질소고정 (Nitrogen Fixing) ★

질소 순환이라는 주제는 생태 부분에서 중요하고 변리사, MDEET, PEET, 편입, 임용을 포함하여 다양한 시험에서 출제가 된 부분이니 언급된 반응들과 그와 관련된 세균의 명칭까지 꼭 외워두길 바란다. 

 

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대기 중에 N₃는 강력한 삼중 공유결합으로 인하여 특별한 과정을 거치지 않으면 토양의 식물들이나 해양 시스템에서 (aquatic system)에서 사용되기가 어렵다. 

 

대기를 제외하고 배설물이나 생물의 사체의 질소 화합물들이 분해자(decomposer)들에 의해서 암모늄 이온(NH₄⁺)으로 분해되어 토양으로 되돌아가기도 하지만.  생태계에서 가장 거대한 질소 저장고는 대기이다.

 

이렇게 토양으로 공급된 질소화합물은 식물의 뿌리에 의해 흡수되어 이후 단백질, 핵산등의 화합물을 합성하여 식물의 대사에 활용된다. 

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Nitrogen cycle

 

 

 

이러한 질소 순환은 크게 4가지 반응으로 구분할 수 있다.

 

질소 고정(Nitrogen Fixation)

• N₂ + 3H₂ → 2NH₃ 
• 질소고정 세균의 종류인 뿌리혹 박테리아(Azotobector)와 리조비움(Rhizobium)가 가지고 있는 Nitrogenase라는 효소가 이 과정을 관여한다. 
• **심화 포인트: Azotobector나 Rhizobium은 호기성 상황에서 살아가는 세균이지만 그들이 지니는 핵심효소인 Nitrogenase는 오직 혐기성 상황에서 활발이 작용한다. (only under anaerobic conditions)

 

질산화 작용 (Nirifrication) 

• NH₄⁺ → NO₂^- → NO₃^- 
• 질소고정세균에 의해 공급된 암모늄 이온은 서로 다른 두 개의 질화세균에 의해 산화가 된다. 이렇게 생성된 암모늄 이온, 아질산이온, 그리고 질산이온은 식물의 뿌리로 흡수되어 식물의 중요한 질소 공급원이 되어준다. 
• 암모늄이 아질산이온이 되는 과정은 Nitrosomanas 에 의해, 그리고 아질산이온이 질산이온이 되는 과정은 Nitrobacter가 관여한다. 

 

탈질소작용 (Denitrification) 

• NO₃^- → N₂
• 틸질화 세균인 녹농균 (Pseudomonas)에 의해 질산이온이 대기 중으로 돌아가는 과정이다. 

 

암모니아 화(Ammonification)

• NO₂^- / NO₃^- → NH₄⁺
• 분해자들에 의해 질산이온들이 암모늄이온으로 바뀌는 과정이다. 

 

마지막으로 번개같은 전기방전에 의해 대기 중 기체 질소가 질산이온으로 바뀔 수도 있다는 점만 확인해 주면 좋을 거 같다.