심해 무산소층(OMZ) 형성 메커니즘과 질소 순환 변화의 지구생화학적 구조

■ 1. 무산소층(OMZ)의 개념과 전지구적 분포 특성

무산소층(OMZ, Oxygen Minimum Zone)은 해양 중층(주로 200–1000 m 깊이)에 존재하는 저산소·무산소 수괴로, 산소 농도가 극도로 낮아지는 해역을 의미한다. 이러한 구조는 전 세계 모든 해양에 존재하는 것은 아니며, 북태평양 아동부, 북인도양(아라비아해·벵골만), 동태평양 적도 해역에서 가장 강하고 넓게 발달한다. 이들 지역의 공통점은 높은 표층 생산성과 강한 생물학적 산소 소비가 중층에서 동시에 일어난다는 점이다. 표층에서 광합성으로 생산된 유기물은 침강하며, 중층에서 미생물 분해가 활발히 일어나면 산소 소비율이 강해지고, 결과적으로 중층 산소 농도가 급격히 감소한다. 특히 성층이 강해 심층 산소 공급이 억제되면 OMZ가 더욱 확대된다. OMZ는 단순한 산소 저하가 아니라, 생물·화학·물리 과정이 복합적으로 결합된 장기적 해양 구조이다. 최근 관측 결과는 기후변화에 따른 해양 성층 강화와 표층 워밍으로 인해 OMZ의 면적이 수십 년 단위로 확장되고 있으며, 이는 전지구 해양 산소 감소(Ocean Deoxygenation)의 대표적 지표로 간주된다.

■ 2. OMZ 형성을 유도하는 물리·생물학적 요인

OMZ의 형성은 크게 세 가지 요인에 의해 결정된다. 첫째, 높은 표층 생산성이다. 용승 해역이나 생산성이 강한 연안수역에서는 식물플랑크톤이 대규모로 번성하며, 이 유기물은 수층을 따라 침강하며 중층에서 미생물 분해 과정이 집중적으로 일어난다. 이때 미생물은 유기탄소 산화를 위해 산소를 사용하므로, 중층에서 산소 소비가 표층 공급량을 초과하면 산소 고갈이 일어난다. 둘째, 물리적 성층 강화가 OMZ 확대를 촉진한다. 기온 상승은 표층–중층·표층–심층 혼합을 억제하여 산소 공급률을 감소시키며, 특히 열적 성층(temperature-driven stratification)이 강화될수록 산소 공급은 감소한다. 셋째, 해류 순환의 배경 구조이다. 태평양과 인도양은 대서양보다 중층 환기(ventilation)가 약해 침강수의 산소 공급이 제한된다. 반면 대서양은 NADW 순환이 강해 OMZ가 상대적으로 작다. 이처럼 OMZ는 단순한 산소 부족 현상이 아니라, 표층 생산성–중층 미생물 분해–수직 혼합–수괴 순환이 결합된 ‘저산소화 엔진’이다.

■ 3. OMZ가 질소 순환에 미치는 영향: 탈질·아나목스·암모늄 재순환

OMZ는 질소 순환 변화를 일으키는 핵심 해역으로, 질소 손실 과정인 **탈질(denitrification)**과 **아나목스(anammox)**가 집중적으로 일어난다. 산소가 거의 없는 환경에서 미생물은 산소 대신 질산염(NO₃⁻)을 전자수용체로 사용해 질소가스를 형성하는 탈질을 수행한다. 이 과정은 해양 질산염 재고량을 감소시키며, 전지구 질소 예산(N-budget)을 변화시키는 주요 요인이다. 또한 아나목스(anammox, Anaerobic Ammonium Oxidation)는 NH₄⁺와 NO₂⁻를 반응시켜 질소가스(N₂)를 생성하는 무산소 대사 경로로, OMZ에서 특히 활발하다. 이 두 과정은 해양 질소 손실의 약 40–50%를 담당하며, 생산성·탄소 펌프와 직접 연결된다. 한편 OMZ 상부에서는 암모늄(NH₄⁺)이 재순환되며, 질소 고정 미생물이 증가해 표층 질소 재공급을 촉진하기도 한다. 결과적으로 OMZ는 **해양 질소 순환의 균형을 흔드는 ‘질소 원심분리기’**와 같은 역할을 하므로, OMZ 확장은 장기적으로 해양 영양염 재분배·표층 생산성·식물플랑크톤 군집 구조에 중대한 영향을 준다.

■ 4. 기후변화와 OMZ 확장: 미래 해양에 대한 전망

기후변화는 해양 산소포화도 감소·성층 강화·해류 재배치 등을 통해 OMZ 확장을 가속할 것으로 전망된다. 최근 관측된 전지구 산소 감소율은 수십 년 단위로 증가하고 있으며, 일부 모델은 2100년까지 OMZ 면적이 현재 대비 15–30% 확장될 가능성을 제시한다. OMZ 확대는 심해 생태계의 서식지 축소, 아산소·무산소 해역 증가, 어류 이동 경로 변화 등을 유발하며, 이는 전 세계 어업·생태계 안정성에 큰 영향을 줄 수 있다. 질소 순환 측면에서는 탈질·아나목스 증가로 전지구 NO₃⁻ 손실이 커져 일부 해역에서 영양염 제한이 심화될 수 있다. 또한 생물·물리 상호작용이 변화해 탄소펌프의 효율이 재조정되고, 이는 기후 피드백을 더 복잡하게 만든다. 미래 연구는 고해상도 산소 센서, 글라이더 기반 세로 관측, 미생물 유전체 분석을 결합해 OMZ 내부의 화학구조 변동성을 정밀하게 평가하는 방향으로 확장되고 있으며, 이는 기후변화 시대의 해양 질소·탄소 순환 예측에서 필수적 연구 분야로 자리 잡고 있다.