炭素窒素比

炭素窒素比（C/N比またはC:N比）は、有機残留物中の炭素質量と窒素質量の比です。この比は、土壌有機物や堆肥などの土壌改良剤を含む堆積物や土壌の分析に使用できます。

堆積物の分析において、C/N 比は古気候研究の指標であり、堆積コアが陸上由来か海洋由来かによって用途が異なります。炭素窒素比は、植物やその他の生物の窒素制限の程度を示します。研究対象の堆積物に含まれる分子が陸上植物由来か藻類由来かを特定できます。^[1]さらに、陸上植物の種類に応じて、異なる陸上植物を区別できます。したがって、C/N 比は堆積性有機物の起源を理解するためのツールとして機能し、地球の歴史のさまざまな時期の生態、気候、海洋循環に関する情報につながります。^[1]

C/N比が4～10:1の範囲にあるものは通常海洋起源ですが、陸生起源のものではこれより高い比率になる傾向があります。^{[2] [3]}陸生起源の維管束植物はC/N比が20を超える傾向があります。 ^{[1] [4]}藻類には(C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _nという化学式を持つセルロースが存在せず、維管束植物よりもタンパク質が多いため、C/N比に大きな違いが生じます。^{[1] [5] [6]}

この比を測定するために使用できる装置の例としては、CHN分析装置と連続フロー同位体比質量分析計（CF-IRMS）があります。^[7]しかし、より実用的な用途では、入手しやすく使いやすい、C/N含有量が既知の一般的な基質を混合することで、目的のC/N比を達成できます。

海洋堆積物に堆積した有機物には、その発生源や、堆積後だけでなく海底に到達する前もどのような過程を経たかを示す重要な指標である炭素と窒素の比率が含まれています。^{[8] [9] [10] [4]}世界の海洋では、表層海藻の炭素と窒素の比率は通常約 4 対 10 です。^[9]しかし、表層海藻で生成されたこの有機物 (藻類) のうち、移動中に細菌によって分解されることなく深海に沈むのはわずか 10% であり、堆積物中に永久に埋もれるのは約 1% に過ぎないことが観察されています。堆積物の続成作用と呼ばれる重要なプロセスにより、深海底に沈んだが永久に埋もれなかった残りの 9% の有機炭素が生み出され、つまり、生成された有機炭素全体の 9%が深海で分解されます。^[11]沈降有機炭素をエネルギー源として利用する微生物群集は、窒素に富む化合物を好みます。これらの細菌の多くは窒素が限られており、炭素よりも窒素をはるかに好むからです。その結果、深海に沈降する有機炭素の炭素と窒素の比は、分解されていない淡水表層有機物と比較して高くなります。水深が深くなるにつれてC/N比が指数関数的に増加することが観察されており、C/N比は約1000メートルの中深度で10に達し、深海（約2500メートルより深い）では最大15に達します^[要出典]。この高いC/N特性は、別の形態の堆積後続成作用によってC/N特性が再び変化するまで堆積物中に保存されます。^[6]堆積後続成作用は、細菌が好気性条件下でエネルギー源として有機物を酸化できる有機炭素の少ない海洋堆積物で発生します。酸化反応は次のように進行します：CH ₂ O + H ₂ O → CO ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻、標準自由エネルギーは-27.4 kJ mol ⁻¹（半反応）。^[11]酸素がすべて使い果たされると、細菌はエネルギー源として無酸素状態の一連の化学反応を実行できます。これらはすべて負の∆G°r値を持ち、反応連鎖が進むにつれて反応は不利になります。^[11]

上で述べたのと同じ原理は、窒素を多く含む有機物が堆積物内で優先的に分解される理由を説明しています。なぜなら、窒素はより不安定で需要が高いからです。この原理は、微生物活動があまり起こっていない、またはC/N比がはるかに高い陸源による汚染を受けていないコアサイトを特定するために古海洋学的研究で利用されてきました。^[12]

最後に、硝酸塩を還元して窒素ガスとアンモニアを生成する第2の還元反応の生成物であるアンモニアは、粘土鉱物の表面に容易に吸着され、細菌から保護されます。これは、堆積後の続成作用を受けている堆積物中の有機炭素のC / Nシグネチャが予想よりも低いことを説明すると提案されています。^[6]

有機物の再鉱化によって生成されるアンモニウムは、ケルト海（深さ：1～30 cm）で発見された粘着性棚海底堆積物内に高濃度（1～14μM）で存在します。堆積物の深さは1mを超えており、C:Nを用いた古陸水学実験を行うのに適した研究場所となります。

海洋堆積物とは異なり、湖沼堆積物では続成作用がC/N比の完全性に大きな脅威を与えることはありません。^{[1] [13]}湖沼周辺の生きている木の木材は堆積物に埋もれた木材よりも一貫して高いC/N比を示していますが、陸上有機物の難分解性のため、元素組成の変化は維管束植物と非維管束植物のシグナルを除去するのに十分ではありません。^{[1] [14] [13]}コアの下流でのC/N比の急激な変化は、有機源物質の変化として解釈できます。

例えば、バミューダのマングローブ湖と日本の湯ノ湖に関する2つの研究では、C/Nが11～18の間で不規則かつ急激に変動していることが示されています。これらの変動は、主に藻類優勢から陸上の維管束植物優勢への移行に起因しています。^{[13] [15]}藻類優勢と維管束植物優勢の急激な変化を示す研究結果から、同位体シグネチャのこれらの明確な期間における湖の状態に関する結論が得られることがよくあります。藻類シグナルが湖を優勢にする時期は深水湖を示唆し、維管束植物シグナルが湖を優勢にする時期は、湖が浅く、乾燥しているか、湿地であることを示唆します。^[13] C/N比を、物理的変動、脂肪酸とアルカンのD/H同位体分析、同様のバイオマーカーのδ13C分析などの他の堆積物観測と組み合わせて使用​​​​すると、より重要な現象を説明するさらなる地域気候の解釈につながる可能性があります。

土壌のような微生物群集では、C:N比はエネルギー源となる食物（炭素）とタンパク質を構成する物質（窒素）のバランスを表す重要な指標です。最適なC:N比は24:1前後で、微生物の活動が活発になります。^{[16] [17]}

土壌の C:N 比は、堆肥、肥料、マルチなどの材料を追加することで変更できます。最適に近い C:N 比の原料はすぐに消費されます。過剰な C は、もともと土壌にあった N を消費させ、植物と栄養素を奪い合います (固定化)。少なくとも一時的には微生物が死ぬまで続きます。一方、過剰な N は通常そのまま残りますが (ミネラル化)、過剰になると浸出による損失が生じる可能性があります。したがって、土壌材料の推奨 C:N 比は 30:1 です。土壌検査を行うことで、土壌自体の C:N 比を知ることができます。^[16]

微生物自体のC:N比は一般的に10:1程度です。^[16]比率が低いほど土壌生産性が高くなります。^[18]

堆肥原料におけるC:N比の役割は土壌原料の場合と同様です。推奨値は20～30:1です。微生物は30～35:1の比率を好みますが^{[4] 、炭素は通常完全に消化されないため（特に}リグニン原料の場合）、比率は低くなります。^[19]

C:N比の不均衡は堆肥化プロセスの減速と温度低下を引き起こします。C:N比が15:1未満の場合、アンモニウムのガス放出が起こり、悪臭が発生し、窒素が失われる可能性があります。^[20]完成した堆肥のC:N比は約10:1です。^[19]

原料のCとN含有量は、一般的に原料の種類を記載した参照表から分かります。記載されている値が乾燥材料のものである場合、水分含有量を差し引くことが重要です。^[19]

栄養分析のある食品の場合、窒素含有量はタンパク質含有量からprot% × 0.16として推定することができ、粗タンパク質の計算を逆にすることができます。^{[21]炭素含有量は}粗灰分含有量（動物飼料で報告されることが多い）^[19]から推定するか、報告された主要栄養素レベルからcarbs% × 0.44 + fat% × 0.86 + prot% × 0.53として推定することができます。^[22]

C:N比とCとNの含有量の1つがわかれば、もう1つの含有量は、その比の定義そのものを使用して計算できます。^[19]比のみがわかっている場合は、両方の値を取得するために、合計C + N％または含有量の1つを推定する必要があります。

混合原料のC:N比は、CとNの量を合計し、その結果を割ることによって計算されます。堆肥の場合、水分も重要な要素です。^[19]

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