질소계 순환

질소계 순환

질소는 크게 3 그룹으로 구분한다. 첫째는 분비물로 배출된 요소(Urea)와 같은 유기질소이며, 둘째는 기체로서 질소기체(N2)로 존재하며, 셋째는 용존이온 상태로서 산화상태에 따라 네 가지 형태로(NH+, NO-, NO-, NO) 존재한다.

첫째, 동식물의 몸체에 있던 유기질소는 동식물의 사체가 박테리아에 의해 산화됨에 따라 박테리아의 몸체 구성물질이 된다. 어떤 동물은 암모니아(NH+)를 수중으로 배설하고, 또 어떤 동물은 요소를 배설한다. 암모니아는 대부분의 박테리아가 이를 직접 흡취 하여 자신의 성장에 이용할 수 있고, 일부 박테리아는 유기물을 분해하여 암모니아질소를 생성한다. 이렇게 생성된 암모니아는 단계적으로 산화되어(질산화작용:nitrification) 산소가 충분한 수중에서는 아질산질소(nitrite, NO-)을 거쳐 질산질소(nitrate, NO-)이 된다. 한편 산소가 부족한 환경에서는 이와 반대로 NO-→ NO-→ NH+ 환원반응이 진행된다. 산소가 부족한 환경에서는 아질산질소 에서부터 탈질산화작용(denitrification)이 일어나 NO-→ NO → N 방향으로 반응이 일어나기도 한다. 탈질산화작용을 통해 생긴 질소 가스는 일부 박테리아에 의해 비록 미량이나마 식물체의 구성요소인 유기질소 형태로 다시 돌아온다. 질소 순환체계 중 가장 중요한 경로는 질산질소, 아질산질소, 암모니아질소 및 요소가 식물플랑크톤에 의해 흡취 되는 과정이다. 식물플랑크톤의 구성 물질이 된 질소는 동물플랑크톤이 포식함으로써 질소순환체계를 완성하게 된다. 질소 순환계(Nitogen Cycle)(그림 1.)의 과정에 기본적인 3종류의 박테리아가 중요한 역할을 하고 있다.

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(그림 1)

 [무기화 작용]

          질소유기화합물  ----->  NH3 (암모니아)

                             타가영양세균

  [질산화 작용]

          암모니아(NH3)  ----->  아질산(NO2)   -----> 질산염(NO3)

                          니트로소모나스                니트로박터

  [탈질화 작용]

          질산염(NO3)  ----> 산화  ----->  분해  -----> H2, H2O

                                           자가영양세균(슈도모나스)

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① Heterotropihic bacteria : 암모니아 박테리아(NH, NH+)

모든 생물체들이 배설하는 분비물과 먹이 잔여분의 부패, 죽은 물고기들의 부패등과 사육어들의 피부로 통한 분비물 즉 단백질(아미노산)등에서 형성되는 미생물로서, 이 박테리아 역시 자체 내에서 먹이를 섭취하며 일종의 배설을 하게 되는데 이것이 암모니아(Ammonia: NH＋NH+)를 발생시키는 원인이 된다. 양어에 있어서 암모니아는 독성적이다. 성공적인 양어를 위해서는 암모니아 발생을 무독성인 질산염으로 바꾸어 주어야 한다. 총암모니아는 다시 암모늄(Ammonium : NH+)과 암모니아(Ammonia : NH)로 구분할 수 있는데, pH값이 중성(pH 7)이나 산성(pH 7이하)일 때는 암모늄의 비율이 암모니아의 비율보다 높고 반대로 알칼리성(pH 7이상)으로 변할 때는 암모니아의 비율이 암모늄의 비율보다 높아진다. 암모늄은 어류들에게 미치는 영향이 적은 편이지만 암모니아가 어류들에게 미치는 영향은 매우 심각하다. 보편적으로 우리가 암모니아라고 말할 때는 항시 NH와 NH+로 이루어져 있다. 헤테로트로픽 박테리아(Heterotropihic bacteria)의 증식률은 약 15분마다 기하급수적으로 증가하는 매우 번식율이 높은 박테리아이다. 또한 우리 주변에서 가장 쉽게 발견될 수 있다.

② Nitrosomonas bacteria : 아질산 박테리아(NO2-)

 헤테로트로픽 박테리아 분비물에 의해서 형성되는데 이 박테리아 역시 자체 내에서 분해되어 아질산질소를 발생시키는 원인이 된다. 쉽게 설명하자면 나이트로소모나스 박테리아(Nitrosomonas bacteria)는 헤테로트로픽 박테리아를 먹고 살며 일종의 배설 과정을 거치며 배설된 성분은 곧 아질산의 요인이 된다. 나이트로소모나스 박테리아의 증식률은 헤테로트로픽 박테리아의 번식에 비해 낮아 약 24～36시간마다 배로 증가한다.

③ Nitrobacter bacteria : 질산염 박테리아(NO3-)

 나이트로소모나스 박테리아의 분비물에 의해서 형성되는데 이 박테리아 역시 자체 내에서 분해되어 질산질소를 발생시키는 원인이 된다. 앞에서 말했듯이 헤테로트로픽 박테리아는 흔하고 강하며 번식도 높으나 우리가 원하는 나이트로백터 박테리아(Nitrobacter bacteria)는 생식 조건이 까다롭다. 그들의 번식 환경조건은 첫째 풍부한 산소와 적절한 pH가 맞아야 하며 온도도 중요한 여건 중의 하나다. 어쨌든 충분한 양의 나이트로백터 박테리아가 서식하게 되기까지는 수조의 크기와 사육어의 밀도에 따라 3주에서 8주 이상의 기간이 걸린다. 이 과정에서 암모니아가 최고 수치까지 오른 후 수치가 급격히 떨어지는 동시에 다시 아질산이 최고수치까지 오르게 되면서 어느 기간 동안 유지하다가 아질산 수치도 급격히 떨어지게 되는데 이렇듯 암모니아나 아질산이 많이 발생할 때 pH도 비례해서 낮아지게 된다. 암모니아가 없어지고 아질산이 최고 수치까지 오른 후 현저하게 수치가 낮아지면서 수조에서 전혀 암모니아나 아질산 검출이 되지 않을 때 질산염의 형성이 이루어지게 된다. 유독성분인 암모니아나 아질산이 완전히 제거된 후 그때서야 우리는 비로소 수질이 안정되었다고 할 수 있다.

 이들의 성장에는 미량금속이 필요하다. 처음 시작하는 사육조에서 활발히 생식활동을 하는 헤테로트로픽 박테리아의 번식으로 인해 그나마 부족한 양의 미량광물질이 거의 흡수돼 없어져 버리고 만다. 아질산 박테리아(Nitrosomanas)나 질산염 박테리아(Nitrobacter)가 필요로 하는 양의 미량 광물질이 생성되기까지는 수 주일의 기간이 필요하다. 아질산 박테리아는 번식조건이 까다로움에도 불구하고 생명력이 강하다. 그들의 생식조건만 어느 정도 갖춰진다면 먹이 없이도 오래 살 수 있다. 아질산 박테리아 조건만 맞으면 먹이가 없을 때 동면상태에 들어가서 약 3년까지도 살아있을 수 있다. 반면에 질산염 박테리아는 번식 조건이 까다로우며 생명력도 강하지 못하다. 먹이가 감소되면 그들의 숫자도 줄어든다. 암모니아와 아질산의 수치가 높을 때는 사육어에게 상당히 치명적이다. 질산염은 암모니아나 아질산에 비해 질산염은 무독성이라고 할 수는 있으나 높은 수치의 질산질소 역시 사육어에게는 해롭다. 질산질소는 정규적인 물갈이와 관리로 안정시킬 수 있다.