서남극 아문젠해에서 용존 유기물의 형광 특성을 이용한 남극순환 심층수 추적 및 용존 유기탄소 거동 이해

Abstract

최근 급격한 빙붕 소멸이 관측되고 있는 서남극 아문젠해에서 형광 용존 유기물질을 이용하여 빙붕 소멸의 원인으로 알려진 남극순환 심층수를 추적하고, 용존 유기탄소의 거동을 파악하기 위해 2018년 1월 15일부터 2월 2일까지 아문젠해 30개 정점에서 해수 시료를 채취하였다. 평행요인분석 결과 형광 용존 유기물질은 휴믹계 (humic-like), 트립토판계 (tryptophan-like)와 단백질계 (protein-like) 형광 용존 유기물질로 구분되었다. 휴믹계 형광 용존 유기물질은 남극순환 심층수가 뚜렷하게 나타나는 외양의 400 m 이상 저층에서 매우 높은 강도 (>0.020 R.U.)로 나타났다. 남극순환 심층수는 해저 지형을 따라 빙붕 인근으로 이동하면서 겨울수와 혼합되어 변형된 남극순환 심층수의 형태로 존재하는데, 변형된 남극순환 심층수에서도 휴믹계 형광 용존 유기물질은 0.018 R.U. 이상의 높은 강도를 보였다. 또한 휴믹계 형광 용존 유기물질의 강도는 염분 ("y = 0.01x - 0.31," R^2 "=0.67,p < 0.001)" 과 양의 상관관계를 가지는 것을 통해 아문젠해 휴믹계 형광 용존 유기물질이 수괴 혼합에 보존적인 거동을 가지는 것을 확인하였다. 빙붕 인근 정점에서 트립토판계 형광 용존 유기물질과 단백질계 형광 용존 유기물질은 각각 0.04 R.U.과 0.03 R.U. 이상의 높은 강도를 가지는 것으로 확인되었다. 빙붕 인근 정점에서 총 성분의 형광 강도에 대한 단백질계 성분의 형광 강도의 비 또한 70 % 이상으로 높게 나타났으며, 생물학적 활성도를 나타내는 지표인 생물학적 지표 또한 1.2 이상으로 나타났다. 이는 빙붕 인근 정점에서 높은 강도로 존재하는 트립토판계 및 단백질계 형광 용존 유기물질이 빙붕에 존재하는 생물의 활동에 의해 생성되었으며, 빙붕으로 유입된 고온, 고염의 남극순환 심층수가 융빙을 야기함에 따라 트립토판계 및 단백질계 형광 용존 유기물질이 해수 중으로 공급되었음을 시사한다. 또한 해당 정점에서 용존 유기탄소의 농도는 40 µM C 이하로 낮게 나타난 것은 융빙 과정에서 해수 중으로 생물학적으로 이용 가능한 용존 유기탄소가 박테리아에 의해 소모되었을 가능성을 시사한다. 이를 통해 본 연구 해역에서 휴믹계 형광 용존 유기물질은 남극순환 심층수를 추적하는데 유용한 화학적 추적자로서 이용될 가능성이 있음을 확인하였으며, 트립토판계 및 단백질계 형광 용존 유기물질은 빙붕 인근에서 용존 유기탄소의 거동을 이해하는데 활용될 수 있을 것으로 판단하였다.

To trace the Circumpolar Deep Water (CDW) and understand of Dissolved Organic Carbon (DOC) behavior using fluorescent dissolved organic matter (FDOM) in the Amundsen Sea, undergoing the rapid melting of ice shelf due to intrusion of the warm CDW, samples were collected between 15 January and 2 February 2018. Parallel factor analysis (PARAFAC) identified three components: humic-like (C1), tryptophan-like (C2) and protein-like (C3) FDOM. The relatively high fluorescence intensities of humic-like FDOM (>0.020 R.U) were observed at depths greater than 400 m in the oceanic area, distributed the pure CDW. The modified CDW (mCDW) also had higher fluorescence intensities of humic-like FDOM than 0.018 R.U. Also, there was a significant positive correlation between fluorescence intensities of humic-like FDOM and salinity ("y = 0.01x - 0.31," R^2 "=0.67,p < 0.001)" . These results, that humic-like FDOM had a conservative behavior in water mass mixing, showed that humic-like FDOM can be used as a chemical tracer for CDW. The fluorescence intensities of tryptophan-like and protein-like FDOM in the Dotson Ice Shelf (DIS) were much higher than in the oceanic area and the sea ice zone. The ratio of the fluorescence intensity of the protein-like component to the fluorescence intensity of the total component was higher than 70%, and the biological index, which is an indicator of biological activity, was also higher than 1.2 near the DIS. This results suggests that high intensities of tryptophan-like and protein-like FDOM near the DIS were produced by activities of organisms in the ice shelf, and released into seawater due to the ice shelf melting from CDW intrusion into the DIS. In addition, the low concentration of DOC below 40 µM C at the DIS and polynya, located at a pathway of CDW outflow, suggests that bio-available DOC released from ice shelf could be rapidly consumed by bacteria. Our study shows that fluorescence property of the humic-like FDOM can be used as a tracer for CDW, and the properties of the tryptophan-like and protein-like FDOM are useful to understand DOC behavior in the Amundsen Sea, Antarctic Ocean.