질소순환

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질소순환

[ nitrogen cycle ]

대부분의 질소는 대기 중에 기체로 존재한다. 대기 중의 질소는 비, 눈, 먼지 등과 함께 강하하여 토양으로 유입된다. 질소는 주로 질소고정박테리아와 같은 토양미생물에 의하여 암모니아나 질산염으로 고정되며 번개 등에 의해 비생물적으로도 고정된다. 또한 인간에 의해 질소비료가 산업적으로 생산된다. 고정된 질소는 식물에 흡수되며 동물로 이동된다. 고정된 질소는 주로 슈도모나스(Pseudomonas)와 같은 미생물의 탈질소 작용에 의해 질소로 환원되어 대기로 돌아간다. 이러한 일련의 순환 과정을 질소순환이라고 한다.

목차

  1. 1.과정
    1. 1.1.생태계 내로의 질소 유입
    2. 1.2.토양미생물의 질소 가공
  2. 2.전지구적 질소 순환
  3. 3.인간 활동이 질소 순환에 미치는 영향
  4. 4.참고문헌

과정

생태계 내로의 질소 유입
  • 대기로부터 침적 : 질소는 대기로부터 생태계로 습성강하(wet deposition)와 건성강하(dry deposition) 형태로 생태계로 유입된다. 비나 눈과 함께 유입되는 것을 습성강하하고 하고 먼지 형태로 유입되는 것을 건성강하라고 한다. 특히 강우에 의한 습성강하 과정에서 질소산화물 NOx는 물과 결합하여 질산을 형성하여 산성비를 만든다. 대기로부터 과다한 질소 침적은 산림의 쇠퇴를 가져오는 질소 포화(nitrogen saturation)1) 현상을 일으킨다.
  • 질소고정 : 대기 중의 질소 기체(N2)는 공기의 약 80%를 차지하지만 3중결합으로 단단히 결합되어 있는 분자로 거의 대부분의 생물들이 이용할 수 없는 형태이다. 기체 형태의 질소 분자를 생물 체내로 흡수하여 생물에게 가용하게 만드는 과정을 질소고정(nitrogen fixation)이라고 한다. 질소고정은 원핵생물인 세균과 고세균에 속하는 미생물들에 의해 일어나는 생물학적 질소고정, 생물과 관계없이 번개 등에 의해 일어나는 비생물적 질소고정, 그리고 사람에 의해 공중 질소를 암모늄 비료로 만드는 산업적 질소고정이 있다. 질소고정을 하는 생물은 Rhizobium과 같은 콩과식물 공생 세균과 Frankia와 같은 비콩과식물 공생 세균 및 Anabaena와 같이 이형세포를 가진 남세균 등이 대표적이다.
토양미생물의 질소 가공
  • 암모니아화 작용(ammonification) : 질소고정 미생물 속에 고정된 질소는 미생물 활동의 노폐물 또는 사후 분해 과정을 통해 암모니아 NH3 형태로 토양 환경에 방출된다. 이 과정을 암모니아화라고 한다. 토양에 흔히 존재하는 H+ 이온에 의해 암모니아는 빠르게 암모늄(NH4+) 이온으로 빠르게 전환된다. 많은 식물들이 질소를 암모늄이온 형태로 흡수한다.
  • 질산화 작용(nitrification) : 한편 어떤 호기성 토양미생물은 암모늄 이온을 산화시키는데 Nitrosomonas는 NH4+를 아질산염(NO2-)으로 산화시키고, Nitrobacter는 아질산염을 질산염(NO3-)으로 산화시킨다. 이 두 과정을 통틀어 질산화 이라고 한다. 식물의 뿌리는 질산염 형태를 흡수할 수 있다.
  • 탈질소 작용(denitrification) : 혐기성 조건에서 슈도모나스와 같은 세균들은 NO3-를 N2O와 N2로 환원시키는데 이를 탈질소 작용이라고 한다. 환원된 질소 기체는 다시 대기로 돌아간다.

질소순환 과정. (출처:한국식물학회)

전지구적 질소 순환

대기는 질소의 가장 큰 저장소이며 약 3.9 x 1021g의 질소가 존재한다.2) 육상생태계의 생물 체내에 3.9 x 1015g, 토양에는 약 120 x 1015g 으로 대기에 비해 상대적으로 질소의 저장 양이 적다. 지구 전체의 육상생태계에서 탈질소 작용에 의해 대기로 돌아가는 질소의 양은 연간 약 200 x 1012g으로 추정되고 이 중 절반 이상이 습지 생태계에서 방출된다. 해양에서는 탈질소 작용에 의해 연간 약 110 x 1012g의 질소가 대기로 돌아간다. 연간 생물학적으로 고정되는 질소의 양은 약 15 x 1012g 정도이다.

인간 활동이 질소 순환에 미치는 영향

인간의 활동은 전 지구적 질소 순환에 막대한 영향을 준다.3) 농업활동, 공업 및 자동차 등을 통해 인간은 질소 순환에 영향을 준다. 농업에서 막대한 양으로 사용되는 질소 비료의 대부분은 작물에 흡수되지 않고 지하수와 지표수를 통해 수생태계로 들어가 부영양화를 일으킨다. 자동차 배기가스와 공장의 연소를 통해 아산화질소(N2O)와 일산화질소(NO), 이산화질소 (NO2) 등 질소산화물이 대기로 유입된다. 대기중에 배출된 질소산화물은 육상생태계로 다시 침적하면서 토양 및 수생태계 산성화와 토양 질소포화를 일으킨다.

참고문헌

1. 김준호 (2006) 대기 산성 강하물: 삼림의 질소 포화. Journal of Ecology and Field Biology, 29: 305-321
2. 강혜순 외 옮김. (2015) 생태학, 9판. 라이프사이언스,
3. Knoll, AH, Canfield, DE, Konhauser, KO (2012) Fundamentals of Geobiology. Blackwell Publishing Ltd,