植物が窒素同化作用の材料として利用できる窒素源は,無機窒素化合物と分子状窒素(N2)の2群になる。自然界にもっとも多い窒素源は,空気の4/5を占めているN2であるが,これを利用できる植物はきわめて少ない。大部分の植物は,土壌中のアンモニウム(NH4+)塩,硝酸(NO3−)塩などの無機窒素化合物を利用する。高等植物では,一般にNO3−がよく利用されるが,土壌のpHが変化すると,NH4+がよく利用される。土壌中のNH4+は,動植物の遺体や排出物の分解によってもたらされ,NH4+はさらに硝化菌の働きによって,NO2−からNO3−に変えられる。すべての生物の有機窒素化合物の母体はアミノ酸である。アミノ酸のアミノ基(-NH2)はNH4+からつくられる。吸収された窒素源がNH4+の場合は,直ちにアミノ酸合成に利用されるが,NO3−の場合は,硝化作用とは逆の反応が起こって,NH4+に変えられてから利用される。アミノ酸の素材になる有機酸は,呼吸の解糖系やクエン酸回路で生じるピルビン酸,α-ケトグルタル酸,オキサロ酢酸などである。NH4+は,グルタミン合成酵素の働きで,アミノ酸の1つであるグルタミン酸と結合してグルタミンに同化される。次に,グルタミン酸,アスパラギン酸などのアミノ酸ができる。固定は,人工的には,N2とH2を化合させてNH3にするハーバー法と,カルシウムカーバイドとN2を化合させて,カルシウムシアナミドCaCN2とし,その後NH3にするカルシウムシアナミド法がある。天然においても雷の放電や紫外線の光化学作用によって,N2はO2と化合して,各種の窒素化合物(NOやNO2など)となり,これが雨水によって硝酸(HNO3)となる。以上のほかに,生物的窒素固定があり,この結果生成する窒素化合物は,地球上の土地を肥沃にする。この窒素固定の働きをもつ生物は,次にあげる微生物に限られている。高等植物と共生する窒素固定菌としてもっとも代表的なものは,マメ科植物の根に共生する根粒菌で,そのほか,グミやハンノキなどの根に共生する放線菌も知られている。マメ科植物は野外や校庭に多いので,授業前に掘り取って水洗し,根粒を生徒に見せるとよい。根粒の形は,種類によって形態を異にしている。根粒の薄片をつくり,組織内の細胞を高倍率で観察させてもよい。根粒菌は,試験管培地上に分離培養できるが,その状態では,空中窒素の固定を行わない。根粒内においてのみ,窒素固定が可能である。根粒菌と同じく土壌中の細菌であるが,共生はしない。有機化合物を分解して得られるエネルギーを利用して,空中窒素を還元し,窒素化合物を合成している。クロストリジウムは嫌気性であるが,アゾトバクターは好気性のため酸素を多量に吸収し,窒素固定力が大きい。インド地方で無肥料でイネの水田栽培をするとき,ラン藻が生育すると米の収穫が多くなることが知られる。これにヒントを得てラン藻を純粋培養して調べた結果,空中窒素固定の働きがあることがわかった。ラン藻の中でよく知られているものに,ネンジュモがある。本サイトに掲載された記事や画像の無断転載を禁じます。