환경생물공학 수업수업노트-9: 지권

-차 례-

1. 생물지구 물리적 환경

(1) 중력

(2) 지구의 자장

(3) 생체리듬

2. 생물지구 화학적 환경

3. 고형 폐기물

(1) 폐기물의 처리

(2) 폐기물의 기타 처리방법

4. 무기물 오염

(1) 비금속 독성물질

(2) 중금속

5. 납

(1) 납중독의 일반증세

(2) 납의 오염원

(3) 납중독의 여러 가지 증세

(4) 태아에 대한 영향

(5) 로마 멸망과 납중독

(6) 현대의 납중독

6. 수은: 미나마타병

(1) 의약품으로서의 수은

(2) 수은의 독성

(3) 미나마타병

(4) 메틸수은

(5) 수은이 독성을 나타내는 기작

(6) 자연환경의 수은

(7) 먹이사슬

7. 문제점

- 강 의 내 용 -

1. 생물지구 물리적 환경

(1) 지구

   1) 태양계에서 다섯 번째로 큰 혹성

   2) 일반적 특성

       a. 밀도: 약 5.5

       b. 지름: 12,756 km

        d. 둘레: 38,7782 km

       c. 표면적: 5.1 x 10⁸ km²

       d. 공전속도: 29.78 km/s

(2) 지구의 내부

   1) 지각: 암석으로 이루어진 지구의 껍질

       a. 대륙지각 - 두께 32 ~ 48km. 화강암질 암석

       b. 해양지각- 두께 5 ~ 8km. 현무암질 암석

       c. 모호로비치치 불연속면(모호면) : 지각과 맨틀의 경계면

   2) 맨틀과 핵

        a. 맨틀(모호면 ~ 약 2,900km): 고체상태로 지구전체 부피의 82%

       b. 핵 (약 2,900km ~ 지구중심)

           - 철과 니켈 등의 무거운 물질로 구성

          - 외핵 (약 2,900 ~ 5,100km) - 액체상태

          - 내핵 (약 5,100km ~ 지구중심) - 고체 상태

(1) 중력

   1) 지구와 지상의 어떤 물체간의 상호인력 (지구 중력)

   2) 전 우주에 존재하는 물질간의 작용하는 인력의 총합 (만유인력)

   3) 중력의 예

        a. 물체를 위로 던지면 땅으로 떨어짐

       b. 용수철 저울에 추를 매달면 용수철이 늘어나 추의 눈금을 가리킴

       c. 이러한 현상은 지구가 물체를 연직 아래로 끌어당기기 때문임

   4) 이러한 힘을 지구의 중력 또는 중력이라 함

   5) 만유인력: 질량을 갖고 있는 모든 물체는 서로 당기는 힘을 갖고 있음

   6) 따라서 중력 역시 만유인력의 한 종류라 할 수 있음

        두 물체 사이에 작용하는 힘 F는

                F = G∙(m₁∙m₂/r²)

                G = 6.67 x 10-11 Nm²/kg² (만유인력 상수)

(2) 지구의 자장

   1) 자기극: 자력선이 나오고 들어가는 자석의 양극

   2) 지구 자기극: 지구는 거대한 자석과 같음

        a. S극: 북극에서 2,600km 떨어진 곳

        b. N극: 남극에서 1,600km 떨어진 곳

   3) 지구 내부자기장의 형성 (다이나모 이론)

        a. 지구는 지각, 맨틀, 핵의 세 부분으로 구성

        b. 핵은 또 고체인 내핵과 액체인 외핵으로 나누어짐

        c. 외핵은 금속철이 주성분이기 때문에 도체의 성질을 가짐

        d. 지구는 하루에 한 바퀴씩 자전을 하므로 외핵도 회전을 함

        e. 외핵은 액체 상태이기 때문에 회전속도가 지구 자전속도와 다름

        f. 따라서 도체인 외핵에 전류가 흐르게 되고 이 전류로 인하여 자기장이 형성

       g. 지구 중심에 막대자석을 넣었을 때 생기는 쌍극자 모양의 자기장과 비슷함

        h. N극은 남극, S극은 북극과 거의 일치

        참고: 영화 ‘Core'

       http://movie.naver.com/movie/bi/mi/mediaView.nhn?code=36839&mid=1243

   4) 지구 외부자기장

        a. 실제 지구자기장의 모습은 지구 내부자기장에 의한 쌍극자 모양과는 다름

       b. 태양의 복사선과 태양풍이라 불리는 자기장을 동반한 고속의 입자흐름이 늘 지구로 불어오고 있기 때문임

        c. 태양의 복사선과 태양풍에 동반된 대전입자들은 전류를 만드는데 그로 인해 자기장이 생성됨

        d. 지구의 자기장은 내부자기장과 외부자기장의 합성된 형태

   5) 지구자기장의 역할

        a. 현재 지구자기장의 세기는 매년 0.05%씩 감소하고 있음

        b. 나침반의 방향이 서쪽으로 매년 경도 3분 정도 이동

        c. 지구자기장의 세기가 약해지면 철새들이나 물고기들이 방향감각을 잃음

        d. 지구자기장의 약화는 오존층 파괴의 원인이 될 수 있음

        e. 태양풍과 우주선의  무서운 공격으로부터 우리의 행성을 보호하는 방어막

           - 얇고 푸른 층으로 보이는 지구의 대기

           - 지구자기장

        f. 자기장이 없는 행성은 대기도 존재할 수 없음

(3) 생체리듬

   1) 생물시계 (biological clock)

        a. 거의 모든 생물의 행동이나 기관의 상태는 주기적인 변동을 나타냄

        b. 그 주기는 보통 24시간을 주기로 반복됨 (일주율)

        c. 주기적 변이의 실체는 알려지지 않았으나 생물시계라고 함

        d. 자연조건하에서 생체내의 하루주기는 지구 자전의 24시간 리듬과 같음

        e. PSI 학설

           - 인간의 생물학적 리듬 (biological rhythm)

           - 인간주기율 (人間週期律) 이라고도 함

           - 신체(physical), 감정(sensitivity), 지성(intellectual)의 머리글자에서 유래

           - 설사 ․발열 ․심장발작 ․뇌졸중 등에 규칙적인 주기가 있다는 사실을 발견

           - 남자는 남성인자 (신체리듬: P)에 의하여 지배되며 23일의 주기

           - 여자는 여성인자 (감정리듬: S)에 의하여 지배되며 28일의 주기

   2) 광주기성

        a. 생물체에 대한 빛의 영향을 나타냄

        b. 식물체의 개화가 명암의 시각과 기간에 관계되는 현상

        c. 광주기성에 의한 식물의 분류

           - 단일식물: 낮의 길이가 16시간 이하일 때 피는 식물

           - 장일식물: 낮의 길이가 일정시간 보다 길어야 피는 식물

           - 중일식물: 낮 시간의 길이에 관계없이 피는 식물

2. 생물지구 화학적 환경

(1) 지각의 구성원소

   1) 지각의 모든 물질들은 불과 100여 종의 원소로 이루어져 있음

   2) 현재까지 알려진 2,500여 종의 광물도 100여 종의 원소로 구성되어 있음

   3) 대부분 이들 광물은 주요 10여 종의 원소로 이루어져 있음

   4) 현재까지 알려진 지각 구성의 주요 원소는 불과 10여 종이 전체의 99%를 차지함

(2) 지각의 8대 구성 원소 질량비

   1) 산소 (O) : 46.6%

   2) 규소 (Si) : 27.7%

   3) 알루미늄 (Al): 8.1%

   4) 철 (Fe)  : 5.0%

   5) 칼슘 (Ca): 3.6%

   6) 나트륨 (Na): 2.8%

   7) 마그네슘 (Mg): 1.5%

   8) 기타     : 1.1%

(3) 환경을 오염시켜 건강에 영향을 미칠 가능성이 있는 미량원소들

   1) 니켈 (Ni)

        a. 디젤유, 석탄, 화학약품 및 촉매제, 강철 및 비철합금, 담배

        b. 폐암

   2) 베릴륨 (Be)

        a. 석탄, 공장, 로켓연료

        b. 급성 및 만성 전신 독성, 암

   3) 비소 (As)

        a. 석탄, 석유, 세재, 살충제, 광산폐기물

        b. 발암성

   4) 셀렌 (Se)

        a. 석탄, 황

        b. 치아 부식, 쥐에 발암작용

   5) 이트륨 (Y)

        a. 석탄, 석유

        b. 장기간 노출 시 쥐에 발암 작용

   6) 수은 (Hg)

        a. 석탄, 밧테리, 기타 산업

        b. 신경마비 및 사망

   7) 카드늄 (Cd)

        a. 석탄, 아연광산, 담배연기, 수도관

        b. 심혈관 및 고혈압, 아연 및 구리대사 방해

   8) 안티몬 (Sb)

        a. 산업공정

        b. 쥐의 수명 단축

   9) 납 (Pb)

        a. 유연 휘발유의 배기가스, 유약 페인트 등의 도료

        b. 사망

3. 고형 폐기물

(1) 폐기물 발생현황

   1) 폐기물의 종류

        a. 생활폐기물: 음식물 찌꺼기

        b. 사업장 폐기물

           - 사업장 일반폐기물

          - 건설폐기물

                * 1994년: 오니류, 패석고류 등이 지정폐기물에서 일반폐기물로 변경

           - 지정(특정) 폐기물

                * 1991년: 광재, 분진, 소각 잔재물 등이 일반폐기물에서 지정폐기물로 변경

                      그림. 폐기물 관리법상 폐기물의 분류

   2) 폐기물의 발생량

        a. 폐기물의 총랑은 1993년을 기준으로 점진적인 증가 추세

     주) 1. 1991년 폐기물 분류체계 조정에 따라 사업장 일반폐가물이 줄고 지정 (특정) 폐기물이 증가 (광재, 분진, 소각잔재물 등이 일반에서 특정으로 전환)

         2. 1994년 폐기물 분류체계 조정에 따라 오니류, 폐석고류 등 지정 (특정) 폐기물의 80% 이상이 사업장일반폐기물로 전환

         3. 1996년 사업장폐기물 중 일반폐기물의 급증 이유는 건설폐기물 관리강화에 따른 신고량이 늘어서 임

        b. 폐기물의 종류별 구성율

           - 생활폐기물: 15.0%

           - 사업장배출시설계폐기물: 34.0%

           - 건설폐기물: 51.0%

        c. 지역별 총 폐기물

           - 폐기물의 총 발생량은 경기, 서울 및 경북 순으로 많았음

           - 총 폐기물은 경기, 서울 및 경북의 발생량은 전체 발생량의 42.0%

           - 생활폐기물은 서울, 경기 및 부산지역에서 전체 생활폐기물의 49.4%

           - 사업장배출시설계폐기물은 경북, 전남 및 충남에서 전체 발생량의 50.1%

           - 건설폐기물은 경기, 서울 및 경남에서 전체 발생량의 47.5%

                 표. 지역별 인구 점유율 및 총 폐기물 발생비율

   3) 생활폐기물

        c. 지역별 1인당 생활폐기물 발생량 (2007년)

           - 인천광역시의 1인당 1일 생활폐기물 발생량은 0.85 kg으로 전국 최저

           - 강원도의 1인당 1일 생활폐기물 발생량은 1.51 kg으로 전국 최고

        d. 생활폐기물의 성상 변화 추이

                                                                         (단위: 톤/일)

   주) 1) 재활용을 위해 분리배출 ⦁수거 후의 합계

       2) 분리배출 ⦁수거 전의 합계

       3) ‘07년도부터 연탄재 항목이 유리류로 바뀜

(2) 폐기물 처리현황

4. 무기물 오염

(1) 비금속 독성물질

   1) 비금속

        a. 금속의 성질을 갖지 않는 금속원소 및 합금을 제외한 모든 화합물

        b. 주기율표에서 일반적으로 오른쪽 위에 모여 있음

        c. 수소, 붕소, 탄소, 규소, 질소, 인, 비소, 산소, 황, 셀레늄,플루오린, 아이오딘 등

   2) 비소

        a. 독성이 높음; 130 mg 이면 치사량

        b. 생물농축에 의하여 해양생물의 비소 축척량이 높음

        c. 비소화합물의 살충제가 많이 쓰였음

        c. 거의 모든 토양에 소량 존재함

   3) 불소

        a. 상수도에 불소 첨가에 따른 찬반의 대립: 소독 및 치아 보호 목적으로 첨가

        b. 불소화합물은 살충제로도 쓰임

        c. 불소가 과량으로 함유된 토질은 풍토병의 일종인 갑산성종의 확률이 높음

        d. 불소가 과량 함유된 상수원을 이용 시에 치아가 변색하고 발육이 불완전 함

        e. 불소가 결핍된 상수원을 이용시 치아에 반점이 생김 

   4) 셀렌

        a. 인간에게 이로움과 해로움을 똑같이 주는 물질

        b. 셀렌은 어떤 식물에게는 필수 미량원소

        c. 자연계에 존재하는 독성이 강한 물질 중의 하나

        d. 황과 혼합되어 존재하므로 황산제조 과정에서 다량으로 방출

        e. 광산 및 관련된 공장에서 일하는 근로자 직업병의 원인

        f. 알칼리증 (alkali disease)

           - 셀렌의 함유 농도가 비교적 높은 식물을 먹이로 먹은 동물에 나타나는 현상

           - 생기를 잃고 체중이 감소, 갈기의 털이 빠지는 현상

           - 먹이를 섭취 못하고 죽게 됨

   5) 석면

        a. 석면은 섬유상의 규산광물의 통칭

        b. 석면은 광물성의 부드러운 섬유로서 불연성이고 절연성이 뛰어남

        c. 각종 전열기, 슬레이트, 석고보드 등의 건축자재에 사용

        d. 방화복, 자동차 브레이크 등의 공업제품에 쓰임

        e. 인체에 흡수된 석면의 분진은 폐암이나 중피종을 유발

        f. 중피종: 흉막, 복막, 심막 등에 발생하는 암으로 발생 후 1년 이내에 사망

        g. 미국의 경우, 1973년 80만 톤을 소비하였으나 1985년에는 24만 톤 소비

        f. 미국은 이미 20년 전에 석면의 건축자재로의 사용을 금지

        h. 우리나라의 경우, 1986년 68,000 톤 수입하여 75%를 건축자재로 사용 

(2) 중금속

   1) 중금속

        a. 비중이 5.0 이상인 무거운 금속원소의 통칭

        b. 7대 고대 금속; 고대부터 사용해 왔던 금, 은, 구리, 주석, 납, 수은, 철

   2) 구리

        a. 구리의 독성 때문에 구리화합물은 살균제와 제초제로 사용 (연간 7천 톤)

        b. 구리는 각종 생물체의 필수미량원소

   3) 카드늄

        a. 전기도금, 염료공업, 요업, 사진, 원자로 및 담배 제조에 사용

        b. 생체에 축척된 카드늄은 쉽게 배출되지 않음

        c. 장기간 체내 축척시, 신장의 기능이 약화

        d. 혈액의 인산 함량이 감소하여 골조직의 무기물 함량이 줄어듦

        e. 골연화증이 나타나며 심한 통증이 수반: 이따이이따이 병

  4) 납과 수은: 별도 설명

5. 납

(1) 오염원으로 납

   1) 납을 함유한 페인트에서 방출되는 납

   2) 납땜에 쓰이는 납줄, 건전지 공장, 염색공장 등에서 방출되는 납

   3) 도자기의 광택제롤 사용되는 유약

   4) 휘발유의 녹킹 방지제로 사용하는 사에틸납 (1970년대 까지 연간 100만 톤 사용)

(2) 납중독의 여러 가지 증세

   1) 여러 가지 증세

        a. 간과 신장장애

        b. 혈액의 헤모글로빈 감소

        c. 정신장애 및 생식 기능장애

   2) 만성 납중독

        a. 소화관 장애

        b. 신경과 근육 장애

        c. 허약감, 피로감, 손목근육 이상, 근육대사 이상

        d. 중추신경 장애: 정신 착란, 의식 상실, 사망

그림. 어렸을 때부터 납에 노출되었던 어른의 축소된 뇌부분 (붉은 색 부분)

   3) 태아에 대한 영향

       a. 유산율 증가

       b. 여성의 불임률 증가 및 유산과 사산 증가

       c. 후손은 지능이 낮고 비정상적으로 머리가 크며 짱구: 뇌의 과대 생장증

(3) 로마 멸망과 납중독

   1) 고대 로마에는 납광산이 크게 번창하였으며 많은 제련소가 존재

   2) 납의 과용에 의한 납중독

        a. 납을 포함하는 식기를 대량 사용

       b. 감미료와 방부제로 납을 사용

        c. 페인트의 첨가물로 납을 사용

        d. 물약과 연고에도 납을 사용

   3) 로마 제국의 멸망

        a. 출산율이 낮아짐

        b. 저능아의 출산이 높아짐

(4) 현대의 납중독

   1) 포도주의 뷔페 방지 및 발효 촉진의 목적으로 사용

   2) 납 그릇과 납을 도금한 요리기구에 의한 납중독

   3) 맥주통의 꼭지에 연결된 관에서 오염된 생맥주

   4) 살충제 성분에 존재하는 납 성분에 의한 납중독

6. 수은: 미나마타병

(1) 의약품으로서의 수은

   1) 매독의 치료제로 수은 화합물을 사용

   2) 감홍 (염화제일수은)

        a. 통변 및 이뇨제로 사용

        b. 원예용 살균제 및 불꽃놀이용 폭죽에 사용

(2) 수은의 독성

   1) 수은의 종류

        a. 수은은 열역학적으로 예상이 가능한 반응이나 상호작용을 따르지 않음

        b. 자연에 존재하는 수은의 종류는 다양함

        c. 화학구조로 크게 4가지로 분류

           - HgO     : elemental mercury

          - (CH₃)₂Hg : dimetylmercury

          - Hg²⁺     : inorganic mercury

          - CH₃Mg⁺ : monomethylmercury

        d. 또는 금속수은, 무기수은 및 유기수은으로 분류

   2) 수은의 일반적 특성

        a. 수은 화합물은 분해가 되지 않으므로 생체 내에서 영원히 존재

        b. 배출이 되지 않으므로 생체조직에 축척

        c. 먹이사슬을 통하여 생물농축이 이루어짐

   3) 수은에 의한 독성

        a. 급성 독성

           - 허약, 허탈, 정상이하의 체온, 오한, 전율, 부전마비, 전신경련,

          - 부정약맥, 부정호흡, 촉박,

          - 위장염, 하리, 토혈

       b. 만성 중독

          - 식욕감퇴, 체중감소, 근육위축,

          - 유연, 신염, 치은염, 치아탈락, 호기 악취

          - 위장염.

(3) 미나마타병

   1) 1953년 이래 일본 구마모토현 미나마타시에서 발생한 공해병

   2) 미나마타만 연안의 어패류를 먹은 어민들에게서 많이 발생한 병

   3) 증세는 중추 신경이 침범 당해 손발이 저리는 정도에서 시작

   4) 유기 수은 중독 특유의 언어 장애와 시야 협착(視野狹窄)이 나타남

   5) 발광하여 마침내는 사망

   6) 죽음을 피한다 하더라도 중증자는 일생을 폐인과 같은 생활

   7) 신일본 질소 미나마타 공장의 배수(排水) 중에 포함되어 있는 메틸수은이 원인

   8) 생물농축에 의하여 축척된 메틸수은을 포함하는 어패류를 복용한 인간에 발생

   8) 1963년에는 메틸수은 화합물의 생성 과정을 밝혔으며, 오염의 근원이 공장

(4) 메틸수은

   1) 휘발성이 강하고 지용성

   2) 산성용액에서는 이온화하여 수용성

   3) 수생생물에 쉽게 흡수되어 다른 지용성 물질과 함께 지방조직에 축척

   4) 어류의 최대 수은 축척 농도는 물의 3,000 배 이상

(5) 수은이 독성을 나타내는 기작

   1) 태아에 미치는 영향

        a. 메틸수은은 태반을 통하여 태아에 들어가 기형을 유발

        b. 태아의 혈액이나 뇌의 수은 함량은 모체보다 20% 이상의 농도로 존재

        c. 태아는 정신박약 또는 뇌경련에 걸릴 확률이 높음

   2) 유전적 영향

        a. 임신 초기에 영향이 크며 염색체 변이를 유발

        b. 콜히친에 비하여 1,000배 효과를 나타냄

(6) 자연환경의 수은

   1) 금세기에 들어 미국에서 사용된 수은은 7만 톤 이상

   2) 자연 환경에서 수은의 이동에 대한 보고는 없음

   3) 전 세계의 여러 지역에서 이미 수은의 허용치를 넘어서고 있음

(7) 먹이사슬

   1) 먹이사슬에 의한 수은 생물농축

   2) 먹이사슬의 상층부에 있는 갈매기와 왜가리는 수은의 영향으로 산란률이 감소

7. 문제점

(참고자료)

1. 핸트폰의 구성 성분

2. 핸드폰의 재활용

1. 중국의 폐핸드폰: 1억대 (2007년), 7억대 (2020년)

2. 금광 1톤은 보통 순금 5g 정도가 추출

3. 재생 가능한 플라스틱