生命をつなぐ見えない循環 ―― 窒素固定と脱窒のしくみ

　皆さんは三大栄養素というものをご存じのことと思います。

タンパク質、炭水化物、脂肪の三つですね。

これらの栄養素は基本的な元素の組みあわせで作られています。

Ｃ（炭素）、Ｈ（水素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）の4種類です。

（その他の微量な元素についてはさしあたって無視します。）

その中の窒素についてはタンパク質にのみ含まれます。

炭水化物と脂肪はエネルギー源として使われますが、タンパク質はエネルギー以外に生命体の構造を司る原材料とも呼べる栄養素ですので、これが無いといわゆる　体　を作ることができません。

地球上の生命は食物連鎖によって小さな生命体から大きな生命体に作り替えられます。

単細胞生物から象や鯨のような大きな体まで、基本的には他の生物の体を取り込むことで自らの体を作り上げるのです。その出発点は植物プランクトンであったり、地上に芽吹く植物であったりします。

いずれの場合も彼等の体の構成物であるタンパク質が次のタンパク質の材料となるのです。

タンパク質生産に欠かせない元素が窒素なのですが、実はこの窒素がかなりのくせ者でもあるのです。

今回は地球上の窒素の動き　窒素循環　についてお話しします。

 

 

　地球上の大気の78％は窒素です。それでは呼吸をすれば窒素なんぞいくらでも取り込めると思いませんか？

ところが空気中の窒素は非常に安定した分子構造をしており、そのままの形では植物も動物も栄養源として使うことができないのです。

 

では、この膨大な窒素はどのようにして生命の循環に取り込まれているのでしょうか。
その鍵を握るのが、「窒素固定」と「脱窒」という自然界の見えないサイクルです。

 

 

窒素固定とは何か

　窒素固定とは、大気中の窒素ガス（N₂）を、生命が利用できるアンモニア（NH₃）や硝酸塩（NO₃⁻）などの形に変換する働きを指します。
この反応は主に「窒素固定細菌」と呼ばれる微生物によって行われ、代表的なのがマメ科植物の根に共生する根粒菌です。

生成されたアンモニア（NH₃）は植物に吸収され、アミノ酸やタンパク質の合成に利用されます。
つまり、窒素固定は“空気中の窒素を生命が使える形に変える入り口”のような役割を果たしているのです。

　自然界では根粒菌のほかにも、シアノバクテリア（藍藻）やクロストリジウムなどの独立栄養細菌も同様の役割を担っています。
また、落雷による高温・高圧のエネルギーでも窒素が酸化され、硝酸塩となって雨とともに地表へと降り注ぎます。

こうして窒素は、地球規模のサイクルとして生態系に組み込まれていくのです。

 

地球上の生命体にとって窒素は欠かすことのできない体の構成材料です。動物を養うスタートラインの餌は植物ですから、植物の生産量によって養える動物の生息数も制約を受けることになります。

私たち人間も穀物の生産量によって人口がコントロールされるであろうことはご理解いただけると思います。農業生産量は気候などによって当然増減します。豊作の年もあれば、飢饉と呼ばれるような不作の年もあります。作物の豊凶によって人口が増えたり減ったりする時代を私たちの祖先は生き延びてきました。元々は土中の微生物の働きなどに委ねられていた窒素固定ですから、それが飛躍的に増加することなど無くほぼ一定量で推移してきたのですが、ある時期を境にまさに爆発的な増産が可能となりました。

 

　それは人工的な窒素固定の技術が開発されたからです。ドイツでハーバーボッシュ法と呼ばれる高温・高圧下でのアンモニア生産方法が考案されると、人類は人工的な窒素肥料を耕作地に投入できるようになったのです。

品種改良や耕作方法の改革などもあって食料生産が一気に増加することとなりました。1960年から1970年代にかけてなされたこれらの大きな変革を緑の革命などと呼ぶこともあります。

食糧増産が叶ったことで1970年には35億人であった地球の人口は現在80億人にまで爆発的に増えたのですが、その結果新たな問題も引き起こされることにもなりました。その辺の事情については別の機会に述べます。

 

 

窒素循環と脱窒の役割

　自然界で固定された窒素は、動植物の成長を支える栄養素として利用され、やがて枯死や排泄物などによって再び土壌や水中に戻ります。
この過程で、アンモニア（NH₃）は「硝化菌」と呼ばれる微生物の働きによって亜硝酸（NO₂⁻）を経て硝酸（NO₃⁻）へと酸化されます。植物が根から取り込めるのはアンモニア態窒素か硝酸態窒素に限られます。

植物に吸収された窒素はアミノ酸を経てタンパク質に作り替えられます。

私たち動物が食べているタンパク質は直接あるいは間接的に他の動物の肉という形を経て植物が作り出した窒素化合物を取り込んでいるのです。

 

しかし硝酸態の窒素は水溶性であるため、土中から流亡しやすく地下水などに蓄積されて別の問題を引き起こします。つまり窒素化合物が作られるばかりではなく、それらが適度に分解されて元の窒素分子に戻される過程が無いと、植物が吸収できなかった硝酸が河川や湖に流れ込み、富栄養化を引き起こす原因になります。

 

 

　ここで登場するのが「脱窒（だっちつ）」です。
脱窒とは、硝酸や亜硝酸を再び窒素ガスに戻す働きを指します。

酸素が少ない（嫌気的）環境で、脱窒菌が酸素の代わりに硝酸と結合してる酸素を利用して窒素をガスとして放出するのです。この脱窒によって、固定された窒素は再び大気中に戻り、窒素循環が完結します。

 

 

もし脱窒が起きなければ、地球上には過剰な硝酸があふれて水系は富栄養化によって破綻します。
逆に、脱窒が過剰に進むと、肥料として必要な窒素が失われてしまうこともあります。
また、完全な脱窒が行われず中間生成物である一酸化二窒素（N₂O）が発生すると、二酸化炭素の300倍もの温室効果がありますので地球温暖化を促進してしまいます。
つまり、窒素固定と脱窒は、自然界において「バランスの取れた循環」を生み出す両輪なのです。

 

 

アクアリウムで見る窒素のサイクル

アクアリウムでも、この窒素の循環は小さなスケールで繰り返されています。
魚が排泄するアンモニア（NH₃）は、まず硝化菌によって亜硝酸（NO₂⁻）へ、次に硝酸（NO₃⁻）へと変化します。この硝酸は飼育生物に対する毒性は比較的少ない物質なのですが、過剰にたまると水質が悪化し、生体に負担をかけるため、定期的な水換えやろ過装置による管理が必要です。

水槽内の環境によっては、底砂の低層部やライブロックの内部など酸素が届きにくい場所で、脱窒菌が働きます。
これにより、硝酸が窒素ガスに還元され、水質が安定していきます。
この現象は、自然界と同じ「脱窒プロセス」が人工環境の中で再現されているといえるでしょう。

脱窒をうまく活用することで、水換えの頻度を減らしたり、水質をより長期的に安定させることが可能になります。近年では「脱窒リアクター」や「硫黄脱窒フィルター」など、意図的に嫌気環境を導入される方も増えています。ただし、これらの装置を安易に導入すると、脱窒が過剰に進み過ぎて水草が必要とする硝酸が不足することや、有害な硫化水素が発生するリスクもあります。
そのため、酸素量や通水量を管理しながら、自然のバランスを再現することが大切です。

 

 

まとめ

窒素固定と脱窒は、一見対照的な現象のように見えますが、どちらも地球上の生命を支える大切な循環の一部です。
窒素固定によって空気中の窒素が生命に利用され、脱窒によって使われた窒素が再び大気へと戻る――。
この繰り返しによって、地球の生態系は何億年もの間、安定して成り立っています。

アクアリウムの中でも、この自然の循環が小さな形で再現されています。
目に見えない微生物たちの働きが、澄んだ水と健康な生体を支えていると考えると、水槽の中にも地球の“縮図”があることを感じられるでしょう。
窒素固定と脱窒の両方を理解することは、美しい水景を長く楽しむための第一歩でもあります。