Identification of Nitrogen Source using CSIA-AAs in the Pacific Arctic Ocean

Abstract

생지화학적 과정에서 발생하는 분별작용의 원리와 상위영양단계 생물의 질소안정동위원소비(𝛅15N)가 질소원으로부터 영양 단계만큼 무거워지는 원리를 이용하여 해양에서 𝛅15N 분석은 생지화학적 순환과 먹이망을 파악하는데 매우 유용하게 사용되고 있다. 질소는 태평양 북극해에서 일차생산자를 제한하는 요인으로서 작용하는 것으로 알려져 있기 때문에, 태평양 북극해에서의 질소의 순환을 파악하는 것은 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 태평양 북극해의 동물플랑크톤의 𝛅15N와 동물플랑크톤의 아미노산 𝛅15N를 분자 수준 화합물의 동위원소 분석법 (Compound Specific Isotope Analysis of Amino Acids, CSIA-AAs)을 이용하여 배경 질소안정동위원소비(𝛅15NBaseline)를 추정하고 질소원을 파악하고자 하였다. 또한 북극해에서는 다양한 기원의 서로 다른 수괴가 영향을 주고 있는 해역으로, 질소원이 수괴에 따라 다를 수 있기 때문에 연구 정점에서 대서양, 태평양, 천수, 융빙수 각 수괴의 기여도를 염분과 산소안정동위원소비를 분석하여 파악하였다. 베링해와 척치해에서는 태평양 여름수로 구성되어있는 것을 확인하였으며, 위도가 증가함에 따라 수괴 내의 질산염의 농도가 급격하게 감소하면서 𝛅15NBaseline가 1.0‰에서 7.8‰로 무거워지는 것을 확인하였다. 질산염의 농도와 𝛅15NBaseline의 상관관계를 accumulated product equation에 대입하여 확인한 결과 상관관계가 매우 높았으며, 이러한 결과는 베링해에서 공급된 질산염이 베링해협을 지나 척치해로 해류가 이동하면서 일차생산자가 가벼운 질산염을 우선적으로 사용하는 분별작용이 일어났기 때문에 𝛅15NBaseline가 무거워 진 것으로 해석할 수 있었다. 척치해 내의 연구 정점 중 가장 위도가 높은 세 정점은 태평양 겨울수와 담수의 영향을 받은 수괴로 이루어져 있었으며, 𝛅15NBaseline가 6.5±0.2‰로 척치해의 질소원인 베링해의 질산염의 𝛅15N와 유사한 값을 보였다. 북극해 내에서는 표층부터 수심이 깊어질수록 담수의 영향을 받은 수괴, 태평양 겨울수, 약 100~150m 이상 수심에서는 대서양수로 이루어져있었으며, 유광층 내의 질산염은 모두 결핍되어 있었다. 𝛅15NBaseline으로 연구 정점을 동시베리아해와 가까운 서쪽 (8.0‰, n=1), 중앙 (6.3±0.6‰, n=14), 버퍼트해와 가까운 남쪽 (8.4±0.3‰, n=3)으로 구분할 수 있었다. 북극해 연구해역의 중앙 정점은 북척치해의 𝛅15NBaseline와 유사한 값을 가졌기 때문에 질소원이 북척치해와 크게 다르지 않을 것으로 예상된다. 동시베리아해와 가까운 서쪽 정점은 질산염과 인산염의 비율을 확인할 수 있는 N* (-15) 값과 용존 산소 농도가 다른 정점에 비해 낮은 것 보아 탈질산화의 영향을 받아 𝛅15NBaseline 가 다른 정점에 비해 무거운 값을 보였다고 추정하였다. 버퍼트해와 가까운 동쪽 정점들은 선행 연구에서 조사된 버퍼트해의 질산염 𝛅15N와 유사한 값을 보였으므로, 버퍼트 자이어에 의해 공급된 질산염의 영향을 받았을 것으로 추정된다. 본 연구는 질산염이 매우 결핍되어 있는 태평양 북극해에서 유기물로서 생태계에 전달된 질소의 기원을 추정한 것에 매우 의미가 있으며 대양의 질소 순환을 파악하는 유용한 도구로서 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다.; The nitrogen isotope (δ15N) analysis has been used as tool for understanding nitrogen biogeochemical cycle and food web in the ocean, because δ15N reflect the isotope fractionation caused by biogeochemical processes, and also higher trophic position organisms have the enriched δ15N isotope value derived from δ15N of sources. Meanwhile, nitrogen is known as bio-limiting element in the Pacific Arctic Ocean, thus understanding nitrogen source is important in this area. This study estimated baseline of δ15N (δ15NBaseline) from Calanus spp. using Compound Specific Isotope Analysis of Amino Acids (CSIA-AAs) for understanding nitrogen source in the Pacific Arctic Ocean. In this study, proportions of water masses (Pacific Water, Atlantic Water, Meteoric Water, and Sea Ice Meltwater) based on oxygen isotope (δ18O) of seawater showed different δ15NBaseline value. In the Bering Sea and Chukchi Sea, δ15NBaseline ranged from 1.0‰ to 7.8‰ is highly correlated with nitrate concentration in water column. This result could be considered as closed system in which δ15N of nitrate should be affected by utilization until nitrate completely depleted. In northern Chukchi Sea, δ15NBaseline was 6.5±0.2‰ (n=3). In the Pacific Arctic Ocean, the study areas are divided as central (6.3±0.6‰, n=14), western (8.0‰, n=1), and eastern (8.4±0.3‰, n=3) parts by δ15NBaseline distribution. δ15NBaseline in central study area was similar value with northern Chukchi Sea that nitrogen source in both area could be same. δ15NBaseline in western (near by East Siberian Sea) and eastern (east of the Chukchi Plateau) regions of study area were 8.3±0.4‰ (n=4) which was the highest value in the Pacific Arctic Ocean, but the high isotope value in both regions might be due to different nitrate sources which have been influenced by the effect of remineralization and denitrification. In the present study, the determination of δ15NBaseline using CSIA-AAs could explain the nitrogen sources among different locations. These results can provide useful information to understand nitrogen source for pelagic ecosystem in the Pacific Arctic Ocean.