B511_001_질소사이클_1_일반사항

질소사이클_1_일반사항 

 

식물 양분으로서 질소의 중요성

 

질소가스는 지구 대기의 78%를 차지한다. 또한 다양한 형태의 질소가 암반, 토양, 퇴적물, 바다 그리고 생물에 존재한다. 성장하는 식물,동물, 미생물은 지속적인 질소 공급원을 필요로 한다. 이것은 단백질의 필수성분이며, 세포와 식물조직을 형성한다. 게다가, 이것은 다른 필수적인 생화학물질의 기능을 위해 필요하며, 이것들로는 클로로필, 많은 효소(생화학장용을 하고 양분을 축적), 그리고 DNA, RNA( 이것들은 생식생장과 관계됨)같은 핵산등이 포함된다. 대부분의 미생물과 식물은 주변의 토양과 물로부터 질소를 얻는다. 동물들은 섭취하는 음식으로 부터 질소를 흡수한다. 소소의 유기체들은 대기중의 질소가스로 부터 질소를 흡수하지만, 이것은 유기체가 에너지를 많이 소모한다.

모든 주요 식물 양분중, 질소는 종종 식물의 성장과 수확의 중요한 결정인자이다. 질소가 부족한 식물은 잘자라지 않고, 잎이 노랗게 된다. 토양에 질소가 있음에도 불구하고 성장과 수확은 보통 질소가 더해지면 증가한다. 이것은 토양에 있는 대부분의 질소는 식물이 흡수할 수 없는 형태로 토양 유기물에 저장되어 있기 때문이다. 화학비료들은 식물이 바로 또는 간단한 변환을 하고난 후 사용할 수 있는 형태로 공급한다. 분뇨, 바이오솔리드, 퇴비등 유기물은 일정부분 쉽게 사용할 수 있는 형태로 공급하지만, 이러한 유기물속의 대부분의 질소는 유기화합물 안에 포함되어 있으며, 이것은 식물이 질소를 사용할 수 있기 전에 분해되어야 한다. 비록 일정 부분의 분해는 비교적 빠르게 일어나지만(1년내), 대부분의 유기질소는 식물이 이용가능한 형태로 변화되기 위해서는 수년이 걸린다. 한편, 토양속의 미생물들은  사용불가능한 유기 형태로 되돌려져 결국 토양 유기물에 들어가고 저장될 질소의  분해 과정을 통해 방출된 일부의 질소를 합성, 변환한다.

단지 너무적은 질소는 문제를 야기시키고, 너무 많은 질소 또한 문제를 일으킨다. 이러한 문제들은 식물, 인간, 동물 그리고 환경에 까지 확장할 수 있다. 예를들면, 식물에서 너무 많은 질소는 곡류에서 약한 줄기를 만들고, 복숭아, 사과같은 과일에서는 품질을 떨어뜨리며, 사탕무에서는 당도를 떨어뜨린다. 과도한 질소는 시금치, 마초(풀)같은 식물의 식용 가능한 잎에서 질산의 축적이 되게 할 수 있다. 이같은 질산이 많은 음식의 섭취는 동물이나 인간에 대해 잠재적으로 건강을 해칠 수 있다.

환경에 대한 문제는 과도한 토양 질소가 표토로 부터 흘러나가거나 토양속을 통과해 나가서 물이나 다른 생태계에서 발견되며, 또한 비에 의할 수도 있다. 대부분의 이러한 질소는 질산이나 암모늄 같은 용해될 수 있는 형태이다. 질소가 호수, 강 또는 다른 표면수에 흘러가면 물의 특성을 변화시키며 수질을 빨리 악화 또는 부영양화를 가속시킬 수 있다. 이러한 과정에서  질소는 조류 및 수생식물의 성장을 증가시키는데, 이것들은 결국 죽고, 분해되면서 미적인 문제의 발생 및 물속의 산소를 고갈시킨다. 분해된 조류나 수생식물의 분해에 의해 물속에 남아있는 많은 질소는 새로운 유기체들을 키우며, 따라서 성장, 분해, 산소 고갈의 사이클이 계속된다.

고농도의 암모늄은 어류에 해롭고 암모늄이 질산으로 바뀌면서 물속의 용존산소를 고갈시킨다. 질산은 이동성 때문에 특별한 환경적인 관심에 직면한다. 질산은 물이 토양을 통과하면서 쉽게 이동한다. 이것은 지하수를 오염시키며, 오염된 곳은 건강에 위협이 될수 있다.(10ppm) 우선적인 건강에 관한 관삼사항은 "methemoglobinemia"라고 하는 일명 "Blue Baby(파랑색 아기)" 증후군이다. 인간의 유아와 일부 동물들은 특히 취약하다. 이런 조건에서, 소화기는 질산을 아질산으로 바꾸는 것을 감소시키며, 이것은 혈액의 산소운반 능력을 감소시킨다.

바이오솔리드(Biosolids)

만약 적절하게 계산이 되고, 적당한 관리가 된어진다면, 바이오솔리드는 토양과 식물의 질소를 증가시키기 위한 실용적인 방법을 제공할 수 있다. 바이오솔리드는 질소 및 식물성장을 위해 필요한 모든 다른 양분들을 가지고 있으며, 식물이 필요로 하는 것과 비교해서 꽤 균형이 잘 마추어져 있다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 바이오솔리드의 질소량은 토양 질소량에 비해 비교적 높다.

토양과 바이오솔리드의 화학조성 비교

 

질소사이클의 역학(Mechanics of the nitrogen cycle)

 

질소는 몇가지 화학적 형태로 있으며, 때로는 "산화상태"로서 나타난다. 이러한 형태들은 특성(유기물의 단백질부터 가스인 암모니아까지)들 뿐만 아니라, 작용하는 방법까지 크게 변한다. 이러한 형태들은 유기 혹은 무기질소로서 구분된다. 유기형태의 질소는 아미노산, 단백질, 그리고 보다 강한 결합을 하고 있는 복합불(궁극적으로 유기물) 같은 화합물에서 발견된다. 무기형태는 암모늄(NH4+), 암모니아(NH3), 질산(NO3-) 및 아질산 (NO2-)을 포함한다. 무기형태 질소는 식물이나 미생물들이 사용할 수 있는 또는 물이 토양을 통과하면서 들어갈 수 있는 사용가능한 형태이다. 토양에 있는 대부분의 질소는 사용할 수 없는 유기형태이다. 이것은 식물이나 다른 유기체에 의해 붓잡혀 있는 질소이며, 다음으로 식물이 죽어 분해될 때 토양유기물로 투입된다. 바이오솔리드에 있어서 토양에 투입되는 대부분의 질소는 유기형태이며, 나머지는 무기형태(NH4+ 와 NO3-)이다.

질소의 많은 형태는 어디에든 있는데, 주된 이유는 질소는 쉽게 하나의 형태에서 다른 형태로 바뀌기 때문이다. NO3-, NH4+ , N2는 식물이나 미생물에 의해 유기질소(ON)으로 바뀌어질 수 있다. 유기질소는 유기화합물이 분해됨에 따라 거꾸로 무기 형태로 바뀔 수도 있다. 질소는 또한 무기형태간에서도 바뀔 수 있다.(예를들면, NH3 가 NH4+, 또는 NO3-가 N2로 바뀐다.)
이러한 변환은 여러 형태 가운데 환경적인 조건이 변함에 따라 자연이 평형을 유지하기 위해서 일어난다. 토양속의 질소는 대기, 토양입자, 토양 수용액(토양 주위 혹은 토양을 통과해가는 물), 미생물, 그리고 식물과 상호작용한다. 만약 균형을 바꾸기 위해 새로운 질소를 추가하거나, 또는 환경(온도, 습도 같은 것들)이 바뀌면 질소변환이 일어난다. 환경조건이 계속 변하기 때문에 질소변환은 계속 일어난다. 이런 지속적인 질소의 한 형태로 부터 다른 형태로의 이동은 "질소사이클"로서 알려졌다.

질소사이클은 살아있는 유기체에 의해 영향을 주기도 받기도 한다. 생물학적인 활동에 의해 만들어진 질소화합물은 결국 다른 유기체에 의해 나중에 이용될 수 있다. 질소는 다양한 출처로 부터 토양으로 들어간다. 다른 양분과는 달리, 적은량의 질소가 토양 미네랄 부분을 차지한다. 대부분은 강우 또는 "질소고정체 N fixers"로 불리는 알팔파, 갈매나무, 오리나무 같은 특별한 식물에 의해 자연스럽게 토양속으로 들어간다. 인간 또한 화학 또는 유기비료의 시비에 의해 토양속의 질소를 증가시킨다. 일단 토양에 있으면, 질소는 양분화, 고정화, 휘발, 질산화, 탈질화 그리고 식물에 의한 흡수의 과정으로 변할 것이다. 이러한 변환들 중 휘발 및 탈질화의 두 가지는 토양으로부터 질소를 감소시킨다. 질소는 또한 유실과 흘러가는 것을 통하여 감소된다.
대부분의 변환 및 손실이 미생물 활동에 의해 일어나지만, 모든 과정들은 온도가 낮을 때는 상당히 서서히 일어난다. 예를들면 토양 온도가 18°F씩  떨어질 때마다 미생물 활동은 반으로 줄어든다. 40°F에서는 미생물 활동이 많이 느리다. 대부분의 겨울 동안은 평균토양 온도가 이 온도과 같거나 낮은데, 특히 Washington의 숲아래는 더 낮다. 그러므로 양분화 질산화 그리고 탈질화는 아주 느리다. 겨울동안 이루어지는 시비에 따른 질소는 온도가 올라갈 때까지 숲바닥이나 토양층에 반드시 저장된다. 겨울 시비에서는 많은 NO3- 유실은 일어나지 않는데, 이유는 일반적으로 NO3-가 형성되지 않기 때문이다. 비록 이런 비활성이 농사용 땅에서 있을 수 있지만, 겨울 햇빛은 약간의 변환이 일어날 수 있을 정도의 짧은 기간동안 토양 표면을 데울 수 있다. 만약 상당하는 식물에 의한 흡수가 없으면, NO3-유실이 일어날 수 있다.
다양한 형태가 아래의 표에 있다.

 

Table 2.1. Transformations and chemical reactions in the nitrogen cycle.

Transformation	Chemical	Reaction Description
N fixation	0.5N2→R-NH2	Plants and some microorganisms use N2 from the air and convert to on in a symbiotic relationship with microbes
N mineralization	R-NH2＋H2O＋ H → R-OH＋NH4+	Transformation of organic N to inorganic N(NH4+) as microorganisms decomposeorganic matter.
N immobilization		Transformation of inorganic N to organic N as microorganisms incorporate N into their cell structures or soil humus during the decomposition process
From NO3-(first step)	NO3- ＋ 2e→NO2- ＋ 6e→NH4+
From NH4+	NH4+ ＋ R-OH→R-NH2 ＋ H2O ＋ H+
NH3 volatilization		Loss of ammonia (NH3) from soil water to air
First stage (in water)	NH4+ →NH3(aq) ＋ H+
From water to air	NH3(aq)→NH3(air)
Nitrification		Transformation of ammonium (NH4+) tonitrite (NO2-) nitrate (NO3-) by microorganisms
By Nitrosomonas	NH4+ ＋ 1.5O2(aq)→NO2- ＋ H2O ＋ 2H+
By Nitrobacter	NO2- ＋ .5O2(aq)→NO3-
Denitrification		Transformation of nitrate (NO3-) to nitrogengases (N2 or N2O)
To N2	NO3- ＋ 1.25[HCHO]→ 0.5N2 ＋ .75H2O ＋ 1.25CO2 ＋ OH
To N2O	NO3- ＋ [HCHO]→ 0.5N2O ＋ .5H2O ＋CO2 ＋ OH

R = organic compound

 

[B511_001] 미국