질소 순환 — 공기의 78 % 를 생물은 왜 못 쓸까

숨을 들이쉴 때마다 들어오는 공기의 78 % 는 질소입니다. 질소는 단백질과 유전 물질을 만드는 데 꼭 필요한 원소이고, 그것이 모자라면 식물은 노랗게 시듭니다. 그런데 식물은 공기에 그렇게 많은 질소를 두고도 흙에서 질소를 구하고, 사람은 공기 속 질소를 그대로 들이마셨다가 그대로 내쉽니다. 넘치는데 못 쓰는 셈입니다. 공기의 질소가 생물의 몸에 들어왔다 나가는 길, 곧 질소 순환은 그 모순에서 시작합니다.

질소 분자는 너무 단단해서 못 씁니다

공기의 질소는 원자 둘이 삼중 결합으로 묶인 질소 분자 $\mathrm{N_2}$ 입니다. 이 결합은 아주 세서 웬만한 에너지로는 끊어지지 않고, 그래서 질소 기체는 거의 아무것과도 반응하지 않습니다. 생물이 질소를 쓰려면 먼저 이 결합을 끊어 암모늄 이온($\mathrm{NH_4^+}$)이나 질산 이온($\mathrm{NO_3^-}$)처럼 반응할 수 있는 꼴로 바꿔야 합니다. 식물과 동물에게는 그럴 힘이 없습니다. 그 일을 하는 것은 몇몇 세균과 번개입니다.

세균과 번개가 질소를 붙잡습니다 — 질소 고정

콩과 식물의 뿌리에는 작은 혹이 달려 있고, 그 안에 뿌리혹박테리아가 삽니다. 이 세균은 공기의 질소를 암모늄 이온으로 바꾸는 효소를 가지고 있어, 식물에게 질소를 주고 대신 식물이 만든 양분을 받습니다. 흙에 홀로 사는 질소 고정 세균도 같은 일을 합니다. 번개도 한몫합니다. 공중 방전의 큰 에너지가 질소 분자를 끊어 산소와 결합시키고, 그것이 빗물에 녹아 질산 이온이 되어 흙에 내립니다. 이렇게 공기의 질소를 생물이 쓰는 꼴로 바꾸는 것이 질소 고정입니다. 사람도 공장에서 높은 온도와 압력으로 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 만드는데, 그것이 질소 비료입니다.

흙에서 식물로, 식물에서 동물로

흙의 암모늄 이온은 질화 세균에 의해 질산 이온으로 바뀝니다. 식물은 뿌리로 암모늄 이온과 질산 이온을 흡수해 아미노산을 만들고, 아미노산으로 단백질과 핵산을 짓습니다. 이것이 질소 동화입니다. 동물은 그런 능력이 없어 식물이나 다른 동물을 먹어서 단백질을 얻습니다. 우리 몸의 근육과 머리카락, 유전 물질 속의 질소는 모두 언젠가 세균이나 번개가 공기에서 붙잡아 식물이 흡수한 것입니다.

분해자가 되돌리고, 탈질소 세균이 돌려보냅니다

생물이 죽거나 배설물을 내놓으면 흙의 분해자(세균·곰팡이)가 단백질을 분해해 암모늄 이온으로 되돌립니다. 그 암모늄 이온은 다시 질화 세균을 거쳐 질산 이온이 되고 식물이 다시 흡수합니다. 흙 안에서 질소가 돌고 도는 작은 고리입니다. 그런데 고리가 닫혀만 있다면 공기의 질소는 줄기만 해야 합니다. 그것을 막는 것이 탈질소 세균입니다. 산소가 적은 물에 잠긴 흙에서 이 세균은 질산 이온을 질소 기체로 바꿔 공기로 돌려보냅니다. 질소 고정이 공기에서 꺼낸 만큼 탈질소 작용이 되돌려, 공기의 질소는 거의 일정하게 유지됩니다(탄소 순환과 같은 꼴입니다).

비료 공장은 자연의 질소 고정보다 많은 질소를 해마다 흙에 넣습니다. 쓰고 남은 비료는 비에 씻겨 강과 호수로 가고, 넘치는 질소에 조류가 폭발적으로 늘어 물이 녹색으로 변하고 산소가 모자라 물고기가 죽는 부영양화가 일어납니다. 자동차와 발전소가 높은 온도에서 공기의 질소를 태워 만드는 질소 산화물은 산성비의 원인이 됩니다. 고리를 돌리는 것은 여전히 세균이지만, 고리에 얼마나 많은 질소를 밀어 넣느냐는 이제 사람이 정합니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 생물이 공기의 질소($\mathrm{N_2}$)를 직접 못 쓰는 까닭 — 삼중 결합이 너무 안정해서.
• 질소 고정의 주체 — 뿌리혹박테리아(콩과 식물과 공생) · 질소 고정 세균 · 번개(공중 방전). 공장의 암모니아 합성도 질소 고정.
• 식물이 흡수하는 꼴 — 암모늄 이온($\mathrm{NH_4^+}$) · 질산 이온($\mathrm{NO_3^-}$). 흡수해 단백질·핵산을 만드는 것이 질소 동화.
• 질화 세균: 암모늄 이온 → 질산 이온. 탈질소 세균: 질산 이온 → 질소 기체(공기로). 둘을 바꿔 쓰지 않기.
• 동물은 먹이로만 질소를 얻습니다. 사체·배설물은 분해자가 암모늄 이온으로 되돌립니다.
• 사람의 영향 — 비료 → 부영양화, 화석 연료 연소의 질소 산화물 → 산성비.

자주 헷갈리는 것

• "식물은 공기에서 질소를 빨아들인다" — 식물은 공기의 질소를 쓰지 못합니다. 뿌리로 흙 속 이온을 흡수합니다. 콩과 식물도 세균이 바꿔 준 것을 받는 것입니다.
• "질화 세균이 질소를 공기로 돌려보낸다" — 질화 세균은 암모늄 이온을 질산 이온으로 바꿉니다. 공기로 돌려보내는 것은 탈질소 세균입니다.
• "번개는 질소 순환과 상관없다" — 번개는 질소 고정의 한 길입니다. 세균이 하는 양보다 적지만 분명히 한몫합니다.
• "질소가 많으면 생태계에 좋다" — 넘치면 부영양화로 물속 산소가 줄어 생물이 죽습니다. 양분도 균형이 깨지면 독입니다.

정리합니다. 공기의 질소는 삼중 결합이 너무 단단해 생물 대부분이 그대로 쓰지 못하고, 뿌리혹박테리아 같은 세균과 번개가 암모늄 이온·질산 이온으로 바꿔 주어야 식물이 흡수해 단백질을 만듭니다. 동물은 그것을 먹어 얻고, 사체와 배설물은 분해자가 되돌리며, 탈질소 세균이 질산 이온을 질소 기체로 바꿔 공기로 돌려보내 고리가 닫힙니다. 비료와 화석 연료가 그 고리에 질소를 넘치게 밀어 넣고 있습니다.