질소 고정

질소 고정(窒素固定, )은 분자 상태의 질소()가 암모니아()로 전환되는 화학적 과정이다. 이는 생물학적으로도 일어나고, 화학공업에서 비생물적으로도 일어난다. 생물학적 질소 고정은 질소고정효소라고 불리는 효소에 의해 촉매 반응이 일어난다. 이러한 효소 복합체는 Nif 유전자(또는 Nif 동종)에 의해 부호화되며 철을 함유하고, 종종 두 번째 금속(주로 몰리브데넘, 때로는 바나듐)을 포함한다.

일부 질소 고정 세균은 식물, 특히 콩과, 이끼, 그리고 물개구리밥과 같은 수생 양치식물과 공생 관계를 맺는다. 질소 고정 세균과 식물 사이의 더 느슨한 비공생 관계는 종종 연합적이라고 불리며, 쌀 뿌리에서의 질소 고정에서 볼 수 있다. 질소 고정은 일부 흰개미와 균계 사이에서도 발생한다. 대기 중에서는 번개에 의한 NOx 생성 과정을 통해 자연적으로 발생한다.

고정된 질소는 지구의 생명체에 필수적이다. DNA 및 단백질과 같은 유기 화합물은 질소를 포함하고 있다. 산업적 질소 고정은 비료, 의약품, 직물, 염료 및 폭발물을 포함한 모든 질소계 산업 제품 제조의 기초가 된다.

 역사 
섬네일|320px|right|질소의 순환을 나타낸 도식. 비생물적 질소 고정은 생략되었다.
생물학적 질소 고정은 1838년 장바티스트 부생고에 의해 발견되었다. and 69: 353–367. 이후 1880년에 독일의 농학자 헤르만 헬리겔과 헤르만 빌파르트에 의해 그 과정이 발견되었으며 네덜란드의 미생물학자 마르티누스 베이예링크에 의해 상세히 기술되었다.

"드 소쉬르, 조르주 빌, 존 베넷 로스, 조셉 헨리 길버트 등에 의해 시작된 질소 획득과 식물의 관계에 대한 장기간의 조사는 1887년 헬리겔과 빌파르트에 의한 공생 고정의 발견으로 정점에 달했다."Howard S. Reed (1942) A Short History of Plant Science, page 230, Chronic Publishing

"1855년 부생고와 1887년 퓨, 길버트, 로스의 실험은 질소가 식물에 직접 들어가지 않는다는 것을 보여주었다. 1886~1888년 헤르만 헬리겔과 헤르만 빌파르트에 의한 질소 고정 세균의 역할 발견은 토양학의 새로운 시대를 열었다."마거릿 로시터 (1975) The Emergence of Agricultural Science, page 146, Yale University Press

1901년 베이예링크는 아조토박터 크로오코쿰(Azotobacter chroococcum)이 대기 중의 질소를 고정할 수 있음을 보여주었다. 이것은 그에 의해 명명된 아조토박터속의 첫 번째 알려진 종이었다. 또한 완전한 질소의 순환 단계 중 하나로 이원자 분자 질소를 사용하는 최초의 알려진 질소 고정 세균 종이다.

 생물학적 고정 
생물학적 질소 고정(BNF)은 대기 중의 질소가 질소고정효소에 의해 암모니아로 전환될 때 발생한다. BNF의 전체 반응식은 다음과 같다.

 → 

이 과정은 16당량의 ATP 가수분해와 결합되어 있으며, 1당량의 가 동시에 생성된다. 가 암모니아로 전환되는 과정은 철-몰리브데넘 보조인자의 약자인 FeMoco라고 불리는 금속 클러스터에서 일어난다. 이 메커니즘은 FeMoco 활성 부위가  기질을 수소화하는 일련의 양성자화 및 환원 단계를 통해 진행된다. 독립 생활을 하는 질소 고정 세균에서 질소고정효소에 의해 생성된 암모니아는 글루타민 합성효소/글루타메이트 합성효소 경로를 통해 글루타메이트로 동화된다. 질소 고정에 필요한 미생물의 Nif 유전자는 다양한 환경에 널리 분포되어 있다.

질소고정효소는 산소에 의해 빠르게 분해된다. 이러한 이유로 많은 세균은 산소가 있는 곳에서 효소 생산을 중단한다. 많은 질소 고정 생물은 산소 농도를 낮추기 위해 호흡을 하거나 레그헤모글로빈과 같은 단백질로 산소를 결합하는 혐기성 생물 조건에서만 존재한다.

 질소의 중요성 
대기 중의 질소는 삼중 공유 결합이 매우 강하기 때문에 대부분의 생물에 의해 대사될 수 없다. 대부분은 다양한 공급원으로부터 고정된 질소를 섭취한다. 탄소 원자 100개당 약 2~20개의 질소 원자가 동화된다. 플랑크톤 생물량에서 관찰되는 탄소(C) : 질소(N) : 인(P)의 평균 원자비는 원래 앨프리드 레드필드에 의해 설명되었으며, 그는 C:N:P 원자 사이의 화학량론적 관계인 레드필드 비율을 106:16:1로 결정했다.

 질소고정효소 

단백질 복합체인 질소고정효소는 질소 가스(N2)가 암모니아(NH3)로 환원되는 촉매 반응을 담당한다. 남세균에서 이 효소 시스템은 이질세포(heterocyst)라고 불리는 특수 세포에 들어 있다. 질소고정효소 복합체의 생성은 유전적으로 조절되며, 단백질 복합체의 활성은 주변 산소 농도와 세포 내외의 암모니아 및 산화된 질소종(질산염 및 아질산염) 농도에 따라 달라진다. 또한 암모늄과 질산염의 결합 농도는 NFix를 억제하는 것으로 생각되는데, 특히 세포 내 2-옥소글루타르산(2-OG) 농도가 임계값을 초과할 때 그러하다. 특수화된 이질세포는 주변 산소에 대한 민감성 때문에 질소고정효소의 성능을 발휘하는 데 필요하다.

질소고정효소는 두 개의 단백질, 즉 일반적으로 MoFe 단백질로 지칭되는 촉매 작용을 하는 철 의존성 단백질과 철만 포함하는 환원 단백질(Fe 단백질)로 구성된다. 세 가지 철 의존성 단백질이 알려져 있는데, 몰리브데넘 의존성, 바나듐 의존성, 철 전용 단백질이며, 세 가지 질소고정효소 변이 모두 철 단백질 성분을 포함하고 있다. 몰리브데넘 의존성 질소고정효소가 가장 일반적이다. 다양한 유형의 질소고정효소는 특정 철 단백질 성분에 의해 결정될 수 있다. 질소고정효소는 고도로 보존되어 있다. DNA 시퀀싱을 통한 유전자 발현 분석으로 미생물에 어떤 효소 복합체가 존재하고 잠재적으로 발현되는지 구별할 수 있다. 가장 빈번하게는 nifH 유전자가 몰리브데넘 의존성 질소고정효소의 존재를 식별하는 데 사용되며, 그 뒤를 이어 밀접하게 관련된 질소고정효소 환원효소(성분 II)인 vnfH 및 anfH가 각각 바나듐 의존성 및 철 전용 질소고정효소를 나타내는 데 사용된다. 질소 고정 세균의 생태와 진화를 연구하는 데 있어 nifH 유전자는 가장 널리 사용되는 바이오마커이다. nifH는 질소고정효소 복합체의 질소고정효소 환원효소 성분을 부호화하는 두 개의 유사한 유전자 anfH 및 vnfH를 가지고 있다.

 질소고정효소의 진화 
질소고정효소는 약 15억~22억 년 전(Ga) 사이에 진화한 것으로 생각되지만, 약 32억 년 전만큼 일찍 진화했다는 동위원소 증거도 있다. 질소고정효소는 마투라제(maturase) 유사 단백질에서 진화한 것으로 보이지만, 이전 단백질의 기능은 현재 알려져 있지 않다.

질소고정효소는 단백질의 활성 부위에서 발견되는 금속(각각 몰리브데넘, 철, 바나듐)에 해당하는 세 가지 형태(Nif, Anf, Vnf)를 가지고 있다. 지구의 지질학적 시간표에 따른 해양 금속의 풍부함이 어떤 형태의 질소고정효소가 가장 흔했는지를 결정한 것으로 생각된다. 현재 어떤 형태의 질소고정효소가 먼저 나타났는지에 대한 결정적인 합의는 없다.

 미생물 

질소 고정 세균(Diazotrophs)은 남세균(예: 매우 중요한 트리코데스미움 및 시아노테케), 녹색 유황 세균, 홍색 유황 세균, 아조토박터과, 뿌리혹박테리아 및 프랑키아속을 포함하여 세균 도메인 내에 널리 퍼져 있다. 많은(전부는 아니지만) 클로스트리디움속 종을 포함하여 여러 절대 혐기성 세균이 질소를 고정한다. 메타노사르키나 아세티보란스(Methanosarcina acetivorans)와 같은 일부 고세균도 질소를 고정하며, 다른 여러 메테인 세균 분류군은 산소가 부족한 토양에서 질소 고정에 크게 기여한다.

일반적으로 남조류로 알려진 남세균은 지구상의 거의 모든 빛이 비치는 환경에 서식하며 생물권의 탄소 및 질소의 순환에서 핵심적인 역할을 한다. 일반적으로 남세균은 질산염, 아질산염, 암모늄, 요소 또는 일부 아미노산과 같은 결합된 질소의 다양한 무기 및 유기원을 사용할 수 있다. 여러 남세균 균주는 질소 고정 성장이 가능하며, 이 능력은 시생누대의 마지막 공통 조상에게도 있었을 수 있다. 질소 고정은 토양뿐만 아니라 민물과 해수를 포함한 수계에서도 자연적으로 발생한다. 실제로 해양에서 고정되는 질소의 양은 육지에서만큼이나 많다. 군집성 해양 남세균인 트리코데스미움은 전 세계 해양 시스템 질소 고정의 거의 절반을 차지할 정도의 규모로 질소를 고정하는 것으로 생각된다. 해양 표면의 지의류와 프로테오박테리아 및 플랑크토미케테스에 속하는 비광합성 세균도 상당한 양의 대기 질소를 고정한다. 담수에 서식하는 질소 고정 남세균 종으로는 아파니조메논 및 돌리코스페르뭄 플로스아쿠아에(이전의 아나베나)가 있다. 이러한 종들은 이질세포라고 불리는 특수한 세포를 가지고 있으며, 이곳에서 질소고정효소를 통해 질소 고정이 일어난다.

 조류 
UCYN-A2라고 불리는 남세균 내부공생체에서 유래한 한 종류의 세포소기관은 질소 가스를 생물학적으로 이용 가능한 형태로 바꿀 수 있다. 이 니트로플라스트(nitroplast)는 조류, 특히 해양 조류인 브라루도스파에라 비겔로위(Braarudosphaera bigelowii)에서 발견되었다.

Rhopalodiaceae과의 돌말류 또한 유사분열체(spheroid bodies) 또는 디아조플라스트(diazoplasts)라고 불리는 남세균 내부공생체를 가지고 있다. 이러한 내부공생체는 광합성 특성을 잃었지만 질소 고정 능력을 유지하여 이들 돌말류가 대기 중의 질소를 고정할 수 있게 한다. 질소 고정 남세균과 공생하는 다른 돌말류로는 헤미아울루스(Hemiaulus), 리조솔레니아(Rhizosolenia) 및 카에토세로스(Chaetoceros) 속 등이 있다.

 뿌리혹 공생 

 콩과 
섬네일|right|잠두 뿌리에 보이는 뿌리혹
질소 고정에 기여하는 식물에는 쿠즈, 토끼풀속, 콩, 자주개자리, 루핀, 땅콩 및 루이보스와 같은 분류군을 포함하는 콩과 식물이 포함된다. 이들은 뿌리 시스템의 뿌리혹 내에 공생하는 뿌리혹박테리아를 포함하고 있으며, 식물이 성장하고 다른 식물과 경쟁하는 데 도움이 되는 질소 화합물을 생산한다. 식물이 죽으면 고정된 질소가 방출되어 다른 식물이 이용할 수 있게 되며, 이는 흙을 비옥하게 하는 데 도움이 된다. 대다수의 콩과 식물이 이러한 연관성을 가지고 있지만, 몇몇 속(예: 회화나무속)은 그렇지 않다. 많은 전통적인 농업 관행에서 밭은 다양한 유형의 작물을 윤작하며, 여기에는 보통 주로 또는 전적으로 토끼풀속으로 구성된 작물이 포함된다.

토양에서의 고정 효율은 콩과 식물, 공기 및 토양 조건을 포함한 많은 요인에 따라 달라진다. 예를 들어, 레드 클로버에 의한 질소 고정량은 에이커당 에 이를 수 있다.

 비콩과 식물 

뿌리혹에서 질소를 고정하는 능력은 프랑키아속 세균의 도움을 받아 오리나무속 및 소귀나무와 같은 방선균 공생 식물에서도 나타난다. 이들은 박목, 참나무목, 장미목에 속하는 25개 속에서 발견되며, 콩목과 함께 장미군(eurosids)의 질소 고정 분기군을 형성한다. 질소 고정 능력이 이들 과에 보편적으로 나타나는 것은 아니다. 예를 들어 122개의 장미과 속 중 단 4개 속만이 질소를 고정한다. 콩목은 이 질소 고정 분기군에서 가장 먼저 갈라져 나온 계통이었다. 따라서 질소 고정 능력은 조상 형질일 수 있으며 이후 원래 질소 고정 식물의 후손 대부분에서 소실되었을 수 있다. 그러나 모든 식물의 가장 최근의 공통 조상에게 기본적 유전학적 및 생리학적 요구 사항이 초기 상태로 존재했다가 그중 일부에서만 완전한 기능으로 진화했을 수도 있다.

또한 삼과의 열대 속인 트레마속(Parasponia)은 이례적으로 뿌리혹박테리아와 상호작용하여 질소 고정 뿌리혹을 형성할 수 있다.

+뿌리혹을 형성하는 비콩과 식물과속종자작나무과대부분 또는 모든 종지치과삼과카수아리나과코리아리아과다티스카과보리수나무과소귀나무과포시도니아과갈매나무과장미과

 기타 식물 공생체 
다른 일부 식물들은 질소를 고정해 주는 남세균( 노스톡과 같은 남세균)과 연합하여 살아간다.
 요엽하늘지기 및 모지기속과 같은 일부 지의류
 물개구리밥속 (Azolla 종)
 소철목
 구네라속
 블라시아속 (우산이끼문)
 뿔이끼류

농업적으로 중요한 식물과 관련된 일부 공생 관계는 다음과 같다.
 사탕수수와 불분명한 내생식물
 조와 아조스피릴룸 브라실렌세
 칼라 그라스와 아조아르쿠스 sp. 균주 BH72
 쌀과 헤르바스피릴룸 세로페디카에
 밀과 폐렴 막대균
 옥수수 재래종 '시에라 믹세' / 'olotón' 및 다양한 박테로이도타 및 슈도모노도타

 산업적 공정 

 역사적 배경 
질소 고정 방법은 1784년 헨리 캐번디시에 의해 공기 중의 질소와 산소를 반응시키는 아크 방전을 사용하여 처음 기술되었다. 이 방법은 1903년 비르켈란-에위데 공정으로 구현되었다. 번개에 의한 질소 고정은 이와 매우 유사한 자연 발생 과정이다.

대기 중 질소가 특정 화학 물질과 반응할 가능성은 1828년 브장송의 약사 M. 데스포세스에 의해 처음 관찰되었다. 그는 알칼리 금속 산화물과 탄소의 혼합물이 고온에서 질소와 반응한다는 것을 관찰했다. 탄산 바륨을 원료로 사용하여 1860년대에 마르그리트와 수르드발에 의해 최초의 상업적 공정이 가능해졌다. 생성된 바륨 사이아나이드는 증기와 반응하여 암모니아를 생성한다. 1898년 아돌프 프랑크와 니코뎀 카로는 사이안아마이드화 칼슘 형태로 질소를 고정하는 프랑크-카로 공정을 개발했다. 이 공정은 1909년에 발견된 하버법에 의해 가려졌다.

 하버법 

섬네일|right|알파선에 의한 질소 고정 연구 장비 (질소 고정 연구소, 1926)
암모니아를 생산하는 지배적인 산업적 방법은 1909년의 하버법으로, 하버-보슈 공정으로도 알려져 있다.Smil, V. 2004. Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production, MIT Press.Smil 2001, p. xv 비료 생산은 현재 육상 생태계에서 인위적으로 생성되는 고정 질소의 가장 큰 원천이다. 암모니아는 비료, 폭발물 및 기타 제품에 필요한 전구체이다. 하버법은 산업적 촉매 반응을 위한 일상적인 조건인 고압(약 200기압)과 고온(최소 400 °C)을 필요로 한다. 이 공정은 천연가스를 수소원으로 사용하고 공기를 질소원으로 사용한다. 생성된 암모니아는 전 세계적으로 질소 비료의 집약화를 가져왔으며, 20세기 초 약 20억 명이었던 인구를 현재 약 80억 명으로 늘리는 데 기여한 것으로 평가받는다.

 균일 촉매 반응 

에너지 요구량을 낮추는 것을 목표로 질소 고정을 위한 촉매 발견에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 이러한 연구는 하버법의 효율성과 편의성에 근접하는 데 실패했다. 많은 화합물이 대기 중의 질소와 반응하여 질소 착물을 형성한다. 최초로 보고된 질소 착물은 ()2+이다. 일부 가용성 착물은 질소 고정을 촉매한다.

 번개 
섬네일|번개는 주변 공기를 고온의 플라스마로 가열하여 의 결합을 끊고 아질산() 형성을 시작하게 한다.
번개는 대기 중의 질소 가스()와 산소 가스()를 질소 산화물()로 전환함으로써 질소를 고정할 수 있다.  분자는 질소 원자 사이의 삼중 결합 때문에 매우 안정적이고 비반응적이다. 번개는 이 결합을 끊기에 충분한 에너지와 열을 생성하여 질소 원자가 산소와 반응하여 를 형성하게 한다. 이들 화합물은 식물이 직접 사용할 수 없지만, 이 분자가 냉각되면서 산소와 반응하여 이산화 질소()를 형성하고, 이는 다시 물과 반응하여 아질산() 또는 질산()을 생성한다. 이러한 산이 토양으로 스며들면 식물이 이용할 수 있는 질산염(NO3−)을 생성하게 된다.

 같이 보기 
 질소

 각주 

 외부 링크 


분류:질소 대사
분류:물질대사
분류:식물생리학
분류:토양생물학
분류:미생물학