토양학 대기, 토양 및 식물체 내에서 일어나는 질소순환에 대해 기술하시오. 질소분자는 무색, 무미, 무취로 되어있고 대부분의 질소는 대기 중에 기체로 존재한다. 질소는 지구 대기 성분의 약 80%를 차지한다.

수치로 계산하면 축구경기장 하나 당 3만 톤에 달하는 질소가 있는 셈이다. 우리는 질소로 이루어진 바다에 살고 있는 것이나 다름없다. 자연계에 있는 질소화합물은 크게 두 가지, 무기와 유기 질소 로 나눌 수 있다.

질소분자 질산, 암모니아 가 전자에, 후자는 단백질과 아미노산, 핵산 등을 들 수 있다. 대기 중의 질소는 비, 눈, 먼지 와 함께 토양으로 유입.

질소는 대기에서 시작되어 세균을 거쳐 식물에게 들어와 동물과 미생물을 거쳐 다시 대기로 돌아가는 순환 과정을 반복하게 된다. 이러한 일련의 순환 과정을 질소순환이라고 한다.

이 글에서는 대기, 토양 및 식물체 내에서 일어나는 질소순환에 대해 기술해보겠다.

(1) 대기에서 일어나는 질소순환

먼저 대기에서 일어나는 질소순환에 대해 알아보겠다. 대기 중의 질소 기체는 공기의 약 80%를 차지하고 있지만 3중결합의 구조로 단단히 결합되어 있는 분자이기 때문에 거의 대부분의 생물들이 이용할 수 없는 형태이다. 기체 형태의 질소 분자를 생물 체내로 흡수하여 생물에게 가용하게 만드는 질소 고정이 일어나야 생물들이 질소를 이용할 수 있다.

공기의 거의 80%가 질소 기체이지만 남세균을 비롯한 소수의 세균들만이 이를 암모니아로 전환하는 질소고정을 수행할 수 있다. 질소 고정은 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.

생태계 내로의 질소 유입은 대기로부터 침적되는 것이 대표적이다. 질소는 대기로부터 생태계로 습성강하와 건성강하 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 현상을 일으킨다. 아나목스는 혐기성 암모늄 산화(anaerobic ammonium oxidation)의 약자이다.

영문 명칭 그대로 무산소 조건에서 일어나는 암모니아 산화 과정을 말한다. 이 때 나온 전자가 아질산에게 전달되어 아질산을 질소분자로 환원시킨다. 아나목스 세균은 암모늄 산화를 통해 상당한 에너지를 얻고 질소 기체를 방출한다.

따라서 이는 탈질화 과정과 비슷한 경제적 손실을 의미한다. 하지만 이것을 잘 이용하면 폐수처리 과정에서 암모니아나 관련 화합물을 더 효율적이고 친환경적으로 제거할 수 있다. 아나목스 세균은 보통 부유균문(수생 세균 문의 하나로, 바닷물과 민물이 섞인 기수, 해수와 담수에서 샘플이 발견된다)에 속하는데, 다양한 종류의 아나목스 세균이 발견되고 있다.

(2) 토양에서 일어나는 질소순환

토양에서 일어나는 질소순환에 대해 알아보면, 먼저 암모니아화 작용은 미생물 속에 고정된 질소가 미생물 활동의 노폐물 또는 사후 분해 과정을 통해 암모니아(NH3) 형태로 토양 환경에 방출되게 된다. 이 과정을 암모니아화라고 한다. 토양에 흔히 존재하는 수소 이온에 의해 암모니아는 빠르게 암모늄(NH4+) 이온으로 빠르게 전환.

많은 식물들이 질소를 암모늄이온 형태로 흡수한다. 탈질소 작용은 혐기성 조건에서 슈도모나스와 같은 세균들은 질산염을 이산화질소와 질소로 환원시키는 것을 말한다. 환원된 질소 기체는 다시 대기로 돌아간다.

자유생활을 하는 질소고정 세균은 식물 뿌리에서 약 2 mm 이내의 지역인 근권에서 주로 발견된다. 대표적인 자유생활 질소고정 세균인 아조토박터(Azotobacter) 속 세균들은 매우 빠르게 산소를 소비하여 질소화 효소가 있는 세포 내부로 산소가 확산되는 것을 최소화함으로써, 산소에 민감한 효소를 보호하는 것으로 보인다. 남세균의 경우에는 산소가 없는 환경을 제공하는 이질낭이라는 특화된 구조 안에서 질소고정을 수행한다.

질소분자 1g을 고정하려면 약 10g의 포도당이 필요하기 때문에 보통 토양에서는 질소고정 필요한 에너지를 충당할 수 있는 에너지원으로 사용할 유기물이 부족하다. 그럼에도 불구하고 이들 질소고정 세균은 초원과 숲, 북극 툰드라 등과 같은 지역의 질소 공급에 중요한 기여를 한다.

3. 결론

지금까지 대기, 토양 및 식물체 내에서 일어나는 질소순환에 대해 기술해보았다. 인간의 활동은 전 지구적 질소 순환에 막대한 영향을 준다. 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. 인간이 자연과 공생하기 위해서는 자동차의 배기가스를 줄이고 공장의 가동을 제한하는 등 환경을 보호하기 위한 노력을 해야 할 것이다.

4. 출처 및 참고문헌

강혜순 외. 생태학, 라이프사이언스, 2012 https://goo.gl/GEH35H