窒素循環

窒素循環のモデル図

窒素循環（ちっそじゅんかん、Nitrogen cycle）は、窒素とこれをこれを含む構成要素の間の変換について記述するもので、生物地球化学的循環の一部をなす。気体の要素も含んだ循環である。

窒素はタンパク質を構成する要素であり、さらに言えばタンパク質を構成するアミノ酸の要素である。さらにはDNAやRNAのような核酸にも含まれている。つまり窒素は生物にとって不可欠の存在であり、比較的多量に存在することが生物群集の成立には必要とされる。

概要

窒素の最大の貯蔵所は大気であり、大気の78%は窒素ガス（N₂）である。窒素ガスは、極めて不活性な物質であり、ほとんどの生物は利用できない。従って空中の窒素は、そのままでは窒素の循環の経路にはなりがたい。実際にはこの窒素は窒素固定と呼ばれるプロセスによって「固定」される。窒素固定とは、窒素ガスを他の窒素化合物（硝酸塩やアンモニア）へと変換する反応のことであり、例えば窒素と酸素から硝酸塩（NO₃-）などを生成する反応を指す。窒素固定は、雷でも起きるが、19世紀までは、主役は土壌内の窒素固定能力を持ったバクテリアであり、例えばマメ科植物の根にある根粒菌も窒素固定を行う。窒素固定菌は、ある酵素を使って窒素ガスを硝酸塩に変化させる。硝酸塩は植物や動物によって消費され、上述のタンパク質やDNAなどの生合成に利用される。タンパク質やＤＮＡなどは食物連鎖によって循環していく。

動植物に使われた窒素は、排泄物や死体の腐乱によって解放される。腐食動物や分解者が動植物の排泄物や死体を分解し、窒素はアンモニア（NH₃）に姿を変える。アンモニアは毒性があり、動植物は利用できないが、土壌内の亜硝酸菌がアンモニアを亜硝酸塩（NO₂-）に変化させる。亜硝酸塩も多くの動植物は利用できないが、硝酸菌が亜硝酸塩を硝酸塩に変化させ、再び動植物が利用可能な形になる。一部の硝酸塩は脱窒のプロセスを経て窒素ガスに変化する。

人工的な窒素固定

20世紀に入ると、ハーバー・ボッシュ法が発明され、窒素と水素からアンモニアが合成されるようになった。またオストワルト法によりアンモニアから硝酸が人工的に作られ、肥料として用いられるようになった。これらの化学手法が工業化されることで、現在の生体窒素の半分が工業的に固定化された窒素を利用している。言い換えると、我々の体内にあるタンパク質のうち、半分はどこかの工場でハーバー・ボッシュ法を経たものが、窒素循環により巡ってきたものである。

全世界のアンモニアの年間生産量（2010年）は1.6億tで、そのうち8割が肥料用であると言われている。生物による窒素固定は1.8億t、雷等の自然放電による生成と排気ガスのNOxで0.4億tと言われている。

関連項目

• 生物地球化学
• 窒素固定