Ciclo del Nitrógeno

El ciclo del nitrógeno describe cómo el nitrógeno se mueve entre las plantas, los animales, las bacterias, la atmósfera (el aire) y el suelo en la tierra. El nitrógeno es un elemento importante para toda la vida en la Tierra.

¿Qué es el Ciclo del Nitrógeno?

Para que el Nitrógeno sea usado por diferentes formas de vida en la Tierra, debe cambiar a diferentes estados. El nitrógeno en la atmósfera, o aire, es N2. Otros estados importantes del nitrógeno son los nitratos (N03), nitritos (NO2) y amonio (NH4).

Efectos del Ciclo del Nitrogeno

Esta imagen muestra el flujo del ciclo del nitrógeno. La parte más importante del ciclo son las bacterias. Las bacterias ayudan a que el nitrógeno cambie de estado para que pueda ser utilizado.

Cuando el nitrógeno es absorbido por el suelo, diferentes bacterias le ayudan a cambiar de estado para que pueda ser absorbido por las plantas. Los animales obtienen entonces su nitrógeno de las plantas.

Esquema del ciclo del nitrógeno

Dentro del Ciclo del Nitrogeno, existen diversas etapas por las que ha de pasar este compuesto para que sea utilizable por los organismos de la Tierra.

Procesos en el ciclo del nitrógeno:

  • Fijación – La fijación es el primer paso en el proceso de hacer que el nitrógeno sea utilizable por las plantas. Aquí las bacterias transforman el nitrógeno en amonio.
  • Nitrificación – Este es el proceso por el cual el amonio se convierte en nitratos por las bacterias. Los nitratos son lo que las plantas pueden absorber.
  • Asimilación – Así es como las plantas obtienen el nitrógeno. Absorben los nitratos del suelo en sus raíces. Luego el nitrógeno se utiliza en aminoácidos, ácidos nucleicos y clorofila.
  • Amonificación – Esto es parte del proceso de descomposición. Cuando una planta o un animal muere, los descomponedores como los hongos y las bacterias vuelven a convertir el nitrógeno en amonio para que pueda volver a entrar en el ciclo del nitrógeno.
  • Desnitrificación – El nitrógeno extra en el suelo vuelve a salir al aire. Hay bacterias especiales que también realizan esta tarea.

¿Por qué el nitrógeno es importante para la vida?

Las plantas y los animales no podrían vivir sin nitrógeno. Es una parte importante de muchas células y procesos como los aminoácidos, las proteínas e incluso nuestro ADN. También es necesario producir clorofila en las plantas, que las plantas utilizan en la fotosíntesis para producir su alimento y energía.

¿Cómo han alterado los humanos el ciclo del nitrógeno?

Desafortunadamente, la actividad humana ha alterado el ciclo. Hacemos esto añadiendo nitrógeno al suelo con fertilizantes, así como otras actividades que ponen más gas de óxido nitroso en la atmósfera. Esto añade más nitrógeno del que necesita el ciclo normal y altera el equilibrio del ciclo.

Datos curiosos sobre el ciclo del nitrogeno:

  • Alrededor del 78% de la atmósfera es nitrógeno. Sin embargo, en la mayoría de los casos, esto no es utilizable por los animales y las plantas.
  • El nitrógeno se utiliza en los fertilizantes para ayudar a las plantas a crecer más rápido.
  • El óxido nitroso es un gas de efecto invernadero. Demasiado de esto también puede causar lluvia ácida.
  • El nitrógeno no tiene color, olor ni sabor.
  • Se utiliza en muchos explosivos.
  • Aproximadamente el 3% de su peso corporal es nitrógeno.

Características del Ciclo del nitrógeno

El nitrógeno forma parte de los compuestos orgánicos vitales de los microorganismos, como los aminoácidos, las proteínas y el ADN. La forma gaseosa del nitrógeno (N2), constituye el 78% de la troposfera.

Uno podría pensar que esto significa que siempre tenemos mucho nitrógeno disponible, pero desafortunadamente no funciona de esa manera.

El nitrógeno en forma gaseosa no puede ser absorbido y utilizado como nutriente por plantas y animales; primero debe ser convertido por bacterias nitrificantes, para que pueda entrar en las cadenas alimenticias como parte del ciclo del nitrógeno.

Durante la conversión de nitrógeno, las cianobacterias convertirán primero el nitrógeno en amoníaco y amonio, durante el proceso de fijación del nitrógeno. Las plantas pueden usar amoníaco como fuente de nitrógeno.

La fijación del nitrógeno se realiza según la siguiente reacción:

  • N2 + 3 H2 -> 2 NH3

Después de la fijación del amonio, el amoniaco y el amoniaco que se forma se transfieren más adelante, durante el proceso de nitrificación. Las bacterias aeróbicas utilizan oxígeno para convertir estos compuestos. Las bacterias nitrosomonas primero convierten el gas nitrógeno en nitrito (NO2-) y luego nitrobacter convierte el nitrito en nitrato (NO3-), un nutriente vegetal.

La nitrificación se realiza según las siguientes reacciones:

  • 2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
  • 2 NO2- + O2 -> 2 NO3-

Las plantas absorben amonio y nitrato durante el proceso de asimilación, después de lo cual se convierten en moléculas orgánicas que contienen nitrógeno, como aminoácidos y ADN.

Los animales no pueden absorber nitratos directamente. Reciben sus suministros de nutrientes consumiendo plantas o animales que consumen plantas.

Cuando los nutrientes de nitrógeno han cumplido su propósito en plantas y animales, las bacterias especializadas en descomposición iniciarán un proceso llamado amonificación, para convertirlos nuevamente en amoníaco y sales de amonio solubles en agua.

Después de que los nutrientes se convierten de nuevo en amoníaco, las bacterias anaeróbicas los convierten de nuevo en gas nitrógeno, durante un proceso llamado desnitrificación.

La desnitrificación se realiza según la siguiente reacción:

  • NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O

Finalmente, el nitrógeno es liberado nuevamente a la atmósfera. Todo el proceso comienza de nuevo después de la liberación.

El nitrógeno como factor limitante

Aunque los procesos de conversión de nitrógeno ocurren a menudo y se producen grandes cantidades de nutrientes vegetales, el nitrógeno es a menudo un factor limitante para el crecimiento de las plantas.

El agua que fluye a través del suelo causa este error. Los nutrientes de nitrógeno son solubles en agua y, como resultado, se eliminan fácilmente, por lo que ya no están disponibles para las plantas.

El nitrógeno (N) es un componente esencial del ADN, ARN y proteínas, los bloques de construcción de la vida. Todos los organismos necesitan nitrógeno para vivir y crecer. Aunque la mayor parte del aire que respiramos es N2, la mayor parte del nitrógeno de la atmósfera no está disponible para su uso por los organismos.

Esto se debe a que el fuerte enlace triple entre los átomos de N en las moléculas de N2 lo hace relativamente inerte, o no reactivo, mientras que los organismos necesitan nitrógeno reactivo para poder incorporarlo a las células.

Para que las plantas y los animales puedan usar nitrógeno, el gas N2 debe primero ser convertido a una forma químicamente disponible como amonio (NH4+), nitrato (NO3-), o nitrógeno orgánico (por ejemplo, urea, que tiene la fórmula (NH2)2CO).

La naturaleza inerte del N2 significa que el nitrógeno biológicamente disponible es a menudo escaso en los ecosistemas naturales, lo que limita el crecimiento de las plantas.

El nitrógeno es un elemento increíblemente versátil, que existe tanto en formas inorgánicas como orgánicas, así como en muchos estados de oxidación diferentes. El movimiento del nitrógeno entre la atmósfera, la biosfera y la geosfera en diferentes formas se llama el ciclo del nitrógeno, uno de los principales ciclos biogeoquímicos.

Al igual que el ciclo del carbono, el ciclo del nitrógeno consiste en varios depósitos de nitrógeno y procesos por los cuales esos depósitos intercambian nitrógeno

Fijación de nitrógeno

La fijación del nitrógeno es el proceso por el cual el N2 se convierte en amonio, o NH4+. Esta es la única manera en que los organismos pueden obtener nitrógeno directamente de la atmósfera; los pocos que pueden hacerlo son los llamados organismos fijadores de nitrógeno.

Ciertas bacterias, incluidas las del género Rhizobium, son capaces de fijar el nitrógeno (o convertirlo en amonio) a través de procesos metabólicos, análogos a la forma en que los mamíferos convierten el oxígeno en CO2 cuando respiran.

Las bacterias fijadoras de nitrógeno a menudo forman relaciones simbióticas con las plantas hospederas. Esta simbiosis es bien conocida en la familia de las leguminosas (por ejemplo, frijoles, guisantes y tréboles).

En esta relación, las bacterias fijadoras de nitrógeno habitan los nódulos de las raíces de las leguminosas y reciben carbohidratos y un ambiente favorable de su planta huésped a cambio de parte del nitrógeno que fijan.

También hay bacterias fijadoras de nitrógeno que existen sin hospedantes de plantas, conocidas como fijadores de nitrógeno de vida libre. En ambientes acuáticos, las algas verde-azules (realmente una bacteria llamada cianobacterias) son un importante fijador de nitrógeno de vida libre.

Además de las bacterias fijadoras de nitrógeno, los eventos naturales de alta energía como los rayos, los incendios forestales e incluso los flujos de lava caliente pueden causar la fijación de cantidades más pequeñas, pero significativas, de nitrógeno.

La alta energía de estos fenómenos naturales puede romper los enlaces triples de las moléculas de N2, haciendo así que los átomos individuales de N estén disponibles para la transformación química.

En el último siglo, los seres humanos se han convertido en una fuente tan importante de nitrógeno fijo como todas las fuentes naturales combinadas. La quema de combustibles fósiles, el uso de fertilizantes de nitrógeno sintético y el cultivo de leguminosas fijan el nitrógeno.

A través de estas actividades, los seres humanos han duplicado con creces la cantidad de nitrógeno fijo que se bombea a la biosfera cada año.

Captación de nitrógeno

  • NH4+ → Orgánico N

El amonio (NH4+) producido por las bacterias fijadoras de nitrógeno suele ser absorbido rápidamente por una planta huésped, la propia bacteria u otro organismo del suelo e incorporado en proteínas y otros compuestos orgánicos de nitrógeno, como el ADN.

Cuando los organismos más cercanos a la cima de la cadena alimenticia (¡como nosotros!) comen, estamos absorbiendo nitrógeno que ha sido fijado inicialmente por bacterias fijadoras de nitrógeno.

Mineralización de nitrógeno

  • N → NH4+

Después de que el nitrógeno se incorpora a la materia orgánica, a menudo se convierte de nuevo en nitrógeno inorgánico por un proceso llamado mineralización del nitrógeno, también conocido como descomposición.

Cuando los organismos mueren, los descomponedores (como las bacterias y los hongos) consumen la materia orgánica y conducen al proceso de descomposición. Durante este proceso, una cantidad significativa del nitrógeno contenido dentro del organismo muerto se convierte en amonio.

Una vez en forma de amonio, el nitrógeno está disponible para su uso en las plantas o para su posterior transformación en nitrato (NO3-) a través del proceso llamado nitrificación.

Nitrificación

  • NH4+ → NO3-

Parte del amonio producido por la descomposición se convierte en nitrato (NO3-) mediante un proceso llamado nitrificación. Las bacterias que llevan a cabo esta reacción obtienen energía de ella.

La nitrificación requiere la presencia de oxígeno, por lo que la nitrificación sólo puede ocurrir en ambientes ricos en oxígeno como aguas circulantes o corrientes y en las capas superficiales de suelos y sedimentos.

El proceso de nitrificación tiene algunas consecuencias importantes. Los iones de amonio (NH4+) tienen carga positiva y por lo tanto se adhieren (clasifican) a las partículas de arcilla con carga negativa y a la materia orgánica del suelo.

La carga positiva evita que el nitrógeno amoniacal sea eliminado del suelo (o lixiviado) por la lluvia.

Por el contrario, el ión nitrato cargado negativamente no es retenido por las partículas del suelo y, por lo tanto, puede ser eliminado del suelo, lo que lleva a una disminución de la fertilidad del suelo y al enriquecimiento de nitratos en las aguas superficiales y subterráneas posteriores.

Desnitrificación

  • NO3- → N2+ N2O

Mediante la desnitrificación, las formas oxidadas de nitrógeno como el nitrato (NO3-) y el nitrito (NO2-) se convierten en dinitrógeno (N2) y, en menor medida, en gas de óxido nitroso (NO2).

La desnitrificación es un proceso anaeróbico que se lleva a cabo mediante bacterias desnitrificantes, que convierten el nitrato en dinitrógeno en la siguiente secuencia:

  • NO3- → NO2- → NO → N2O → N2.

El óxido nítrico y el óxido nitroso son gases que tienen un impacto ambiental. El óxido nítrico (NO) contribuye al smog, y el óxido nitroso (N2O) es un importante gas de efecto invernadero, contribuyendo así al cambio climático global.

Una vez convertido en dinitrógeno, es poco probable que el nitrógeno sea reconvertido a una forma biológicamente disponible porque es un gas y se pierde rápidamente en la atmósfera.

La desnitrificación es la única transformación de nitrógeno que elimina el nitrógeno de los ecosistemas (esencialmente de forma irreversible), y equilibra aproximadamente la cantidad de nitrógeno fijada por los fijadores de nitrógeno descritos anteriormente.

Alteración humana del ciclo del Nitrogeno y sus consecuencias ambientales

A principios del siglo XX, un científico alemán llamado Fritz Haber descubrió cómo cortocircuitar el ciclo del nitrógeno fijando el nitrógeno químicamente a altas temperaturas y presiones, creando fertilizantes que se podían añadir directamente al suelo.

Esta tecnología se extendió rápidamente a lo largo del siglo XX y, junto con el advenimiento de nuevas variedades de cultivos, el uso de fertilizantes sintéticos nitrogenados condujo a un enorme auge de 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 tenido algunas consecuencias negativas.

Aunque las consecuencias quizás no sean tan obvias como un aumento de la temperatura global o un agujero en la capa de ozono, son igual de graves y potencialmente dañinas para los seres humanos y otros organismos.

Ya que no todo el fertilizante nitrogenado aplicado a los campos agrícolas permanece para nutrir los cultivos. Algunos son arrastrados fuera de los campos agrícolas por la lluvia o el agua de riego, donde se filtra en las aguas superficiales o subterráneas y puede acumularse.

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