질산화 미생물과 탈질화 미생물 aka. 수질환경에 생물이라니...

매일 공부하는 척을 아주 열심히 하고 있다. 정작 진도는 넘나 늦게 빼고 있는 게 함정.... 그러면서 핑곗거리는 참 많아서 포스팅도 일주일만이다...

오늘 정리해볼 건 질산화 미생물과 탈질화 미생물.

 

수질환경기사이므로 수중에서 질소의 순환을 알아야한다. 수중에서 질소는 아래 그림처럼 순환한다.

 

단백질	→	아미노산	→	암모니아성 질소	→	아질산성 질소
↑(설명 생략)						↓
대기중으로 방출	←	질소가스	←	아질산성 질소	←	질산성 질소

 

이 그림을 이해하기 위해 필요한 개념은 두가지, 질산화와 탈질화이다.

매번 해왔듯이 인터넷을 검색해본다.

 

질화 질화 혹은 질산화라 불리는 반응은 암모니아가 아질산(nitrite)을 거쳐서 질산(nitrate)으로 산화되는 과정을 말한다.1) 질화는 전체 질소순환과정에서 매우 중요한 단계이며 산소가 존재하는 환경에서 발생한다. 역사적으로 19세기 후반에 러시아의 미생물학자인 Sergei Winogradsky가 질화는 미생물에 의해 발생한다는 것을 발견하였다. [네이버 지식백과] 질화 [Nitrification] (미생물학백과 )

 

탈질화 탈질화(denitrification)는 미생물에 의해 질산염(NO3-)이 환원되어 최종적으로 기체상태의 질소분자(N2)가 되는 과정으로 전체 반응은 다음과 같다. 2NO3- + 10 e- + 12H+ → N2 + 6H2O 일반적으로 탈질화 과정을 통해 질산염(NO3-) 상태의 질소가 아질산염(NO2-), 산화질소(NO), 아산화질소(N2O) 등을 거쳐 최종적으로 질소분자(N2)로 환원된다. NO3- → NO2- → NO + N2O → N2 탈질화 과정은 산소 대신 질산염이 최종 전자수용체로 사용되는 호흡과정이기 때문에, 탈질화는 산소 농도가 아주 낮고 질산염의 농도가 높은 특별한 환경조건에서 일어난다.  [네이버 지식백과] 탈질화 [denitrification] (미생물학백과 )

 

질산화와 질화는 같은 의미로 사용되는 말이다. 다만 같은 미생물학백과에서 가져와야 개념을 비교하는데 도움이 될 것같아서 질화와 탈질화를 가져왔다.

 

질산화를 화학식으로 나타내본다.

 

2NH3 + 3O2 → 2H+ + 2NO2- + 2H2O	nitrosomonas
2NO2- + O2 → 2NO3-	nitrobacter

 

책이나 기타 문제지 등에 보면 분수를 이용해 산소를 나타내고 NH₃가 하나일 때 반응식을 나타낸 것이 많다. 아마 분수 없앤다고 숫자를 나처럼 적어놨다간 헷갈릴 수 있기 때문에 편의상 그렇게 표현했지 싶다. 그럼에도 굳이 헷갈릴 수 있는데 저렇게 적은 이유는 하나는 고딩 때 배우길 화학식은 정수로 나타내는 것이 맞다고 배웠다는 점과 분수를 적으려니 그 과정이 귀찮기 때문이라는 두가지 이유를 꼽겠다. 아마도 앞의 이유보다 뒤의 이유가 몇 배이상 큰 비중이다...

 

다시 질산화로 돌아가서 질산화는 화학식을 보면 알겠지만 호기성(산소가 충분한) 환경에서 이루어지며 관여하는 미생물은 표에 적혀 있듯 nitrosomonas 와 nitrobacter 이다. 책에선 질산화 미생물로 싸잡아 적혀 있는 것을 보면 아마도 각 단계로 나누어 물어보는 질문은 나오지 않을 것으로 예상되지만 뭐... 기출을 보지 않은 상황이라 확실치는 않다.

 

탈질화의 경우, NO₃ → NO₂ → NO → N₂O → N₂의 순으로 진행되지만 NO, N₂O, N₂ 모두 가스이므로 단순하게 NO₃ → NO₂ → N₂로 생각할 수 있다. 관여하는 미생물은 Pseudomonas, Micrococcus, Achromobacter, Bacillus 등이 있으며 어떤 단계에서 관여하는지는 나름 여기저기 찾아봤는데 명확하지 않아서 굳이 적지 않는다. 책에서도 싸잡아 적혀있는 것을 보면 이 역시 단계로 나누어 문제가 나오진 않을 것으로 보이지만 이 역시도 기출을 보지 않은 현 상황에서 함부로 유추하기는 어렵다.

 

기사 및 산업기사 시험에 필요한 만큼만 이해하려면 이만큼만 하면 된다. 시험의 경우 나처럼 기억이 많이 사라진 사람이거나 혹은 비전공자의 경우 이렇게 개념을 가볍게나마 한번 훑고 넘어가면 나중에 기출풀면서 정리할 개념이 적어지니 좋은데 반대로 생각해보면 어차피 기출 풀면서 필요한 부분만 정리하는 것도 좋은 방법이라 하겠다. 다만 첫번째 파트 수질오염개론을 적당히 이해하고 있어야 나머지 파트에 대한 이해가 쉬울 것으로 생각되므로 수질오염개론의 경우 기출에 나오지 않더라도 책이 있다면 책을 이용해 가볍게 정리하는 것을 권하고 싶다.

 

추가적으로 질산화 미생물의 경우 독립영양미생물이고 탈질화 미생물은 종속영양미생물이다. 독립과 종속을 나누는 기준은 "무기물의 합성으로 유기물을 생성할 수 있는가" 라고 한다. 이는 즉, 화학반응을 통해 생명을 유지할 에너지를 얻을 수 있는가로 연결지어볼 수 있다. 질산화미생물의 경우 암모니아와 산소 또는 아질산과 산소를 결합하는 과정에서 화학에너지를 얻으므로 독립영양미생물이고, 탈질화 미생물의 경우 반대의 작용을 하게 되어 에너지를 생산해내지 못하므로 종속영양미생물이다. 라고 간단히만 이해했다. 깊게 들어가면 너무 생물이라서....(독립영양생물은 다시 광독립, 화학독립, 절대독립으로 나뉜다느니 등등...)

TMI : 아질산에서 질산을 생성하는 것보다 암모니아에서 아질산을 생산할 때, 더 큰 에너지를 얻어낸다.

 

질산화 미생물과 탈질화 미생물을 열심히 찾던 중 Nitrifying bactria(질화세균)이라는 단어도 나왔는데 이는 다시 Ammonia Oxidizer(암모니아산화균)와 Nitrite Oxidizer(아질산화균)로 구분된다. 처음에 보고 질산화 미생물의 다른 종류인줄 알았는데 질산화미생물의 총칭이었다. 굳이 비교를 하자면 암모니아 산화균에 nitrosomonas가 포함되고 아질산화균에 nitrobacter가 포함된다.

 

 

보면 도움이 될 참고문헌들

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5145080&cid=61232&categoryId=61232