46.3D: El Ciclo del Nitrógeno
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- Describir el ciclo del nitrógeno
Llegar nitrógeno al mundo vivo es difícil. Las plantas y el fitoplancton no están equipados para incorporar nitrógeno de la atmósfera (que existe como N 2 fuertemente unido y triple covalente), a pesar de que esta molécula comprende aproximadamente el 78 por ciento de la atmósfera. El nitrógeno ingresa al mundo vivo a través de bacterias de vida libre y simbióticas, las cuales incorporan nitrógeno a sus macromoléculas a través de la fijación de nitrógeno (conversión de N 2). Las cianobacterias viven en la mayoría de los ecosistemas acuáticos donde la luz solar está presente; juegan un papel clave en la fijación de nitrógeno. Las cianobacterias son capaces de utilizar fuentes inorgánicas de nitrógeno para “fijar” el nitrógeno. Las bacterias Rhizobium viven simbióticamente en los nódulos radiculares de las leguminosas (como guisantes, frijoles y cacahuetes), proporcionándoles el nitrógeno orgánico que necesitan. Las bacterias de vida libre, como Azotobacter, también son importantes fijadores de nitrógeno.
El nitrógeno orgánico es especialmente importante para el estudio de la dinámica de los ecosistemas, ya que muchos procesos ecosistémicos, como la producción primaria y la descomposición, están limitados por el suministro disponible de nitrógeno. El nitrógeno que ingresa a los sistemas vivos por fijación de nitrógeno es convertido sucesivamente de nitrógeno orgánico nuevamente en gas nitrógeno por las bacterias. Este proceso ocurre en tres etapas en los sistemas terrestres: amonificación, nitrificación y desnitrificación. Primero, el proceso de amonificación convierte los desechos nitrogenados de animales vivos o de los restos de animales muertos en amonio (NH 4 +) por ciertas bacterias y hongos. Segundo, el amonio se convierte en nitritos (NO 2 −) por bacterias nitrificantes, como las Nitrosomonas, a través de la nitrificación. Posteriormente, los nitritos son convertidos en nitratos (NO 3 −) por organismos similares. En tercer lugar, se produce el proceso de desnitrificación, mediante el cual bacterias, como Pseudomonas y Clostridium, convierten los nitratos en gas nitrógeno, lo que le permite reingresar a la atmósfera.
La actividad humana puede liberar nitrógeno al ambiente por dos medios principales: la combustión de combustibles fósiles, que libera diferentes óxidos de nitrógeno, y el uso de fertilizantes artificiales en la agricultura, que luego se lavan en lagos, arroyos y ríos por escorrentía superficial. El nitrógeno atmosférico está asociado con varios efectos en los ecosistemas terrestres, incluyendo la producción de lluvia ácida (como ácido nítrico, HNO 3) y gases de efecto invernadero (como óxido nitroso, N 2 O), potencialmente causando el cambio climático. Un efecto importante de la escorrentía de fertilizantes es la eutrofización de agua salada y agua dulce: un proceso mediante el cual la escorrentía de nutrientes causa el crecimiento excesivo de microorganismos, agotando los niveles de oxígeno disuelto y matando la fauna del ecosistema.
Un proceso similar ocurre en el ciclo del nitrógeno marino, donde los procesos de amonificación, nitrificación y desnitrificación son realizados por bacterias marinas. Parte de este nitrógeno cae al fondo oceánico como sedimento, que luego puede trasladarse a tierra en tiempo geológico mediante la elevación de la superficie terrestre, incorporándose a la roca terrestre. Aunque el movimiento del nitrógeno de la roca directamente a los sistemas vivos se ha visto tradicionalmente como insignificante en comparación con el nitrógeno fijado desde la atmósfera, un estudio reciente demostró que este proceso puede ser significativo y debe incluirse en cualquier estudio del ciclo global del nitrógeno.
Puntos Clave
- Las bacterias, como las cianobacterias, convierten el nitrógeno en gas nitrógeno mediante la fijación de nitrógeno.
- La fijación de nitrógeno se realiza en tres etapas: amonificación, nitrificación y desnitrificación.
- La actividad humana puede liberar nitrógeno al ambiente por la combustión de combustibles fósiles y por el uso de fertilizantes artificiales en la agricultura.
- El nitrógeno atmosférico es responsable de la lluvia ácida, la liberación de gases de efecto invernadero y la eutrofización.
- La fijación de nitrógeno puede ser realizada por bacterias marinas; el nitrógeno cae al fondo oceánico como sedimento y luego es trasladado a tierra, incorporándose a la roca terrestre.
Términos Clave
- desnitrificación: proceso de conversión de nitratos en gas nitrógeno, especialmente por la acción de bacterias
- nitrificación: la conversión de amonio en nitritos (NO2−) por bacterias nitrificantes
- amonificación: la formación de amoníaco o sus compuestos a partir de compuestos nitrogenados, especialmente como resultado de la descomposición bacteriana