질소 고정

질소고정(nitrogen fixation)은 미생물이 반응성이 낮은 질소를 무기 질소 화합물로 변환시키는 자연 과정이다. 그다음 이 무기 질소 화합물은 식물의 단백질과 같은 유기 질소 화합물의 첫 영양 사슬로 들어간다. 토양에 존재하는 질소 화합물, 특히 질산염은 농작물 집약적 대량생산을 위해서는 일반적으로 부족하다. 질소 비료를 생산하기 위한 상업적 공정들이 많이 개발되어 왔으며, 그 중 암모니아를 합성하는 Haber-Bosch 방법이 가장 잘 알려져 있다. 균형잡힌 토양의 화학을 위한 발전은 1956년에 개발된 Kjeldahl 법으로 유기 화합물에 존재하는 질소 함량을 자동적으로 분석하는 방법으로 발전하였다.

질소 순환

뿌리혹

Friz Haber

Haber-Bosch 공정

19세기말 세계 인구가 급격하게 증가함에 따라서 한정된 식량 공급에 대한 걱정이 크게 부각되었다. 농토의 질소 함량이 고갈됨에 따라 질소비료를 위한 산업적 해결책에 대한 질문은 풀리지않고 있었다. 어떤 과학자는 전 세계적인 기아사태를 예측하였다. 그래서 공기 중의 질소를 이용하여 비료에 사용되는 질소 화합물을 생산하는 것이 급선무였다. 이에 대한 해결책은 1908년 독일로부터 나왔는데, 화학자 Friz Haber가 당시 이용 가능한 모든 물리 화학적 지식자원을 사용하여 암모니아 합성 원리를 발견하였다. 암모니아 합성은 철 촉매 작용 하에 고온과 고압의 조건에서 이루어진다. BASF (Badische Anilin- & Soda-Fabrik) 회사 화학자인 Carl Bosch는 1913년에 최첨단 산업 생산 수준으로 Haber 공정을 상업화하였다. 이 산업 공정으로 20세기에 농업생산과 인구의 팽창을 가져왔다.

화학 비료의 발전

1913년 초기에 합성 비료가 상업적으로 생산되어 농작에 사용되어서 농작물 수확율과 생산성이 급격하게 증가하였다. 1930년에 있은 작은 낱알 모양의 화학 비료 판매가 시작되었고 1965년에 미국 시장에 서스펜션 비료가 도입되는 등 그 이후 화학 비료의 기본 생산의 혁신이 이루어졌다. 1970년대에 화학 비료의 입자가 더욱 작아져서 혼합하여 가정용으로 사용 적절한 비료가 생산되었다. 가장 최근에 시판되는 혁신적 비료는 시비할 때 원하지 않는 환경 피해를 줄이기 위해서 비료 입자를 캡슐로 싸서 적절한 시간마다 일정 양씩 방출되게끔 한 것이다.

녹색 혁명과 교잡 식물

1870년대부터 교잡 식물(hybrid plant)은 식량 증산과 품질을

향상시키기 위해 원하는 특성을 가지도록 계속해서 개량되어왔다.

유기 화학으로 바람직한 식물 특성을 알아내고 이 특성을 교잡

식물에 주입시킨 후에 화학 비료로 질소 섭취를 극대화 하도록

발전되어왔다. 이러한 발전은 “녹색 혁명”을 가져왔고, 이 혁명은

멕시코가 1943년에 밀 생산 증대를 통해 자급자족이가능하게

된 것으로 부터  시작되었다.

1964년까지 아시아 인구의 상당수가 새로운 교잡 식물과 토양 영양

화학 지식을 사용하여 배불리 먹게 되었다. 미국농부들은 잎사귀나

줄기에 살충제 성분을 분비하는 옥수수와 감자와 같은 새로운 종류의

교잡식물을 재배하고 있다.