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질소원 Nirogen source  

식물의 영양원
- 이산화탄소
- N 질소, Nitrogen source : 질산,아질산,암모니아
- P 인원, Phosphorous source
- K 칼륨 비료
- S 황원, Sulfur source
- 화학비료 vs 퇴비

질소, Nitrogen source
- 질소 N2 gas, 아질산 NO2, 산화질소 NO
- 질소(단백질) 대사
- 질소배출
- 식물의 질소고정 : 글루탐산 + 암모니아 --> 글루타민




 



질소의 고정량
질소의 고정은 비생물학적인 생산과 생물학적인 생산으로 나누어 생각해 볼 수 있다.  비생물학적인 고정에는 번개, 연소, 산업적 생산 등이 있고, 생물학적인 고정에는 농경지, 숲 등 비농경지, 바다에서의 고정으로 분리해 생각해 볼 수 있다. 생물학적, 비생물학적인 질소고정 총량은 연간 2,550만 톤 정도로  추정되고 있다. 비생물학적으로는 800만 톤 정도가 고정되는 것으로 추정되는데, 산업공정 500, 연소 200, 번개 100만 톤 정도이다. 생물학적 고정으로는 연간 1,750만 톤이 고정되는 것으로 추정되는데, 농경지 90, 비농경지 50, 바다 35만톤 정도이다



① 헤테로트로픽 박테리아(Heterotrophic bacteria) : 암모니아 박테리아(NH3, NH4+)
  우리 주변에서 가장 쉽게 발견될 수 있다.
② 나이트로소모나스 박테리아(Nitrosomonas bacteria) : 아질산 (NO2)
  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 나이트로백터 박테리아(Nitrobacter bacteria) : 질산염 박테리아(NO3)
   질산염 박테리아(Nitrobacter)는 아질산 박테리아(Nitrosomonas)를 분해시키고
  아질산 박테리아는암모니아 박테리아를 분해 시킨다.  

가) 질소고정(Nitrogen Fixation)
N2 -->NH4+
질소 고정은 대기 중 질소 N2가 암모니움으로 전환되는 과정으로 생물체가 대기에서 직접 질소를 얻는 유일한 방식이다. 일부 세균이 질소를 고정시킨다. 질소를 고정시키는 세균은 숙주 식물과 공생 관계를 형성한다. 이들 세균은 콩과 식물(완두, 대두, 클로버)의 뿌리 결절에 서식하면서 자신들이 고정시킨 질소를 식물에게 주고 식물로부터 탄수화물 등 유익한 물질 및 환경을 제공받는다.
식물 숙주 없이 질소를 고정시키는 세균도 있다. 이를 free-living nitrogen fixers라고 하고 물 속의 청녹조류(blue-green algae=cyanobacteria)가 그 예다.
질소를 고정시키는 세균 이외에도 고 에너지 자연 현상인 번갯불, 산불, 뜨거운 용암 등도 질소를 고정시킨다.  이와 같은 고 에너지가 질소 분자의 삼중 결합을 파괴하여 질소 원자를 만들어 화학적 변형을 일으킬 수 있다. 지난 세기 동안 사람들은 자연에서 유래된 물질로 질소를 고정했다. 합성 질소 비료, 화석 연료 연소, 콩과 식물 배양 등으로 질소를 고정하여 생물권으로 진입시켰다

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.

인체를 구성하고 있는 여러 원소 중 질소(원소기호 N) 는 특별히 중요하다. 단백질의 구조단위인 아미노산 20가지 모두에 질소가 결합하고 있으며, 유전정보의 보고인 DNA 와 단백질 합성에 관여하는 RNA 에도 질소가 들어있다. 광합성 공장이라 부를 수 있는 엽록소에도 질소가 결합하고 있다. 한편 공기 중에는 질소분자(N2)가 자그마치 78 퍼센트나 들어있으며 산소분자(O2)가 나머지를 대부분 차지한다.

우리는 기체 질소를 직접 섭취할 수 없다

물론 우리는 호흡을 통해 우리 몸에 필요한 산소를 공기 중에서 섭취한다. 그러나 질소기체는 우리가 호흡하는 동안 우리 몸을 들락거릴 뿐 일체 인체 내 생화학적 반응에 참여하지 않고 방관자 노릇만 하다 나가버린다. 그도 그럴 것이 N2 분자의 두 질소 원자 사이의 결합은 섭씨 1000도 이상으로 가열해야 끊어질 정도로 강하기 때문이다. 아무리 센 결합이라도 그를 분해시킬 수 있는 특이한 생체 효소가 우리 인체에 있었다면, 아마도 공기 중의 질소를 호흡으로 섭취만 하여도 우리가 필요한 질소는 충분했을지도 모를 일이다. 그러나 그럴 경우 질소분자가 재생되어 공기로 재진입하는 메커니즘이 동시에 작동하는 방식으로 진화되었어야 한다.

고정화된 질소만 쓸 수 있다

그러면 인간과 동물, 식물 들은 필요한 질소를 어디서 얻을까? 비록 공기 중 질소기체분자의 질소(N)를 직접 활용할 수는 없으나 질소가 환원되거나 산화된 질소화합물은 용이하게 사용할 수 있다. 예컨대 번갯불이 칠 때는 공기 중의 질소와 산소가 화학반응을 해 질소산화물을 만든다. 이 질소산화물들이 비에 녹은 상태든지 또는 기체상태에서 토양에 흡수되면 식물들은 그들을 다시 흡수해 자기들이 필요한 질소원으로 이용한다. 물론 지구상 식물들을 위하여는 택도 없이 모자라는 양이다.

이렇게 동식물에게 유용한 질소화합물 중에 들어있는 질소를 흔히 ‘고정화’ 된 질소라 부른다.  그러면 식물들은 고정화된 질소를 어떻게 얻을까?
그 답은 이로운 박테리아이다. 공기중의 질소는 질소고정박테리아, 뿌리혹박테리아, 일부의 조류에  의해서 질소산화물로 '고정' 된다. 이 중 가장 인간에게 친근(?)한 것은 뿌리혹박테리아이다.  
콩과식물에 기생하는 뿌리혹박테리아는 공기 중의 질소를 고정시켜 콩과식물이 섭취케 할 뿐 아니라 다른 농작물에도 고정질소를 공급한다. 바로 이 능력을 이용하는 지혜를 옛 농부들이 지니고 있었기에, 콩과작물과 다른 작물을 번갈아 경작해 토양 중의 고정질소를 최대한 이용하였다. 물론 그들이 박테리아의 능력을 알았을 리 없고 오랜 경험을 통해 발견했으리라 믿는다.

  

① 헤테로트로픽 박테리아(Heterotrophic bacteria) : 암모니아(NH3, NH4+)
  우리 주변에서 가장 쉽게 발견될 수 있다.
② 나이트로소모나스 박테리아(Nitrosomonas bacteria) : 아질산 (NO2)
  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 나이트로백터 박테리아(Nitrobacter bacteria) : 질산염 박테리아(NO3)
   질산염 박테리아(Nitrobacter)는 아질산 박테리아(Nitrosomonas)를 분해시키고
  아질산 박테리아는암모니아 박테리아를 분해 시킨다.  

식물은 필요한 질소를 대부분 질소고정박테리아의 도움을 통해 공기중의 질소로부터 얻는다 하였다, 그러면 인간과 동물은 어떠할까?  인간과 동물들은 먹이로부터 질소원을 얻는다. 초식동물은 식물성 먹이로부터, 육식 동물은 동물성 먹이로부터 필요한 질소를 공급받는다. 물론 인간은 편리하게 동ㆍ식물성 먹이 양쪽으로부터 공급받는다. 환언하면, 동ㆍ식물은 고정화된 질소만 이용할 수 있게 진화되었지 질소기체 중의 질소를 직접 이용할 능력은 없다는 말이다.


오랫동안 농업에 식량공급을 의존하여 살면서 농경사회인들은 ‘거름’의 필요성을 배우게 되었으며, 인간 분뇨를 포함한 동물의 분뇨, 식물성 퇴비, 부패시킨 해물들이 고정화된 질소의 공급원으로 그 가치를 인정받게 되었다. 그러나 이 같은 천연 비료는 수확을 더 많이 늘리고 싶은 농부들의 마음을 채우기에는 부족하였다. 농경사회에서 농부들은 자연히 더 좋은 비료를 더 많이 갖고 싶어하였다. 그런데 우리는 역사 속에서 폭약과 비료의 깊은 관계를 찾아볼 수 있다. 천년 이상 전에 중국에서는 바위 벽에 하얗게 생기는 결정성 가루를 모아 화약을 만들어 쓰기 시작했으며 - 불꽃놀이의 시초를 아마도 여기서 찾을 수 있다고 믿는다 - 중세에는 이 화약의 이용이 중동을 걸쳐 유럽까지 전달되었다. 중국 눈(China Snow)이라 불렸던 이 화합물은 질산칼륨(질산포타슘)이다. 이를 동양에서는 흔히 초석이라 불렀다. 같은 폭약이 인도 갠지스강 개펄에서도 발견되어 17세기 중반 들어서는 영국동인도회사가 이를 영국으로 실어 날랐고, 훗날 영국이 인도를 점령하게 된 주요 동기중의 하나가 되었다. 후에 남미 페루의 아타카마 사막은 영국, 독일, 미국 등 열강국이 탐내던 질산나트륨(질산소듐)의 보고(寶庫)임이 알려져 19세기 중반 페루는 이를 팔아 큰 세입을 올렸다. 이를 탐낸 칠레가 페루를 침공하는 전쟁까지 있었다. 우리는 이 질소화합물을 흔히 칠레초석이라 불렀다. 중국 눈과 칠레초석은 화약용도로 더 관심이 컸지만, 비료의 효능을 지님도 농부들이 곧 알게 되었다. 화약과 비료라는 서로 어울리지 않는 이중기능을 지녔음이 발견된 셈이다.

인공적인 질소의 고정 : 농업혁명

그런데 20 세기 초에 인류 역사에 엄청난 화학기술의 발전이 독일의 프리츠 하버와 카를 보슈에 의해 이루어졌다. 이들은 고압 고온에서 촉매 존재 하에 질소기체와 수소기체를 반응시켜 암모니아를 제조할 수 있었다.
다시 말해 질소를 고정시키는 공업적 공정을 성공시켰다. 이 공정을 우리는 하버-보슈 공정(하버-보슈법)이라 부르며, 지금도 이 공정이 세계적으로 사용되고 있다.  
인공적인 질소의 고정은 곧바로 농업혁명으로 이어져 작물재배에 필요한 질소화합물이 대량으로 공급되었다. 독일에서는 암모니아와 황산을 섞어 만든 황산암모늄을 곧바로 비료로 사용하게 되었으며, 후에는 암모니아로부터 요소비료를 생산하게 되었다.
암모니아나 암모늄염이 토양 속에 존재하는 박테리아들에 의해 산화되어 질소산화물로 변하면 작물들이 흡수하게 된다. 요소도 마찬가지다. 아예 암모니아를 밭에 뿌리기도 하였다. 물론 암모니아의 독성을 조심하여야 한다.

과잉의 질소원 : 질소순환계의 문제점

첫째, 토양에 고정화된 질소가 풍부하지 못한 환경에 적응하도록 진화된 식물분포에 커다란 변화가 생기고 있으며, 전에 보지 못했던 새로운 식물들이 출현하고 있다.

둘째는, 우리가 현재 논밭에 사용하고 있는 비료의 1/2 정도가 작물들이 흡수하거나 논밭에 잔류하지 못하고 빗물에 씻겨 개천, 강을 거쳐 바다, 혹은 호수로 들어가는데, 그것이  걱정이 된다. 수중에 고정화된 질소의 농도가 높아지면, 다른 비료 등으로부터 오는 인과 칼륨 등과 어울려, 수중의 영양분을 증가시키는 부영양화 현상이 일어난다.
무서운 속도로 늘어나는 인구를 먹이기 위해 피할 수 없는 비료소비량의 급속한 증가를 더 이상 보고만 있을 수 없게 되었다. 그러나 동시에 기억해야 할 사실이 있다. 20세기 초 세계 인구는 겨우 10억 정도였으나 지난 100년 사이 세계인구는 크게 늘어 현재는 60억이나 되며, 만약 합성비료의 대량생산이 발명되지 않은 채 19세기 말에 사용하던 가장 효율적인 영농기술에 의존할 수 밖에 없었다면 현재 세계인구의 1/3, 다시 말해 20억은 생존이 불가능하리라는 추산이다.


 

식물내 질소고정

 

흙의 시간 / 후지이 가즈미치 지음 / 염혜은 옮김 /눌와

농경 문명의 발전 이래, 세계 인구는 농지 확대와 재배 기술의 발달에 힘입어 꾸준히 증가했다. 그래도 식물의 광합성에 필요한 원소인 질소에는 한계가 있었다. 대기 중에는 대량으로 존재하지만, 흙 속의 질소는 동물의 분뇨나 자연의 질소 고정 과정에 그 공급을 의존하고 있었다. 인구는 흙 속의 질소량에 좌우되고 있었던 것이다. (191p)
19세기, 전 세계에서 보물(질소 비료) 찾기가 진행되었고, 일찍이 잉카제국을 번영하게 했던 광물 구아노가 발견되었다. 구아노는 수억 년 전 바닷새의 똥이 퇴적되어 만들어진 암석으로, 질소와 인을 다량 함유하고 있다. 유럽이나 미국의 열강들은 이것을 비료와 화약의 재료로 사용하기 위해 경쟁적으로 손에 넣었고, 고갈될 때까지 파냈다. 그래도 질소 비료는 모자랐다. (192p)
19세기 후반, 유럽인들은 몹시 초조해졌다. 아시아에서 인구증가가 멈추지 않아 세계적으로 식량이 부족해질 거라는 위기감에 휩싸였던 것이다. 특히 영국, 독일 러시아 등의 강대국들은 한랭한 기후와 산성토양 때문에 고민이 많았다. (192p)
식량을 더 많이 생산하고 싶어도 가장 중요한 질소 비료가 부족했다. 당시 세계 인구는 16억 명으로, 오늘날 인구의 4분의 1밖에 안 되었다. (192p)
질소 비료를 생성하기 위해서 연구자들이 최초로 눈을 돌린 것은 천둥번개였다. 천둥번개는 대기 중 질소를 산화시켜 질산으로 만든다. 천둥과 번개는 거의 언제나 함께 찾아오는데, 일본어로 ‘번개’는 ‘벼의 아내’라는 의미이다. 천둥번개가 풍년을 들게 한다고 믿었던 옛사람들의 염원이 담겨 있는 것이다. 그리고 실제로도 천둥번개는 질소 ‘비료’를 대지에 공급한다. 하지만 인공적인 천둥번개로는 저렴한 비료를 대량생산할 수 없었기 때문에 곧 좌절되었다. (193p)
그러던 중 1906년, 드디어 독일의 화학자 프리츠 하버가 대기 중 질소에서 암모니아를 합성하는 방법을 개발한다. 그리고 수소와 질소로 암모니아를 만들어낼 수 있게 된 것이다. 세계 최대의 화학기업인 BASF사를 카를 보슈가 이를 실용화하여, 질소 비료를 대량 생산할 수 있게 되었다. 이것이 바로 화학 수업에서 살짝 배웠을 하버-보슈법이다. 이제 질소 비료를 대량 생산할 수 있게 되었으니, 이 질소 비료를 농지에 이용하여 식량을 생산해 인구 증가를 지탱할 수 있게 된 것이다.

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원자, 인간을 완성하다/커트 스테이저 지음/김학영 옮김/반니
<6장 양면성을 가진 생명의 원소, 질소>

공기 중의 질소를 이용해 비료와 폭약을 만드는 비법을 발견한 하버는 수백만 명을 죽음에 이르게 한 원인 제공자로서의 업보를, 어쩌면 부인과 아들의 자살에 대한 업보까지도 지고 있지만, 그가 아니었다면 지난 한 세기 동안 수십억 명이 목숨을 부지하기 어려웠을 것이다. (186p)

프리츠 하버의 과학적 유산은 하버처럼 양면성을 가진 생명의 원소, 질소를 빼놓고 이야기할 수 없다. 우리가 마시는 숨, 듣는 소리, 하는 말의 4분의 3 이상이 질소다. 때로 질소는 호수를 산성화하거나 건물을 잡석으로 만들기도 한다. 길고 긴 세월 동안 질소는 사람과 야생동물과 식물을 흙 속에 서식하는 박테리아와 번개 그리고 하늘의 상징적인 푸른색과 연결해주고 있다. 그리고 지금 이 순간에도 질소는 우리 몸의 원자적 틀의 상당부분을 프리츠 하버와도 연결하고 있다. 정말 놀랍지 않은가! (186p)

질소의 역할을 이해하기 위해서는 우선 평범한 공기 한 뭉텅이 속에 질소가 78퍼센트나 들어 있다는 사실을 기억해야 한다. 양으로는 2인자 자리를 차지하는 산소와 마찬가지로, 질소 원자들도 끼리끼리 짝을 이뤄 분자를 이루고 있지만 질소 기체 분자 안에 있는 이 한 쌍의 원자 – 혹은 이질소는 – 대기의 다른 성분과는 생김새도 다르고 하는 행동도 다르다. (187p)

이제 곧 숨을 들이마시면, 일부 이질소들은 산소와 나란히 우리 체액속으로 확산될 것이다. 하지만 평소에 우리의 세포들은 질소 분자들을 그냥 떠돌이 나그네 취급한다. 물론 몸을 만들고 유지하기 위해서는 질소 원자가 필요하지만, 산소와 달리 우리는 질소를 호흡으로 충당할 수 없다. 먹어야 한다는 말이다. 그러기 위해서는 질소를 먹을 수 있게끔 만들어주는 다른 생물들의 도움을 받아야 한다. (188p)

인간의 전체 체질량에서 질소 원자가 차지하는 비율은 불과 3퍼센트 정도지만, 질소 원자는 지금의 모습으로 우리가 존재하고 행동할 수 있도록 만들어주는 분자를 구성하는 핵심 성분이다. 우리 몸의 탄수화물과 지질은 이산화탄소와 물을 구성하는 3가지 원소들로 이루어져 있지만, 여기에 질소를 첨가하지 않는다면 우리를 살아 있게 해준는 수천 종의 단백질을 만들 수 없다. 질소 원자는 모든 근육의 건조질량에서 10 ~ 15퍼센트를 차지하고 있으며, 혈액의 헤모글로빈 속에서는 질소 원자 4개가 힘을 합쳐 녹빛의 철 원자 하나를 살며시 붙들고 있다. 뉴런의 이온 펌프들이나 콧속의 연골은 물론이고 모든 효소와 항체와 유전자들 속에도 질소 원자가 있다. 음식을 통해 질소를 섭취하지 않는다면, 탄소, 산소, 수소만으로 구축한 우리 몸의 물질적인 부분은 체지방과 체액만 남을 것이다. (193p)

대기 중 질소 기체의 전자구름은 태양빛을 분산시키지만, 세포가 질소 원자 조각들로 다른 물질을 만들기 위해서는 이 전자구름을 떼어내야만 한다. 그러기 위해서는 일종의 렌치 같은 분자 장비가 필요하다. 다행스럽게도 일부 유기체가 이 장비를 갖고 있다. 오리나무 관목의 뿌리 속에 살고 있는 미생물도 부분적으로는 이 작업을 수행하지만, 질소고정에 있어서 세계 최고의 장인은 플랑크톤이나 지의류의 조글조글한 조직 속에 서식하는 다채로운 남세균류와 알팔파나 클로버 또는 콩과 식물의 뿌리에 집단적으로 서식하는 토양 박테리아들이다. (193p)

여러 시대 동안 질소고정 박테리아는 질소 화합물의 생산을 독점해왔다. 지상의 나머지 생물들은 그 화합물을 갈망하다 못해 훔치기도 했고 심지어 죽여서 빼앗기도 했다. 만약 이 박테리아가 질소 화합물을 가지고 사람처럼 무역을 했다면 타의 추종을 불허할 만큼 부유한 국제적 기업이 되었을 것이다. 하지만 뿌리혹박테리아는 그저 아늑한 지하 보금자리만 바랄 뿐이다. 그리고 물에 서식하는 남세균류의 경우에는 자기들을 먹으려는 포식자들을 화학적 방어물로 혼찌검을 내달라는 선에서 거래를 확정했다. (194p)


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질소, 폭탄 그리고 섹스

중국의 4대 발명품의 하나로 꼽히는 화약은 질산칼륨(KNO3)이 주성분으로 질산염(NO3)이 반응 시 산소를 공급하여 순식간에 1000배 이상으로 팽창하며 화약의 폭발력의 근원을 이룬다. 그리고 그동안 여러 폭탄이 개발되었지만 근본은 질산염의 특성을 활용한 것이다. 질산은 비료와 폭탄의 두 얼굴을 가진 것이다.
암모니아와 질산을 결합한 질산암모늄(Ammonium nitrate NH4NO3)는 농업 혁명의 핵심이자 최고의 발명품의 하나고 꼽힌다. 질산암모늄이 어느 한 순간 지구상에서 사라진다면 20억 이상의 인류가 아사할 것으로 추정한다. 실제로 대량의 질산암모늄이 갑자기 폭발하는 사고도 여러 번 있었다. 1947년 미국의 텍사스시티 항에 정박 중이던 선박에서 화재가 발생하면서 선박에 실려 있던 2000여톤의 질산암모늄이 한꺼번에 폭발했다. 건물 1000여채가 파손됐고, 580여명의 사람들이 희생됐다. 2004년 북한의 용천에서 질산암모늄을 운반하던 화물열차에 용접을 하는 과정에서 폭발이 일어나 많은 사람이 희생되었고, 1995년 미국 오클라호마시티의 연방정부 건물에 대한 테러 공격에서도 비료 폭약이 사용되었다. 그래서 질산암모늄과 같은 질소 비료의 유통을 제한하는 국가도 많다.
TNT로 불리는 트리니트로톨루엔(trinitrotoluene) 톨루엔에 질산이 3개 붙은 분자로 폭발물의 폭발력에 대한 기준으로 사용되고, 다이너마이트(dynamite, nitroglycerin)는 삼질산글리세린 즉 글리세린에 질산이 3개 결합한 분자가 주성분으로 원래는 액체인 폭탄을 알프레드 노벨이 규조토를 이용하여 안전한 고체 형태로 만든 폭탄이다. 이때 사용된 규조토는 규조토란 규조라 불리는 수중 단세포 식물(시아노박테리아의 일종)의 껍데기이다. 규조는 실리카를 이용해 자신의 몸을 보호할 단단한 골격 구조를 만드는 능력이 있는데, 이것이 대량으로 쌓여서 만들어진 규조토는 다공성 구조로 인해 특별한 용도를 가지게 된다. 이처럼 질산의 이야기는 비료의 이야기이자 생물의 단백질야기가 되며 폭탄의 이야기가 되는데, 또한 놀라운 것은 식품첨가물과 의약품의 이야기도 된다는 것이다.

1985년 체내 대사기작에 의해 우리 몸속에서 70밀리그램의 질산염이 공급됨이 밝혀졌다. 질산염은 혀에서 아질산으로 전환되어 살균력을 부여하기도 한다. 그런데 이것을 육가공시에 첨가한 것은 정말 많은 논란을 일으켰다. 유럽에서는 햄이나 소시지를 만들 때 짠맛을 내기 위해 사용했던 암염(巖鹽)을 사용했는데, 그 암염은 단지 짠맛만 부여한 것이 아니라 붉은 고기색을 유지하는데 탁월한 효과를 보였다. 나중에 이 작용이 암염에 있는 아질산에 의한 것으로 밝혀졌다. 이처럼 식육제품에 아질산을 사용한 것은 이미 기원전 9세기경으로 호메로스의 서사시에 최초로 그 사용을 기술했으며, 고대 로마시대에도 사용한 기록이 있다. 아질산은 그 역할만 한 것이 아니라 항산화제로 지방과 지용성 성분의 산화를 막아준다. 고기 색을 오랫동안 유지하는 것도 헤모글로빈의 철(Fe)과 강하게 결합하여 헤모글로빈이 산화되어 탈색되는 것을 억제하기 때문이다. 따라서 아질산을 색을 발현하는 발색제라고 하는 것보다는 헤모글로빈 산화억제제라고 하는 것이 맞는 이름이다. 육가공시 비타민C나 에리쏘르빈산 같은 항산화제를 쓰면 고기색을 유지하는데 도움이 되는 것도 같은 원리이다. 더 중요한 기능이 맹독성 혐기성 미생물인 Clostridium botulinum의 성장을 억제하는 기능이 탁월하다는 것이고, 특유의 맛을 내는데도 도움이 된다는 것이다.
이런 아질산은 대부분 채소를 통해 섭취한다, 미국인이 섭취하는 질산염의 85%는 채소에서 온다는 통계가 있다. 한국은 그 이상이다. 질산염은 대체로 잎과 줄기 조직에 가장 많다. 순무 잎은 3% 정도로 아질산이 가장 많은 편이고 시금치, 근대 및 케일 등에도 2% 정도 있다.

초유에 아질산염이 풍부한 이유
일산화질소는 식물 방어기작의 신호물질이다. 인간도 방어물질로 사용하는데 침에서 유해균 억제하는 수단으로 사용된다. 텍사스 대학의 연구 결과에 따르면 질산염이 풍부한 채소를 섭취를 통한 아질산염과 질산염 섭취하면 산화질소가 생성된다. 산화질소는 혈압이 정상으로 유지되게 하고 감염을 예방하고 신경계를 지지하며, 동물 실험 결과로 보면 뇌졸중과 심장마비까지 예방한다고 한다. 엄마의 초유가 아질산염 농도가 현저하게 높은데 시간이 지나면 낮아진다. 위장이 질산염을 아질산염으로 전환시키는 세균이 부족한 신생아에게는 아질산이 풍부한 초유가 이 같은 부족을 극복하게 하는데 도움이 된다는 것이다. 스웨덴 캐롤린스카 연구소의 결과에 따르면 질산염이 과일과 채소가 심혈관질환을 막고 당뇨병을 예방하는 성분으로 밝혀졌다. 2012년 6월 스웨덴 카롤린스카 연구소 안드레스 헤르난데즈 박사는 생쥐를 두 그룹으로 나눠 한 쪽에는 7일간 음료수에 질산염을 섞어서 주고 다른 그룹에는 보통 음료수를 제공했다. 그 결과 질산염을 넣은 음료수를 꾸준히 먹은 생쥐는 근육이 훨씬 더 강해졌다. 연구팀은 질산염을 섭취한 생쥐의 다리와 발의 근육이 현저하게 더 발달한 것을 발견했다면서 이는 질산염이 근육의 발달에 중요한 두 가지 핵심적인 단백질 성분을 자극한 데 따른 것이라고 설명했다.

폭탄이 심장병약?
사실 산화질소의 특별한 기능은 노벨이 다이나마이트를 대량생산하면서부터 알려졌다. 협심증을 앓는 사람이 출근을 하여 다이나마아트를 만들 때는 고통이 덜하고 주말에 집에서 쉴때는 고통이 심해진다는 것이다. 윌리엄 머렐 (William Murrell) 박사는 협심증을 완화하고 혈압을 낮추기 위해 니트로글리세린을 실험하였다. 1878년 묽게 희석 된 니트로글리세린을 투여하여 환자를 치료하기 시작하였다. 그리고 그 결과를 The lancet 저널에 발표해 이 치료법이 보편적으로 사용되기 시작하였다. 심지어 알프레드 노벨도 1896 년 사망하기 몇 달 전에 니트로글리세린을 처방받았다. 그는 친구에게 편지를 썼다. "내가 니트로글리세린을 처방받다니 아이러니한 운명 아닌가? 그런데 그들은 대중이 두려워하지 않기 위해 그것을 트리니트린이라고 부른다네." 사실 니트로글리세린이 약으로 작용하는 것은 체내 효소에 의해 산화질소로 전화되기 때문이다. 산화질소는 대표적인 2차 신호 전달물질로 강력한 혈관 확장제이다.

일산화질소는 협심증 치료제이자 정력제로 쓰인다
일산화질소는 자동차 엔진에서 방출되는 환경오염물질, 공해물질, 스모그, 산성비의 원인물질로도 알려진 물질이다. 그런데 채내에서는 혈관을 팽창시켜 혈압을 낮추거나 혈류 흐름을 원활하게 하여 협심증 증세를 완화시키는 약품으로 쓰인다는 것에 의아해 할 것이다. 하지만 일산화질소는 머리에서 발끝까지 거의 모든 신체 활동에 개입한다. 뇌, 코, 목, 폐, 위, 간, 신장, 생식기, 장, 혈관 등이 모두 일산화질소를 필요로 한다.
일산화질소는 백혈구가 몸 안에 침입한 외부 균을 방어하기 위해 생산하는 방어물질 역할을 할 뿐만 아니라, 혈관 근육 이완의 2차 전령으로도 매우 중요한 역할을 한다. 아세틸콜린 등이 1차 전령이고, 일산화질소가 2차 전령으로 작용해야 혈관 근육이 이완되어 혈압이 낮아지고 혈액은 쉽게 흐르고 협심증이 중단된다.
협심증이 아니어도 평소에 혈중 산소 농도가 떨어지면 혈관 벽의 내피세포는 아르기닌을 이용하여 산화질소를 생산한다. 그러면 혈관이 팽창되어 혈류량이 증가하여 산소 공급을 늘어난다. 그런데 산화질소의 생산을 증가시키지 않고도 혈관 팽창을 유지하는 방법이 있다. 바로 혈관의 고리형 구아노신일인산(cGMP)양을 높게 유지하는 것이다. 실제 혈관의 팽창은 칼슘 농도를 낮추어서 근육을 이완시켜 일어나는데, 칼슘농도를 낮추는 일을 하는 것이 cGMP의 역할이고 산화질소는 GTP에서 cGMP를 만드는 효소를 활성화시킬 뿐이다. 따라서 cGMP의 농도만 높게하여 칼슘농도만 낮추면 되는 것이다. 남성 성기에 있는 해면 근육세포에서 이런 일이 생기면 당연히 그 조직에 혈액이 쉽게 흘러 들어가 팽창시킨다. 그런데 cGMP는 포스포디에스테라아제PDE5라는 효소에 의해 분해된다. 비아그라의 작동의 원리가 여기에 있다. 비아그라의 분자 모양이 cGMP와 매우 유사해 cGMP 분해효소가 비아그라 분자에 들러붙어 본연의 임무인 cGMP 분해 능력을 잃어버린다. 이렇게 되면 cGMP가 오래 유지되므로 오랜 시간 발기를 유지할 수 있다. 원래 비아그라는 협심증 치료 목적으로 개발되었다. 그런데 심장에 존재하는 cGMP 분해 효소는 PDE3이다. 사소한 차이로 본래 목적이었던 심장과는 관계가 없어지고 발기부전 치료제로 용도가 바뀐 것이다.
하여간 한때 우리나라에 정력 식품의 인기는 대단하였다. 해구신, 뱀, 사슴피 등 효능은 심리적인 효과뿐인 경우가 대부분이었지만 야생 동물의 멸종과 기생충의 감염으로 인한 피해가 많았다. 수십 마리 암컷을 거느리는 수컷 물개의 해구신이 비아그라 등장 이후 급속히 수요도 크게 줄었다고 한다. 단지 PDE5의 효소에 달라붙는 역할 밖에 하지 않은 단순한 화학물질이 참으로 위대한 일을 한 것이다