유기물

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1. 개요
2. 유기물의 형성
3. 자연 생태계에서의 기능
4. 유기물의 순환
5. 토양 유기물
- 5.1. 프라이밍 효과
6. 분해
7. 유기 화학
8. 수생 유기물
- 8.1. 검출
- 8.2. 물 정화
9. 생기론
참조

1. 개요

유기물은 생물체에서 유래하여 분해 과정을 거치는 물질을 의미하며, 토양, 수생 환경 등 다양한 생태계에서 중요한 역할을 한다. 생물체는 유기 화합물로 구성되며, 분해 과정을 통해 유기물을 환경으로 배출하거나, 토양에 축적한다. 토양 유기물은 식물의 성장 조건을 개선하고, 물을 보유하며, 완충제 역할을 하여 pH를 유지하는 데 기여한다. 유기물은 또한 프라이밍 효과를 통해 토양 순환에 영향을 미치며, 분해 과정은 미생물에 의해 촉진된다. 수생 유기물은 용존 유기물과 입자성 유기물로 구분되며, 물 정화 과정에서 검출되고 처리된다.

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유기물
개요
종류	유기 화합물로 구성된 물질
정의	생물체에서 유래되었거나 생물학적 과정에서 생성된 물질
구성	탄소, 수소, 산소, 질소, 인, 황 등의 원소로 구성
예시	탄수화물 단백질 지방 핵산 부식질 리그닌
특징
가변성	다양한 화학적 특성을 가짐
분해성	미생물에 의해 분해될 수 있음
중요성	생태계 기능 및 순환에 필수적
역할
영양소 공급	생물의 성장과 생존에 필요한 영양소 제공
토양 비옥도	토양의 구조와 비옥도 개선
탄소 저장	대기 중 탄소 격리
수질 정화	오염 물질 흡수 및 분해
관련 분야
토양학	토양의 유기물 연구
생태학	생태계 내 유기물 순환 연구
환경 과학	환경 오염 및 정화에서 유기물의 역할 연구
농업	작물 생산에 유기물 사용
추가 정보
자연 유기물 (NOM)	자연 환경에서 발견되는 복잡한 유기 화합물 혼합물
화성 유기물	화성에서 발견된 유기 화합물 (생명체의 존재 가능성 시사)
관련 링크

2. 유기물의 형성

생물체는 유기 화합물로 구성되어 있다. 생물은 생활 과정에서 유기물을 환경으로 분비하거나 배출하고, 잎이나 뿌리와 같은 신체 부위를 탈락시키며, 죽은 후에는 박테리아와 균류의 작용에 의해 분해된다. 이미 분해된 물질의 여러 부분이 중합되어 더 큰 유기물 분자가 형성될 수 있다. 천연 유기물의 조성은 그 기원, 변환 방식, 연령 및 존재하는 환경에 따라 달라지므로, 생물리화학적 기능은 환경에 따라 다르다.^[4]

3. 자연 생태계에서의 기능

유기물은 생태계 전반에 걸쳐 흔하게 존재하며, 영양분 이용에 필수적인 토양 미생물 군집에 의한 분해 과정을 통해 순환된다.^[5] 분해 및 반응 후에는 수류를 통해 토양과 주요 물로 이동할 수 있다. 유기물은 생물에게 영양분을 제공한다. 또한 유기물은 수용액에서 완충제 역할을 하여 환경의 중성 pH를 유지한다. 이러한 완충 작용 성분은 산성비를 중화하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 제안되었다.^[6]

4. 유기물의 순환

지하수가 주변 토양이나 퇴적물을 포화시키면 일부 유기물은 상호 간에 자유롭게 이동할 수 있다. 지하수에는 다음과 같은 천연 유기물의 공급원이 있다.^[7]

케로젠 및 석탄과 같은 유기물 퇴적물.
토양 및 퇴적물 유기물.
강, 호수 및 해양 시스템에서 지하로 침투하는 유기물.

생물체는 유기물로 분해되며, 이후 이동 및 재순환된다. 모든 생물량이 이동하는 것은 아니며, 일부는 정지 상태를 유지하며 수백만 년에 걸쳐서만 순환한다.^[8]

5. 토양 유기물

토양 유기물은 식물, 동물, 미생물에서 유래한다. 숲에서는 낙엽과 목질 재료 등이 숲 바닥에 떨어져 유기물질을 형성한다.^[9] 유기물질이 더 이상 알아볼 수 없을 정도로 부패하면 토양 유기물, 더 이상 분해되지 않는 안정적인 물질로 분해되면 부식이라고 한다. 토양 유기물은 부패하지 않은 물질을 제외한 토양 내 모든 유기물을 포함한다.^[10]

토양 유기물은 토양의 보수력과 양분 보유력을 향상시키고, 양분의 느린 방출을 통해 식물 생장에 좋은 조건을 만들어 준다. 부식은 토양이 서로 달라붙도록 도와 선충류나 미생물이 토양의 영양분을 쉽게 분해하도록 돕는다.^[11]

퇴비, 동식물성 물질/폐기물, 녹비 등을 흙과 섞으면 부식량을 빠르게 늘릴 수 있다. 이러한 물질은 선충류와 박테리아에 영양분을 공급하여 더 많은 부식을 생성하고, 이는 식물이 생존하고 성장하는 데 필요한 영양분을 제공한다.^[11]

토양 유기물은 모든 생태계와 농업에 매우 중요하며, 특히 유기농업에서 중요하게 여겨진다.

5. 1. 프라이밍 효과

프라이밍 효과는 토양 유기물(SOM)의 자연적인 순환 과정에 상대적으로 적은 간섭으로도 강렬한 변화를 일으키는 현상이다.^[12] 이 현상은 일반적으로 신선한 유기물(FOM)의 유입 변화가 펄스형 또는 지속적으로 발생하여 나타난다.^[13] 프라이밍 효과는 FOM 유입과 같은 '촉매'로 인해 광물화가 가속화되는 결과를 초래하는 경우가 많다. 이러한 분해 증가의 원인은 FOM에서 방출되는 에너지와 영양소의 이용 가능성 증가로 인한 미생물 활동 증가로 설명된다. FOM 유입 후에는 특수한 미생물이 빠르게 증식하여 새로 추가된 유기물만 분해하는 것으로 여겨진다.^[14] 이러한 영역에서 SOM의 순환 속도는 토양 전체보다 적어도 10배 이상 빠르다.^[13]

유기물 유입 외에도 토양 순환 속도의 단기 변화를 유발하는 방법으로는 무기 비료 유입, 뿌리에 의한 유기물질 분비, 토양의 기계적 처리 또는 건조 및 재습윤 등이 있다.^[12]

프라이밍 효과는 토양과 첨가된 물질의 반응에 따라 양(+) 또는 음(-)일 수 있다. 양성 프라이밍 효과는 광물화의 가속화를 초래하는 반면, 음성 프라이밍 효과는 고정화를 초래하여 질소 이용 불가능성을 야기한다. 대부분의 변화는 탄소와 질소 풀에서 관찰되었지만, 프라이밍 효과는 인과 황뿐만 아니라 다른 영양소에서도 나타날 수 있다.^[12]

6. 분해

생태계 전반에 걸쳐 흔하게 존재하는 유기물은 영양분 이용에 필수적인 토양 미생물 군집에 의한 분해 과정을 통해 순환된다.^[5] 유기물은 부패하거나 분해 중인 생물학적 물질(예: 부식)이다. 부패 과정에 있는 생물학적 물질을 자세히 살펴보면, 분해(붕괴) 과정에 있는 유기 화합물(생물학적 분자)을 알 수 있다.

토양 분자의 분해는 주로 세균 또는 균류의 효소 촉매 작용에 의해 일어난다. 만약 지구상에 세균이나 균류가 없었다면 분해 과정은 훨씬 느리게 진행되었을 것이다.

유기물의 분해에는 화학적 특성과 기타 환경적 요인을 포함한 다양한 요인이 영향을 미친다. 미생물 군집의 대사 능력은 에너지 이용 가능성 및 처리와 밀접하게 관련되어 분해에 중요한 역할을 한다.^[17] 육상 생태계에서는 토양 유기물의 에너지 상태가 미생물 기질 선호도에 영향을 미치는 것으로 나타났다.^[18] 일부 유기물 풀은 미생물 군집에 에너지 적으로 유리하여 미생물 분해자가 투자하는 에너지에 비해 수익이 적은 다른 풀과 비교하여 빠른 산화와 분해가 일어날 수 있다. 따라서 토양 미생물은 에너지 밀도가 낮은 유기물의 분해를 피하고 고에너지 유기물을 우선적으로 무기화한다.^[19]

7. 유기 화학

유기물 측정은 일반적으로 유기 화합물이나 탄소만을 측정하므로, 과거 생물체 또는 분해된 물질의 양을 근사적으로 나타낼 뿐이다.^[6] 유기물은 이질적이고 매우 복잡하다. 일반적으로 무게에 따라 유기물은 다음과 같이 구성된다.

성분	비율
탄소	45–55%
산소	35–45%
수소	3–5%
질소	1–4%

이러한 화합물의 분자량은 재중합 여부에 따라 200~20,000 amu까지 크게 달라질 수 있다. 존재하는 탄소의 최대 3분의 1은 방향족 화합물에 있으며, 여기서 탄소 원자는 일반적으로 6원자 고리를 형성한다. 이러한 고리는 공명 안정화로 인해 매우 안정적이므로 분해하기 어렵다. 방향족 고리는 또한 다른 전자 주개 또는 전자 받개 물질의 친전자성 및 친핵성 공격을 받기 쉽기 때문에, 더 큰 유기물 분자를 생성하는 중합이 가능하다.

8. 수생 유기물

수생 유기물은 용존 유기물(DOM), 착색 용존 유기물(CDOM) 또는 용존 유기 탄소(DOC)와 입자성 유기물(POM)로 나뉜다. 이들은 일반적으로 0.45 마이크로미터 필터를 통과하는 것(DOM)과 통과하지 못하는 것(POM)으로 구분된다.

8. 1. 검출

유기물은 수처리, 폐수 처리 및 재활용, 자연 수생태계, 양식업, 환경 복원에서 중요한 역할을 한다. 따라서 단기 및 장기 모니터링을 위한 신뢰할 수 있는 검출 및 특성 분석 방법이 중요하다. 유기물을 설명하고 특성을 분석하기 위한 다양한 분석적 검출 방법이 수십 년 동안 존재해 왔다. 여기에는 총 유기 탄소, 용존 유기 탄소, 질량 분석법, 핵자기 공명(NMR) 분광법, 적외선(IR) 분광법, 자외선-가시광선 분광법, 형광 분광법 등이 있으며, 이러한 각 방법은 장단점을 가지고 있다.

8. 2. 물 정화

토양의 수분 유지를 돕는 천연 유기물의 특성은 현재의 정수 방법에 문제를 야기한다. 물속에서 유기물은 여전히 금속 이온과 무기물에 결합할 수 있다. 정수 과정에서 이러한 결합 분자들이 반드시 제거되는 것은 아니지만, 사람, 동물 또는 식물에 해를 끼치지는 않는다. 그러나 유기물의 높은 반응성으로 인해 영양분이 없는 부산물이 생성될 수 있다. 이러한 부산물은 생물 부착(biofouling)을 유발하여, 부산물이 막의 기공 크기보다 크기 때문에 정수 시설의 정수 시스템을 막히게 한다. 이러한 막힘 문제는 염소 소독(염소 소독)으로 처리할 수 있는데, 이는 시스템을 막는 잔류 물질을 분해할 수 있다. 그러나 염소 소독은 소독 부산물(disinfection by-products)을 생성할 수 있다.^[20]

유기물이 포함된 물은 오존을 이용한 라디칼 반응으로 소독할 수 있다. 오존(산소 세 개)은 강력한 산화 특성을 가지고 있다. 오존은 분해될 때 하이드록실(hydroxyl) 라디칼(OH)을 형성하는데, 이것은 유기물과 반응하여 생물 부착 문제를 해결한다.^[21]

9. 생기론

"유기적"이라는 용어는 생명체와 연결되어 있으며, 이는 현재는 폐기된 개념인 생기론에서 비롯된다. 생기론은 생명체만이 유기 물질을 만들어낼 수 있는 특별한 힘을 지니고 있다고 주장했다. 이러한 생각은 프리드리히 뵐러가 1828년 요소를 인공적으로 합성한 이후 처음으로 의문을 제기받았다.

참조

_[1] 웹사이트 Natural Organic Matter http://www.greenfact[...] 2019-07-28
_[2] 웹사이트 NASA Goddard Instrument Makes First Detection of Organic Matter on Mars https://www.nasa.gov[...] NASA 2019-07-28
_[3] 서적 Climate Change Impact on Livestock: Adaptation and Mitigation Springer 2015-03-31
_[4] 서적 Biophysico-Chemical Processes Involving Natural Nonlifiidulfitving Organic Matter in Environmental Systems IUPAC 2006
_[5] 논문 Ecosystem type and resource quality are more important than global change drivers in regulating early stages of litter decomposition 2019
_[6] 간행물 Stochastic Synthesis of Natural Organic Matter UNM, ND, KSU, UNC, USGS 2007-04-22
_[7] 웹사이트 Organic Matter in Ground Water http://water.usgs.go[...] United States Geological Survey 2019-07-28
_[8] 논문 Microbial life under extreme energy limitation 2013
_[9] 웹사이트 Organic Materials https://web.archive.[...] U.S. Environmental Protection Agency 2006-11-19
_[10] 웹사이트 Soil Health Terms https://web.archive.[...]
_[11] 웹사이트 Organic Matter, Green Manures and Cover Crops For Nematode Management http://edis.ifas.ufl[...] University of Florida. The Institute of Food and Agricultural Sciences 2009-10-10
_[12] 논문 Review of mechanisms and quantification of priming effects 2000-10
_[13] 논문 Priming effects: Interactions between living and dead organic matter
_[14] 논문 The priming effect of organic matter: a question of microbial competition?
_[15] 논문 Soil priming by sugar and leaf-litter substrates: A link to microbial groups
_[16] 논문 Priming effect:bridging the gap between terrestrial and aquatic ecology 2010-10
_[17] 논문 Energy use efficiency of soil microorganisms: Driven by carbon recycling and reduction 2023-11
_[18] 논문 A Bioenergetic Framework for Assessing Soil Organic Matter Persistence 2018-09-26
_[19] 논문 The energetic and chemical signatures of persistent soil organic matter http://link.springer[...] 2016-10
_[20] 웹사이트 Topic Snapshot: Natural Organic Material http://www.awwarf.or[...] American Water Works Association Research Foundation 2007-04-22
_[21] 논문 Disinfection of Water Containing Natural Organic Matter by Using Ozone-Initiated Radical Reactions
_[22] 웹사이트 Natural Organic Matter http://www.greenfact[...] 2007-04-22
_[23] 웹사이트 NASA Goddard Instrument Makes First Detection of Organic Matter on Mars https://www.nasa.gov[...] NASA 2015-03-25
_[24] 서적 Climate Change Impact on Livestock: Adaptation and Mitigation Springer

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