이 발견이 있기 전까지는 햇빛 없이는 산소를 생산할 수 없다고 믿었습니다
노스웨스턴 대학의 화학자를 포함한 국제 연구팀은 심해 해저의 금속 광물이 표면 아래 13,000피트에서 산소를 생산한다는 것을 발견했습니다.
이 놀라운 발견은 식물과 조류와 같은 광합성 유기체만이 지구의 산소를 생성한다는 오랜 가정에 도전합니다. 빛이 투과할 수 없는 해저에서도 산소(dark oxygen)가 생성되어 완전한 어둠 속에서 산소를 호흡하는(호기성) 해양 생물을 지탱할 수 있는 것으로 보입니다.
이 연구는 '심해 해저에서 암흑 산소 생산의 증거(Evidence of dark oxygen production at the abysmal seafloor)'라는 제목으로 네이처 지오사이언스(Nature Geoscience) 저널 7월 22일 자에 게재되었습니다.
스코틀랜드 해양과학협회(SAMS)의 앤드류 스위트맨(Andrew Sweetman)은 태평양에서 선박 기반 현장 조사를 수행하던 중 "암흑 산소"를 발견했습니다. 노스웨스턴대학의 프란츠 가이거(Franz Geiger)는 전기화학 실험을 주도했는데, 이 실험은 이 발견을 설명할 수 있을 것으로 보입니다.
"지구에서 호기성 생명체가 시작되려면 산소가 있어야 했고, 우리는 지구의 산소 공급이 광합성 유기체에서 시작되었다고 이해해 왔습니다."라고 SAMS의 해저 생태학 및 생지화학 연구 그룹을 이끌고 있는 스위트맨은 말했습니다. "그러나 우리는 이제 빛이 없는 심해에서 산소가 생성된다는 것을 알고 있습니다. 따라서 우리는 다음과 같은 질문을 다시 살펴볼 필요가 있다고 생각합니다. 유산소 생활은 어디에서 시작될 수 있었을까요?"
해저에 형성되는 천연 광물 퇴적물인 폴리메탈릭 결절(Polymetallic nodules)이 이번 발견의 핵심입니다. 다양한 미네랄이 혼합된 이 결절은 작은 입자와 평균 감자 크기 사이입니다.
"산소를 생성하는 다금속 결절에는 코발트, 니켈, 구리, 리튬 및 망간과 같은 금속이 포함되어 있으며, 이는 모두 배터리에 사용되는 중요한 요소입니다."라고 연구의 공동 저자인 Geiger는 말했습니다.
"현재 몇몇 대규모 광산 회사들은 해저 10,000 내지 20,000피트 깊이의 해저에서 이러한 귀중한 원소를 추출하는 것을 목표로 하고 있습니다. 우리는 심해 생물을 위한 산소 공급원을 고갈시키지 않기 위해 이러한 물질을 채굴하는 방법을 재고해야 합니다."
가이거는 노스웨스턴 와인버그 예술 과학 대학의 찰스 E. 모리슨과 엠마 H. 모리슨 화학 교수이자 국제 나노기술 연구소 및 폴라 M. 트리에넨스 에너지 및 지속 가능성 연구소의 회원입니다.
'획기적이고 미처 생각하지 못했던 것’
Sweetman은 태평양의 북동쪽 사분면을 따라 거의 4,500마일에 걸쳐 뻗어 있는 해저를 따라 있는 산악 해저 능선인 Clarion-Clipperton Zone의 해저를 샘플링하면서 발견했습니다. 그의 팀이 처음 산소를 감지했을 때, 그는 장비가 고장난 것이 분명하다고 생각했습니다.
"우리가 처음 이 데이터를 얻었을 때, 우리는 센서에 결함이 있다고 생각했습니다. 왜냐하면 지금까지 심해에서 수행된 모든 연구는 산소가 생성되는 것이 아니라 소비되는 것만 보았기 때문입니다."라고 Sweetman은 말했습니다.
"우리는 우리가 사용하던 옵토드 센서와 다르게 작동하는 백업 방법을 사용하기로 결정했습니다. 두 가지 방법 모두 동일한 결과가 나왔을 때, 우리는 우리가 생각지도 못했던 획기적인 것을 하고 있다는 것을 알았습니다."
숨겨진 '지오 배터리'의 활약
2023년 여름, Sweetman은 산소 공급원에 대한 가능한 설명을 논의하기 위해 Geiger에게 연락했습니다. 그의 이전 연구에서 가이거는 녹이 바닷물과 결합될 때 전기를 생산할 수 있다는 것을 발견했습니다. 연구자들은 심해의 다금속 결절이 산소를 생산하기에 충분한 전기를 생성하는지 궁금해했습니다. 이 화학 반응은 물의 산소 원자에서 전자를 빼내는 해수 전기분해라는 과정의 일부입니다.
이 가설을 조사하기 위해, 스위트맨은 해저에서 채취한 수 파운드의 다금속 결절을 노스웨스턴에 있는 가이거의 실험실로 보냈습니다. 스위트먼은 지난해 12월에도 노스웨스턴을 방문해 가이거의 연구실에서 일주일을 보냈습니다.
일반적인 AA 배터리와 동일한 전압인 1.5볼트만으로도 바닷물을 분리할 수 있습니다. 놀랍게도, 연구팀은 단일 결절의 표면에서 최대 0.95볼트의 전압을 기록했습니다. 그리고 여러 개의 결절이 함께 모여 있으면 배터리가 직렬로 연결된 경우와 마찬가지로 전압이 훨씬 더 중요할 수 있습니다.
"우리는 자연적인 'geobattery'를 발견한 것으로 보인다"고 가이거는 말했다. "이 지전지는 바다의 암흑 산소 생산에 대한 가능한 설명의 기초입니다."
채굴자를 위한 새로운 고려 사항
연구원들은 광산업이 심해 채굴 활동을 계획하기 전에 이 발견을 고려해야 한다는 데 동의합니다. 가이거(Geiger)에 따르면, 클라리온-클리퍼턴 존(Clarion-Clipperton Zone)에 있는 다금속 결절의 총 질량만으로도 수십 년 동안 전 세계 에너지 수요를 충족하기에 충분하다고 합니다. 그러나 가이거는 1980년대의 채굴 노력을 경고의 이야기로 보고 있습니다.
가이거는 "2016년과 2017년에 해양생물학자들이 1980년대에 채굴된 현장을 방문했는데 채굴 지역에서 박테리아조차 발견되지 않았다."라고 말했습니다.
"하지만 채굴되지 않은 지역에서는 해양 생물이 번성했습니다. 이러한 '사각지대'가 수십 년 동안 지속되는 이유는 아직 밝혀지지 않았습니다. 그러나 이것은 결절이 풍부한 지역의 해저 동물 다양성이 가장 다양한 열대 우림보다 높기 때문에 해저 채굴 전략에 큰 별표를 던집니다."
이상의 기사는 2024년 7월 22일 Phys.org에 게재된 “Metallic minerals on the deep-ocean floor split water to generate 'dark oxygen,' new study finds”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Metallic minerals on the deep-ocean floor split water to generate 'dark oxygen,' new study finds (phys.org)
* 추가정보 출처 : Evidence of dark oxygen production at the abyssal seafloor | Nature Geoscience
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