생태학적 배출(ecological footprint 또는 생태학적 발자국)은 개인 또는 국가를 유지하는 원료와 식량을 제공하는데 필요한 천연자원의 양을 보여준다. 자연이 실제로 인간에게 제공하는 것이 무엇인지에 대한 배출을 비교하는 것은 인간이 환경에 대한 영향을 보다 더 쉽게 이해할 수 있게 해준다.
환경 과학자들은 화학물질의 혼합이 생태계 건강에 영향을 끼치는 환경으로 얼마나 배출되는지를 설명하는 화학물질 오염(chemical pollution)에 대하여 유사한 배출을 개발하는 데 주력해왔다. 최근 두 개의 별개로 진행된 연구는 수생 생태계에 대한 지표와 같이 화학물질 발자국(chemical footprint)을 산출하는 최초의 방법을 보고했다. 이러한 1 세대 화학물질 발자국을 이용하는 분석은 대부분의 유럽 국가들이 하천과 호수에서 생태계에 대하여 안전한 수준으로 화학물질 오염을 희석하는 데 충분한 담수를 확보하지 못했다는 것을 제안했다.
다수의 화학물질이 환경으로 배출되고, 이러한 화학물질의 다양한 물리적 특성과 독성학적 특성은 오염물질 발자국의 개발에 대한 과거의 시도를 방해해왔다고 네덜란드 공중 보건 및 환경을 위한 국립 연구소(National Institute for Public Health & the Environment) 소속의 환경 과학자이며, 두 개의 연구 중 첫 번째 연구의 주저자인 Michiel C. Zijp은 밝혔다. 일부 과학자들은 화학물질의 누적 배출 또는 환경에서 화학물질의 농도를 더하려는 시도를 해왔다. 그러나 간과하고 있는 것은 생태계에 손상을 유발하지 않는 수준으로 존재하는 환경 농도의 비교에 있다고 덴마크 기술 대학(Technical University of Denmark) 소속의 환경 공학자이며 다른 연구의 주저자인 Anders Bjørn은 밝혔다.
Zijp과 Bjørn은 문제를 해결하기 위하여 거의 이상적인 작업 틀을 각각 찾아냈다. 두 연구팀은 유럽 연합이 보고한 화학물질 배출 목록에 의지했다. 이후 연구팀은 이러한 화학물질의 혼합물이 수생 먹이사슬에서 식물과 동물에 초래하는 독성학적 영향을 예측하기 위하여 일련의 모델을 채용했다. 환경을 파괴하지 않고 유지할 수 있는 오염 수준을 결정하기 위하여, 과학자들은 일부 오염이 5% 미만의 종이 낮은 수준의 만성적 효과를 경험하는 것에 지나지 않는 한 용인될 수 있는 것으로 언급하고 있는 유럽연합 물 작업 틀 지침(EU Water Framework Directive)을 이용했다. 최종적으로 두 개의 화학물질 발자국 계산은 얼마나 많은 물이 배출된 화학물질을 안전한 수준으로 희석하는 데 필요한지를 결정한다.
Zijp의 연구에서, 연구진은 유럽에서 배출되는 벤젠, 포름알데히드 및 4염화에틸렌(tetrachloroethylene) 등과 같은 630 종의 유기 화합물을 분석했다. 담수와 해수를 모두 고려할 때, 과학자들은 이러한 화합물의 발자국이 유럽에서 이용할 수 있는 물의 양보다 훨씬 더 적다고 추정했다. 그러나 Zijp과 그의 동료 연구진은 북서부 유럽에 위치한 라인 강, 뫼즈 강 및 스켈트 강 등의 수계에서 살충제에 대한 화학적 발자국을 생성했을 때, 다른 결과를 확인했다. 2008년 살충제 발자국은 하천에서 이용할 수 있는 물보다 약 7배 더 컸다. 또 발자국은 1998년 이후 특히 유해한 살충제의 사용을 억제하는 규제 덕분에, 거의 80%까지 축소했다고 Zijp은 밝혔다.
Bjørn 연구팀은 금속, 용매 및 살충제 등을 포함한 173개 화학물질의 영향을 조사함으로써, 28개 유럽 국가에 대하여 화학물질 발자국 접근을 테스트했다. 연구팀이 하천과 호수 등의 담수의 양에 대한 발자국을 비교했을 때, 대부분의 국가는 안전한 수준으로 화학물질 혼합물을 희석하기 충분한 양의 물을 확보하지 못했다. 예를 들면, 네덜란드는 화학물질 오염을 희석하는데 18배의 하천과 호수의 담수를 필요로 한다. 아연과 구리가 연구된 모든 국가의 화학물질 발자국에서 우세한 것으로 나타났다.
Zijp과 Bjørn은 이러한 화학물질 발자국이 개선이 필요하고, 자신들이 수행한 추정이 대략적이라는 점을 인정했다. 예를 들면, Bjørn은 그의 연구팀의 발자국이 개선된 배기가스 배출목록을 이용하여 예측됐으며, 수체가 화학물질을 얼마나 유지할 것인가 등과 같은 지역 환경 조건을 고려하는 모델로 개선됐다.
그러나 Zijp은 과학자들이 국가가 어떻게 오염물질을 관리하는가를 이미 논의하고 있으며, 화학적 발자국에 의해 제공된 견해를 이용할 수 있기 때문에 완벽한 모델을 기다릴 필요는 없다고 지적했다.
미국 아이오와 대학(University of Iowa) 소속의 환경 화학자인 David M. Cwiertny는 이러한 1세대 지표가 규제를 개발하기 충분할 정도로 정확하지 않지만, 좋은 출발점이라고 밝혔다. 실제로 그는 화학물질 발자국이 평균 인간이 관여할 수 있는 방식에서 생태계 영향의 개념을 의사소통하고 규제에 대한 화학물질의 우선순위를 정하는 방법으로 조명했다.
그림1> 화학물질 발자국. 대부분의 유럽 국가는 화학물질 오염을 안전한 수준으로 희석하기 충분한 양의 담수를 확보하지 못하고 있다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 11월 14일]
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Two Groups Develop Chemical Footprints For Freshwater Ecosystems
An ecological footprint is a popular metric that shows the amount of natural resources required to provide raw materials and food to sustain an individual or a country. Comparing the footprint to what nature actually can provide allows people to easily grasp their impact on the environment.
Environmental scientists have struggled to develop a similar footprint for chemical pollution that explains how the mix of chemicals released into the environment affects ecosystem health. Now, two separate groups report the first methods for calculating such an indicator for aquatic ecosystems. Analyses using these first-generation chemical footprints suggest that most European countries don’t have enough freshwater in their rivers and lakes to dilute chemical pollution to safe levels for ecosystems.
The large number of chemicals released into the environment and their different physical and toxicological properties have stymied previous attempts at developing a chemical footprint, says Michiel C. Zijp, an environmental scientist at the Netherlands’ National Institute for Public Health & the Environment and lead author of one of the studies. Some researchers have tried to summarize cumulative emissions of chemicals or their concentrations in the environment. “But what was missing was a comparison of environmental concentrations to levels that don’t cause damage to ecosystems,” says Anders Bjørn, an environmental engineer at the Technical University of Denmark and lead author of the other study.
Zijp and Bjørn independently came up with nearly identical frameworks for solving the problem. Both teams drew on chemical emissions inventories reported by the European Union. They then adapted a series of models to predict the toxicological impact that this soup of chemicals would have on plants and animals in the aquatic food web. To determine sustainable levels of pollution, the scientists turned to the EU Water Framework Directive, which states that some contamination is acceptable as long as no more than 5% of species experience low-level chronic effects. Finally, the two chemical footprint calculations determine how much water would be required to dilute the released chemicals to this safe level.
In Zijp’s study, he and his colleagues analyzed 630 organic compounds, such as benzene, formaldehyde, and tetrachloroethylene, emitted in the EU. Taking into account both fresh and marine water, the scientists estimate that the footprint of these compounds is smaller than the available water volume in Europe. But Zijp and his team found a different result when they generated a chemical footprint for pesticides in the watershed of the Rhine, Meuse, and Scheldt Rivers in northwestern Europe. In 2008, the pesticide footprint was about seven times greater than the available water in the rivers (Environ. Sci. Technol. 2014, DOI: 10.1021/es500629f). This was so even after the footprint shrank by nearly 80% since 1998, thanks to regulations curtailing the use of particularly harmful pesticides, Zijp says.
Bjørn and his team tested their chemical footprint approach on 28 European countries, examining the impact of 173 chemicals, including metals, solvents, and pesticides. When they compared the footprint to the amount of freshwater in rivers and lakes, most countries didn’t have enough water to dilute the chemical mixture to safe levels. For example, the Netherlands would need to multiply the volume of its rivers and lakes 18 times to dilute its existing chemical pollution (Environ. Sci. Technol. 2014, DOI: 10.1021/es503797d). Zinc and copper dominated the chemical footprints of all countries studied.
Both Zijp and Bjørn acknowledge that these chemical footprints need refining, and that the estimates are rough. For example, Bjørn thinks his team’s footprint would benefit from improved emissions inventories and updated models that take into account local environmental conditions such as how long chemicals stay in bodies of water.
But Zijp points out that scientists shouldn’t wait for perfect models because nations are already discussing how to manage pollution and could benefit from insights provided by the chemical footprint.
David M. Cwiertny, an environmental chemist at the University of Iowa, says these first-generation indicators probably aren’t accurate enough for developing regulations, but they’re good starting points. Eventually, he sees chemical footprints as a way to “prioritize chemicals for regulation and communicate the concept of ecosystem impacts in a way that the average person can relate to.
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