생지화학적 순환

생지화학적 순환은 생물과 무기환경 사이에서 일어나는 물질의 순환경로로 원소, 화합물, 기타형태로 물질이 순환한다. 저장풀(reservoir pool)과 교환풀(exchange pool)의 2가지 풀로 이루어진다. 산소, 탄소, 질소 순환과 같이 대기를 저장소로 이용하는 기체형 순환, 황, 인순환(phosphorus cycle)과 같이 지각을 저장소로 이용하는 퇴적형 순환 2가지 형태가 있다. 모든 순환은 유입, 내부순환, 유출의 기본요소로 구성된다.

목차

생지화학적 순환은 저장풀(reservoir pool)과 교환풀(exchange pool) 또는 순환풀(cycling pool)의 2개의 풀로 구성된다.

저장풀(reservoir pool)은 일반적으로 크고 천천히 이동하는 비생물적인 요소를 말한다.

교환풀(exchange pool)은 순환풀(cycling pool)이라고도 하며 저장풀보다 작고 생물적 요소와 비생물적 요소 사이에서 급격한 교환이 이루어지는 부분을 말한다.

대기를 저장소로 이용하는 기체형 순환과 지각을 저장소로 이용하는 퇴적형 순환으로 분류된다.

기체형 순환(gaseous cycle)은 대기 또는 해양을 저장소로 이용하는 형태로 질소, 산소, 탄소 및 물의 순환이 이에 속한다. 기체형 순환은 퇴적형 순환보다 더 빨리 이동하며, 생물권의 변화에 더 쉽게 적응한다.

퇴적형 순환(sedimentary cycle)은 지각을 저장소로 이용하는 형태로 철, 칼슘, 인, 황의 순환이 이에 속한다.

탄소는 생물체를 구성하는 가장 중요한 물질로 탄소의 저장고는 대기와 해양이다. 대기중의 탄소는 주로 이산화탄소(CO₂)의 형태로 존재한다. 대기 중의 이산화탄소는 녹색식물의 광합성에 의해 식물체 내에 유기물로 고정된다. 식물이 죽으면 부패로 다시 토양으로 방출되며 시간이 지남에 따라 화석연료의 형태로 전환된다. 화석연료의 연소시 대부분의 탄소는 이산화탄소의 형태로 다시 대기로 유입된다. 식물체 내에 유기물로 고정된 탄소는 일부는 생산자인 식물의 호흡에 의해 다시 분해되어 이산화탄소 형태로 대기로 유입되며, 나머지는 먹이사슬을 따라 소비자인 동물 및 인간으로 이동한다. 동물 및 인간으로 이동한 유기물 속의 탄소는 동물과 인간의 호흡에 의해 이산화탄소 형태로 대기로 다시 유입되며, 동물과 인간의 부패를 통해 다시 토양으로 방출되어 석탄이나 석유와 같은 화석연료의 형태로 전환된다.

탄소순환 (출처: )

질소는 기체의 형태로 지구 대기의 대부분(약 78%)을 차지하며 생물의 DNA 및 단백질의 구성원소로 생물에 필수적인 요소이나 대부분의 생물들은 질소 기체를 이용할 수 없다. 식물은 이러한 질소 기체를 생물학적 이용에 사용할 수 없으며, 암모늄 이온(NH₄⁺) 및 질산염(NO₃^-)과 같은 이온 형태의 질소만을 이용할 수 있다. 따라서 대기에 존재하는 질소 기체는 질소고정(nitrogen fixation)이라는 과정을 거쳐 생물 체내로 흡수된다. 이러한 질소고정은 미생물에 의해 일어나는 생물적 질소고정과 번개 등에 의해 일어나는 비생물적 질소고정 및 사람에 의한 산업적 질소고정이 있다. 생물학적인 질소고정은 질소고정세균에 의해 이루어지며 이들 질소고정세균은 니트로게나아제(nitrogenase)라고 하는 질소고정 효소(nitrogenase)를 이용하여 대기 중의 질소 기체를 암모니아(NH₃) 형태로 전환한다. 이러한 질소고정세균에는 토양에서 자유생활을 하는 Azotobacter와 고균이 있으며, 콩과식물에 공생하는 뿌리혹박테리아가 있다. 이렇게 고정된 질소는 식물에 의해 흡수된다. 고정된 질소는 생물의 사후 분해과정을 통해 암모니아의 형태로 토양환경에 방출되는데 이를 암모니아화(ammonification)라고 한다. 방출된 암모니아는 토양에 존재하는 수소 이온(H⁺)에 의해 암모늄 이온(NH₄⁺)으로 전환된다. 식물은 주로 암모늄 이온 형태로 질소를 흡수하게 된다. 암모늄 이온은 질산화세균인 Nitrosomonas에 의해 산화되어 아질산염 이온(NO₂^-)으로 산화되고, 아질산염 이온은 Nitrobacter에 의해 산화되어 질산염 이온(NO₃^-)으로 산화되는데 이를 질산화(nitrification)이라고 한다. 질산염 이온은 식물의 뿌리를 통해 흡수되거나 탈질화(denitrification)를 거치게 된다. 탈질화란 질산염이온이 Pseudomonas와 같은 혐기성 미생물에 의해 N₂O와 N₂로 환원되는 과정으로 이를 통해 토양 중의 질소는 다시 기체 형태로 대기로 돌아가게 된다. 이러한 질소고정, 암모니아화, 질산화, 탈질화 과정을 거쳐 질소가 순환되는 과정을 질소순환이라고 한다.

질소순환 (출처: )

질소고정 효소(nitrogenase), 암모니아화(ammonification), 질소고정(nitrogen fixation), 콩과식물, 광합성, 미생물, 혐기성, 뿌리혹, 탈질화(denitrification), DNA, 인순환, 공생, 세균, 질화, 부패, 질소 순환(nitrogen cycle), 탄소 순환(carbon cycle)

김동욱/상지대학교

최경희/원광대학교