窒素サイクル
窒素は植物の生育を最も制限しやすい元素の一つである。 炭素と同様に、窒素も独自の生物地球化学的サイクルを持ち、大気圏、岩石圏、水圏を循環している（図5）。 炭素が主に堆積岩に貯蔵されているのとは異なり、窒素の大部分は無機化合物（N2）として大気中に存在する。 窒素は、大気中の体積の約79%を占める主要な大気ガスである。 しかし、植物は気体のままでは窒素を利用できず、アンモニア（NH3）と硝酸塩（NO3-）に変換されて初めて同化することができる。 この還元的なプロセスは窒素固定と呼ばれ、他の分子から電子を拾い上げる化学反応である。 雷によって固定される窒素はごくわずかですが、大気中から採取された窒素のほとんどは、窒素固定細菌やシアノバクテリア（旧名アオコ）によって除去されています。
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ある種の窒素固定細菌はマメ科などの植物と密接（共生）して、植物に必要な窒素を提供します(図6)。 この共生では、細菌は植物の根に生える根粒に包まれており、常在菌が固定した窒素を得ることができる。 シアノバクテリアは、肝藻類、角苔類、ソテツ、少なくとも1種の顕花植物（グネラ）など、さまざまな生命体と同様の関係を築いている。 また、菌類と共生するものは地衣類と呼ばれ、共存している。
nitrogen fixation（左）Encyclopædia Britannica, Inc.(右) photograph, © John Kaprielian, The National Audubon Society Collection/Photo Researchers
他の微生物も窒素循環を推進する重要な仕事をします。 植物はアンモニアと硝酸塩を同化することができますが、土壌中のアンモニアのほとんどは亜硝酸塩（NO2-）に変換され、さらに特定の好気性細菌が硝化という酸化的プロセスを経て硝酸塩に変換されます。 窒素は植物に吸収された後、アミノ酸やタンパク質などの有機物に変換される。 動物が利用できるのは、植物や他の動物を食べて得た有機態窒素のみである。 これらの生物が死ぬと、デトライタなどの特定の微生物が有機窒素のアンモニアへの分解（アンモニア化）に参加し、硝化の過程で使用するアンモニアを常に供給することができる。 大気中の窒素を固定することは窒素循環の重要な一部ですが、アンモニア化と硝化は、有機窒素が大気に戻るのを防ぎ、生物圏で循環し続けるための主要な方法です。
ただし、一部の窒素は、脱窒細菌が酸素を得るために硝酸塩を分解し、気体の窒素を放出して大気に戻っています。 窒素は、侵食、流出、大気中へのアンモニアの揮発、土壌から湖や川への溶出など、他の経路でも陸上環境の植物や土壌から失われています。 最終的には、これらの栄養塩の一部は、河川が海面に流すことで海に到達する。