El ciclo del nitrógeno

Qué son los ciclos de los nutrientes

Estos son algunos términos importantes que debemos comprender al estudiar los ciclos de los nutrientes:

• Depósitos - donde se encuentra la mayor parte del nutriente en cuestión; en el ciclo del nitrógeno, estará en la atmósfera.
• Fuentes - los organismos o procesos que devuelven los nutrientes al depósito; en este caso, serán las bacterias desnitrificantes del suelo, que vuelven a convertir los iones nitrato en nitrógeno gaseoso en un proceso llamado desnitrificación.
• Sumideros: los sumideros son el lugar más destacado de consumo de nutrientes, por lo que en este caso será el suelo, donde los iones de nitrato están disponibles para que los absorban las plantas.

Estos son los tipos de organismos que intervienen en los ciclos de los nutrientes:

• Productores - los organismos fotosintéticos aprovechan la energía de la luz solar para convertir moléculas inorgánicas en compuestos orgánicos.
• Consumidores - los organismos que no pueden crear su propio alimento deben ingerir a los productores o a otros consumidores en el caso de los consumidores secundarios y terciarios.
• Descomponedores - estos organismos descomponen la materia orgánica muerta y liberan a cambio iones inorgánicos absorbibles.

Éste es el proceso por el que se producen los ciclos de nutrientes:

1. Los productores absorben los nutrientes como moléculas inorgánicas que, de otro modo, serían inútiles para otros organismos, y posteriormente los convierten en compuestos orgánicos valiosos.
2. A continuación,los consumidores ingieren a estos productores y absorben estos compuestos orgánicos.
3. Los nutrientes viajan por las cadenas alimentarias a medida que los consumidores secundarios y terciarios ingieren organismos que contienen estos compuestos orgánicos.
4. Una vez que mueren estos productores y consumidores, actúan sobre ellos los descomponedores, que descomponen los compuestos orgánicos y los liberan como compuestos inorgánicos que los productores pueden absorber.

No todo el nitrógeno es absorbido por los consumidores debido a diversas razones (no consumir todo el organismo, no poder utilizar todos los nutrientes y pérdida de nutrientes a través de la urea y las heces). Esto no significa que el nitrógeno se desperdicie, ya que cualquier materia muerta o fecal será descompuesta por saprobiontes (descomponedores) y entrará en el ciclo.

Definición del ciclo del nitrógeno

El ciclo del nitrógeno consta de 5 procesos principales llevados a cabo por distintos tipos de microorganismos del suelo:

• Fijación del nitrógeno
• Nitrificación
• Asimilación
• Amonificación
• Desnitrificación

Fig. 1 - El ciclo del nitrógeno consta de diferentes procesos o etapas.

A continuación se describen los procesos y organismos implicados.

Fijación del nitrógeno

La fijación del nitrógeno es posiblemente la etapa más importante del ciclo del nitrógeno. Esto se debe a que ofrece una vía para que la abundancia de nitrógeno presente en la atmósfera esté disponible para las plantas del suelo. El nitrógeno se hace presente en el suelo a través de las precipitaciones y, a continuación, las bacterias saprobiontes actúan sobre él. La fijación del nitrógeno atmosférico puede producirse cuando cae un rayo, y podemos fijar el nitrógeno industrialmente a altas presiones y temperaturas. Sin embargo, nos centraremos en los microorganismos fijadores de nitrógeno del suelo.

Hay dos tipos de diazotrofos fijadores de nitrógeno: los de vida libre y los mutualistas:

• Lasbacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre abundan en el suelo y convierten el nitrógeno gaseoso en amonio reduciéndolo. Esta reducción es endotérmica, por lo que las bacterias absorben energía, que pueden utilizar para fabricar diversos compuestos que contienen nitrógeno, como proteínas y ácidos nucleicos. Tras su muerte, la descomposición de estas bacterias libera estos compuestos orgánicos en el suelo.
• Lasbacterias mutualistas fijadoras de nit rógeno son ciertos tipos de microorganismos que viven en los nódulos radiculares de las plantas. Estas bacterias reducirán el nitrógeno gaseoso a amoníaco y utilizarán este amoníaco para fabricar compuestos que contengan nitrógeno, como los aminoácidos. La planta huésped absorberá estos compuestos orgánicos útiles y, a cambio, proporcionará a la bacteria carbohidratos y azúcares útiles, con los que podrá prosperar. Es un ejemplo de relación simbiótica entre dos organismos.

Amonificación

La amonificación es el proceso por el que el nitrógeno se transfiere de la parte viva del bioma a la parte no viva. Los descomponedores saprobiontes del suelo (principalmente bacterias y hongos en este caso) descompondrán cualquier material orgánico que contenga nitrógeno y liberarán amoníaco a cambio. Esta materia orgánica puede proceder de las proteínas, vitaminas y ácidos nucleicos que se encuentran en los organismos muertos o de la urea y las heces producidas por los animales. A continuación, el amoníaco captará iones de hidrógeno al reaccionar con los residuos ácidos del suelo.

Nitrificación

La nitrificación es el proceso por el que las bacterias quimioautótrofas convierten los iones de amonio en iones de nitrato que los productores pueden absorber. Estas bacterias dependen de una concentración sustancial de iones de amonio en el suelo, ya que aprovechan la energía liberada por la oxidación de los iones de amonio para sus procesos bioquímicos. Las bacterias de vida libre convierten los iones de amonio en iones de nitrato en el suelo; son quimioautótrofos aerobios, por lo que el suelo debe ser rico en oxígeno. Los iones amonio se oxidan primero a iones nitrito, que posteriormente se oxidan a iones nitrato, y ambas reacciones liberan energía.

He aquí las ecuaciones químicas de las reacciones:

Iones amonio oxidados a iones nitrito:

_2NH4++ 3O2→_2NO2-+ 4H++2H2O

Iones nitrito oxidados a iones nitrato:

^2NO2- + O2→^2NO3-

Asimilación

Los productores que viven en el suelo, o autótrofos, absorben el nitrógeno transportando activamente los iones nitrato y amonio a través de sus raíces. Los iones deben ser transportados activamente la mayor parte del tiempo porque siempre hay una alta concentración de iones en las raíces de las plantas, pero a veces el suelo puede ser deficiente en nutrientes. Los iones nitrato se transportan por toda la planta y se convierten en amoníaco, que se transforma en grupos amina que pueden utilizarse fácilmente para fabricar compuestos útiles que contienen nitrógeno.

Desnitrificación

Ladesnitrificación es el proceso por el que el nitrógeno vuelve a la atmósfera completando el ciclo. Unos saprobios anaerobios llamados bacterias desnitrificantes reducen los iones nitrato a oxígeno y liberan gas nitrógeno en el proceso. Estas bacterias desnitrificantes abundan en los suelos encharcados porque el agua suele expulsar todo el oxígeno disponible para los microorganismos del suelo. Esta reducción de los iones nitrato puede ser perjudicial para las plantas, ya que necesitan un suministro constante para fabricar compuestos que contengan nitrógeno.

Importancia del ciclo del nitrógeno

El ciclo del nitrógeno es importante por muchas razones:

• Proporciona a los productores una fuente sostenible de iones nitrato que pueden absorber y utilizar para formar compuestos esenciales que contienen nitrógeno, como proteínas, ácidos nucleicos y clorofila.
• Permite que pasen por el ecosistema importantes compuestos orgánicos que tienen el nitrógeno como componente principal. Los consumidores herbívoros ingieren a los productores, y los carnívoros a sus presas.
• Los descomponedores saprobiontes descomponen la materia muerta y las heces; al hacerlo, ponen los nutrientes a disposición de los productores y, al mismo tiempo, limpian el medio ambiente.
• Permiten que el gas inerte nitrógeno esté disponible para los organismos terrestres.

¿Por qué necesitan nitrógeno las plantas?

Las plantas necesitan nitrógeno para la fabricación de muchas estructuras y moléculas diferentes en toda la planta:

• Clorofila - el nitrógeno es un componente principal de la clorofila, por lo que se necesita mucho nitrógeno para producir la máxima cantidad de pigmento clorofílico para que la planta pueda hacer la fotosíntesis lo más posible.
• ADN: el nitrógeno está presente en los nucleótidos, que son los componentes básicos del ADN. El ADN es el material genético que proporciona las instrucciones para todos los procesos bioquímicos dentro de una planta y la información hereditaria de la planta.
• ATP: los monómeros que componen la molécula de transferencia de energía adenosín trifosfato contienen nitrógeno. El ATP es fundamental para controlar la transferencia de energía en los procesos metabólicos.
• Aminoácidos - el nitrógeno constituye una parte importante de los residuos de aminoácidos, que son los componentes básicos en la fabricación de proteínas. Estas proteínas son esenciales para fabricar estructuras protectoras y enzimas útiles en la planta.

Deficiencia de nitrógeno en las plantas

La disponibilidad de iones nitrato en el suelo puede deberse a las fuertes lluvias, que provocan el encharcamiento de la tierra. Este suelo húmedo hace que domine una población de saprobiontes anaerobios, lo que significa que prevalecen las bacterias desnitrificantes y disminuye la concentración de iones nitrato en el suelo. Los suelos secos, con poca o ninguna humedad, también pueden dificultar el desarrollo de las plantas, ya que tendrán dificultades para absorber los iones solubles en agua. Las plantas que tienen una deficiencia de nitrógeno pueden presentar las siguientes características:

• Las hojas de la planta crecerán mucho más despacio; esto se nota especialmente en las hojas más jóvenes.
• El desarrollo de los brotes es mucho más lento.
• Las hojas pueden presentar una decoloración amarilla.
• Menor floración y producción de frutos.

El ciclo del nitrógeno en los ecosistemas marinos

El nitrógeno se transfiere a través de los ecosistemas marinos del mismo modo que en los ecosistemas terrestres. Los microorganismos saprobiontes acuáticos descomponen la materia orgánica muerta del fondo marino y liberan iones de nitrato que las plantas acuáticas pueden absorber. Investigaciones recientes han descubierto que las rocas sedimentarias son una fuente importante de nitrógeno, ya que liberan nitrógeno gaseoso cuando se erosionan.

Uso de fertilizantes nitrogenados

El nitrógeno es uno de los tres componentes principales de los abonos NPK, populares entre los agricultores de todo el mundo, ya que el nitrógeno, el fósforo y el potasio son esenciales para el desarrollo de las plantas. Los fertilizantes nitrogenados pueden ser necesarios cuando el suelo está encharcado, por lo que contiene sobre todo saprobiontes desnitrificantes, cuando el suelo está demasiado seco, por lo que los iones solubles de nitrato no pueden desplazarse, o incluso cuando los cultivos se realizan en suelos infértiles. Los agricultores casi siempre utilizan fertilizantes para aumentar el rendimiento y el tamaño de sus cultivos. A pesar de sus aparentes beneficios, la escorrentía de fertilizantes puede ser perjudicial para los ríos y estuarios cercanos.