질소고정

질소고정은 식물, 동물 및 다른 유기체가 대기 중의 유리 질소를 다른 원소와 결합하여 암모늄 이온(NH₄⁺) 등의 무기 화합물을 생성하는 과정이다. 대기 중의 질소는 가장 풍부한 화학 원소이며, 지구 대기의 대부분을 구성한다.¹⁾ 그러나 질소(N)나 질소 분자(N₂)는 상대적으로 불활성이기 때문에 다른 화학 물질과 쉽게 반응하지 않는다. 그러므로 유기체가 이용하기 위해서는 다른 형태로 변환시켜야 할 필요가 있다.

목차

수천년 동안 농경 생활 속에 농민들은 완두콩, 대두와 같은 콩과 식물에 속한 식물이 다른 비콩과 식물들을 심을 때 보다 작물의 성장을 촉진한다는 것을 알고 있었다. 밭에서 콩과 작물을 재배하는 것은 이듬해 비콩과 작물의 수확량을 훨씬 더 늘렸다. 이는 작물을 순환적으로 재배하는 것으로 이어졌으며, 로마 문학에 기록된 기술에서 확인할 수 있다. 과거 고대 로마인들은 작물 순환 재배를 통해 얻어진 개선된 결과라고 인식했으나, 토양의 질소 보충을 통해 얻어진 개선된 효과라는 것을 알지 못했다. 나중에 콩과 식물이 토양에 질소를 보충해줬다는 사실을 알았지만, 19세기에 연구가 될 때까지 대기 중의 질소 분자가 콩과 식물에 의해 어떻게 암모늄 이온으로 전환되었는지를 알지 못했다. 화학자인 Hermann Hellriegel(1831-1895)은 콩과 식물이 대기 질소를 질소고정 과정을 통해 보충한다는 것을 발견했다. 그는 또한 콩과 식물의 뿌리에 있는 뿌리혹(nodules)에서 질소고정이 일어나는 것을 발견했다.²⁾미생물 및 식물학자인 Martinus Willem Beijerinck(1851-1931)는 뿌리혹에 미생물이 포함되어 있는 것을 발견하였다. 그는 이 미생물이 박테리아라는 것을 증명하여 리조비아(rhizobia)라고 명명하였다. 그는 리조비아가 질소고정의 화학적 과정을 수행한다는 사실과 식물과 박테리아의 공생으로 토양의 비옥도를 증가시키는 것이 농업에 필수적인 것을 발견하였다. 뿌리혹의 박테리아는 콩과 식물의 성장에 질소를 공급하는데 필요하지만, 리조비아는 영양원과 성장 환경을 식물 뿌리혹에 의존한다.³⁾

질소고정 발견에 공헌한 과학자들(출처:https://commons.wikimedia.org)

질소순환은 대기, 육지 및 해양 생태계 사이를 순환하면서 질소가 다양한 화학 형태로 변환되는 생물지구화학적 순환(biogeochemical cycle)이다. 질소순환에서 중요한 과정은 고정(fixation), 암모니아화(ammonification), 질산화(nitrification), 탈질화(denitrification)이다. 지구 대기의 대부분(78%)은 질소인데, 생물학적 이용 가능성이 제한되어 있기 때문에 대부분의 생태계에서 사용 가능한 질소는 부족하다. 또한, 질소 이용 가능성은 일차 생산 및 분해를 포함한 주요 생태계 과정의 속도에 영향을 미칠 수 있기 때문에 질소순환은 매우 중요하다.

생물학적 질소 순환의 간단한 모식도 (출처:한국식물학회)

질소는 공기 중에 산소와 결합하여 질소산화물로 변환할 수 있는데 이는 번개에 의해 촉매된다. NO_x는 물과 반응하여 아질산 또는 질산을 생성할 수 있는데, 이는 토양에서 식물을 재배하는데 사용되는 질산염으로 변환된다.

생물학적 질소고정은 질소고정효소라 불리는 효소 들의 복합체(nitrogenease enzyme complex)에 의해 질소를 암모니아로 전환될 때 일어난다.¹⁾ 효소  복합체는 디니트로지나아제 환원효소(dinitrogenease reductase)와 디니트로지나아제(dinitrogenease)로 구성되어 있다.¹⁾

니트로지나아제(나이트로지네이즈) 복합체(nitrogenease complex)로, 효소에 의한 질소고정에서의 환원력과 기질의 흐름을 보여주는 모식도(출처:서미정)

전체 반응식은 다음과 같다.

N₂ + 16ATP + 8e^- + 8H⁺ → 2NH₃ + H₂ + 16ADP +16Pi[반응식] 니트로지나아제에 의해 촉매되는 반응식

위 과정은 16 ATP를 가수분해하는 것과 H₂ 한 분자 생성을 동반한다. 디니트로지나아제(dinitrogenease)는 16 ATP를 이용하여 N₂에서 NH₃로 환원하는데 사용되는 고에너지 전자들을 공급하며, 공급된 에너지는 디니트로지나아제 환원효소[dinitrogenease reductase 또는 몰리브덴-철 단백질(Mo-Fe protein)]에서 질소가스(N₂)를 암모니아로 전환시킨다.⁴⁾⁵⁾ 대기 중의 질소를 고정하는 박테리아인 디아조트롭(Diazotroph)에서 나이트로지네이즈에 의해 생성된 암모니아는 글루타민 합성경로/글루탐산 합성 경로(glutamine synthetase/glutamate synthase pathway)를 통해 글루탐산으로 동화된다. 질소고정을 위해 필요로 하는 미생물 유전자는 다양한 환경에 분포되어 있고,⁶⁾⁷⁾ 니트로지나아제 활동에 관련되어 있는 효소들은 산소에 의한 분해에 매우 민감하다. 이러한 이유로 많은 질소고정 박테리아는 산소 존재 하에서 효소  생산을 중지한다. 많은 질소고정 유기체들은 산소 레벨을 낮추기 위해 호흡하거나 뿌리혹 헤모글로빈(leghemoglobin)과 같은 단백질에 산소를 결합시킴으로서 혐기성 조건에서만 존재한다.¹⁾

질소고정에 관여하는 생물(출처:서미정)

대기의 질소가 특정 화학 물질과 반응할 가능성은 1828년 Desfosses에 의해 처음 관찰되었다. 그는 탄소와 알칼리 금속 산화물이 고온에서 질소와 반응한다는 사실을 발견하였다. 탄산바륨(barium carbonate)을 출발 물질로 사용하여 상업적으로 사용되는 최초의 공정은 1860년대에 Margueritte and Sourdeval에 의해 개발되어 이용되었다. 생성된 시안화바륨(barium cyanide)은 암모니아 증기와 함께 반응할 수 있다. 1898년 Adolph Frank와 Nikodem Caro는 이 과정을 분리하고 칼슘카바이드(calcium carbide)를 처음 생산하였고, 다음 단계에서 그것을 질소와 반응시켜 칼슘 시안아미드(calcium cyanamide)를 생성하였다. 질산 생산을 위한 오스트발트 공정(Ostwald process)은 1902년 발견되었다. Frank-Caro 공정과 오스트발트 공정은 1909년 Haber 공정 발견 전까지 질소의 산업 고정을 지배하였다.⁶⁾⁷⁾ 1900년도 이전에 Nikola Tesla 또한 고주기 또는 진동 비율을 가진 파장을 사용하여 산업적 질소고정을 위한 실험을 수행하였다.⁸⁾⁹⁾

인공 비료 생산은 현재 지구 환경에서 인간이 수행하는 질소고정 자원 중에 가장 큰 부분을 차지한다. 암모니아는 비료, 폭발물, 다른 제품들의 전구체로서 필수적이다. 가장 일반적인 방법은 하버(Haber) 공정이다. 하버 공정은 고온, 고압(섭씨 400도, 200 atm) 조건이 필요하며 산업적 촉매가 사용된다. 이런 고효율적인 공정은 수소나 질소와 같은 천연 가스를 사용한다.¹⁰⁾ 질소고정을 위한 촉매를 찾기 위해 다양한 연구가 수행되어져 왔다. 이러한 연구는 종종 공정에 요구되는 에너지를 줄이기 위하여 수행되었다. 그러나 이와 같은 연구는 하버 공정의 효율성과 용이성을 증가시키지는 못했다. 많은 복합체들이 대기 질소와 반응하여 산화 이질소 복합체(dinitrogen complexes)를 생성한다. 최초로 보고된 이질소 복합체는 Ru(NH₃)5(N₂)²⁺이다.¹¹⁾

Haber-Bosch 공정을 통한 암모니아 생산을 위한 산업 설비의 개략도(출처:https://commons.wikimedia.org) https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=kbs4547&logNo=20207633091&proxyReferer=https%3A%2F%2Fwww.google.co.kr%2F

1. Postgate, J. (1998) Nitrogen Fixation (3rd ed.). Cambridge University Press,
2. Hellriegel, H.; Wilfarth, H. (1888) Untersuchungen über die Stickstoffnahrung der Gramineen und Leguminosen[Studies on the nitrogen intake of Gramineae and Leguminosae]. Buchdruckerei der 'Post' Kayssler & Co.,
3. Beijerinck, M. W. (1901) Über oligonitrophile Mikroben [On oligonitrophilic microbes]. Centralblatt für Bakteriologie, Parasitenkunde, Infektionskrankheiten und Hygiene, 7: 561–582
4. Peter M.H. Kroneck, Martha E. Sosa Torres (2014) The Metal-Driven Biogeochemistry of Gaseous Compounds in the Environment. Metal Ions in Life Sciences. Springer, 147–174
5. Hoffman, B. M.; Lukoyanov, D.; Dean, D. R. 등 (2013) Nitrogenase: A Draft Mechanism. Acc. Chem. Res, 46: 587–595
6. Heinrich, H.; Nevbner, Rolf (1934) Die Umwandlungsgleichung Ba(CN)2 → BaCN2 + C im Temperaturgebiet von 500 bis 1000 °C [The conversion reaction Ba(CN)2 → BaCN2 + C in the temperature range from 500 to 1,000 °C]. Z. Elektrochem. Angew. Phys. Chem, 40: 693–698
7. Curtis, Harry Alfred (1932) Fixed nitrogen. J. Chem. Educ., 9: 2006
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