유기탄소와 무기탄소 : 수중 탄소(Total Carbon, TC)의 구성

탄소는 생명체와 비생물계 모두에 필수적인 원소입니다. 하지만 탄소는 결합 형태와 화학적 특성에 따라 크게 유기탄소와 무기탄소로 나뉩니다. 이 글에서는 유기탄소와 무기탄소의 차이를 이해하고, 특히 유기탄소가 생명체에 중요한 이유를 살펴보겠습니다.

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1. 유기탄소란

유기탄소는 주로 탄소(C)와 수소(H)의 결합을 포함하는 화합물에서 발견됩니다. 이러한 결합은 생명체의 기본 구성 요소인 단백질, 탄수화물, 지방, 핵산 등에서 중요한 역할을 합니다.

유기탄소의 특징

• C-H 결합 포함 : 유기탄소는 탄소와 수소가 결합한 형태를 기본으로 하며, 종종 산소(O), 질소(N), 인(P), 황(S) 등의 원소와도 결합
• 복잡한 구조 : 단순한 메탄(CH₄)에서부터 DNA 같은 복잡한 분자까지 다양한 구조
• 생명체와 밀접한 관계 : 유기탄소 화합물은 생명체의 에너지원, 구조적 구성요소, 대사과정의 필수요소로 사용

C-H 결합 특성

• C-H 결합은 약 412kJ/mol의 높은 결합에너지를 가지며, 이를 끊으면 많은 에너지가 방출
• 전기음성도 차이가 작아 안정적인 결합을 형성하며, 생명체의 에너지원으로 효율적
• 포도당(C₅H₁₂O₆)같은 유기분자는 C-H 결합을 통해 에너지를 저장하고, 세포 호흡 과정에서 에너지를 방출

2. 무기탄소란

무기탄소는 주로 C-H 결합이 없는 탄소 화합물에서 발견됩니다. 이는 자연계에서 흔히 존재하며, 생명체와 비생명체 모두에 중요한 역할을 합니다.

무기탄소 특징

• C-H 결합 없음 : 이산화탄소(CO₂), 탄산염(CO₃^2-), 탄소 광물 등이 이에 해당.
• 비생물계에서 주로 발견 : 대기, 바다, 암석 같은 환경에서 주요한 형태로 존재
• 탄소 순환: 대기중의 CO₂는 광합성 과정에서 생명체로 흡수되고, 다시 호흡과 분해 과정을 통해 방출

무기탄소 예

• 이산화탄소(CO₂) : 식물의 광합성에 사용되며, 생물권과 지구 대기관 사이의 탄소순환에 핵심적인 역할
• 탄산염(CaCO₃) : 석회암 같은 암석에서 발견되며, 화석 연료 연소와 해양 화학에 영향을 미침

3. 생명체에서 유기탄소의 중요성

에너지 저장과 방출

• 유기탄소 화합물은 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 생명체가 필요할 때 에너지를 방출할 수 있음
• 탄수화물, 지방은 C-H 결합을 통해 에너지를 방출하며 ATP를 생성

구조형성

• 유기탄소는 세포벽, 세포막, 단백질 구조 등의 기본 구성 요소를 형성
• 셀로로스(C₆H₁₀O₅)는 식물 세포벽의 주요 성분

화학반응의 중심

• 생명체의 대사 과정은 유기탄소 화합물의 화학반응(산화-환원)에 의존

4. 수중 탄소(Total Carbon, TC)의 구성

가. 총 탄소  (TC, Total Carbon)

• 물속에 존재하는 모든 형태의 탄소(TC = TOC+TIC)

나. 총 유기탄소 (TOC, Total Organic Carbon)

• 유기물(Organic Compounds)에 포함된 탄소량
• 탄소가 C-H, C-O, C-N 결합 등의 형태로 존재
• 자연적 기원 : 플랑크톤, 식물 잔해, 미생물 분해 산물
• 인위적 기원 : 산업 폐수, 농업 배출물, 생활하수

☞ 수질 분석에서 TOC를 측정하는 이유

• 미생물의 호흡과 관련 : 물속 생물학적 활성도를 평가

<TOC의 구성>

DOC(Dissolved Organic Carbon, 용존 유기 탄소)

• 필터(0.45㎛)로 걸러진 유기 탄소
• 예 : 포도당, 아미노산, 자연적 유기물(NOM)

POC(Particulate Organic Carbon, 입자성 유기 탄소)

• 필터(0.45㎛) 보다 큰 입자 형태의 유기 탄소
• 예 : 부유하는 유기물, 플랑크톤 잔해

다. 총 무기탄소 (TIC, Total Inorganic Carbon)

• 탄산염(Carbonates), 중탄산염(Bicabonates), 이산화탄소(CO₂)등의 형태

☞ 수질에서 TIC 

• pH 4.5 이하 : 주로 용존 CO₂ 형태
• pH 4.5 ~ 8.3 : 중탄산(HCO₃^-) 형태
• pH 8.3 이상 : 탄산염(CO₃^2-) 형태
• 수중 알칼리도(Alkalinity), 경도(Hardness)와 밀접한 관계
• 무기탄소의 농도는 물의 산도 및 석회질 포함 여부와 관련됨

◈ 총 탄소 (TC) = 총 유기탄소(TOC) + 총 무기탄소(TIC)

◈ TOC는 유기물 오염도를 나타내는 주요 지표

◈ TIC는 물의 산도(pH), 경도, 탄산염 시스템을 이해하는 데 중요

◈ TC를 측정한 후 TIC을 제외하면 TOC 값을 구할 수 있음