생물학적 농축

왜 배우는가: 생물농축은 독성물질이 물에서 생물체로 옮겨 가 체내에 쌓이는 과정을 설명하는 출발점이다. 수질 기준이 물속 농도만 다룰 때 생태 위해성을 놓치는 이유를 이해하는 데 필요하다. 시험에서는 농축 원리와 생물축적·생물증폭의 구분을 묻는 문제가 자주 나온다.

출제 이력: 제121회 1교시 8번, 제115회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

생물농축은 화학물질이 환경에서 생물체 안으로 들어와 배출보다 빠르게 쌓여, 체내 농도가 주변 환경의 농도보다 높아지는 현상이다.

핵심 키워드는 다음 여덟 가지이다.

• 생물농축(Bioconcentration)은 물에 녹은 화학물질이 호흡 표면과 피부를 통해 생물체에 흡수되어 체내에 쌓이는 현상이다.
• 생물농축계수(BCF)는 정상상태에서 생물체 내 농도와 주변 물속 농도의 비이다.
• 흡수 속도 상수(k1)는 물에서 생물체로 화학물질이 들어가는 속도를 나타내는 상수이다.
• 배출 속도 상수(k2)는 생물체에서 화학물질이 빠져나가는 속도를 나타내는 상수이다.
• 정상상태는 흡수량과 배출량이 같아져 체내 농도가 더 이상 변하지 않는 상태이다.
• 생물축적은 먹이를 포함한 모든 경로로 체내에 쌓이는 현상으로, 생물농축을 포함하는 상위 개념이다.
• 생물증폭은 먹이사슬을 따라 상위 영양단계로 갈수록 농도가 높아지는 현상이다.
• 지용성은 물에는 잘 녹지 않고 지방에는 잘 녹는 성질로, 생물농축을 일으키는 주된 물질 특성이다.

한국어 자료에서는 먹이사슬을 따라 농도가 높아지는 현상까지 생물농축이라 부르기도 해서 용어가 혼용된다. 수생 독성학에서는 생물농축을 물을 통한 흡수에 한정하므로, 답안에서는 이 정의를 기준으로 생물축적·생물증폭과 구분해 쓴다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 수생 독성학의 정의를 따른다. 생물농축은 물에 있는 화학물질이 그 물에 노출된 생물체 안에 축적되는 현상이다. 흡수 경로가 물에 한정된다는 점이 핵심이며, 먹이를 통한 흡수까지 포함하는 생물축적과 이 점에서 구분된다. 물에 잘 녹지 않는 독성물질은 지질 함량이 높은 지방 조직에 저장되기 쉬우며, 저장된 물질은 배출이 느려 누적 독성으로 이어진다.

원리는 생물체 내 농도 변화가 흡수와 배출의 차이로 정해진다는 데 있다. 흡수는 호흡 표면과 피부 표면을 통해 일어나고, 배출은 호흡 표면을 통한 손실, 성장 희석, 배설, 대사 변환의 네 경로로 일어난다. 이를 식으로 쓰면 다음과 같다.

$dC_B/dt = k_1 C_W - k_2 C_B$

여기서 C_B는 생물체 내 농도(g/kg), C_W는 물속 용존 농도(g/L), k1은 흡수 속도 상수(L/kg·d), k2는 배출 속도 상수(1/d), t는 시간(d)이다.

성장 희석은 배출 기전이 아니라 희석 현상이다. 생물체의 질량이 늘어나면서 같은 양의 화학물질이 더 넓은 질량에 퍼져 농도가 낮아지므로, 대사나 배설과 원인이 다르다. 다만 모델에서는 농도를 낮추는 손실 항으로 함께 묶어 다룬다.

시간이 충분히 지나 농도 변화가 멈추면 정상상태가 되며, 이때 dC_B/dt = 0이 된다. 이 조건에서 다음 관계가 성립한다.

$BCF = C_B / C_W = k_1 / k_2$

이 식에서 생물농축계수(BCF)는 흡수 속도 상수를 배출 속도 상수로 나눈 값이다. 배출이 느릴수록 k2가 작아져 BCF가 커지므로, 같은 물 농도에서도 생물체 안에 더 많이 쌓인다.

옥탄올-물 분배계수(Kow)가 높을수록 화학물질이 지방 조직으로 분배되는 경향이 커진다. 경험적으로는 Kow로 BCF를 추정하는 다음 식이 쓰인다.

$log BCF = a × log K_OW + b$

여기서 K_OW는 옥탄올 중 농도와 물 중 농도의 비이다. 다만 log Kow 7~8 이상 물질은 퇴적물에 강하게 흡착되어 생체로 들어가는 양이 오히려 적다. 따라서 Kow가 클수록 농축이 커진다고 단순히 적용하지 않는다.

생물농축, 생물축적, 생물증폭은 적용 범위로 구분한다. 생물농축과 생물축적은 개별 생물체 안에서 일어나고, 생물축적은 먹이와 환경을 모두 포함한다. 생물증폭은 영양단계를 넘어 먹이사슬 전체에서 농도가 올라가는 현상이다.

3. 등장 배경과 필요성

산업화로 중금속과 잔류성 유기오염물질이 하천과 해양에 대량으로 유입되면서, 물속에서는 낮게 측정되는 물질이 생물체 안에서는 높은 농도로 나타나는 문제가 드러났다. 생물농축이 특히 문제가 되는 이유는 물질의 지속성, 먹이사슬을 따라 농도가 점진적으로 높아지는 성질, 물에 잘 녹지 않아 배출이 적은 성질이 겹치기 때문이다. 이 조건이 겹치면 배출보다 흡수가 앞서 체내에 축적된다.