窒素固定と硝化の大きな違いは、窒素固定が窒素ガス（N2）を窒素含有物質に変換するのに対し、硝化はアンモニウムイオン（NH4+）を亜硝酸塩（NO2-）と硝酸塩（NO3-）に変換することである。
さらに、窒素固定は大気、工業、生物学的プロセスによって行われるのに対し、硝化は土壌に生息するバクテリアなどの硝化細菌によって行われる。
さらに、窒素循環において、窒素固定は大気中の窒素をアンモニウムイオンに固定する最初のステップであり、硝化はアンモニウムイオンが亜硝酸塩に変換される次のステップです。
窒素固定と硝化は、窒素循環の2つのプロセスです。
主な対象分野
- 窒素固定とは
– 定義、プロセス、重要性 - 硝化とは何か
– 定義、プロセス、重要性 - 窒素固定と硝化の類似点とは？
– 共通点の概要 - 窒素固定と硝化の違いとは？
– 主な違いの比較
この記事の重要な単語
アンモニウムイオン、大気中窒素、硝酸塩、亜硝酸塩、硝化、窒素固定化
窒素固定とは？
窒素固定は、窒素循環の最初のステップで、大気中の窒素をアンモニウムイオンに変換することです。
一般に、地球上の大気の80%には窒素ガスが含まれている。
それでも、一次生産者は大気中の窒素を同化できないため、窒素は一次生産者にとって制限的な栄養因子となっている。
そこで、大気中の窒素を一次生産者が吸収しやすい窒素物質に変換するのが、窒素循環の役割です。
図1: 窒素サイクル
さらに、窒素循環では、共生生物だけでなく、自由生物も窒素を固定化する。
これらの窒素固定生物には、ニトロゲナーゼという同じ酵素複合体を持つという共通点があります。
また、この酵素複合体は、窒素ガスをアンモニア（NH3）に還元することを触媒している。
さらに、好気性である自由生活型の窒素固定細菌の例としては、Pseudomonas、Azotobacter、Methylomonas、Alcaligenes、およびThiobacillusを挙げることができる。
また、窒素を固定する好気性の自由生活型シアノバクテリアとして、Nostoc、Anabaenaがあります。
一方、窒素を固定する自由生活型の嫌気性生物としては、Methanosarcina、Methanococcus、Charomatium、Chlorobium、Desulfovibrio、およびClostridiumが挙げられる。
また、マメ科植物の根粒に生息し、窒素を固定する共生細菌として、RhizobiumとFrankiaがあります。
窒素循環は生物学的な窒素固定プロセスですが、産業界ではハーバーボッシュ法が窒素固定法として用いられています。
また、窒素の大気固定は、雷の巨大なエネルギーで窒素分子を壊し、その原子を酸素と結合させて窒素酸化物を形成する第3の窒素固定法です。
しかし、この窒素酸化物は雨に溶けて硝酸塩となり、地上に運ばれてくる。
硝化とは
硝化とは、窒素循環の第2段階であり、アンモニウムイオンを亜硝酸塩と硝酸塩に変換することである。
重要なのは、細菌が硝化を行うことである。
しかし、このプロセスは、異なる細菌によって行われる2つの結果的なサブステップで発生する。
第一のステップはアンモニアを亜硝酸塩に変換するステップで、第二のステップは亜硝酸塩を硝酸塩に変換するステップです。
ここで、第1段階はアンモニアを酸化して亜硝酸塩にすることである。
また、Nitrosomonas、Nitrosospira、Nitrosococcusなどの好気性アンモニア酸化細菌は、この第1サブステップを実行する。
アンモニアモノオキシゲナーゼがアンモニアをヒドロキシルアミンに変換し、ヒドロキシルアミンオキシドレダクターゼという酵素の働きで亜硝酸塩に変換されるのが最たるものです。
さらに、2番目のサブステップでは、亜硝酸塩が硝酸塩に酸化される。
このステップも、ニトロスピラ、ニトロバクター、ニトロコッカス、ニトロスピナといった別の窒素酸化細菌群が担っている。
また、亜硝酸塩を硝酸塩に酸化する酵素は亜硝酸酸化還元酵素です。
アンモニア酸化酵素と亜硝酸酸化酵素は、土壌、河口、湖沼、外洋などの好気的環境において普遍的に存在する。
また、排水処理施設では、有害なアンモニウムを除去する重要な役割を担っている。
一方、アンモニアを酸化するアーキアは、海、土壌、塩湿地などに多く生息している。
アンモニア酸化古細菌のひとつに、ニトロソプミルス・マリチムス（Nitrosopumilus maritimus）があり、純粋培養で育てられている。
窒素固定と硝化の類似点
- 窒素固定と硝化は、窒素循環の2つのステップです。
- 大気中の窒素を生物が利用できる物質に変換する役割を担っている。
- 土壌細菌はこの2つのプロセスを経る。
窒素固定と硝化の違い
定義
窒素固定とは、窒素循環のうち、特にある種の微生物が大気中の窒素を有機化合物に同化させる化学的過程を指す。
一方、硝化とは、アンモニアやアンモニウムを生物学的に酸化して亜硝酸にし、その亜硝酸を酸化して硝酸にすることを指す。
意義
窒素固定は窒素ガスをアンモニアに変換することであり、硝化はアンモニウムを亜硝酸塩と硝酸塩に変換することである。
プロセスの種類
窒素固定は大気、工業、生物学的プロセスによって行われ、硝化は土壌に生息するバクテリアと他の硝化バクテリアによって行われる。
窒素循環の中で
窒素固定は大気中の窒素をアンモニウムイオンに固定する最初のステップで、硝化はアンモニウムイオンを亜硝酸塩に変える次のステップです。
微生物
窒素固定はシアノバクテリアや根粒菌などの窒素固定細菌が、硝化はニトロソモナスやニトロバクターなどの硝化細菌が担っています。
結論
窒素固定とは、大気中の窒素を植物が取り込める窒素物質に変換することである。
したがって、窒素循環の中で、大気中の窒素はアンモニウムイオンに変換される。
また、シアノバクテリアなどの土壌細菌、根粒菌などの根粒の共生細菌が窒素固定を行う。
一方、硝化は窒素循環の第2段階であり、アンモニウムイオンを亜硝酸塩と硝酸塩に変換する。
また、硝化を担う硝化細菌には、ニトロソモナスとニトロバクターの2種類があります。
したがって、窒素固定と硝化の主な違いは、変換の種類とプロセスに関与する微生物の種類です。
