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生物基礎「窒素循環」窒素固定・硝化・窒素同化・脱窒

生態系内を炭素が循環しているように、窒素も循環しています。今回は、窒素がどのような形で生態系内を循環しているのか学習します。

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生態系内の窒素の循環

大気中に窒素Nは窒素N₂という気体として存在します。空気の78%を占める気体でしたね。この窒素がどのように変化するのか、まずは下の図を見てください。

窒素固定

窒素固定細菌や根粒菌による「窒素固定」

土壌中や水中に存在する窒素固定生物によって、空気中の窒素はアンモニウムイオンNH₄⁺として固定されます。窒素固定を行う生物は原核生物の一部だけで、次のものが代表的な窒素固定生物になります。

窒素固定生物特徴
アゾトバクター酸素が多い条件下で生活。
クロストリジウム酸素の少ない酸性の土壌中で生活。
ネンジュモ水中や湿地に生活し、光を利用し光合成も行う。
根粒菌マメ科の植物の根に共生。根粒をつくる。

根粒菌は、マメ科植物と共生し、窒素固定によって合成したアンモニアをマメ科植物に供給しています。一方のマメ科植物は、光合成によって合成した有機物を根粒菌に供給します。この共生によって、マメ科植物は土壌中のアンモニアなどの無機窒素化合物が少ない条件下でも生育することができるのです。

窒素固定生物による窒素固定の他にも、雷などの空中放電によって固定されたり、工業的に固定され肥料として利用されたりします。

植物による「窒素同化」

固定された窒素は、土壌中や水中にアンモニウムイオンNH₄⁺、硝酸イオンNO₃⁻として存在し、それらを植物や植物プランクトンが取り込み窒素同化を行いタンパク質などが合成されます。

動物は、アンモニウムイオンなどの無機窒素化合物からタンパク質などの有機窒素化合物を合成できないので、窒素同化した植物体を食べ物として取り込んでいます。取りこまれた有機窒素化合物はアミノ酸まで分解された後、別のアミノ酸につくりかえられたり、核酸やATPなどの様々な有機窒素化合物の合成に利用されます。

硝化細菌による「硝化」

枯死体や遺体、排出物にはタンパク質などの有機窒素化合物が含まれており、これが分解者によって分解されるとアンモニウムイオンNH₄⁺が生じます。これを利用して生活しているのが硝化細菌です。

硝化細菌には、アンモニウムイオンを利用する亜硝酸菌と、亜硝酸を利用する硝酸菌が存在し、エネルギーを次のように生み出しています。

  • 亜硝酸菌
    2NH₃+3O₂ → 2HNO₂+2H₂O+エネルギー
  • 硝酸菌
    2HNO₂+O₂ → 2HNO₃+エネルギー

硝化細菌によって合成された硝酸HNO₃は、植物が取り込み、アンモニウムイオンに戻され窒素同化に利用されます。

脱窒素細菌による「脱窒」

土壌中の硝酸などの無機窒素化合物を、再び窒素N₂に分解する生物もいます。脱窒素細菌です。この生物が呼吸を行うときに無機窒素化合物を利用し、窒素が発生するのです。この作用を脱窒といいます。詳しくは、硝酸に含まれる酸素原子を呼吸に利用する硝酸呼吸といいます。

このように、生態系内を窒素が循環しているのです。

窒素循環の練習問題

下の図は、生態系内の窒素の循環のようすを図示したものである。これについて、以下の各問に答えよ。
窒素の循環 問題
(1)図の①~⑥は窒素の循環に関わる生物を示している。①~⑥に適する生物群の名称を、次のア~カから選び、それぞれ記号で答えよ。
ア:脱窒素細菌  イ:窒素固定細菌  ウ:分解者
エ:一次消費者  オ:二次消費者  カ:生産者
(2)図のA~Cに含まれる窒素は、おもにどのような形で存在するのか。次のア~ウから選び、記号で答えよ。
ア:窒素分子
イ:アンモニウムイオン、硝酸イオン
ウ:タンパク質、核酸

解答(1)①:カ ②:エ ③:オ ④:イ ⑤:ア ⑥:ウ
(2)A:ア B:ウ C:イ

生物
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