청소년을 위한 교양 지구과학: 질소 순환

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 09월 23일 출간

작품소개

책소개

지구 대기의 78%를 차지하는 질소는 모든 생명체의 단백질과 핵산을 구성하는 필수 원소이지만, 대부분의 생물은 안정한 질소 분자를 직접 이용할 수 없다. 이 책은 질소가 대기권, 토양, 해양, 생물체 사이를 순환하며 생명을 유지하는 복잡한 과정을 중학생도 이해할 수 있도록 체계적으로 설명한다. 질소 원소의 기본 특성부터 지구 각 저장고에 분포된 질소의 형태와 양까지, 질소 순환을 이해하는 데 필요한 기초 지식을 단계별로 제시한다. 번개와 뿌리혹박테리아가 만드는 자연적 질소 고정부터 프리츠 하버가 개발한 인공 질소 고정법까지, 대기 중 질소가 생물이 이용 가능한 형태로 변환되는 과정의 비밀을 밝혀낸다.

질소 순환의 핵심은 미생물이 주도하는 화학적 변환 과정에 있다. 동식물 사체가 분해되어 암모니아를 생성하는 암모니아화 과정, 암모니아가 아질산을 거쳐 질산으로 산화되는 2단계 질산화 과정, 그리고 혐기성 환경에서 질산이 다시 질소 기체로 환원되는 탈질산화 과정이 연속적으로 일어난다. 식물은 뿌리를 통해 질산 이온과 암모늄 이온을 흡수하며, 균근 곰팡이와의 공생 관계를 통해 질소 획득 효율을 높인다. 해양에서는 식물플랑크톤이 질소를 흡수하고 동물 배설물이 암모늄을 방출하며, 심해의 혐기성 환경에서는 탈질산화가 활발히 진행된다. 숲, 초원, 습지, 사막 등 각 생태계마다 환경 조건에 따라 독특한 질소 순환 패턴을 보인다.

현대 농업의 화학 비료 사용과 축산업 확대는 자연적 질소 순환에 큰 변화를 가져왔다. 과도한 질소 비료 사용은 지하수 질산 오염과 하천 부영양화를 일으키며, 녹조와 적조 현상으로 수생 생태계를 교란시킨다. 농업 토양에서 발생하는 아산화질소는 이산화탄소보다 300배 강한 온실가스로 지구 온난화를 가속화하고 오존층을 파괴한다. 도시화는 자연적 질소 순환을 차단하고 대기 중 질소 산화물 농도를 높여 대기 오염을 심화시킨다. 기후변화로 인한 기온 상승과 강수 패턴 변화는 토양 미생물 활동과 질소 이동 속도에 영향을 미쳐 질소 순환의 균형을 흔들고 있다. 각국 정부는 질소 오염을 규제하고 지속가능한 질소 관리 정책을 수립하려 노력하고 있다.

과학자들은 안정동위원소 추적과 위성 원격탐사를 통해 질소 순환을 정밀하게 모니터링하고, 컴퓨터 모델링으로 미래 변화를 예측한다. 정밀농업 기술과 생물학적 질소 고정을 활용한 지속가능한 농업, 축산업의 질소 배출 저감 기술, 산업 폐수에서 질소를 회수하는 재활용 기술이 개발되고 있다. 인구 증가와 식량 수요 증가에 대응하면서도 환경을 보호하기 위해서는 신재생 에너지를 이용한 친환경 질소 고정 기술과 유전자 변형 작물을 통한 질소 이용 효율성 향상이 필요하다. 인공지능과 빅데이터를 활용한 질소 순환 최적화와 순환경제 개념의 질소 자원 재활용 시스템이 지속가능한 미래를 위한 해답이 될 것이다.

목차

1. 질소란 무엇인가
2. 지구의 질소 저장고
3. 질소 고정의 신비
4. 암모니아화 과정
5. 질산화의 2단계
6. 식물의 질소 흡수
7. 탈질산화의 비밀
8. 해양의 질소 순환
9. 대기와 토양의 만남
10. 미생물의 질소 변환
11. 농업과 질소 비료
12. 질소 오염의 실상
13. 부영양화 현상
14. 온실가스 아산화질소
15. 숲 생태계의 질소
16. 초원과 사막의 질소
17. 습지의 질소 정화
18. 기후변화와 질소 순환
19. 도시의 질소 순환
20. 질소 순환 연구 방법
21. 질소 순환 모델링
22. 질소 관리 기술
23. 지역별 질소 순환
24. 질소 순환의 미래

인물정보

저자(글) 루미너리북스 교육출판 에디팅 팀

루미너리북스 교육 출판 에디팅 팀은 전문 교육 콘텐츠 기획자와 편집자들로 구성되어, 학생들의 눈높이에 맞춘 양질의 교육 도서를 제작하는 데 전념하고 있다. 각 분야별 전문가들과의 긴밀한 협업을 통해 정확하고 이해하기 쉬운 교육 콘텐츠를 개발하며, 특히 고등학생을 위한 대학 과목 선행학습 시리즈와 같은 혁신적인 교육 도서를 기획하고 있다.