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土壤研究员藤井先生，今天想向您请教有关“酶的可能性”的问题。我们平时所说的“土壤”是只有地球上有，而其他行星上没有，是这样吧。那么它到底是怎么来的呢？
藤井先生
首先，土壤中的“粘土”和“砂粒”都源自岩石。另一种成分，则由落叶等植物腐烂后形成，被称为腐殖质的物质。树叶落下后，首先会成为能被独角仙等昆虫吃掉的腐叶土，然后再被微生物蚕食，而最后的“残羹冷炙”便是腐殖质。
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在所有落叶中，大约有多少最终变成腐殖质呢？
藤井先生
绝大部分都被微生物分解掉，只有约1%能转化为黑色的腐殖质。剩余99%的碳则以二氧化碳的形式循环回到大气中。
据说，在1g土壤中，光是微生物和细菌就有50亿个。其他还有霉菌、蘑菇等菌类。但由于这些都是与动物相似的多细胞生物，很难说清从哪儿到哪儿是一个个体，所以难以统计它们的数量。除此以外还存在着一些古细菌，而这些种类不同的群落统称为土壤微生物，它们通过酶的作用进行活动，这便是土壤的世界。
古细菌是生活在接近原始地球环境中的微生物，它的同伴还参与土壤中氨的分解等。土壤微生物通过各种酶的作用分解有机物。
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藤井先生开始研究土壤的原因，正如他所著的书名一样，“当未来世界人口达到100亿时，该如何使土壤具备足以养活我们的生产力呢？”，其初衷是想要解决粮食危机。那么地球土壤的生产力提升，是否真的已经达到了极限呢？
藤井先生
我把世界上的土壤大致分为12种，但只有其中3种可以称之为“肥沃的土壤”。粮食生产中是什么决定了土壤肥力，即土壤生产力？那就是水和营养成分。在释放落叶和腐殖质中的营养物质这方面，微生物发挥着至关重要的作用。
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为了让落叶释放营养成分，需要加入酶制剂让其溶解于水。以人类的食物为例，当我们把食物放进嘴里后，可能就以为食物会被吸收，但其实我们只是把食物放进了消化器的“中间的洞”里，并未被消化吸收。之后，必须在肠道细菌酶的帮助下，我们才能消化并吸收约60%的食物，然后再将剩余的部分排出体外。
比如，蔬菜中的食物纤维单靠人的消化酶无法分解，因此还需要借助肠道细菌中酶的力量进行消化！
藤井先生
从大约40亿年前生命诞生之时起直至今天，细胞一直遵循着叫做“膜渗透”的原理，就是细胞只能吸收溶解在水中的物质。不管是植物、动物、还是微生物，在各个细胞层面都遵循着同样的规则。而负责将营养物质溶解在水中的，就是酶制剂。
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土壤中微生物的酶分解能力应该比人体肠道中的细菌更强吧。
藤井先生
是的。但相对的也需要更长的时间。与肠道相比，土壤的含氧量丰富，但营养成分较少，竞争对手也多。在我的研究中，我把它称为“分解酶的系统”，但它并不是仅在一种酶的作用下成立，而是需要由多种微生物来共同分解落叶，从这个意义上来说，它不是独奏，而是一个庞大的“管弦乐团”。
藤井先生
氮是土壤中最重要的营养成分。比如，在路边一些只有碎石的地方，有时候会长出紫云英和苜蓿（白三叶）。它们不依靠外界就可以自己生产肥料。豆科植物可以用氮气制造氨气，而这要归功于一种共生在它们根部的微生物——根瘤菌。
这种细菌具有一种叫做固氮酶的酶，拥有固氮的能力，所以能够把空气中的氮气转化为氨气，也就是肥料。
固氮酶是一种能将氮分子转化成氨的酶，这种反应非常复杂。而它对氧气的抵抗力又很弱，所以要将其小心翼翼地保管在微生物内氧气较少的地方。
藤井先生
固氮植物的落叶几乎不溶于水。微生物首先产生一种酶，其叫蛋白酶，它将蛋白质分解成氨基酸，之后微生物吸收氨基酸后释放出氨，再由硝化细菌转化为硝酸.......每一步都有不同的酶参与其中。植物靠着这样一个循环来成长。
最近也出现了用测试一种名为“土壤酶”活性的方法来分析“土质的优化程度”的研究。
藤井先生
没错。分解蛋白质的酶——叫蛋白酶，分解碳源的酶——叫β-葡糖苷酶，这些基础酶都是土壤中微生物活性的指标。也有些农民会检测土壤中微生物和酶的活性，以便进行土壤管理。与以前相比，现在的价格已经非常便宜了。
由于酶的反应系统非常复杂，据说在某些时候，堆肥可能要在地里呆上2～3年才能被正常使用。
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在以前的农作业中，农民一定是凭直觉和各种经验来测算微生物的酶反应时间吧。
藤井先生
传统的堆肥方法，现在已经得到了科学验证。有机物分解的过程，大部分都是有酶参与的反应，但它不是单一的酶，而是多种酶，由各种不同因素共同作用。这就像人类社会一样，土壤中也有着这样一个“复杂社会”。
藤井先生
在数亿年前，微生物和植物就已经拥有了固氮的能力，但人类却没有这种能力。所以我们一直通过紫云英以及同为豆科的苜蓿等来制造氮，然后再将其作为绿肥撒在田里。或者用来喂牛，再把牛的排泄物撒在田里，用来改善土壤。
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就是所谓的厩肥吧。
藤井先生
但在1910年左右，终于发明出了用氢气和氮气化学合成氨的“哈伯·博施法”。不过这种方法需要使用煤炭和石油，尽管需要耗费巨大的能源，但至少人类已经可以在没有酶的情况下可以生成肥料。对了，当时的世界人口约为19亿。
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才不到现在（2019年的人口为77亿人）的三分之一。
藤井先生
地球上由微生物和植物产生的天然氮、及固氮酶等酶所产生的氮量，一共约有1亿吨。自然界生物酶所产生的氮量决定着土壤的肥力和粮食的生产能力。这就是为什么世界人口没有再增加的原因。
藤井先生
如今我们生活在可以通过在土壤中添加化学肥料来提高农作物产量的时代。氮含量已超过近1亿吨，并且仍在不断增加。所以世界总人口数已经超过70亿，到21世纪中叶估计能达到100亿。
藤井先生
对了，关于施多少肥料合适这个问题，还有一点需要注意，如果施肥过多，植物也不能全部吸收。我们可以计算施的肥中有多少氮是被粮食所利用的，通过计算就会发现其实全球平均氮利用效率仅为40%，而其中60%属于浪费。
在很多发展中国家流传着一个神话，认为“只要施肥越多，产量就越高，农作物也越长越多”。但其实并非如此，多余的氮不仅会流入河流，还会造成江河湖泊中的藻类过度生长，目前氮过剩已经成为了一个大问题。
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富营养化是导致化学肥料污染环境、破坏生态系统平衡的原因。这也跟人类成功地生成了比自然界更多的氮有很大的关系......。
藤井先生
不仅仅是造成水污染，如果多余的氮留在土壤里则会变得更麻烦。当氨变为硝酸时，土壤就会变成酸性。这可不是“明年再吸收就好了”这么简单的事情。
如果想让土壤回归中性，就必须撒石灰才行。先在地里施了过多的氮后又要撒石灰来处理的话，农民就浪费了两倍的钱。
除了石灰的问题，磷的过量使用也是一个亟待解决的问题。有些磷尽管在土壤中不容易被植物吸收，但通过一种叫做磷酸酶的作用可以帮助植物更好地利用磷。
藤井先生
目前为了应对粮食危机，人类只是克服了氮的问题。但依然存在着磷、钙等各种营养成分的问题，这些问题都限制着土壤的生产力。
而且水的问题也一直都存在着。如果从“过度增加会污染环境”这个角度来说，氮反而阻碍了人类的健康成长。
氮超标所导致的环境污染问题让人十分担心。如果酶可以派上用场那就太完美啦。
藤井先生
碳会造成全球变暖等问题，这很容易理解，所以就有了征缴“碳税”等想法。但大家对氮的问题却并不是那么了解。除肥料外，腐殖质中也有氮。如果能够借助酶的力量把这些氮分解并好好利用，就可以减少化肥的浪费，所以现在也在进行这方面技术的研究。
拥有研究土壤多年经验的藤井先生告诉我们，“土壤中微生物的作用极其复杂”。人类也是在19世纪之后才发现了酶。让我们回溯到史前，通过土壤的历史变化来探索酶的诞生历程吧。
→于＜后篇＞继续酶活跃在这个世界的每个角落，我们正在探寻它们全新的可能性。
在本栏目中，我们会与“小酶同学”一起探访如今活跃在各个领域的人们，听他们讲述自己的故事。