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Lecciones de biología

Curso: Lecciones de biología > Unidad 28

Lección 7: Ciclos biogeoquímicos
Ciencia
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Ecología
Ciclos biogeoquímicos
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El ciclo del nitrógeno

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El papel fundamental de los microorganismos en la fijación del nitrógeno. Cómo el uso excesivo de fertilizantes nitrogenados puede provocar la proliferación de algas.

Puntos más importantes

  • El nitrógeno es un componente esencial de los cuerpos de los seres vivos. Los átomos de nitrógeno se encuentran en todas las proteínas y en el ADN.
  • El nitrógeno existe en la atmósfera como N2 gaseoso. Durante la fijación del nitrógeno, las bacterias convierten el N2 en amoníaco, una forma de nitrógeno que puede ser utilizada por las plantas. Cuando los animales comen plantas, adquieren compuestos nitrogenados que pueden utilizar.
  • El nitrógeno es un nutriente limitante común en la naturaleza y la agricultura. Un nutriente limitante es aquel que está disponible en una cantidad mínima y por lo tanto limita el crecimiento.
  • Cuando los fertilizantes que contienen nitrógeno y fósforo llegan a los ríos y lagos, pueden provocar florecimientos de algas, proceso conocido como eutrofización.

Introducción

¡El nitrógeno está en todas partes! De hecho el N2 gaseoso compone alrededor del 78% del volumen de la atmósfera de la Tierra, lo que sobrepasa con mucho al O2 que consideramos "aire"1.
Pero tener nitrógeno a nuestro alrededor y ser capaz de aprovecharlo son dos cosas muy distintas. Tu cuerpo, y el de las plantas y animales, no tienen la capacidad de convertir el N2 a una forma utilizable. Nosotros los animales, y nuestras amigas las plantas, no tenemos las enzimas para capturar o fijar el nitrógeno atmosférico.
Aun así, tu ADN y tus proteínas tienen una buena cantidad de nitrógeno. ¿De dónde viene ese nitrógeno? En el mundo natural ¡proviene de las bacterias!

Las bacterias juegan un papel fundamental en el ciclo del nitrógeno.

El nitrógeno ingresa al mundo de lo vivo por medio de las bacterias y otros procariontes unicelulares que convierten el nitrógeno atmosférico, N2, en formas biológicamente utilizables mediante un proceso llamado fijación del nitrógeno. Algunas especies de bacterias fijadoras de nitrógeno viven libremente en el suelo o el agua, mientras que otras son simbiontes benéficos que viven dentro de las plantas.
Los microorganismos fijadores de nitrógeno capturan el nitrógeno atmosférico al convertirlo en amoníaco, NH3, el cual puede ser absorbido y utilizado por las plantas para producir moléculas orgánicas. Las moléculas nitrogenadas pasan a los animales cuando estos consumen plantas, y una vez dentro del cuerpo, pueden ser incorporadas al mismo o pueden ser degradadas y excretadas como desecho, como la urea de la orina.
Los procariontes cumplen varias funciones en el ciclo del nitrógeno. Las bacterias fijadoras de nitrógeno que se encuentran en el suelo y dentro de los nódulos radicales de algunas plantas convierten el nitrógeno gaseoso de la atmósfera en amoníaco. Las bacterias nitrificantes convierten el amoníaco en nitratos o nitritos. El amoníaco, los nitratos y los nitritos son formas de nitrógeno fijo que las plantas pueden absorber. Las bacterias desnitrificantes convierten los nitratos en nitrógeno gaseoso.
Crédito de imagen: modificado de Nitrogen cycle (Ciclo del nitrógeno) de Johann Dréo (CC BY-SA 3.0); la imagen modificada está registrada bajo una licencia CC BY-SA 3.0
El nitrógeno no permanece por siempre en los cuerpos de los seres vivos, por el contrario, las bacterias lo convierten de nitrógeno orgánico a N2 gaseoso. Este proceso a menudo implica varios pasos en los ecosistemas terrestres. Las bacterias convierten los compuestos nitrogenados de los organismos muertos o sus desechos, en amoníaco—NH3—, el cual es convertido después en nitratos y nitritos. Finalmente, los procariontes desnitrificantes convierten los nitratos en N2 gaseoso.

El ciclo del nitrógeno en los ecosistemas marinos

Hasta ahora, nos hemos enfocado en cómo ocurre el ciclo natural del nitrógeno en los ecosistemas terrestres. Sin embargo, los pasos son similares en el ciclo del nitrógeno marino; ahí, los procesos de amonificación, nitrificación y desnitrificación son realizados por bacterias y arqueas marinas.
La ilustración muestra el ciclo del nitrógeno. Las bacterias fijadoras de nitrógeno fijan el nitrógeno gaseoso de la atmósfera en nitrógeno orgánico, el cual entra a las redes tróficas terrestres y sale de ellas en forma de desechos nitrogenados que van al suelo. Las bacterias y los hongos del suelo llevan a cabo la amonificación de estos desechos, y convierten el nitrógeno orgánico en iones de amonio, NH4+. Las bacterias nitrificantes transforman el amonio en nitrito, NO2-, y luego en nitrato, NO3-. Las bacterias desnitrificantes convierten el nitrato de nuevo a nitrógeno gaseoso, que regresa a la atmósfera. El nitrógeno de los escurrimientos y fertilizantes llega al océano, donde entra en las redes tróficas marinas. Parte del nitrógeno orgánico cae al fondo oceánico en forma de sedimento. Otra parte de este es convertido en iones nitrito y nitrato, los cuales se transforman nuevamente en nitrógeno gaseoso en un proceso análogo al que ocurre en la tierra.
Crédito de imagen: Ciclos biogeoquímicos: Figura 4 por OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Modificación de la obra de John M. Evans y Howard Perlman, USGS
Algunos compuestos nitrogenados caen al suelo oceánico en forma de sedimento. A lo largo de periodos de tiempo prolongados, los sedimentos son comprimidos hasta formar rocas sedimentarias. Finalmente, el levantamiento geológico puede mover las rocas sedimentarias de nuevo a la tierra. En el pasado, los científicos no creían que estas rocas sedimentarias ricas en nitrógeno eran una fuente importante de nitrógeno para los ecosistemas terrestres. Sin embargo, un nuevo estudio sugiere que pueden ser bastante importantes, ya que el nitrógeno se libera gradualmente a medida que las rocas se desgastan, o meteorizan, quedando disponible para las plantas.

El nitrógeno es un nutriente limitante

En los ecosistemas naturales, muchos procesos, como la producción primaria y la descomposición, están limitados por la cantidad disponible de nitrógeno. En otras palabras, el nitrógeno a menudo es el nutriente limitante, el nutriente que se encuentra en menor cantidad y que por lo tanto restringe el crecimiento de los organismos o las poblaciones.
¿Cómo sabemos si un nutriente es limitante? A menudo, esto se comprueba de la siguiente manera:3
  • Cuando un nutriente es limitante, añadir más aumentará el crecimiento, esto es, hará que las plantas crezcan más altas que si no se hubiera añadido nada.
  • Si se añade un nutriente no limitante, no habrá ningún efecto, es decir, las plantas crecerán a la misma altura tanto si el nutriente está presente como si no.
Por ejemplo, si se añade nitrógeno a la mitad de las plantas de frijol en una huerta y se observa que crecieron más altas que las plantas sin tratamiento, eso sugeriría que el nitrógeno es limitante. Si en cambio, no vemos una diferencia en el crecimiento durante nuestro experimento, eso sugeriría que otro nutirente distinto del nitrógeno es el limitante.
El nitrógeno y el fósforo son los dos nutrientes limitantes más comunes tanto en los ecosistemas naturales como en la agricultura. Esta es la razón por la que verás que la etiqueta de la bolsa del fertilizante dice que contiene un montón de nitrógeno y fósforo.

La actividad humana afecta el ciclo del nitrógeno.

Nosotros los humanos no podemos fijar el nitrógeno biológicamente, ¡pero vaya que lo fijamos de manera industrial! Se producen alrededor de 450 millones de toneladas métricas de nitrógeno fijo cada año mediante un método químico llamado proceso de Haber-Bosch, en el que se hace reaccionar el N2 con hidrógeno —H2— a altas temperaturas.4 La mayor parte de este nitrógeno fijo se usa para producir fertilizantes que utilizamos en nuestros huertos, jardines y cultivos agrícolas.
En general, la actividad humana libera nitrógeno al ambiente por dos medios principales: la quema de combustible fósiles y el uso de fertilizantes nitrogenados en la agricultura. Ambos procesos aumentan los niveles de compuestos nitrogenados en la atmósfera. Los altos niveles de nitrógeno atmosférico, diferentes al N2, se asocian con efectos perjudiciales, como la producción de lluvia ácida (en forma de ácido nítrico, HNO3) y contribuyen al efecto invernadero, en forma de óxido nitroso, N2O.
Además, cuando se usan los fertilizantes artificiales que contienen nitrógeno y fósforo en la agricultura, el fertilizante excedente puede llegar a los ríos, lagos y arroyos mediante escurrimiento superficial. Uno de los efectos principales del escurrimiento de fertilizantes es la eutrofización del agua dulce y salada. En este proceso, el escurrimiento de nutrientes produce una proliferación excesiva, o "florecimiento", de algas u otros microorganismos, cuyo crecimiento estaba limitado por la disponibilidad del nitrógeno o el fósforo.
Crédito de imagen: Eutrophication at a waste water outlet in the Potomac River, Washington, D.C. (La eutrofización en una salida de aguas residuales en el río Potomac, Washington, D.C.) de Alexandr Trubetskoy, CC BY-SA 3.0
La eutrofización puede reducir la disponibilidad de oxígeno en el agua durante la noche porque las algas y los microorganismos que se alimentan de ellas usan grandes cantidades de oxígeno en la respiración celular. Esto puede provocar la muerte de otros organismos que habiten en los ecosistemas afectados, como los peces y camarones, y resulta en la formación de áreas con poco oxígeno y sin especies, conocidas como zonas muertas5.

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