생명과학 고2 생명의 연속성과 다양성 심화

질소 순환

질소 고정(토양 세균)→질화→동화→탈질화 경로로 질소가 대기-토양-생물 사이를 순환하는 과정이다.

질소가 질소 고정 → 질화 작용 → 동화 작용 → 분해 → 탈질산화 작용의 경로를 따라 대기·토양·생물 사이를 도는 순환으로, 각 단계를 세균이 맡고 있습니다.

대기의

78%

가 질소인데도 생물에게는 '금고 안의 돈'과 같습니다. 눈앞에 있어도 꺼내 쓸 수가 없습니다. 그 금고를 여는 열쇠를 가진 것이 질소 고정 세균입니다.

쉽게 말하면

물질 순환의 다른 사례와 달리, 질소 순환에는 벽이 하나 있습니다. 대기 중에 질소 기체( $N_{2}$ )가 넘쳐 나지만, 두 질소 원자를 잇는 삼중 결합이 매우 강해서 식물도 동물도 이 기체를 그대로 쓸 수 없습니다. 질소는 단백질과 핵산의 필수 원소인데도 말입니다.

이 벽을 넘는 것이 질소 고정입니다. 뿌리혹박테리아나 토양의 질소 고정 세균이 $N_{2}$ 를 암모늄 이온( $N H_{4}^{+}$ )으로 바꿔 줍니다. 공중 방전(번개)으로도 소량 고정됩니다. 여기서부터 질소가 비로소 생물의 세계로 들어옵니다.

다음이 질화 작용입니다. 질화 세균이 암모늄 이온을 아질산 이온을 거쳐 질산 이온( $N O_{3}^{-}$ )으로 바꿉니다. 식물이 가장 잘 흡수하는 형태가 질산 이온입니다. 흡수한 질산 이온으로 식물이 아미노산·단백질·핵산을 만드는 것이 동화 작용이고, 이 유기 질소가 먹이 사슬을 타고 소비자에게 넘어갑니다.

사체와 배설물은 분해자가 암모늄 이온으로 되돌려 놓아 다시 질화 작용으로 들어갑니다. 마지막으로 탈질산화 작용을 하는 탈질소 세균이 질산 이온의 일부를 질소 기체로 되돌려 대기로 내보냅니다. 이렇게 고리가 닫힙니다.

외울 것이 많아 보이지만 뼈대는 하나입니다 — 질소는 세균의 손을 빌리지 않고서는 대기에서 생물로도, 생물에서 대기로도 건너가지 못합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

질소 고정 — 대기의 질소를 여는 열쇠

$N_{2} 질소 고정 세균 N H_{4}^{+}$

콩과 식물의 뿌리혹에 사는 뿌리혹박테리아가 대표적입니다. 세균은 식물에게 질소 화합물을 주고 식물에게서 양분을 받는 상리 공생 관계입니다. 콩과 식물을 심으면 토양이 비옥해지는 이유입니다.
예시 2

질화 작용 — 식물이 쓰기 좋은 형태로

$N H_{4}^{+} \to N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$

질화 세균이 암모늄 이온을 두 단계에 걸쳐 질산 이온으로 산화시킵니다. 식물의 뿌리는 질산 이온을 가장 잘 흡수하므로, 이 단계를 거쳐야 질소가 실제로 식물의 몸에 들어갑니다.
예시 3

탈질산화 작용 — 대기로 되돌아가는 길

$N O_{3}^{-} 탈질소 세균 N_{2}$

산소가 부족한 토양에서 탈질소 세균이 질산 이온을 질소 기체로 환원해 대기로 내보냅니다. 이 단계가 있어야 순환의 고리가 닫힙니다. 농사짓는 입장에서는 토양의 질소가 빠져나가는 손실이기도 합니다.

자주 하는 오해

대기에 질소가 많으니 식물이 그냥 흡수한다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움공기의

78%

가 질소니까 식물은 질소가 부족할 일이 없다

실제로는질소 기체의 삼중 결합은 매우 강해서 식물도 동물도 그대로는 이용할 수 없습니다. 질소 고정 세균이 암모늄 이온으로 바꿔 주기 전까지 대기의 질소는 생물에게 없는 것이나 마찬가지입니다.

이산화 탄소는 식물이 곧바로 광합성에 쓸 수 있어서 같은 기체끼리 비슷할 것이라 짐작하기 쉽습니다. 그러나 탄소와 질소는 사정이 완전히 다릅니다. 질소 비료가 필요하고 콩과 식물이 토양을 비옥하게 만드는 이유가 전부 여기서 나옵니다.

질소 고정과 질화 작용을 같은 것으로 묶기

이렇게 생각하기 쉬움세균이 질소를 식물이 쓸 수 있게 바꿔 주는 과정이 질소 고정이자 질화 작용이다

실제로는질소 고정은 대기의 $N_{2}$ 를 암모늄 이온으로 바꾸는 것이고, 질화 작용은 이미 토양에 있는 암모늄 이온을 질산 이온으로 바꾸는 것입니다. 출발 물질이 다릅니다.

두 과정 모두 세균이 하고 둘 다 '식물이 쓰게 해 준다'는 인상 때문에 뭉뚱그리기 쉽습니다. 구별하는 요령은 대기에서 온 질소인가를 묻는 것입니다. 대기의

N_{2}

가 관여하면 질소 고정(들어오는 길)이나 탈질산화 작용(나가는 길)이고, 토양 안에서 형태만 바뀌면 질화 작용입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

물질 순환고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 생명의 연속성과 다양성

자주 묻는 질문

Q1생물에게 질소가 왜 꼭 필요한가요?

단백질을 이루는 아미노산과 DNA·RNA를 이루는 뉴클레오타이드에 모두 질소가 들어 있기 때문입니다. 탄소·수소·산소만으로는 단백질도 유전 물질도 만들 수 없습니다.

Q2번개도 질소 고정을 하나요?

합니다. 공중 방전의 큰 에너지가 질소 기체의 결합을 끊어 질소 화합물을 만들고, 이것이 빗물에 녹아 토양으로 들어옵니다. 다만 생물권 전체로 보면 세균에 의한 고정이 훨씬 큰 몫을 차지합니다.

Q3질소 비료를 많이 주면 왜 문제가 되나요?

식물이 다 흡수하지 못한 질산 이온이 빗물에 씻겨 강과 호수로 들어가면, 조류가 폭발적으로 번식해 물속 산소를 고갈시킵니다. 순환의 어느 한 지점에 물질을 과도하게 밀어 넣으면 그 아래 고리 전체가 흔들린다는 것을 보여 주는 예입니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 생명과학 · 생명의 연속성과 다양성 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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