마리아나해구 연구에서 오염은 어떻게 막을까? 초심해 시료의 오염 통제 방법

마리아나해구에서 가져온 퇴적물이나 바닷물, 생물 시료는 지구에서 가장 접근하기 어려운 환경의 정보를 담고 있습니다.

하지만 수심 1만 미터 부근에서 어렵게 시료를 채취했다고 해서 그 안에서 발견된 모든 물질이 반드시 마리아나해구에서 온 것이라고 단정할 수는 없습니다.

탐사장비에 묻어 있던 물질, 연구선의 공기와 바닷물, 연구자의 피부에서 떨어진 미생물, 시료를 담는 용기, 실험실 시약 등 다양한 경로를 통해 외부 물질이 섞일 수 있기 때문입니다.

특히 DNA와 미생물, 미량금속처럼 극소량의 물질을 분석하는 연구에서는 아주 작은 오염도 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

그래서 현대의 초심해 연구에서는 시료를 채취하는 기술만큼이나 오염을 방지하고 오염 여부를 확인하는 과정이 중요합니다.

이번 글에서는 마리아나해구 연구에서 어떤 오염이 발생할 수 있으며 연구자들이 이를 어떻게 구분하고 통제하는지 살펴보겠습니다.

심해 시료에서 말하는 ‘오염’이란 무엇일까?

과학 연구에서 오염(contamination)은 분석하려는 시료에 원래 존재하지 않았던 외부 물질이 들어가는 것을 의미합니다.

예를 들어 마리아나해구 퇴적물에서 특정 미생물의 DNA가 검출됐다고 가정해보겠습니다.

그 DNA가 실제 해구 퇴적물에 살던 미생물에서 나온 것이라면 중요한 연구자료가 됩니다.

하지만 채취장비나 실험도구에 묻어 있던 미생물이 시료에 들어간 것이라면 전혀 다른 의미가 됩니다.

따라서 중요한 것은 단순히 무엇인가를 ‘검출했다’는 사실이 아니라 그 신호가 실제 심해환경에서 나온 것인지 확인하는 것입니다.

오염은 연구실에서만 발생하는 것이 아니다

오염이라고 하면 흔히 연구실에서 실험하다가 다른 물질이 섞이는 상황을 생각하기 쉽습니다.

하지만 심해 연구에서는 탐사를 시작하기 전부터 오염 가능성을 고려해야 합니다.

ROV나 잠수정의 시료채취 장비, 코어러, 바닷물 채수기, 시료통 등이 이미 외부 물질을 가지고 있다면 채취 순간부터 시료가 오염될 수 있습니다.

또 시료를 연구선으로 가져온 뒤 분류하고 나누는 과정에서도 새로운 오염원이 생길 수 있습니다.

따라서 심해 연구의 오염 관리는 채취 → 회수 → 처리 → 보존 → 운송 → 실험실 분석의 전체 과정에서 이루어져야 합니다.

첫 번째 오염원은 탐사장비 자체다

ROV와 잠수정은 한 번만 사용하는 장비가 아닙니다.

여러 번의 잠수를 반복하면서 해수와 퇴적물, 생물 등에 접촉합니다.

시료를 잡는 매니퓰레이터나 시료통에 이전 잠수에서 나온 물질이 남아 있다면 다음 시료에 영향을 줄 가능성이 있습니다.

그래서 연구 목적에 따라 시료와 직접 접촉하는 부분을 세척하거나 별도의 깨끗한 채취용기를 사용합니다.

미생물이나 분자생물학 연구처럼 오염에 특히 민감한 경우에는 멸균된 도구와 용기를 준비하는 것이 더욱 중요합니다.

서로 다른 시료끼리 섞이는 교차오염도 문제다

한 번의 심해 탐사에서는 여러 종류의 시료를 연속해서 채취할 수 있습니다.

이때 첫 번째 시료의 일부가 채취도구에 남아 두 번째 시료에 섞이면 교차오염(cross-contamination)이 발생할 수 있습니다.

특히 미생물 DNA를 분석하는 연구에서는 매우 적은 양의 세포나 DNA만 이동해도 검출될 가능성이 있습니다.

따라서 연구자는 시료 사이에 장비를 세척하거나 서로 다른 도구를 사용하고 시료를 개별 용기에 보관하는 등의 방법을 사용합니다.

연구자의 손도 오염원이 될 수 있다

사람의 피부에는 수많은 미생물이 존재합니다.

따라서 심해 미생물을 분석하는 시료를 맨손으로 다룬다면 사람에게서 유래한 세포와 DNA가 시료에 들어갈 수 있습니다.

연구자는 연구 목적에 따라 장갑을 착용하고 멸균된 도구를 사용하며 작업 중 장갑을 교체하기도 합니다.

특히 DNA 분석용 시료는 다른 시료보다 더 엄격한 오염 관리가 필요할 수 있습니다.

시료에 극소량의 인간 DNA가 들어가더라도 현대의 고감도 분석장비가 이를 검출할 수 있기 때문입니다.

연구선의 공기도 완전히 깨끗하지 않다

연구선 내부에는 사람과 장비가 계속 움직이고 있습니다.

공기 중에는 먼지와 섬유, 피부에서 떨어진 입자와 미생물이 존재할 수 있습니다.

따라서 매우 민감한 시료를 열린 용기에 오랫동안 노출하면 공기 중 입자가 들어갈 가능성이 있습니다.

연구자는 시료를 필요한 시간만 개방하고 가능한 한 신속하게 분할한 뒤 밀폐된 용기에 보관합니다.

분석 목적에 따라 더욱 청정한 작업공간이 필요한 경우도 있습니다.

플라스틱 연구에서는 장비 자체가 연구 대상과 비슷한 물질을 내놓을 수 있다

마리아나해구에서는 미세플라스틱을 포함한 인공 오염물질에 대한 연구도 이루어지고 있습니다.

이런 연구에서는 일반적인 생물학 연구와 다른 종류의 오염 문제가 발생합니다.

연구자의 옷에서 떨어진 합성섬유나 플라스틱 장비에서 나온 작은 조각이 시료에 들어가면 실제 심해에서 발견된 미세플라스틱과 혼동될 수 있기 때문입니다.

따라서 미세플라스틱 연구에서는 사용하는 용기와 필터, 의류와 실험환경 자체가 중요한 관리 대상이 됩니다.

즉 무엇을 분석하느냐에 따라 오염 관리 방법도 달라져야 합니다.

미량금속 연구에서는 금속 장비도 문제가 될 수 있다

철, 구리, 아연, 납과 같은 미량금속을 분석하는 연구에서는 매우 낮은 농도의 원소를 측정하기도 합니다.

이때 금속으로 만들어진 채취장비나 실험도구에서 미량의 금속이 녹아 나오면 분석 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 미량원소 연구에서는 연구 목적에 맞는 재질의 용기를 사용하고 산세척 등 특별한 세척절차를 적용하기도 합니다.

시료에 포함된 물질뿐 아니라 시료와 접촉한 모든 재료를 고려해야 하는 이유입니다.

DNA 연구에서는 왜 오염 문제가 특히 심각할까?

현대의 DNA 분석기술은 매우 적은 양의 유전물질도 검출할 수 있습니다.

이것은 희귀한 심해 생물을 연구할 때 큰 장점이지만 동시에 오염에도 민감하다는 뜻입니다.

예를 들어 환경 DNA(eDNA) 연구에서는 바닷물이나 퇴적물에 남아 있는 아주 작은 DNA 조각을 분석합니다.

실험실에서 이전에 분석했던 시료의 DNA가 극소량 남아 있거나 연구자가 사용하는 장비에 DNA가 묻어 있다면 분석 과정에서 함께 검출될 수 있습니다.

따라서 DNA 분석에서는 오염을 막는 것뿐 아니라 오염이 발생했는지 확인할 수 있는 실험설계가 중요합니다.

‘음성 대조군’은 오염을 찾아내는 중요한 방법이다

연구자들은 오염 여부를 확인하기 위해 음성 대조군(negative control)을 사용할 수 있습니다.

예를 들어 실제 심해 시료 대신 DNA가 들어 있지 않아야 하는 깨끗한 물이나 시약을 동일한 추출·분석 과정에 통과시킬 수 있습니다.

정상적이라면 음성 대조군에서는 연구 대상의 DNA 신호가 나타나지 않아야 합니다.

그런데 실제 시료와 음성 대조군에서 같은 미생물 DNA가 검출된다면 연구자는 실험과정에서 오염이 발생했을 가능성을 조사해야 합니다.

이처럼 대조군은 눈에 보이지 않는 오염을 확인하는 일종의 감시 장치 역할을 합니다.

현장 블랭크와 실험실 블랭크는 역할이 다르다

오염이 어느 단계에서 발생했는지를 알아내려면 여러 종류의 대조 시료가 필요할 수 있습니다.

현장 블랭크(field blank)는 실제 탐사와 시료 처리 과정에서 외부 오염이 들어오는지를 확인하는 데 사용됩니다.

반면 실험실 블랭크(laboratory blank) 또는 추출 블랭크는 DNA 추출이나 화학분석 과정에서 시약과 장비 등에 의해 오염이 발생했는지를 확인하는 데 도움이 됩니다.

이러한 대조군을 함께 분석하면 문제가 발생했을 때 오염이 현장에서 들어왔는지 실험실에서 들어왔는지를 추적하는 데 도움이 됩니다.

시료의 바깥쪽과 안쪽을 구분하기도 한다

퇴적물 코어를 생각해보면 코어의 가장 바깥쪽은 채취관이나 주변 해수와 직접 접촉할 가능성이 상대적으로 높습니다.

따라서 오염에 민감한 분석에서는 시료의 외부와 내부를 구분해 처리할 수 있습니다.

특히 미생물 연구에서는 가능한 한 오염 가능성이 낮은 내부 부분을 선택해 분석하는 전략이 사용될 수 있습니다.

어떤 부분을 분석했는지를 정확히 기록하는 것도 중요합니다.

압력 변화와 오염은 서로 다른 문제다

마리아나해구의 시료가 수면으로 올라오면 압력이 급격하게 낮아집니다.

이 과정에서 생물의 생리상태나 미생물 활동, 용존가스와 일부 화학적 특성이 변할 수 있습니다.

하지만 이것은 외부 물질이 들어가는 ‘오염’과는 다른 문제입니다.

즉 심해 시료 연구에서는 두 가지를 구분해야 합니다.

첫째는 외부 물질이 들어가는 오염이고, 둘째는 채취 이후 환경조건이 바뀌면서 시료 자체가 변하는 현상입니다.

좋은 실험설계는 두 문제를 모두 고려해야 합니다.

시료를 빠르게 보존하는 것도 중요하다

시료가 연구선으로 올라온 뒤 오랫동안 방치되면 미생물이 증식하거나 죽을 수 있고 DNA와 RNA가 분해될 수도 있습니다.

화학성분 역시 산소와 접촉하거나 온도가 변하면서 달라질 수 있습니다.

따라서 연구 목적에 따라 시료를 빠르게 냉장·냉동하거나 에탄올 또는 적절한 고정액에 보존합니다.

이 과정은 오염 방지뿐 아니라 채취 당시의 상태를 최대한 유지하기 위해서도 필요합니다.

시료 번호와 기록 관리도 오염 통제의 일부다

오염 통제는 실험실을 깨끗하게 만드는 것만을 의미하지 않습니다.

각 시료가 언제, 어디에서, 어떤 장비로 채취됐으며 어떤 과정을 거쳤는지를 기록해야 합니다.

이를 통해 특정 장비를 사용한 시료들에서만 이상한 신호가 반복되는지 확인할 수 있습니다.

또 특정 시약이나 처리 과정에서 동일한 문제가 발생했는지도 추적할 수 있습니다.

이러한 기록을 흔히 시료의 chain of custody와 연결해 관리합니다.

정확한 기록이 있어야 문제가 발견됐을 때 원인을 거슬러 올라갈 수 있습니다.

‘검출됐다’와 ‘그곳에 살고 있다’는 같은 뜻이 아니다

마리아나해구 연구를 이해할 때 특히 중요한 부분입니다.

DNA 분석에서 어떤 생물의 유전물질이 검출됐다고 해서 반드시 그 생물이 그 장소에서 살아 있었다고 즉시 결론 내릴 수는 없습니다.

DNA는 물의 이동이나 침강 입자 등을 통해 다른 장소에서 운반될 수 있고 죽은 생물에서 나온 DNA가 남아 있을 수도 있습니다.

여기에 시료채취와 분석 과정에서의 오염 가능성까지 고려해야 합니다.

따라서 연구자는 DNA 결과를 환경자료, 생물 관찰자료, 대조군과 다른 분석결과를 함께 이용해 해석합니다.

오염을 완전히 0으로 만들 수 있을까?

현실적인 연구에서 모든 오염 가능성을 완전히 0으로 만드는 것은 매우 어렵습니다.

중요한 것은 오염 가능성을 최대한 줄이고 그 영향을 측정하거나 추적할 수 있도록 실험을 설계하는 것입니다.

연구자는 멸균과 세척, 대조군, 반복 분석, 시료 기록 등을 이용해 결과의 신뢰도를 평가합니다.

즉 과학적인 오염 통제는 단순히 ‘깨끗하게 작업했다’는 주장이 아니라 외부 오염이 결과에 얼마나 영향을 주었는지 검증할 수 있도록 만드는 과정입니다.

마리아나해구에서는 왜 오염 통제가 더 중요할까?

마리아나해구의 시료는 확보하기가 매우 어렵습니다.

수천 미터에서 1만 미터 이상의 수심까지 장비를 내려야 하고 탐사시간과 비용도 많이 필요합니다.

따라서 한번 확보한 시료가 오염으로 인해 연구가 불가능해지면 같은 조건의 시료를 다시 얻는 것이 쉽지 않습니다.

또 초심해 미생물이나 희귀 생물의 DNA처럼 양이 매우 적은 물질을 연구할 때는 작은 오염도 상대적으로 큰 영향을 줄 수 있습니다.

이 때문에 초심해 탐사에서는 시료의 양보다 시료의 신뢰성을 얼마나 유지했는가가 더 중요할 때도 있습니다.

오염 통제는 새로운 생명체 발견에서도 중요하다

마리아나해구에서는 극한 압력에 적응한 다양한 미생물이 연구되고 있습니다.

만약 기존에 알려지지 않은 DNA 서열이 발견된다면 새로운 미생물이나 유전적 다양성을 보여주는 중요한 단서가 될 수 있습니다.

하지만 새로운 발견일수록 오염 가능성을 더욱 엄격하게 검토해야 합니다.

같은 결과가 반복되는지, 음성 대조군에서는 검출되지 않는지, 다른 분석방법에서도 비슷한 결과가 나오는지 등을 확인해야 합니다.

이러한 검증과정을 거쳐야 새로운 발견의 과학적 신뢰성이 높아집니다.

결국 중요한 것은 ‘어디에서 나온 신호인가’를 밝히는 것이다

마리아나해구 연구에서 오염 통제의 핵심은 단순합니다.

분석장비가 어떤 물질을 검출했을 때 그 신호가 실제 마리아나해구에서 나온 것인지 아니면 탐사와 분석 과정에서 들어온 것인지 구분하는 것입니다.

이를 위해 연구자는 시료채취 장비와 용기를 관리하고 시료를 빠르게 보존하며 현장과 실험실의 대조군을 함께 분석합니다.

그리고 모든 처리과정을 기록해 문제가 발생했을 때 원인을 추적할 수 있도록 합니다.

이러한 과정은 눈에 잘 보이지 않지만 심해 연구 결과의 신뢰성을 결정하는 핵심적인 과학 절차입니다.

자주 묻는 질문

마리아나해구에서 가져온 시료도 오염될 수 있나요?

그렇습니다. 채취장비와 시료용기, 연구선 환경, 연구자, 실험도구와 시약 등 여러 경로를 통해 외부 물질이 들어갈 수 있습니다. 따라서 시료를 확보한 순간부터 실험이 끝날 때까지 오염 관리가 필요합니다.

DNA 분석에서는 왜 오염에 더 민감한가요?

현대의 분자생물학 분석기술은 매우 적은 양의 DNA도 검출할 수 있기 때문입니다. 장점인 동시에 극소량의 외부 DNA까지 검출할 가능성이 있어 대조군과 엄격한 시료 처리가 중요합니다.

음성 대조군이란 무엇인가요?

연구 대상 DNA나 물질이 없어야 하는 시료를 실제 시료와 비슷한 과정으로 처리하는 것입니다. 음성 대조군에서도 같은 신호가 나타난다면 실험과정의 오염 가능성을 조사할 수 있습니다.

미세플라스틱 연구도 오염 관리가 필요한가요?

매우 중요합니다. 연구자의 옷에서 떨어진 합성섬유나 플라스틱 장비에서 나온 입자가 실제 환경 시료와 섞일 수 있기 때문에 연구환경과 사용 재료까지 관리해야 합니다.

오염이 조금이라도 발견되면 연구 전체가 무효인가요?

반드시 그런 것은 아닙니다. 어떤 종류의 오염이 어느 단계에서 얼마나 발생했는지를 확인하고 대조군과 반복 분석 등을 이용해 결과에 미친 영향을 평가하는 것이 중요합니다.

마무리

마리아나해구에서 시료를 채취하는 것은 기술적으로 매우 어려운 작업이지만 시료를 확보했다고 해서 연구가 끝나는 것은 아닙니다.

탐사장비에서 시작해 연구선과 보존용기, 실험실과 분석장비에 이르기까지 다양한 경로에서 외부 물질이 시료에 들어갈 가능성이 있습니다.

특히 미생물 DNA와 환경 DNA, 미량금속, 미세플라스틱처럼 극소량의 물질을 측정하는 연구에서는 작은 오염도 결과의 해석을 바꿀 수 있습니다.

그래서 연구자들은 장비 세척과 멸균, 개별 시료 관리, 현장 블랭크와 실험실 블랭크, 음성 대조군, 반복 분석과 체계적인 시료 기록을 이용합니다.

과학적으로 중요한 것은 단순히 어떤 물질을 발견했다는 사실이 아닙니다.

그 물질이 정말 마리아나해구에서 나온 것임을 얼마나 신뢰성 있게 입증할 수 있는가가 중요합니다.

그리고 이러한 오염 통제 기술은 다음 단계인 마리아나해구 생물과 환경 DNA 분석의 신뢰도를 결정하는 기본 조건이 됩니다.

참고자료

Nunoura, T. et al. (2015). Hadal biosphere: Insight into the microbial ecosystem in the deepest ocean on Earth. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(11), E1230–E1236.

Jamieson, A. J. et al. (2017). Bioaccumulation of persistent organic pollutants in the deepest ocean fauna. Nature Ecology & Evolution, 1, 0051.

Peng, X. et al. (2018). Microplastics contaminate the deepest part of the world’s ocean. Geochemical Perspectives Letters, 9, 1–5.

Salter, I. et al. (2019). Marine plastic pollution: A ubiquitous challenge for the Anthropocene.

NOAA Ocean Exploration. Deep-Sea Sampling and Sample Processing Resources.

National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Strategies for preventing forward contamination during ocean and environmental sampling.