질소 순환

모든 단백질과 DNA에 존재하는 질소(nitrogen) 원자는 생태계의 비생물적 구성 요소와 생물학적 구성 요소 사이에서 재활용됩니다. 그러나 지구상의 질소의 주요 형태는 대부분의 동물과 식물에서 사용할 수 없는 질소 가스입니다. 따라서 질소 가스는 다른 살아있는 유기체를 통해 순환되기 전에 먼저 질소 고정 박테리아에 의해 사용 가능한 형태로 변환되어야 합니다. 인간 농업에서 질소가 함유된 비료와 동물 폐기물 제품의 사용은 자연 질소 순환에 큰 영향을 미쳤습니다.

생물학적 질소 순환

우리가 호흡하는 공기의 약 78%가 질소 가스입니다. 하지만, 이런 N₂ 형태를 사용할 수 있는 유기체는 거의 없습니다. 질소는 단백질과 DNA와 같은 모든 유기체에서 필수적인 분자를 구성합니다. 대기 형태의 질소를 사용할 수 없는 대부분의 유기체는 질소 고정(nitrogen fixation)과 질화 원핵생물(nitrifying prokaryote)의 부산물을 통해 질소를 얻습니다. 질소 고정은 질소 가스(N₂)를 암모니아(NH₃)로 변환하고, 질화는 NH₃을 아질산염(NO₂^–)과 질산염(NO₃^–)으로 변환합니다. 식물은 암모니아와 질산염을 직접 사용할 수 있고, 식물을 먹는 유기체는 식물을 섭취해 질소를 얻습니다. 이 유기체들이 죽었을 때, 토양 속의 박테리아는 암모니아화(ammonification)라고 불리는 과정에서 유기 질소를 암모니아로 바꿀 수 있습니다. 탈질화(denitrification)를 통해, 호기성(aerobic; 유산소) 박테리아는 암모니아를 다시 대기 중으로 방출되는 질소 가스로 바꾸어 순환을 완료할 수 있습니다.

질소 저장고

질소를 장기간 보관할 수 있는 주요 저장고는 대기 중의 질소 가스입니다. 하지만, 생태계에도 여러 작은 질소 저장고가 있습니다. 질소는 늪, 해양 퇴적물, 그리고 퇴적암에서 비교적 오랜 시간 동안 묶일 수 있습니다. 그러나 질소 화합물이 물에 매우 녹기 때문에, 퇴적암의 풍화는 질소를 생태계로 다시 방출할 수 있습니다.

질소 순환에 대한 인간의 영향

질소는 종종 자연환경에서 식물 성장을 제한하는 제한영양소(limiting nutrient)이기 때문에, 농민들이 농업 수확량을 증가시키기 위해 비료로 질소를 토양에 첨가합니다. 수생 생태계로의 농업 유출(agricultural runoff)은 부영양화(eutrophication)와 유독한 조류 종의 부자연스러울 정도로 빠른 성장을 초래할 수 있습니다. 또한 많은 수의 가축을 기르는 것은 토양과 지역 수원의 질소 폐기물의 양을 증가시킬 수 있습니다.