질화

질화 혹은 질산화라 불리는 반응은 암모니아가 아질산(nitrite)을 거쳐서 질산(nitrate)으로 산화되는 과정을 말한다.¹⁾ 질화는 전체 질소순환과정에서 매우 중요한 단계이며 산소가 존재하는 환경에서 발생한다. 역사적으로 19세기 후반에 러시아의 미생물학자인 Sergei Winogradsky가 질화는 미생물에 의해 발생한다는 것을 발견하였다.

목차

유기물 내의 질소는 대부분 환원된 질소로, 유기물의 분해 과정에서 암모니아의 형태로 방출되다. 이과정을 암모니아화(ammonification)라고 한다. 따라서, 질화는 암모니아화와 연결되어 유기물의 광물화에 매우 중요한 역할을 하고 있다.

암모니아의 산화는 미생물에 의한 두 단계의 산화반응(1. 암모니아가 아질산으로, 2. 아질산이 질산으로)을 거쳐 일어난다. 일반적으로 암모니아가 아질산으로 산화되는 반응이 속도 결정단계라고 할 수 있다. 암모니아가 아질산으로 산화되는 과정에 관여하는 미생물로 암모니아산화세균(ammonia-oxidizing bacteria: AOB)과 암모니아산화고균(ammonia-oxidizing archaea: AOA)이 알려져 있다. 아질산은 아질산산화세균(nitrite-oxidizing bacteria; NOB)에 의해 질산으로 산화된다.

최근에는, 고전적으로 NOB로 알려진 Nitrospira에 속하는 일부 미생물이 암모니아를 질산으로 산화시키는 두 단계의 반응을 모두 수행할 수 있는 것으로 밝혀졌다(comammox).²⁾³⁾ 아래의 대표적인 질화미생물이 알려져 있으나, 최근 새로운 질화미생물들이 추가로 보고 되고 있다.

AOB에는 Betaproteobacteria(Nitrosomonas, Nitrosospira)와 Gammaproteobacteria(Nitrosococcus)에 속하는 세균이 알려져 있다. AOA에는 Thaumarchaeota에 속하는 3 그룹의 미생물이 알려져 있다⁴⁾: I.1a (Nitrosopumilales), I.1a-associated (Nitrosotalea)⁵⁾, I.1b (Nitrososphaerales).

NOB에는 Proteobacteria와 Nitrospirae에 속하는 다양한 그룹의 미생물들이 알려져 있다⁶⁾: Alpha-(Nitrobacter), Delta-(Nitrospina), 와 Gammaproteobacteria(Nitrococcus); Nitrospirae(Nitrospira).

두 단계의 산화반응 모두 ATP를 만들 수 있는 충분한 에너지를 방출할 수 있으며, 또한, 역전자전달계(reverse electron transport chain)를 통하여 NADPH를 생성할 수 있다. 이렇게 만들어진 ATP와 NADPH 환원력을 이용, 이산화탄소를 고정하여 유기탄소원으로 이용할 수 있으므로 전형적인 독립영양(autotroph)미생물이다. 암모니아 외에 요소(urea)와 cyanate의 분해로부터 방출되는 암모니아를 이용할 수 있는 질화미생물들도 존재하는 것으로 알려져 있다.

각각의 생물들이 생장하기 위하여 선호하는 질소원(암모니아, 질산, 아질산 등)은 종류마다 다르다. 질화는 생물이 이용할 수 있는 질소의 형태를 바꾸는 역할을 하므로, 토양 및 해양의 생태계 군집변화에 중요한 역할을 한다. 또한, 토양의 경우 아질산 혹은 질산이 암모니아에 비해 수용성이 높기 때문에, 질화는 토양으로부터 빠른 질소유실을 유발하여 비료의 효율을 감소시킨다. 더불어, 유출된 질산은 부영양화의 원인으로, 지하수 및 육수의 환경오염에 기여한다. 따라서, 토양에서 질소(암모니아)의 손실을 막아 질소비료의 효율을 증가시키고, 하천 혹은 지하수의 (아)질산 오염을 줄이기 위하여 다양한 질화저해제가 광범위하게 이용된다.

하/폐수처리장에서는 하폐수로부터 부영양화의 원인을 제거하기 위하여, 질화반응과 탈질(denitrification)반응을 결합시킨 공법을 이용하고 있다. 이를 통하여, 암모니아를 질산을 거쳐 대기중 질소(N₂)로 전환시킬 수 있다: 호기적 조건에서 질화반응으로 만들어진 질산은 혐기성(무산소) 조건하에서 탈질반응에 의해서 전자수용체로 이용되어 대기중 질소로 전환된다.

질화는 다음의 두 단계의 산화반응에 의해 암모니아가 질산으로 전환되는 반응이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\mathrm{NH_3 + O_2 \longrightarrowN{O_2}^{-} + 3H^{+} + 2e^{-}} @@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@\mathrm{N{O_2}^{-} + H_2 O \longrightarrowN{O_3}^{-}+ 2H^+ +2 e^- } @@NAMATH_DISPLAY@@

암모니아의 산화단계에는 필수적인 두 효소가 관련되어 있다. 첫째, ammonia monooxygenase(AMO) 라는 효소가 반드시 필요하다. 이 효소에 의하여 암모니아는 hydroxylamine으로 전환이 된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\mathrm{ N H_3 + O_2 + 2H^+ \longrightarrow NH_{2}OH +H_{2}O } @@NAMATH_DISPLAY@@

생성된 hydroxylamine 중간체는 hydroxylamine oxidoreductase(HAO)라는 다른 효소에 의해 아질산으로 전환되는 것으로 알려져 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\mathrm{N H_2 O H + H_2 O \longrightarrowN{O_2}^{-} + 5 H^+ + 4 e^-}@@NAMATH_DISPLAY@@

하지만, 최근 HAO는 NO(산화질소)로 전환시키기만 하고 (아래 식) NO를 아질산으로 전환시키는 효소가 따로 있을 것으로 추정되는 결과가 발표되었다⁷⁾.

@@NAMATH_DISPLAY@@\mathrm{N H_2 O H \longrightarrow N O + 3 H^{+} + 3 e^-}@@NAMATH_DISPLAY@@

AMO는 메탄 산화에 있어 가장 중요한 첫 단계의 효소인 methane monooxygenase와 매우 유사한 구조를 가지고 있으므로 진화적인 연관성이 있다. 실제로, 두 효소는 기능적인 측면에서도 유사하여 암모니아와 메탄은 서로에게 경쟁적 기질로 작용한다. 질화의 두 번째 단계인 아질산 산화반응은 nitrite oxidoreductase라는 효소에 의해 발생한다.

해양환경에서는 질소가 주요 제한 영양염으로 작용하므로 질소 순환은 매우 중요하다. 특히, 질화는 암모니아를 질산으로 만들기 때문에 조류(algae)에 의한 일차생산에 매우 중요한 질소를 제공하게 된다. 전세계적인 해양산성화으로 인하여 질화미생물의 활성이 저해되면, 궁극적으로 1차생산에 영향을 미치게 된다. 일부 연안을 제외한 대부분의 해양에서 질화과정 중 암모니아의 산화는 주로 AOA에 의해 일어나고 있는 것으로 밝혀지고 있다. 이에 관여하는 AOA는 Nitrosopumilus로 알려진 I.1a그룹에 속하는 Thaumarchaeota 고균들이다. 대양과 같은 빈영양(oligotrophic)환경에서 AOA가 우점하는 것은 AOA가 AOB보다 100배 이상의 기질(암모니아 및 산소)친화도를 가진 특징에 기인하는 것으로 추정된다. 아질산의 산화과정에는 주로 Nitrospina 혹은 Nitrobacter가 관련되어 있는 것으로 알려지고 있다. 질화반응 두 단계를 동시에 수행하는 comammox 세균도 환경에 널리 분포하는 것으로 알려지고 있으며, 이는 AOB에 비해 comammox의 높은 기질 친화도와 관련이 있는 것으로 추정되고 있다.

그림 1 해양환경의 질소순환과 질산화 단계(출처: Francis, C. A., Beman, J. M., and Kuyper, M. MM. 2007. ISME J , 1: 19-27)

토양에서의 질화 반응은 AOA와 AOB가 모두 중요하게 관여하는 것으로 알려져 있다. 토양은 해양과는 달리 I.1a그룹의 AOA보다는 1.1b그룹의 AOA가 질화과정에서 중요하게 작용하는 것으로 알려지고 있다. 또한, 산성토양에서는 I.1a-연관 그룹의 Nitrosotalea라는 호산성(acidophilic) 고균이 질화에 중요한 역할을 하는 것으로 알려지고 있다.

그림 2 토양환경의 질소순환과 질산화 단계 (출처: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html )

이성근/충북대학교

김승범/충남대학교

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2. van Kessel, MA; Speth, DR; Albertsen, M; Nielsen, PH; Op den Camp, HJ; Kartal, B; Jetten, MS; Lücker, S (26 November 2015). 'Complete nitrification by a single microorganism.'. Nature. 528: 555–9. PMC 4878690  . PMID 26610025 . doi: 10.1038/nature16459.
3. Daims, H; Lebedeva, EV; Pjevac, P; Han, P; Herbold, C; Albertsen, M; Jehmlich, N; Palatinszky, M; Vierheilig, J; Bulaev, A; Kirkegaard, RH; Bergen, MV; Rattei, T; Bendinger, B; Nielsen, PH; Wagner, M (26 November 2015). 'Complete nitrification by Nitrospira bacteria.'. Nature. 528: 504–9. PMID 26610024 . doi: 10.1038/nature16461.
4. Hatzenpichler R. (2012) Diversity, physiology and niche differentiation of ammonia-oxidizing archaea. Appl Environ Microbiol 78: 7501-7510
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6. Holger Daims and Michael Wagner A New Perspective on Microbes Formerly Known as Nitrite-Oxidizing Bacteria Trends in Microbiology Volume 24, Issue 9, p699–712, September 2016 DOI:
7. Caranto, J. D., and Lancaster, K. M. 2017. Nitric oxide is an obligate bacterial nitrification intermediate produced by hydroxylamine oxidoreductase. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (31): 8217–8222.