私たちの地球には、酸素、炭素、水素など、多くの生物の生存に欠かせないさまざまな元素が存在しています。これらの要素の 1 つは窒素です。これらは、ビタミン、タンパク質、アミノ酸、ホルモンなどのさまざまな栄養素に含まれています。そのため、これらの要因とその影響についても調査する必要があります。 NASA によると、地球の大気中の空気の全体的な組成は主に窒素ガスで構成されており、空気の 21% が酸素、空気の 0.93% がアルゴン、空気の 0.04% が二酸化炭素であり、微量です。他のガスの。同様に、多くの生物学的成分は主に窒素で構成されています。ただし、これらすべてを使用しても、使用可能な形態の窒素の濃度は非常に低くなります。窒素ガスは必須ですが、制約要素でもあります。窒素は、人間、植物、その他の動物を含むすべての種が日常の生物学的活動を行うために必要とします.
窒素ガスは、多くの要因により高い需要があります。窒素ガスの濃度が高いにもかかわらず、生物が利用できる窒素ガスの量は大幅に少なくなります。その結果、プロセスのさまざまな部分を理解するためには、窒素固定の定義を学ぶことが重要です。
窒素固定のさまざまな方法
植物は主な栄養源です。植物は、大気や土壌から得たさまざまな元素を利用して、土壌や大気から得た栄養素を合成しています。元素窒素は、この元素群に含まれます。植物は土壌から窒素を吸収し、生存に不可欠なタンパク質合成の過程でそれを使用します.二酸化炭素と酸素は、葉の毛穴を通して大気から取り込まれる可能性がありますが、大気中の窒素は取り込めません。これは、植物が大気中に存在する窒素ガスを利用できないためです。窒素固定は、特定の微生物の存在と自然現象の発生によって促進されます。
生物学的窒素固定
特定の細菌または原核生物の存在により、大気中の窒素がアンモニアに変換される可能性があります。生物学的窒素固定は、このプロセスを説明するために使用される用語です。ニトロゲナーゼは、二窒素をアンモニアに変換する消化酵素です。窒素固定細菌は、自由生活生物として、または共生関係の一部として存在できます。 Azotobacter、Beijernickia、Rhodospirillum、シアノバクテリア、およびその他の窒素固定細菌は、自由生活型窒素固定菌の例です。リゾビウム (マメ科植物の根粒に見られる) やフランキア (非マメ科植物の根粒に見られる) などの生物は、共生窒素固定物質の例です。
共生窒素固定
窒素固定を助ける細菌の一種である根粒菌が存在します。それらはマメ科植物 (エンドウ豆やマメ科植物など) の根で生育するバクテリアであり、特定の種類の酵素を使用して、土壌中の窒素の固定に寄与します。この生物学的プロセスの間に、それらは非吸収性窒素の形態を生物が使用できる使用可能な形態に変換します.この形態の窒素は土壌に溶解し、変換された窒素は植物の根を通して植物に吸収されます.マメ科植物が肥料を必要とせずに土壌中の窒素レベルを置き換えるのを助ける輪作は、農家が輪作を実践する理由です.
雷による窒素固定
稲妻は、窒素固定に寄与するもう 1 つの活動です。この自然発生では、稲妻のエネルギーがバラバラになり、吸収されない形態の窒素を使用可能な形態に変換します。稲妻は窒素固定にほとんど役割を果たしていないという事実にもかかわらず、植物が重要な栄養素を欠乏するのを防ぐので重要です.
NO、N2O、NO2 などの窒素酸化物も、産業活動、自動車の排気ガス、発電所、森林火災などの原因によって大気中に放出されます。
窒素代謝
代謝とは、化学物質を使用可能なエネルギーの形に変換するために行われる化学反応の集まりです。アンモニア (NH3) を中性または帯電した形のアンモニウム イオン (NH4+) にリサイクルするには、窒素代謝を閉鎖系で行う必要があります。窒素循環は、窒素代謝の最も重要な要素です。
窒素循環
窒素循環は、窒素代謝の最も重要な要素です。窒素分子が形成されるためには、2 つの窒素原子が非常に強力な三重共有結合 (N N) によって結合されている必要があります。環境には、大気、土壌、バイオマスの 3 つの主な窒素源があります。次の方法で、これら 2 つのプール間で窒素を循環させることができます。
大気プール
「窒素固定は、大気中の窒素 (N2) をアンモニア (NH3) に変えるプロセスを説明するために使用される用語です。大気中の窒素の固定は、生物学的、工業的、電気的の 3 つの方法で行われます。
- 窒素をアンモニアに変換する生物を使用することで、「生物学的窒素固定」を実現できます。
- 「産業用窒素固定」という用語は、産業用燃焼、自動車の排出ガス、森林火災、発電所などの発生源からの窒素の使用を指します。
- 雷や紫外線などの自然要因が、窒素を窒素酸化物に変換するのに十分なエネルギーを供給する場合、これは「電気的窒素固定」と呼ばれます。
土壌プール
上記の方法は、大気中の窒素を土壌に固定します。その結果、窒素は植物や動物に取り込まれ、このサイクルが続きます。
バイオマスプール
このプロセスは「アンモニア化」として知られており、窒素を土壌に戻す役割を果たします。このアンモニアの一部は蒸発して大気中に再突入しますが、大部分は土壌バクテリアによって硝酸塩に変換されます。これは次のように行われます:
i) まず、バクテリア Nitrosomonas および/または Nitrococcus がアンモニアを亜硝酸塩に酸化し、さらに硝酸塩に酸化します。
2NH3 + 3O2 → 2NO2– + 2H+ + 2H2O
(ii) その後、ニトロバクターは亜硝酸をさらに酸化し、硝酸塩を生成します。
2NO2– + O2 → 2NO3–
これらの反応は「硝化」と呼ばれ、それらを引き起こすバクテリアは「化学独立栄養菌」と呼ばれます。植物はこのようにして生成された硝酸塩を吸収して葉に移し、そこで光合成によってアンモニアに変換されます。このアンモニアは、アミノ酸のアミン基の形成に関与しています。シュードモナス属とチオバチルス属は、「脱窒」として知られるプロセス中に、土壌中の硝酸塩を窒素に還元する役割を果たします。
結論
生物学では、窒素固定は、大気中の遊離窒素ガスを土壌中の窒素含有分子に変換するプロセスです。これらの酸化物は雨水に溶け、反応の結果として希硝酸を生成します。この硝酸は土壌中のアルカリ（石灰岩など）と結合し、反応の結果として硝酸塩を形成します。代謝とは、化学物質を使用可能なエネルギーの形に変換するために行われる化学反応の集まりです。
窒素代謝は、植物生理学における最も基本的なプロセスの 1 つであるだけでなく、世界的な化学サイクルの最も重要な要素の 1 つでもあります。
