窒素固定 / Nitrogen fixation

窒素固定とは、大気中に豊富に存在する気体状の窒素（N_2）を、生物が利用できるアンモニア（NH_3）などの形に変換するプロセスのことだ。大気中の窒素は非常に安定しており、ほとんどの生物はそのままでは利用できないため、この窒素固定は地球上の生命にとって極めて重要な化学反応である。
この重要な役割を担っているのは、主に特定の種類の微生物、特にバクテリアや古細菌だ。これらの微生物は、植物の根に共生する「根粒菌」や、土壌中や水中に単独で生息する「アゾトバクター」「シアノバクテリア（藍藻）」などが知られている。彼らは「ニトロゲナーゼ」という酵素を持っており、この酵素の働きによって、大気中の窒素分子の強力な結合を切断し、アンモニアへと変換する。
植物は、この微生物が固定したアンモニアや、それがさらに土壌中で変化した硝酸塩などを根から吸収し、タンパク質や核酸といった生命活動に不可欠な有機化合物を合成する。そして、その植物を動物が食べることで、窒素は食物連鎖を通じて生物界を循環していくのだ。
人類は、この自然の窒素固定のプロセスを模倣し、工業的に窒素を固定する「ハーバー・ボッシュ法」を開発した。これにより、大量のアンモニアが合成され、それが化学肥料として利用されることで、世界の食料生産を飛躍的に増加させた。しかし、その一方で、過剰な窒素肥料の使用は、河川や海洋の富栄養化といった環境問題を引き起こす原因ともなっている。
このように、窒素固定は、地球の窒素循環の要であり、自然界の生態系を支える根幹であると同時に、人類の食料生産にも深く関わる、非常に重要なプロセスだ。

Nitrogen fixation is the process of converting atmospheric nitrogen gas (N_2), which is abundant in the atmosphere, into forms that can be utilized by living organisms, such as ammonia (NH_3). Atmospheric nitrogen is very stable and cannot be directly used by most living organisms, making nitrogen fixation an extremely crucial chemical reaction for life on Earth.
This vital role is primarily carried out by specific types of microorganisms, particularly bacteria and archaea. Well-known examples include rhizobia, which live symbiotically in plant roots, and free-living soil and aquatic bacteria like Azotobacter and cyanobacteria (blue-green algae). These organisms possess an enzyme called “nitrogenase,” which enables them to break the strong bonds of atmospheric nitrogen molecules and convert them into ammonia.
Plants absorb this microbially fixed ammonia, or nitrates that have been further transformed in the soil, through their roots. They then synthesize essential organic compounds for life, such as proteins and nucleic acids. When animals consume these plants, nitrogen cycles through the biological world via the food chain.
Humans have mimicked this natural nitrogen fixation process by developing the industrial “Haber-Bosch process.” This method has enabled the large-scale synthesis of ammonia, which, when used as chemical fertilizer, has dramatically increased global food production. However, on the other hand, the excessive use of nitrogen fertilizers has also led to environmental problems such as the eutrophication of rivers and oceans.
Thus, nitrogen fixation is a cornerstone of the Earth’s nitrogen cycle, fundamental to supporting natural ecosystems, and simultaneously a very important process deeply involved in human food production.