질소 순환 : 특성, 저장소 및 단계 - 환경 - 2026

질소 사이클은 대기와 생물계와 질소 운동의 과정이다. 가장 관련성이 높은 생지 화학적 순환 중 하나입니다. 질소 (N)는 모든 유기체가 성장을 위해 필요하기 때문에 매우 중요한 요소입니다. 이는 핵산 (DNA 및 RNA)과 단백질의 화학적 구성의 일부입니다.

지구상에서 가장 많은 양의 질소는 대기에 있습니다. 대기 질소 (N ₂ )는 대부분의 생물이 직접 사용할 수 없습니다. 다른 유기체가 사용할 수있는 방식으로이를 고정하고 토양이나 물에 통합 할 수있는 박테리아가 있습니다.

릴 (프랑스 북부)에있는 질소와 인의 농축에 의해 부영양화 된 수역. 저자 : F. lamiot (자작), Wikimedia Commons

결과적으로 질소는 독립 영양 생물에 의해 동화됩니다. 대부분의 종속 영양 생물은 음식을 통해 그것을 얻습니다. 그런 다음 소변 (포유류) 또는 배설물 (새)의 형태로 초과분을 방출합니다.

과정의 또 다른 단계에서는 암모니아가 토양에 통합되는 아질산염과 질산염으로 전환하는 데 참여하는 박테리아가 있습니다. 그리고 사이클이 끝날 때 다른 미생물 그룹은 호흡에서 질소 화합물에서 사용할 수있는 산소를 사용합니다. 이 과정에서 그들은 질소를 대기로 다시 방출합니다.

현재 농업에 사용되는 질소의 가장 많은 양은 인간이 생산합니다. 이로 인해 토양과 수원에서이 요소가 과도하게 발생하여 생지 화학적 순환에 불균형이 발생했습니다.

일반적 특성

유래

질소는 핵 합성 (새로운 원자핵 생성)에 의해 유래 된 것으로 간주됩니다. 대량의 헬륨을 가진 별은 질소가 형성되는 데 필요한 압력과 온도에 도달했습니다.

지구가 시작되었을 때 질소는 고체 상태였습니다. 나중에 화산 활동으로이 원소는 기체 상태가되었고 행성의 대기에 통합되었습니다.

질소는 N ₂ 형태였다 . 아마 살아있는 존재에 의해 사용되는 화학 양식 (NH ₃ 암모니아 ) 바다와 화산 사이의 질소 사이클에 의해 나타났다. 이런 식으로 NH ₃ 는 대기 중으로 통합되고 다른 원소와 함께 유기 분자를 생성했습니다.

화학적 형태

질소는이 원소의 다른 산화 상태 (전자 손실)를 나타내는 다양한 화학적 형태로 발생합니다. 이러한 다양한 형태는 특성과 행동이 모두 다릅니다. 질소 가스 (N ₂ )는 산화되지 않습니다.

산화 된 형태는 유기와 무기로 분류됩니다. 유기 형태는 주로 아미노산과 단백질에서 발생합니다. 무기 상태는 암모니아 (NH ₃ ), 암모늄 이온 (NH ₄ ), 아질산염 (NO ₂ ) 및 질산염 (NO ₃ ) 등입니다.

역사

질소는 1770 년에 세 명의 과학자 (Scheele, Rutherford 및 Lavosier)가 독립적으로 발견했습니다. 1790 년에 프랑스 Chaptal은 가스를 질소로 명명했습니다.

19 세기 후반에는 살아있는 유기체의 조직과 식물의 성장에 필수적인 요소로 밝혀졌습니다. 마찬가지로, 유기 및 무기 형태 사이에 일정한 흐름이 존재한다는 것이 입증되었습니다.

질소원은 원래 번개와 대기 퇴적물로 간주되었습니다. 1838 년에 Boussingault는 콩과 식물에서이 요소의 생물학적 고정을 결정했습니다. 그 후 1888 년에 콩과 식물의 뿌리와 관련된 미생물이 N ₂ 고정을 담당한다는 사실이 밝혀졌습니다 .

또 다른 중요한 발견은 암모니아를 아질산염으로 산화시킬 수있는 박테리아의 존재였습니다. 아질산염을 질산염으로 변환 한 다른 그룹도 마찬가지입니다.

1885 년에 Gayon은 또 다른 미생물 그룹이 질산염을 N ₂ 로 변환 할 수있는 능력을 가지고 있다고 결정했습니다 . 이런 식으로 행성의 질소 순환을 이해할 수 있습니다.

대행사 요구 사항

모든 생명체는 중요한 과정을 위해 질소를 필요로하지만 모두 같은 방식으로 사용하지는 않습니다. 일부 박테리아는 대기 질소를 직접 사용할 수 있습니다. 다른 사람들은 질소 화합물을 산소 공급원으로 사용합니다.

독립 영양 생물은 질산염 형태의 공급이 필요합니다. 많은 종속 영양 생물은 음식에서 얻은 아미노 그룹의 형태로만 사용할 수 있습니다.

구성품

-예약

질소의 가장 큰 천연 공급원은 대기로,이 원소의 78 %가 기체 형태 (N ₂ ) 로 발견되고 일부 미량의 아산화 질소와 일산화 질소가 있습니다.

퇴적암은 약 21 %를 포함하며 매우 느리게 방출됩니다. 나머지 1 %는 유기 질소, 질산염 및 암모니아의 형태로 유기물과 해양에 포함되어 있습니다.

-참여 미생물

질소 순환에 참여하는 미생물에는 세 가지 유형이 있습니다. 이들은 고정 제, 질산 화제 및 탈질 제입니다.

N- 고정 박테리아

그들은 고정 과정에 관여하는 질소 효소의 복합체를 암호화합니다. 이 미생물의 대부분은 식물의 근권에 서식하고 조직 내에서 발생합니다.

고정 박테리아의 가장 일반적인 속은 콩과 식물의 뿌리와 관련된 Rhizobium입니다. 다른 식물 그룹의 뿌리와 공생하는 Frankia, Nostoc 및 Pasasponia와 같은 다른 속이 있습니다.

자유 형태의 시아 노 박테리아는 수생 환경에서 대기 질소를 고정시킬 수 있습니다.

질화 박테리아

질화 과정에는 세 가지 유형의 미생물이 있습니다. 이 박테리아는 토양에 존재하는 암모니아 또는 암모늄 이온을 산화시킬 수 있습니다. 그들은 화학 영양 생물입니다 (무기 물질을 에너지 원으로 산화시킬 수 있음).

다양한 속의 박테리아가 순차적으로 과정에 개입합니다. Nitrosoma와 Nitrocystis는 NH3와 NH4를 아질산염으로 산화시킵니다. Nitrobacter와 Nitrosococcus는이 화합물을 질산염으로 산화시킵니다.

2015 년에이 과정에 개입하는 다른 그룹의 박테리아가 발견되었습니다. 암모니아를 질산염으로 직접 산화시킬 수 있으며 Nitrospira 속에 있습니다. 일부 균류는 암모니아를 질화시킬 수도 있습니다.

탈질 박테리아

이 세균의 50 개 이상의 상이한 속은 N으로 질산염을 감소시킬 수 있음을 제안하고있다 ₍₂₎ . 이것은 혐기성 조건 (산소 없음)에서 발생합니다.

가장 일반적인 탈질 속은 Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus 및 Thiosphaera입니다. 이 그룹의 대부분은 종속 영양가입니다.

2006 년에 호기성 박테리아 (Methylomirabilis oxyfera)가 발견되었습니다. 메타 영양성 (메탄에서 탄소와 에너지를 얻음)이며 탈질 과정에서 산소를 얻을 수 있습니다.

단계

질소 순환은 지구 전체를 동원하는 다양한 단계를 거칩니다. 이러한 단계는 다음과 같습니다.

정착

대기 질소를 반응성으로 간주되는 형태로 전환하는 것입니다 (생물이 사용할 수 있음). N ₂ 분자에 포함 된 세 개의 결합이 끊어지는 것은 많은 양의 에너지를 필요로하며 비 생물 적 또는 생물 적 두 가지 방식으로 발생할 수 있습니다.

질소의 순환. YanLebrel이 환경 보호국의 이미지에서 재 작성 : http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, Wikimedia Commons를 통해

비 생물 적 고정

질산염은 대기 중 고 에너지 고정에 의해 얻어집니다. 그것은 번개와 우주 복사의 전기 에너지에서 비롯됩니다.

N은 _{2 개} 와 같은 NO (산화 질소) 및 질소 NO의 산화 형태 형성하는 산소와 결합하여 ₂ (아산화 질소). 나중에이 화합물은 질산 (HNO ₃ ) 으로 비에 의해 지구 표면으로 운반됩니다 .

고 에너지 고정은 질소 순환에 존재하는 질산염의 약 10 %를 포함합니다.

생물학적 고정

그것은 토양의 미생물에 의해 수행됩니다. 이 박테리아는 일반적으로 식물의 뿌리와 관련이 있습니다. 연간 생물 질소 고 정량은 연간 약 2 억 톤으로 추정됩니다.

대기 질소는 암모니아로 변환됩니다. 반응의 최초 단계에서, N ₂ NH로 감소 ₃ (암모니아). 이 형태에서는 아미노산에 통합됩니다.

이 과정에서 다양한 산화 환원 센터를 가진 효소 복합체가 관련됩니다. 이 질소 화 효소 복합체는 환원 효소 (전자 제공)와 질소 화 효소로 구성됩니다. 후자는 전자를 사용하여 N ₂ 를 NH ₃ 로 환원 합니다. 이 과정에서 많은 양의 ATP가 소비됩니다.

질소 화 효소 복합체는 고농도의 O ₂ 존재 하에서 비가 역적으로 억제됩니다 . 라디칼 결절에는 O ₂ 함량을 매우 낮게 유지하는 단백질 (레게 모글 로빈)이 존재합니다 . 이 단백질은 뿌리와 박테리아 사이의 상호 작용에 의해 생성됩니다.

동화

N과 공생 관계가없는 식물 _2- 박테리아 정착이 토양으로부터 질소를 받아. 이 요소의 흡수는 뿌리를 통해 질산염 형태로 수행됩니다.

질산염이 식물에 들어가면 일부는 뿌리 세포에서 사용됩니다. 다른 부분은 목부에 의해 전체 식물에 배포됩니다.

사용할 때 질산염은 세포질에서 아질산염으로 환원됩니다. 이 과정은 효소 질산염 환원 효소에 의해 촉매됩니다. 질산염은 엽록체 및 기타 색소체로 이동하여 암모늄 이온 (NH ₄ )으로 환원됩니다 .

다량의 암모늄 이온은 식물에 독성이 있습니다. 따라서 탄산염 골격에 빠르게 통합되어 아미노산과 다른 분자를 형성합니다.

소비자의 경우 질소는 식물이나 다른 동물로부터 직접 공급하여 얻습니다.

암모니아 화

이 과정에서 토양에 존재하는 질소 화합물은 더 단순한 화학적 형태로 분해됩니다. 질소는 죽은 유기물과 요소 (포유류 소변) 또는 요산 (새 배설물)과 같은 노폐물에 포함되어 있습니다.

이 물질에 포함 된 질소는 복잡한 유기 화합물의 형태입니다. 미생물은 이러한 물질에 포함 된 아미노산을 사용하여 단백질을 생성합니다. 이 과정에서 암모니아 또는 암모늄 이온의 형태로 과도한 질소를 방출합니다.

이 화합물은 토양에서 다른 미생물이주기의 다음 단계에서 작용할 수 있습니다.

질화

이 단계에서 토양 박테리아는 암모니아와 암모늄 이온을 산화시킵니다. 그 과정에서 박테리아가 신진 대사에 사용하는 에너지가 방출됩니다.

첫 번째 부분에서 Nitrosomas 속의 질소 화 박테리아는 암모니아와 암모늄 이온을 아질산염으로 산화시킵니다. 효소 암모니아 모옥 시게나 제는 이러한 미생물의 막에서 발견됩니다. 이것은 산화 NH ₃ 다음 박테리아의 페리 플라 즘에서 아질산 산화되어 히드 록실 아민에 관한 것이다.

그 후, 질화 박테리아는 효소 nitrite oxidoreductase를 사용하여 아질산염을 질산염으로 산화시킵니다. 질산염은 토양에 남아있어 식물에 흡수 될 수 있습니다.

탈질

이 단계에서는, 질소 (아질산염 및 질산염)의 산화 된 형태로 변환 된 N 돌아 ₂ 및 아산화 질소로 낮은 정도.

이 과정은 호흡 중 질소 화합물을 전자 수용체로 사용하는 혐기성 박테리아에 의해 수행됩니다. 탈질 속도는 사용 가능한 질산염 및 토양 포화도 및 온도와 같은 여러 요인에 따라 달라집니다.

토양 물로 포화되는 경우, O _{2 아니요} 더 쉽게 사용할 박테리아 소용 ₃ 전자 수용체로. 온도가 매우 낮 으면 미생물이 공정을 수행 할 수 없습니다.

이 단계는 생태계에서 질소를 제거하는 유일한 방법입니다. 이렇게 고정 된 N ₂ 는 대기로 복귀하고이 원소의 균형이 유지됩니다.

중요성

이주기는 생물학적으로 매우 관련이 있습니다. 앞서 설명했듯이 질소는 살아있는 유기체의 중요한 부분입니다. 이 과정을 통해 생물학적으로 사용할 수있게됩니다.

작물 개발에서 질소의 가용성은 생산성의 주요 한계 중 하나입니다. 농업이 시작된 이래로 토양은이 요소로 풍부 해졌습니다.

토양의 질을 향상시키기 위해 콩과 식물을 재배하는 것이 일반적인 관행입니다. 마찬가지로 침수 된 토양에 벼를 심는 것은 질소 사용에 필요한 환경 조건을 촉진합니다.

19 세기에 구아노 (새 배설물)는 작물의 외부 질소 공급원으로 널리 사용되었습니다. 그러나 금세기 말에는 식량 생산량을 늘리는 데 충분하지 않았습니다.

19 세기 후반 독일의 화학자 프리츠 하버 (Fritz Haber)는 나중에 Carlo Bosch가 상용화 한 프로세스를 개발했습니다. 이것은 N과 반응 구성 _이 암모니아를 형성하기 위해 수소 가스를. 이것은 Haber-Bosch 프로세스로 알려져 있습니다.

이러한 형태의 암모니아 인공 생산은 생명체가 사용할 수있는 주요 질소 공급원 중 하나입니다. 세계 인구의 40 %가 음식을 위해이 비료에 의존하는 것으로 간주됩니다.

질소 순환 장애

현재 인류의 암모니아 생산량은 연간 약 85 톤입니다. 이것은 질소 순환에 부정적인 영향을 미칩니다.

화학 비료를 많이 사용하기 때문에 토양과 대수층이 오염됩니다. 이 오염의 50 % 이상이 Haber-Bosch 합성의 결과로 간주됩니다.

질소 과잉은 수역의 부 중화 (영양분 풍부)로 이어집니다. 인위적 euutrification은 매우 빠르고 주로 조류의 성장을 가속화합니다.

그들은 많은 산소를 소비하고 독소를 축적 할 수 있습니다. 산소 부족으로 인해 생태계에 존재하는 다른 유기체는 결국 죽습니다.

또한 화석 연료를 사용하면 다량의 아산화 질소가 대기로 방출됩니다. 이것은 오존과 반응하여 산성비의 성분 중 하나 인 질산을 형성합니다.

참고 문헌

1. Cerón L and A Aristizábal (2012) 토양에서 질소와 인 순환의 역학. Colomb 목사. Biotechnol. 14 : 285-295.
2. Estupiñan R and B Quesada (2010) 농업 산업 사회의 Haber-Bosch 과정 : 위험과 대안. 농식품 시스템 : 상품화, 투쟁 및 저항. ILSA 편집. 보고타 콜롬비아. 75-95
3. Galloway JN (2003) 지구 질소 순환. 에서 : Schelesinger W (ed.) 지구 화학에 관한 논문. 미국 엘스 비어. p 557-583.
4. Galloway JN (2005) 전 세계 질소 순환 : 과거, 현재 및 미래. 중국의 과학 Ser C Life Sciences 48 : 669-677.
5. Pajares S (2016) 인간 활동으로 인한 질소 폭포. Oikos 16 : 14-17.
6. Stein L 및 M Klotz (2016) 질소 순환. 현재 생물학 26 : 83-101.