니트로 글리세롤

질소원 Nirogen source  

출처: 최낙언 : h3 (seehint.com)

 

질소의 고정량
질소의 고정은 비생물학적인 생산과 생물학적인 생산으로 나누어 생각해 볼 수 있다.  비생물학적인 고정에는 번개, 연소, 산업적 생산 등이 있고, 생물학적인 고정에는 농경지, 숲 등 비농경지, 바다에서의 고정으로 분리해 생각해 볼 수 있다. 생물학적, 비생물학적인 질소고정 총량은 연간 2,550만 톤 정도로  추정되고 있다. 비생물학적으로는 800만 톤 정도가 고정되는 것으로 추정되는데, 산업공정 500, 연소 200, 번개 100만 톤 정도이다. 생물학적 고정으로는 연간 1,750만 톤이 고정되는 것으로 추정되는데, 농경지 90, 비농경지 50, 바다 35만톤 정도이다

① 헤테로트로픽 박테리아(Heterotrophic bacteria) : 암모니아 박테리아(NH3, NH4+) 주변에서 가장 쉽게 발견된다.
② 나이트로소모나스 박테리아(Nitrosomonas bacteria) : 아질산 (NO2)
  헤테로트로픽 박테리아를 먹고 살며 일종의 배설 과정을 거치며 배설된 성분은 곧 아질산의 요인이 된다.
  나이트로소모나스 박테리아 증식률은 헤테로트로픽 박테리아의 번식에 비해 낮아 약 24∼36시간마다 배로 증가한다.
③ 나이트로백터 박테리아(Nitrobacter bacteria) : 질산염 박테리아(NO3)
   질산염 박테리아(Nitrobacter)는 아질산 박테리아(Nitrosomonas)를 분해시키고
  아질산 박테리아는암모니아 박테리아를 분해 시킨다.  

가) 질소고정(Nitrogen Fixation)
N2 -->NH4+
질소 고정은 대기 중 질소 N2가 암모니움으로 전환되는 과정으로 생물체가 대기에서 직접 질소를 얻는 유일한 방식이다. 일부 세균이 질소를 고정시킨다. 질소를 고정시키는 세균은 숙주 식물과 공생 관계를 형성한다. 이들 세균은 콩과 식물(완두, 대두, 클로버)의 뿌리 결절에 서식하면서 자신들이 고정시킨 질소를 식물에게 주고 식물로부터 탄수화물 등 유익한 물질 및 환경을 제공받는다.
식물 숙주 없이 질소를 고정시키는 세균도 있다. 이를 free-living nitrogen fixers라고 하고 물 속의 청녹조류(blue-green algae=cyanobacteria)가 그 예다.
질소를 고정시키는 세균 이외에도 고 에너지 자연 현상인 번갯불, 산불, 뜨거운 용암 등도 질소를 고정시킨다.  이와 같은 고 에너지가 질소 분자의 삼중 결합을 파괴하여 질소 원자를 만들어 화학적 변형을 일으킬 수 있다. 지난 세기 동안 사람들은 자연에서 유래된 물질로 질소를 고정했다. 합성 질소 비료, 화석 연료 연소, 콩과 식물 배양 등으로 질소를 고정하여 생물권으로 진입시켰다

나) 질소 흡수(Nitrogen Uptake)
NH4+ -->유기 질소(Organic N)
질소 고정 세균에 의해 생성된 암모니아는 숙주 식물 또는 세균 자신이나 토양 미생물에 의해 신속하게 단백질이나 기타 유기 질소 화합물로 편입된다.

다) 질소 광화(Nitrogen Mineralization)
유기 질소(Organic N) -->NH4+
질소가 유기물에 편입된 후에는 질소 광화 (다른 말로 ‘부식’)에 의해 원래의 무기 질소로 다시 전환된다. 미생물이 죽으면 분해자(세균, 진균)는 유기물을 섭취하여 분해 과정을 진행한다. 이 과정 중에 죽은 생물체에서 나온 상당량의 질소가 암모니움으로 전환된다. 일단 암모니움이 되면 질소는 식물에 의해 사용되거나 질산염(nitrate, NO3-)으로 변환된다. 이 과정을 nitrification이라고 한다.

라) 질소화(Nitrification)
NH4+ -->NO3-
분해에 의해 형성된 암모니움 일부는 질소화 과정을 통해 질산염(nitrate)으로 전환된다. 질소화 반응은 산소를 요구한다. 따라서 질소화는 물이 순환하며 흐르는 곳, 토양의 표면 층 등 산소가 많은 환경에서 일어난다. 암모니움 이온은 양전하를 띠고 있어 음전하를 띠고 있는 토양의 유기질이나 진흙 입자에 달라 붙는다. 양전하는 암모니움 질소가 강우에 의해 토양에서 씻겨나가거나 스며드는 것을 막아주며 토양의 생산력을 감소시키고 표면에 nitrate를 풍부하게 한다.

마) 탈질소화(Denitrification)
NO3- --> N2+ N2O
이 과정을 통해 질소의 산화 형태, 즉 질산염(nitrate) 및 아질산염(nitrite,NO2-)이 Dinitrogen (N2)으로 전환되고 동시에 적은 량이지만 nitrous oxide(N2O) 가스가 된다.  Denitrification은 무산소 과정이며 탈 질소 세균에 의해 다음과 같이 이루어진다.
NO3- -->NO2- -->NO -->N2O -->N2.
산화 질소(Nitric oxide)와 아산화질소(nitrous oxide)는 모두 중요한 환경 가스다. 산화질소는 스모그를 일으키고 아산화질소(N2O)는 중요한 온질 가스(greenhouse gas)로 지구 기후 변화에 영향을 미친다.  일단 N2로 전환되면 질소는 다시 생물학적으로 유용한 형태로 전화되기 어렵다. 가스 형태이기 때문에 급속하게 대기로 소실되기 때문이다. 그리고 질소 고정 세균에 의해 고정된 질소량과 균형을 맞춘다.

인체를 구성하고 있는 여러 원소 중 질소(원소기호 N) 는 특별히 중요하다. 단백질의 구조단위인 아미노산 20가지 모두에 질소가 결합하고 있으며, 유전정보의 보고인 DNA 와 단백질 합성에 관여하는 RNA 에도 질소가 들어있다. 광합성 공장이라 부를 수 있는 엽록소에도 질소가 결합하고 있다. 한편 공기 중에는 질소분자(N2)가 자그마치 78 퍼센트나 들어있으며 산소분자(O2)가 나머지를 대부분 차지한다.

우리는 기체 질소를 직접 섭취할 수 없다

물론 우리는 호흡을 통해 우리 몸에 필요한 산소를 공기 중에서 섭취한다. 그러나 질소기체는 우리가 호흡하는 동안 우리 몸을 들락거릴 뿐 일체 인체 내 생화학적 반응에 참여하지 않고 방관자 노릇만 하다 나가버린다. 그도 그럴 것이 N2 분자의 두 질소 원자 사이의 결합은 섭씨 1000도 이상으로 가열해야 끊어질 정도로 강하기 때문이다. 아무리 센 결합이라도 그를 분해시킬 수 있는 특이한 생체 효소가 우리 인체에 있었다면, 아마도 공기 중의 질소를 호흡으로 섭취만 하여도 우리가 필요한 질소는 충분했을지도 모를 일이다. 그러나 그럴 경우 질소분자가 재생되어 공기로 재진입하는 메커니즘이 동시에 작동하는 방식으로 진화되었어야 한다.

고정화된 질소만 쓸 수 있다

그러면 인간과 동물, 식물 들은 필요한 질소를 어디서 얻을까? 비록 공기 중 질소기체분자의 질소(N)를 직접 활용할 수는 없으나 질소가 환원되거나 산화된 질소화합물은 용이하게 사용할 수 있다. 예컨대 번갯불이 칠 때는 공기 중의 질소와 산소가 화학반응을 해 질소산화물을 만든다. 이 질소산화물들이 비에 녹은 상태든지 또는 기체상태에서 토양에 흡수되면 식물들은 그들을 다시 흡수해 자기들이 필요한 질소원으로 이용한다. 물론 지구상 식물들을 위하여는 택도 없이 모자라는 양이다.

이렇게 동식물에게 유용한 질소화합물 중에 들어있는 질소를 흔히 ‘고정화’ 된 질소라 부른다.  그러면 식물들은 고정화된 질소를 어떻게 얻을까?
그 답은 이로운 박테리아이다. 공기중의 질소는 질소고정박테리아, 뿌리혹박테리아, 일부의 조류에  의해서 질소산화물로 '고정' 된다. 이 중 가장 인간에게 친근(?)한 것은 뿌리혹박테리아이다.  
콩과식물에 기생하는 뿌리혹박테리아는 공기 중의 질소를 고정시켜 콩과식물이 섭취케 할 뿐 아니라 다른 농작물에도 고정질소를 공급한다. 바로 이 능력을 이용하는 지혜를 옛 농부들이 지니고 있었기에, 콩과작물과 다른 작물을 번갈아 경작해 토양 중의 고정질소를 최대한 이용하였다. 물론 그들이 박테리아의 능력을 알았을 리 없고 오랜 경험을 통해 발견했으리라 믿는다.

오랫동안 농업에 식량공급을 의존하여 살면서 농경사회인들은 ‘거름’의 필요성을 배우게 되었으며, 인간 분뇨를 포함한 동물의 분뇨, 식물성 퇴비, 부패시킨 해물들이 고정화된 질소의 공급원으로 그 가치를 인정받게 되었다. 그러나 이 같은 천연 비료는 수확을 더 많이 늘리고 싶은 농부들의 마음을 채우기에는 부족하였다. 농경사회에서 농부들은 자연히 더 좋은 비료를 더 많이 갖고 싶어하였다. 그런데 우리는 역사 속에서 폭약과 비료의 깊은 관계를 찾아볼 수 있다. 천년 이상 전에 중국에서는 바위 벽에 하얗게 생기는 결정성 가루를 모아 화약을 만들어 쓰기 시작했으며 - 불꽃놀이의 시초를 아마도 여기서 찾을 수 있다고 믿는다 - 중세에는 이 화약의 이용이 중동을 걸쳐 유럽까지 전달되었다. 중국 눈(China Snow)이라 불렸던 이 화합물은 질산칼륨(질산포타슘)이다. 이를 동양에서는 흔히 초석이라 불렀다. 같은 폭약이 인도 갠지스강 개펄에서도 발견되어 17세기 중반 들어서는 영국동인도회사가 이를 영국으로 실어 날랐고, 훗날 영국이 인도를 점령하게 된 주요 동기중의 하나가 되었다. 후에 남미 페루의 아타카마 사막은 영국, 독일, 미국 등 열강국이 탐내던 질산나트륨(질산소듐)의 보고(寶庫)임이 알려져 19세기 중반 페루는 이를 팔아 큰 세입을 올렸다. 이를 탐낸 칠레가 페루를 침공하는 전쟁까지 있었다. 우리는 이 질소화합물을 흔히 칠레초석이라 불렀다. 중국 눈과 칠레초석은 화약용도로 더 관심이 컸지만, 비료의 효능을 지님도 농부들이 곧 알게 되었다. 화약과 비료라는 서로 어울리지 않는 이중기능을 지녔음이 발견된 셈이다.