질소 순환: 질소고정부터 탈질작용까지 생태계 속 흐름
질소 순환 그림은 대기 중의 질소 기체가 생물이 이용할 수 있는 형태로 바뀌어 식물과 동물, 분해자를 거친 뒤 다시 대기로 돌아가는 전체 흐름을 화살표로 이어 보여주는 그림이다. 탄소나 물의 순환과 달리 질소 순환은 거의 모든 전환 단계가 특정 미생물에 의해 일어난다는 점이 특징이며, 그림에는 이 미생물들의 역할이 함께 표시되는 경우가 많다. 생명과학Ⅰ 생태계와 물질순환 단원에서 질소 순환을 배울 때 핵심은 질소고정, 질화작용, 탈질작용이라는 세 가지 전환이 각각 어떤 미생물에 의해, 어느 방향으로 일어나는지 구분하는 것이다.
질소 순환이 보여주는 것
질소 순환의 핵심은 생물이 반드시 필요로 하지만 스스로는 대기 중 형태를 직접 이용할 수 없는 원소가, 미생물의 도움으로 생물권을 한 바퀴 돌고 다시 대기로 돌아간다는 점이다. 대기의 대부분을 차지하는 질소 기체는 매우 안정적인 결합을 하고 있어 식물이나 동물이 그대로 흡수할 수 없다. 질소고정세균이 이 결합을 끊어 암모늄이라는 이용 가능한 형태로 바꿔야 비로소 식물이 뿌리로 흡수할 수 있고, 이후 먹이사슬을 따라 동물에게 전달되며, 분해자와 탈질세균을 거쳐 마지막에는 다시 질소 기체로 대기에 되돌아간다. 그림을 읽을 때는 이 전환들이 순서대로 이어지는 하나의 닫힌 순환이라는 점을 확인하는 것이 핵심이다.
질소 순환의 각 단계
- 대기 질소 — 대기의 대부분을 차지하는 안정적인 질소 기체로, 대부분의 생물이 직접 이용할 수 없다.
- 질소고정 — 질소고정세균(뿌리혹박테리아 등)이 대기 질소를 암모늄으로 바꾸는 과정이다.
- 질화작용 — 질화세균이 암모늄을 아질산, 이어서 질산으로 산화시키는 과정이다.
- 식물의 흡수 — 식물이 뿌리를 통해 암모늄이나 질산을 흡수해 단백질과 핵산 등 유기질소로 합성한다.
- 먹이사슬을 통한 전달 — 동물이 식물이나 다른 동물을 먹어 유기질소를 얻는다.
- 분해작용 — 분해자가 죽은 생물체와 배설물의 유기질소를 분해해 암모늄으로 되돌린다.
- 탈질작용 — 탈질세균이 질산을 다시 질소 기체로 환원시켜 대기로 돌려보낸다.
화살표를 따라 읽는 법
질소 순환 그림을 정확히 읽으려면 화살표가 향하는 방향을 따라 질소 원자 하나가 어떤 형태로 바뀌며 이동하는지 추적해야 한다. 대기의 질소 기체는 질소고정세균을 거쳐 암모늄이 되고, 이 암모늄은 질화세균에 의해 아질산을 거쳐 질산으로 산화된다. 식물은 암모늄이나 질산을 뿌리로 흡수해 자신의 몸을 구성하는 단백질과 핵산으로 합성하고, 이 유기질소는 동물이 식물을 먹으면서 먹이사슬을 따라 전달된다. 생물이 죽거나 배설물을 남기면 분해자가 그 속의 유기질소를 분해해 다시 암모늄으로 토양에 돌려놓아 순환의 앞부분과 연결되며, 일부 질산은 탈질세균에 의해 질소 기체로 환원되어 대기로 되돌아간다. 이렇게 화살표를 따라가 보면 질소가 기체, 암모늄, 질산, 유기질소라는 여러 형태를 오가며 순환한다는 사실이 분명해진다.
자주 틀리는 부분
가장 흔한 실수는 질화작용과 탈질작용을 같은 과정으로 혼동하는 것이다. 질화작용은 암모늄을 산화시켜 질산으로 만드는 과정이고, 탈질작용은 그 질산을 다시 질소 기체로 환원시키는 정반대 방향의 과정이다. 두 번째 실수는 식물이 대기의 질소 기체를 직접 흡수한다고 생각하는 것으로, 콩과식물조차 대기 질소를 직접 이용하지 못하고 뿌리혹박테리아가 고정해준 암모늄을 이용할 뿐이다. 세 번째 실수는 분해자의 역할을 가볍게 여기는 것인데, 분해자가 없으면 죽은 생물체 속 유기질소가 토양으로 돌아가지 못해 순환 전체가 멈추게 된다.
탄소 순환과 함께 보는 물질 순환
질소 순환은 탄소 순환과 나란히 놓고 볼 때 생태계 물질 순환의 원리가 더 분명해진다. 두 순환 모두 생물권과 대기, 토양 사이를 오가며 특정 형태가 여러 단계를 거쳐 원래 형태로 되돌아온다는 점은 같지만, 탄소 순환은 광합성과 세포호흡이라는 두 가지 반응이 중심이 되는 반면 질소 순환은 여러 종류의 미생물이 각 단계를 나눠 맡는다는 점이 다르다. 질소고정세균이 없으면 식물이 이용할 질소가 공급되지 않고, 탈질세균이 없으면 질산이 계속 쌓여 순환이 한쪽으로 치우치게 된다. 질소 순환을 배울 때 각 단계를 담당하는 미생물의 이름과 역할을 함께 기억해두면, 왜 생태계에서 미생물이 눈에 보이지 않아도 물질 순환 전체를 떠받치는 존재인지 이해할 수 있다.
