
細菌類や菌類などが、死んだ動植物や排泄物などを分解した際に、アンモニウムイオンや硝酸イオンなどができる。
植物が、NO3-やNH4+など、窒素 N をふくんだ物質を吸収することを窒素同化(ちっそどうか)という。
アンモニウムイオンが亜硝酸菌(あしょうかきん)などの細菌の働きにより亜硝酸イオンに変わり、亜硝酸イオンから硝酸菌(しょうさんきん)などの働きにより硝酸イオンに変わる。
亜硝酸菌や硝酸菌など、硝化に関係した細菌を硝化菌(しょうかきん)という。
大気中にも窒素があるが、植物は直接には利用できない。微生物の中に、空気中の窒素を取り込むことができる生物もいる。マメ科植物の根に住む根粒菌(こんりゅうきん、Rhizobium)が、空気中の窒素を取り込むことができるこのような微生物が大気中の窒素を取り込む事を窒素固定(ちっそこてい、nitrogen fixation)という。ダイズの根に、根粒菌が住み着き、その結果、根にコブ状のものが、できる。ゲンゲの根にも根粒菌が住み着く。
窒素固定ができる生物には、ネンジュモなどのシアノバクテリア類(ラン藻類)、アゾトバクター、根粒菌などがある。
窒素固定のできる細菌を窒素固定細菌(nitrogen fixation bacteria)という。
窒素の分子 N2 (「エヌツー」と読む)は、すごく安定な分子である。窒素分子の結合では、三重結合(さんじゅうけつごう)をしているので、結合力が強いからである。三重結合について説明する。まず化学の周期表を見ると、窒素原子は左から4番目の周期表15族にある。窒素に限らず周期表15族の原子の電子軌道(これを価電子(かでんし)という)では、15族の一番外側の軌道には、電子が5つある。
ふつうの分子は、他の原子と結合して電子が補われて、最外軌道の電子数が周期表18族と同じ状態になると、ふつうの分子は安定する。このような状態を閉殻(へいかく)という。
たとえば炭素原子Cの場合、ほかの原子と最大4つまで結合できる。(たとえばメタンCH4 )
窒素原子Nの場合、ほかの原子と最大3つまで結合できる(たとえばアンモニアNH3 )。窒素原子どうしの結合 N2では、この3つの結合までの力を、すべて相手の一個の原子につかっているので、とても強力な結合になっている。
多くの原子では周期表18族の価電子数は8個である。ただしヘリウムは価電子が2個である。18族の原子は、原子のままで安定しているので、分子にならない。そのため、常温でも18族原子は気体であるので、18族原子を希ガス原子(きガスげんし)ともいう。
窒素の場合、価電子は5つであり、周期表18族に不足しており、なので窒素分氏を反応させ別の原子と結合させるためには、多くのエネルギーが必要である。窒素固定細菌は酵素の働きによって、無機的に反応させるよりかは少ないエネルギーで反応させるが、それでも多くのエネルギーが必要であり、窒素固定細菌はATPを大量に消費している。
われわれ人間の呼吸では、おもにグルコース(C6H12O6)などの炭水化物を分解して、生命活動に必要なエネルギーを取り出している。このグルコースの分解反応で酸素が必要なため、人間は呼吸で酸素を取り入れている。呼吸によるグルコースの分解で、グルコースに蓄えられていたエネルギーを取り出しており、さまざまな生態活動のエネルギーになっている。
なお、呼吸におけるグルコースのように、呼吸につかわれてエネルギーを取り出す元になっている物質を呼吸基質(こきゅう きしつ)という。
人間や魚類の呼吸は、細胞での酸素を用いる呼吸のためであり、このときの細胞での酸素を用いた呼吸を好気呼吸(こうきこきゅう)という。細胞での好気呼吸によるグルコースの分解は、おもにミトコンドリアで行われている。
そのため、ミトコンドリアを持たない微生物では、呼吸の仕組みが、人間や魚類などとは違っている。
微生物には、酸素を用いないで呼吸を行うものもあり、このような無酸素の呼吸を嫌気呼吸(けんきこきゅう)という。
まずは、好気呼吸について整理しよう。
われわれ人間の肺呼吸は、細胞での好気呼吸のために、酸素を身体各部の細胞に血管などを用いて送り込んでいるのである。魚類の「えら呼吸」も、酸素を細胞に送り込んでいるので、細胞での好気呼吸のためである。植物の呼吸もしており酸素を取り入れており、植物の呼吸は好気呼吸である。