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안정동위원소의 개념과 응용분야

우리는 환경 생태학에서의 안정동위원소 활용을 공부할 것입니다. 그래서 먼저 안정동위원소가 무엇인지, 그리고 환경 생태학 분야에서의 광범위하고 일반적인 응용 분야에 대해 이야기할 것입니다.

안정동위원소란 무엇일까요?

안정동위원소는 본질적으로 전자와 양성자의 수는 같지만 중성자와 질량이 다른 원소입니다. 안정동위원소에 대해 정말 흥미로운 점은 시간이 지남에 따라 환경에서 붕괴되지 않는다는 것입니다. 그리고 이것은 방사성 붕괴가 잘 일어나고 본질적으로 다른 유형의 원소로 변하는 방사성 동위원소와 대조됩니다. 사람들이 다양한 환경 시료에서 안정동위원소를 연구하거나 안정동위원소를 측정하는 것은 이 생태학 분야와 관련성이 높은 생지화학적 과정뿐만 아니라 기원 물질에 대한 정보를 이해하기를 원하기 때문입니다. 다양한 환경 샘플의 상대적 풍부도는 기원 물질에 따라 다릅니다. 한 가지 간단한 예로, 화산 방출과 관련하여 모암의 수은 안정동위원소의 자연적 풍부도에 차이가 있을 수 있으며, 이는 우리가 기원 물질에 관해 수집할 수 있는 일종의 정보입니다. 생지화학적 과정에 관해서는 실제로 환경에서 발생하는 모든 유형의 생지화학적 또는 물리적 반응으로 인해 환경에서 측정되는 안정동위원소의 상대적 풍부도가 변하는 과정을 말하며 이는 바로 동위원소 분별을 나타냅니다. 생지화학적 과정 또는 동위원소 분별에 관한 또 다른 예는 환경에서 철 광물의 용해입니다. 본질적으로 일어나는 일은 용해 전에 광물의 철 동위원소비를 측정하는 것입니다. 그러나 본질적으로 용해 후에는 환경에서 발생할 수 있는 화학반응으로 인해 다른 유형의 철 동위원소비를 얻게 됩니다. 이것이 동위원소 분별의 개념입니다. 이 동위원소 분별로, 특정 유형의 철 광물이 환경에서 어떤 생지화학적 과정을 거쳤는지에 대한 통찰력을 모을 수 있습니다. 환경과 생태계의 안정동위원소 적용에 대해 이야기할 때, 우리는 이 전통적 안정동위원소를 잊을 수 없습니다. 이러한 전통적 안정동위원소를 말할 때는 수소, 탄소, 질소, 산소 및 황과 같은 동위원소를 말합니다. 그리고 이러한 원소들과 그 안정동위원소는 유기체의 다른 생활 특성뿐만 아니라 생태 과정을 이해하는 데 가장 널리 사용됩니다.

탄소 질소, 황, 수소 및 산소의 안정 동위 원소 비율을 사용하여 무엇을 이해할 수 있을까요?

정말 다양한 것들이 있습니다. 제가 보여드리고 싶은 몇 가지 예 중 하나는 영양 단계에 대한 이해입니다. 영양 단계는 본질적으로 먹이 그물 내 유기체의 순위이므로 특정 유기체가 더 높은 영양 단계에 위치한 다른 유기체에 비해 정말 낮은 영양 단계에 있는지 이해할 수 있습니다. 우리가 수집할 수 있는 다른 정보는 유기체의 섭식 서식지입니다. 수계에서 저서 또는 원양 지역에서 먹이를 먹는 유기체들도 마찬가지입니다. 이 정보는 한 예로 탄소 동위원소를 측정하여 수집할 수 있습니다. 우리가 수집할 수 있는 다른 정보는 섭식 행동입니다. 섭식 서식지는 그들이 섭식하는 장소였습니다. 섭식 행동은 본질적으로, 환경에서 그들이 어떻게 섭식할까요? 여과 섭식을 할까요? 초식일까요? 아니면 육식성 유기체로 특징지어지고 더 높은 영양 단계의 유기체를 먹을까요? 와 같은 질문을 가집니다. 또 다른 정보는 식이 자원입니다. 육상 환경이나 수생 환경에서 어느 곳에서 먹이를 구할까요? 생태학 분야에 적용되고 있는 몇 가지 다른 예는 이동 위치와 경관 생태학을 이해하는 것입니다. 그래서 이 수생 생태학 분야에서 탄소 안정동위원소의 예를 보여드리기 위해, 호수의 연안 지역 또는 외양 사이에서 서로 구별되는 탄소 동위원소 비율을 얻습니다. 원양 생태계와 저서 생태계에서 매우 다른 탄소 동위원소비를 가지고 있으며 이는 유기체의 식이 자원뿐만 아니라 섭식 서식지에 대한 정보를 제공합니다. 그리고 특히 탄소 안정동위원소에 대해 정말 흥미로운 점은 이 유기체가 원양 또는 저서 시스템에서 특정 탄소 자원을 얻으면 대사 과정에서 동위원소 분별이 없다는 것입니다. 따라서 본질적으로 탄소 동위원소비로 유기체의 몸에서 측정할 수 있는 것은 본질적으로 환경과 동일하며 실제로 섭식 서식지와 식이 자원을 이해하기 위한 보존적 추적자 역할을 합니다. 이는 질소 안정동위원소와 대조적입니다. 질소 안정동위원소를 측정할 때 가장 중요한 응용 분야는 영양 단계에 대한 통찰을 얻을 수 있다는 것입니다. 말씀드렸듯이, 이 유기체들을 조사하고, 그 질소 동위원소를 측정하고, 어느 정도의 영양 단계에 있는지 알아낼 수 있습니다. 따라서 기본적으로 높은 영양 단계에 위치한 유기체는 매우 낮은 영양 단계의 1차 생산자들에 비해 가장 높은 질소 안정 동위원소비를 가집니다. 영양 단계에서 이러한 변화를 볼 수 있는 이유는 대사 과정에서 질소 동위원소의 상당하고 중요한 분별이 있기 때문입니다. 이러한 대사 과정에서 더 가벼운 질소 동위원소가 우선적으로 배설되기 때문에 본질적으로 더 높은 영양 수준의 유기체에서 질소 동위원소가 2~3 퍼밀 농축됩니다. 이것이 본질적으로 우리가 수생 생태계에서 영양 단계의 차이에 대한 통찰력을 얻는 방법입니다. 응용 분야 및 환경 생태학에 매우 널리 사용되는 전통적 안정동위원소 시스템 외에도 오늘날 많은 과학자들은 비전통적 안정동위원소 시스템을 사용하여 매우 복잡한 생태학적 과정뿐만 아니라 환경의 생지화학적 과정에 대한 통찰력을 얻을 수 있다는 것을 밝히고 있습니다. 그리고 이는 관심을 가지거나 조사할 수 있는 원소의 유형에 따라 다릅니다. 비전통적 동위원소 시스템과 관련하여 제가 보여드리고 싶은 예는 수은입니다. 수은은 이 환경에 존재하는 정말 유독하고 생물 농축성이 있는 중금속으로 알려져 있습니다. 그리고 이것은 가장 최근에 발견된 비전통적 안정동위원소 중 하나로서 기원과 생지화학적 과정을 이해하기 위한 것입니다.

수은 안정동위원소

수은 안정동위원소에 대해 정말 흥미로운 점은 수은의 안정동위원소가 196에서 204까지 7개 있다는 것입니다. 과학자들은 일반적으로 수은 공급원의 차이 및 생지화학적 과정을 이해하거나 통찰력을 얻기 위해 202 수은과 199 수은을 활용하고 있습니다. 생태 및 환경 과학 분야에서 수은 안정동위원소의 장점은 환경 시료 유형이 다르다는 것입니다. 따라서 퇴적물이나 잎사귀 또는 수은 공급원에 대해 이야기하든 그것이 인위적 또는 자연 활동을 통해 배출된 것이든 환경에서 서로 구별되는 동위원소비를 가지고 있습니다. 이러한 구별 때문에 우리는 본질적으로 그곳에 가서 샘플을 수집하고 그 수은이 어디에서 왔는지 이해할 수 있습니다. 흥미로운 예 중 하나로, 석탄 화력 발전소의 영향을 받는 강수가 석탄 화력 발전소의 영향을 받지 않는 강수에 비해 훨씬 음의 수은 동위원소비를 갖는다는 것을 알고 있기 때문에 이러한 인위적 수은 공급원을 이해하기 위한 비교적 보존적인 추적자가 됩니다. 그리고 수은 동위원소의 또 다른 장점은 대사 과정 중의 보존적 특성에 관해 논의한 탄소 동위원소와 달리 수은 동위원소는 다양한 분별 경로를 거칠 수 있다는 것입니다. 본질적으로, 수은 동위원소는 다양한 생지화학적 과정을 통해 분별 또는 비율 변화가 일어나는 대상이 되고, 이는 무기수은 종을 아주 유독한 형태로 바꾸는 미생물 메틸화라고 하는 반응일 수 있습니다. 메틸수은은 수은에서 가장 독성이 강하고 생물학적으로 축적되는 형태로 알려져 있습니다. 그리고 그에 대한 대조적인 반응은 탈메틸 화이며, 이는 또한 수은 동위원소의 분별과 증발, 휘발, 흡수와 같은 다른 과정을 유발할 수 있습니다. 이러한 모든 환경 관련 과정은 수은 동위원소비를 변하게 합니다. 본질적으로 이러한 수은 동위원소가 분별되고 있는 정도를 이해하거나 알면 생태계 먹이 그물에 노출되기 전의 원래의 생지화학적 순환을 추적할 수 있습니다.