환경생물공학 수업수업노트-2: 제2장 생태학
-차례-
1. 생태학의 기원과 정의
2. 생물군집
3. 천이
4. 생태계의 구성요소
5. 제한 요인
6. 영양염류의 순환
(1) 탄소의 순환
(2) 질소의 순환
(3) 인의 순환
7. 예습: 3장 인구와 조절:
(1) 통계청 (http://kostat.go.kr)
1) 국가통계포텔
2) e-나라지표
3) 통계지리정보
4) 통계분류
5) 마이크로테이터
(2) 국가통계포털 (http://kosis.kr/)
1) 주제별 통계
- 인구 가구:
- 환경
2) 시각화 콘테츠
- 통계로 보는 자화상
- 인구추계교실
- 강의내용 -
1. 생태학의 기원과 정의
(1) 생태학: 생물 상호간의 관계 및 생물과 환경과의 관계를 연구하는 학문
(2) 기원: 1869년 독일의 Haeckel
2. 생물군집
(1) 기후에 따른 생물의 자연적인 군집
(2) 생물군집
1) 툰두라: 아시아, 유럽 및 아메리카 북부에 형성되는 생물군계
2) 타이가: 둔두라 남부의 침엽수림
3) 열대우림: 동식물 군집이 다양
4) 초원: 온대나 열대지방의 강수량이 적고 불균일한 지역
5) 열대 사바나: 강수량은 많으나 건기가 긴 곳
6) 사막: 강수량이 매우 낮은 곳
7) 여름에 건조하고 겨울은 비가 많이 내리는 지역
3. 천이
(1) 생태적 천이: 생물군집의 연속적 변화
(2) 극상군집: 연속적인 천이를 거쳐 비교적 안정되게 형성된 군집
(3) 천이의 종류
1) 일차천이: 전에 생물체가 전혀 살지 않았던 곳에서 시작되는 천이
2) 이차천이: 형성되었던 생태계가 교란되었거나 파괴된 곳에서 시작되는 천이
4. 생태계의 구성요소
1) 생산자(producer)
a. 광합성: 태양에너지를 이용
a. 뿌리를 가진 식물
b. 식물성 프랑크톤
2) 소비자 (consumer)
a. 1차 소비자: 동물성 플랑크톤, 저처형 저생생물
b. 2차 소비자: 육식자
c. 3차 소비자: 2차 육식자
3) 분해자(decomposer): 부식 박테리아
4) 먹이연쇄와 영양단계
a. 식량 에너지가 자연성 식물로부터 동물에게 차례로 먹히거나 분해되어 가는 현상의 연속
b. 단계적 에너지의 이동현상
- 각 단계를 거칠 때마다 에너지는 약 80-90% 감소
- 각 단계를 거칠 때마다 생물량 (biomass) 이 감소
c. 엘톤의 생태피라미드
- 1단계: 생산자; 녹색식물
- 2단계: 식물을 소비하는 자
- 3단계: 육식동물
5) 분해자가 속한 미생물군의 다양성
|
미생물군 |
현재 등록된 종수 |
추측 종수 |
등록된 종수/ 추측 종수 (%) |
|
조류 |
40,000 |
60,000 |
67.0 |
|
곰팡이 |
70,000 |
1,500,000 |
4.7 |
|
원생생물 |
30,000 |
100,000 |
33.0 |
|
세균 (박테리아) |
9,300 |
3,500,000 |
0.27 |
|
바이러스 |
5,000 |
130,000 |
4.0 |
5. 제한 요인
(1) 제한요인: 동식물의 분포와 풍부도를 규제하거나 제한하는 생태적 조건
(2) Liebig의 최소량의 법칙: 식물의 생산성은 가장 많이 결핍되는 단일영양소의 양에 의하여 결정됨
(3) Shelford의 내성의 법칙: 온도, 광도, 수분, 염도 등의 농도가 너무 높아 생물의 생존을 제한
6. 영양염류의 순환
(1) 탄소의 순환
https://www.youtube.com/watch?v=xFE9o-c_pKg
1) 광합성 또는 유기물질의 분해에서 얻어지는 에너지에 의하여 순환
2) 다른 모든 생물지구화학적 순환계의 중심
3) 탄소의 산화정도
a. CH4: 가장 환원된 형태
b. (CH2O)n: 탄수화물의 일반적 형태
c. 탄화수소: CnH2n+2, CnH2n, CnH2n-2
d. CO2: 가장 산화된 형태
4) 각 저장소의 크기와 순환
a. CO2
- 가장 활발히 순환되는 저장소
- CO2와 CO2의 용존된 형태인 H2CO3, HCO3, CO3 등 생체 및 사체의 유기물질
b. 탄산염 암석(석회석, 백운석)과 화석연료 (석탄, 원유, 혈암유, 천연가스)
- 저장소의 크기는 크나, 불활성화 상태
4) 문제점
a. 유기탄소의 상당부분이 대기 중의 CO2로 재유입
b. 석탄 연로의 산화에 의한 CO2의 발생이 호흡에 의한 것 보다 10배
c. 1860년 이래 대기중의 CO2는 20ppm이 상승
d. 1950년 이래 CO2의 방출양은 연간 90억 ton
e. 연간 대기중의 CO2 농도가 1.6ppm 씩 증가
5) 온실효과 (greenhouse effect)
https://www.youtube.com/watch?v=Z_jHP6xBLe8
https://www.youtube.com/watch?v=HfBZsH0l8c4
https://www.youtube.com/watch?v=Hi3ERes0h84
a. CO2는 대부분의 가시광선과 일부 근적외선을 통과시키지만
b. 장파장의 열선, 즉 파장 12～18μm의 적외선을 강하게 흡수하고 재 복사시킴
c. 탄소순환의 결과에 의하여 대기중의 CO2 농도가 상승
d. 지구 복사열이 대기권 밖으로 방출을 못함
e. 지구표면으로 재 복사되어 지구의 온도가 상승하는 현상
(2) 질소의 순환
1) 질소고정
a. 생물학적 질소고정
- 질소고정 효소 (nitrogenase)에 의하여 N2 →NH4+로 변환하는 과정
- 규모: 연간 1.7 x 108 톤
(25%: 숲과 산림지역, 20%: 초원, 20%: 해양)
b. 공생세균과 비공생세균의 질소 고정율 비교
- 자주개자리 (alfalfa)와 공생인 Rhizobium의 고정율: 250kg N/ha
- 비공생 Azotobacter는 0.5～2.5kg N/ha
2) 암모니아화 (ammonificaition)
a. 유기질소 화합물이 분해되어 NH4+로 변환하는 과정 (이화 또는 산화작용)
b. 토양에서 생성된 암모니아는 식물과 미생물에 의하여 아미노산이나 다른
유기질소 화합물로 동화
3) 질화 (nitrification)
a. 암모니움 이온이 아질산염(nitrate, NO2-)과 질산염(nitrite, NO3-)으로
산화되는 과정
b. 2 단계 반응으로 각기 다른 미생물이 관여
c. 에너지 생성 반응
d. 이 과정에 참여하는 세균은 화학독립영양세균으로 이 에너지를 이용하여 CO2 동화
e. Nitrosomonas: 암모니아를 아질산염으로 산화
f. Nitrobacter: 아질산염을 질산염으로 산화
4) 탈질화 (denitrifciation)
a. 탈질 (denitrification): 질산염(nitrite, NO3-)이 N2로 환원되는 현상
b. 동화적 질산염 환원 (assimilatory nitrate reduction)
- 세균류, 균류, 조류를 포함한 다양한 생물에 의하여 체계적으로 진행
- 질산염 환원효소 (nitrate reductase)
- 아질산염 환원효소 (nitrite reductase)
c. 이화적 질산염 환원 (dissimilatory nitrate reduction)
- 일종의 무산소 호흡, 최종 전자수용체가 O2가 아니라 질산염 (nitrite, NO3-)
C6H12O6 + 4NO3- → 6CO2 + 6H2O + N2
- 이화적 질산염 환원효소 (dissimilatory nitrate reductase)
- 아질산염 환원효소 (nitrite reductase)
(3) 인의 순환
1) 저장소
a. 무기 인산염 (phosphate, PO34-)
- 해양과 물 생태계의 퇴적토
- 크지만 천천히 순환됨
b. 용존 인산염 (유기 인산염)
- 생체 및 사체의 유기물에 존재
- 작지만 매우 활발하게 순환
2) 인의 일반적 특징
a. 생체의 필수원소
b. 세포내에서는 핵산, ATP, 인지질
c. 생체증식에 영향
3) 인 순환계
a. 미생물에 의한 순환
b. 인의 산화도는 변하지 않음
c. 무기인산염과 유기인산염의 형태로 순환
d. 불용성에서 용해성 또는 유동성 화합물로 순환
4) 인과 부영양화
a. 자연수계의 영향과다를 의미, 특히 인의 농도가 높은 경우
b. 광합성에 의한 조류의 N과 P의 섭취율은 16 : 1
c. 16 : 1 의 비율 보다 많은 양의 인이 존재하면, 시아노박테리아에 의하여 질소고정
d. 수계의 유기성 영양물질이 풍부함에 따라 조류의 증식량이 증가
(적조현상을 일으킬 수 있음)
5) 부영양화 호수
a. 질소 고정에 의한 유기물이 증가
b. 바람직하지 않은 많은 양의 조류 생물량의 발생이 증가
c. 적조 현상을 일으킴
● 부영양화와 적조현상
1. 부영양화와 적조현상
(1) 일반적인 현상
생활하수나 공장폐수에는 인이나 질소 등의 물질이 많이 포함되어 있다. 이러한 생활 하수나 공장 폐수가 유입되는 하천과 바다의 물은 인산염이나 질산염 등의 영양 염류가 점점 증가하여 부영양화를 초래하게 된다. 물이 부영양화되면 식물성 플랑크톤이 갑자기 대발생을 하여 적조 현상이 일어나고 용존산소량이 감소되어 물고기나 조개류 등이 떼죽음을 당하게 된다.
(2) 부영양화
강물에 유기물 등의 영양분이 많아지는 현상으로 DO가 감소되고 물이 부패되어 악취가 나게 된다.
(3) 적조현상
해양에 질소나 인산을 많이 함유하는 생활 하수나 비료 성분이 대량 유입되면 플랑크톤이 갑자기 대량으로 증식하여 바닷물이 붉은 색을 띠는 현상이다. 적조가 발생하면 수일 내지 수십 일 동안이나 계 속되며 결국엔 플랑크톤이 죽게 된다. 이 플랑크톤이 분해되면서 물 속의 산소가 고갈되어 주변의 어패류 등의 양식장에 막대한 피해를 입힌다.
(4) 부영양화의 필수 요소: 영양염류
해수의 무기염류 중 식물플랑크톤(1차 생산자)의 구성원으로서 성장 및 증식에 이용되어 소비 되 고, 생물의 호흡과 미생물의 분해작용에 의해 재생되는 물질 즉, 암모니아, 질산염, 아질산염, 인산염, 규산염 등을 영양염류(nutrients)라고 한다. 식물플랑크톤의 성장에는 여러 원소가 필요 하나, 그 중에서도 질소(N), 인(P), 탄소(C), 규소(Si)가 대부분을 차지하고 있다. 특히, 규소는 단단한 껍질을 가지는 규조류가 대부분을 섭취하는 것으로 밝혀져 있다. 영양염류 중에는 수중에 용존량이 부족해 생물의 수요를 충족시키지 못해 부족되기 쉬운 경우 (최소량의 법칙)를 제한 영양염이라 하며, 일반적으로 해양에서는 질산염이, 호수에서는 인산염이 제한 요인으로 작용하는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 영양염류는 적조 생물의 성장에 직접적인 영향을 주는 요소로서 아주 중요한 역할을 하고 있다.
2. 적조
(1) 적조
해수 중에 존재하는 아주 작은 현미경적 크기의 식물성플랑크톤이 매우 빠른 증식으로 개체수가 폭발적으로 증가되어 조류가 가지고 있는 카로틴계열의 색소가 축적되어 해수의 색깔이 변색되는 현상으로서, 이러한 현상은 5 ~ 10월 비내린 후 맑은 날씨에 수온이 20 ~ 27℃ 사이에 주로 발생 하며, 빛의세기, 수온, 염분, 영양염, 미량원소, 바람 등에 영향을 많이 받는다. 그 근본 원인은 도시의 팽창화, 임해 공단의 급증, 도시 산업 폐수의 유입 등으로 인한 부영양화 현상에 의한 것으로 알려져 있다.
(2) 긍정적인 영향
(가) 유기물 생산 : 생태계의 기초 생산량의 증가에 따라 생태계로 유입된 유기물은 직접적으로 동물성플랑크톤의 2차 생산량을 증가시키고, 나아가 먹이 사슬의 상부 구조의 현존량을 증가시켜 어획고를 높일 수 있다.
(나) 생태계 구조개선 : 적조에 의한 먹이 사슬의 상부 구조의 사멸은 새로운 생태적 지위를 형성하고, 먹이 그물의 복잡성을 줄이며, 종간․종내 경쟁을 완하시키고, 영양염 재순환을 촉진 시켜 생태계 회전 효율을 증가시킨다.
(다) 지구 온난화 현사의 주된 원인인 이산화탄소를 흡수하여 광합성을 함으로서 CO2 문제 해결에 도움을 줌.
(3) 부정적인 영향
(가) 무독성 피해 : 가시가 있는 적조 원인 생물이 초식 동물에 먹힐 경우 아가미 조직 사이에 끼게 되어 아가미 조직을 오해시키고, 산소교환을 막아 죽게 한다.
(나) 무산소 / 저산소 영향에 의한 피해 : 조류의 대발생으로 야기되는 수층이나 저층의 산소 결핍, 또는 무산소층은 저서생물과 일부 어류의 페사를 초래한다.
(바) 유독성 피해 : 일부 적조 생물을 먹은 어패류를 먹을 경우 몸을 마비시키거나, 기억상실증을 유발하고 심하면 사망에까지 이른다.
4. 부영양화 방지를 위해 할 일
수계에 영양염류의 다량 유입을 막기 위해 하수 및 폐수를 고도화된 기술로 정수 처리를 하여야 하며, 인의 함량이 적은 세제의 사용을 권장하고, 도시나 농촌에서의 폐기물 처분을 통제하기 위한 수단도 마련되어야 한다.
