요소가수분해 (Urea Hydrolysis)

 

가수분해(Hydrolysis) 물의 첨가에 의해 물질이 분해되는 것을 의미. 화학 반응의 하나로, 하나의 분자가 물과 반응하여 작은 단위의 분자나 이온으로 분해되는 현상을 일컫는다.

'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.

'질소 순환(nitrogen cycle)': OrganicNitrogen or 'CON₂H₄' -> 'NH₃' ->  'NH₄⁺' ->(호기성균) 'NO₂⁻' ->(호기성균) 'NO₃⁻'

'암모니아 휘발(Ammonia Volatilization) https://infos.tistory.com/7347' 요소가 토양 표면에서 요소분해효소에 의해 암모늄(NH₄⁺)과 CO₃²⁻(OH⁻를 만들어 pH상승)이 만들어진다, 이 암모늄이 pH상승으로 인해 휘발성 암모니아(NH₃)가스로 변환되어 대기 중으로 손실되는 현상이다.

'암모니아와 물 분자 사이에 수소 결합 https://infos.tistory.com/7348' 암모니아 가스(NH₃)는 물(H₂O)과 매우 쉽게 결합한다. 결합으로 NH₄⁺와 OH⁻를 만들 수 있다. 만약 OH⁻가 높으면 OH⁻생성 방향에 역행한다(NH₃). NH₃분자 형태의 질소가 많아지면, 이 NH₃분자는 토양 용액이나 물의 표면을 통해 쉽게 대기 중으로 기화(휘발)되어 손실된다.

'Nitrification https://infos.tistory.com/6237' : 질산화는 질산화 미생물(Nitrosomonas, Nitrobacter 등)의 생명 활동에 전적으로 의존하는 과정이다. 온도에 매우 민감하다. NH₄⁺에서 NO₃⁻로 변하는 과정이다.

 

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D5c14요약 '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.

 

이 반응은 효소(요소분해효소, Urease)에 의해 촉매되는 화학적 과정이다.

시작: 요소(Urea)

끝: 암모늄(NH₄⁺)

주요 결과: 암모늄 생성과 pH 상승. 휘발 손실(Ammonia Volatilization)과 직결된다.

 

NH₄⁺에서 NO₃⁻ 로 가는 것은 질산화(Nitrification)과정이다.

 

화학식

요소(Urea) 가수분해(Hydrolysis)는 요소분해효소(Urease)에 의해 촉진되는 반응으로, 요소가 물과 반응하여 암모늄 이온(NH₄⁺)과 탄산 이온(CO₃²⁻)을 생성하는 과정이다.

'CON₂H₄' + '2H₂O'  ->Urease->  '2NH₄⁺' + CO₃²⁻

화학식/이름	역할	설명
CON₂H₄ (요소)	반응물	질소 비료의 형태이며, 토양에 시비되는 물질이다.
2H₂O (물)	반응물	가수분해 반응에 필수적인 물질이다.
Urease	촉매	요소분해효소로, 이 반응의 속도를 수천 배 빠르게 만든다.
2NH₄⁺(암모늄 이온)	생성물	작물이 흡수할 수 있는 무기 질소 형태이며, $\text{pH}$에 따라 $\text{NH}_3$ 휘발의 위험이 있는 물질이다.
CO₃²⁻ (탄산 이온)	생성물	물과 반응하여 OH⁻ 이온을 생성함으로써 토양 pH를 상승시켜 암모늄 휘발을 촉진하는 물질이다.

 

후속 반응 (pH 상승)

CO₃²⁻ + 2H₂O <-> H₂CO₃ + 2OH⁻

OH⁻(수산화 이온)의 생성으로 pH가 상승하고, 이는 NH₄⁺를 휘발성 NH₃가스로 변환시켜 질소 손실을 일으킨다.

 

가수분해: 요소분해효소(Urease)를 분비하는 미생물(호기성 혐기성 균 모두)이 분비하는 효소가 요소를 NH₄⁺와 탄산 이온(CO₃²⁻)으로 빠르게 분해한다.
pH 상승 유발: 이 탄산 이온이 토양 수분과 반응하여 OH⁻(수산화 이온)를 생성하며, 이로 인해 토양 표면의 pH가 급격하게 상승한다 (때로는 pH 8.5이상).
휘발 촉진: pH상승은 위의 평형 반응을 오른쪽으로 밀어 암모니아 휘발을 폭발적으로 증가시킨다.

 

온도

요소 가수분해는 요소분해효소(Urease)라는 효소에 의해 촉진된다. 효소는 단백질이므로 온도의 영향을 직접적으로 받는다.

저온 (5°C 이하): 효소의 활성이 매우 낮아져 가수분해 속도가 극도로 느려진다. 이 때문에 요소는 NH₄⁺로 변환되기 전까지 토양에 오랫동안 보존될 수 있다.

최적 온도 (20°C ~ 40°C): 효소의 활성이 최대가 되어 가수분해 속도가 가장 빨라집니다. 이 조건에서 요소는 시비 후 수 시간에서 수일 내에 대부분 NH₄⁺로 전환된다.

고온 (40°C 이상): 효소가 변성(Denaturation)을 시작하여 활성이 다시 감소하거나 파괴될 수 있다.

 

토양 평균 온도	가수분해 속도	요소 →NH4+​ 소요 기간	농업적 의미
5°C 이하 (저온)	매우 느림	2주 ~ 6주 (최소 2주 이상)	요소 형태가 오랫동안 보존되므로, 낮은 온도에서 시비하면 NH₃ 휘발 손실 위험이 최소화됨.
10°C ~ 15°C (중저온)	느림 ~ 보통	4일 ~ 14일 (1~2주)	가수분해가 비교적 천천히 진행되어 손실 위험 관리가 가능함.
20°C ~ 25°C (중고온)	빠름	2일 ~ 7일 (1주일 이내)	요소가 빠르게 암모늄으로 전환되어, 표면 시비 시 휘발 손실 위험이 높아지기 시작함.
30°C 이상 (고온)	매우 빠름	24시간 ~ 48시간 (1~2일)	효소 활성이 극대화되어 요소가 시비 후 즉시 암모늄으로 전환됨. 관수/묻어주기 조치를 즉시 취하지 않으면 NH₃ 휘발 손실 위험이 가장 높음.

토양의 효소 농도, pH, 수분 등에 따라 달라질 수 있음.

 

CON₂H₄ 가수분해

유레아(CO(NH₂)₂)의 가수분해는 물과 반응하여 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)를 생성하는 과정이다. 그러나 상온(약25C) 및 중성 pH조건에서 요소 분자의 절반이 분해되는 데 걸리는 시간, 즉 반감기(Half-life)는 일반적으로 3년에서 수십 년에 이르는 것으로 추정된다. 그러나 토양속 우레아제(urease) 효소의 촉매 작용에 의해 빠르게 일어날 수 있다.

 

유레아의 가수분해 과정
반응식: 유레아 + 물 → 암모니아 + 이산화탄소
화학식: CO(NH₂)₂ + H₂O → 2NH₃ + CO2
( 또는 CO(NH₂)₂ + 2H₂O → 2NH₄⁺ + CO2 + OH-; H₂O는 '물 분자 하나' 자체이고, 2H₂O는 '물 분자 두 개'를 의미한다. 앞에 붙은 숫자(계수)는 분자의 개수를, 뒤에 붙은 아래첨자(기호)는 원자의 종류와 개수를 나타낸다. )

효소의 역할:우레아제 효소는 이 반응을 촉진하여 반응이 빠르게 진행되도록 돕는다.

생물학적 중요성: 이 반응은 질소 순환에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 식물이 쉽게 이용할 수 있는 형태인 암모늄 이온(NH₄⁺)을 제공하게 된다.

이 반응은 생물학적 시스템, 특히 소화 과정에서 흔히 발생한다.

 

산소

요소 가수분해는 산소가 없는(혐기성) 토양 속에서도 산소가 있는(호기성) 토양만큼 잘 일어날 수 있다.

요소를 분해하는 미생물 중에는 혐기성 또는 통성혐기성 미생물도 많다. 요소분해효소는 산소가 부족한 환경에서도 충분히 존재하며 활성을 유지할 수 있다.

토양 속 깊은 곳(산소 부족 영역)에서도 토양 표면(산소 풍부 영역)에서와 마찬가지로 온도가 비슷하다면 비슷한 속도로 일어난다.

산소 유무는 만들어져 있는 NO₃⁻의 운명에 큰 영향을 미친다. N₂, N₂O 탈질.