1. はじめに — 物質循環とは何か？
物質循環（Biogeochemical Cycle）とは、生物・地質・化学的な過程を通じて、元素や化合物が地球上を絶え間なく循環する現象を指します。
水が雲になり雨になる「水循環」と同じように、炭素・窒素・リン・硫黄・鉄などの元素も、海・陸・大気・生物の間を移動し続けています。
この循環は、生態系の生命維持装置ともいえる存在です。もし窒素循環が止まれば農業は成り立たず、炭素循環が乱れれば気候は急変します。
近年では、人間活動による肥料過剰投入や化石燃料燃焼が、この物質循環に大きな影響を与え、気候変動や海洋酸性化、富栄養化などの問題を引き起こしています。
本記事では、主要な物質循環の仕組みと役割、そしてあまり知られていないマイナーな循環までを6つのテーマで解説します。
2. 炭素循環 — 気候を支配する見えない鎖
炭素（C）は、生命の骨格を作る元素であり、地球の気候システムを左右します。
炭素循環は大きく大気・海洋・陸地・地殻の4つの貯蔵庫を行き来します。大気中の二酸化炭素（CO₂）は植物の光合成によって有機物に変換され、動物や分解者の呼吸で再びCO₂として大気に戻ります。
しかし、この循環の速度は部分的に非常に遅く、例えば石灰岩に固定された炭素は数千万年単位でしか移動しません。一方、人間が化石燃料を燃やすことで、その循環速度を急激に変化させています。
マイナーな話題として、ブルーカーボンがあります。これは海草藻場やマングローブ林が大気中のCO₂を吸収し、長期間海底堆積物に固定する現象で、近年の温暖化対策として注目されています。
3. 窒素循環 — 肥料と環境問題の二面性
窒素（N）は、DNAやタンパク質の構成要素として生命に不可欠です。しかし大気中の窒素（N₂）は安定しすぎていて、多くの生物はそのまま利用できません。
窒素循環は、以下のようなプロセスで進みます。
- 窒素固定：根粒菌やシアノバクテリアがN₂をアンモニアに変える
- 硝化：硝化菌がアンモニアを硝酸塩に変える
- 同化：植物が硝酸塩を吸収し有機窒素化合物を作る
- 脱窒：脱窒菌が硝酸塩をN₂に戻す
現代の農業では化学肥料によって窒素固定を人工的に行いますが、過剰な窒素は川や海に流れ込み、富栄養化や赤潮を引き起こします。さらに、農地から発生する一酸化二窒素（N₂O）は強力な温室効果ガスです。
マイナーな視点としては、雷による窒素固定があります。落雷の高温は大気中のN₂を酸化して硝酸を生成し、雨とともに地表に供給します。
4. リン循環 — 生態系の律速因子
リン（P）は、DNA、ATP、細胞膜のリン脂質に含まれる重要元素ですが、大気中には存在せず、主に岩石や鉱物に由来します。
雨や風化によって岩石からリン酸塩が溶け出し、河川や海へ運ばれ、植物や藻類に利用されます。生物が死ぬと分解者によって再びリン酸塩に戻りますが、一部は海底に堆積して数百万年単位でしか循環しません。
リンはしばしば生態系の律速因子となります。淡水湖ではリンが少ないため植物プランクトンの増殖が制限されますが、農地からの肥料流入でリン濃度が上がると一気に富栄養化が進みます。
マイナーな例では、**コウモリの糞（グアノ）**があります。南米や東南アジアの洞窟では、コウモリの糞が長年堆積し、リンを豊富に含む鉱床となります。かつては重要な肥料資源として採掘されていました。
5. 硫黄・鉄・マンガンの循環 — 微生物がつなぐ金属の旅
硫黄（S）の循環は、火山ガスや海洋からの放出、硫酸塩還元菌による還元、光合成硫黄細菌による酸化などが関与します。硫黄はタンパク質中のシステインやメチオニンに含まれ、生命活動に不可欠です。
鉄（Fe）やマンガン（Mn）の循環はあまり知られていませんが、海洋生態系で重要な役割を持ちます。特に鉄は海の植物プランクトンの光合成に不可欠で、南極海など鉄が少ない海域では、鉄の供給が一次生産を制限しています。
マイナーで興味深いのは、鉄酸化細菌やマンガン酸化細菌です。これらの微生物は金属の酸化還元反応からエネルギーを得ており、地下水処理や鉱山の酸性水中でも活動しています。
6. 人間活動と物質循環の未来 — 回復か、加速か
人間は肥料生産、鉱物採掘、化石燃料燃焼などで、物質循環のバランスを大きく変えています。
- 炭素循環 → CO₂濃度増加による温暖化
- 窒素循環 → 富栄養化、N₂O増加
- リン循環 → 湖沼や沿岸の藻類大量発生
- 鉄循環 → 海洋の一次生産への影響
一方で、循環を回復させる試みも進んでいます。ブルーカーボンの保全、窒素除去湿地の再生、リン回収技術（下水処理からのストルバイト回収）、海洋への鉄散布による炭素固定促進などです。
未来の課題は、人間社会の資源利用と自然の物質循環をどう調和させるかです。これは環境保全だけでなく、食料安全保障やエネルギー政策とも直結しています。
おわりに — 足元から始まる循環の物語
物質循環は、地球の生命維持システムであり、私たちの暮らしを支える基盤です。
庭の落ち葉が土に還り、畑の作物を育て、呼吸のCO₂が植物に吸収される…この一連の流れはすべて、何億年も前から続く壮大な循環の一部です。
