概要 栄養循環は自然のリサイクルシステムです。あらゆる形態のリサイクルには、物質資源を再利用する際にエネルギーを使用するフィードバックループがあります。生態系におけるリサイクルは、分解 の過程で大きく制御されます。[ 1 ] 水 を含むミネラル栄養素 などの天然物質をリサイクルする食物網で生物多様性を 活用しています。自然システムにおけるリサイクルは、人間の社会の幸福を維持し、貢献する多くの生態系サービス の1つです。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
生物地球化学サイクル と栄養サイクルの用語には多くの重複があります。ほとんどの教科書ではこの2つを統合し、同義語として扱っているようです。[ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] :
すべてのシステムはリサイクルされる。生物圏は、収束と発散の交互のサイクルで物質と情報を絶えずリサイクルするネットワークである。物質が収束、つまり濃縮されるにつれて、その質は向上し、環境に対する濃度に比例して有用な活動を推進する潜在能力が高まる。その潜在能力が利用されると、物質は発散、つまり景観の中でより分散し、別の時間と場所で再び濃縮される。[ 7 ] ：
完全かつ閉ループ 典型的な陸上生態系の栄養循環 生態系は完全なリサイクルが可能である。完全なリサイクルとは、廃棄物の 100% を無限に再構成できることを意味する。この考えは、ハワード T. オダム が「利用可能な太陽エネルギーまたはその他の潜在エネルギー源がある限り、すべての化学元素と多くの有機物質は、背景の地殻または海洋の濃度から生物系によって濃度に制限なく蓄積できることが、生態系と地質システムによって十分に実証されている」と書いたときに捉えられた[ 8 ] : 、ニコラス ジョルジェスク レーゲンは、完全なリサイクルは不可能であると述べる エントロピーの第 4 法則 を提唱した。ジョルジェスク レーゲンは生態経済 学の科学に広範な知的貢献をしたが、第 4 法則は、生態学的リサイクルの観察に沿って否定されている。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
生態系は、バイオマス の成長に必要な栄養素の需要がシステム内の供給を上回る閉ループ循環を実行します。成長と物質交換の速度には地域的および空間的な違いがあり、一部の生態系は栄養素の負債（シンク）を抱えているのに対し、他の生態系は余剰供給（ソース）を抱えています。これらの違いは、気候、地形、地質学的歴史に関連しており、異なる親物質の供給源を残しています。[ 6 ] [ 12 ] [ 13 ] : 従属栄養性 微小鞭毛虫を含む原生動物によって利用され、制御され、さらに繊毛虫によって利用されます。この摂食活動には、細菌によって利用される物質の排泄が伴い、システムは多かれ少なかれ閉回路で機能します。」[ 14 ] ：
環境に配慮したリサイクル 分解者 と結びついた3つの栄養段階の食物連鎖（生産者- 草食動物 - 肉食動物 食物網。食物連鎖を通して ミネラル栄養素 が移動し、ミネラル栄養素プールに入り、栄養段階システム に戻る様子は、生態学的リサイクルを示している。一方、エネルギーの移動は一方向で非循環的である。[ 15 ] [ 16 ] 生態系のリサイクルの例としては、セルロース の酵素 分解 が挙げられます。「セルロースは地球上で最も豊富な有機化合物の1つであり、植物の主要な多糖類 で、細胞壁の一部となっています。セルロース分解酵素は、植物物質の自然な生態系のリサイクル に関与しています。」[ 17 ] [ 18 ]
生命体を構成する元素の大部分は、常に世界の生物相の中に存在している。これらの元素の地球上の蓄積量は限られており、生物相の様々な構成要素間の交換速度は地質学的時間スケールに比べて極めて速いため、同じ物質が何度も異なる生物形態に取り込まれていることは明らかである。この観察結果から、平均的に物質（および一部のエネルギー）は循環しているという考えが生まれる。[ 19 ] ：
有機農業では生態系リサイクルが一般的であり、栄養管理は農業ビジネス型の土壌管理とは 根本的に異なります 。生態系リサイクルをより多く採用している有機農場は、より多くの種を支え（生物多様性のレベルが上昇）、食物網の 構造も異なります。[ 20 ] [ 21 ] 有機農業生態系は、合成肥料 の補給に頼るのではなく、土壌を通して栄養素をリサイクルするために生物多様性のサービスに依存しています。[ 22 ] [ 23 ]
生態系循環型農業のモデルは、以下の原則に準拠している。
生物多様性の保護。 再生可能エネルギーの利用。 植物栄養素のリサイクル。 有機農場で生産された農産物が農場を出て市場に出荷されると、システムは開放循環となり、栄養素は別の方法で補給する必要が生じる可能性がある。
淡水系における栄養循環に対する栄養段階間相互作用の影響 栄養 相互作用は、特に淡水系において、栄養循環の調節に重要な役割を果たします。[ 25 ] 栄養相互作用は、窒素 （N）やリン （P）などの栄養素の分布や、これらの系における栄養素のリサイクル速度を変化させるだけでなく、どの種が最も優勢であるかを決定することもできます。[ 26 ] 捕食者は、草食動物 のトップダウン制御を通じて間接的に栄養素の利用可能性に影響を与え、それによって一次生産 と栄養素の吸収に影響を与えます。[ 25 ] 食物網 と栄養循環を結びつけるより重要なメカニズムの 1 つは、プランクトン食性の 魚、動物プランクトン 、植物プランクトン の栄養関係です。[ 27 ] [ 25 ] [ 26 ] このような条件下では、無機態窒素がすでに豊富であるため、窒素固定 シアノバクテリア などの生物の競争力が低下し、アンモニウムや硝酸塩 を直接取り込むことに依存する種が有利になります。[ 28 ] [ 26 ] ミジンコ などの種は、その大きなサイズと成長に必要なリンの要求量が多いことから、競争上の優位性を持ちます。対照的に、動物プランクトンの個体数がプランクトン食性魚類の増加によって調節される場合、植物プランクトンはより容易に増殖し、大量の窒素とリンをバイオマスに同化することができ、これらの栄養素の生物利用可能な形態での利用可能性を低下させる。[ 25 ] [ 29 ] [ 29 ]
歴史 倒木は陸上森林の栄養循環の重要な構成要素である。倒木は、 物質を分解し、栄養素を生産に再利用する他の生物の生息地となる。[ 40 ] 栄養循環は、特にミミズの分解作用に関して、チャールズ・ダーウィン の著作に歴史的に根付いています。ダーウィンは「土の粒子の継続的な動き」について書いています。 [ 33 ] [ 41 ] [ 42 ] カール・リンネは著書『自然の経済』の中で、自然の均衡について「自然の 経済 とは、自然物に関して創造主が全知全能の配置をしていることで、それによって自然物は一般的な目的と相互利用を生み出すようにできている」と書いています。[ 43 ] [ 44 ] デモクリトス 、エピクロス 、そして彼らのローマの弟子ルクレティウス にまで遡ることができる。[ 45 ]
ギリシャ人に続いて、水循環（水は栄養素とみなされる）の概念は、1687年にハレーによって検証され、定量化されました。 デュマ とブッサンゴー（1844）は、生物地球化学の真の始まりと認識されている重要な論文を発表し、有機生命の循環について詳細に論じました。[ 45 ] [ 46 ] ジャン・バティスト・ブッサンゴーは 、植物の成長と発達にミネラルと窒素が栄養的に必要であることを実証しました。この時期以前は、影響力のある化学者たちは土壌中のミネラル栄養素の重要性を軽視していました。[ 47 ] フェルディナント・コーンも また影響力のある人物です。 「1872年、コーンは『生命の循環』を、死んだ有機体の分解によって新しい生命に必要な材料が供給される『自然界全体の仕組み』と表現した。生命体に成形できる物質の量は限られているため、死んだ体から生命体へと常に同じ物質粒子を変換する『永遠の循環』（ewigem kreislauf）が存在しなければならないと彼は考えた。」[ 48 ] ： これらの考えは、1881年から1883年にかけてのセルゲイ・ヴィノグラツキー の修士研究で統合された。[ 48 ]
用語のバリエーション 1926年、ヴェルナツキーは 地球化学 の下位分野として生物地球化学という [ 45 ] しかし、栄養循環 という用語は、1899年の林業に関するパンフレットで生物地球化学よりも先に登場している。「これらの要求は、十分な量の腐植が利用可能で、落葉の継続的な分解の場合に安定した栄養腐植が存在する場所では、立木のために生物起源の栄養循環からかなりの量の栄養素も利用可能であるという事実を決して無視するものではない。 [ 49 ] : 12 1898年には、窒素固定微生物 に関連して窒素循環 への言及がある。[ 50 ]
ミネラルサイクル という用語は、 1935年の文献で植物生理 におけるミネラルの重要性に関連して初めて登場する。「…灰は恐らく恒久的な構造に組み込まれるか、細胞内に老廃物として何らかの形で沈着するため、ミネラルサイクル に再び入ることはできないだろう。」[ 51 ] ： 栄養循環という 用語は、1964年のコウノトリの食物生態に関する論文に登場します。「湿地の周期的な干上がりと再冠水は、群集内の生物にとって特別な生存上の問題を引き起こす一方で、変動する水位は迅速な栄養循環 とそれに続く高い一次生産および二次生産率を促進します」[ 52 ] ： 自然循環 という用語は、漁業管理における落葉とその化学元素の輸送に関する1968年の論文に登場します。「流域からの樹木の落葉の河川輸送は、化学元素の自然循環 と土地の劣化の一因である。」[ 53 ] ： 生態学的リサイクル という用語は、宇宙や海底などの極限環境での生活用に設計されたさまざまなモジュールの作成のための生態学の将来的な応用に関する1968年の出版物に登場します。「重要な資源をリサイクルするという基本的な要件に関して、海洋は陸地よりもはるかに頻繁な生態学的リサイクルを 提供します。魚類やその他の有機物の個体群は成長率が高く、植生は海洋での収穫に関して気まぐれな天候の問題が少ないです。」[ 54 ] 生物リサイクルという 用語は、海洋における有機炭素のリサイクルに関する1976年の論文に登場します。「生物活動が海洋中の溶存有機物の起源を担っているが、生物の死後やその後の化学変化によって生物リサイクル が阻害された後の活動には生物活動は重要ではないという現実主義的な仮定に従えば、生物発生前と生物発生後の海洋における溶存有機物の挙動に大きな違いは見られない。」[ 55 ] ： 水も栄養素である。[ 56 ] [ 57 ]
新たな生態系におけるリサイクル 地球上のさまざまな空間配置で絶え間なく続く技術廃棄物が蓄積し、土壌、河川、海洋で有害物質となる。[ 58 ] [ 59 ] この考えは、1954年に生態学者のポール・シアーズ によって同様に表現された。「私たちは、森林を必須の原材料やその他の恩恵の源として大切にするべきか、それとも占有する空間のために森林を伐採するべきかを知らない。私たちは、川が廃棄物を運び去りながら、同じ水路で使用可能な物質を運ぶ静脈と動脈の両方の役割を果たすことを期待している。自然は、有毒な廃棄物と栄養素を同じ容器で運ぶというナンセンスをずっと前に捨て去った。」[ 60 ] : 個体群生態学を使用する。 [ 61 ] レイチェル・カーソン はこの分野の生態学の先駆者であり、彼女の著書『沈黙の春』 [ 62 ]
地球の自然生態系とは対照的に、テクノロジー（またはテクノエコシステム ）は地球の資源への影響を軽減していません。[ 63 ] [ 64 ] プラスチック廃棄物 （数百万トン）のうち、産業システムでリサイクルされているのはわずか7%です。産業リサイクルの流れに入らない93%は、おそらく自然のリサイクルシステムに吸収されていると考えられます。 [ 65 ] 生産量が 呼吸 消費 量とほぼ等しい一貫したバランスを維持してきました。自然のバランスのとれたリサイクル効率は、腐敗廃棄物の生産量が、分解の連鎖を免れた化石燃料 の地球規模のストックに等しい食物連鎖へのリサイクル可能な消費量を上回っていることを意味します。[ 66 ]
農薬はすぐに生態系全体、すなわち人間の技術圏と非人間の生物圏の両方に広がり、自然環境の「外」から人工環境の「内」にある植物、動物、人間の体内へと戻り、意図せず、予期せず、望ましくない影響を及ぼした。カーソンは、動物学、毒物学、疫学、生態学の知見を用いて、「環境」をどのように捉えるべきかについて新たな感覚を生み出した。[ 67 ] ：
マイクロプラスチック やナノ銀材料は、新たな生態学的懸念事項として増加している。 [ 68 ] [ 69 ] テクノソル と呼ばれる新しい種類の土壌を形成する。[ 70 ] 人新世 における人間の廃棄物は、生態系リサイクルの新たなシステム、水銀サイクルや 生分解 チェーンに流れ込む他の合成物質に対処しなければならない新しい生態系を生み出している。[ 71 ] 微生物は、複雑な生分解経路を持つリサイクル機構によって、環境から合成有機化合物を除去する上で重要な役割を果たしている。ナノ粒子 やマイクロプラスチックなどの合成物質が生態系リサイクルシステムに及ぼす影響は、今世紀の生態系にとっての主要な懸念事項の1つとして挙げられている。[ 68 ] [ 72 ]
技術的リサイクル 人間の産業システム （またはテクノエコシステム ）におけるリサイクルは、規模、複雑さ、組織において生態学的リサイクルとは異なります。産業リサイクルシステムは、廃棄物を様々な種類の市場性のある商品にリサイクルするために生態系の食物網を利用することに焦点を当てるのではなく、主に人と技術的 多様性を活用します。一部の研究者は、「エコ効率」という旗印の下にあるこれらの技術ソリューションやその他の種類の技術ソリューションの前提に疑問を呈しており、その能力は限定的で、生態学的プロセスに有害であり、誇張された能力は危険です。[ 11 ] [ 73 ] [ 66 ] [ 74 ] 現場での有機物鉱化作用）が含まれます。」 [ 75 ] ：
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外部リンク 土壌・水保全協会 バルト海沿岸の生態系リサイクル農業と社会 ダイアナ・コーエン ：TED.comで語るプラスチック汚染に関する厳しい真実プラスチック汚染対策連合 農業生態系における栄養循環に関する学術誌 ノバスコシア農業大学の土壌における栄養循環に関する講義ノート
