암모니아 휘발(Ammonia Volatilization)

 

휘발(Volatilization), 휘산

'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.

'탈질작용(denitrification) https://infos.tistory.com/6422': NO₃⁻의 NO₂⁻으로 환원: NO₃⁻ + 2H+ + 2e− → NO₂⁻ + H₂O. 토양의 환원층(산소가 부족한 혐기성 영역)에 집적된 질산이온(NO₃⁻)은 혐기성 탈질균의 작용으로 환원되어 가스형태의 질소(NO₃⁻ -> NO₂⁻ -> N₂O -> N₂)로 되고, 공기중으로 날아가게 되는데 이것을 탈질이라고 한다. NH₃형태로 토양으로부터 대기중으로 날아가는 현상을 휘발이라 한다.

'암모니아와 물 분자 사이에 수소 결합 htps://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.

 

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D5c14요약 '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.

 

요소가 토양 표면에서 요소분해효소에 의해 암모늄(NH₄⁺)으로 가수분해되고, 이 암모늄이 pH상승으로 인해 휘발성 암모니아(NH₃)가스로 변환되어 대기 중으로 손실되는 현상이다.

NH₄⁺휘발의 주요 조건: 높은 pH (호기성균과 CO₃²⁻반응으로 증가), 토양 표면 시비

NO₃⁻와 관련된 손실은 탈질 (Denitrification)이다.

 

화학식

 

요소(Urea) 물과 반응하여 가수분해(Hydrolysis)가 되어 암모늄 이온(NH₄⁺)과 탄산 이온(carbonate ion, CO₃²⁻)을 생성한다.
'CON₂H₄' + '2H₂O'  ->Urease->  '2NH₄⁺' + CO₃²⁻

탄산 온(CO₃²⁻)은 물과 반응하여 OH⁻(수산화 이온)을 생성한다.
CO₃²⁻ + 2H₂O <-> H₂CO₃ + 2OH⁻

OH⁻생성으로 pH가 상승하여 NH₄⁺를 휘발성 NH₃가스로 변환시켜 질소 손실을 일으킨다.

가수분해: 호기성 균이 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.

 

 

휘발 손실을 최소화 하기 위한 토양 깊이

가수분해 생성물(암모늄)의 토양 흡착: 생성된 NH₄⁺가 토양 입자(점토, 유기물)에 흡착되어 가스가 되는 것을 막아야 한다.

가스 확산 및 재흡수: 설령 NH₃가스가 생성되더라도, 토양 깊이를 통해 확산되는 동안 토양 수분과 반응하여 다시 NH₄⁺형태로 재흡수되게 해야 한다.

요소의 휘발 손실을 효과적으로 줄이는 데 권장되는 최소 깊이는 토양의 질감, pH, 수분 상태에 따라 달라진다.

 

깊이 2~3cm (양호한 조건)
토양 수분이 적절하고, pH가 높지 않으며, 토양의 양이온 교환 능력(CEC, NH₄⁺흡착 능력)이 양호한 경우.
요소 알갱이가 토양 입자에 완전히 덮여 대기와의 직접적인 접촉을 차단하는 최소한의 깊이다.

깊이 5~8cm (안전하고 일반적인 권장 깊이)
토양 pH가 높거나(알칼리성), 고온 건조하여 휘발 손실 위험이 높을 때 가장 안전한 깊이다.이 깊이는 요소가 충분히 토양 입자에 둘러싸여 가수분해된 NH₄⁺가 토양 입자에 안정적으로 흡착될 수 있는 충분한 기회를 제공한다.또한, 혹시라도 생성된 NH₃가스가 토양 공극을 통해 대기 중으로 빠져나가는 경로를 길게 만들어 재흡수될 시간을 벌어준다.