질소 순환

요약 생태계에서 질소가 비생물환경으로부터 생산자, 소비자를 거쳐 다시 비생물환경으로 되돌아오는 현상. 이는 생물체가 행하는 질소 대사에 의해서 생물계와 비생물계 사이를 순환하는 것이며, 질소 고정이 커다란 역할을 수행한다.

생태계에서 질소는 대기 중의 유리질소를 비롯해 질산, 암모니아 등 구조가 간단한 화합물부터 요소, 단백질, 핵산 등 구조가 복잡한 것까지 수많은 물질에 함유되어 있다. 그러나 이들 물질이 서로 관련을 가지고 변하기 때문에 결과적으로 질소 자체가 순환하고 있는 것처럼 보인다. 우선 생태계의 질소는 생물체가 행하는 물질대사, 즉 질소 대사에 의해서 생물계와 비생물계와의 사이를 순환하는데, 이 가운데 큰 역할을 수행하는 것이 질소 고정이다. 대기 중의 유리 질소는 질소 고정에 의해 토양에 들어가 생물체에 이용되고, 여러 가지 모양을 취하면서 순환한다.

질소 고정에는 생물적 질소 고정, 그리고 번개의 공중 방전이나 공중 질소 고정 등의 비생물적 질소 고정이 있다. 생물적 질소 고정은 질소 고정 세균을 비롯해 일부의 조류, 뿌리혹박테리아 등이 행해 대기 중의 유리 질소를 환원시켜 암모니아를 만들고, 글루탐산 수소이탈효소의 작용으로 이것을 α-케토글루타르산과 반응시켜 글루탐산을 만든다. 아미노기 전이 반응에 의해 다른 아미노산을 합성하고, 최종적으로는 단백질을 합성한다. 또한, 생물이 죽으면 부패 세균이 시체를 분해하고, 아미노산은 탈아미노반응을 받아 암모니아가 된다. 이러한 암모니아가 풍부한 토양일수록 비옥하다.

또한 질소 고정 세균인 니트로소모나스는 암모니아를 아질산으로 산화시키고, 다시 니트로박터는 이 아질산을 질산으로 산화한다. 또 고등 식물은 대기 중의 질소를 고정할 수가 없기 때문에, 그 생체 성분의 질소원을 토양 중의 질산 이온에 의존한다. 뿌리로부터 질산 이온을 흡수하여 식물체 내의 효소군에 의해 질산 동화가 일어나고, 만들어진 암모니아를 출발점으로 하여 질소 고정 세균 등의 과정을 거쳐 단백질을 합성한다. 이에 비해 동물에서는 무기 질소 화합물을 이용할 수가 없기 때문에 식물이 합성한 유기 질소 화합물을 이용하여 고유의 단백질을 합성한다. 대장균이나 고초균(枯草菌)은 호흡의 전자(電子) 받개로서 산소 대신에 질산을 사용하여 암모니아까지 환원한다. 이것을 '질산 호흡'이라고 한다. 탈질소균도 질산 호흡을 하는 것으로 여겨지며, 아질산을 유리질소까지 환원하여 대기중에 방출한다.