Entre los ciclos biogeoquímicos, el nitrógeno es el más estudiado. Consulta un resumen y conoce su importancia
El nitrógeno es un elemento químico esencial para la existencia de vida en la Tierra, ya que es un componente de todos los aminoácidos de nuestro organismo, además de las bases nitrogenadas (que constituyen las moléculas de ADN y ARN). Aproximadamente el 78% del aire que respiramos está compuesto por nitrógeno de la atmósfera (N 2), que es su mayor reserva. Una razón de esto es que el N 2 es la forma inerte del nitrógeno, es decir, es un gas que, en situaciones comunes, no es reactivo. Por tanto, se ha ido acumulando en la atmósfera desde la formación del planeta. A pesar de esto, pocos seres vivos tienen la capacidad de absorberlo en su forma molecular (N 2). Resulta que el nitrógeno, como el hierro y el azufre, participa de un ciclo natural durante el cual su estructura química sufre transformaciones en cada una de las etapas,sirviendo como base para otras reacciones y, por lo tanto, estando disponible para otros organismos - esta es la gran importancia del ciclo del nitrógeno (o "ciclo del nitrógeno").
Para que el N 2 atmosférico llegue al suelo, ingresando al ecosistema, debe pasar por un proceso llamado fijación, que se lleva a cabo mediante pequeños grupos de bacterias nitrificantes, que eliminan el nitrógeno en forma de N 2 y lo incorporan a sus moléculas orgánicas. Cuando la fijación la realizan organismos vivos, como las bacterias, se denomina fijación biológica o biofijación. Actualmente, los fertilizantes comerciales también se pueden utilizar para la fijación de nitrógeno, caracterizando la fijación industrial, un método ampliamente utilizado en la agricultura. Además de estos, también existe la fijación física, que se lleva a cabo por rayos y chispas eléctricas, a través de las cuales se oxida el nitrógeno y se transporta al suelo a través de las lluvias, pero dicho método tiene una capacidad reducida de fijación de nitrógeno,lo cual no es suficiente para que los organismos y la vida en la Tierra se mantengan.
Cuando las bacterias fijan N 2, liberan amoniaco (NH 3). El amoniaco, al entrar en contacto con las moléculas de agua del suelo, forma hidróxido de amonio que, al ionizarse, produce amonio (NH 4), en un proceso que forma parte del ciclo del nitrógeno y se denomina amonificación. En la naturaleza, existe un equilibrio entre el amoníaco y el amonio, que está regulado por el pH. En ambientes donde el pH es más ácido predomina la formación de NH 4, y en ambientes más básicos, el proceso más común es la formación de NH 3. Este amonio tiende a ser absorbido y utilizado principalmente por plantas que tienen bacterias asociadas a sus raíces (bacteriorrizas). Cuando es producido por bacterias de vida libre, este amonio tiende a estar disponible en el suelo para ser utilizado por otras bacterias (nitrobacterias).
Las nitrobacterias son quimiosintetizadores, es decir, son seres autótrofos (que producen su propio alimento), que extraen la energía necesaria para su supervivencia de las reacciones químicas. Para obtener esta energía, tienden a oxidar el amonio, transformándolo en nitrito (NO 2 -), y posteriormente en nitrato (NO 3 -). Este proceso del ciclo del nitrógeno se llama nitrificación.
El nitrato permanece libre en el suelo y no tiene tendencia a acumularse en ambientes naturalmente intactos, por lo que puede tomar tres caminos diferentes: ser absorbido por las plantas, desnitrificado o llegar a cuerpos de agua. Tanto la desnitrificación como el flujo de nitratos a los cuerpos de agua tienen consecuencias negativas para el medio ambiente.
Impactos sobre el medio ambiente
La desnitrificación (o desnitrificación) es un proceso llevado a cabo por bacterias denominadas desnitrificantes, que transforman nuevamente el nitrato en N 2, realizando el retorno del nitrógeno a la atmósfera. Además del N 2, otros gases que se pueden producir son el óxido nítrico (NO), que se combina con el oxígeno atmosférico, favoreciendo la formación de lluvia ácida, y el óxido nitroso (N 2 O), que es un gas causante importante. el efecto invernadero, que agrava el calentamiento global.
El tercer camino, que es donde el nitrato llega a los cuerpos de agua, causa un problema ambiental llamado eutrofización. Este proceso se caracteriza por un aumento de la concentración de nutrientes (principalmente compuestos nitrogenados y fósforo) en las aguas de un lago o presa. Este exceso de nutrientes favorece la multiplicación acelerada de las algas, que acaba obstaculizando el paso de la luz, desequilibrando el medio acuático. Otra forma de proporcionar este exceso de nutrientes en un medio acuático es verter las aguas residuales en él sin un tratamiento adecuado.
Otro tema a considerar es el hecho de que el nitrógeno también puede ser dañino para las plantas cuando está presente en cantidades que van más allá de su capacidad de asimilación. Así, un exceso de nitrógeno fijado en el suelo puede limitar el crecimiento de la planta, perjudicando los cultivos. Así, la relación carbono / nitrógeno también debe ser considerada en los procesos de compostaje, de manera que los metabolismos de las colonias de microorganismos implicados en el proceso de descomposición estén siempre activos.
Absorción de nitrógeno por humanos
Los humanos y otros animales tienen acceso al nitrato al comer plantas que han absorbido esa sustancia o, según la cadena alimentaria, al comer otros animales que se han alimentado de estas plantas. Este nitrato vuelve al ciclo después de la muerte de algún organismo (materia orgánica) o por excreción (urea o ácido úrico, en la mayoría de los animales terrestres y amoniaco, en las excretas de peces) que contiene compuestos nitrogenados. Así, las bacterias en descomposición actuarán sobre la materia orgánica liberando amoniaco. El amoníaco también se puede transformar en nitritos y nitratos por las mismas nitrobacterias que transforman el amonio, integrándose con el ciclo.
Una alternativa a los fertilizantes
Como hemos visto, la fijación de nitrógeno en el suelo puede producir efectos positivos, pero el proceso se produce en exceso, puede generar consecuencias negativas para el medio ambiente. La interferencia de la humanidad en el ciclo del nitrógeno se produce a través de la fijación industrial (mediante el uso de fertilizantes), que aumenta la concentración de nitrógeno a fijar, provocando problemas como los mencionados anteriormente.
Una alternativa para el uso de fertilizantes sería la rotación de cultivos, alternando cultivos de plantas fijadoras y no fijadoras de nitrógeno. Las plantas fijadoras de nitrógeno son aquellas que tienen bacterias y otros organismos fijadores asociados con sus raíces, como ocurre en las plantas leguminosas (como frijoles y soja). La rotación favorecería la fijación de nitrógeno en cantidades más seguras que el uso de fertilizantes, aportando nutrientes compatibles con la capacidad de asimilación de las plantas, favoreciendo su desarrollo y reduciendo las tasas de nutrientes que llegan a los cuerpos de agua. También se puede aplicar un proceso similar llamado "abono verde" para reemplazar los fertilizantes.
Este proceso consiste en cultivar plantas fijadoras de nitrógeno y cepillarlas antes de que produzcan semillas, dejándolas en su lugar como mantillo, para que posteriormente se puedan realizar cultivos de otras especies. A continuación podemos ver una imagen que nos trae un resumen de lo visto a lo largo del artículo:
ANAMMOX
El acrónimo en inglés (que significa oxidación anaeróbica del amoníaco) nombra un proceso biológico innovador para eliminar el amoníaco del agua y los gases.
Consiste en un atajo, ya que el amoníaco no necesitaría ser nitrificado en nitrito y nitrato para ser desnitrificado nuevamente a la forma de N 2. Con el proceso ANAMMOX, el amoníaco se convertiría directamente en nitrógeno gaseoso (N 2). La primera estación a gran escala se instaló en 2002 en los Países Bajos y en 2012 ya había 11 instalaciones en funcionamiento.
Eficiente y sostenible, el proceso ANAMMOX se puede utilizar para eliminar el amoníaco de los efluentes en concentraciones superiores a 100 mg / l. Dentro de los reactores coexisten bacterias nitrificantes y ANAMMOX, donde las primeras transforman aproximadamente la mitad del amoníaco en nitruros (compuestos químicos que tienen nitrógeno en su composición), y las bacterias ANAMMOX actúan transformando los nitruros y el amoníaco en nitrógeno gaseoso.
La oxidación anaeróbica del amoniaco se ha mostrado prometedora, y ya se puede encontrar en procesos industriales como el tratamiento de aguas residuales, residuos sólidos orgánicos, en industrias alimentarias, fertilizantes, entre otros.
