질소 고정

3. 생물학적 질소 고정

생물학적 질소 고정(Biological Nitrogen Fixation, BNF)은 질소 고정 효소를 가진 특정 미생물이 대기 중의 질소(N₂)를 암모니아(NH₃)로 변환하는 과정이다.^[1] 이 과정을 '''질소 동화'''(窒素同化)라고도 한다. 연간 약 1억 9300만 톤의 질소가 생물학적으로 고정된다.

생물학적 질소 고정(BNF)에 대한 전체 반응식은 다음과 같다.

:N₂ + 16ATP + 16H₂O + 8e^- + 8H⁺ → 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16P_i^[15]

이 과정은 16당량의 ATP의 가수 분해와 결합하며, 1당량의 H₂가 함께 생성된다.^[15] N₂가 암모니아로 변환되는 것은 철-몰리브덴 보조 인자(FeMoco)라고 하는 금속 클러스터에서 발생한다. 이 메커니즘은 FeMoco 활성 부위가 N₂ 기질을 수소화하는 일련의 양성자화 및 환원 단계를 거쳐 진행된다.^[16] 자유 생활 디아조영양생물에서 질소 고정 효소에 의해 생성된 암모니아는 글루타민 합성 효소/글루탐산 합성 효소 경로를 통해 글루탐산으로 동화된다. 질소 고정에 필요한 미생물 nif 유전자는 다양한 환경에 널리 분포되어 있다.^[17]

질소 고정 세균(窒素固定細菌)은 공기 중의 질소를 고정해서 암모니아 등으로 바꾸는 세균이나 고균을 말한다. 뿌리혹박테리아는 식물의 뿌리에서 공생하며 흙속의 질소들을 식물에게 도움이 되는 질소로 바꿔준다.

예를 들어, 일반적으로 질소 함량이 낮은 분해성 목재가 디아조영양생물 공동체를 호스트하는 것으로 나타났다.^[18][19] 박테리아는 고정을 통해 목재 기질에 질소를 풍부하게 하여 곰팡이에 의한 사목 분해를 가능하게 한다.^[20]

질소 고정 효소는 산소에 의해 빠르게 분해된다. 이러한 이유로 많은 박테리아는 산소가 있으면 효소 생성을 중단한다. 많은 질소 고정 유기체는 혐기성 유기체 조건에서만 존재하며, 산소 수준을 낮추기 위해 호흡하거나, 레그헤모글로빈과 같은 단백질로 산소를 결합시킨다.^[21][22]

니트로게나제는 대기 중의 질소를 암모니아로 변환시키는 작용을 하는 효소이며, 이 작용을 '''생물학적 질소 고정'''이라고 한다. 질소 고정을 수행하는 미생물을 '''디아조영양 생물'''(diazotroph)이라고 한다.

니트로게나제에 의한 질소 고정 반응은 다음과 같은 식으로 나타낸다.

:{N2} + {8H^+} + {8\mathit{e}^-} + 16 ATP ->

::{2NH3} + {H2} + {16ADP} + 16Pi

• ATP = 아데노신 삼인산, ADP = 아데노신 이인산, Pi = 인산

3. 1. 질소 고정 효소 (나이트로지네이스)

3. 2. 질소 고정 미생물 (디아조트로프)

3. 3. 공생 관계

• ''로바리아''와 ''펠티게라''와 같은 일부 지의류
• 개구리밥 (''Azolla'' 속)
• 소철^[63]
• ''군네라''
• ''블라시아'' (우산이끼)
• 뿔이끼^[64]

• 사탕수수와 불분명한 내생균
• 수수와 ''Azospirillum brasilense''
• 칼라 풀(Kallar grass)와 ''Azoarcus'' sp. BH72 균주
• 벼와 ''Herbaspirillum seropedicae''
• 밀과 ''Klebsiella pneumoniae''
• 옥수수 토착 품종 '시에라 믹스(Sierra Mixe)'/'올로톤'(olotón)^[66]과 다양한 Bacteroidota 및 Pseudomonadota

다음 식물들은 콩과 식물과 마찬가지로 질소 고정 생물과 공생한다. 공생 미생물은 각각 다르며, 남세균과 방선균과 공생하는 것도 있다. 알려진 남세균(시아노박테리아)의 약 절반은 질소 고정 능력을 갖는다.^[83]

• Lobaria lichen^la 및 기타 지衣류
• 개구리밥 속의 고사리 (Azolla^la sp.)
• 쇠뜨기 (Equisetum arvense^la[84])
• 뿔이끼류
• 소철
• 군네라 속의 각종 식물
• 오리나무속 (Alnus^la sp.)
• 소리차 속 (Ceanothus^la sp.)
• 산딸나무 (Myrica^la sp.)
• 마운틴 마호가니 (Cercocarpus^la sp.)
• 비터브러시 (Purshia tridentata^la)
• 버팔로구미 (Shepherdia argentea^la)
• 모크마오우 (Casuarina^la sp., Allocasuarina^la sp.)
• 고구마
• 규조류 (Rhizosolenia^la sp. 등)
• 원석조류 (''Braarudosphaera bigelowii^la'')

3. 3. 1. 콩과 식물과 뿌리혹박테리아

3. 3. 2. 비 콩과 식물과의 공생

다음 식물들은 콩과 식물과 마찬가지로 질소 고정 생물과 공생한다. 공생 미생물은 각각 다르며, 남세균과 방선균과 공생하는 것도 있다. 알려진 남세균(시아노박테리아)의 약 절반은 질소 고정 능력을 갖는다.^[83]

• Lobaria lichen^la 및 기타 지衣류
• 개구리밥 속의 고사리 (Azolla^la sp.)
• 쇠뜨기 (Equisetum arvense^la[84])
• 뿔이끼류
• 소철
• 군네라 속의 각종 식물
• 오리나무속 (Alnus^la sp.)
• 소리차 속 (Ceanothus^la sp.)
• 산딸나무 (Myrica^la sp.)
• 마운틴 마호가니 (Cercocarpus^la sp.)
• 비터브러시 (Purshia tridentata^la)
• 버팔로구미 (Shepherdia argentea^la)
• 모크마오우 (Casuarina^la sp., Allocasuarina^la sp.)
• 고구마
• 규조류 (Rhizosolenia^la sp. 등)
• 원석조류 (''Braarudosphaera bigelowii^la'')

4. 화학적 질소 고정

화학적 질소 고정은 인위적인 방법으로 대기 중의 질소를 고정하는 과정이다. 산업적 질소고정량은 연간 약 85,000,000톤, 번개에 의한 광화학적 질소고정량은 연간 약 9,000,000톤이다.^[78] 연구자에 따라 추정량은 다르다. 번스 앤 하디(Burns and Hardy)는 육상 140TgN/yr, 해양 36TgN/yr 로 추정했고,^[78] 는 인위적 기원 156TgN/yr, 해양 생물 121TgN/yr, 육상 생물 107TgN/yr, 공중 방전 5TgN/yr (3-10TgN/yr의 중간값)로 추정했다.^[80]

내연 기관이나 연소에 따른 질소 산화물의 의도하지 않은 생성 외에도 인위적으로 고정되어 비료를 비롯한 다양한 공업 공정에 사용되고 있다. 가장 일반적인 방법은 하버-보슈법에 의한 것이다. 석회 질소를 포함한 인공 비료의 생산은 매우 큰 양에 달하며, 현재는 지구의 생태계에서 최대의 질소 고정원이 되고 있다.

4. 1. 하버-보슈법

4. 2. 기타 화학적 질소 고정 방법

5. 자연적 질소 고정 (번개)

번개는 고온의 플라스마에서 주변 공기를 가열하여 N₂의 결합을 끊고 아질산(HNO₂)의 형성을 시작한다.^[75] 대기 중의 질소 가스(N₂)와 산소 가스(O₂)를 질소 산화물(NO_x)로 변환하여 질소를 고정할 수 있다. N₂ 분자는 질소 원자 간의 삼중 결합으로 인해 매우 안정적이고 비활성이다.^[75] 번개는 이 결합을 끊을 만큼 충분한 에너지와 열을 생성하여^[75] 질소 원자가 산소와 반응하여 NO_x를 형성하도록 한다. 이 화합물은 식물이 사용할 수 없지만, 이 분자가 냉각되면 산소와 반응하여 NO₂를 형성하고,^[76] 이는 다시 물과 반응하여 HNO₂ (아질산) 또는 HNO₃ (질산)을 생성한다. 이 산들이 토양으로 스며들면 식물에 유용한 질산염(NO₃^-)을 생성한다.^[77][75]

번개의 어원은, 벼락이 벼를 여물게 한다는 믿음에서 유래되었지만, 이는 실제로 낙뢰에 의한 방전에 의해 질소 산화물이 생성되어 수확량이 증가했기 때문이라는 설이 있다. 이와 유사하게 낙뢰가 떨어진 버섯 종균에서는 버섯 수확량이 증가한다고 고대 그리스의 플루타르코스의 저서인 『식탁 담론집』에도 기술될 정도로, 옛날부터 전해져 왔다.^[87]

6. 질소 고정의 중요성 및 환경 문제

6. 1. 질소 순환에서의 역할

6. 2. 식량 생산과의 관계

6. 3. 환경 문제

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