環境応用化学演習Ⅱ（第14週） 物質循環化学 問1 発酵と呼吸の本質的な違いを説明し、呼吸の例を挙げてみよ。 ★資5-1、図3、表1、図4、5等を参照のこと ATP生成機構が異なる。 発酵：ATP生成に基質が直接関与する（「基質レベルでのAPT生成」）。 基質＝有機物（電子供与体）を有機物（電子受容体）で酸化する。 呼吸：基質から得た高エネルギー電子（e-）を電子伝達系（＝チトクロム系 または呼吸鎖）で受け渡す過程でATPが生成される。 最終的なe-（H+）の受け入れ先（＝電子受容体）によって、呼吸の 種類が異なる。 好気呼吸：O2 嫌気呼吸：NO3-、SO42-、CO2等 問2 光合成の明反応・暗反応とは何かを説明し、呼吸との共通点 と相違点を整理せよ。また、非光合成的炭酸固定との共通点と相 違点を整理せよ。 ★資6-1、図7、図8を参照のこと 明反応：光エネルギーを吸収し、水等の電子供与体を酸化（＝脱水素）して 還元力を得る過程←光が必須 暗反応：明反応で得た還元力を用いてCO2を有機物［CH2O］nに還元する 過程←暗くても進行 呼吸との共通点・・・ATP生成が電子伝達系で行われる点。 相違点・・・光利用システム（明反応）の有無と電子供与体の違い。 呼吸では電子供与体は主に有機物（一部無機物）で 酸化されてエネルギーを放出する。 光合成ではこれが水・硫化水素等で、[H+]（e-）源として だけ使われ、エネルギーではない（エネルギー源は光）。 問2 光合成の明反応・暗反応とは何かを説明し、呼吸との共通点 と相違点を説明せよ。また、非光合成的炭酸固定との共通点と相 違点を整理せよ。 非光合成的炭酸固定との相違点・・・光合成の明反応の部分を化学反応 （NO2-、Fe2+、S等の酸化）で行う点。 共通点・・・暗反応部分は光合成と同じ。 問3 独立栄養と従属栄養の違いを説明し、それぞれの例を挙げよ。 地球上の物質循環への寄与が大きいのはどちらのタイプの生物か？ それは何故か？ 独立栄養：CO2から有機物を合成でき、無機物のみで生育できる。 従属栄養：CO2から有機物を合成できず、有機物を栄養として必要とする。 どちらがいなくなっても物質循環（特にC/O循環）が滞るので重要度に差 はない。ただし、物質循環のスタートは光合成・非光合成的炭酸固定であ り、これがなければ従属栄養生物は生きられないこと、C/Oだけでなく、 N、P、S等の循環にも独立栄養生物の寄与が大きいので、独立栄養生物 の方が寄与が大きいと判断される。 問4 次のケースは、栄養形式で分類すると何に相当するか？ a)肉を食べ、空気で呼吸する動物（ヒトなど） b)空気を吹き込んで水中有機物を活性汚泥処理 c)鉄を空気酸化し、無機物だけで生育する鉄酸化細菌 d)沼地で有機物をSO42-で酸化して生きる硫酸還元菌 a) 従属栄養、好気呼吸 b) a)と同じ c) 独立栄養、好気呼吸 d) 従属栄養、嫌気呼吸 本質的に同じである 問5 酸化還元電位（EhまたはE0’）が、エネルギー代謝（細胞内の 現象）の計算にも、また環境指標（嫌気度の指標）にも使えるのは 何故か？本質を簡単に説明せよ。 Eh（E0’）は還元力の強さ（＝電子を放出する程度・強さ）の指標である。 好気的＝酸化的、嫌気的＝還元的であり、電子の移動は常に還元側（高 エネルギー）→酸化側（低エネルギー）なので、ORPの大小は嫌気度の指 標に使え、また細胞内のhalf cellのE0 ’の差から得られるエネルギーの 大きさがわかるので、異質な両者に適用できる。 還元的／嫌気的／高エネルギー － Eh（E0’） ＋ e－ 電流 酸化的／好気的／低エネルギー 問6 次のhalf cellを組み合わせると、電流はどちら向きに、何Vの 起電力で流れるか？ただし、標準状態を仮定せよ。 ピルビン酸：乳酸、NAD+：NADH （標準酸化還元電位のデータは、授業資料を参照のこと） ＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ＝－0.32V e－ 電流 ピルビン酸／乳酸＝－0.19V E0’のマイナスの大きい方から小さい方にe-が流れ、起電力は両方の 差なので、0.32－0.19＝0.13V 電源の向きはe-と逆なので、ピルビン酸 → NAD+ 問7 光活性化反応開始点のE0’＝-0.60V、終点がチトクロムC1と すると、光合成で得られる標準自由エネルギー変化ΔG0は、いくら になるか計算せよ。（1電子対＝2e-が移動する時の自由エネル ギー変化を求める）。 はじめ 光活性化→－0.60V e－ チトクロムC1→＋0.23V ΔE0’ おわり ΔG0＝-2×23.062×｛+0.23－（－0.60）｝ ＝－38.3kcal/mol ＊96500はクーロン(c)単位でカロリー計算の時は23.062kcal／mol・voltを使う （Jへの換算は1cal＝4.18J） 問8 地球上の窒素循環で主な特徴を３つ挙げて説明せよ。 １） Nは化学結合が多様に変化するため、C（O）より変化過程が複雑 2) 大半が生物活動の代謝作用（同化、異化）により変化（＝化学的変換）する 例：N固定・硝化・脱窒、アミノ酸合成→タンパク質合成→NH3+への分解 ３） 人工的N固定量が生物的N固定量に匹敵ないし上回るようになりつつあり、 人間活動の寄与が無視できないほど大きいこと ４） N固定・硝化・脱窒等はO2濃度、有機物の有無、pH等種々の環境条件の 影響を受け、相互に複雑に関連すること 例：pHにより硝化か脱窒かが決まることがある また両者を同時に進める微生物さえ存在する 問9 硝化と脱窒に関与する微生物・反応について、相互の関係 を整理して述べよ（図解可）。 基本的には上の図。 問9 硝化と脱窒に関与する微生物・反応について、相互の関係 を整理して述べよ（図解可）。 アンモニア酸化（硝化）NH3→NO2-→NO3-を行う微生物は主に独立栄養。一部 従属栄養。 脱窒は NO3-→NO2-→N2O→N2 の2種類あり。 異化型（エネルギーを得るための酸化剤として NO3-、NO2-を使用し、N2として捨てる） NH3 同化型（栄養源としてNを取り込む） N固定はバクテリア（原核生物）が行い、植物（真核生物）は共生の場を提供す る役割。 問10 生物的窒素固定の特徴を、人工的窒素固定（ハーバー・ ボッシュ法）と比較して整理せよ。これを可能とするために、窒素固 定能を持つ生物はどんなメカニズムを用いているか？ ハーバー・ボッシュ法 ： 高温・高圧でN2、H2ガスから触媒を用いてNH3を一段階 合成 生物的N固定 ： 常温・常圧でN2を使うが、H2ガスは使わず他の有機物 等から［H］を供給する。 酵素（ニトロゲナーゼ）を用い、複雑な多段階反応で NH3を生成する。 メカニズム：ニトロゲナーゼはO2に弱いので、嫌気的雰囲気を作る仕組みが 必要。また[H]を供給するメカニズムも必要。 （1月27日の授業で解説） 問11 イネやムギその他の作物に、遺伝子操作で窒素固定能を 付加することが可能となった場合の、利害得失について考察せよ。 特に、環境影響はどうなるか？ ★資12-3を参照のこと 利点： N肥料の投入が不要になる（省エネ・省コスト） 作物の収量が増大（→CO2固定量増大） 欠点：生態系にNH3（NH4+）を大量投与したのと同じなので、生態系内の N循環量が増大する →富栄養化（水系）が進行しやすい。 硝化・脱窒がスムーズに進まないとNO2-蓄積などが生じやすい N2O発生量が増加する可能性大（温暖化係数が大きい） 問12 生元素としてのリンの特異性について説明し、地球上の リンの循環の概略を説明せよ。 リンの特異性：生物に必須で、人体では6番目に多い元素である。 核酸（遺伝情報物質）、ATP等（エネルギー物質） 細胞膜（リン脂質）、骨（リン＋Ca） いずれもリンを含む 自然界で生物の利用可能なリン（主に水中のPO43-）濃度は極めて低い。 すなわち、自然界は常にリン不足の状態にあり、リンの供給可能量が生物 の存在量を制限することが多い。 問12 生元素としてのリンの特異性について説明し、地球上の リンの循環の概略を説明せよ。 リン循環の概略：下図参照。大半が生物作用によって進行する。
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