農業における窒素循環の視角から
循環型社会を展望する
大串 和紀

3. 自然界における窒素の循環

■生態系は、生物とそれを取り巻く大気、水、土壌などから構成され、地球上の様々な物質は、その生態系のなかを循環している*1

■大気中には、約78%の窒素ガス(N2)が含まれるが、細菌の中には大気中の窒素を取り込み、体内で代謝を行い、この窒素を利用して色々な窒素を含む物質を産生するものがある。これが窒素固定といわれるもので、豆科植物の細根に共生するバクテリアが有名である。

■植物は大気中の窒素を直接利用して代謝を行う能力は持っていない。そこで、細菌が固定した窒素や物質循環の中から産生したアンモニウムイオン(NH4+)や亜硝酸イオン(NO2-)、硝酸イオン(NO3-)を吸収して代謝し、タンパク質やアミノ酸、核酸などの窒素化合物を産生する。これを窒素同化という。

■動物も大気中の窒素を直接利用することができず、窒素を植物や他の動物からタンパク質の形で摂取する。タンパク質は動物性であれ、植物性であれ、アミノ酸を含んでいるので、体内に窒素が入り込むことになる。動物の体内でアミノ酸が代謝されると、アンモニア(NH3)が出来る。アンモニアは毒性が高いので、それを尿素回路という代謝系を使って、尿素という他の窒素を含む物質に変換して、体外に排泄する*2

■動物の排泄物や植物や動物の死骸は、バクテリアによって分解されアンモニウムイオンに変えられる。さらにアンモニウムイオンは、やはりバクテリアによって亜硝酸イオンや硝酸イオンに変化(硝化)していく*2。このアンモニウムイオンや亜硝酸イオン、硝酸イオンは、再び植物に栄養素として利用される。また、アンモニウムイオンの一部は、アンモニアガスとして大気中に揮散される。

■一方、嫌気的な環境下で亜硝酸イオン、硝酸イオンを利用する細菌(脱窒菌)もおり、それらがこれを窒素ガス(N2)や一酸化二窒素(N2O)に変えると、ガスは大気中に戻っていくことになる*2。これを脱窒という。

■以上を整理すると図のようになるが、自然界における実際の窒素循環は非常に複雑である。

■地球上の窒素は、元素単位ではその量は一定(有限)で、基本的には地球というひとつの閉じられた「系」の中で循環することによって生物に利用されている。しかし、大気中の窒素ガス(N2)から工業的にアンモニアが作られ、また生物由来の化石燃料である石油や石炭が大量に用いられるようになり、自然の循環バランスが崩れてきている。

大串 和紀 H20.5.24

*1 環境省:平成19年度版「環境 循環型社会白書」、p11

*2 http://www.miotsukushi.com/NOx/NOx.htm(20.1.2)

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