共生型窒素固定と非共生型窒素固定の大きな違いは、共生型窒素固定が宿主のパンツと共生関係にある窒素固定バクテリアの働きであるのに対し、非共生型窒素固定は土壌中に自由に生息するバクテリアの働きであることである。

共生型窒素固定と非共生型窒素固定は、細菌が行う生物学的窒素固定法の2種類です。

共生窒素固定とは

共生窒素固定とは、根粒に生息する共生細菌が大気中の窒素を固定することである。

共生細菌は、マメ科の植物、エンドウ、インゲン、アルファルファ、クローバーなどのサヤを持つ植物と互恵的な関係を維持します。

固定化された窒素は、同じ土壌にいる次世代のマメ科植物が利用することができる。

共生細菌はまず根毛に感染し、鞘状の侵襲を形成する。

このとき、細菌がオーキシンを生産することで、近傍の根の細胞の増殖が誘導される。

これが根粒の形成です。

そして、窒素ガスの固定に必要な嫌気状態を維持するために、細菌は酸素を捕捉するメタヘモグロビンを生成する。

ニトロゲナーゼは窒素固定反応に関与する酵素で、N2がアンモニア/NH3に還元される反応の活性化エネルギーを減少させる。

このアンモニアは、その後、アミノ酸などの有機化合物に変化する。

非共生的窒素固定とは？

非共生的窒素固定とは、土壌中に自由に生息する細菌が大気中の窒素を固定することである。

Clostridium pasteurianumは嫌気性細菌の一つで、非共生的窒素固定菌です。

また、大気中の窒素を固定する自由生活型の好気性細菌として、Azotobacter chroococcumがあります。

グラニュロバクターは、大気から直接窒素を得ることができる細菌群です。

熱帯地域では、アゾトバクターとベイジュリンキアが主に窒素固定に関与する細菌種で、多くの作物の生育に必要な栄養分を供給している。

図2: 2種類の窒素固定菌の役割

非共生的な窒素固定は、主にアンモニアの生成と硝化の2つのステップからなる。

アンモニアは、大気中の窒素を還元して生成される。

そして、硝化細菌がアンモニアを亜硝酸塩と硝酸塩に変換するのを助ける。

アンモニアは、ニトロソモナス、ニトロソコッカス、ニトロソスピラによって亜硝酸塩に変換されます。

そして、亜硝酸塩は、ニトロバクター、ニトロスピナ、ニトロコッカス、ニトロスピラによって硝酸塩に変換されます。

共生的窒素固定とは、植物が窒素を固定する代わりに、バクテリアにニッチと固定炭素を提供する相互依存関係の一部を指し、非共生的窒素固定とは、土壌中で好気的または嫌気的に自由に生きている独立栄養細菌群が、植物に依存せずに行う生物的窒素固定の過程を指す。

共生型窒素固定菌は植物と相互依存的な関係で生活し、非共生型窒素固定菌は土の中で自由に生活している。

共生的窒素固定ではアンモニア、アミノ酸、ウレイド、非共生的窒素固定ではアンモニア、亜硝酸塩、硝酸塩が生成される。

共生菌は宿主のために窒素を生産し、非共生菌は土壌中の窒素を利用できるようにする。

窒素固定菌としては、Rhizobium meliloti、Rhizobium trifolii、Rhizobium leguminosarumなどがあり、非共生窒素固定菌としては、Azotobacter属、Beijerinckia属、Granulobacter属などがあります。

共生型窒素固定は、植物と相互依存的な関係にある共生細菌が窒素を固定することであり、非共生型窒素固定は、自由生活している土壌細菌が窒素を固定することである。

共生型窒素固定と非共生型窒素固定の主な違いは、それぞれのプロセスに関与する窒素固定細菌の種類です。