¿Qué es exactamente el ciclo del nitrógeno?

El nitrógeno, el elemento más abundante en nuestra atmósfera, es crucial para la vida. El nitrógeno se encuentra en los suelos y las plantas, en el agua que bebemos y en el aire que respiramos. También es esencial para la vida: un componente clave del ADN, que determina nuestra genética, es esencial para el crecimiento de las plantas y, por tanto, necesario para los alimentos que cultivamos. Pero, como en todo, la clave está en el equilibrio: con muy poco nitrógeno, las plantas no pueden desarrollarse, lo que reduce el rendimiento de los cultivos; pero demasiado nitrógeno puede ser tóxico para las plantas y dañar el medio ambiente. Las plantas que no tienen suficiente nitrógeno se vuelven amarillentas, no crecen bien y pueden tener flores y frutos más pequeños. Los agricultores pueden añadir fertilizantes nitrogenados para producir mejores cosechas, pero en exceso puede perjudicar a plantas y animales, y contaminar nuestros sistemas acuáticos. Comprender el ciclo del nitrógeno -cómo el nitrógeno se desplaza de la atmósfera a la tierra, a través de los suelos y de vuelta a la atmósfera en un ciclo sin fin- puede ayudarnos a cultivar cosechas sanas y a proteger nuestro medio ambiente.

 

INTRODUCCIÓN

El nitrógeno, o N, según su abreviatura científica, es un elemento incoloro e inodoro. El nitrógeno está en el suelo bajo nuestros pies, en el agua que bebemos y en el aire que respiramos. De hecho, el nitrógeno es el elemento más abundante en la atmósfera terrestre: ¡aproximadamente 78% de la atmósfera es nitrógeno! El nitrógeno es importante para todos los seres vivos, incluidos nosotros. Desempeña un papel clave en el crecimiento de las plantas: si hay muy poco nitrógeno, las plantas no pueden desarrollarse, lo que provoca un bajo rendimiento de los cultivos; pero demasiado nitrógeno puede ser tóxico para las plantas [1]. El nitrógeno es necesario para nuestro suministro de alimentos, pero un exceso de nitrógeno puede dañar el medio ambiente.

 

¿POR QUÉ ES IMPORTANTE EL NITRÓGENO?

El delicado equilibrio de sustancias que es importante para mantener la vida es un importante campo de investigación, y el equilibrio del nitrógeno en el medio ambiente no es una excepción [2]. Cuando las plantas carecen de nitrógeno, se vuelven amarillentas, con un crecimiento atrofiado, y producen frutos y flores más pequeños. Los agricultores pueden añadir fertilizantes que contienen nitrógeno a sus cultivos, para aumentar su crecimiento. Sin fertilizantes nitrogenados, los científicos estiman que perderíamos hasta un tercio de los cultivos de los que dependemos para la alimentación y otros tipos de agricultura. Pero necesitamos saber cuánto nitrógeno es necesario para el crecimiento de las plantas, porque demasiado puede contaminar los cursos de agua, perjudicando la vida acuática.

 

EL NITRÓGENO ES LA CLAVE DE LA VIDA

El nitrógeno es un elemento clave en los ácidos nucleicos ácido DNADeoxirribonucleico, un material autorreplicante que está presente en casi todos los organismos vivos como principal componente de los cromosomas y portador de la información genética. y el ácido RNARibonucleico, un ácido nucleico presente en todas las células vivas, actúa como mensajero portador de las instrucciones del ADN. que son las más importantes de todas las moléculas biológicas y cruciales para todos los seres vivos. El ADN transporta la información genética, es decir, las instrucciones para constituir una forma de vida. Cuando las plantas no reciben suficiente nitrógeno, son incapaces de producir aminoácidos (sustancias que contienen nitrógeno e hidrógeno y componen muchas de las células vivas, músculos y tejidos). Sin aminoácidos, las plantas no pueden fabricar las proteínas especiales que las células vegetales necesitan para crecer. Sin suficiente nitrógeno, el crecimiento de las plantas se ve afectado negativamente. Con demasiado nitrógeno, las plantas producen un exceso de biomasa, o materia orgánica, como tallos y hojas, pero no suficiente estructura radicular. En casos extremos, las plantas con niveles muy altos de nitrógeno absorbido del suelo pueden envenenar a los animales de granja que las consumen [3].

¿QUÉ ES EXACTAMENTE EL CICLO DEL NITRÓGENO?

El ciclo del nitrógeno es un ciclo repetitivo de procesos durante los cuales el nitrógeno se desplaza a través de los seres vivos y no vivos: la atmósfera, el suelo, el agua, las plantas, los animales y las bacteriasOrganismos vivos microscópicos que suelen contener una sola célula y se encuentran en todas partes. Las bacterias pueden provocar la descomposición de la materia orgánica del suelo. Para desplazarse por las distintas partes del ciclo, el nitrógeno debe cambiar de forma. En la atmósfera, el nitrógeno existe como gas (N2), pero en los suelos existe como óxido de nitrógeno, NO, y dióxido de nitrógeno, NO2, y cuando se utiliza como fertilizante, puede encontrarse en otras formas, como el amoníaco, NH3, que puede procesarse aún más en un fertilizante diferente, el nitrato de amonio, o NH4NO3.

 

El ciclo del nitrógeno consta de cinco etapas, de las que hablaremos a continuación: fijación o volatilización, mineralización, nitrificación, inmovilización y desnitrificación. En esta imagen, los microbios del suelo convierten el nitrógeno gaseoso (N2) en amoníaco volátil (NH3), por lo que el proceso de fijación se denomina volatilización. LixiviaciónCuando un mineral o producto químico (como el nitrato, o NO3) se escurre del suelo o de otro material del suelo y se filtra a los alrededores. es cuando ciertas formas de nitrógeno (como el nitrato, o NO3) se disuelven en el agua y se filtran fuera del suelo, contaminando potencialmente las vías fluviales.

 

ETAPA 1: FIJACIÓN DEL NITRÓGENO

En esta etapa, el nitrógeno pasa de la atmósfera al suelo. La atmósfera terrestre contiene una enorme reserva de nitrógeno gaseoso (N2). Pero este nitrógeno "no está disponible" para las plantas, porque la forma gaseosa no puede ser utilizada directamente por las plantas sin sufrir una transformación. Para ser utilizado por las plantas, el N2 debe transformarse mediante un proceso llamado fijación del nitrógeno. La fijación convierte el nitrógeno de la atmósfera en formas que las plantas pueden absorber a través de sus sistemas radiculares.

 

Una pequeña cantidad de nitrógeno puede fijarse cuando un rayo proporciona la energía necesaria para que el N2 reaccione con el oxígeno, produciendo óxido de nitrógeno, NO, y dióxido de nitrógeno, NO2. Estas formas de nitrógeno entran en el suelo a través de la lluvia o la nieve. El nitrógeno también puede fijarse a través del proceso industrial que crea fertilizantes. Esta forma de fijación se produce a alta temperatura y presión, durante la cual el nitrógeno atmosférico y el hidrógeno se combinan para formar amoníaco (NH3), que puede ser procesado posteriormente, para producir nitrato de amonio (NH4NO3), una forma de nitrógeno que puede añadirse a los suelos y ser utilizado por las plantas.

 

La mayor parte de la fijación del nitrógeno se produce de forma natural, en el suelo, por bacterias. En la Figura 3 (arriba), se puede ver la fijación del nitrógeno y el intercambio de forma que se produce en el suelo. Algunas bacterias se adhieren a las raíces de las plantas y mantienen con ellas una relación simbiótica (beneficiosa tanto para la planta como para la bacteria) [6]. Las bacterias obtienen energía a través de la fotosíntesis y, a cambio, fijan el nitrógeno en una forma que la planta necesita. El nitrógeno fijado se transporta a otras partes de la planta y se utiliza para formar tejidos vegetales, de modo que la planta pueda crecer. Otras bacterias viven libremente en el suelo o en el agua y pueden fijar el nitrógeno sin esta relación simbiótica. Estas bacterias también pueden crear formas de nitrógeno que pueden ser utilizadas por los organismos.

 

Figura 3 - Etapas del ciclo del nitrógeno.

Figura 3 - Etapas del ciclo del nitrógeno.

El ciclo del nitrógeno: El ciclo del nitrógeno a través de sus diversas formas en el suelo determina la cantidad de nitrógeno disponible para que lo absorban las plantas. Fuente: https://www.agric.wa.gov.au/soil-carbon/immobilisation-soil-nitrogen-heavy-stubble-loads.

FASE 2: MINERALIZACIÓN

Esta etapa tiene lugar en el suelo. El nitrógeno pasa de los materiales orgánicos, como el estiércol o los materiales vegetales, a una forma inorgánica de nitrógeno que las plantas pueden utilizar. Finalmente, los nutrientes de la planta se agotan y ésta muere y se descompone. Esto adquiere importancia en la segunda etapa del ciclo del nitrógeno. La mineralización se produce cuando los microbios actúan sobre la materia orgánica, como el estiércol animal o la materia vegetal o animal en descomposición, y comienzan a convertirla en una forma de nitrógeno que puede ser utilizada por las plantas. Todas las plantas cultivadas, excepto las leguminosasMiembro de la familia de los guisantes: alubias, lentejas, soja, cacahuetes y guisantes, son plantas con vainas de semillas que se parten por la mitad. (plantas con vainas de semillas que se parten por la mitad, como las lentejas, las judías, los guisantes o los cacahuetes) obtienen el nitrógeno que necesitan a través del suelo. Las leguminosas obtienen el nitrógeno a través de la fijación que se produce en sus nódulos radiculares, como se ha descrito anteriormente.

La primera forma de nitrógeno producida por el proceso de mineralización es el amoníaco, NH3. El NH3 del suelo reacciona con el agua para formar amonio, NH4. Este amonio se mantiene en el suelo y está disponible para ser utilizado por las plantas que no obtienen nitrógeno a través de la relación simbiótica de fijación de nitrógeno descrita anteriormente.

FASE 3: NITRIFICACIÓN

La tercera etapa, la nitrificación, también se produce en los suelos. Durante la nitrificación, el amoníaco de los suelos, producido durante la mineralización, se convierte en unos compuestos llamados nitritos, NO2-, y nitratos, NO3-. Los nitratos pueden ser utilizados por las plantas y los animales que las consumen. Algunas bacterias del suelo pueden convertir el amoníaco en nitritos. Aunque los nitritos no son directamente utilizables por plantas y animales, otras bacterias pueden transformar los nitritos en nitratos, una forma que sí es utilizable por plantas y animales. Esta reacción proporciona energía a las bacterias que participan en el proceso. Las bacterias de las que hablamos se llaman nitrosomonas y nitrobacter. Las nitrobacter transforman los nitritos en nitratos; las nitrosomonas transforman el amoníaco en nitritos. Ambos tipos de bacterias sólo pueden actuar en presencia de oxígeno, O2 [7]. El proceso de nitrificación es importante para las plantas, ya que produce un alijo extra de nitrógeno disponible que puede ser absorbido por las plantas a través de sus sistemas radiculares.

ETAPA 4: INMOVILIZACIÓN

La cuarta etapa del ciclo del nitrógeno es la inmovilización, a veces descrita como la inversa de la mineralización. Estos dos procesos controlan conjuntamente la cantidad de nitrógeno de los suelos. Al igual que las plantas, los microorganismos que viven en el suelo necesitan nitrógeno como fuente de energía. Estos microorganismos del suelo extraen nitrógeno del suelo cuando los residuos de las plantas en descomposición no contienen suficiente nitrógeno. Cuando los microorganismos toman amonio (NH4+) y nitrato (NO3-), estas formas de nitrógeno ya no están disponibles para las plantas y pueden causar deficiencia de nitrógeno, o falta de nitrógeno. La inmovilización, por tanto, retiene el nitrógeno en los microorganismos. Sin embargo, la inmovilización es importante porque ayuda a controlar y equilibrar la cantidad de nitrógeno en los suelos al fijarlo, o inmovilizarlo, en los microorganismos.

ETAPA 5: DESNITRIFICACIÓN

En la quinta etapa del ciclo del nitrógeno, el nitrógeno vuelve al aire al ser convertido los nitratos en nitrógeno atmosférico (N2) por bacterias mediante el proceso que denominamos desnitrificación. El resultado es una pérdida global de nitrógeno de los suelos, ya que la forma gaseosa del nitrógeno se desplaza a la atmósfera, de vuelta al punto en el que comenzamos nuestra historia.

EL NITRÓGENO ES CRUCIAL PARA LA VIDA

El ciclo del nitrógeno a través del ecosistema es crucial para mantener ecosistemas productivos y sanos sin demasiado nitrógeno ni demasiado poco. La producción vegetal y la biomasa (materia viva) están limitadas por la disponibilidad de nitrógeno. Entender cómo funciona el ciclo del nitrógeno entre la planta y el suelo puede ayudarnos a tomar mejores decisiones sobre qué cultivos cultivar y dónde hacerlo, para que tengamos un suministro adecuado de alimentos. El conocimiento del ciclo del nitrógeno también puede ayudarnos a reducir la contaminación causada por la adición de demasiados fertilizantes a los suelos. Ciertas plantas pueden absorber más nitrógeno u otros nutrientes, como el fósforo, otro fertilizante, e incluso pueden utilizarse como "amortiguador", o filtro, para evitar que el exceso de fertilizante entre en los cursos de agua. Por ejemplo, un estudio realizado por Haycock y Pinay [8] demostró que los álamos (Populus italica) utilizados como tampón retenían 99% del nitrato que entraba en el caudal subterráneo durante el invierno, mientras que una zona de ribera cubierta con una hierba específica (Lolium perenne L.) retenía hasta 84% del nitrato, impidiendo que entrara en el río.

Como has visto, la falta de nitrógeno en el suelo deja a las plantas hambrientas, mientras que el exceso de algo bueno puede ser malo: ¡el exceso de nitrógeno puede envenenar las plantas e incluso el ganado! La contaminación de nuestras fuentes de agua por exceso de nitrógeno y otros nutrientes es un problema enorme, ya que la vida marina está siendo asfixiada por la descomposición de las floraciones de algas muertas. Los agricultores y las comunidades tienen que trabajar para mejorar la absorción de nutrientes añadidos por los cultivos y tratar adecuadamente los residuos de estiércol animal. También hay que proteger las zonas naturales de amortiguación vegetal que pueden absorber la escorrentía de nitrógeno antes de que llegue a las masas de agua. Pero la tendencia actual a talar árboles para construir carreteras y otras obras agrava el problema, porque quedan menos plantas que absorban el exceso de nutrientes. Tenemos que seguir investigando para determinar qué especies de plantas son las mejores para crecer en las zonas costeras y absorber el exceso de nitrógeno. También tenemos que encontrar otras formas de solucionar o evitar el problema del exceso de nitrógeno en los ecosistemas acuáticos. Si trabajamos para comprender mejor el ciclo del nitrógeno y otros ciclos que intervienen en los sistemas naturales interconectados de la Tierra, podremos entender mejor cómo proteger los valiosos recursos naturales del planeta.