Ciclo del nitrógeno

CICLO DEL NITRÓGENO

El nitrógeno es un elemento químico. Está presente en seres vivos como, plantas y animales. También es una parte importante para no vivos como el aire y la tierra que pisamos.

Los átomos de nitrógeno no permanecen en un lugar. Se desplazan lentamente entre seres vivos o muertos, por el aire, la tierra y el agua. A este movimiento se le conoce como ciclo del nitrógeno. El ciclo del nitrógeno es cada uno de los procesos biológicos y abióticos en que se basa el suministro de este elemento de los seres vivos. Es uno de los ciclos biogeoquímicos importantes en que se basa el equilibrio dinámico de composición de la biosfera terrestre. El nitrógeno, al igual que el carbono, es un elemento básico de la vida y está presente en determinadas reacciones químicas e intercambios entre la atmósfera, suelos y seres vivos, que se realizan en la naturaleza de forma cíclica.

Intervienen fundamentalmente en este ciclo los vegetales y las bacterias fijadoras del nitrógeno. En ese proceso, el nitrógeno es incorporado al suelo, que será absorbido por los organismos vivos antes de regresar de nuevo a la atmósfera. Proceso  en el que el nitrógeno gaseoso es transformado en amoníaco o nitratos. 

El ciclo del nitrógeno al igual que los demás ciclos biogeoquímicos, tiene una trayectoria definida, pero quizá aún más complicada que los demás, dado que tiene que seguir una serie de procesos físicos, químicos y biológicos. Así, el nitrógeno está considerado como el elemento más abundante en la atmósfera.

 

Sin embargo, dada su estabilidad, es muy difícil que reaccione con otros elementos y, por tanto, se tiene un bajo aprovechamiento, razón por la cual, su abundancia pasa a segundo término. A pesar de esto, gracias al proceso biológico de algunas bacterias y cianobacterias, el nitrógeno que se encuentra en la atmósfera puede ser asimilable, al “romper” la unión de sus enlaces por medios enzimáticos y así poder producir compuestos nitrogenados. Protagonista de importantes procesos, como la síntesis de proteínas y ácidos nucleicos, el nitrógeno corresponde a un elemento cuya disponibilidad está limitada en todos los ecosistemas. Su reserva fundamental es la atmósfera, donde se encuentra como N2.

Si bien es un compuesto utilizado por todo ser vivo, no puede ser captado de manera directa en su forma gaseosa. Por ello, necesita cambiar su composición y transformarse en nitratos (NO3) y amoníaco (NH3), gracias a la acción de las bacterias nitrificantes. Estas poseen forma de bastoncillo, su tamaño alcanza los 0,4 a 0,6 micras y, para realizar su eficiente trabajo, necesitan de la presencia de oxígeno.

Estos pequeños microorganismos permiten que el nitrógeno se incorpore tanto a las células vegetales como a las animales, ya que el nitrógeno fijado al suelo pasa a las plantas y a los diferentes tipos de animales a través de la alimentación. El retorno se produce gracias al depósito en la superficie de los residuos orgánicos y los excrementos, que las plantas también pueden reutilizar como abono.

El proceso

Los organismos vivos no pueden utilizar directamente el nitrógeno que se encuentra en la atmósfera en forma gaseosa, y que supone el 71% del total; para ello, debe ser transformado previamente en nitrógeno orgánico (nitratos o amoniaco). Esto se consigue, fundamentalmente, mediante la fijación biológica, aunque también las radiaciones cósmicas y la energía que producen los rayos en la atmósfera intervienen en este proceso en menor medida combinando nitrógeno y oxígeno que una vez transformado es enviado a la superficie terrestre por las precipitaciones.

PROCESOS DEL CICLO DEL NITRÓGENO

1- Nitrógeno atmosférico.	6-Humus.
2- Entrada en la cadena alimentaria.	7-Nitrificación.
3- Descomposición de las materias animales (Amonificación).	8- Fijación del nitrógeno en las raíces por las bacterias simbióticas.
4-Devolución a la atmósfera por desnitrificación.	9-Absorción del nitrógeno producido por la actividad eléctrica de la atmósfera.
5-Ingreso en el medio acuático por lixiviación.	10-Descomposición de las materias vegetales (Amonificación).

1.Nitrógeno atmosférico: La mayoría del nitrógeno que encontramos en la Tierra se encuentra en la atmósfera. Aproximadamente 71% de las moléculas en la atmósfera de la Tierra está compuesta de dos átomos de nitrógeno unidos entre sí (N2). Todas las plantas y animales necesitan nitrógeno para elaborar aminoácidos, proteínas y DNA; pero el nitrógeno en la atmósfera no se encuentra en forma que lo pueda  usar. Los seres vivos pueden hacer uso de las moléculas de nitrógeno en la atmósfera cuando estas son separadas por rayos o fuegos, por cierto tipo de bacterias, o por bacterias asociadas con plantas de frijoles.

2.Entrada en la cadena alimenticia: La mayoría de las plantas obtienen el oxígeno que necesitan para crecer de los suelos o del agua donde viven. Los animales obtienen el nitrógeno que necesitan alimentándose de plantas u animales que contienen nitrógeno. Cuando los organismos mueren, sus cuerpos se descomponen y hacen llegar nitrógeno hacia los suelos o tierra. El nitrógeno recorre la cadena alimentaria desde las plantas a los herbívoros, y de estos a los carnívoros.

3.Amonificación animal: Cuando los animales mueren, los compuestos nitrogenados se descomponen produciendo amoníaco.

La Amonificación es la conversión a ion amonio del nitrógeno, que en la materia viva aparece principalmente como grupos amino (-NH2) o imino (-NH-). Los animales, que no oxidan el nitrógeno, se deshacen del que tienen en exceso en forma de distintos compuestos. Los acuáticos producen directamente amoníaco (NH3), que en disolución se convierte en ion amonio. Los terrestres producen urea, (NH2)2CO, que es muy soluble y se concentra fácilmente en la orina; o compuestos nitrogenados insolubles como la guanina y el ácido úrico, que son purinas, y ésta es la forma común en aves o en insectos y, en general, en animales que no disponen de un suministro garantizado de agua.

El nitrógeno biológico que no llega ya como amonio al sustrato, la mayor parte en ecosistemas continentales, es convertido a esa forma por la acción de microorganismos descomponedores.

4.Desnitrificación: Es la reducción del ion nitrato (NO3–), presente en el suelo o el agua, a nitrógeno molecular o diatómico (N2), la sustancia más abundante en la composición del aire. Por su lugar en el ciclo del nitrógeno este proceso es el opuesto a la fijación del nitrógeno. Lo realizan ciertas bacterias heterótrofas, como Pseudomonas fluorescens, para obtener energía.

El proceso es parte de un metabolismo degradativo de la clase llamada respiración anaerobia, en la que distintas sustancias, en este caso el nitrato, toman el papel de oxidante (aceptor de electrones) que en la respiración celular normal o aerobia corresponde al oxígeno (O2). El proceso se produce en condiciones anaerobias por bacterias que normalmente prefieren utilizar el oxígeno si está disponible.

El proceso sigue unos pasos en los que el átomo de nitrógeno se encuentra sucesivamente bajo las siguientes formas:

Nitrato → nitrito → óxido nítrico → óxido nitroso → nitrógeno molecular

Expresado como reacción redox:

2NO3- + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O

La Desnitrificación es fundamental para que el nitrógeno vuelva a la atmósfera, la única manera de que no termine disuelto íntegramente en los mares, dejando sin nutrientes a la vida continental. Sin la Desnitrificación la fijación de nitrógeno, abiótica y biótica, terminaría por provocar la depleción (eliminación) del N2 atmosférico.

La Desnitrificación es empleada, en los procesos técnicos de depuración controlada de aguas residuales, para eliminar el nitrato, cuya presencia favorece la eutrofización y reduce la potabilidad del agua, porque se reduce a nitrito por la flora intestinal, y éste es cancerígeno.

5.Lixiviación: Los nitratos pueden ser eliminado del suelo por lixiviación (disolución en el agua) y posterior arrastrado a los ríos y lagos.

6.Humus: Los nitratos pueden almacenarse en el humus en descomposición.

7.Nitrificación: Proceso donde los microorganismos lo convierten en nitratos o nitritos en un proceso llamado nitrificación. La nitrificación es la oxidación biológica del amonio al nitrato por microorganismos aerobios que usan el oxígeno molecular (O2) como receptor de electrones, es decir, como oxidante. A estos organismos el proceso les sirve para obtener energía, al modo en que los heterótrofos la consiguen oxidando alimentos orgánicos a través de la respiración celular. El C lo consiguen del CO2 atmosférico, así que son organismos autótrofos.

El proceso fue descubierto por Serguéi Vinogradski y en realidad consiste en dos procesos distintos, separados y consecutivos, realizados por organismos diferentes:

7.1. Nitritación: Partiendo de amonio se obtiene nitrito (NO2–). Lo realizan bacterias de, entre otros, los géneros Nitrosomonas y Nitrosococcus.

7.2. Nitratación: Partiendo de nitrito se produce nitrato (NO3–).         Lo realizan bacterias del género Nitrobacter.

La combinación de Amonificación y Nitrificación devuelve a una forma asimilable por las plantas, el nitrógeno que ellas tomaron del suelo y pusieron en circulación por la cadena trófica.

8.Fijación: Proceso biológico o industrial mediante el cual el nitrógeno atmosférico se transforma en compuestos de nitrógeno, que son esenciales para el crecimiento de las plantas y que también se utilizan en la industria química. Se divide en dos tipos:

8.1. Fijación biológica:

Entre los microorganismos del suelo que realizan la fijación de nitrógeno, los más utilizados y productivos son las bacterias simbióticas del género Rhizobium que colonizan y forman nódulos en las raíces de las leguminosas como el trébol, la alfalfa, o el guisante. Las bacterias obtienen alimento de la planta y ésta a cambio, recibe compuestos nitrogenados en abundancia. A veces se inoculan en el suelo determinadas especies de Rhizobium para incrementar las cosechas de leguminosas. Éstas se cultivan, en muchos casos, para que aporten a la tierra el nitrógeno que han agotado otras cosechas.

Existen otros microorganismos capaces de fijar nitrógeno en el suelo, aunque en cantidades mucho más pequeñas y, que son bacterias de vida libre (no simbióticas). Unas son aerobias y necesitan la presencia de oxígeno para desarrollarse. Otras son anaerobias, como los géneros Klebsiella y Bacillus, y no lo necesitan. Algunas formas de algas verde-azuladas, como el alga Anabaena, que vive en asociación con un helecho acuático (Azolla pinnata), también fijan nitrógeno. Esta simbiosis produce un notable aumento en la producción de arroz, como ocurre en los arrozales de la región Thai Binh del norte de Vietnam. La cantidad de nitrógeno orgánico necesaria en la agricultura es mucho mayor que la que aporta la fijación biológica. Por ello, la producción industrial de compuestos nitrogenados a partir de nitrógeno atmosférico es una de las actividades más importantes de la industria química.

 

8.2. Fijación industrial: El principal proceso industrial de fijación de nitrógeno es el de producción de amoníaco. Se realiza haciendo pasar una mezcla de nitrógeno atmosférico e hidrógeno por un catalizador metálico a 500 - 600 °C. Después el amoniaco se oxida a ácido nítrico, que al combinarse de nuevo con amoniaco rinde nitrato amónico, que se utiliza como explosivo y como fertilizante. La producción de cianamida es otro proceso industrial de fijación de nitrógeno y se realiza haciendo pasar nitrógeno atmosférico sobre carburo de calcio caliente en presencia de un catalizador. La cianamida se emplea como fertilizante y para elaborar cianuro.

9.Adsorción de nitrógeno: una forma en la cual el suelo absorbe nitrógeno es mediante las tormentas eléctricas. La fijación natural puede ocurrir por procesos químicos espontáneos, como la oxidación que se produce por la acción de los rayos, que forma óxidos de nitrógeno a partir del nitrógeno atmosférico.

10. Amonificación vegetal:

Cuando las plantas mueren, mediante la descomposición se produce una transformación química de los compuestos nitrogenados, convirtiéndose en nitrógeno amoniacal.

IMPORTANCIA DE EL CICLO DEL NITROGENO EN LOS ECOSISTEMAS VEGETALES Y ANIMALES

El ciclo del nitrógeno juega un papel fundamental en la permanencia de este elemento en el sistema suelo -planta - animales - atmosfera, comúnmente la reserva principal de este elemento en el ecosistema se encuentra en la atmosfera en forma de nitrógeno gaseoso (N2), forma en la cual no puede ser absorbido por las plantas las cuales lo pueden tomar en forma de amonio o nitrato, el nitrógeno es indispensable para el desarrollo de las plantas pues las mismas lo utilizan para la formación de elementos proteicos que utilizan las células tanto en su estructura como en su funcionamiento; para que las plantas lo puedan absorber el nitrógeno debe atravesar una serie de transformaciones en las cuales juegan un papel fundamental los microorganismos del suelo, una vez que la planta lo utiliza para el desarrollo de masa vegetal y/o la fructificación los animales se alimentan de las mismas lo que les permite alimentarse y en las excretas y como parte de su descomposición en caso de su muerte reintegran parte del nitrógeno al suelo, para cerrar nuevamente el ciclo, todos estos aspectos confluyen para que el ciclo del nitrógeno sea un proceso permanente que ayuda a mantener la vida vegetal y animal en el planeta.

En todo ecosistema, ya sea en mayor o menor cantidad, encontramos diversos elementos químicos. Esto ocurre porque todo organismo vivo está constituido en diferentes grados por sustancias como el nitrógeno, el oxígeno o el nitrógeno, entre muchos otros más. También en la naturaleza no viva es posible encontrar verdaderos depósitos químicos, como en el caso de la atmósfera, importante reservorio de dióxido de carbono y de oxígeno, o también, en el suelo y las rocas, donde es común encontrar minerales, nitratos y fosfatos.

La principal característica común de todos estos elementos es que se encuentran en permanente transformación e intercambio entre todos los organismos que componen un ecosistema.

La naturaleza nos sorprende con una serie de ciclos en los que los elementos pasan de un medio a otro, a través de los seres vivos y el ambiente que los rodea.

¿Cómo entra el nitrógeno en las plantas y los animales?

Los nitratos son absorbidos fácilmente del suelo por las plantas, que los convierten en aminoácidos y proteínas. Después los animales herbívoros, como las vacas y las ovejas, absorben estas proteínas cuando se comen a las plantas convirtiendo las proteínas vegetales en proteínas animales. Después los animales carnívoros toman estas proteínas cuando se comen a los herbívoros. Los animales omnívoros, como los seres humanos, toman el nitrógeno de las plantas y los animales.

LA ALTERACIÓN  HUMANA DEL CICLO DEL NITROGENO Y SUS CONSECUENCIAS AMBIENTALES

A principios del siglo 20, un científico alemán llamado Fritz Haber  descubrió como acortar el ciclo del nitrógeno fijando químicamente 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 agrícola. Esta productividad agrícola 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 niveles importantes. En el agua del suelo que se usa como fuente de agua potable, el nitrógeno excesivo puede provocar cáncer en los humanos y dificultades respiratorias en los niños.

La U.S. Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) ha estable  cido 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. La interferencia antrópica (humana) en el ciclo del nitrógeno puede, no obstante, hacer que haya menos nitrógeno en el ciclo, o que se produzca una sobrecarga en el sistema.

Por ejemplo, los cultivos intensivos, su recogida y la tala de bosques han causado un descenso del contenido de nitrógeno en el suelo (algunas de las pérdidas en los territorios agrícolas sólo pueden restituirse por medio de fertilizantes nitrogenados artificiales, que suponen un gran gasto energético).

Por otra parte, la lixiviación del nitrógeno de las tierras de cultivo demasiado fertilizadas, la tala indiscriminada de bosques, los residuos animales y las aguas residuales han añadido demasiado nitrógeno a los ecosistemas acuáticos, produciendo un descenso en la calidad del agua y estimulando un crecimiento excesivo de las algas.

Además, el dióxido de nitrógeno vertido en la atmósfera por los escapes de los automóviles y las centrales térmicas se descompone y reacciona con otros contaminantes atmosféricos dando origen al smog fotoquímico. Ciertas acciones de los humanos están causando cambios en el ciclo del nitrógeno y en la cantidad de nitrógeno que es almacenado en la tierra, agua, aire y organismos. El uso de fertilizantes ricos en nitrógeno puede agregar demasiado nitrógeno a vías acuáticas cercanas, a medida que los fertilizantes caen en corrientes y pozos.

Los restos asociados con la ganadería también agregan gran cantidad de nitrógeno a la tierra y al agua. Los crecientes niveles de nitrato hacen que las plantas crezcan muy rápido hasta que agotan los suministros y mueren. El número de animales que comen plantas aumentará cuando aumente el suministro de plantas y se quedan sin alimento cuando las plantas mueren.

APLICACIONES DEL NITRÓGENO

Ø  La aplicación comercial más importante del nitrógeno diatómico es la obtención de amoníaco por el proceso de Haber. El amoniaco se emplea con posterioridad en la fabricación de fertilizantes y ácido nítrico.

Ø  Las sales del ácido nítrico incluyen importantes compuestos como el nitrato de potasio (nitro o salitre empleado en la fabricación de pólvora) y el nitrato de amonio fertilizante.

Ø  Los compuestos orgánicos de nitrógeno como la nitroglicerina y el trinitrotolueno son a menudo explosivos. La hidracina y sus derivados se usan como combustible en cohetes.

 

 

En la actualidad el nitrógeno es empleado en diversas labores; en los países más desarrollados una de las más recientes y comunes es el ser empleado en lugar del aire común para el inflado de llantas y neumáticos debido a la alta eficiencia que se derivan de su uso. No se dilata con la fricción o el movimiento evitando mayor presión en el neumático y por tanto fugas que se derivan en perdida de presión de la llanta, seguido por mayor esfuerzo del motor, mayor consumo de combustible, más rápido desgaste del neumático y los frenos. El uso del nitrógeno para el inflado de los neumáticos no solo redime en un ahorro directo, paralelo a esto también hace un gran aporte ecológico al disminuir las emisiones de CO2 provenientes del esfuerzo adicional que deben hacer los vehículos al perder presión constantemente en las llantas cuando son infladas con aire.

Mapa Conceptual "Ciclo del Nitrógeno"