El Ciclo del Nitrógeno: De microbios y de hombres
¿Sabías que todos los organismos necesitan nitrógeno para sobrevivir? Si bien la atmósfera está llena de nitrógeno, se encuentra en una forma que los seres vivos no pueden utilizar. Los procesos dentro del ciclo del nitrógeno convierten el nitrógeno de la atmósfera en una forma que las plantas y los animales puedan utilizar. Los seres humanos alteran e influyen en el ciclo del nitrógeno, principalmente mediante el uso de fertilizantes, lo que puede tener graves consecuencias medioambientales.
El Nitrógeno (N), el ladrillo que construye la vida, es un componente esencial del ADN, del ARN, y de las proteínas. Todos los organismos requieren nitrógeno para vivir y crecer. A pesar que la mayoría del aire que respiramos es N2, la mayoría del nitrógeno en la atmósfera no está al alcance para el uso de los organismos. La razón reside en que debido al fuerte enlace triple entre los átomos N en las moléculas de N2, el nitrógeno es relativamente inerte. En realidad, para que las plantas y los animales puedan usar nitrógeno, el gas N2 tiene primero que ser convertido a una forma química disponible como el amonio (NH4+), el nitrato (NO3-), o el nitrógeno orgánico (e.g. urea - (NH3)2CO). La naturaleza inerte del N2 significa que el nitrógeno biológico disponible es, a menudo, escaso en los ecosistemas naturales. Esto limita el crecimiento de las plantas y la acumulación de biomasa.
El Nitrógeno es un elemento increiblemente versátil que existe en forma inorgánica y orgánica, a la vez que en muchos y diferentes estados de oxidación. El movimiento del nitrógeno entre la atmósfera, la bioesfera y la geoesfera en sus diferentes formas está descrito en el ciclo del nitrógeno (Figura 1). Éste es uno de los ciclos biogeoquímicos más importantes. Al igual que el ciclo carbónico, el ciclo del nitrógeno consiste en varios bancos o bolsas de almacenamiento de nitrógeno y de procesos por los cuales las bolsas intercambian nitrógeno (flechas).
Figura 1: El Ciclo del nitrógeno. Las flechas amarillas indican las fuentes humanas de nitrógeno para el ambiente. Las flechas rojas indican las transformaciones microbianas del nitrógeno. Las flechas azules indican las fuerzas físicas que actuan sobre el nitrógeno. Y las flechas verdes indican los procesos naturales y no microbianas que afectan la forma y el destino del nitrógeno.
Procesos en el ciclo del nitrógeno
Los procesos principales que componen el ciclo del nitrógeno que pasa por la bioesfera, la atmósfera y la geoesfera son cinco: la fijación del nitrógeno, la toma de nitrógeno (crecimiento de organismos), la mineralización del nitrógeno (desintegracion), la nitrificación y la denitrificación. Los microorganismos, particularmente las bacterias, juegan un importante papel en todos las principales transformaciones del nitrógeno. Como procesos de mediación microbiales, estas transformaciones de nitrógeno ocurren generalmente más rápido que los procesos geológicos, tales como los movimientos de placas que es un proceso puramente físico que hace parte del ciclo carbónico. En el caso de los procesos de mediación microbianas, la velocidad se ve afectada por factores ambientales como la temperatura, la humedad y la disponibilidad de recursos que influyen la actividad microbiana.
Punto de Comprensión
Figura 2: Parte del sistema de raíz en forma de trébol, o triple, tiene lugar gracias a los nódulos de Rhizobium, que es la bacteria que fija el nitrógeno atmosférico. Cada nódulo mide apróximadamente 2-3 mm. de largo. La imágen es cortesía de ttp://helios.bto.ed.ac.uk/bto/microbes/nitrogen.htm.
image ©The Microbial WorldLa Fijación del Nitrógeno
N2 
NH4+ La fijación del nitrógeno es un proceso en el cual el N2 se convierte en amonio. Éste es esencial porque es la única manera en la que los organismos puede obtener nitrógeno directamente de la atmósfera. Algunas bacterias, por ejemplo las del género Rhizobium, son los únicos organismos que fijan el nitrógeno a través de procesos metabólicos. Esta simbiosis ocurre de manera bien conocida, en la familia de las legumbres (por ejemplo, fríjoles, arbejas y tréboles). En esta relación, la bacteria que fija el nitrógeno habita los nódulos de las raíces de las legumbres (Figura 2) y reciben carbohidratos y un ambiente favorable de su planta anfitriona a cambio de parte del nitrógeno que ellas fijan. También hay bacterias que fijan el nitrógeno que existe, sin plantas anfitrionas. Éstas son conocidas como fijadores de nitrógeno libre sin límites. En ambientes acuáticos, las algas azules verdosas (en realidad una bacteria llamada cianobacteria) es una importante fijadora de nitrógeno libre sin límites.
Además del nitrógeno que fija la bacteria, eventos de alta energía natural, tales como los relámpagos, fuegos forestales, y hasta flujos de lava, pueden causar la fijación de pequeñas, pero significativas cantidades de nitrógeno. (Figura 3). La alta energía de estos fenómenos naturales puede romper los enlaces triples de las moléculas de N2, haciendo alcanzables átomos individuales de N para la transformación química.
En el curso del último siglo, los humanos se han convertido en fuentes fijas de nitrógeno, tan importantes como todas las fuentes naturales de nitrógeno combinadas: quemando combustible de fósiles, usando fertilizantes nitrogenados sintéticos y cultivando legumbres que fijan nitrógeno . A través de estas actvidades, los humanos han duplicado la cantidad de nitrogeno fijada que se dispersa en la bioesfera cada año (Figura 3). En seguida se discute las consecuencias de este proceso.
Figura 3: El aumento reciente de la fijación antropogénica N en relación a la fijación 'natural'. Modificado de Vitousek, P. M. and P. A. Matson (1993). Agriculture, the global nitrogen cycle, and trace gas flux. The Biogeochemistry of Global Change: Radiative Trace Gases. R. S. Oremland. New York, Chapman and Hall: 193-208.
La toma del Nitrógeno
El amonio producido por el nitrógeno que fija la bacteria es usualmente incorporado rápidamente en la proteína y otros compuestos de nitrógeno orgánico, ya sea por la planta anfitriona, por la misma bacteria, o por otro organismo del suelo. Cuando los organismos más cercanos a lo alto de la cadena alimenticia (como nosotros!) comen, usan el nitrógeno que ha sido inicialmente fijado por el nitrógeno que fija la bacteria.
La Mineralización del Nitrógen
Después de que el nitrógeno se incorpora en la materia orgánica, frecuentemente se vuelve a convertir en nitrógeno inorgánico a través de un proceso llamado mineralización del nitrógeno, también conocido como desintegración. Cuando los organismos mueren, las materias de descomposición (como la bacteria y los hongos) consumen la materia orgánica y llevan al proceso de descomposición. Durante este proceso, una cantidad significativa del nitrógeno contenido dentro del organismo muerto se convierte en amonio. Una vez que el nitrógeno está en forma de amonio, está también disponible para ser usado por las plantas o para transformaciones posteriores en nitrato (NO3-) a través del proceso llamado nitrificación.
Nitrificación
Parte del amonio producido por la descomposición se convierte en nitrato a través de un proceso llamado nitrificación. Las bacterias que llevan a cabo esta reacción obtienen energía de sí misma. La nitrificación requiere la presencia del oxígeno. Por consiguiente, la nitrificación puede suceder sólamente en ambientes ricos de oxígeno, como las aguas que circulan o que fluyen y las capas de la superficie de los suelos y sedimentos. El proceso de nitrificación tiene algunas importantes consecuencias. Los iones de amonio tienen carga positiva y por consiguiente se pegan a partículas y materias orgánicas del suelo que tienen carga negativa. La carga positiva previene que el nitrógeno de amonio sea barrido (o lixiviado) del suelo por las lluvias. Por otro lado, el ión de nitrato con carga negativa no se mantiene en las partículas del suelo y puede ser barrido del perfil de suelo. Esto lleva a una disminución de la fertilidad del suelo y a un enriquecimiento de nitrato de las aguas corrientes de la superficie y del subsuelo.
La Denitrificación
A través de la denitrificación, las formas oxidadas de nitrógeno como el nitrato y el nitrito (NO2-) se convierten en dinitrógeno (N2) y, en menor medida, en gas óxido nitroso. La denitrificación es un proceso anaeróbico llevado a cabo por la bacteria que denitrifica, que convierte el nitrato en dinitrógeno en la siguiente secuencia:
El óxido nítrico y el óxido nitroso son gases importantes para el ambiente. El óxido nítrico (NO) contribuye a formar smog, y el óxido nitroso (N2O) es un gas de invernadero importante, por lo que contribuye a los cambios globales climatológicos.
Una vez que se conviete en dinitrógeno, el nitrógeno tiene pocas posibilidades de reconvertirse en una forma biológica disponible, ya que es un gas y se pierde rapidamente en la atmósfera. La denitrificación es la única trasformación del nitrógeno que remueve el nitrógeno del ecosistema (que es esencialmente irreversible), y aproximadamente balancea la cantidad de nitrógeno fijado por los fijadores de nitrógeno descritos con anterioridad.
Punto de Comprensión
La alteración humana del ciclo del N y sus consecuencias ambientales
A principios del siglo 20, un científico alemán llamado Fritz Haber descubrió como acortar el ciclo del nitrógeno fijando quimicamente el nitrógeno a altas temperaturas y presiones, creando así fertilizantes que podían ser añadidos directamente al suelo. Esta tecnología se extendió rápidamente durante el último siglo. Junto al advenimiento de nuevas variedades de cultivo, el uso de fertilizantes de nitrógeno sintético ha traído un enorme crecimiento en la productividad agricola. Esta productividad agricola nos ha ayudado a alimentar a una población mundial en rápido crecimiento, pero el aumento de la fijación del nitrógeno también ha traído algunas consecuencias negativas. Aunque las consecuencias no sean tan obvias como el aumento de las temperaturas globales o el agujero de la capa de ozono, son muy serias y potencialmente dañinas para los humanos y otros organismos.
No todos los fertilizantes de nitrógeno aplicados a los campos de la agricultura se mantienen para alimentar los cultivos. Algunos son barridos de los campos de agricultura por la lluvia o el agua de irrigación, y son lixiviados en la superficie o en el agua del suelo y pueden acumularse. En el agua del suelo que se usa como fuente de agua potable, el nitrógeno excesivo puede provocar cancer en los humanos y dificultades respiratorias en los niños. La U.S. Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) ha establecido un standard de nitrógeno para el agua potable que es de 10 mg por litro de nitrato-N. Desafortunadamente, muchos sistemas (particularmente en las áreas de agricultura) ya exceden estos niveles. En comparación, los niveles de nitrato en las aguas que no han sido alteradas por la actividad humana y rara vez son mayores de 1 mg/L. En las aguas de la superficie, el nitrógeno añadido puede provocar un enriquecimiento excesivo de nutrientes, particularmente en las aguas de la costa que reciben afluencia de los ríos polucionados. A este enriquecimiento excesivo de nutrientes, también llamado eutroficación, se lo acusa del aumento de la frecuencia de eventos que matan a los peces de la costa, del aumento de la frecuencia del florecimiento de algas dañinas y de cambios en las especies dentro del ecosistema de la costa.
El nitrógeno reactivo (como el NO3- and NH4+) que se encuentra en el agua y suelos de la superficie, también puede ingresar en la atmósfera como el componente del smog óxido nítrico (NO) y el gas de invernadero óxido nitroso (N2O). Eventualmente, este nitrógeno atmosférico puede ser soplado en ambientes terrestres que son sensibles al nitrógeno causando cambios de largo plazo. Por ejemplo, los óxidos de nitrógeno contienen una porción significativa de la acidez en la lluvia ácida que es la causante de la deforestación en partes de Europa y del Noreste de Estados Unidos. El aumento de depósitos de nitrógeno atmosférico también causa los cambios más sutiles en las especies dominantes y funciones del ecosistema en algunos bosques y prados. Por ejemplo, en los suelos serpentina con poco nitrógeno de los prados del Norte de California, los conjuntos de plantas se han limitado históricamente a las especies nativas que pueden sobrevivir sin mucho nitrógeno. En este momento, hay evidencia que los niveles elevados de entrada de N atmosférico proveniente del desarrollo industrial y agrícola, han allanado el camino para una invasión de plantas no nativas. Como se ha señalado con anterioridad, el NO es un factor esencial en la formación del smog, que también causa enfermedades respiratorias como el asma en niños y adultos.
Actualmente, hay muchas investigaciones dedicadas a entender los efectos del enriquecimiento del nitrógeno en el aire, en el agua del subsuelo, y en el agua en la superficie. Los científicos también están explorando prácticas agrícolas alternativas, que sostendrán una alta productividad, a la vez que disminuirán los impactos negativos causados por el uso de fertilizantes. Estos estudios no sólo nos ayudan a cuantificar cómo los humanos hemos alterado el mundo natural, sino también a aumentar nuestro conocimiento sobre los procesos que forman el ciclo del nitrógeno.
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