인의 순환
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1. 개요
인의 순환은 생물권 내에서 인의 이동을 설명하는 생지화학적 순환 과정이다. 인은 식물과 동물에게 필수적인 영양소로, DNA와 RNA를 구성하고 ATP의 핵심 성분으로 작용하며 뼈와 치아, 세포막, 인체 내 항상성 유지에도 기여한다. 인 순환은 지각 변동과 풍화 작용, 용해 및 이동, 침전 및 매몰의 네 단계를 거치며, 다른 생지화학 순환에 비해 속도가 느리다. 인은 주로 암석과 광물에 존재하며, 풍화 작용을 통해 용해되어 식물에 흡수되고, 동물을 통해 순환하며, 유출수를 통해 해양으로 이동한다. 인간의 활동은 인의 순환에 큰 영향을 미쳐, 인산염 광석 채굴과 비료 사용으로 인해 부영양화와 같은 환경 문제를 야기한다.
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인의 순환 | |
---|---|
개요 | |
![]() | |
순환 과정 | |
주요 저장소 | 암석 퇴적물 |
주요 형태 | 인산염 (PO43−) 인산 (H3PO4) |
관여 과정 | 풍화 작용 흡수 분해 침전 |
인의 순환 상세 | |
설명 | 인의 순환은 인이 생태계 내에서 이동하는 과정임. 대기 중 기체 상태로 존재하지 않기 때문에 다른 주요 생지화학적 순환과는 구별됨. |
주요 저장고 | 인은 주로 암석과 해양 퇴적물 형태로 저장됨. 이러한 저장고에서 인은 풍화 작용과 침식을 통해 서서히 방출되어 토양과 물로 유입됨. |
생물학적 흡수 | 토양이나 물에 용해된 인산염은 식물에 의해 흡수되어 DNA, RNA, ATP와 같은 생체 분자를 구성하는 데 사용됨. 동물은 식물을 섭취하거나 다른 동물을 섭취함으로써 인을 얻음. |
분해 및 반환 | 식물과 동물이 죽으면 분해자에 의해 분해되어 인산염을 토양이나 물로 반환함. 일부 인산염은 물에 용해되어 하천을 통해 바다로 흘러가고, 퇴적물 형태로 해저에 축적됨. |
인간 활동의 영향 | 비료 사용, 하수 방류, 광업과 같은 인간 활동은 인의 순환에 큰 영향을 미침. 과도한 인 유입은 부영양화를 유발하여 수질 오염과 생태계 파괴를 초래할 수 있음. |
인의 역할 | |
생물학적 중요성 | 인은 DNA, RNA, ATP와 같은 생체 분자를 구성하는 필수 원소이며, 뼈와 치아를 형성하는 데 중요한 역할 수행. |
제한 요인 | 많은 생태계에서 인은 제한 요인으로 작용하여 생물 성장을 제한할 수 있음. 특히 담수 생태계에서 인 농도는 조류의 성장과 부영양화에 큰 영향 미침. |
인 관련 화합물 | |
인회석 | Ca5(PO4)3(OH,F) |
포스핀 | PH3 |
환경 문제 | |
부영양화 | 과도한 인 유입은 부영양화를 초래하여 조류의 과도한 성장과 산소 고갈을 유발함. 이는 수생 생물의 생존을 위협하고 수질 오염을 심화시킴. |
데드존 | 인과 질소의 과도한 유입은 데드존 형성에 기여함. 데드존은 산소 부족으로 인해 생물이 살 수 없는 지역으로, 해양 생태계에 심각한 피해를 줌. |
2. 인의 생태학적 기능
인은 식물과 동물에게 필수적인 영양소이며, 특히 수생 생태계에서 제한 영양소로 작용한다.[11] 인은 생물권에서 흔히 발견되는 주요 생명 유지 분자의 일부를 구성한다.
인은 인을 포함하는 먼지가 빗물과 해양 스프레이에 용해될 때 매우 적은 양으로 대기 중에 존재하지만, 대부분 육지와 암석 및 토양 광물에 남아 있다. 비료, 하수, 세제 등에 포함된 인산염은 호수와 하천에서 오염을 유발할 수 있다. 담수 및 연안 해역에서 인산염이 과도하게 농축되면 대규모 조류 번식이 발생할 수 있다. 담수에서 이러한 조류 번식은 죽고 부패하면서 부영양화를 일으키는데, 캐나다 실험 호수 지역이 대표적인 예이다.[11] 해수에서의 조류 번식은 주로 과도한 질소에 의해 발생하지만, 부영양화는 담수와 해수 환경 모두에서 인 함량 증가로 인해 발생할 수 있다.[12][13]
자연에서 인은 주로 오르토인산염 이온(PO43−) 형태로 존재하며, 육지에서는 대부분 암석과 광물에서 발견된다. 인이 풍부한 퇴적물은 해양 또는 구아노에서 형성되며, 시간이 지남에 따라 지질학적 과정을 통해 해양 퇴적물이 육지로 이동한다. 암석과 광물의 풍화 작용으로 인해 인은 용해 가능한 형태로 방출되어 식물이 흡수하고 유기 화합물로 전환된다. 이후 식물은 초식 동물에게 섭취될 수 있으며, 인은 동물의 조직에 통합되거나 배설된다. 동물이나 식물이 죽으면 부패하여 인은 토양으로 돌아가고, 인의 상당 부분은 불용성 화합물로 전환된다. 유출수는 소량의 인을 해양으로 운반할 수 있다. 일반적으로 시간이 지남에 따라(수천 년) 토양은 인이 부족해져 생태계 퇴행을 초래할 수 있다.[14]
2. 1. 생물학적 기능
인은 세포 내 에너지 저장소인 ATP로 작용하거나 DNA와 RNA를 형성하는 뉴클레오타이드의 구성 요소라는 점에서 생물학적으로 중요하다.[16] DNA의 이중 나선 구조는 나선을 결합하는 인산 에스터 다리 덕분에 가능하다. 인은 생체 분자를 구성할 뿐만 아니라 뼈와 포유류 치아의 에나멜에서도 발견되며, 이들의 강도는 하이드록시아파타이트 형태의 인산칼슘에서 비롯된다.[16] 또한 곤충의 외골격과 모든 생체막에서 발견되는 인지질에서도 발견된다.[16] 인은 인체 내 산염기 항상성을 유지하는 완충제 역할도 한다.[17]2. 2. 인 순환
인은 암석 풍화, 생물학적 흡수 및 분해, 퇴적 등의 과정을 통해 지구 환경에서 순환한다. 인은 식물과 동물에게 필수적인 영양소이며, 특히 수생 생물에게는 제한 영양소로 작용한다.인은 생물권에서 매우 흔한 중요한 생명 유지 분자의 일부를 형성한다. 인은 인을 포함하는 먼지가 빗물과 해양 스프레이에 용해될 때 매우 적은 양으로 대기 중으로 들어가지만, 주로 육지와 암석 및 토양 광물에 남아 있다. 비료, 하수 및 세제에서 발견되는 인산염은 호수와 개울에서 오염을 일으킬 수 있으며, 담수 및 연안 해역 모두에서 인산염의 과도한 농축은 대규모 조류 번식으로 이어질 수 있다. 담수에서는 이러한 번식의 죽음과 부패가 부영양화로 이어진다. 캐나다 실험 호수 지역이 그 예이다.[11]
자연에서 인은 주로 오르토인산염 이온(PO43−) 형태로 존재하며, 육지에서는 대부분 암석과 광물에서 발견된다. 인이 풍부한 퇴적물은 해양 또는 구아노에서 형성되며, 시간이 지남에 따라 지질 과정이 해양 퇴적물을 육지로 가져온다. 암석과 광물의 풍화 작용은 인을 용해 가능한 형태로 방출하여 식물이 흡수하고 유기 화합물로 변환된다. 식물은 초식 동물에 의해 소비될 수 있으며, 인은 조직에 통합되거나 배설된다. 동물이나 식물이 죽으면 부패하여 인은 토양으로 되돌아가며, 인의 큰 부분은 불용성 화합물로 변환된다. 유출수는 소량의 인을 해양으로 다시 운반할 수 있다. 일반적으로 시간이 지남에 따라(수천 년) 토양은 인이 부족해져 생태계의 퇴행을 초래한다.[14]
인산염은 식물과 동물을 통해 빠르게 이동하지만, 인산염을 토양이나 바다로 이동시키는 과정은 매우 느리며, 인의 순환은 전체적으로 가장 느린 생지화학 순환 중 하나이다.[18][19]
전 지구적 인의 순환은 네 가지 주요 과정을 포함한다.
# 인회석과 같은 인 함유 암석의 지각 변동 및 표면 풍화 노출[20]
# 인 함유 암석의 물리적 침식, 화학적 및 생물학적 풍화 작용을 통해 토양에 용해 및 입자상 인 공급,[21] 호수 및 강
# 다양한 호수로의 인의 강 및 지하 수송 및 해양으로의 유출
# 입자상 인(예: 유기물 및 산화물/탄산염 광물과 관련된 인)의 침전 및 궁극적으로 해양 퇴적물 매몰(이 과정은 호수와 강에서도 발생할 수 있음).[22]
육상 시스템에서 생물학적으로 이용 가능한 P('반응성 P')는 주로 인 함유 암석의 풍화 작용에서 비롯된다. 지각에서 가장 풍부한 1차 인 광물은 인회석이며, 이는 토양 미생물 및 곰팡이에 의해 생성된 자연산 또는 다른 화학적 풍화 반응 및 물리적 침식에 의해 용해될 수 있다.[23] 용해된 인은 육상 유기체 및 식물에 생물학적 이용 가능성이 있으며, 분해 후 토양으로 반환된다. 토양 광물에 의한 인 보유(예: 산성 토양에서 철 및 알루미늄 수산화물에의 흡착 및 중성-석회질 토양에서 방해석에의 침전)는 일반적으로 광물 토양에서 육상 P 생물학적 이용 가능성을 제어하는 가장 중요한 과정으로 간주된다.[24]
토양 인은 일반적으로 강과 호수로 운반된 다음 호수 퇴적물에 매몰되거나 강 유출을 통해 바다로 운반될 수 있다. 대기 인 침전은 또 다른 중요한 해양 인의 공급원이다.[26] 표층 해수에서 용존 무기 인, 주로 정인산염(PO43-)은 식물성 플랑크톤에 의해 동화되어 유기 인 화합물로 변환된다.[22] 식물성 플랑크톤 세포가 용해되면 세포 내 무기 및 유기 인이 주변 환경으로 방출되며, 일부 유기 인 화합물은 박테리아와 식물성 플랑크톤에 의해 합성된 효소에 의해 가수분해되어 이후 동화될 수 있다. 인의 대부분은 물기둥 내에서 재광물화되며, 낙하하는 입자에 의해 심해로 운반되는 약 1%의 관련 인은 퇴적물에 매몰되어 해양 저수지에서 제거된다.
자연에서 지배적인 무기 P 종인 정인산염(PO43-)은 산화 상태(P5+)이지만, 특정 미생물은 포스폰산염 및 아인산염(P3+ 산화 상태)을 정인산염으로 산화시켜 P 공급원으로 사용할 수 있다.[30]
2. 2. 1. 수생 시스템에서의 주요 풀
담수 생태계에서 인은 용존 무기 인(DIP), 용존 유기 인(DOP), 입자상 무기 인(PIP), 입자상 유기 인(POP) 형태로 존재한다. 용액 물질은 0.45 μm 여과지를 통과하는 물질로 정의된다.[15] DIP는 주로 정인산염(PO43-) 및 폴리인산염으로 구성되며, DOP는 DNA 및 인단백질로 구성된다. 입자상은 0.45 μm 필터를 통과하지 못하는 물질이다. POP는 살아있거나 죽은 유기체로, PIP는 주로 하이드록시아파타이트(Ca5(PO4)3OH)로 구성된다.[15] 무기 인은 쉽게 용해되는 정인산염 형태로 존재한다. 입자상 유기 인은 살아있거나 죽은 원형질 현탁액 상태로 존재하며 불용성이다. 용존 유기 인은 배설 및 분해에 의해 입자상 유기 인에서 파생되며 가용성이다.2. 2. 2. 인산염 광물
토양 생태계에서 인의 가용성은 인회석과 같은 인산염 광물의 풍화 속도에 따라 결정된다.[32] 인회석 [Ca5(PO4)3OH]은 탄산화를 겪는다.[18][33] 풍화 작용과 토양 발달의 후반 단계에서 인이 암석으로 침전되면서 유기체가 인을 이용할 수 없게 되기도 한다. 식물은 생화학적 순환에서 죽은 유기물로부터 방출된 인을 빠르게 흡수하여 성장하며, 이는 인의 제한적인 공급을 보충한다.[18][19]균근 곰팡이는 옥살산의 생산과 방출을 통해 식물에 인을 유지하고 공급하는 중요한 역할을 한다.[18][34]
3. 부영양화
인은 담수 및 해양 생태계에서 부영양화를 일으키는 주요 원인 중 하나이다. 부영양화는 수역이 영양분으로 풍부해져 조류 번성, 탈산소화, 어종 감소와 같은 수생태계의 구조적 변화를 초래하는 현상이다. 호수가 노화되면서 질소와 인 같은 주요 제한 시약이 증가하여 자연적으로 발생하기도 한다.[37] 인은 호수로 유입되어 퇴적물과 생물권에 축적될 수 있으며, 퇴적물과 수계에서 재활용되어 환경에 남아있을 수 있다.[38]
인은 자연에서 P 원자와 4개의 산소 원자로 구성된 오르토인산염 이온(PO4)3−의 일부로 가장 풍부하게 존재한다. 육지에서는 대부분 인이 암석과 광물에서 발견된다. 인이 풍부한 퇴적물은 일반적으로 해양 또는 구아노에서 형성되었으며, 시간이 지남에 따라 지질 과정이 해양 퇴적물을 육지로 가져온다.
해양 생태계는 다양한 경로를 통해 인을 모으지만, 주로 인을 함유한 암석의 풍화 작용에서 유래하며, 이는 강수 유출에 의해 용해된 형태로 바다로 운반된다.[42]
부영양화 문제를 완화하기 위한 생물학적 접근법으로 해양 생태계에서 인산염 형태로 인을 효과적으로 저장할 수 있는 ''Candidatus accumulibacter phosphatis''와 같은 인 축적 생물을 사용하는 연구가 진행되고 있다.[47]
3. 1. 담수 부영양화
과도한 인 유입은 담수에서 조류 번식을 유발하며, 이는 수중 산소 부족 및 생태계 파괴로 이어진다. 인산염의 과도한 농축은 대규모 조류 번식으로 이어질 수 있으며, 담수에서 이러한 번식의 죽음과 부패는 부영양화를 유발한다. 캐나다 실험 호수 지역(Canadian Experimental Lakes Area)이 그 예이다.[11]담수 조류 번식은 일반적으로 과도한 인에 의해 발생하며, 해수에서 발생하는 조류 번식은 과도한 질소가 추가될 때 발생하는 경향이 있다.[11] 그러나 부영양화는 담수와 해수 환경 모두에서 인 함량의 급증으로 인해 발생할 수 있다.[11][12][13]
부영양화는 수역이 영양분으로 풍부해지면서 조류 번성, 탈산소화, 어종 감소와 같은 수생태계의 구조적 변화를 초래하는 현상이다. 호수가 노화되면서 질소와 인과 같은 주요 제한 시약의 증가로 인해 더 생산적이게 되는 것처럼 자연적으로 발생하기도 한다.[37] 인위적인 영향으로도 농경지의 비옥한 토양에서 배수와 유출수에서 볼 수 있듯이 인이 수생태계로 유입될 수 있다.[39] 또한, 산림 벌채와 도시화로 인해 발생할 수 있는 토양 침식은 이러한 수생태계에 더 많은 인과 질소를 추가할 수 있다.[40] 이러한 요인들은 순환에 유입되는 인의 양을 증가시켜 담수 시스템에서 과도한 영양분 섭취를 초래하여 조류 개체군의 급격한 성장을 유발한다. 이러한 조류가 죽으면 부패하여 물에서 산소를 고갈시키고 물을 독성화할 수 있다. 이러한 두 가지 영향은 식물이 유독성 물을 흡수하고 동물이 마시면서 식물과 동물의 사망률을 증가시킨다.[41]
3. 2. 해수 부영양화
해양 생태계에서 인은 다양한 경로를 통해 축적되지만, 주로 인을 함유한 암석의 풍화 작용으로 인해 발생하며, 강수 유출에 의해 용해된 형태로 바다로 운반된다.[42] 인간은 인 채굴을 급격하게 늘려 토양 및 해양 시스템의 인 순 저장량을 75% 증가시킨 것으로 추정된다.[43] 이러한 인의 증가는 멕시코만[44]과 발트해[45]에서 관찰되는 무산소 상태를 유발하는 식물 플랑크톤의 번성을 통해 해양 수역에서 더 많은 부영양화를 초래한다.일부 연구에 따르면, 과도한 인으로 인한 부영양화로 무산소 상태가 발생하면 해양 매장량에서 더 많은 인을 방출하는 양성 피드백 루프가 생성되어 문제가 악화된다.[46] 이는 인의 지속적인 회수를 통해 부영양 성장을 계속 안정화시키는 해양 무산소증의 자가 유지 주기를 생성할 수 있다.[46]

3. 2. 1. 습지의 역할
습지는 부영양화 문제를 해결하기 위해 자주 활용된다. 질산염은 습지에서 질소로 변환되어 공기 중으로 배출된다. 인은 습지 토양에 흡착되고, 식물에 의해 흡수된다. 따라서 습지는 질소와 인의 농도를 줄여 부영양화를 완화하는 데 도움이 될 수 있다.[39] 그러나 습지 토양은 제한된 양의 인만 보유할 수 있다. 인을 지속적으로 제거하기 위해서는 잔류 식물 줄기, 잎, 뿌리 잔해, 그리고 죽은 조류, 박테리아, 곰팡이, 무척추동물의 분해되지 않는 부분으로부터 새로운 토양을 습지에 더 추가해야 한다.[39]4. 인간의 영향
영양분은 생물의 성장과 생존에 중요하며, 건강한 생태계를 유지하는 데 필수적이다. 인간은 인산염 광석 채굴과 비료 사용을 통해 인 순환에 큰 영향을 미쳤다. 수천 년 동안 인은 주로 인산염 함유 암석의 풍화를 통해 매우 느리게 환경으로 유입되었다.[48] 1840년대 이후 인 채굴 및 추출 기술이 발전하면서, 약 110 테라그램의 인이 환경에 추가되었다.[49] 1900년부터 2022년까지 전 세계적으로 채굴된 인의 양은 72배 증가했으며,[50] 연간 4%씩 계속 증가할 것으로 예상된다.[49]
연구자들은 미생물을 이용하여 환경에서 인을 더 잘 재활용하는 방법을 연구하고 있다.[52][53] 인간의 활동은 식량 안보, 부영양화 등 인 순환에 광범위한 영향을 미치고 있다.[54]
4. 1. 농업에서의 인 사용
인은 생물의 성장과 생존에 필수적인 영양소이며, 건강한 생태계를 유지하는 데 중요하다. 인간은 인산염 광석 채굴을 통해 인 순환에 큰 영향을 미쳐왔다. 인을 채굴하고 추출하는 기술이 발전하면서 환경에 많은 양의 인이 추가되었다.[49] 1900년부터 2022년까지 전 세계적으로 채굴된 인의 양은 72배 증가했으며,[50] 앞으로도 계속 증가할 것으로 예상된다.[49] 채굴된 인의 대부분은 비료 생산에 사용되지만, 인간의 채굴 속도는 지질 시스템이 회복할 수 있는 속도보다 훨씬 빠르다.[51]
작물에 과도한 액체 돼지 분뇨를 반복적으로 사용하거나, 바이오고형물을 사용하면 토양에서 사용 가능한 인이 증가할 수 있다.[55] 배수가 잘 안 되는 토양에서는 짧은 기간 내에 환원 조건이 형성되어 인 농도가 급격히 증가하고 용출될 수 있다. 또한 토양 환원은 인을 불안정한 형태로 변화시켜 손실 가능성을 높인다.[56]
4. 2. 산업 폐기물 관리
액체 돼지 분뇨를 작물에 과도하게 사용하거나 바이오고형물을 사용하면 토양 내 인의 가용성을 증가시킬 수 있다.[55] 배수가 잘 되지 않거나 눈이 녹아 주기적으로 물이 고이는 지역에서는 7~10일 만에 환원 조건이 될 수 있다. 이는 용액 내 인 농도를 급격하게 증가시키고 인 용출을 유발할 수 있다. 또한, 토양 환원은 인을 안정적인 형태에서 불안정한 형태로 변화시켜 인 손실 가능성을 높인다. 따라서 농업 폐기물 처리가 문제가 되는 지역에서는 환경적으로 건전한 관리가 특히 중요하며, 폐기물 관리 규정을 준비할 때 유기 폐기물 처리에 사용되는 토양 수분 체제를 고려해야 한다.[56]참조
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