植物のミカタ

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水田では、酸素不足のため土壌が還元状態になりやすく、硫化水素が発生しやすくなります。土壌中の物質は、還元されやすい順に、硝酸イオン、マンガン、鉄、硫酸イオン、二酸化炭素と還元されます。 鉄は硫酸イオンより還元されやすいので、鉄が存在すれば硫化水素の発生は抑えられます。つまり、土壌に鉄を供給したり、鉄の酸化還元をコントロールすることが重要になります。 土壌の物理性を改善することで、硫化水素やメタンの発生を抑制できる可能性があり、そのメカニズムについて、今後の記事で解説していく予定です。

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ネギの連作障害解消のために稲作を挟む方法の効果が疑問視されています。原因は、家畜糞の多用などで土壌が老朽化し、ガス発生が問題となっている可能性があります。解決策として、稲作前に腐葉土を鋤き込み、土壌の物理性を改善することが有効と考えられます。物理性改善は稲作中でも可能であり、土壌環境の改善に役立ちます。ただし、稲作に悪影響が出ないように、時期に注意する必要があります。

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イネは吸収した窒素をアミノ酸やタンパク質合成に利用し、成長を促進する。窒素の吸収形態はアンモニウムイオンと硝酸イオンで、吸収後の利用経路は異なる。アンモニウムイオンは根で直接アミノ酸に変換される一方、硝酸イオンは根や葉で還元されてからアミノ酸に変換される。窒素過剰はタンパク質合成の亢進や葉緑素の増加をもたらし、葉色が濃くなる。しかし、過剰な窒素は倒伏や病害虫発生のリスクを高めるため、適切な窒素管理が重要となる。イネの窒素利用効率を高める研究も進められており、環境負荷軽減と安定生産に貢献が期待される。

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家畜糞堆肥による土作りは、土壌の硝酸態窒素濃度を高め、作物の生育に悪影響を与える。高濃度の硝酸態窒素は根の成長を阻害し、土壌のヒビ割れを引き起こし、根へのガス障害も発生しやすい。結果として、作物は亜鉛などの微量要素を吸収できず、硝酸イオン濃度が高い葉を形成する。このような野菜は栄養価が低く、健康効果は期待できないばかりか、高濃度の硝酸イオンと不足する抗酸化物質により、健康を害する可能性もある。葉のビタミンCが硝酸イオンの影響を相殺するという意見もあるが、酸化ストレスの高い環境ではビタミンCも期待できない。適切な施肥設計で硝酸イオン濃度を抑制し、健康的な野菜を育てることが重要である。

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硝酸イオンを過剰に含む野菜は、人体への影響が懸念される。硝酸イオンは唾液中で亜硝酸イオンに変換され、これが体内でアミンと反応しニトロソ化合物を生成する。ニトロソ化合物の一部は発がん性を持つ。アミンはアミノ酸から生成され、タンパク質摂取により体内に存在する。胃の低pH環境がニトロソ化合物生成を促進する。硝酸イオン過剰摂取によるニトロソ化合物増加量は不明だが、リスク軽減のため葉色の薄い野菜を選ぶのが望ましい。これは栽培者の利益にも繋がり、社会全体の健康増進に貢献する。

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硝酸イオンの過剰摂取は健康に悪影響を与える可能性があります。植物は光合成にマンガンを必要とし、マンガン不足になると硝酸イオンが葉に蓄積されます。人間がこれを摂取すると、体内で硝酸イオンが亜硝酸イオンに変換され、さらに胃酸と反応して一酸化窒素が生成されます。一酸化窒素は少量であれば血管拡張作用など有益ですが、過剰になると炎症悪化や発がん性も示します。したがって、硝酸イオンを多く含む野菜の摂取は控えるべきです。タンパク質が豊富で硝酸イオンが少ない野菜を選ぶことで、必要な一酸化窒素は摂取できます。

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葉の色が濃い野菜は硝酸態窒素濃度が高く、秀品率が低下する。牛糞堆肥中心から植物性堆肥に変えることで、ミズナの葉の色は薄くなり、秀品率は向上した。硝酸態窒素は植物体内でアミノ酸合成に利用されるが、その過程はフィレドキシンを必要とし、光合成と関連する。硝酸態窒素過多はビタミンC合成を阻害し、光合成効率を低下させる。また、発根量が減り、他の栄養素吸収も阻害される。結果として、病害抵抗性も低下する。葉の色は植物の健康状態を示す重要な指標であり、硝酸態窒素過多による弊害を避けるため、植物性堆肥の利用が推奨される。

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地球温暖化による台風被害増加への懸念から、温室効果ガス削減の必要性を訴える。二酸化炭素の300倍の温室効果を持つ一酸化二窒素に着目し、その排出源を考察。一酸化二窒素は土壌中の微生物の脱窒作用で発生し、窒素系肥料の使用増加が排出量増加につながると指摘。特に高ECの家畜糞堆肥の使用は土壌の硝酸呼吸を活発化させ、一酸化二窒素排出を促進する可能性が高いと推測。慣習的な家畜糞堆肥による土作りは、土壌の物理性・化学性を悪化させ、地球温暖化、ひいては台風被害の増加に寄与する恐れがあり、環境問題の観点から問題視している。

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土壌中の硝酸態窒素は、脱窒作用により窒素ガスとなって大気中に放出される。脱窒菌が硝酸イオンを窒素ガスに変換するこの過程で、肥料成分としての窒素が失われる。土壌中の窒素は、タンパク質分解から硝化、還元、そして脱窒へと複雑な変化を遂げるため、安定した測定が困難となる。基肥の効果をNPKベクトルで評価する際、この窒素の不安定性が課題となる。変動する窒素量を包括的に捉える指標が必要とされている。

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肥料の窒素は、植物によって吸収される形態が異なります。畑の作物は主に硝酸イオン（NO₃⁻）の形で窒素を吸収します。土壌中のアンモニウムイオン（NH₄⁺）は、微生物による硝化作用で硝酸イオンに変換されます。しかし、嫌気条件下では脱窒が起こり、窒素ガスが発生したり、亜硝酸がアンモニアに還元されます。一方、水田の稲はアンモニウムイオンの形で窒素を吸収します。近年、畑作物もペプチドやアミノ酸などの有機態窒素を吸収できることがわかってきました。大豆油粕や魚粕などは、こうした有機態窒素を含んでいます。

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メトヘモグロビン血症（ブルーベビー症候群）は、硝酸態窒素の過剰摂取で乳幼児が酸欠状態になる症状です。通常、ヘモグロビン中の二価鉄が酸素を運搬しますが、硝酸態窒素が亜硝酸に変化し、この鉄を酸化して三価鉄に変えてしまいます。三価鉄を含むメトヘモグロビンは酸素を運べないため、増加すると酸欠を引き起こします。野菜にも硝酸態窒素は含まれますが、重篤な状態になることは稀です。しかし、ヘモグロビンの変化による酸素運搬ロスは無視できないため、硝酸態窒素の過剰摂取は避けるべきです。

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完熟発酵鶏糞は火薬臭がすると言われるが、これは火薬の成分である硝酸カリウム（硝石）が含まれるため。硝石は酸化剤として働き、飼料由来のカリウムと反応して生成されると考えられる。ただし、鶏糞全体が硝石ではなく、腐植や炭酸塩なども含まれる。発酵は一次から四次まであり、一次で尿酸がアンモニアに分解、二次〜三次で硝化と糞の分解、四次で熟成する。市販の鶏糞肥料は二次発酵終了時点で販売されることが多く、アンモニア濃度が高い場合があるので、購入時には出所や発酵段階を確認することが重要。

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アンモニア酸化細菌がアンモニアを亜硝酸に酸化し、さらに亜硝酸酸化細菌が亜硝酸を硝酸に酸化する一連の反応を硝化作用という。生物は物質を酸化し電子を得ることでエネルギーを産生する。アンモニア酸化でも細菌は電子を得て活動しており、有機物の分解によるエネルギー産生は酸化的リン酸化と呼ばれる。生物は電子を欲しがるため、還元されたアンモニアは誰が作ったのかという疑問が生じる。

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アンモニア臭の消臭方法として、酸化に着目。プロピオン酸のように塩にするのではなく、アンモニア酸化細菌の反応を参考に、アンモニアを酸化することで硝酸に変える方法を検討。アンモニアは酸化によってヒドロキシルアミン、さらに亜硝酸へと変化する。この過程で電子が放出されるため、酸化反応が成立。アンモニアが別の物質に変化することで臭いも軽減される。結論として、悪臭物質を酸素に晒すと酸化によって臭いが消える可能性がある。