すべてのタンパク質やDNAに存在する窒素原子は、生態系の非生物的な構成要素と生物的な構成要素の間でリサイクルされています。しかし、地球上の窒素の主な形態は窒素ガスであり、ほとんどの動物や植物はこれを利用することができません。そのため、窒素ガスを他の生物に循環させるためには、まず窒素固定菌によって窒素ガスを利用可能な形に変換する必要があります。人間の農業における窒素を含む肥料や動物の排泄物の使用は、自然の窒素サイクルに大きな影響を与えています。

生物学的窒素循環

私たちが吸っている空気の約78%は窒素ガスです。しかし、このN₂という形では、利用できる生物はほとんどいません。窒素は、タンパク質やDNAなど、すべての生物に不可欠な分子を構成しています。大気中の窒素を利用できない多くの生物は、窒素固定原核生物や硝化原核生物の副産物を利用しています。窒素固定は窒素ガス（N₂）をアンモニア（NH₃）に変換し、硝化はNH<₃を亜硝酸塩（NO₂^-）と硝酸塩（NO₃^-）に変換します。植物はアンモニアや硝酸塩を直接利用することができ、植物を食べる生物は植物を摂取することで窒素を得ることができます。これらの生物が死ぬと、土壌中の細菌が有機態窒素をアンモニアに変換する「アンモニア化」というプロセスが発生します。その後、好気性細菌が脱窒を行い、アンモニアを窒素ガスに変えて大気中に放出するというサイクルを繰り返しています。

窒素の吸収源

窒素を長期的に貯蔵する主な貯蔵庫は、大気中の窒素ガスです。しかし、生態系の中には他にも小さな窒素吸収源があります。窒素は、沼地、海洋堆積物、堆積岩などに比較的長期間にわたって固定されています。しかし、窒素化合物は水に非常に溶けやすいため、堆積岩の風化によって窒素が再び生態系に放出される可能性があります。

窒素循環に対する人間の影響

自然環境では植物の成長に窒素が制限要因となることが多いため、農家は農作物の収穫量を増やすために窒素を肥料として土壌に添加しています。農作物が水生生態系に流出すると、富栄養化や有毒な藻類の不自然な急成長を引き起こします。また、大量の家畜を飼育すると、土壌や地域の水源に含まれる硝酸性廃棄物の量が増加します。