질소의 순환

 

 

질소의 순환

 

토양에서 질소의 순환은 소보다 더 복잡한 과정을 거친다.

토양 속에 함유되어 있는 질소는 거의 95% 이상의 유기화합물의 형태이다.  

30~45% : 아미노산

5~10% : 아미노당

토양 미생물에 의해 유기 질소 화합물이 여러 단계의 효소 작용을 거쳐

암모니움이온(NH₄+ )으로 분해되는 것 -> 질소의 무기화

토양 유기물이 분해될 때에는 질소 화합물 성분이 먼저 떨어져 나오는 것이 보통이다.

 

 

(1) 질산화작용

토양 조건에 따라 질소는 산화되기도 하고 환원되기도 한다.  질소의 산화작용은 독립영양생물에 의해 이루어진다.  

 

질산화작용(nitrification)의 첫 단계를 완수할 수 있는 세균

: Nitrosomonas. Nitrosolobus, Nitrosovibrio, Nitrosospira, Nitrosococcus 

 

                       O₂
                NH₄+     ----------------------------------→ NO₂
                        Nitrosomonas 등

다음 단계는 한가지 종류의 세균에 의해서 이루어진다.

                           O₂
                NO₂    ----------------------------------→ NO₃
                           Nitrobacter 등

NH₄+   → NH₂OH → [ NOH ] → NO₂→ NO₃

SMALL

이 반응은 산성인 토양 조건에서는 잘 이루어지지 않는다.  산성 조건하에서는 종속영양세균과 균류, 방사선균이 질소를 산화시킬 수 있는 중요한 일을 하는 것으로 알려져 있다.  그러나 그 효능은 훨씬 떨어진다.

질산화작용에 의해 암모늄이 질산염(NO₃)으로 바뀌면 여러 가지 문제가 발생한다.  암모늄은 양전하를 띤 이온이므로 음전하를 지닌 토양 점토에 흡착되어 있다.  그런데 이것이 산화되어 음전하를 가진 질산염의 형태로 바뀌면 토양 입자에 붙어 있을 수가 없고 토양 용액 속에 이온 형태로 존재하게 된다.  따라서 토양수분과 함께 쉽사리 식물 뿌리 쪽으로 움직여 나갈 수 있는 잇점이 있는 반면 용탈되어 토양 밖으로 빠져나갈 가능성이 더 많게 된다.

 땅 속으로 깊숙히 흘러 내려가서 지하수를 오염시킬 수도 있으며 강과 호수로 흘러 들어가면 소위 부영양화( eutrophication) 현상을 일으켜 수질을 크게 손상시키게 된다.  질산염으로 오염된 물은 식수로 부적합하다.

토양을 산성화하는 것은 질산화작용의 부작용 중 하나이다.  암모늄은 일반적으로 토양 병원체에게 해롭다.  이것이 질산화작용에 의해 소멸되므로 인해서 병원체의 활동이 억압에서부터 풀려나게 되는 것이다.  

질산화작용은 과도한 암모늄 축적으로 인한 독성을 완화시켜 주며 암모니아 형태로 휘산(volatilization)되어 없어지는 토양질소의 손실량을 줄여 준다.  토양 입자에 강하게 흡착되거나 고정되어 있어서 토양 생물이 이용할 수 없는 암모늄을 풀어 주는 역할도 질산화작용의 잇점이다.  

 

(2) 탈질작용

산화 상태에 있는 질소 화합물이 토양 조건의 변화와 함께 다시 환원되기도 한다.  물에 잠긴 논처럼 산소가 부족해 지기 쉬운 토양에서는 미생물이 산소 대신 다른 화합물이나 이온을 이용해서 호흡을 하며 생존을 이어 나간다.

 이런 상황에서 종속영양 세균들이 산화 상태의 질소 화합물을 환원시키고, 질산염의 함량이 토양에 많고 분해할 수 있는 유기물질이 가까이 있으면 환원작용을 일으킨다.

일반적으로 공기의 유통이 양호한 토양일지라도 국지적으로는 산소가 결핍되어 있는 지점이 있게 마련이다.  이런 곳에서는 역시 질소환원작용이 발생한다.  이것을 탈질작용 또는 탈질산화작용(denitrification)이라 부른다.

NO₃ →  NO₂ →   NO  →  N₂O  →  N₂

탈질산화작용에 의해 원래 대기 중에 있었던 질소가 다시 대기 중으로 돌아가서 질소 순환을 완결한다.
완전히 질소 가스로 되기 전 단계의 산화물 (N₂O ) 역시 기체로서 이것이 대기 중으로 휘산되어 성층권에 올라가면 태양으로부터 오는 해로운 자외선을 차단시켜 주는 오존층을 파괴하는 물질 가운데 하나로 된다.

 

토양질소의 연쇄적 화학변화

 
  질산화작용
          2NH₄+    +  3O₂ →  2NO₂ +  2H₂O +  4H+   +  에너지
          2NO₂   +  O₂ →   2NO₃ +  에너지

 

탈질작용
         NO₃ →  NO₂ →   NO  →   N₂O   →  N₂
         4NO₃ + C6H12O6   →   6CO₂ +  6H₂O  +  2N₂
  (glucose)

 

암모니아 생성
(NH₂)₂CO  +  2H₂O  →  (NH₄)₂ CO₃   →   NH₄+    +   NH₃ +  CO₂ +  OH

                                 (요소, urea)

 

(3) C/N 비와 질소기아현상

유기물 중의 탄소와 질소의 함량비( 탄질비, C/N 비)

식물조직의 C/N 비는 식물의 종류에 따라서 그 차이가 크다. 유기물의 탄소함량은 40~50%로 거의 일정하나 식물의 종류에 따라서 질소의 함량에 차이가 있기 때문에 C/N 비에 차이가 나타나는 것이다.

 

유기물 및 미생물의 C와 N함량 및 C/N율

유  기  물	유기C함량	전질소함량	C/N율비
세      균 사  상  균 방  선 균 부     식	50 50 50 50	10 5 8.5 4.5	5 : 1 10 : 1 6 : 1 11 : 1

신선한 유기물의 C/N 비는 항상 10보다 크지만 이것이 토양에 들어가 분해되면 약 10 정도로 떨어진다.  여기에는 토양 중에 있는 미생물이 관여해서 이값이 토양미생물의 C/N 비에 접근된 결과이며, 이는 부식의 대부분이 토양미생물의 분해생성물에 의해서 이루어진 것이라는 사실을 의미한다.  

토양 중의 탄수화물은 미생물의 생장 · 번식에 필요한 에너지를 공급한다.  이때에 소비되는 탄수화물은 최후에는 CO₂로 휘산되므로 토양에 남는 유기물의 탄소함량은 휘산되는 탄소 양 만큼 감소하게 된다.  

질소기아현상 :  탄질률이 높은 유기물을 비료로 사용하였을 때 토양에 들어 있는 미생물과의 질소 경합으로 식물이 이용할 수 있는 질소가 부족해지는 현상. 

 

(4) 암모니아화 작용

토양의 유기물에 들어 있는 질소, 즉 유기태 질소는 토양미생물에 의해서 분해되어 무기태질소인 암모니아로 변형되는데 이를 암모니아화작용(ammonification)이라고 한다.  이 반응은 유기태의 질소가 무기태의 질소로 되는 반응이므로 질소의 무기화(無機化, mineralization)작용인 것이다.

 토양에서 암모니아화작용은 일반적인 세균, 방선균, 사상균 등 여러 종류의 미생물에 의하여 일어날 수 있지만, 주요한 미생물은 세균과 곰팡이이며, 이 작용은 40~60℃에서 왕성하게 일어난다.  암모니아화작용을 받아 생성된 암모니아태 질소는 식물이 직접 흡수 이용할 수 있는 유효태로서 주로 토양의 콜로이드에 흡착되어 쉽게 용탈되지 않는다.  

암모니아휘산이란 토양유기물이 분해되어 암모니아가 발생했을 때 이 작용이 표토에서 일어나면 대기 중으로 날아가게 되는 것이고, 토양 pH가 8이상 높을 때 특히 잘 일어난다.

 

(5) 공중질소의 고정

공기 속에 있는 유리질소는 직접 작물에 이용할 수 없는 것이지만, 토양에 있는 미생물에 의하여 질소화합물로 되면 이용이 가능하다.  공기속의 유리질소가 토양 속에 있는 미생물에 의하여 질소화합물로 되는 작용을 공생질소고정(mitrogen fixation)이라고 한다.  

유리질소의 고정은 미생물 단독으로 일어나는 경우(비공생질소고정)와 미생물이 고등식물과 공생함으로써 이루어지는 경우(공생질소고정)가 있다.  비공생질소고정을 하는 미생물로서 중요한 것은 아조토박터와 클로스트리듐 및 남조류이며, 근류균은 콩과 식물과 공생하는 공생질소고정균이다.

(1) 근류균

근류균은 콩과식물의 뿌리에 기생하여 콩과식물로부터 탄수화물을 공급받고, 또한 공기 속의 유리질소를 고정하여 세포를 구성한다.  한편 콩과식물은 근류균이 고정한 질소화합물을 이용하여 자란다.  즉 근류균과 콩과식물은 공생하는 것이다. 근류균의 생육적온은 25~28℃이며 중성 또는 약한 알칼리성 반응을 좋아한다.  

 

(2) 아조토박터와 클로스트리듐

토양 속에서 다른 식물에 기생하지 않고 단독으로 공기 속의 질소를 고정하여 이용하는 세균이다.

아조토박터는 호기성 세균이며, 클로스트리듐은 혐기성 세균이다. 산성에 견디는 힘은 클로스트리듐이 커서 pH5에서 생육하지만, 아조토박터는 pH6으로 내려가면 생육이 어려워진다.

(3) 남조류

논토양에서는 조류의 일종인 남조류가 질소를 고정하여 질소의 비옥도에 크게 기여할 때가 많다.  남조류는 pH7.0~8.0, 온도 30℃ 전후에서 잘 생육한다.  남조류는 여러 가지 무기성분을 필요로 하지만, 특히 인산과 석회가 있을 때에 잘 자란다.