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'질산화반응'에 해당되는 글 1

  1. 2012.04.05 온난화, 오존층 파괴 주범은 질소비료(1)

20세기 인류에게 농업혁명을 안겨준 질소비료가 생산한 산화이질소는 태양으로부터 지구를 보호하는 오존층의 파괴 촉매제입니다.

세계 인구 증가에 따른 식량·에너지 문제는 화학비료와 생물연료의 사용을 가속화시킬 것이며, 이로 인해 산화이질소의 배출도 지속적으로 증가될 것입니다.

지금까지 지구온난화와 오존층 파괴의 주범으로 지목되어 온 CFCs(프레온가스)는 많은 노력으로 감소 추세에 있지만, 산화이질소의 경우 산업혁명 이후 지속적인 증가 추세에 있고, 최근에는 더욱 가파르게 상승하고 있습니다.

과학자들은 현재의 증가 추세가 지속된다면 앞으로 산화이질소가 오존층에 입히는 피해는 기존에 알려진 어떤 물질보다도 더 클 것이라고 합니다.

이 산화이질소의 동위원소는 생성과 소멸의 과정을 말해주는 꼬리표입니다.

지구온난화의 주범인 산화이질소의 생성과 소멸 메커니즘을 추적하는 방법이 과학적으로 규명되었습니다.

서울대 박선영 교수팀은 1940년 이후 60여 년 동안 대기 중 산화이질소 동위원소 변화 과정을 추적해 대기 중 산화이질소의 농도 증가가 질소비료 사용에 기인한 것임을 확인했습니다.

또 비료의 사용이 토양 내 미생물의 화학적 반응을 더욱 활성화 시킨다는 사실도 밝혀냈습니다.

그리고 산화이질소 동위원소의 분포가 계절에 따라 주기적으로 변하는 사실도 증명했습니다.

이러한 동위원소 변동성이 갖는 폭과 주기는 산화이질소가 어디서 얼마나 발생하고 분해되었는가를 말해줍니다.

이 변동성은 산화이질소 생성원을 규명하고 오존층이 존재하는 성층권에서 발생하는 광분해 영향 정도를 밝히는 새로운 척도로 평가받고 있습니다.

 

(a):
지난 60년에 걸친 대기 시료의 관측은 산화이질소가 지속적으로 증가하고 있음을 보임
(b-d): 산화이질소 농도의 증가와는 반대로 동위원소 비율(δ로 표기)은 지속적으로 감소하며, 이는 비료 사용으로 토양 내 미생물 작용이 활성화되고, 동위원소 비율이 낮은 산화이질소를 다량 만들어내고 있음을 의미함

(a): 산화이질소 농도의 계절 주기성과 함께
(b-d): 동위원소 분포의 계절 주기성이 밝혀짐. 각 동위원소 계절변동의 크기와 주기는 산화이질소 분해가 일어나는 성층권 공기의 영향과 산화이질소가 만들어지는 토양과 해양의 복합 작용에 의해 결정됨.

 

이번 연구는 서울대 박선영 연구교수(제1저자)가 주도하고 미국 UC Berkeley 및 호주 CSIRO 기후연구센터 연구팀이 참여했습니다.

연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 '네이처'의 자매지 네이처 지구과학(Nature Geoscience) 온라인(3월 11일)에 게재되었습니다.
 (논문명 : Trends and seasonal cycles in the isotopic composition of nitrous oxide since 1940)

호주 Cape Grim의 풍광. 본 연구에서는 이곳에서 매주 채취되어 보관되어온 공기시료를 이용하여 지난 60여 년간의 산화이질소 변화를 추적하였음

 

 용 어 설 명

안정동위원소 :
원자번호는 같지만, 원자핵 내 중성자수의 차이로 원자량이 다른 원소를 동위원소라고 하며, 방사능 붕괴를 하지 않는 동위원소를 특히 안정동위원소라고 부른다.
산화이질소(N2O)의 질소 동위원소는 14N과 15N이며, 산소 동위원소는 16O, 17O와 18O이다.
산화이질소 분자 내 이들 동위원소의 상대적 비는 산화이질소가 관여하는 생물-지구화학 반응에 따라 달라진다.
따라서 동위원소는 산화이질소가 경험하는 생성과 소멸의 순환 기작를 추적하는 꼬리표로 사용될 수 있다.

교토의정서(Kyoto protocol) :
지구 온난화의 규제 및 방지를 목적으로, 1997년 일본 교토에서 지구 온난화 방지 교토 회의(COP3) 제3차 당사국 총회에서 채택하고 2005년 발효한 국제 협약.
본 의정서를 인준한 국가는 이산화탄소, 산화이질소 등을 포함하는 여섯 종류의 온실 가스의 배출량을 감축하며 배출량을 줄이지 않는 국가에 대해서는 비관세 장벽을 적용하게 된다.

질산화 반응 :
미생물에 의해 암모니아(NH3)가 아질산염(nitrite, NO2-)으로, 이어 아질산염이 질산염 (nitrate, NO3-)으로 산화하는 일련의 반응.
이때 암모니아가 산소와 반응하여 아질산염으로 되는 단계의 부산물로서 산화이질소가 만들어진다.

탈질산화 반응 :
질소산화물들이 유기물 산화를 위해 전자 수용체로서 사용되는 환원 반응.
즉, 미생물들에 의해 질산염이 아질산염, 산화질소(NO), 산화이질소를 차례로 거쳐 질소(N2)로 환원되어지는 일련의 반응을 일컫는다.
이때 만들어지는 주요 중간 산물이 산화질소와 산화이질소이다.

  

<연 구 개 요>

Trends and seasonal cycles in the isotopic composition of nitrous oxide since 1940
대기 중 산화이질소 (N2O) 동위원소의 60년 변화추세와 계절 변동성

국내 연구진의 주도하에 대기 중 산화이질소(N2O) 안정동위원소의 계절 변동성이 처음으로 밝혀졌다.
서울대학교 지구환경과학부 박선영 연구교수와 김경렬 교수 연구팀은 미국 UC Berkeley 대학 Kristie A. Boering 교수 및 호주 CSIRO 기후관측센터 L. Paul Steele 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 산화이질소 동위원소의 계절 주기성을 밝힘으로써, 산화이질소의 생물-지구화학 순환을 규명하는 새로운 과학적 기틀을 제시하였다.
그 연구결과는 지구과학분야 최고 권위의 학술지인 네이처 지구과학(Nature Geoscience) 3월 11일자 온라인판에  발표되었다.
 
사람들의 농업혁명을 이루어낸 질소비료가 만들어 낸 원하지 않는 부산물인 산화이질소는 지구온난화 및 기후변화와 관련된 교토의정서가 규정한 주요 온실기체이며, 성층권 오존층 파괴를 촉매하는 대기 물질이다.
과학자들은 다음 세기에는 산화이질소에 의한 오존층 파괴가 냉매로 사용되어온 CFC와 같은 할로겐화합물의 효과를 능가할 것으로 전망한다.
할로겐화합물들은 생산과 사용의 규제로 현재 감소 추세에 있지만, 산화이질소의 경우 그 대기 중 농도가 산업혁명이후 지속적으로 증가하는 추세에 있고 최근 더욱 가파르게 상승하고 있다.
산화이질소의 자연적·인위적 생성원들을 규명하고 생성원의 차이에 따른 발생량을 측정하는데 있어서 가장 큰 과학적 난제는, 산화이질소가 광분해로 소멸되는 장소인 성층권 공기의 영향을 정량적으로 밝히는 것이었다.
 
서울대 박선영 교수, 김경렬 교수 연구팀은, UC 버클리 대학, 호주 온실기체 연구팀과 함께 1940년 이후 지난 60여년 동안 이 기체의 동위원소가 변화해온 과정을 추적하는 연구를 통하여 산화이질소의 증가가 농업 생산 증대를 위한 지속적인 비료 사용에 기인한 것임을 확인하였고, 비료 사용으로 미생물에 의한 토양 내 질산화 반응 (nitrification)이 탈질산화 반응(denitrification)에 비해 더욱 활성화됨을 밝혔다.
더욱이 산화이질소 동위원소 분포가 계절에 따라 주기적으로 변화하는 것을 최초로 증명하고, 동위원소 분포 계절변동의 폭과 주기가, 산화이질소의 생성원을 규명하고 성층권에서 발생하는 광분해의 영향 정도를 밝히는 새로운 척도임을 제시하였다.
본 연구는 토양내 미생물 생태, 성층권 광화학, 성층권-대류권 상호 공기 순환, 해양내 질소 화학 및 순환, 기후학 등 광범위한 분야에 향후 미칠 학문적 영향이 인정되어 네이처(Nature) 학술자매지인 네이처 지구과학(Nature Geoscience)에  게재된 것이다.
 본 연구의 서울대팀 공동저자인 김경렬 교수는 산화이질소의 분포에 미치는 성층권 광화학의 영향을 동위원소 분석을 통해 최초로 증명하고, 이 연구 결과를 1993년 사이언스(Science)지에 게재한 바가 있다.
또한 지구환경과학부 석좌교수였던 Paul J. Crutzen 교수에게 1995년 노벨화학상을 안긴 연구 성과가 바로 산화이질소를 포함한 질소화합물들이 관여하는 오존 형성과 파괴 기작에 대한 규명이었다.
 
본 논문의 제 1저자로서 연구를 주도한 박선영 연구교수는 "세계 인구 증가에 따른 식량 및 에너지 문제는 화학비료와 생물연료(biofuels)의 사용을 가속화시킬 것이며, 이에 따라 산화이질소의 배출은 지속적으로 증가될 것"이라고 경고한다.
따라서 "산화이질소 배출규제의 근거확보를 위하여 산화이질소 동위원소 분포의 시?공간적 변동에 대한 지속적 모니터링이 필요하며, 상대적으로 연구가 미흡한 해양에서의 산화이질소 생성 및 변화에 관한 연구가, 자연계 산화이질소 순환의 완전한 이해를 위해 반드시 진행되어야한다"라고 강조한다.

 

 <박선영 교수>(제 1저자) 

 
1995. 02. 서울대학교 해양학 학사
 1997. 02. 서울대학교 해양화학 석사
 2005. 05. University of California at Berkeley (UC Berkeley) 지구과학 박사
 2005. 07. ~ 2008. 06. Harvard University 박사후 연구원
 2008. 07. ~ 2011. 08. Harvard University 연구원
 2011. 03. ~ 현재 서울대학교 지구환경과학부 연구 교수
 연구 분야: 온실기체 농도와 동위원소 측정을 통한 생물-지구화학 순환 과정 연구
<Kristie A. Boering>(교신저자) 
 
 
1985. University of California at San Diego (UC San Diego) 화학 학사
 1991. Stanford University 물리화학 박사
 1991. ~ 1998. Harvard University 박사후 연구원 및 연구원
 1998. ~ 2005. UC Berkeley 화학 및 지구과학과 겸임 조교수
 2006. ~ 현재 UC Berkeley 화학 및 지구과학과 겸임 부교수
 연구 분야: 고층대기 온실기체 측정과 농도 시뮬레이션 및 탄화수소 광화학 연구
<김경렬 교수>(공동저자)
 

 

1971. 02. 서울대학교 화학 학사

 1973. 02. 서울대학교 분석화학 석사
 1983. University of California at San Diego 해양화학 박사
 1984. ~ 현재 서울대학교 지구환경과학부 교수
 2006. 03. ~ 2012. 02. 서울대학교 지구환경과학부 학부장
 2006. 03. ~ 현재 서울대학교 지구환경과학부 BK21 사업단 단장
 연구 분야: 해양화학 및 온실기체 대기모니터링, 산화이질소 동위원소에 관한 연구로 1990년 Nature지에 이어 1993년 Science지에 논문 게재

4. L. Paul Steele,  Ray L. Langenfelds, Paul J. Fraser, and Paul B. Krummel (공동저자) (Paul.Steele@csiro.au; Ray.Langenfelds@csiro.au; Paul.Fraser@csiro.au; Paul.Krummel@csiro.au)
호주 기후연구센터/CSIRO 대기 및 해양 연구소 (Centre for Australian Weather and Climate Research /CSIRO Marine and Atmospheric Research) 책임 연구원
  연구 분야: 남반구 온실기체 분포 특성 및 공기 시료 장기 보존에 관한 연구. Nature 및 Science 논문 다수 게재.

5. David M. Etheridge, Dominic Ferretti, Tas.D. van Ommen, and Cathy M. Trudinger (공동저자) (David.Etheridge@csiro.au; domferretti@yahoo.com; Tas.Van.ommen@aad.gov.au; Cathy.Trudinger@csiro.au)
 호주 기후연구센터/CSIRO 대기 및 해양 연구소/타스마니아 대학 (Centre for Australian Weather and Climate Research /CSIRO Marine and Atmospheric Research/University of Tasmania) 책임 연구원
  연구 분야: 극지방 빙핵 및 firn에 포집된 과거 공기시료에서의 온실기체 연구

posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 허나영 2012.05.06 20:40  Addr Edit/Del Reply

    보고서 쓰는데 많은 도움이 됐어요. 감사합니다.
    앞으로도 자주 찾아볼 수 있도록 즐겨찾기 추가 클릭!

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