窒素の循環

窒素固定（根粒菌・アゾトバクター・クロストリジウム・シアノバクテリア）、硝化（亜硝酸菌・硝酸菌）、窒素同化、脱窒のはたらきと担う生物を区別し、正しい記述を選べる

前提

生態系の構成と栄養段階（高校生物生態と環境（知識））

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生態系と物質の循環（中学理科生物分野の用語と知識）
生態系の構成と栄養段階（高校生物生態と環境（知識））

説明

窒素は、タンパク質・核酸・ATP・クロロフィルなど生物のからだに欠かせない物質に含まれる元素で、炭素と同じように生態系の中を循環します。ただし窒素の形を変えるはたらきの多くは特定の細菌などが担っており、「どのはたらきで、どの物質がどの物質に変わり、それをどの生物が担うか」を正しく対応させることが大切です。この技能では、窒素固定・硝化・窒素同化・脱窒の 4 つのはたらきと、それを担う生物を区別して、記述の正誤を判断できるようになります。

なぜそうしてよいのか

大気の約 8 割は窒素 $N_{2}$ ですが、多くの生物は $N_{2}$ をそのまま利用できません。植物が土壌から吸収して利用できるのは、アンモニウムイオン $N H_{4}^{+}$ や硝酸イオン $N O_{3}^{-}$ のような無機窒素化合物です。そこで、 $N_{2}$ を $N H_{4}^{+}$ に変える「窒素固定」が、生物の世界への窒素の入口になります。窒素固定ができるのは一部の細菌などに限られ、マメ科植物の根に共生する根粒菌、土壌中で単独で生活するアゾトバクターやクロストリジウム、シアノバクテリア（ネンジュモなど）が代表例です。

土壌中の $N H_{4}^{+}$ は、亜硝酸菌によって亜硝酸イオン $N O_{2}^{-}$ に、さらに硝酸菌によって $N O_{3}^{-}$ に酸化されます。これを「硝化」といい、亜硝酸菌と硝酸菌をあわせて硝化菌とよびます。植物は根から $N H_{4}^{+}$ や $N O_{3}^{-}$ を吸収し、 $N O_{3}^{-}$ は体内で $N H_{4}^{+}$ に戻してから、アミノ酸、さらにタンパク質・核酸などの有機窒素化合物をつくります。これが「窒素同化」です。動物は無機窒素化合物から有機窒素化合物をつくれないので、食物として取り込んだ有機窒素化合物を利用します。生物の遺体や排出物に含まれる有機窒素化合物は、分解者によって $N H_{4}^{+}$ に分解され、再び土壌に戻ります。

一方、土壌中の $N O_{3}^{-}$ の一部は、脱窒素細菌によって $N_{2}$ に変えられて大気中へ戻ります。これが「脱窒」で、窒素固定とは逆向きに、生物の世界から大気へ窒素が出ていく出口になります。こうして、窒素は大気 → 土壌 → 生物 → 土壌 → 大気と循環します。

手順

記述が、どの物質からどの物質への変化について述べているかを読み取る
変化をはたらきに対応させる： $N_{2} \to N H_{4}^{+}$ は窒素固定、 $N H_{4}^{+} \to N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ は硝化、無機窒素化合物 → 有機窒素化合物は窒素同化、 $N O_{3}^{-} \to N_{2}$ は脱窒
はたらきと担う生物を対応させる：窒素固定は根粒菌・アゾトバクター・クロストリジウム・シアノバクテリア、硝化は亜硝酸菌（ $N H_{4}^{+} \to N O_{2}^{-}$ ）と硝酸菌（ $N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ ）、窒素同化は植物など、脱窒は脱窒素細菌
記述の中の「物質の変化」「はたらきの名前」「担う生物」の組み合わせが、手順 2・3 の対応と一致するかを確かめて正誤を決める

例題

生態系における窒素の循環についての記述として最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

ア　根粒菌は、土壌中の硝酸イオンを窒素に変えて大気中に放出する。
イ　亜硝酸菌は、亜硝酸イオンを硝酸イオンに変える。
ウ　植物は、大気中の窒素を気孔から取り込み、直接アミノ酸の合成に利用する。
エ　植物は、根から吸収した硝酸イオンやアンモニウムイオンをもとに、タンパク質や核酸などの有機窒素化合物を合成する。

例題の解答

手順 1・2：各選択肢の物質の変化とはたらきを読み取る。
- ア： $N O_{3}^{-} \to N_{2}$ なので脱窒。
- イ： $N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ なので硝化の後半。
- ウ： $N_{2}$ → 有機窒素化合物を植物が直接行うという内容。
- エ：無機窒素化合物 → 有機窒素化合物なので窒素同化。

手順 3・4：担う生物との対応を確かめる。
- ア：脱窒を行うのは脱窒素細菌である。根粒菌は $N_{2} \to N H_{4}^{+}$ の窒素固定を行う。誤り。
- イ： $N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ を行うのは硝酸菌で、亜硝酸菌は $N H_{4}^{+} \to N O_{2}^{-}$ を行う。誤り。
- ウ：植物は大気中の $N_{2}$ を直接利用できず、窒素固定ができるのは根粒菌などの一部の生物に限られる。誤り。
- エ：植物が根から吸収した $N O_{3}^{-}$ や $N H_{4}^{+}$ から有機窒素化合物をつくるのは窒素同化で、正しい。

よって、答えはエである。

答え:

エ

よくある誤り

窒素固定と脱窒を取り違える誤り。正しくは、窒素固定は $N_{2} \to N H_{4}^{+}$ （大気から生物の世界への入口、根粒菌など）、脱窒は $N O_{3}^{-} \to N_{2}$ （大気への出口、脱窒素細菌）である。
亜硝酸菌と硝酸菌のはたらきを逆にしてしまう誤り。正しくは、亜硝酸菌が $N H_{4}^{+} \to N O_{2}^{-}$ 、硝酸菌が $N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ を行い、名前は「つくる物質」を表している。
植物が大気中の $N_{2}$ を直接利用できるとしてしまう誤り。正しくは、植物が利用できるのは $N H_{4}^{+}$ や $N O_{3}^{-}$ などの無機窒素化合物で、マメ科植物も $N_{2}$ を固定しているのは根粒の中の根粒菌である。
動物も無機窒素化合物から窒素同化を行うとしてしまう誤り。正しくは、動物は $N H_{4}^{+}$ や $N O_{3}^{-}$ から有機窒素化合物をつくれず、食物に含まれる有機窒素化合物を取り込んで利用する。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下のア〜エから 1 つ選べ。
大気中には窒素が窒素分子（ $N_{2}$ ）として多量に含まれているが、ほとんどの生物はこれを直接利用できない。一部の細菌などは、大気中の窒素分子をとり入れてアンモニウムイオン（ $NH_{4}^{+}$ ）に変えることができる。このはたらきを（ a ）という。（ a ）を行う生物には、マメ科植物の根に共生する（ b ）などがある。
a b
ア窒素同化根粒菌
イ窒素同化硝酸菌
ウ窒素固定硝酸菌
エ窒素固定根粒菌

	a	b
ア	窒素同化	根粒菌
イ	窒素同化	硝酸菌
ウ	窒素固定	硝酸菌
エ	窒素固定	根粒菌

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

人間の活動と生態系（高校生物生態と環境（知識））
窒素同化と窒素固定（高校生物代謝（知識））
化学合成（高校生物代謝（知識））