방송통신대학교 농학과, 농업직, 지도사 - 토양학 핵심 요약정리 - 10 비료와 식물영양소

10. 비료와 식물영양소

 

■ 학습개요
식물영양학의  발전은  비료산업을  일으켰고  농업생산을  증대시켰다.  작물수확량의  증가는  비료의  소비증가에  따르고  있으며  생산품의  품질에도 큰 영향을 끼친다.  식물의  양분,  즉  영양소는  모든  식물의  중요한  생장
요인의  하나이다.  식물의  양분은  무기이온과  물과  이산화탄소이다.  필수영양소는  C,  H,  O,  N,  P,  K,  Ca,  Mg,  S  등의  다량원소와  Fe,  Mn,Cu, Zn,  B,  Mo,  Cl,  Ni  등의  미량원소인데,  그  함량은  식물의  종류,  생육시기,  환경조건에  따라  다르다.  필수원소는  독특한  기능을  가지며  물과  이
산화탄소이외의  양분은  토양과  비료로부터  공급받게  된다.

 

■ 학습목표
1. 인류의  식량생산에  기여한  비료의  역사에  대하여  설명할  수  있다.
2. 우리나라의  비료산업과  식량생산과의  관계에  대해  설명  할  수 있다.
3. 비료의  정의에  대해  설명  할  수  있다.
4. 식물체를  구성하는  필수원소의  기준과  종류를  설명할  수  있다.
5. 필수원소들의  생리적  작용과  식물체  내에서  화학적  형태에  대하여 설명 할 수 있다.

 

■ 주요용어의 정리

원형질 (protoplasm)
: 원형질은  세포를  이루는  세포질과  세포핵을  통틀어 이르는  것이며,  단적으로  말하면  세포막  내에  존재하는 
물질  전부를  의미한다. 
아민 (Amine)
: 아민은  염기로  질소  원자에  비공유전자쌍을  가진  유기화합물과  작용기를  말한다.  암모니아의  유도체로서,  수
소  원자가  들어갈  자리가  알킬기나  아릴기  같은  치환기로  대체된  형태이다.  중요한  아민에는  아미노산,  생체
아민,  트리메틸아민,  아닐린  등이  있다.
에스테르
: 에스터(ester)  또는  에스테르는  유기  화합물의  하나로, 유기  라디칼이  산의  수소  분자  자리에  치환된  것을  말
한다.에스터라는  이름은  독일어  에시히에테르 (Essigäther,  식초  에테르)에서  유래되었으며  그것은  에
틸  아세테이트의  구식  이름이기도  하다.  에스터의  가장 공통적인  전형은  카르복시산-에스터(R'-C(=O)-O-R2)
이며  다른  에스터로는  인산,  황산,  질산과  붕산  에스터 등이  있다.
카복시기 (카르복실기)
: 카복시기(Carboxyl  group)는  탄소,  산소,  수소로  이루어진  작용기의  하나로,  -COOH  또는  -CO2H  로  표시
된다.  카복시기는  아미노산이나  카복실산에  존재한다.
파이틴 (또는  피틴, phytin)
: 피틴은  피틴산  (phytic  acid,  C6H18O24P6)의  칼슘과  마그네슘염으로서  식물체,  특히  식물의  종자에  함유되어 
있는  유기인화합물이다. 
-S-S-결합 이황화결합 (disulfide  bond)
: 황화수소기(-SH)를  포함하는  두  개의  분자가  만나  수소를  제거하는  산화반응을  일으키며  황  사이의  단일결
합(-S-S-)을  만들어  내는  것이다.  단백질은  대부분  이황화  결합을  가지고  있다. 
활성산소 분해효소
: 식물체 내 활성산소가  발생하면  활성산소  분해효소들이  식물체에  무해한  성분으로  바꾸어  준다.
요소분해효소 (Urease)
: 요소분해효소란  요소를  분해하여  이산화탄소와  암모니아로  분해하는  효소를  말하며  역가가  높을수록  암모니
아  생성이  많아집니다.
규산 (silicic  acid)
: 규산은  [SiOx (OH)4-2x]n라는  공식과  더불어  규소,  수소,  산소라는  원소의  화합물인  약한  산들을  두루  일컫
는  용어이다.

 

■ 목차

1. 비료의 역사
2. 우리나라의 비료산업과 식량생산
3. 비료의 정의
4. 식물체를 구성하는 원소
5. 필수영양원소의 작용

1. 비료의 역사

비료 제조 역사
 부식양분설 ( 비료와 관련된 고대 이론 ): B.C. 350 년경 아리스토텔레스 최초 주장. 
“ 식물은 뿌리를 통해 토양 부식물을 흡수하여 자라며 ,  그 부식물은 식물체가 죽어서 형성되는 것 ”  따라서 ‘부식물은 비료이다’
 19 세기 초에 독일의 농학자 테어 (Albrecht D.  Thaer ) 에 의하여 다시 주장

 무기양분설 ( 부식양분설 부정 ): 19 세기 독일 화학자 리비히
“  식물은 주로 무기물질로부터 양분을 획득하며 ,  부식물이 분해에서 생기는 무기영양소와 CO2를 식물에게 제공한다 ”
 질소 ,  인 ,  칼륨이 식물생육에 필수적인 원소이며 ,  탄소 ,  수소는 공기와 물로 부터 얻는다는 사실을 확인 .

 최초화학비료 : 1843 년 영국 과인산석회 ( 인광석 + 황산 )
 인공질소비료 : 1890 년 독일 황산암모늄 ( 코크스 제조과정 생긴 암모니아 )
1905 년 석회질소 ( 대기의 질소 기체 )
질산칼륨비료 ( 대기의 질소 기체 - 전기아크법 ( 기체내의 전기전도 현상 )
1909~1913  독일의 하버와 보쉬 암모니아 합성 방법 개발

 1950 년부터 암모니아 합성으로 부터 질소비료인 요소 생산

 

 

 

2. 우리나라의 비료산업과 식량생산 

 1910 년부터 인분뇨 암모니아를 회수하여 황산에 흡수시켜 황산암모늄 제조
 1930 년 일본설립 흥남비료공장 ( 연간 50 여 만톤 황산암모늄 생산 )
 1960 년대 이후 충주비료 ,  호남비료 ,  영남화학 ,  진해화학 ,  한국비료가 설립되면서 식량공급량 증가
 1990 년대 초를 정점으로 친환경 농업육성법 제정 및 화학비료에 대한 정부 보조금폐지로 인해 화학비료 사용량이 현저히 감소

 국내 화학비료 총 생산량 :  약 2,332,000 톤 (2018 년 )
 내수는 생산량의 40%,  단비보다 복합비료 소비 비율이 80%  이상

 

표 . 우리나라 연도별 농경지 단위면적당 화학비료 사용량 ( 성분량 기준 )

 

3. 비료의 정의

우리나라 [비료관리법]
* 비료란 식물에 영양을 주거나 식물의 재배를 돕기 위하여 흙에서 화학적 변화를 가져오게 하는 물질 ,  그 밖에 농림축산식품부령으로 정하는 토양개량용 자재 등을 말한다 .

* 우리나라에서는 총 103 종의 비료가 비료공정규격에 등록

 

4. 식물체를 구성하는 원소

 식물체 구성
- 물 (70~95%)
- 유기물 ( 당 · 녹말 · 셀룰로스 · 헤미셀룰로스 · 리그닌 · 펙틴 · 단백질 · 아미노산 · 핵산 · 지질
등  )
- 자유이온형태 무기물

 

식물의 필수원소 평균함량.

 

 유용원소 : Si ( 규소 ), Na ( 나트륨 ), Co( 코발트 ), Se( 셀레늄 )
 탄소 ,  산소 ,  수소는 이산화탄소와 물에서 얻는다.

필수원소란?
① 원소가 결핍되었을 경우 ,  식물의 생활환 (life cycle) 이 완성되지 못함
② 원소의 기능이 특이적이고 다른 원소로 대체 불가능
③ 원소가 식물의 생육에 필수적인 생체물질의 구성성분이거나 대사활동에 직접적으로 관련

 

식물의 주요 유기화합물을 구성하는 원소

 

5. 필수 영양원소의 작용

* 흡수형태 :  NO3( 질산염 ), NH4( 암모늄염 )
* 단백질의 구성원소 :  C, H, O, N(16%),  그리고 S 
*모든 아미노산에 아민 ( - NH2) 이 결합

질소
* 주요 단백질: 엽록체(chloroplast)와 핵(nucleus)에는 단백질이 각각 50%와 70% 함유, 원형질막
* 주요 질소화합물: 유리상태의 아미노산, 펩티드, 핵산, 엽록소, 조효소 등
* 그 밖의 질소화합물: 호르몬, 비타민, 니코틴(nicotine)이나 카페인(caffeine)
* 결핍: 엽록소 생성과 발달 불량으로 전체적 황화, 오래된 잎에 증상
* 과잉: 영양생장으로 치우침, 과실수량 감소

 

질소결핍

 

인산
 흡수형태 :  H2PO4-또는 HPO42-
 유기화합물의 - OH 와 결합한 에스테르 (ester)  형태 또는 자유무기이온 으로 존재
 핵염색체 ,  핵산과 핵단백질 ,  막의 인지질 ,  인산화합물 피틴 ( phytin ) ( 종자 )  등
 인산화합물 :  광합성 작용 – NADPH, ATP ,  호흡작용 - NAD, FMN, FAD
 식물체 내에서 대사 활성이 높은 조직 : 어린잎과 뿌리의 끝부분
 결핍 :  짙은녹색 ,  적녹색 ( 보라색 )( 인산 부족 시 탄수화물 이용 저조하고 포도당이 안토시아니딘
과 결합하여 안토시안 형성 ),  어린식물의 생육과 세근 발달 저조

 

인산결핍

 

칼륨
 흡수형태 :  K+ ( 식물 건물 기준으로 1.6~2.8%)
 칼륨 유기화합물이 존재하지 않음 , K+ 이온상태 ,  무기산 ,  유기산으로 존재
 세포액에 다른 이온에 비해 높은 농도 ,  각종 음이온 (NO3-등 ) 과 전하균형
 세포 내부의 삼투압 조절 ,  공변세포의 개폐에 관여하여 수분조절
 효소활성 : 피루베이트카나아제 ,  알돌라아제 , ATPase 
 흡수과정에서 H⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺  등과 경쟁

칼륨
 결핍 :  가용성 당류와 질소화합물의 함량 증가, 다당류와 단백질의 함량은 낮아짐, 호흡과 광합성작용이 쇠퇴
 오랜 잎부터 잎의 끝부분이나 가장자리가 황갈색

 

칼륨결핍

 

칼슘
 흡수형태 :  Ca2+
 펙틴의 카르복실 (carboxyl) 기 연결 ,  막의 구조와 선택적 이온 수송 기능 유지
 신호전달 기능을 수행 ( 세포 내에는 칼모듈린 ( calmodulin ) 이라는 칼슘결합 신호전달 단백질 존재 )
 효소활성 :  알파아밀라아제 (α - amylase)
 식물체내에서 이동 어려움 ( 어린잎이나 생장점 부분에 결핍증상 )
 세포벽발달이 불량 되어 조직 연약
 토마토와 고추의 배꼽썩음병 ( blossom-end rot),  사과의 고두병

 

 

마그네슘
 엽록소의 구성원소 ( 포피린 구조에 결합 :  식물체 전체 마그네슘의 약 15%)
 피틴 ( 곡류의 종피부에 함유, 칼슘, 인, 마그네슘이 피틴산과 결합 )
 여러 효소 반응에 작용
 결핍 :  아랫잎 부터 황화 ,  엽맥간 황화

 

마그네슘 결핍 증상

 

황
 흡수형태 :  SO42 -, 유기화합물
 황 함유 아미노산
메티오닌 (methionine),  시스테인 (cysteine)(S - S  이황화결합 ),  시스틴 ( cystine ))
 산화환원 반응 단백질 - 페레독신 , NADH  탈수소효소 ,  탈수소효소 ( 단백질 내 Fe - S cluster 의 철이
전자 공여체 또는 수용체 역할 ) 
 그 외 황을 함유하는 화합물 : 
 조효소 A(Coenzyme A),  항산화물질 글루타치온 (glutathione, GSH),
 티아민 (thiamine) ( 또는 비타민 B1) 과 비오틴 (biotin)( 또는 비타민 H)
 마늘 알린 (alliin),  겨자의 시니그린 (sinigrin)

황
결핍 :  황 함유 아미노산 합성과 각종 단백질 합성 저해
황갈색이 주로 오래된 잎 결핍증 ( 작물에 따라서는 어린잎도 )

 

황의 결핍 증상

 

철
 흡수형태 :  Fe2+ 또는 Fe3+ 

이온의 형태
 산화환원반응에서 전자전달의 역할
 철 함유 화합물 :  단백질
카탈라제 효소 (catalase, CAT),  사이토크롬 산화효소 (cytochrome-oxidase),  과산화효소 (peroxidase, POD),  질소고정효소 ( nitrogenase ),  질산환원효소 (nitrate reductase),  사이토크롬 (cytochrome),  페레독신 ( ferredoxin )

 

 

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■ 연습문제

1.  다음  중  17종의  필수원소에  속하지  않는  것은?
①  Ca ②  Mg ③  Mn ④  Na
정답  :  ④  
해설  :  식물체에서  발견되는  원소  중에서  현재까지  17가지가  필수원소인 
것으로  밝혀져  있다.  탄소(C),  산소(O),  수소(H),  질소(N),  인(P),  칼륨(K),  칼슘(Ca),마그네슘(Mg),  황(S)은  식물체  중의  함량이  %  수준이며,  다량원소(macroelement)라고  한다.  철(Fe),  염소(Cl),  망간(Mn),  아연(Zn),  붕소(B),  구리(Cu),니켈(Ni),  몰리브덴(Mo)은  대략 5~200ppm  수준으로  함유되어  있으며,  미량원소(micro-element)라
고  한다.  또  식물의  종류에  따라서는  규소(Si),  나트륨(Na),  코발트(Co),  셀레늄(Se)등을  필수원소로  요구하는  것이  있으므로, 이들을 유익원소(beneficial  element)라고  한다.

2.  식물체를  구성하는  다량원소  가운데  평균  함량이  가장  낮은  원소는?
①  S ②  P ③  Mg ④  Ca
정답  :  ①  

3.  식물체의  유기성분  중  질소가  구성원소가  아닌  것은?
①  셀룰로오스 ②  엽록소 ③  핵산 ④  단백질
정답  :  ①  

식물의 주요 유기화합물을 구성하는 원소

4.  다음  식물성분에서  인산이  구성원소가  아닌  성분은?
①  피틴(phytin) ②  엽록소 ③  핵산     ④  단백질
  
정답: ②, ④

해설: 문제 3 해설참조.

 

5.  물체에  들어있는  인산이  다음의  어느  작용기와  에스테르(ester)결합을  이루는가?
①  -COOH ②  -NH2 ③  -OH ④  -NO2
정답  :  ③  
해설  :  식물체  안의  인은  흡수된  인산(H2PO4-또는  HPO42-)이  유기물의 –OH와  결합한  에스테르(ester)형태이거나  2분자의  인산에서  탈수되어  결합한  무기물형태로  존재하나  공급이  충분하면  무기태로도 많이 존재한다.

6.  물체의  수분조절작용과  관계가  있는  원소는?
①  N ②  K ③  P ④  Mg
정답  :  ②  
해설  :  기공이  열리고  닫히는  데에도  K은  매우  중요한  역할을  하여  식물의  수분조절작용에  관련되며  효소계를  활성화시킨다.

 

7.  작물의  필수영양소로  부족시  토마토의  배꼽썩음병의  원인이  되는  것은?
①  B ②  Ca ③  P ④  Fe
정답  :  ②  
해설  :  일반적으로  칼슘은  쌍떡잎식물에  비교적  많으며,  식물체  안에서는 이동하기  어려운  편으로  어린잎보다  늙은  잎에  많고  종자에  옮겨  가는  양은  적다.  따라서  칼슘의  결핍증상은  생장점  부분의  분열조직에 
나타나기  쉬우며,  뿌리와  어린잎의  모양이  정상이  아니고  잎은  누렇게  되며  심하면  잎의  주변이  고사한다.  그리고  세포벽의  발달이  좋지  않으므로  조직이  연약해지기  쉽다.  과수와  채소류의  과실에서  칼슘  결핍으로  인한  특징적인  생리장해가  잘  나타나는데,  예를  들면 토마토와  고추의  배꼽썩음병(blossom-end  rot),  사과의  고두병 (bitter  pit)  등이다.  칼슘의  식물체내  이동성이  아주  낮으므로  식물조직은  대부분  증산류를  통하여  토양으로부터  흡수된  칼슘을  전달받는다.  만약  칼슘  흡수가  부족하거나  습한  기후조건에서  증산율이  낮
으면  과실에  칼슘이  잘  전달되지  못하므로  결핍증상이  쉽게  발생한다.

9.  다음  아미노산  가운데  황이  구성원소로  들어있지  않은  것은?
①  tryptophan ②  cysteine ③  cystine ④  methionine
정답  :  ①
해설  :  황은  식물생육에  필수적인  각종  유기화합물의  구성  원소이다. 메티오닌(methionine),  시스테인(cysteine),  시스틴(cystine)은  황  함유 아미노산으로  효소를  비롯한  각종  단백질의  합성에  필요하며,  특히 
시스테인(cysteine)의  황은  -S-S-  결합(disulfide  bond)을  통해  단백질의  입체구조를  결정하는  데  기여한다. 

10.  식물체  안에서  일어나는  산화·환원  반응에  직접  관련되는  원소의  종류
는?
①  Mg.  Mo ②  Ca,  P ③  Fe,  Cu ④  Mn,  Mg
정답  :  ③
해설  :  철은  광합성작용이나  호흡대작용에  관여하는데,  Fe2+ 와  Fe3+사이
의  전환을  통해  전자의  전달이  가능하기  때문이다.  산화환원반응에
서  전자전달의  역할을  하는  철  함유  단백질로는  카탈라제  효소
(catalase,  CAT),  사이토크롬  산화효소(cytochrome  oxidase),  과산
화효소(peroxidase,  POD),  질소고정효소(nitrogenase),  질산환원효
소(nitrate  reductase)  등의  효소와  광합성과  호흡과정의  전자전달계
에서  작용하는  사이토크롬(cytochrome),  페레독신(ferredoxin)  등을 
들  수  있다.  구리의  중요한  생리적  작용은  산화환원작용의  조절이
다.  페놀산화효소(phenol  oxidase),  아스코르빈산산화효소
(ascorbate  oxidasse),  시토크롬산화효소(cytochrome  oxidase)  등은 
구리를  보조인자로  함유하고  있는  대표적인  산화효소이며,  여기서 
구리는  전자  전달의  역할을  담당한다.  구리  함유  단백질인  플라스토
시아닌(plastocyanin)은  엽록체의  광합성시스템에  존재하는  전자전달
물질이며,  광계  II에서  광계  I로  전자를  전달한다.  활성산소  분해효소 
(superoxide  dismutase,  SOD)는  구리와  아연을  함유하고  있으며, 유해한  산소라디칼(O2
-)을  과산화수소(H2O2)와  산소(O2)로  분해시키
는  효소이다.  SOD는  대부분  엽록체에  존재하며,  광합성  관련  기관
들을  보호하는  데  중요한  역할을  하는  것으로  짐작된다. 

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■ 핵심요약정리

1.  식물영양학의  발전은  비료산업을  일으켰고  그에  따라  농업생산이  크게 
증대되었다.  우리나라의  비료산업은  1960년대부터  급속히  발전하여  오늘
날  국내수요는  물론  수출할  수  있는  여유를  갖게  되었다.  비료  소비량이 
증가하면  작물  수확량이  증가함은  물론이고  농산품의  품질도  크게  향상된
다.

2.  식물의  양분,  즉  영양소는  모든  식물의  중요한  생장요인의  하나이다.  식
물의  양분은  동물의  양분과는  달리  대개  무기이온과  물  및  이산화탄소이
다.  식물의  필수영양소는  C,  H,  O,  N,  P,  K,  Ca,  Mg,  S  등의  다량원소와 
Fe,  Mn,Cu,  Zn,  B,  Mo,  Cl,  Ni  등의  미량원소인데,  그  함량은  식물의  종
류,  생육시기,  환경조건에  따라  다르다.  필수원소는  독특한  기능을  가지며 
물과  이산화탄소이외의  양분은  토양과  비료로부터  공급받게  된다.

3.  식물체  안에  존재하는  각  영양소의  화학적  형태는  각기  다르며  기능을 
발휘하는  메커니즘도  다르나  서로  밀접한  유기적인  관계를  가지고  식물의 
생명활동을  원활히  진행시킨다.  어느  필수영양소가  부족하거나  과다할  경우에는  생리장해와  발육부진으로  인해  식물에  여러  가지  증상이  나타나게  된다.  그  원인은  아직  밝혀지지  않은  부분도  많으나  생리화학적인  면에서  찾게  된다.  또  현재의  영양소  종류와  기능은  연구의  진전에  따라서  확대되고  더욱  확실해질  것으로  기대된다. 

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