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硝酸塩は化学式NO 3 −で表される多原子イオンです。このイオンを含む塩は硝酸塩と呼ばれます。硝酸塩は肥料や爆発物の一般的な成分です。[ 1 ]ほとんどすべての無機硝酸塩は水に溶けます。不溶性（無機）硝酸塩の例としては、オキシ硝酸ビスマスがあります。
自然界では、硝酸塩は、アンモニアや尿素を窒素源および自由エネルギー源として利用して、自然環境中の多くの硝化細菌によって生成されます。火薬用の硝酸塩化合物は、歴史的には、鉱物硝酸塩源がない場合、尿や糞便を用いたさまざまな発酵プロセスによって製造されていました。現代の硝酸塩生産は、主に肥料や、医薬品合成、セラミック、食肉保存などのさまざまな用途向けの化学製品の製造に重点が置かれています。毎年、世界中で約1億9500万トンの合成窒素肥料が使用されており、硝酸塩はそのかなりの部分を占めています。[ 2 ]
硝酸塩は水溶性で降雨によって土壌から容易に流されるため、農業での過剰な使用は栄養流出、水質汚染、水生生物のデッドゾーンの増加と関連付けられています。硝酸塩への直接的な曝露は、健康に直接的な影響を及ぼす可能性があります。加工肉に含まれる硝酸塩の過剰摂取は、腸がんと関連付けられています。[ 3 ]
硝酸アニオンは硝酸の共役塩基であり、中心の窒素原子1個が、同一に結合した酸素原子3個に囲まれた三角平面構造をしています。[ 4 ]硝酸イオンの形式電荷は-1です。[ 5 ]この電荷は、3つの酸素原子それぞれが-2/3の電荷を持ち、窒素原子が+1の電荷を持つという形式電荷の組み合わせによって生じ、これらを合計すると多原子硝酸イオンの形式電荷になります。この構造は共鳴の例としてよく用いられます。等電子の炭酸イオンと同様に、硝酸イオンは3つの共鳴構造で表すことができます。
NO 3 −アニオンでは、中心の窒素原子の酸化状態は V (+5) です。これは窒素の可能な最高酸化数に相当します。硝酸塩は、一次爆薬の衝撃波によって点火された硝酸アンモニウム( NH 4 NO 3 ) または黒色火薬中で爆発すると高温で爆発する性質があることから、潜在的に強力な酸化剤です。赤発煙硝酸( HNO 3 /N 2 O 4 ) や濃硝酸( HNO 3 )とは対照的に、中性または高pHの水溶液中の硝酸塩は、還元剤が水素イオンを生成しない酸化還元反応(水銀がカロメルになる場合など) では弱い酸化剤にすぎません。しかし、還元剤が水素イオンを生成する場合、例えば水素自体の酸化では、依然として強力な酸化剤です。硝酸塩は、微生物や有機物などの還元剤が存在しない場合には安定です。実際、窒素ガスは熱力学的に安定しており、非常に酸性の条件下でのみ1 atm の酸素と結合し、それ以外の場合は硝酸塩を形成する。これは、2 つの酸化反応を差し引くことによって示される。[ 6 ]
与えること:
0.0118で割って式を整理すると、平衡関係式が得られる。
しかし実際には、窒素、酸素、水が直接結合して硝酸塩を形成するわけではありません。むしろ、水素などの還元剤が窒素と反応してアンモニアなどの「固定窒素」を生成し、それが酸化されて最終的に硝酸塩になります。硝酸塩は、脱窒と呼ばれる過程で還元剤と反応するため、自然界では高濃度に蓄積されません（窒素循環を参照）。
硝酸塩は、脱窒細菌が生存に必要なエネルギーを供給するための強力な末端電子受容体として利用されます。嫌気性条件下では、硝酸塩は原核微生物（細菌と古細菌）が呼吸するために使用する最も強力な電子受容体です。酸化還元対 NO 3 − /N 2は、嫌気性呼吸の酸化還元スケールの最上位に位置し、酸素 ( O 2 / H 2 O ) 対のすぐ下ですが、Mn(IV)/Mn(II)、Fe(III)/Fe(II)、SO 4 2− / HS −、CO 2 / CH 4対より上です。微生物が生息する自然水では、硝酸塩は脱窒細菌によって代謝されるため、非常に不安定で不安定な溶存化学種です。硝酸塩／亜硝酸塩分析用の水サンプルは、硝酸塩の損失を最小限に抑えるため、冷蔵室で4℃に保って保管し、できるだけ速やかに分析する必要があります。
脱窒プロセスの最初の段階では、溶解した硝酸塩（NO 3 −）が細菌の酵素活性によって触媒的に 亜硝酸塩（NO 2 − ）に還元されます。水溶液中では、溶解した亜硝酸塩（N(III)）は硝酸塩（N(V)）よりも強力な酸化剤です。これは、亜硝酸塩が受け取る電子が少なく、還元反応が硝酸塩よりも速度論的に阻害されにくいためです。
硝酸塩の電気化学的還元もよく知られているが、[ 7 ]エネルギー貯蔵や脱窒への利用はまだ十分に開発されていない。[ 8 ]
生物学的脱窒過程において、亜硝酸塩のさらなる還元により、強力な酸化剤である一酸化窒素（NO）も生成される。NOはミオグロビンに結合し、その赤色を強調する。NOは重要な生物学的シグナル伝達分子であり、血管拡張過程に関与する。しかし、生体組織内でフリーラジカルを生成し、組織の分解と老化過程を加速させる可能性もある。NOによって生成される活性酸素種（ROS）は、血管機能障害や動脈硬化症に関与する酸化ストレスの一因となる。[ 9 ]
硝酸アニオンは、溶液中に存在する他のアニオンとともに、イオンクロマトグラフィー（IC）によって水中で一般的に分析されます。ICの主な利点は、その簡便さと、水溶液サンプル中に存在するすべてのアニオンを同時に分析できることです。1980年代にIC装置が登場して以来、この分離技術は多くの検出器と組み合わされて化学分析ラボで一般的になり、硝酸塩と亜硝酸塩の分析に最も好まれ、広く使用されている方法となっています。[ 10 ]
従来、硝酸塩の測定は、特定の試薬を溶液に添加して特徴的な色（青色の可視光を吸収するため、多くの場合赤色）を呈した後、分光光度計および比色計による測定に依存していました。土壌間隙水によく存在する溶存有機物（DOM：フミン酸およびフルボ酸）の褐色による干渉のため、アーティファクトが吸光度値に容易に影響を与える可能性があります。干渉が弱い場合は、自然に褐色を呈する水サンプルのみを用いたブランク測定で、測定されたサンプル吸光度から不要なバックグラウンドを差し引くのに十分です。DOMの褐色が強すぎる場合は、水サンプルを前処理し、測定前に無機窒素種を分離する必要があります。一方、透明な水サンプルについては、比色計は安価で持ち運び可能な場合もあるという利点があり、迅速なルーチン検査や現場測定のための手頃な選択肢となっています。[ 11 ]
硝酸塩 (NO 3 − ) を特異的に検出するための比色法は、多くの場合、硝酸塩を亜硝酸塩(NO 2 − ) に変換し、その後亜硝酸塩特異的な試験を行うことに依存しています。硝酸塩から亜硝酸塩への還元は、銅-カドミウム合金、金属亜鉛[ 12 ]、またはヒドラジンによって行うことができます。これらのアッセイの中で最も一般的なのはグリース試験で、亜硝酸塩は、UV-vis 分光光度分析に適した濃い赤色のアゾ染料に変換されます。この方法は、亜硝酸塩の酸性化によって生成される亜硝酸( HNO 2 )の反応性を利用しています。亜硝酸は芳香族アミンと選択的に反応してジアゾニウム塩を生成し、これがさらに第 2 の試薬と結合してアゾ染料を生成します。検出限界は 0.02 ～ 2 μM です。[ 13 ]このような方法は、生物試料[ 14 ]や土壌試料に高度に適用されています。 [ 15 ] [ 16 ]
ジメチルフェノール法では、硝酸塩を検査する溶液 200 μL に濃硫酸( H 2 SO 4 ) 1 mLを加える。強酸性条件下では、硝酸イオンが 2,6-ジメチルフェノールと反応し、黄色の化合物である4-ニトロ-2,6-ジメチルフェノールを生成する。これは、中間体ニトロニウム( + NO 2 ) イオンがジメチルフェノールの芳香環を攻撃する求電子芳香族置換反応によって起こる。生成した生成物 (オルト-またはパラ-ニトロ-ジメチルフェノール) は、ランベルト・ベールの法則に従って345 nm でUV-vis 分光光度計を使用して分析される。[ 17 ] [ 18 ]
クロモトロープ酸（ジヒドロキシナフタレンジスルホン酸）に基づく別の比色法も、硝酸アニオンの直接分光光度測定のために、1960年にウエストとライルズによって開発された。[ 19 ]
ギ酸をブルシン （ストリキニーネに関連するアルカロイド）と硝酸カリウム（KNO 3 ）の混合物に加えると、その色は瞬時に赤に変わります。この反応は硝酸塩の直接比色検出に使用されています。[ 20 ]
フローシステムを用いた直接オンライン化学分析では、蠕動ポンプによって水サンプルがフローインジェクション分析装置に導入され、硝酸塩または生成された亜硝酸塩を含む排出液が比色検出用の試薬と混合される。
硝酸塩は、地球上の乾燥地帯に大規模な鉱床として自然に存在し、特に硝酸ナトリウムの主要な供給源である硝酸塩（ニトラチン）が多く見られる。
硝酸塩は、自然環境において、アンモニアや尿素を窒素源および自由エネルギー源として利用する硝化細菌によって生成される。火薬用の硝酸塩化合物は、歴史的には、鉱物性硝酸塩源が存在しない時代には、尿や糞便を用いた様々な発酵プロセスによって製造されていた。
地球の窒素と酸素が豊富な大気中で落雷が起こると、窒素酸化物の混合物が生成され、それが亜硝酸イオンと硝酸イオンを形成し、雨や隠れた沈着物によって大気から洗い流される。
硝酸塩は、多くの植物にとって主要な窒素形態として機能する化学化合物です。この必須栄養素は、植物がタンパク質、核酸、その他の重要な有機分子を合成するために利用されます。 [ 21 ]大気中の窒素が硝酸塩に変換される過程は、窒素循環における特定の細菌や雷によって促進され、比較的反応性の低い分子を生物生産性に不可欠な形態に変換する自然の能力を例示しています。[ 22 ]
硝酸塩は溶解度と生分解性が高いため、農業では肥料として使用されています。主な硝酸塩肥料は、アンモニウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムの塩です。この目的のために、毎年数十億キログラムが生産されています。[ 1 ]硝酸塩の重要性は、栄養素としての役割にとどまらず、植物内でシグナル伝達分子として働き、根の成長、開花、葉の発達などのプロセスを調節します。[ 23 ]
硝酸塩は土壌の肥沃度と作物の収量を高めるため農業に有益ですが、過剰に使用すると栄養分の流出、水質汚染、水生生物のデッドゾーンの増加につながる可能性があります。[ 24 ]したがって、生産性と環境保全のバランスをとる持続可能な農業慣行が必要です。硝酸塩は植物の成長と発達を支え、生物多様性と生態系のバランスに貢献するため、生態系における硝酸塩の重要性は明らかです。[ 25 ]
硝酸塩は酸化剤として使用され、特に爆発物において、炭素化合物の急速な酸化によって大量のガスが発生する（火薬を例に挙げる）。
硝酸ナトリウムは溶融ガラスや一部のセラミックから気泡を除去するために使用されます。溶融塩の混合物は一部の金属の表面を硬化するために使用されます。[ 1 ]
医療分野では、硝酸グリセリルトリニトラート、イソソルビドジニトラート、イソソルビドモノニトラートなどの硝酸塩由来の有機エステルが、急性冠症候群、心筋梗塞、急性肺水腫の予防と管理に使用されています。[ 26 ]亜硝酸アミルも属するこの種の薬剤は、ニトロ血管拡張薬として知られています。
硝酸塩の毒性に関して懸念される2つの領域は以下のとおりです。
乳幼児におけるメトヘモグロビン血症の最も一般的な原因の一つは、井戸水や食品を通して硝酸塩や亜硝酸塩を摂取することである。
実際、飲料水中に高濃度で存在することが多い硝酸塩（NO 3 − ）は、メトヘモグロビン血症の真の原因である亜硝酸塩（NO 2 − ）の前駆体化学種にすぎません。硝酸塩が微生物によって還元されて生成される亜硝酸塩（飲料水中で直接、または乳児の消化器系で摂取された後に生成される）は、硝酸塩よりも強力な酸化剤であり、ヘモグロビンのテトラピロールヘム中のFe 2+をFe 3+に酸化する真の化学剤です。実際、硝酸アニオンは水溶液中では酸化力が弱すぎるため、反応速度論的な制約により、 Fe 2+を直接、あるいは少なくとも十分に速やかにFe 3+に酸化することはできません。
生後4ヶ月未満の乳児は、体重あたりの水分摂取量が多く、NADH-シトクロムb5還元酵素活性が低く、胎児ヘモグロビンのレベルが高く、メトヘモグロビンに変換されやすいため、リスクが高くなります。さらに、乳児は細菌による亜硝酸塩の産生により、胃腸炎のエピソード後にリスクが高まります。[ 29 ]
しかし、硝酸塩以外の原因も乳児や妊婦に影響を与える可能性があります。[ 30 ] [ 31 ]実際、ブルーベビー症候群は、血中酸素濃度の低下を引き起こす先天性心疾患であるチアノーゼ性心疾患[ 32 ]や、下痢性感染症、タンパク質不耐症、重金属中毒などの胃腸障害[ 33 ]など、他の多くの要因によっても引き起こされる可能性があります。
米国環境保護庁は、安全飲料水法に基づき、飲料水中の硝酸塩の最大許容濃度を10 mg/Lまたは10 ppmに設定している。 [ 34 ]
硝酸イオンの許容一日摂取量（ADI）は、 FAO/WHO合同食品添加物専門家委員会（JEFCA）により0～3.7 mg（体重1kg）日の範囲に設定された。 [ 35 ]
陸地に近い淡水系や汽水系では、硝酸塩濃度が魚類にとって致命的になることがあります。硝酸塩はアンモニアよりも毒性ははるかに低いものの、 [ 36 ]硝酸塩濃度が30 ppmを超えると、一部の水生生物の成長を阻害し、免疫系を損ない、ストレスを引き起こす可能性があります。[ 37 ]硝酸塩の毒性については、依然として議論の的となっています。[ 38 ]
水系における硝酸塩濃度の過剰は、ほとんどの場合、下水排水や、硝酸塩肥料が過剰に施用された農地や造園地からの地表流出水が主な原因です。その結果生じる富栄養化と藻類の異常繁殖は、無酸素状態やデッドゾーンを引き起こします。硝酸塩は全溶解固形物（TSS）の構成要素であるため、水質指標として広く用いられています。
生態系への硝酸塩の沈着は、農業における窒素肥料の広範な使用や化石燃料の燃焼による排出など、人為的活動により著しく増加している。 [ 40 ]毎年、世界中で約1億9500万トンの合成窒素肥料が使用されており、硝酸塩はそのかなりの部分を占めている。[ 2 ]米国、中国、インドの一部など集約農業が行われている地域では、窒素肥料の使用量が1ヘクタールあたり200キログラムを超えることがある。[ 2 ]
硝酸塩沈着量の増加の影響は、植物群落にとどまらず、土壌微生物群集にも及ぶ。[ 41 ]土壌化学と栄養動態の変化は、窒素固定、硝化、脱窒の自然なプロセスを阻害し、微生物群集の構造と機能の変化につながる可能性がある。この阻害は、栄養循環と生態系全体の健全性にさらに影響を与える可能性がある。[ 42 ]
人間の食事における硝酸塩の供給源は、ほうれん草やルッコラなどの葉物野菜の摂取から生じます。NO 3 − はビートルートジュースに含まれている可能性があります。飲料水も硝酸塩の主要な摂取源です。[ 43 ]
硝酸塩の摂取により血漿硝酸塩濃度は急速に2～3倍に上昇し、この高濃度の硝酸塩は2週間以上維持される。血漿硝酸塩の増加は一酸化窒素（NO）の産生を促進する。一酸化窒素は生理学的シグナル伝達分子であり、とりわけ筋肉の血流やミトコンドリア呼吸の調節に関与している。[ 44 ]
亜硝酸塩（NO 2 − ）の摂取量は、主に加工肉の摂取量と、これらの肉（ベーコン、ソーセージなど）の熟成のために添加される硝酸塩（NO 3 − ）の濃度によって決まります。亜硝酸塩は肉の熟成に主に使用される窒素化合物ですが、硝酸塩も使用され、微生物によって、または唾液への溶解と口腔内微生物叢との接触から始まる消化過程で亜硝酸塩に変換される可能性があります。亜硝酸塩は発がん性ニトロソアミンの生成につながります。[ 45 ]ニトロソアミンの生成は、熟成中に抗酸化物質であるビタミンCとビタミンEのα-トコフェロールを使用することで抑制される可能性があります。[ 46 ]
多くの食肉加工業者は、自社の肉（例えばベーコン）が「未加工」であると主張していますが、これは事実に基づかないマーケティング上の主張です。「未加工」のベーコンなどというものは存在しません（それは基本的に生のスライスした豚バラ肉です）。[ 47 ]「未加工」の肉は実際には亜硝酸塩で加工されており、工程にほとんど違いはありません。唯一の違いは、USDAの表示要件で、植物由来の亜硝酸塩（セロリなど）と「合成」亜硝酸ナトリウムの区別があるだけです。例えるなら、精製された「海塩」と塩化ナトリウムです。どちらも全く同じ化学物質で、唯一の本質的な違いは由来だけです。
DASH食などの降圧食には、通常、高濃度の硝酸塩が含まれており、唾液検査で検出されるように、一酸化窒素（NO）を生成する前に、まず唾液中で亜硝酸塩に還元されます。[ 43 ]
家畜の硝酸塩中毒の症状には、心拍数と呼吸数の増加が含まれます。進行した症例では、血液や組織が青色または褐色に変色することがあります。飼料中の硝酸塩濃度を検査することができます。治療は、既存の飼料に硝酸塩濃度の低いものを補充または置き換えることによって行われます。さまざまな種類の家畜に対する硝酸塩の安全レベルは次のとおりです。[ 48 ]
上記の数値は乾燥状態（水分を含まない状態）に基づいています。
周期表の元素を用いた硝酸塩の生成：
