Urease (요소분해효소)

 

Urea(CON2H4, CO(NH2)2) 변환; CO(NH₂)₂는 가수분해 또는 우레아제(Urease) 효소에 의해 유레아분해(Ureolysis)됨.

'질소(Nitrogen)와 pH': 'CO(NH2)2'가 가수분해(hydrolysis)되면 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)를 생성. 암모니아(NH3)는 염기성 물질로, 물에 녹으면 수산화암모늄(NH4OH)을 형성. 산화암모늄(NH4OH)은 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 같은 산성 기체를 흡수할 수 있다. 이 과정에서 암모늄 이온(NH4+)과 수산화 이온(OH-)으로 해리된다.

'암모니아 휘발(Ammonia Volatilization) https://infos.tistory.com/7347' 요소가 토양 표면에서 요소분해효소에 의해 암모늄(NH₄⁺)으로 가수분해되고, 이 암모늄이 pH상승으로 인해 휘발성 암모니아(NH₃)가스로 변환되어 대기 중으로 손실되는 현상이다.

'요소가수분해 (Urea Hydrolysis) https://infos.tistory.com/7345' 요소분해효소(Urease)를 분비하는 미생물(호기성 혐기성 균 모두)의 분비된 효소에 의해 촉매되는 화학적 과정. 요소(Urea) -> NH₄⁺, pH상승, 이는 '암모니아 휘발(Ammonia Volatilization)과 직결 된다.

 

ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ  ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ

 

D5c14요약 'Urease (요소분해효소) https://infos.tistory.com/7342' 토양 미생물(박테리아, 곰팡이, 방선균 등)이 자신의 생존에 필요한 질소(N)를 얻기 위해 생산하는 효소다. 빙점(Freezing point, 0°C)근처 또는 그 이하의 낮은 온도에서도 매우 느리지만 활성을 가질 수 있지만 농업적으로 의미 있는 수준까지는 아니다. (5°C 미만)에서는 요소분해효소의 활성이 매우 미미해져 질소의 기체 손실 위험이 크게 줄어든다.

 

토양 속 요소분해효소(Urease)는 일반적으로 거의 항상 존재한다고 봐야 한다.
요소가 이론상 순수한 비활성 표면(예: 플라스틱 시트, 깨끗한 콘크리트 바닥) 위에 놓여 있는 상태에서는 가수분해가 일어나지 않는다.

 

요소분해효소의 존재

미생물에 의해 생산됨 (주요 원천)
미생물의 생존 필수 요소: 요소분해효소는 토양 미생물(박테리아, 곰팡이, 방선균 등)이 자신의 생존에 필요한 질소(N)를 얻기 위해 생산하는 효소다. 이 효소를 이용해 미생물은 유기 질소 화합물과 요소 비료에 포함된 요소를 암모늄(NH_4^+) 형태로 분해하여 흡수한다.
광범위한 분포: 토양 미생물은 거의 모든 토양 환경에 광범위하게 존재하므로, 그들이 생산하는 요소분해효소 역시 토양 전체에 걸쳐 분포한다.

식물에 의해서도 생산됨
요소분해효소는 미생물뿐만 아니라 식물 세포 내에서도 생산된다. 식물은 뿌리 세포의 미세한 분비물이나 죽은 식물 조직을 통해서도 이 효소를 토양에 공급한다.

토양 입자 및 유기물에 결합
요소분해효소는 단백질로, 분해되지 않고 토양의 점토 입자나 유기물 복합체에 흡착되어(결합되어) 안정화된 형태로 존재할 수 있다.이렇게 결합된 효소는 미생물이 죽은 후에도 토양에 남아 요소 가수분해 활성을 지속적으로 유지할 수 있다.

 

요소분해효소의 활성 정도

요소분해효소가 항상 존재하지만, 그 활성(Activity) 수준은 환경 요인에 따라 크게 달라진다.
토양 pH: 일반적으로 중성(pH6 ~ 8)에서 가장 활발하다.
온도: 온도가 높을수록 활성이 증가하며, 일반적으로 20~40°C범위에서 최적화된다.
수분: 너무 건조하거나 너무 포화된 토양에서는 활성이 감소하며, 적절한 수분(Field Capacity 부근)에서 활발하다.
유기물 함량: 미생물의 먹이와 서식처를 제공하므로, 유기물 함량이 높으면 효소 활성도 높을 가능성이 크다.

 

온도

활성 가능 온도 (매우 낮음)
요소분해효소는 빙점(Freezing point, 0°C) 근처 또는 그 이하의 낮은 온도에서도 매우 느리지만 활성을 가질 수 있다.
토양 미생물 중에는 저온성(Psychrophilic) 미생물도 존재하며, 토양에 결합된 안정화된 효소는 미생물 활성이 정지된 상태에서도 잔여 활성을 유지할 수 있다.
일부 연구에서는 토양의 요소 가수분해가 0~1°C같은 낮은 온도에서도 관찰되지만, 그 속도는 농업적으로 의미 있는 수준까지는 아니다.

최적 활성 온도 (가장 중요)
대부분의 토양 연구에 따르면 요소분해효소의 최적 온도 범위는 20~40°C 사이다. 이 온도 범위에서 요소의 가수분해 속도가 가장 빠르며, 암모니아 휘발 위험이 가장 커진다.

온도와 속도의 관계
온도가 낮아질수록 요소분해효소의 활성(반응 속도)은 지수적으로 감소한다.
예를 들어, 온도가 25°C일 때의 가수분해 속도는 5°C일 때보다 수십 배 빠를 수 있다.

농업적 시사점
저온 시비의 장점: 농업에서는 토양 온도가 낮은 계절(초봄, 늦가을)에 요소 비료를 시비하는 것이 권장된다. 이는 요소분해효소의 활성이 낮아 가수분해 속도가 느려지고, 요소가 NH_4+로 변환되기 전에 토양 깊은 곳으로 침투할 시간을 벌어 암모니아 휘발 손실을 최소화할 수 있기 때문이다.
휘발 위험 감소: 온도가 낮은 상태(5°C 미만)에서는 요소분해효소의 활성이 매우 미미해져 질소의 기체 손실 위험이 크게 줄어든다.