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）は、窒素と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(NO−
3)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、土壌内の亜硝酸菌がアンモニアを亜硝酸塩(NO−
2) に変化させる。亜硝酸塩も多くの生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、再び生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。

このような無機窒素化合物を利用できるのは植物と菌類であり、それらがこれを吸収してアミノ酸など有機窒素化合物を合成し、動物はそれを利用することができる。

生物の窒素の排泄

ヒトがタンパク質などから取り入れた窒素のうち、過剰分が尿の中に尿素の形で排泄される（尿には尿素が含まれており、成人は尿素を 1日 30 g ほど排泄する。）。生体内では、尿素回路によりアンモニアから尿素が産生される。

最も簡単な窒素化合物はアンモニアであるが、人体に有害なため、安全な尿素として蓄えられ水溶液として排泄される。ただし水溶性であるから水と共に捨てなければならず、濃縮にも一定のエネルギーを要する。

水の確保が重要な問題となる生活ではこの点で尿酸にしたほうが有利である。これは尿酸は尿素に比べ濃縮が可能であり、体内に一時的に保持するにあたって水分をあまり必要としないためである。また、硬い殻を持つ卵から生まれる際に、代謝に伴って生じた窒素化合物を体外へ排出することが出来ない。硬い殻（閉鎖卵）を有する卵生の動物では、尿を殻の外に排泄できないため、アンモニアでは有害であり、尿素では浸透圧が高くなりすぎ、水にわずかしか溶けない尿酸の形で排泄することにより有害性と浸透圧の両方の問題を解決している。

窒素の排泄は、硬骨魚類ではアンモニア、哺乳類、両生類、軟骨魚類では尿素、鳥類や爬虫類では尿酸のかたちで行われる。なお、軟骨魚類は、浸透圧調節のため、尿素やトリメチルアミンオキサイドを体内に蓄積している。

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