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기술자들은 더 나은 비료기술과 쓰레기 포집 및 재활용 기술을 통해 질소순환의 균형을 맞추는데 일조 할 수 있을 것이다. 질소가 지구온난화와 직접적으로 연관되어 있지는 않지만, 화석연료 연소로 인한 환경적 결과를 극복하는 것이 중요한 도전거리 인 것처럼 질소순환관리의 변화도 기술자들에게는 매우 중요한 도전거리이다. ■ 왜 질소순환이 중요한가? 질소순환은 식량생산에서 중심적인 역할을 수행함으로서 에너지 수요 측면에서 우리에게 있어 좀 더 친숙한 기술이다. 식물이 식량을 만들기 위해 공기를 포함한 환경으로부터 질소를 추출하는 것처럼, 질소순환은 지구 및 생명의 화학이 일어나는 메커니즘 중 하나이다. 이러한 점에서 지구 질소순환에서 농업의 효과를 관리하는 것이 지속발전을 위해 중요한 도전거리가 되고 있다. 질소는 아미노산의 중요한 구성성분이고 뉴클레오티드(핵산(DNA, RNA)의 기본 단위)이며, 결과적으로 모든 생명체에 필요한 구성성분이다. 운좋게 질소의 공급은 무한대이다. 질소는 공기의 주요 성분으로, 두개의 질소 원자로 구성된 질소분자 형태로 대기에서 4/5 정도를 차지하고 있다. 그러나 불행하게도 분자가 쉽게 화학적 반응을 할 수 없기 때문에, 이러한 질소는 생명체가 쉽게 이용할 수 없다. 자연 상태에서 질소를 쪼개는 것은 벼락규모의 에너지를 필요로 하거나, 특정한 미생물 형태의 전문화된 화학적 능력을 필요로 한다. 이러한 미생물들은 일반적으로 토양에 살며, 때로는 특정 식물 뿌리의 공생기에서 살기도 한다. 미생물은 환경으로부터 질소를 변환시키기 위해 효소를 활용하고, 식물은 고정이라는 과정에서 질소를 영양소로 사용한다. 식물은 이러한 고정질소를 식물과 동물 모두에게 매우 필수적인 다양한 분자형태에서 탄소와 결합된 형태로 유기적 질소로 전환한다. 이러한 과정과 반대되는 것이 탈질소과정으로 이는 생물체가 질소 영양분을 에너지 원천으로 사용하고, 순환을 완전히 끝낸 질소분자를 공기에 되돌리는 과정을 의미한다. 또한 탈질소과정은 또한 대기 중에 공해물질인 질소 부산물을 생산한다. ■ 지금 질소순환에서 무엇이 문제인가? 최근까지 미생물에 의한 질소고정(부가적인 작은 양의 번개와 더불어)은 질소가 환경으로부터 생물체로 가는 유일한 방법이었다. 그러나 인간에 대한 추가적인 질소영양소의 생산은 인간 활동으로 인한 질소고정의 반 이상을 차지하는 화학비료와 더불어 자연 질소순환을 파괴하고 있다. 다른 대부분의 질소고정은 질소고정 미생물에게 매력적인 숙주이면서 성장에 필요한 토양을 풍족하게 하는 콩, 자주개자리 등을 포함한 콩과식물로부터 나온다. 세 번째는 연료가 연소하면서 발생하는 질소산화물이다(공기가 더울 때 질소분자는 서로 분리된다.). 이러한 인간의 활동으로 고정질소의 양은 산업시대 이전 수준보다 양은 두 배가 되고 있다. 이로 인한 결과로는 온난화효과의 악화, 오존층의 감소, 스모그 추가, 산성비 증가, 식수 오염 등이 있다. ■ 질소순환을 왜 걱정해야 하는가? 암모니아 공장은 온도 및 압력을 활용하여 미생물 질소고정 효소 기술을 보충하는데, 매년 대기로부터 거의 1억 미터톤 이상을 추출한다. 이러한 인간 활동에 의해 대기로부터 없어지는 질소는 일련의 심각한 환경문제를 야기한다. 농경지에 뿌리는 화학비료가 잠재적인 온난화 가스인 질소산화물의 주요 원천이다. 하나의 질소산화물 분자는 가장 많은 온난화 가스인 이산화탄소 분자보다 200배 이상 효율적으로 열을 증류한다. 또한 질소산화물은 물속에서 쉽게 용해되지 않고 다른 화학물 등과 작용하는 것을 저항하기 때문에 질소산화물은 공기중에 오래 남아 있다. 그 결과 질소산화물은 성층권에 도달하게 되고, 이로 인해 햇빛이 질소산화물을 뚫고 침투하는 지구 오존층을 파괴하는 일련의 반응에 있어 주요 연결고리가 되고 있다. 동시에 다른 고정된 질소 가스가 낮은 대기에서 오존을 생산하는데 기여하는 화학비료로부터 나온다. 이와 같은 반응이 있는 질소는 우리가 숨을 쉴 때 심각한 심장 질환과 호흡기 질환을 초래하는 에어로솔의 생산을 초래할 수 있다. 그러나 여타 공해 문제, 산성비는 화학비료의 질소산화물에 의해 부분적으로 더욱 촉발된다. 땅을 비옥하게 하는 과정에 적용되는 질소의 다른 형태는 아질산 이온으로 수질공해문제를 더욱 악화시킨다. 식수에서 높은 질산염 농도는 청색증과 같은 건강에 문제를 직접적으로 일으킨다. 질소고정이 탈질소작용에 의해 균형이 이루어질 때까지, 초과 고정질소의 양은 전세계적으로 생태계와 국민들의 건강에 필연적인 결과를 초래하면서 계속 끊임없이 증가할 것이다라고 프린스턴 대학의 로버트 스코로우는 주장했다. ■ 기술자들은 무엇을 할 수 있는가? 추가적인 환경 붕되 없이 미래에 지속적인 식량공급을 유지하기 위해서는 질소순환의 인간 환경파괴를 다시 복구할 수 있는 구체적인 방법이 필요하다. 지난 40년동안, 식량생산은 매우 높은 산출이 가능한 새로운 식량의 개발과 화학비료의 지원 덕분에 인구 증가율과 보조를 같이 맞추면서 증가하였다. 탈질소작용을 증가시키기 위한 전략은 고정질소의 추가 축적을 감소시키는데 일조할 것이다. 그러나 질소산화물, N2O, 온난화가스가 아니라 질소 분자를 창출하는 것이 기술자들에게 있어 도전거리가 될 것이다. 또한 연료 고온 연소시 발생하는 질소산화물을 좀 더 철저하게 통제하는 기술에 초점을 맞춰야 한다. 기술자의 기술혁신을 위한 주된 니즈는 화학비료를 만드는 것에서부터 음식물 쓰레기를 재활용하는 것에까지 질소와 관련된 다양한 인간 활동에 효율성을 향상시키는 것이다. 현재, 농업 활동에 의해 생산되는 고정질소의 반 정도가 실제적으로 수확된 경작물까지 이르고, 이러한 경작물에 포함된 질소의 반 정도가 최종적으로 인간이 소비하는 음식에까지 이르고 있다. 다른 말로 표현하면, 고정 질소는 농경지에서부터 사육장, 하수처리 장치에까지 생태계 시스템의 다양한 단계에서 누설되고 있다. 기술자들은 이러한 누설지점을 확인하고 이를 막기 위한 시스템을 개발할 필요가 있다. 예를 들어, 화학비료를 좀 더 효율적으로 활용하기 위한 기술은 화학비료의 많은 부분이 유기질소로서 식물에 남아있도록 보장할 것이다. 다른 기술혁신은 흘림, 침출, 부식 등을 줄여 질소 화학비료의 대부분을 식물, 지하수, 표층수로부터 멀어지게 하는데 일조할 수 있을 것이다. 또 다른 기술혁신은 토양 및 수질시스템으로부터 가스 방출을 감소하는데 초점을 맞출 있을 것이다. 효율성 획득은 유기 쓰레기를 재활용하는데서 찾을 수 있다. 거름비료는 항상 효과적인 비료로 간주되어 왔으나, 가축사육장, 착유장과 농경지, 경작지와의 거리가 멀어 거름비료의 운송을 매우 비싸게 만들었다. 그런데, 비료와 음식물쓰레기는 메탄, 질소산화물과 같은 잠재적인 온난화가스의 원천으로서의 역할을 하는 등 스스로의 환경문제를 안고 있다. 기술자들의 도전거리는 활용 가능한 목적으로 이러한 가스들을 포획하는 방법들을 발견하는 것과 비료를 성장촉진효과가 있는 유기적 비료로 전환하는 방법들을 발견하는 것을 포함한다. 쓰레기로부터 나오는 온난화와 가스방출을 감소시키는 통합적인 방법에 초점을 맞추고 경제적으로 매력적인 비료의 잠재성을 향상시키는데 초점을 맞추는 해결책을 강구해야 한다. 질소순환문제를 인지하는데 있어 전문가들은 반드시 화학비료와 농업은 전 세계적으로 식량생산을 촉진하는데 가장 핵심적인 역할을 수행하고, 세계 많은 지역의 대량 기아를 막는데 일조한다는 것을 반드시 기억해야 한다. 질소순환으로 인한 농업 파괴를 완화시키기 위한 노력은 식량 비용의 증가를 초래하는 노력일 수도 있으나, 이러한 단계는 빈곤한 삶을 사는 사람들을 줄이고자 하는 노력과 병행하여 추진해야 할 것이다. |
