탄소 순환

탄소 순환은 생물권, 암권, 수권, 기권 사이에서 일어나며, 생지화학적 순환의 가장 기본이 된다. 보통 탄소는 암석과 지표 등 암권에 압도적으로 많지만, 실질적으로 순환되는 탄소는 주로 기권에 있기 때문에 공기 중의 탄소에 집중할 필요가 있다. 대기에서 가장 중요한 탄소 저장고는 바로 이산화탄소(CO₂)다. CO₂는 대기의 약 0.032%(약 7000억톤)를 차지하며, 표층수에 탄산 이온(CO₃^2-) 형태로 녹아있는 CO₂(약 5000억톤)와 평형 상태를 이루고 있다. 또한 살아 있는 생물과 죽은 생물에 각각 4500~5000억 톤과 3조 7000억 톤의 탄소가 들어있는 것으로 추정된다. 이상에서 언급한 것들이 바로 활발하게 순환되는 탄소 저장고이다.

모든 생물은 탄수화물과 지방, 단백질 등과 같은 유기화합물의 형태로 많은 양의 탄소를 가지고 있다. 생산자는 광합성과 화학무기영양으로 영양분을 만들어 다른 생명체에게 공급한다. 광합성은 빛 에너지를 받아 식물과 조류 또는 세균에서 당이 만들어지는 과 정이다. 이것을 화학식으로 표현하면 다음과 같다.

포도당은 생명체의 기본 구성 분자이자 생명 활동에 필요한 주 연료이다. 화학무기영양은 특정 세균에만 국한된 매우 독특한 능력으로, 빛 에너지가 아닌 무기화합물 에너지를 이용하여 이산화탄소를 원료로 당을 합성하는 과정이다. 화학무기영양 세균은 심해처럼 빛이 전혀 없는 환경에서 무기화합물에 들어 있는 에너지를 이용하여 이산화탄소를 유기탄소(당류)로 합성한다. 이런 세균들은 생산자로서 해당 생태계의 먹이그물의 중심에 있다.

탄소 순환 과정 (출처: 한국미생물학회)

목차

탄소 순환의 첫 번째 단계는 광합성과 화학무기영양이다. 그 다음 단계에서는 동물을 비롯한 화학종속영양생물이 독립영양생물 자체 또는 독립영양 산물을 먹고, 다시 다른 동물에게 잡아먹히게 된다. 다시 말해서 화학종속영양생물에 의해 독립영양생물에 있던 유기 화합물이 소화되어 다시 합성되는 과정을 거치면서 당초 이산화탄소에 있던 탄소 원자는 한 생명체에서 다른 생명체로 먹이사슬을 따라 전달된다. 생물이 죽으면 미생물이 거기에 있던 유기화합물을 분해하는데, 이 과정에서 유기화합물은 궁극적으로 이산화탄소로 산화되어 다시 탄소 순환에 들어간다.

산소가 없는 환경에서 일어나는 유기물의 분해는 크게 세 단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계는 다양한 세균들이 유기물의 진행하여 이산화탄소와 유기산을 생산한다. 두 번째 단계에 참여하는 세균들은 유기산을 대사하여 아세트산과 같은 저분자량 유기산과 수소, 이산화탄소를 발생시킨다. 세 번째로 메탄생성균이 이런 물질을 원재료로 사용하여 메탄을 만들어낸다. 메탄생성균은 모두 절대 혐기성 고균(Archaea)이며, 보통 수소 가스를 산화하여 에너지를 생산하는 과정에서 이산화탄소를 최종전자수용체로 사용하여 메탄을 만들거나(4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O), 아세트산을 메탄과 이산화탄소를 분해한다(CH₃COOH → CH₄ + CO₂). 아직까지 메탄 생성 능력이 있는 세균은 발견되지 않았다. 메탄생성균은 폐수처리 과정에서도 매우 중요한 역할을 한다.

화석화된 유기 퇴적물의 엄청난 양은 석탄과 석유 같은 화석 연료의 형태로 존재한다. 이런 화석 연료를 태우면 이산화탄소가 발생하여 대기 중 이산화탄소를 빠르게 증가시킨다. 많은 과학자들이 대기 중 이산화탄소의 증가가 지구온난화의 주원인이라고 믿고 있다. 메탄가스도 탄소순환에서 주목해야할 대상이다. 해저 침전물에는 10조 톤에 달하는 메탄이 있는 것으로 추정 되는데, 이는 석탄과 석유를 비롯한 지구 화석 연료 퇴적물의 두 배에 이르는 양이다. 게다가 심해에서는 메탄 생성 세균들이 끊임없이 메탄을 생성하고 있다. 메탄은 이산화탄소보다 훨씬 더 강력한 지구온난화 가스이기 때문에 모든 메탄가스가 대기로 빠져나가게 된다면 지구 환경은 위험한 수준으로 변화될 것이다.

지구 온난화 (출처: GettyimagesKorea)

김응빈/연세대학교

이창로/명지대학교