1. 질소 고정 (Nitrogen Fixation)
대기 중 질소($N_2$)는 매우 안정적인 삼중 결합 구조로 되어 있어 생물이 직접 이용하기 어렵습니다. 이를 이용 가능한 형태로 바꾸는 과정입니다.
- 생물적 고정: 뿌리혹박테리아, 아조토박터, 남세균(사이아노박테리아) 등의 질소 고정 박테리아가 대기 중 질소를 암모늄 이온($NH_4^+$)으로 전환합니다.
- 공중 방전(번개): 번개의 강력한 에너지에 의해 질소가 산소와 결합하여 질산염($NO_3^-$) 형태로 토양에 흡수됩니다.
- 산업적 고정: 하버-보슈법을 통해 인공 비료를 만드는 과정입니다.
2. 질화 작용 (Nitrification)
토양 속의 암모늄 이온($NH_4^+$)이 아질산균과 질산균의 작용에 의해 식물이 흡수하기 더 쉬운 형태로 변하는 과정입니다. 이 과정은 산소가 풍부한 환경에서 일어납니다.
- 아질산화: 아질산균(Nitrosomonas)이 암모늄 이온을 아질산 이온($NO_2^-$)으로 산화시킵니다.
- 질산화: 질산균(Nitrobacter)이 아질산 이온을 질산 이온($NO_3^-$)으로 산화시킵니다.
3. 질소 동화 작용 (Nitrogen Assimilation)
식물이 토양에서 흡수한 무기 질소(암모늄 이온, 질산 이온)를 이용하여 생명 활동에 필요한 유기 질소 화합물(단백질, 핵산, 엽록소 등)을 합성하는 과정입니다.
- 식물이 합성한 유기 질소 화합물은 먹이 사슬을 통해 동물(소비자)에게 전달됩니다.
4. 암모늄화 작용 (Ammonification / 분해)
동식물의 사체나 배설물 속에 포함된 유기 질소 화합물이 분해되는 과정입니다.
- 곰팡이나 세균 같은 분해자에 의해 유기 질소 화합물이 다시 암모늄 이온($NH_4^+$)으로 분해되어 토양으로 돌아갑니다.
5. 탈질 작용 (Denitrification)
토양 속의 질소 성분이 다시 대기 중의 질소 가스($N_2$)로 돌아가는 과정입니다. 이 과정은 주로 산소가 부족한 혐기성 상태(물이 고인 토양 등)에서 일어납니다.
- 탈질 박테리아(Denitrifying bacteria)가 토양 속의 질산염($NO_3^-$)을 산소 대신 에너지원으로 사용하면서 질소 가스($N_2$)를 생성하여 대기로 방출합니다.
[요약 표]
| 과정 | 주요 반응 | 주도 생물/요인 |
|---|---|---|
| 질소 고정 | $N_2 \rightarrow NH_4^+$ | 뿌리혹박테리아, 번개 등 |
| 질화 작용 | $NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-$ | 아질산균, 질산균 |
| 동화 작용 | 무기 질소 $\rightarrow$ 유기 질소(단백질 등) | 식물 |
| 암모늄화 | 유기 질소 $\rightarrow NH_4^+$ | 분해자(세균, 곰팡이) |
| 탈질 작용 | $NO_3^- \rightarrow N_2$ | 탈질 박테리아 |
질소 순환은 이처럼 미생물의 역할이 절대적이며, 생태계 내 질소의 양을 일정하게 유지시키는 중요한 역할을 합니다.