Ciclo de Nitrógeno

Datos Generales

       Nitrógeno es un elemento que es esencial para la formación de  moléculas complejas, tales como, proteínas y DNA.

       La atmosfera contiene alrededor de 78%, por volumen,  de nitrógeno en forma molecular, N2.

       N2  es no reactivo y no puede ser utilizado directamente por las plantas y los animales.

       El Nitrógeno puede existir en forma inorgánica y orgánica.

       Este elemento se encuentra en muchos y diferentes estados de oxidación.

       Las plantas necesitan al menos 17 elementos para su crecimiento.

       Tres de estos elementos—carbono, oxigeno e hidrogeno, las plantas los obtienen del aire y el agua.  Los otros elementos, como ejemplo Nitrógeno, los obtienen del suelo.

 

Los procesos principales que componen el ciclo del nitrógeno que pasa por la biosfera, la atmósfera y la geoesfera son cuatro:

       La fijación del nitrógeno

       Nitrificación

       Mineralización/ Ammonificacion

       Desnitrificación

 

Ciclo de Nitrógeno

       Para que las plantas y los microorganismos puedan usar nitrógeno, el gas N2 tiene primero que ser convertido a una forma química disponible como amonia (NH3), ión amonio (NH4+),  nitrato (NO3-), o el nitrógeno orgánico.

       La naturaleza inerte del N2 significa que el nitrógeno, a menudo, es escaso en los ecosistemas naturales. En otras palabras, limita el crecimiento de las plantas y la acumulación de biomasa.

       Los microorganismos, particularmente las bacterias, juegan un importante papel en todas las principales transformaciones del nitrógeno.

       Estas transformaciones de nitrógeno ocurren a velocidades que se ven afectadas por factores ambientales como la temperatura, la humedad y la disponibilidad de recursos que influyen dicha actividad microbiana.

 

Fijación de Nitrógeno

       Proceso que convierte nitrógeno molecular a amonia por acción bacteriana.

       Este proceso es esencial porque es la única manera en la que los organismos pueden obtener nitrógeno directamente de la atmósfera.

       Algunas bacterias son los únicos organismos que fijan el nitrógeno a través de procesos metabólicos.

       Algunas plantas tienen una relación simbiótica con bacterias que fijan nitrógeno, e.g. Rhizobium.

       Esta simbiosis ocurre de manera bien conocida en la familia de las leguminosas (por ejemplo, fríjoles, gandules, habichuelas, maní y tréboles). En esta relación, la bacteria que fija el nitrógeno habita los nódulos de las raíces de las legumbres y reciben carbohidratos y un ambiente favorable de su planta anfitriona a cambio de parte del nitrógeno que ellas fijan.

       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,  bacteria llamada cianobacterias, es una importante fijadora de nitrógeno.

       La fijación de nitrógeno también puede ocurrir a través de procesos naturales, climatológicos e industriales.

       El complejo proceso bacteriológico para la fijación de nitrógeno se puede representar químicamente por la siguiente reacción:

  3 (CH2O)  +  N2  +  3 H2O  +  4 H+                                3 CO2 +  4 NH4+

 

Oportunidades de Desarrollo-Fijación de Nitrógeno

       El uso de técnicas de DNA Recombinantes para transferir la capacidad de las bacterias que fijan nitrógeno a las células de las plantas.

       Aumentar la efectividad que existe entre algunas plantas y las bacterias que fijan nitrógeno.

 

Fijación de Nitrógeno-Conclusiones

       Para el año 1850, se estima que la cantidad  de nitrógeno en el proceso de fijación fue de 150 millones de toneladas métricas.

       Hoy día la cantidad es 50% mayor que en el 1850.

       El exceso de nitrógeno fijado no solo puede alterar el balance de nitrógeno a nivel global, sino que puede llevar a un aumento de NO3- en los sistemas acuáticos o de N2O en la atmosfera.

 

Mineralización del Nitrógeno/Ammonificación

       Una vez el nitrógeno se incorpora en la materia orgánica y los organismos mueren, los microorganismos (como las bacterias y los hongos) y llevan a cabo el proceso de descomposición, en otras palabras  consumen la materia orgánica.

       Durante este proceso, una cantidad significativa del nitrógeno contenido dentro del organismo muerto se convierte en ión amonio.

 

Mineralización del Nitrógeno / Ammonificación

       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.

       Este proceso en el cual el nitrógeno orgánico se vuelve a convertir en nitrógeno inorgánico se conoce como mineralización del nitrógeno.

       El procesos de mineralización se puede escribir como:

RCO2H  +  O2  +  H3O+                           CO2  + NH4+  + H2O

 

Nitrificación

       Parte del amonio producido por la descomposición se convierte en nitrato a través de un proceso llamado nitrificación.

       La nitrificación requiere la presencia del oxígeno. Por consiguiente, la nitrificación puede suceder solamente en ambientes ricos de oxígeno, como las aguas que circulan o que fluyen, y en las capas de la superficie de los suelos y sedimentos.

       La reacción para todo el procesos de nitrificación se puede escribir como:

                O2  +    NH4+                            NO3-  +     H+  +      H2O 

       Reacción de gran importancia en procesos que ocurren en suelo y agua.

       En el suelo porque las plantas absorben el nitrógeno principalmente como NO3-.

 

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. Esta atracción 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 en los cuerpos de agua.

Desnitrificación

       A través de la desnitrificación, las formas oxidadas de nitrógeno como el nitrato y el nitrito (NO2-) se convierten en nitrógeno molecular (N2) y, en menor medida, en gas óxido nitroso.

       La desnitrificación es un proceso anaeróbico llevado a cabo por  bacterias.

       Una vez que se convierte en nitrógeno molecular , el nitrógeno tiene pocas posibilidades de reconvertirse en una forma biológica disponible, ya que es un gas y se pierde rápidamente en la atmósfera.

        La desnitrificación es la única trasformación del nitrógeno que remueve el nitrógeno del ecosistema, y aproximadamente balancea la cantidad de nitrógeno fijado por los fijadores de nitrógeno ya descritos.

       Un tipo de reacción de desnitrificación se puede escribir como:

                                  NO3-  +    CH2O +    H+                                     N2  +      H2O  +      CO2

       Otro tipo de reacción de desnitrificación es la siguiente:

                                2 NO3-  +  2 CH2O +  2 H3O+                N2O  +  5 H2O  +  2 CO2

Fertilizantes

Fijación Nitrógeno Medios Industriales

       A principios del siglo 20, un científico alemán llamado Fritz Haber descubrió como acortar el ciclo del nitrógeno fijando químicamente el nitrógeno.

       El uso de este fertilizantes sintético ha traído un enorme crecimiento en la productividad agrícola, pero el aumento de la fijación del nitrógeno también ha traído consecuencias negativas.

       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 las escorrentías de la lluvia o el agua de irrigación, y son lixiviados en la superficie o en el agua del suelo y pueden acumularse. Ejemplo de esto es el nitrato que presenta un serio problema de movilidad.

       En las aguas de la superficie, el nitrógeno añadido puede provocar un enriquecimiento excesivo de nutrientes, particularmente en las aguas de cuerpos de agua y de la costa que reciben afluencia de los ríos contaminados.

Problemas con los Fertilizantes

1)      El enriquecimiento excesivo de nutrientes en un cuerpo de agua, el cual es conocido como eutrofización, es el responsable de:

       la producción de gran cantidad de biomasa de plantas por fotosíntesis.

       la presencia de peces muertos en la costa o en cuerpos de agua.

       llevar a un cuerpo de agua a un severo deterioro.

  1. En el agua subterránea, 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.E.P. A. (Environmental Protection Agency), Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos ha establecido un estándar de nitrógeno para el agua potable que es de 10 mg/L de nitrato-N.
  2. Los nitratos pueden ser reducidos a nitritos. Los nitritos entonces, se pueden combinar con aminas para formar las nitrosaminas, compuestos carcinogénicos. Altas concentraciones de nitratos han sido relacionados con cáncer en las vías urinarias y en el sistema gástrico.
  3. Una de las preocupaciones principales con respecto a la salud es la condición de methemoglobinemia (conocida como “blue baby" syndrome). Los infantes son los mas susceptibles. En esta condición, el sistema digestivo reduce nitrato a nitrito, el cual interfiere con la habilidad de la sangre de transportar oxigeno.

Problema #1

Un  agricultor ha calculado que necesita 60 Kg N  por cuerda para cumplir con los requerimientos de la cosecha de maíz. Calcular la cantidad de material que necesita el agricultor si se utiliza:

a)       nitrato de amonio

b)      composta (la cantidad de N en la composta es 0.5 wt% y 43 % de ese nitrógeno está disponible a las plantas).

Problema #2

Una planta química tiene que disponer 250,000 gal  de agua que contiene 500 mg NO2- /L hacia el sistema de tratamiento, calcular el consumo de O2.