有機物

有機物、有機材料、または天然有機物とは、自然環境や人工環境、陸上環境、水中環境に存在する炭素系化合物の大きな供給源を指します。これは、植物や動物などの生物の排泄物や残骸から得られた有機化合物で構成された物質です。^[1]有機分子は、生命に関係のない化学反応によっても作られます。^[2]基本構造は、セルロース、タンニン、クチン、リグニン、その他のさまざまなタンパク質、脂質、炭水化物から作られます。有機物は、環境中の栄養素の移動に非常に重要であり、地球表面の水分保持に役割を果たしています。^[3]

生物は有機化合物で構成されています。生きている間、生物は環境に有機物を分泌または排泄し、葉や根などの体の一部を脱ぎ捨て、生物が死んだ後、その体は細菌や真菌の作用によって分解されます。有機物のより大きな分子は、すでに分解された物質のさまざまな部分の重合から形成されます。^[要出典]天然有機物の組成は、その起源、変換モード、年齢、および既存の環境に依存し、したがってその生物物理化学的機能は環境によって異なります。^[4]

有機物は生態系全体に広く存在し、土壌微生物群による分解プロセスを通じて循環しており、栄養素の利用可能性にとって極めて重要である。^{[5]分解・反応後、水流によって}土壌や主流水に移動する。有機物は生物に栄養を与える。有機物は水溶液中で緩衝剤として働き、環境中のpHを中性に保つ。緩衝作用成分は酸性雨の中和に関係していると考えられている。^[6]

土壌にまだ存在しない有機物の一部は、地下水から来ます。地下水が周囲の土壌や堆積物を飽和させると、有機物は相間を自由に移動できるようになります。地下水には、次のような天然有機物の供給源があります。

• ケロジェンや石炭などの有機物堆積物。
• 土壌および堆積物の有機物。
• 河川、湖沼、海洋システムから地下に浸透する有機物。」^[7]

生物は有機物に分解され、その後輸送され、リサイクルされます。すべてのバイオマスが移動するわけではなく、むしろ静止しており、数百万年かけてのみ回転します。^[8]

土壌中の有機物は、植物、動物、微生物に由来します。たとえば、森林では、落ち葉や木質材料が林床に落ちます。これは有機物と呼ばれることもあります。^[9]それが認識できないほどに腐敗すると、土壌有機物と呼ばれます。有機物が分解されて、それ以上分解されない安定した物質になると、それは腐植と呼ばれます。したがって、土壌有機物は、腐敗していない物質を除く土壌中のすべての有機物で構成されます。^[10]

土壌有機物の重要な特性は、土壌の水分と栄養素を保持する能力を向上させ、それらのゆっくりとした放出を可能にし、それによって植物の成長条件を改善することです。腐植のもう一つの利点は、土壌がくっつくのを助け、線虫や微小な細菌が土壌中の栄養素を簡単に分解できるようにすることです。^[11]

腐植土の量を素早く増やす方法はいくつかあります。堆肥、植物や動物の材料/廃棄物、緑肥を土と混ぜると、土中の腐植土の量が増えます。

1. 堆肥: 分解された有機物。
2. 植物および動物の材料と廃棄物: 枯れた植物、または葉や茂みや木の刈り込みなどの植物廃棄物、または動物の肥料。
3. 緑肥: 土壌に混ぜ込むことのみを目的として栽培される植物または植物材料。

これら3つの物質は線虫や細菌に栄養を与え、それらが繁殖して腐植土を多く生成し、植物が生き残り成長するのに十分な栄養を与えます。^[11]

土壌有機物はすべての生態系とすべての農業にとって重要ですが、特に大きく依存する 有機農業では特に重視されます。

プライミング効果は、土壌への比較的穏やかな介入の結果として、土壌有機物（SOM）の自然なターンオーバーのプロセスに激しい変化が生じることを特徴とする。^[12]この現象は、一般的に、新鮮有機物（FOM）の投入に対するパルス的または継続的な変化によって引き起こされる。^{[13]プライミング効果は通常、FOM の投入などの}トリガーにより、ミネラル化の加速をもたらす。この分解の増加の原因は、FOM から放出されるエネルギーと栄養素の利用可能性が高くなることから生じる微生物活動の増加に起因するとされることが多い。FOM の投入後、特殊な微生物が急速に増殖し、この新しく追加された有機物のみを分解すると考えられている。^[14]これらの地域での SOM のターンオーバー率は、バルク土壌よりも少なくとも 1 桁高い。^[13]

有機物の投入以外にも、土壌回転率の短期的な変化につながる土壌処理としては、「無機肥料の投入、根からの有機物の浸出、土壌の単なる機械的処理、または土壌の乾燥と再湿潤」などがある。^[12]

プライミング効果は、土壌と添加物質の反応によってプラスにもマイナスにもなります。プラスのプライミング効果はミネラル化の促進をもたらし、マイナスのプライミング効果は固定化をもたらし、窒素の利用不能につながります。ほとんどの変化はCとNのプールで記録されていますが、プライミング効果はリンや硫黄、その他の栄養素にも見られます。^[12]

レーニスは、1926年に緑肥の分解と土壌中のマメ科植物への影響に関する研究を通じて、プライミング効果現象を初めて発見しました。彼は、新鮮な有機残渣を土壌に加えると、腐植窒素によるミネラル化が促進されることに気付きました。しかし、プライミング効果という用語は、1953年にビンゲマンが「有機物の追加が有機土壌の分解に与える影響」と題した論文で初めて使用されました。プライミング効果が造られる前に、プライミングアクション、追加窒素相互作用（ANI）、余分な窒素、追加の窒素など、いくつかの他の用語が使用されていました。 ^[12]これらの初期の貢献にもかかわらず、プライミング効果の概念は、1980年代から1990年代頃まで広く無視されていました。^[13]

プライミング効果は多くの異なる研究で発見されており、ほとんどの植物土壌系に現れる一般的な現象であると考えられています。^[15]しかし、プライミング効果につながるメカニズムは当初考えられていたよりも複雑であり、依然として一般的に誤解されています。^[14]

プライミング効果の理由については不明な点が多いものの、最近の一連の研究から、 議論の余地のない事実がいくつか明らかになっています。

1. プライミング効果は、土壌に物質を添加した後、瞬時に発生する場合もあれば、非常に短期間（場合によっては数日または数週間）で発生する場合もあります^{[13] 。}
2. プライミング効果は、C と N が豊富な土壌では、これらの栄養素が乏しい土壌よりも大きくなります。
3. 無菌環境では実際のプライミング効果は観察されていません。
4. 土壌への追加処理量が増えるにつれて、プライミング効果の大きさも増大する。^[12]

最近の研究では、土壌系で作用するのと同じプライミング効果のメカニズムが水環境にも存在する可能性があることが示唆されており、将来的にはこの現象についてより広範囲に検討する必要があることが示唆されている。^{[13] [16]}

有機物の適切な定義の 1 つは、腐植土などの腐敗または分解の過程にある生物学的物質です。腐敗の過程にある生物学的物質を詳しく調べると、分解 (崩壊) の過程にある いわゆる有機化合物(生物学的分子) が明らかになります。

土壌分子が分解される主なプロセスは、細菌または真菌の 酵素触媒によるものです。もし地球上に細菌や真菌が存在しなかったら、分解のプロセスははるかに遅く進行したでしょう。

有機物の分解には、化学的性質やその他の環境パラメータなど、さまざまな要因が影響します。微生物群集の代謝能力は、エネルギーの利用可能性と処理に深く関連しているため、分解において重要な役割を果たします。^[17]陸上生態系では、土壌有機物のエネルギー状態が微生物基質の好みに影響を与えることが示されています。^{[18]一部の有機物プールは}、微生物群集にとってエネルギー的に有利であり、その結果、微生物分解者が投入したエネルギーから得られる見返りが少ない他のプールと比較して、酸化と分解が速くなります。ひいては、土壌微生物は、エネルギー密度の低い有機物を分解することを避け、エネルギー密度の高い有機物を優先的に鉱化します。^[19]

有機物の測定では、通常、有機化合物または炭素のみが測定されるため、かつて生きていた物質または分解された物質のレベルの近似値にすぎません。同様に、有機物の定義の中には、「有機物」を炭素含有量または有機化合物のみを指すものとし、物質の起源または分解を考慮しないものもあります。この意味では、すべての有機化合物が生物によって生成されるわけではなく、生物は有機物だけを残すわけではありません。たとえば、ハマグリの殻は生物ですが、有機炭素をあまり含まないため、この意味では有機物とは見なされない場合があります。逆に、尿素は、生物学的活動なしに合成できる多くの有機化合物の 1 つです。

有機物は不均質で非常に複雑です。一般的に、重量で表すと、有機物は次のようになります。^[6]

• 45～55%炭素
• 35～45%の酸素
• 3～5%の水素
• 窒素1～4%

これらの化合物の分子量は、再重合するかどうかによって 200 から 20,000 amu まで大幅に異なります。存在する炭素の最大 3 分の 1 は芳香族化合物であり、炭素原子は通常 6 員環を形成します。これらの環は共鳴安定化により非常に安定しているため、分解が困難です。芳香族環は、他の電子供与性または電子受容性物質からの求電子攻撃や求核攻撃の影響を受けやすく、これが重合してより大きな有機分子を作成する可能性があることを説明しています。

土壌中の有機物と他の物質との反応により、これまでに見たことのない化合物が生成されることがあります。残念ながら、そもそも天然有機物についてはほとんど知られていないため、これらの化合物を特徴付けるのは困難です。現在、これらの新しい化合物について、またどれだけの数が生成されているかについてさらに詳しく調べるための研究が行われています。^[20]

水生有機物は、さらに 2 つの成分に分けられます。(1) 溶解性有機物 (DOM) は、着色溶解性有機物(CDOM) または溶解性有機炭素(DOC) として測定され、(2)粒子状有機物(POM) として測定されます。これらは通常、0.45 マイクロメートルのフィルターを通過できるもの (DOM) と通過できないもの (POM) によって区別されます。

有機物は、水や廃水の処理とリサイクル、自然の水生生態系、養殖、環境修復において重要です。したがって、短期と長期の両方のモニタリングにおいて、信頼性の高い検出と特性評価の方法を持つことが重要です。有機物を説明および特性評価するためのさまざまな有機物の分析検出方法が数十年にわたって存在してきました。これらには、総有機炭素と溶解有機炭素、質量分析、核磁気共鳴 (NMR) 分光法、赤外線 (IR) 分光法、紫外可視分光法、蛍光分光法が含まれますが、これらに限定されません。これらの方法にはそれぞれ利点と限界があります。

土壌中の保水を助ける天然有機物の同じ能力は、現在の浄水方法に問題を引き起こします。水中では、有機物は依然として金属イオンやミネラルと結合する可能性があります。浄化プロセスは必ずしもこれらの結合分子を止めるわけではありませんが、人間、動物、植物に害を及ぼすことはありません。ただし、有機物は反応性が高いため、栄養素を含まない副産物が作られる可能性があります。これらの副産物は生物付着を引き起こす可能性があり、副産物は膜の孔径よりも大きいため、浄水施設の水ろ過システムを基本的に詰まらせます。この詰まりの問題は、システムを詰まらせる残留物質を分解できる塩素消毒（塩素処理）によって対処できます。ただし、塩素処理は消毒副産物を形成する可能性があります。^[20]

有機物を含む水は、オゾンによるラジカル反応で消毒することができます。オゾン（3つの酸素）は強力な酸化特性を持っています。分解するとヒドロキシラジカル（OH）を形成し、これが有機物と反応して生物付着の問題を解消します。^[21]

「有機」と生物を同一視する考え方は、現在では廃れた生気論の考えに由来しており、この考えでは、生命には有機物質を作り出すことができる特別な力があると考えられていました。この考えは、1828年に フリードリヒ・ヴェーラーが人工的に尿素を合成した後に初めて疑問視されました。

• バイオファクト（生物学）
• バイオマス
• 残骸
• 腐植土
• 有機地球化学
• 堆積性有機物
• 全有機炭素

比較対象:

• 生体組織
• 生体分子
• 生物材料
• 細胞成分
• 有機栽培

• ジョージ・エイケン (2002)。「地下水中の有機物」。米国地質調査所。
• Cabaniss, Steve、Greg Madey、Patricia Maurice、Yingping Zhou、Laura Leff、Ola Olapade、Bob Wetzel、Jerry Leenheer、Bob Wershaw 共著。天然有機物の確率的合成。UNM、ND、KSU、UNC、USGS。2007 年 4 月 22 日。
• Cho, Min, Hyenmi Chung、Jeyong Yoon。「オゾン開始ラジカル反応による天然有機物を含む水の消毒」要約。応用環境微生物学第 69 巻第 4 号 (2003): 2284–2291。
• Fortner, John D.、Joseph B. Hughes、Jae-Hong Kim、および Hoon Hyung。「天然有機物は水相中のカーボンナノチューブを安定化する。」要約。Environmental Science & Technology Vol. 41 No. 1 (2007): 179–184。
• 「研究者らが環境における天然有機物の役割を研究」サイエンスデイリー 2006 年 12 月 20 日。2007 年 4 月 22 日 https://www.sciencedaily.com/releases/2006/12/061211221222.htm。
• Senesi, Nicola, Baoshan Xing、および Pm Huang。環境システムにおける天然の非生物有機物を含む生物物理化学プロセス。ニューヨーク：IUPAC、2006 年。
• 「表 1: 海洋および海の表面積、体積、平均深度」ブリタニカ百科事典。
• 「トピックスナップショット: 天然有機物」アメリカ水道協会研究財団。2007 年。2007 年 4 月 22 日 https://web.archive.org/web/20070928102105/http://www.awwarf.org/research/TopicsAndProjects/topicSnapShot.aspx?Topic=Organic。
• アメリカ合衆国、米国地質調査所。地球の水分布。2007 年 5 月 10 日。http://ga.water.usgs.gov/edu/waterdistribution.html
• Water Sheds: 有機物。ノースカロライナ州立大学。2007 年 5 月 1 日 http://www.water.ncsu.edu/watershedss/info/norganics.html 2014 年 3 月 14 日にWayback Machineにアーカイブされました。