질소, 매우 풍부하나 매우 안정적인 PART-1
질소(Nitrogen)는 질소족 원소(Nitrogen group element)로 2주기 15족에 속하는 비금속원소로 상온에서는 기체로 존재합니다. 재미있게도 현 지구 대기에 가장 많이 포함되어 있는 기체로 일반적으로 무려 약 78%가 차지고 하고 있습니다. 그 다음으로는 산소(21%), 이산화 탄소(0.4%) (주1)
이게 왜 재미있는 사실이냐면 실제 우주에서는 그렇게 흔한 원소가 아니기 때문입니다. 지금까지 밝혀진 바로는 우주에서도 철(Fe)보다 적은 물질이라고 하니 철이 어떻게 생성되는지를 알면 지구상에서 비정상적으로 질소가 많이 있는 셈이죠.
이 질소끼리 결합하면 3중 결합을 하게 되는데, 이 N≡N 결합의 에너지는 942 kJ/mol로, 두 원자 간 결합 에너지로는 최상급입니다. 그만큼 안정한 결합이기 때문에 상온에서는 반응성이 작아 거의 어떠한 물질과도 반응하지 않습니다.
문제는 식물이 자라는 데 필수적인 요소가 질소라는 점입니다. 그런데 지구 상에 존재하는 대부분의 질소는 공기 중에 질소 분자 형태로 존재하는데 이 질소 간 결합이 너무나 공고해서 토양에 고정되는 일이 거의 없었다는 것입니다. 이렇게 토양에 고정되는 일이 거의 없다보니 농사를 짓게 되면 땅에 지력이 점차 고갈되게 되는데 이는 땅 속에 질소농도가 고갈된다는 의미입니다.
질소가 토양에 고정되는 일은 번개로 인해 대기 중 질소 분자의 3중 결합이 끊어져 산소와 반응, NO 혹은 NO2 같은 질소 화합물을 형성하여 토양에 고정되는 방법이 유일하며 아니면 뿌리혹박테리아 같이 질소고정(Nitrogen fixation)이 가능한 생물과 공생하는 방법 밖에는 없었죠. 이를 생물학적 질소고정이라 하며 미생물에 의해 토양에서 자연적으로 이뤄집니다.
이렇게 식물경작에 필요한 질소를 땅에 얻기가 힘들다 보니 과거 춘경지, 추경지, 휴경지로 밭을 나눠 경작하는 삼포제를 하면서 휴경지에 지력을 체우는 방식을 많이 사용하였습니다.
하지만 이는 늘어나는 인구를 부양하는 데 한계가 있었고 인분을 이용하거나 것도 모자라서 가축의 배설물도 사용했지만비위생적인 것은 물론(기생충의 순환이 어디에서 많이 일어났는지에 대한 대답) 생각 외로 질소 함량이 많지 않아 효율이 매우 좋지 않았습니다. 비슷한 예로 강이나 바다를 접한 곳들은 팔고나 먹고 남는 생선들을 거름밭에 썩혀서 천연비료로 사용 했지만 역시 효율의 문제가 있었습니다.
애당초 세계 4대 문명을 이룬 것도 물을 공급할 수 있는 강이란 존재 때문이기도 했지만 이 강들의 경우에는 상류에서 내려오는 토사와 미네랄 덕분에 강들의 범람으로 자연적으로 비료를 대체하는 효과가 있었기 때문에 가능한 것이었습니다. 단적으로 황하강은 적색에 가까운 황토색인데, 여기에는 여러 가지 유기물이 적절하게 섞여 물 자체가 액체비료인 셈이라 농업 생산량이 우월했고, 고대 이집트는 너무나도 유명한 나일강의 주기적인 범람으로 인해 미네랄이 풍부한 흙이 계속해서 제공되었죠. 이집트인들은 이 흙을 케메트(검다)라고 불렀습니다.
비슷한 예로 우크라이나에는 CHERNOZEM이라 불리는 검은 흙이 있는데 이 검은 흙은 퇴비, 비료 등을 주지 않아도 농사에 적합한 양질의 유기 토양물이 많아 식물이 자라는데 최적화돼 있는 기름지고 비옥한,한마디로 질소가 풍부한 흙입니다.
산이 거의 없는 우크라이나는 평야 지대가 대부분인데, 특이한 점으로는 봄에 피었던 풀은 겨울을 나지 못하고 죽고, 그 죽은 풀이 그대로 쌓인 채 마르고 썩게 됩니다. 그 흙이 바로 부엽토가 됩니다.
이런 부엽토가 쌓이고 쌓여 수 미터가 되면 그것이 바로 CHERNOZEM이라는 것입니다.
이렇게 우크라이나는 계절 변화의 특징으로 검은 흙이 많이 생겨나게 되고, 평야가 많은 이유로 숲이 우거지지 못해 1년생 식물을 주로 심는다고 합니다. 그리고 그 식물들이 썩어 검은 흙이 계속 생기는 현상이 발생합니다.
하지만 모든 전세계의 땅이 이런게 아니었으니 문제였던 것이죠. 이게 다 질소가 너무 안정적이어서 벌어지는 일....
이렇게 유럽 지역은 점점 쇠락해가는 지력으로 농사가 휘청이고 부양인구가 폭발적으로 늘어나는 가운데 신대륙에서 선물이 하나가 전달되는데 그것이 바로 Guano(인광석)였습니다. Guano는 동물의 배설물이 몇 천년 간 축적되어서 된 광물질로 영양분과 유기물질, 특히 인산염과 질소화합물이 풍부하여 여타 천연 비료와는 상대가 되지 않을 정도로 엄청난 질소 화합물을 가지고 있습니다. 최대 20%의 질소를 함유하고 있다니 비율상으로는 어마어마한 양이죠. 이 신대륙의 Guano를 가지고 고효율의 질소비료로 쓸 수 있단 사실이 알려지고 나서 유럽은 몇 해간 풍작을 이어 갔고 이제 더 이상 질소 부족으로 인한 농작물 생산의 걱정은 끝난 것처럼 보였습니다.
왜 것처럼 보였냐면 이 Guano는 화약 제조에 필요한 질산염을 얻는 주요 자원이었기 때문입니다. 그러기에 Guano 수요는 전세계적으로 엄청난 것에 비해 Guano는 생물 퇴적물이기 때문에 생성 기간은 오래 걸려 수요와 공급이 금방 불일치 해버리게 된 것이죠
이 때문에 1865년 스페인은 페루, 칠레, 에콰도르, 볼리비아와 Guano가 퇴적된 새똥섬을 두고 전쟁을 벌이게 될 정도가 되었습니다. 결국 1872년 Guano는 고갈이 되어 페루는 Guano 수출을 전면 금지하게 됩니다.
세계 인구는 계속해서 늘어가는데 이 질소 공급은 Guano 고갈 이후 점점 감소하자 인류는 기아의 공포에 시달리게 되는데...
이 때 이에 관련되어 두 사람이 등장하게 됩니다.
TO BE CONTINUED...
