암흑 산소

암흑 산소 생성(dark oxygen production, DOP)은 빛에 의존하는 산소발생 광합성과 무관한 과정을 통해 분자 산소(O₂)가 생성되는 현상을 지칭한다. 지구 상의 산소 대부분은 식물과 광합성 활성 미생물에 의한 광합성을 통해 생성되지만, DOP는 다양한 비생물적 및 생물적 과정을 통해 발생하며, 암흑의 무산소 환경에서 호기성 대사를 지원할 수 있다.

비생물적 DOP

비생물적 DOP는 다음과 같은 여러 메커니즘을 통해 발생할 수 있다.

• 물의 방사선 분해: 이 과정은 일반적으로 대수층과 같은 어두운 지질 생태계에서 발생하며, 주변 암석의 방사성 원소 붕괴로 인해 물 분자가 분해되어 O₂가 생성된다.^[1]방사선 붕괴가 암흑산소 생성의 주요원인으로 꼽힌 사레는 아직 매우 드물다.
• 표면 결합 라디칼의 산화: 석영과 같은 규소 함유 광물의 표면에서, 표면 결합 라디칼이 산화되어 O₂ 생성에 기여할 수 있다.^[2][3][4]

O₂의 직접적인 형성 외에도, 이러한 과정들은 종종 수산화 라디칼(OH^•), 초과산화물(O₂^•-), 과산화수소(H₂O₂)와 같은 활성 산소종(reactive oxygen species, ROS)을 생성한다. 이러한 ROS는 초과산화물 불균등화효소와 카탈레이스 같은 효소를 통해 생물학적으로, 또는 제일철과 다른 환원된 금속들과의 반응을 통해 비생물학적으로 O₂와 물로 전환될 수 있다.^[5][6]

생물적 DOP

생물적 DOP는 미생물들이 다음과 같은 특정 미생물 과정을 통해 수행한다.

• 아염소산염 불균등화: 이는 아염소산염(ClO₂^-)을 O₂와 염화물 이온으로 불균등화하는 과정이다.^[7]
• 일산화질소 불균등화: 이는 일산화질소(NO)를 O₂와 질소 가스(N₂) 또는 아산화질소(N₂O)로 불균등화하는 과정이다.^[8][9][10]
• 메탄오박틴을 통한 물 분해: 메탄오박틴은 물 분자를 분해하여 O₂를 생성할 수 있다.^[11]

이러한 과정들은 미생물 군집이 산소가 부족한 환경에서도 호기성 대사를 유지할 수 있게 한다.

실험적 증거

쿡 제도 해안의 망간 단괴 층

최근 연구들은 다양한 지질학적 및 지하 환경에서 DOP에 대한 설득력 있는 증거를 제시하고 있다.

• 지하수 생태계: 이전에 무산소 상태라고 가정되었던 오래된 지하수에서 용존 산소 농도가 측정되었다. 이러한 O₂의 존재는 암흑 산소를 생성할 수 있는 미생물 군집과 물의 방사선 분해에 기인한 것으로 여겨진다. 메타게놈 분석과 산소 동위원소 연구는 대기와의 혼합보다는 국지적 산소 생성을 더욱 뒷받침한다.^[12]
• 해저 환경: DOP의 증거는 심해저, 특히 다금속 단괴가 풍부한 지역에서도 제시되었다. 이러한 단괴들은 해수 전기분해를 일으킬 수 있는 충분한 전류를 생성하여 O₂ 생성을 초래한다고 제안되었다.^[13]

함의

DOP는 다양한 경로를 가지고 있음에도 불구하고, 전통적으로 지구 시스템에서 무시할 만한 수준으로 여겨져 왔다. 그러나 최근의 증거들은 어둡고 겉보기에 무산소 상태인 환경에서 O₂가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 큰 규모로 생성되고 소비되고 있음을 시사하며, 이는 전 지구적 생지화학적 순환에 중요한 함의를 지닌다.^[14][15]