アンモニア化

アンモニア化

人間とアンモニア化

資源

化学におけるアンモニウム化とは、アンモニアまたはその化合物のいずれか一つで飽和状態と定義される。厳密には、アンモニウム化とは、最終生成物としてアンモニア (NH3) を生成するあらゆる化学反応を指します (またはそのイオン形態であるアンモニウム (NH4+) を生成する場合もあります)。アンモニア化には、さまざまな無機的反応によるものと、微生物や動植物の代謝機能によるものがある。しかし、生態系におけるアンモニア化とは、死んだバイオマスに含まれる有機結合型の窒素（アミノ酸やタンパク質など）が酸化され、アンモニアとアンモニウムになる過程を指す。アンモニア化の生態学的プロセスは、土壌や水中で非常に多様な微生物によって行われ、死んだ有機物の分解中に起こる多くの種類の化学変換の1つである

アンモニウム化は、生態系の窒素循環における重要な構成要素である。窒素循環は、窒素が大気、水、土壌、生物の主要な区画間を循環する複合的な統合プロセスで構成されています。窒素サイクルのさまざまな段階で、この元素はさまざまな有機および無機化合物の間で変換されます。

窒素サイクルのすべての構成要素と同様に、アンモニア化が適切に機能することは、生態系の健全性にとって重要です。アンモニア化が行われないと、窒素の有機形態が大量に蓄積されます。成長する植物は無機態窒素、特にアンモニウムと硝酸塩 (NO3-) を必要とするため、アンモニウム化によって死んだバイオマスの有機態窒素を酸化することは、種と生態系の生産性を維持するために必要です。したがって、窒素は極めて重要な栄養素の一つであり、すべての生物に比較的多量に必要とされる。

しかし、環境が無機窒素を供給できる速度は限られており、通常は植物の代謝要求量に対して小さい。したがって、無機態窒素の利用可能性は、しばしば植物の生産性の制限因子である。これは、陸上および海洋環境、そして、より少ない程度ではあるが、淡水（リン酸塩の供給が通常、主要な制限栄養素であり、次いで硝酸塩である）で生育する植物に特によく見られることである。

植物、動物および微生物の死んだバイオマスには、タンパク質およびアミノ酸などのさまざまな形態の有機結合窒素が大量に含まれている。腐敗のプロセスは、死んだバイオマスの無機成分をリサイクルし、使用不可能な量が大量に蓄積されるのを防ぐ役割を担っている。もちろん、分解は、バクテリア、菌類、放線菌、その他の微生物、そして一部の動物など、多様な微生物の代謝機能によって行われることがほとんどである。アンモニウム化は、より複雑な有機物腐敗のプロセスの特定の側面であり、特に有機窒素のアンモニア (NH3) またはアンモニウム (NH4+) への微生物変換を指す。

アンモニウム化は、事実上すべての生態系の酸化条件下で起こり、死んだ有機物の崩壊に関与するほぼすべての微生物によって実行される。酸素が存在しない嫌気状態と呼ばれる状況では、異なる微生物の腐敗反応が起こり、アミンとして知られる窒素化合物を生成する。

微生物は有機窒素のアンモニウムへの酸化から、代謝的に有用なエネルギーを得ている。さらに、アンモニウムの多くは同化され、微生物の代謝目的のための栄養分として使用される。しかし、通常、微生物が自らの必要量を超える量のアンモニウムを生産した場合、余剰分は周囲の環境（土壌など）に排泄され、植物の栄養素として、あるいは硝化という別の微生物プロセス（下記参照）の基質として利用できるようになる。一方、動物は、窒素を含む液体排泄物（尿など）の中に尿素や尿酸を、糞の中に様々な有機窒素化合物とともに排泄しているのがほとんどである。

アンモニア化反応のうち最も基本的なものは、ウレアーゼという微生物酵素の作用により、単純な有機化合物である尿素（CO(NH2)2）がアンモニアに酸化されることである。 (ただし、尿素が1ユニット酸化されるごとに、2ユニットのアンモニアが生成される)。尿素は、植物が直接取り込むためのアンモニアまたはアンモニウムを供給するため、あるいは硝化（下記参照）を通じて微生物が硝酸塩を生産するための基質として、一般に利用されている農業用肥料である。

アンモニウムは、植物の多くの種、特に酸性土壌および水に生息する植物の窒素吸収源として好適である。しかし、非酸性土壌に生息するほとんどの植物はアンモニウムをあまり効率的に利用できず、窒素の取り込み源として陰イオンである硝酸塩（NO3+）を必要とする。硝酸塩は、一般に硝化と呼ばれる重要な生態学的プロセスにおいて、アンモニウムがバクテリアによって亜硝酸塩に、さらに硝酸塩に酸化されることによって得られます。硝化を行うバクテリアの種類は酸性に極めて弱いため、このプロセスは酸性の土壌や水域ではあまり発生しない。

アンモニウムは正電荷の陽イオンであるため、土壌中の粘土鉱物や有機物の表面で起こるイオン交換反応によって比較的強く保持されます。その結果、アンモニウムは土壌を下方に浸透する水によってあまり効果的に溶出されることはない。これに対し、硝酸塩は土壌水への溶解度が高く、容易に溶出される。

人間とアンモニア化

人間は、特に農業における肥料の使用を通じて、窒素循環に大きな影響を及ぼしている。栄養が制限された条件下で、農家は一般的に土壌窒素の利用可能性を高めようとし、特に硝酸塩として、そしてより少ない程度ではあるがアンモニウムとして、利用可能性を高めようとする。集約的農業システムにおける施肥率は、年間446.2 lb/ac (500 kg/ha)を超えることもある。肥料中の窒素は、硝酸アンモニウム（NO4 NH4）または尿素として添加される。後者の化合物は、無機態窒素、つまり植物が取り込むことのできるアンモニウムと硝酸塩が存在する前にアンモニア化されなければならない。農業システムによっては、コンポストなどの有機物を土壌改良剤および肥料として添加することがある。そのような場合、有機窒素は微生物のアンモニウム化によって利用可能なアンモニウムに変換され、硝酸塩はその後硝化によって生成されることがある。

施肥率が過剰である状況では、生態系の窒素投入を同化する能力が飽和状態になる。アンモニア化によって生成されたアンモニウムは容易に溶出しませんが、硝酸塩は溶出し、これは

KEY TERMS

分解-死んだ生物を構成する複雑な分子を、生物によって再利用される単純な栄養物に分解することです。

富栄養化-水域が徐々に植物栄養素の濃度を高めていく過程で、老朽化した湖や池で起こる自然のプロセス。

溶出-浸透する水とともに土壌中の溶存物質が移動する過程。

Resources

BOOKS

Atlas, R. M., and R. Bartha. 微生物生態学(Microbial Ecology). Menlo Park, CA: Benjamin/Cummings, 1987.

Biondo, Ronald J. Introduction to Plant & Soil Science and Technology.筑波大学出版会. このような状況下で、私たちは、このような「曖昧さ」を克服するために、様々な工夫をしています。土壌の性質と特性. 第13版． Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 2001.

Leadbetter, Jared R., editor. 環境微生物学(Environmental Microbiology)。オランダのアムステルダム、マサチューセッツ州ボストン: Elsevier Academic Press, 2005.

McArthur, J. Vaun. 微生物生態学: 進化論的アプローチ. Amsterdam, Netherlands, and Boston, MA: Elsevier/AP, 2006.

Smil, Vaclay. エンリッチング・ザ・アース. Cambridge, MA: MIT Press, 2001.

Spearks, Donald L. Environmental Soil Chemistry. 第2版: アカデミック・プレス, 2002.

Bill Freedman