total Alkalinity)는 안정적으로 유지되지만, 과도한 양의 CO₂가 유입되면 나머지 모든 탄산염계 매개변수는 크게 달라진다. 전기적으로 중성인 용존 CO₂와 탄산은 화학적으로 구별해서 분석하기 어렵기 때문에 통상 CO₂(aq)와 탄산을 합쳐서 용존 CO₂라 부른다. 해수에 녹아들어간 CO₂는 용존 이산화탄소(CO₂(aq)), 탄산(H₂CO₃), 중탄산이온(HCO₃^-), 탄산이온(CO₃^2-), 이렇게 4가지 화학종으로 이루어진 탄산염계(carbonate system)를 형성하게 된다. 각 화학종의 농도는 4가지 매개 인자, 총용존무기탄소(DIC: dissolved inorganic carbon), 이산화탄소 분압(pCO₂), 알칼리도(alkalinity)와 pH를 통해 간접적으로 계산할 수 있다. 대기 중 CO₂ 한 분자가 해수에 용해되어 물과 탄산이온 각각 한 분자와 화학반응을 일으키게 되면 중탄산이온 두 분자가 만들어지며, 이 과정에서 수소이온을 받을 수 있는 탄산이온(CO₃^2-)이 소모되며 해수 중 수소이온의 농도가 증가하여 산성화된다(Caldeira and Wickett[2003]). 산업혁명 이후 해양의 평균 pH는 0.1 정도 낮아지는 것이 관찰되었지만, 금세기 말까지 pH 0.14~0.35 범위에서 추가적으로 낮아질 것으로 예측하고 있다(Meehl et al.[2007]).

Fig. 1.

Ocean acidification process and calcification reaction in seawater associated with shallowing the carbonate saturation horizon. (modified from Fauville et al.[2013]).

3. CO₂ 누출이 발생할 수 있는 심해 환경과 생물의 특성

CO₂ 해양지중저장 기술의 실증을 계획 중인 동해가스전 해역의 수심은 일반적인 심해의 범주에 해당한다. 해양 지중저장된 CO₂가 누출된다면 가장 먼저 영향 받을 가능성이 높은 생태계는 상당한 수심의 심해환경이 될 것이다. 해양에서 심해(deep sea 또는 deep ocean)는 빛이 줄어들기 시작하는 깊이로 정의되며, 약 200 m 이상의 수심을 지칭하는 용어이다(Paulus[2021]; Sutton and Miligan[2019]). 심해의 평균 온도는 약 4℃에 불과해 매우 차가우며, 약 200 m 수심의 수압은 대기압의 약 20배 정도의 극심한 압력에 노출되어 있는 환경이다. 요약하면, 수심이 깊은 심해는 어둡고, 차가우며, 강한 압력이 존재하는 극한 환경이다. 하지만, 해양생물은 심해 깊은 곳에서도 생육하고 있다. 또한, 심해는 지구상에서 가장 광범위한 서식지이며, 높은 생물 다양성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다(Paulus[2021]). 극단적인 환경인 심해에도 다양한 생물이 서식하고 있으며, 심해 생태계는 해양의 건강성과 생산성에 기여하고, 어업을 위한 다양한 수산생물의 서식지와 종묘장으로서 역할하고 있다. 연안이나 표층과는 여러 가지로 다른 환경과 조건으로 인해 어떻게 그러한 높은 다양성이 발전할 수 있었는지는 불분명하지만, 심해 생물, 생태계는 CO₂ 해양 지중저장에 있어서 고려해야 할 중요한 부분임이 분명하다. 심해가 인공적인 교란에 대해 회복력이 있는지는 불확실하며, 기술적으로 심해 환경에 대해 연구하는 것은 매우 어려운 것이 현실이다. 동해가스전 해역에서 지중저장된 CO₂가 누출되는 경우, 극한조건의 환경에 서식하는 생물이 1차적으로 부정적인 영향을 받을 수 있으며, 이것이 심해환경에 서식하는 생물을 대상으로 영향평가를 수행해야 하는 필요성이 될 것이다. 연안환경에 서식하는 생물을 이용한 영향평가 결과를 활용해 심해환경에서 발생하는 생물영향을 유추하는 것은 CO₂의 의한 영향을 정확히 반영한다고 추정하기에는 어려운 부분이 있음은 분명하다. 연안환경과 비교하여 수심 200 m 내외의 심해는 어둡고, 차가우며, 강한 압력이 존재하는 환경이다. 이러한 환경조건의 차이에 따른 생물의 반응은 연안환경에 서식하는 생물과 달라질 수밖에 없다. 특히 저온 환경에서 생물의 반응은 연안환경 또는 표층의 온도 조건과는 전혀 다른 생리적 특성을 보여주는 것이 일반적이다.

심해환경을 비롯해 낮은 온도에 대한 적응은 생물의 서식에 중요한 환경요인으로 작용한다. 상대적으로 짧은 시간에 과도한 수온의 변화는 생물에게 스트레스 요인으로 작용하며, 생리 활성에 영향을 미쳐 결국에는 폐사에 이르게 된다(Cossins et al.[1995]; Ellis[2001]; Bowden[2008]). 해양생물의 수온에 대한 내성(tolerance)은 체계적인 분자 계층 구조의 교란과 함께 호기성에서 혐기성으로의 대사 전환을 피하기 위한 생리적 능력과 직접적인 관련이 있다(Pörtner[2008]). 생육에 최적인 수온 범위를 벗어난 환경에서 생리적 허용 범위 내의 생체 대사활동을 위한 항상성을 유지하기 위해 에너지 소모가 증가하는 것이 일반적이다. 생육에 적합한 수온 범위보다 낮은 저온 환경은 생물 체내의 수많은 단백질 구조를 방해한다고 알려져 있다(Kunugi and Tanaka[2002]). 저수온 스트레스에 대한 생체분자의 생리학적 변화 연구에서 저온 환경에서 단백질 변성에 반응하여 단백질을 보호하는 기작이 증가한다는 것을 보여주는 결과가 있다(Place and Hofmann[2005]). 또한 저온 환경은 세포막을 비롯한 생물학적 막의 유동성을 감소시켜 기능을 현저하게 감소시킨다(Hazel[1995]). 미토콘드리아 활성은 생물의 항상성을 유지하기 위해 일반적으로 증가하지만, 활성이 증가된 미토콘드리아가 요구하는 산소 요구량은 기체 교환과 체내 순환을 통해 전달되는 증가된 호흡 용량과 직접적으로 일치하지 않는다(Frederich and Pörtner[2000]). 따라서 호기성에서 혐기성 미토콘드리아 호흡으로의 전환은 미토콘드리아 산소 요구량이 동물의 호흡 능력을 초과하는 임계치에서 발생하게 된다.

수압(압력)의 변화와 관련해서는 단백질과 지방질 막에 대한 정수압(hydrostatic pressure)의 물리적 영향이 유의한 것으로 알려져 있다(Pradillon[2012]). 상대적으로 적당한 압력 증가는 단백질 소단위의 해리를 유발할 수 있으며, 결과적으로 효소의 변성을 유도할 수 있다(Mozhaev et al.[1996]; Winter and Dzwolak[2005]). 예를 들어, 세포골격을 구성하는 튜불린, 케라틴, 액틴과 같은 고분자 단백질 집합체는 압력이 낮은 곳(즉, 수심이 얕은 곳)에서 서식하는 생물에서 수십 MPa 범위의 압력에 의해 해리되어 기본적인 세포 형태 및 조직에 영향을 미친다(Swezey and Somero[1985]; Daniel et al.[2006]). 일반적으로 단백질의 합성은 압력 변화, 즉 높은 압력 조건에서 상대적으로 민감한 것으로 알려져 있다.

노르웨이에서 진행 중인 CO₂ 해양지중저장 사업에서 심해환경에서 누출에 의한 잠재적인 생태위해성을 평가하기 위해 대형저서동물 중 이매패류인 Astarte sp. 종을 이용하여 생물영향을 평가하고(Bonnail et al.[2020]; Bautista-Chamizo et al.[2016]; Borrero-Santiago et al.[2016], [2017]; Basalote et al.[2018]; Conradi et al.[2019]), 해수의 화학적 변화(Payán et al.[2012]; De Orte et al.[2018])가 생물에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 이 연구에서 주목할 부분은 시험조건에서 저온 환경과 높은 압력조건을 주요 환경요인으로 고려하여 현실적인 환경조건을 모사한 메조코즘을 활용하여 저서생태계에 대한 영향을 연구했다는 것이다(Ardelan et al.[2012]; Molari et al.[2018], [2019]; Basallote et al.[2020]; Borrero-Santiago et al.[2020]). 하지만 이 연구에서도 깊은 수심을 고려한 압력 외에도 추가적으로 고려해야 할 부분은 압축된 CO₂(즉, 액화 CO₂)의 영향을 평가하지 못했다는 것이며, 이를 위해서는 추가 연구가 필요하다고 기술하고 있다(Vilarraasa et al.[2009]). 이 외에도 깊은 수심의 저온 환경에서 발생 가능한 CO₂의 잠재적 누출이 해수와 해양퇴적물의 산성화(Dewar et al.[2013]) 및 퇴적물에서 금속류의 이동(mobilization)(Ardelan et al.[2009]; De Orte et al.[2014], [2018]; Rodriguez-Romero et al.[2014a]; Basallote et al.[2020])을 활발하게 할 수 있는 등 해양의 생지화학적 순환에 영향을 미칠 수 있다는 것에 대해 연구한 사례가 있다. 해양의 심해 지층구조에 CO₂를 격리하여 대기 중 온실가스를 감축하고자 하는 계획은 격리된 지층구조로부터 해양퇴적물 표면까지의 CO₂의 거동 및 해양환경으로의 누출에 대한 다양한 지질학적 시나리오와 주변 생태계에 대한 관련 자료가 부족하기 때문에 CO₂의 누출로 인한 해양환경 위해성에 대한 평가는 여전히 CCS 프로젝트를 진행하거나 계획하고 있는 많은 지역에서 불완전하다고 평가되고 있다는 것이다(Hall-Spencer and Allen[2015]).

3.2 심해환경 조건에서의 생물영향평가의 필요성

Bonnail et al.[2021]은 CO₂의 누출이 발생할 수 있는 심해 환경에서 생물, 생태계에 대한 다양한 환경변화의 영향을 평가하기 위한 높은 압력과 낮은 수온을 모사할 수 있는 모사생태계인 메조코즘을 활용한 연구를 수행하였다. 연구에 활용된 메조코즘은 티타늄 재질로 높은 수압을 견딜 수 있으며, 29 atm(수심 약 290 m의 수압 조건) 수준의 압력을 구현하여 누출된 CO₂에 의한 생물 영향을 평가하였다. 탄산염계 교란에 의한 영향을 확인하기 위해 석회화 생물인 이매패류를 이용하였으며, 중탄산이온의 농도 및 퇴적물에서의 주요 원소(Mg, Na, Ca 등)를 측정하여 CO₂로 인한 탄산염계 시스템의 변화가 생물에 어떤 영향을 미치는 지를 추적하였다. 심해 환경의 수압 조건과 인위적인 CO₂ 누출로 산성화(pH 6.9) 환경을 구현하여 생물 영향을 평가한 것은 실제 CO₂의 해양지중저장이 진행되는 심해환경에서 발생할 수 있는 현실적인 누출시나리오를 기반으로 연구한 것으로 평가받고 있다.

CO₂의 누출로 인해 초래되는 해수와 저서퇴적층의 산성화는 다양한 생물과 복잡한 생태계 구조에 영향을 미칠 것이다(Walther et al.[2002]). 상대적으로 깊은 수심의 지층구조에 저장되는 CO₂의 누출에 의해 발생할 수 있는 생태위해성에 현실적인 누출 및 생물/생태계 노출 시나리오 기반의 연구를 위해 다양한 접근방식의 연구가 시도되고 있다. 누출 이전의 생태계 및 환경에 대한 배경자료를 확보하기 위한 장기 모니터링, 누출이 발생하는 경우, CO₂의 확산 범위, 농도 분포를 예측하기 위한 수치모델 등은 CO₂에 의한 해수의 산성화 정도와 범위를 예측할 수 있다면, 예측되는 누출 시나리오를 기반으로 심해환경 조건을 구현하여 연구하는 조작실험(메조코즘) 등이 깊은 수심의 저서생물 또는 생태계에 대한 영향을 정확하게 평가하기 위해 활용되고 있다(Stewart et al.[2013]). CO₂ 누출에 의한 생물, 생태계에 대한 영향을 가장 직접적으로 시험할 수 있는 방법 중 가장 선호되는 방식은 누출이 발생했을 때 예상되는 CO₂ 농도 조건에 생물을 노출하여 영향의 정도를 확인하는 것이다. 이런 유형의 연구에는 상대적으로 작은 규모의 실내 실험을 비롯해서 수십 또는 수백 리터 규모의 수조를 활용하여 생태계 복잡성을 구현한 메조코즘 시스템 등이 포함될 수 있다(Fig. 2). 특히, 소규모의 실내 실험 결과를 바탕으로 CO₂ 누출에 의한 영향을 예측하는데 있어서 한계를 극복하고 생물, 생태계와 관련된 해양환경 변화의 잠재적 결과를 이해하기 위해 다양한 규모에서 생태계의 복잡성을 모사한 메조코즘을 활용한 연구는 최근 다양하게 시도되고 있다(Riebesell et al.[2008]; Connell et al.[2013]; Barry et al.[2017]). 복잡한 생태계를 모사하여 실험하는 메조코즘을 활용한 연구는 노출되는 환경에 서식하는 다양한 생물 간의 상호 작용 또는 생물과 환경과의 상호작용을 연구할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 이러한 상호작용은 시간적으로 매우 짧은 범위와 상당한 규모의 수조 부피에 해당하는 공간적 범위에서 발생하고 있으므로 적절하게 관찰하고 분석할 수 있어야 한다. 하지만 메조코즘을 활용한 연구라 하더라도 상대적으로 짧은 단기적 변동성의 영향을 정량화하는 것은 용이할 수 있지만(Wernberg et al.[2012]), 장기적인 변화를 바탕으로 방향성의 변화와 이로 인한 잠재적 영향을 예측하는 것은 훨씬 더 복잡한 문제가 될 것이다(Stewart et al.[2013]).

Fig. 2.

As the scale of experiments increase from simple laboratory experiments to complex whole ecosystem manipulations, greater realism results but control over experimental conditions declines. (modified from Petersen et al.[2009]).

예상하지 못한 CO₂의 누출과 같은 환경스트레스 요인에 대한 생물, 생태계의 영향을 연구하는데 있어서 일반적으로 적용되는 방법은 실내에서 인위적으로 환경스트레스의 강도 또는 세기를 조절하여 생물을 노출시키는 것이며, 시간과 공간의 제약을 극복할 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 방식은 (1) 예측되는 환경 스트레스의 강도와 세기 등과 같은 조건의 조작, (2) 가설 입증을 위한 반복 가능한 시험, (3) 환경스트레스에 대한 생물 개체군의 영향 평가, (4) 실제 영향 예측 개선을 위한 많은 자료의 획득 등을 위해 선호된다(Petersen et al.[2009]). 소규모 실내 연구가 갖는 시험생물과 환경조건의 분리와 같은 인위적 특성과 관련된 단점이 있지만, 환경스트레스 요인의 잠재적 영향에 대한 초기 통찰력을 제공할 수 있다는 장점을 갖는 것이 특징이다(Hendriks et al.[2010]; Wernberg et al.[2012]). 이에 반해, 실외에서 대형 수조를 활용하여 복잡한 생태계를 모사한 메조코즘을 활용하는 연구는 환경 조건을 조작하고 면밀하게 모니터링할 수 있지만, 실내에서 수행되는 연구보다 자연 환경조건에 더 가깝게 설계되어야 한다는 단점을 가진다. 생태계의 복잡성을 구현하고 다양한 생물종을 투입하여 상호작용을 관찰할 수 있는 메조코즘을 활용하는 연구는 환경조건의 구현이 제한된 소규모 실내 실험과 비교하여 전혀 다른 추론 데이터를 생성한다. 또한 인과관계를 분명하게 밝히기 어려운 현장기반의 모니터링 연구를 병행함으로서 환경스트레스의 영향을 추정하기 위한 실험방법 사이의 차이를 극복할 수 있는 잠재적으로 강력한 도구로서 활용될 수 있다는 장점을 가지기 때문에 많이 활용되는 방식이다(Riebesell et al.[2012]; Stewart et al.[2013]). 특히, 메조코즘을 활용한 연구는 시험생물에 대한 고려를 기반으로 예측하는 것이 문제가 되는 생물 종간의 경쟁 또는 환경과의 상호 작용 등과 같은 핵심 과정에 의해 매개되는 간접적인 효과를 평가할 수 있기 때문에 상호 작용하는 다양한 생물종에 대한 고려를 필요로 하는 경우에 특히 유용한 것으로 알려져 있다(Connell et al.[2011]; Falkenberg et al.[2016]; Poore et al.[2013]).

4. 심해환경을 모사한 메조코즘 활용 연구

메조코즘은 복잡한 자연환경을 모사한 실험 방식으로 생태계 영향을 종합적으로 이해하기 위해 군집 또는 개체군 수준에서 환경 변화에 의한 생물군의 반응을 살펴보는 실험을 수행하는 것이다. 따라서 메조코즘을 활용한 연구는 기존 개체군의 실내 계대 배양으로 단일 종에 대한 반응이나 영향 정도를 단편적으로 평가하는 단점을 극복하고, 군집 또는 개체군 내에서 다른 종과의 되먹임(feedback)으로 인한 영향, 군집 구조나 기능의 단계적 변화 등을 파악할 수 있는 장점이 있다(Shim et al.[2013]). 또한, 생물과 환경사이의 복합적인 상호작용을 이해하기 위해 활용될 수 있다. 현장관측이나 다양한 특성의 환경스트레스에 대해 생물/생태계의 반응을 관찰하는 연구에서 발생하는 고유한 문제와 한계 때문에 해양과 같은 수서생태계에 대한 연구에서 특히 많이 활용하는 방법이다. 해양산성화 연구에서 메조코즘을 활용한 연구는 동물 또는 식물플랑크톤, 소형 무척추동물 등 하위영양단계 생물을 대상으로 한 사례가 있을 뿐, 대형 무척추동물 또는 어류와 같은 상위영양단계 생물을 대상으로 한 경우는 거의 알려진 바가 없다(Engel et al.[2005]; Kim et al.[2006]; Allgaier et al.[2008]; Riebesell et al.[2008]). 이는 하위영양단계 생물에 미치는 환경요인은 상대적으로 단순하여 메조코즘 실험의 유지가 상대적으로 용이한 반면, 상위영양단계 생물은 다양한 환경요인에 영향과 복잡한 생리반응으로 인해 해수의 산성화 영향만을 파악하기 위한 환경조건의 조성 및 유지의 어려움 때문인 것으로 보인다(Shim et al.[2013]).

메조코즘을 활용하는 연구는 연안환경에서 복잡한 외해 환경으로 확장하여 개방된 수역의 핵심 생태계와 생지화학적 영역에 대한 연구를 가능하게 한다. 해양환경에 대한 설정과 복잡한 생태계 유형을 다양하게 선택하여 연구할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이라 할 수 있다. 메조코즘의 규모를 키우면, 동물플랑크톤과 같은 소형 유영생물을 포함하여 척추동물과 같은 상위 영양단계의 생물을 대상으로 한 실험까지 확장할 수 있다. 실내 또는 실외와 관계없이 복잡한 생태계를 모사하는 메조코즘 활용 연구 결과는 환경위해 요인에 의한 교란이 발생하는 실제 현장에서 나타나는 결과를 예측할 때 고려해야 하는 제약 조건이 있지만, 환경조건을 임의적으로 조절할 수 있다는 장점 때문에 심해 저서생태계에서 발생하는 CO₂의 누출과 같이 직접적으로 접근하여 관찰하기 어려운 환경조건의 생태계에 대한 영향과 전 지구적 규모의 환경 변화에 따른 잠재적 영향을 연구하기 위해 최근 여러 연구에서 활용되고 있다(Stewart et al.[2013]).

CO₂ 누출에 의한 심해 저서생태계의 영향을 평가하기 위해 메조코즘을 활용한다면 현실적인 누출 시나리오 기반으로 심해 생물과 생물학적 군집의 생리, 행동 반응을 측정할 수 있어야 한다. 해양생태계에 CO₂ 누출에 의한 장기적인 영향을 평가할 수 있는 기회는 자연적인 CO₂ 유출 현장(natural analog)을 활용하거나(Hall-Spencer et al.[2008]), 인위적으로 CO₂ 누출을 모사할 수 있는 설비를 구축하여 얕은 수심의 해저면에 누출을 모사하여 연구될 수 있다(Kita et al.[2015]). CO₂ 누출에 따른 해수 화학, 해양 생태계 및 지화학적 순환 등 광범위한 변화를 평가하기 위한 연구는 (1) 실제 누출이 발생할 수 있는 현장의 생태계와 지화학적 순환에 대한 영향, (2) 메조코즘을 활용하여 실제 누출이 발생하는 상황을 모사하여 서식하는 생물, 생태계의 반응을 평가, (3) 모사생태계 연구와 결합된 생지화학적 생태계 모델링 등이 필요할 것이다. 현재까지 CO₂ 누출로 인한 해양환경 변화에 따른 생물영향에 대한 연구 결과들은 생물학적 반응의 민감도, 강도 및 다양한 생물의 수명에 대한 고려 등에 대해 불확실성을 고려할 때, 대부분의 경우 누출이 발생하는 상당한 범위의 저서생태계 규모 및 생지화학적 모델을 통합하여 평가하는 것은 한정된 예측력을 가질 것으로 판단된다. CO₂ 누출 시나리오를 바탕으로 노출 농도, 범위, 조건의 변화 등을 조절하여 실험하는 메조코즘 기반의 조작 실험(manipulative experiment)은 생물 개체에 대한 반응부터 생태계 교란과 관련된 연구에 이르기까지 다양한 규모로 실행될 수 있다. 메조코즘을 활용하여 생산된 연구 결과에 대한 신중한 검토, 다양한 메조코즘 규모에서 실행한 연구 결과의 상호 비교 및 다양한 유형의 메조코즘 활용을 위한 접근법의 개발 등이 보완되어야 할 것이다. 중규모 이상의 생태계 모사 메조코즘을 활용하여 CO₂ 누출에 대한 생물, 생태계 연구에서는 다음과 같은 부분이 충분히 고려되어야 한다.

1) 메조코즘에 노출되는 시험생물과 생태계 준비 과정에서의 환경 교란을 최대한 방지해야 한다. 시험을 위한 해수를 채우는 과정(예: 펌프를 사용하거나, 염분 조절을 위해 담수와 혼합하는 과정)에서 내부에서 발생 가능한 강한 해수 유동으로 인해 의도하지 않은 교란이 발생할 수 있다. 또한, CO₂ 주입을 위한 폭기 과정이 상당한 교란을 일으킬 수 있으며, 기체의 폭기를 통해 해수에 용해된 유기물이 응집할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 해수를 채우는 과정은 세균의 증식을 유도할 수 있으며, 새로운 해수에 노출되는 생물은 그 자체로 스트레스를 받을 수 있다. 메조코즘 내부에 있는 해수의 수질 조건(수온, 염분, pH, 알칼리도 등)을 확인하는 것은 필요한 과정이지만, 의도한 환경조건을 조성하기 위한 과정에서 발생하는 환경 교란은 최대한 방지해야 한다.

2) 시험생물이 메조코즘에서 노출된 후 적절한 순치 과정을 거칠 수 있도록 충분한 시간을 포함하여 실험 기간을 고려해야 한다. 노출되는 환경 조건의 설정 및 조성 과정에서 시험생물이 스트레스를 받지 않도록 하거나, 적응에 충분한 시간이 주어져야 한다. 특히 생물의 어린 유생시기 또는 초기 생활사에 대한 영향을 종말점(endpoint)로 하는 경우, 발달에 있어서 중요하고 민감한 단계를 포함하고 있으므로 상대적으로 장기간의 실험기간이 필요할 수 있다. 메조코즘 연구의 특성상 유수식(flow-through)이 아닌 지수식(static)으로 운용되기 때문에 이와 관련된 부작용(예: 난류 및 상하층의 혼합, 내부 해수의 순환 등)이 증가함에 따라 시간이 경과할수록 자연 상태와 비교하여 점점 더 편차가 발생할 수 있을 것으로 예측되기 때문에 충분한 실험 기간을 고려해야 한다.

3) 메조코즘 연구 결과의 비교 가능성을 보장하려면 적절한 시험 수행 지침과 가이드라인을 작성하여 이를 준수하는 것이 매우 중요하다. 메조코즘을 활용한 연구결과를 실제 자연 생태계에서 발생 가능한 결과로 추정하기 위한 외삽 및 시험하고자 하는 특정 생태계 군집에 대한 최적의 메조코즘 크기, 폐쇄형 또는 개방형 시스템, 운영 절차에 대한 부분이 사전에 명확하게 정의되어야 한다(Campbell et al.[1999]; Giddings et al.[2002]). De Jong et al.[2008]은 생태위해성평가를 위한 메조코즘 활용 연구에서 준수하여야 할 기본 원칙과 진행과정에서 참고할 지침을 제시하고 있다.

5. 결 론

메조코즘을 활용한 연구는 해수에서 CO₂ 농도 증가에 따른 생태계 변화 및 생물영향을 관찰하는데 있어서 다양한 정보를 제공할 수 있는 연구방법으로 최근 많이 활용되고 있다(Engel et al.[2004], [2005]; Delille et al.[2005]; Grosart et al.[2006]). 예상되는 몇 가지 한계에도 불구하고, 복잡한 생태 환경을 모사할 수 있는 메조코즘을 활용한 연구는 CO₂를 비롯하여 유해물질과 같은 환경위해 요인이 생물 또는 생태계에 미치는 영향을 밝히는 효과적인 도구로서 활용되어 실내 실험과 현장관측 사이의 불일치를 조화시킬 수 있을 것이다.

해양퇴적물 지층구조에서 CO₂가 누출되면 생물에게 독성 영향 및/또는 생리적 손상을 줄 수 있지만, 그 영향의 크기는 해수의 산성화에 비례할 것으로 예측된다. CO₂ 누출과 관련된 생태위해성을 평가하기 위해 다양한 연구가 수행되었지만 다양한 생물과 저서생태계의 적응 전략에 대한 효과 또는 영향을 명확하게 밝히는 결과는 여전히 충분하지 않은 것으로 보인다. 해양지중저장 해역에서 잠재적인 CO₂ 누출로 인한 노출, 위험 및 손상에 대한 지식 격차를 채우는 것은 신뢰할 수 있는 환경위해성평가에서 매우 중요하다. CO₂ 노출에 의한 생물영향을 평가하는 실내 실험을 활용한 기존의 연구는 단순화시킨 독성실험으로는 실제 자연 환경에서 일어날 수 있는 다양한 생물학적, 물리학적 및 화학적인 상호관계를 반영한 생물영향평가에는 한계가 있다. 하지만 복잡한 생태 환경을 모사한 메조코즘을 활용한 연구는 장기적으로 많은 인력과 비용이 필요한 현장관측을 진행하기 전에 생물, 생태계 영향을 가늠 할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20214710100060).

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