질소 고정

식물의 주요 구성 물질은 수소(H), 산소(O), 탄소(C), 질소(N) 등이다. 뿌리로 흡수하는 물(H2O)로 수소와 산소를, 공기중 이산화탄소(CO2)로 탄소를 충족하여 광합성을 한다. 한편 잎 성장과 종의 번식에 질소가 필요하지만, 공기중 78%나 되는 질소는 직접 이용할 수 없다. 반드시 뿌리를 통해서 질소화합물을 흡수하여 질소를 충족한다. 놀라운 사실로 비오는 날 번개가 치면 질소 비료가 땅에 뿌려진다는 일이다.

 

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모닝선데이) 식물이 성장하는 데에는 질소, 인산, 칼륨이 필요하다. 그 중에서도 질소는 잎과 줄기의 성장을 돕는 역할을 한다. 지구상의 공기 중에 80%가 질소이지만, 식물들은 이 질소를 직접 흡수할 수 없다. 그 동안 사람들은 콩과 식물의 뿌리에 기생하는 뿌리혹박테리아가 질소를 고정시켜 식물들이 흡수할 수 있게 한다고 알고 있었다.
이 박테리아의 작용 이외에도 번개가 질소를 식물들에게 공급한다는 사실이 과학적으로 입증되었다. 미국의 대기학자 푸드후란즈 블라우는 해발 3,300미터의 산에서 수년 동안 천둥과 번개를 연구하며, 번개가 칠 때마다 대기의 샘플을 채취하여 분석했다.
그 결과 번개에 의해 공기 중의 질소가 산소와 결합하여 산화질소가 되는 것을 발견했다. 번개는 순간적으로 보통 30만 볼트 이상의 대단히 높은 전압으로 공기 중의 안정된 산소(O2)가스와 질소(N2)가스를 결합시켜서 비료의 원료가 되는 산화질소(NO)를 만들기에 충분한 화학에너지를 공급한다. 이렇게 생성된 산화질소는 빗물에 섞여서 식물의 영양분이 되는 것이다.

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위키) 질소고정(窒素固定)은 공기 중에 다량으로 존재하는 안정된 불활성 질소분자를 반응성이 높은 다른 질소화합물(암모니아, 질산염, 이산화질소 등)으로 변환하는 과정을 말한다.
생물학적 질소동화: 질소고정 세균, 뿌리혹 공생
화학적 질소고정: 산업적 질소고정량은 연간 약 85,000,000톤, 번개에 의한 광화학적 질소고정량은 연간 약 9,000,000톤
+이미 고정된 질소화합물의 활용)  동물의 배설물과 퇴비 등의 유기물질 분해
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농기자재신문) 유기질 비료는 식물 열매를 가공하고 남은 박 종류나 쌀겨, 톱밥, 볏짚과 같은 식물성 잔재물을 사용하기 편리하게 제품화한 것이다. 유기질 비료는 늘 숫자 3개가 일렬로 적혀있는데 이는 비료의 3대 성분인 질소, 인, 칼륨의 함유률을 차례대로 적어놓은 것이다. 유기질 비료는 4-2-1로 적혀있는데 이는 질소질 성분이 4%, 인 비료 성분이 2% 그리고 칼륨 비료 성분이 1%가 함유되어 있다는 뜻이다. 퇴비는 이러한 유기질 비료 성분이 미생물에 의하여 발효 분해된 것을 말한다. 그러므로 유기질 비료에는 질소, 인 그리고 칼륨 비료 성분들이 포함이 되어있지만 퇴비에는 영양성분들을 미생물들이 모두 먹어치워서 비료성분들은 거의 없다고 볼 수 있다. 다만 미생물이 실컷 먹다가 도저히 먹질 못하고 남긴 리그닌 성분이나 무기질 비료 성분만이 있을 따름이다. 그래서 퇴비에는 작물이 빨아먹을 영양분은 그리 많지가 않다.
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횡성군) 유기질 비료는 땅심을 높여 주기 때문에 많이 주면 줄수록 좋다는 생각을 가지고 있는 농민들이 많다. 그러나 무기질 비료와 마찬가지로 유기질 비료도 많이 주면 작물 생육에 해를 준다. 오래 전에 우리나라의 주요 유기질 비료였던 외양간 두엄은 부숙 기간이 길어, 많이 주어도 작물에 큰 해를 끼치지 않았다. 부숙 기간이 길어지면 퇴비 속에 쉽게 썩을 수 있는 물질들은 미생물에 의해서 분해되고 잘 썩지 않는 물질들이 많아지게 되는데, 이것을 퇴비가 안정화되었다고 말한다. 반면에 요즈음 시중에 공급되는 유기질 비료들은 거의 가축분 발효 퇴비 공장에서 생산된 것들로서, 퇴비 종류에 따라 다르지만 대체적으로 부숙 기간이 짧아 안정화 도중에 있는 물질로 생각할 수 있다.
이런 물질들을 뿌리면 아직 남아 있는 많은 양의 쉽게 썩을 수 있는 유기물질들이 무기화 되면서, 식물 양분의 과다 공급이 일어나게 된다. 이 때 양분 중에서 암모니움 양이온(NH4+)의 농도가 급격히 증가하여, 밭작물에 암모니아 독성 증상을 일으킨다. 암모니움 양이온(NH4+)과 암모니아 가스(NH3) 사이에는 평형관계에 있으며, pH가 높아지면 암모니아 가스가 많아진다. 두 물질 모두 독성을 일으키나, 무극성 상태인 암모니아 가스가 식물의 뿌리 세포막을 더욱 용이하게 통과하여 흡수될 수 있으므로, ?가스 피해?라고도 불린다. 안정화가 덜된 즉, 덜 썩은 유기물을 다량 주어서 암모니아 독성 피해를 입은 농가들을 흔히 볼 수 있다
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팜한농) 질소(N)비료: 작물 생육에 가장 중요한 성분으로서 광합성에 관계하는 엽록소를 만들어 작물의 줄기와 잎, 키를 키우는 역할을 합니다. 식물체 내 생화학 반응에 관여하는 효소, 호르몬, 비타민류의 구성 성분이기도 합니다.
· 결핍 증상/ 키가 크지 않고 아랫잎부터 누렇게 말라 죽습니다. 개화가 되더라도 결실률이 낮으며, 과실의 발육이 불량하고 품질도 떨어집니다.
· 과다 증상/ 대부분의 양분이 가지와 잎의 생장에만 소비되어 꽃눈 형성이 불량해집니다. 겉으로 보기엔 줄기가 튼튼해 보이지만 만져보면 무르고 연약합니다.

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최낙언의 자료보관소)
가) 질소고정(Nitrogen Fixation): N2 -->NH4+
질소 고정은 대기 중 질소 N2가 암모니움으로 전환되는 과정으로 생물체가 대기에서 직접 질소를 얻는 유일한 방식이다.
나) 질소 흡수(Nitrogen Uptake): NH4+ -->유기 질소(Organic N)
질소 고정 세균에 의해 생성된 암모니아는 숙주 식물 또는 세균 자신이나 토양 미생물에 의해 신속하게 단백질이나 기타 유기 질소 화합물로 편입된다.
다) 질소 광화(Nitrogen Mineralization): 유기 질소(Organic N) -->NH4+
질소가 유기물에 편입된 후에는 질소 광화 (다른 말로 ‘부식’)에 의해 원래의 무기 질소로 다시 전환된다. 미생물이 죽으면 분해자(세균, 진균)는 유기물을 섭취하여 분해 과정을 진행한다. 이 과정 중에 죽은 생물체에서 나온 상당량의 질소가 암모니움으로 전환된다. 일단 암모니움이 되면 질소는 식물에 의해 사용되거나 질산염(nitrate, NO3-)으로 변환된다. 이 과정을 nitrification이라고 한다.
라) 질소화(Nitrification): NH4+ -->NO3-
분해에 의해 형성된 암모니움 일부는 질소화 과정을 통해 질산염(nitrate)으로 전환된다. 질소화 반응은 산소를 요구한다. 따라서 질소화는 물이 순환하며 흐르는 곳, 토양의 표면 층 등 산소가 많은 환경에서 일어난다. 암모니움 이온은 양전하를 띠고 있어 음전하를 띠고 있는 토양의 유기질이나 진흙 입자에 달라 붙는다. 양전하는 암모니움 질소가 강우에 의해 토양에서 씻겨나가거나 스며드는 것을 막아주며 토양의 생산력을 감소시키고 표면에 nitrate를 풍부하게 한다.
마) 탈질소화(Denitrification): NO3- --> N2+ N2O
이 과정을 통해 질소의 산화 형태, 즉 질산염(nitrate) 및 아질산염(nitrite,NO2-)이 Dinitrogen (N2)으로 전환되고 동시에 적은 량이지만 nitrous oxide(N2O) 가스가 된다.  Denitrification은 무산소 과정이며 탈 질소 세균에 의해 다음과 같이 이루어진다.
NO3- -->NO2- -->NO -->N2O -->N2.
산화 질소(Nitric oxide)와 아산화질소(nitrous oxide)는 모두 중요한 환경 가스다. 산화질소는 스모그를 일으키고 아산화질소(N2O)는 중요한 온질 가스(greenhouse gas)로 지구 기후 변화에 영향을 미친다.  일단 N2로 전환되면 질소는 다시 생물학적으로 유용한 형태로 전화되기 어렵다. 가스 형태이기 때문에 급속하게 대기로 소실되기 때문이다. 그리고 질소 고정 세균에 의해 고정된 질소량과 균형을 맞춘다.