암모니아화

[ ammonification ]

암모니아화(ammoniation)란 유기질소화합물의 대사 중 과량의 질소가 암모니아 또는 암모늄 이온의 형태로 방출되는 대사이다. 대부분의 암모니아화는 세포 내외의 질소-함유 분자가 효소의 작용에 의해 분해되면서 암모니아가 방출되는데 이 반응은 호기성 및 혐기성 미생물뿐만 아니라 많은 식물과 동물에서도 일어난다. 한편 혐기성 조건에서 질산염(nitrate)이 최종 전자수용체로 작용하여 암모니아로 환원되어 방출될 수도 있는데 이를 질산염 암모니아화라 한다.

조개 껍데기(shell)에 남아있던 폐각근의 아미노산 분해 시 암모니아화에 의해 생성된 암모니아로 초기에 알칼리도가 증가함. (출처: )

질소는 세포에서 물을 제외했을 때 질량비로 세번째로 많은 양을 차지하는 원소이다. 그러나 자연 환경에는 가용한 형태의 질소가 부족하여 생물체에 중요한 생장 제한요인으로 작용하는데, 농업에서는 생산성을 높이기 위해 질소비료를 가장 많이 투여하게 된다. 그러나 가용한 질소가 풍부할 경우에는 물에서 생장 제한이 사라져서 광합성 생물이 많이 자라나 이로 인해 오염 현상이 발생하기도 한다. 질소는 가장 환원된 -3의 원자가 상태(valence state)인 비이온화 암모니아(ammonia, NH₃) 또는 암모늄(ammonium, NH₄⁺) 이온부터 가장 산화된 질산염(nitrate, NO₃^-)까지 다양한 산화환원 상태로 존재한다. 이로 인해 환원된 질소 화합물은 전자공여체로, 산화된 질소 화합물은 전자수용체로 작용하여 다양한 질소의 산화환원 반응이 일어나게 된다.

생물체에서 질소는 유기질소화합물에서 대부분 환원된 아미노기(NH₂-)나 이미노기(NH-)의 형태로 존재한다. 유기질소화합물이 형성될 때에는 유기물에 암모니아가 직접 결합하는 암모늄 동화(ammonium assimilation)가 일어나거나 질산염이 암모늄으로 환원되는 동화적 질산염 환원(assimilatory nitrate reduction) 후 유기질소화합물이 합성된다. 일부 원핵생물들은 N₂를 암모늄으로 환원시키는 질소 고정(nitrogen fixation) 후 유기질소화합물을 만든다. 반대로 유기질소화합물이 분해될 때에는 암모니아가 떨어져 나오는 암모니아화가 일어날 수 있다.¹⁾

질소 순환 (출처: )

암모니아화

암모니아화는 유기질소화합물의 대사에서 일어나는데, 세포 내에서 암모늄 동화의 역과정으로 아미노기(NH₂-)를 제거하는 탈아미노화(deamination)의 결과로 암모늄 이온(ammonium ion)이 생성되는 대사이다. 떨어져 나온 암모늄이 다시 유기질소화합물을 동화하는데 사용될 수 있지만, 질소화합물이 충분할 경우에는 암모늄의 독성 때문에 이를 배출해야 한다. 물을 충분히 이용할 수 있는 수서생물은 물에 용해된 암모늄의 형태로 내보내는데 그렇지 않은 경우에는 암모늄을 사람을 포함한 포유류 등의 동물에서는 요소(urea)로 만들어 소변으로, 그리고 조류, 파충류나 곤충 등은 물에 녹지 않는 요산(uric acid)으로 만들어 대변으로 배출한다. 암모니아화는 미생물에 의한 유기물 분해 시 광물화(mineralization) 과정으로 흔히 일어나는데, 암모니아화 미생물이 유기질소화합물을 분해하여 제거된 아미노기를 암모늄 이온(ammonium)의 형태로 방출하면 높은 pH에서 비이온 상태의 암모니아(ammonia)로 전환된다.

대부분의 미생물, 식물과 동물이 암모니아화를 수행하는데, 각종 유기물의 분해자로 작용하는 많은 호기성 및 혐기성 미생물들이 다양한 환경 조건에서 중요한 역할을 한다. 특히 동식물의 사체 등 질소 함유 유기물이 많은 환경에서 암모니아화가 많이 일어나는데, 습지나 성층(stratification)이 일어난 담수호에서 유기물이 무산소성 하층으로 침전될 때 상당량의 암모니아가 발생하는 것이 대표적인 예가 된다.

암모늄 동화와 암모니아화가 일어나는 비율은 환경에서의 탄소/질소 비(C/N ratio)에 의해 결정되는데 토양에서 세균과 진균 세포의 평균 C/N비는 각각 약 5와 10이며 전체 평균은 약 8로 추정된다. 그러나 미생물 호흡의 결과로 인해 탄소의 상당량이 이산화탄소로 소실되며 질소의 순환이 탄소보다 더 효율적이므로 20의 C/N 비가 이론적뿐만 아니라 실제 관찰된 균형비가 된다. 따라서 20 이하 C/N 비의 유기물이 토양에 유입되면 암모니아화(질소의 광물화)가 발생하며 20 이상일 경우 암모늄 동화(질소의 고정화)가 일어나게 된다. 진균의 비중이 토양보다 낮은 수환경에서는 C/N의 균형비가 20보다 낮을 것으로 추정된다. 그러나 토양환경에서는 유기물 분해 시 분해산물이 부식질(humus)로 전환되어 생분해가 빨리 일어나지 않을 수 있으며, 암모늄도 화학무기영양 질산화 원핵생물에 의해 질산염으로 산화되거나, 부식질과 점토 광물에 결합되고 또한 암모니아가 알칼리성 조건에서 휘발될 수 있기 때문에 환경에서 암모니아의 동태는 매우 복잡하고 다양하게 일어나게 된다.²⁾

하구습지에서 높은 온도와 염분도에 의한 토양 질소 광물화(암모니아화)의 증가로 축적된 암모늄 이온 ()

질산염 암모니아화

유기질소화합물에서 발생하는 암모니아화 이외에 다른 암모니아 발생경로가 있는데 혐기성 호흡에서 산화된 형태의 질산염이 유기물 분해 시 나오는 전자의 최종수용체로 작용하여 환원되면 암모니아가 발생할 수 있는데 이 대사과정을 암모니아로의 이화적 질산염 환원(dissimilatory nitrate reduction to ammonia, DNRA)이라 한다. 최근 이를 질산염 암모니아화(nitrate ammonification) 또는 호흡성 암모니아화(respiratory ammonification)라 부르고 있다³⁾⁴⁾. 이 반응은 아래 그림에서처럼 먼저 질산염(nitrate, NO₃^-)이 전자공여체에서 오는 전자를 받아 아질산염(nitrite, NO₂^-)으로 환원된 후 다시 히드록실아민(hydroxylamine, NH₂OH)을 거쳐 암모늄(NH₄⁺)으로 각각 다른 환원효소에 의해 순차적으로 환원된다. 생성된 암모늄은 아래 그림에서처럼 유기질소화합물 생성에 사용될 수도 있다.

암모늄으로의 환원과 달리 대부분이 유기물인 전자공여체로부터 온 전자에 의해 최종 전자수용체인 질산염이 아질산염으로 환원된 후 일산화질소(nitric oxide, NO)와 아산화질소(nitrous oxide, N₂O)를 거쳐 질소 기체(N₂)로 단계적으로 환원되는 대사를 탈질 또는 탈질화(denitrification)라 하는데, 무산소 조건에서 일어나는 질산염 호흡(nitrate respiration)의 결과로 일어난다. 질산염 암모니아화와 탈질화는 둘 다 혐기성 호흡에서 질산염을 최종 전자수용체로 사용해서 일어나는데 만일 전자공여체로 작용하는 유기물이 제한된다면 유기물이 많지 않은 대부분의 토양에서처럼 DNRA 대신 탈질화가 우세하게 일어난다. 그러나 유기물이 많은 대신 전자수용체인 질산염이 적다면 DNRA가 우세하게 일어나는데 유기물이 많은 정체 수역, 하수 슬러지, 퇴적층, 반추위 등이 그 예가 된다²⁾. 흥미롭게 DNRA를 수행하는 다양한 세균의 대부분은 산화 대사보다 발효를 선호하는 종류들이며, 반대로 탈질화 세균들은 대부분이 혐기성 호흡대사를 하는 종속영양체이며 일부는 화학독립영양체이거나 발효대사를 하는 것들도 있으며 특이하게 호기성 조건에서도 탈질화를 하는 세균들도 보고되었다.

Epsiloproteobacteria의 초기 가지에 속하는 Nautilia profundicola에서 역 hydroxylamine: ubiquinone redox module (reverse-HURM) 경로에 의한 암모니아화. (A) nitrate reduction (B) HURM (C) hydroxylamine transport (D) hydroxylamine reduction to ammonium ()

미국 플로리다의 여러 지역의 표층 2 cm 망그로브 토양을 함유한 관류식 반응조에서 관찰된 DNRA에 의한 질산염 환원, 암모니움 생성과 아질산염 생성의 평균 안정상태 속도 ()

집필

송홍규/강원대학교

감수

곽민규/을지대학교

참고문헌

1. Atlas, R. and Bartha, R. 1998. Microbial Ecology: Fundamentals and Applications. 4th ed. pp. 414-425, Benjamin/Cummings Pub. Co.
2. Maier, R., Pepper, I., and Gerba, C. 2009. Environmental Microbiology. 2^nd ed. pp. 302-309, Academic Press.
3. Slobodkina, G., Mardanov, A., Ravin, N., Frolova, A., Chernyh, N., et al. 2017. Respiratory ammonification of nitrate coupled to anaerobic oxidation of elemental sulfur in deep-sea autotrophic thermophilic bacteria. Frontiers in Microbiology.
4. Balk, M., Laverman, A., Keuskamp, J., and Laanbroek, H. 2015. Nitrate ammonification in mangrove soils: a hodden source of nitrite? Frontiers in Microbiology.

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