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Ciclo del Nitrógeno
El ciclo del nitrógeno es el proceso biogeoquímico mediante el cual este elemento se convierte en múltiples formas químicas durante el tiempo que circula entre la biósfera, los ecosistemas terrestres y marinos. La conversión de nitrógeno se puede llevar a cabo mediante procesos tanto biológicos como físicos. Los procesos importantes en el ciclo del nitrógeno incluyen la fijación, amonificación, nitrificación y desnitrificación. Estos procesos generalmente están intervenidos por numerosos microorganismos presentes en ambientes acuáticos y edáficos. La mayor parte de la atmósfera de la Tierra (79 %) es nitrógeno atmosférico gaseoso (N 2 ), lo que la convierte en la mayor fuente de nitrógeno y en depósito inagotable de este elemento. Sin embargo, la molécula de N 2 es muy estable, lo que dificulta su incorporación a los organismos vivos. En otras palabras, aún a pesar de su abundancia, el nitrógeno atmosférico tiene una disponibilidad
limitada para uso biológico, lo que conduce a una escasez de nitrógeno utilizable en muchos tipos de ecosistemas.[2] El ciclo del nitrógeno es de particular interés en ecología porque la disponibilidad de nitrógeno puede afectar la velocidad de los procesos clave del ecosistema, incluida la producción primaria y la descomposición. Las actividades humanas como la quema de combustibles fósiles, el uso de fertilizantes nitrogenados artificiales y la liberación de nitrógeno en las aguas residuales han alterado drásticamente el ciclo global del nitrógeno. La modificación humana del ciclo global del nitrógeno puede afectar negativamente al sistema del medio ambiente natural y también a la salud humana.
Importancia y características del ciclo del nitrógeno
El nitrógeno es un elemento importante para la formación de proteínas, ADN, fosfolípidos y carbohidratos en seres vivos. No obstante, la mayoría de seres vivos no pueden asimilar el nitrógeno en su forma gaseosa (N 2 ). Por esa razón, necesitan del ciclo del nitrógeno para que puedan absorber dicho elemento en formas aptas para su consumo. El ciclo del nitrógeno es esencial para mantener el equilibrio de la vida en la biósfera terrestre. Es un elemento abundante en la materia orgánica y su presencia es vital para formar la atmósfera tal y como la conocemos. Es preciso que el nitrógeno se mueva a través de las diferentes etapas; de lo contrario, se pierde el equilibrio. Otro motivo por el que este ciclo es clave para la vida es que contribuye a la fertilidad de los suelos. Si no fuera por la fijación del nitrógeno y la descomposición de los seres vivos, habría escasez de este elemento en el suelo. Sin nitrógeno asimilable, las plantas no pueden crecer y los animales se quedan sin alimentos. Algunas características principales del ciclo del nitrógeno son: Es un proceso lento, pues una partícula de nitrógeno puede tardar años e incluso siglos para completar el ciclo. Las bacterias son las protagonistas de este ciclo, pues son las encargadas de fijar, nitrificar y desnitrificar.
derivan la energía de la de dicho compuesto a nitrito y últimamente a nitrato), y también su conversión a sustancias atmosféricas químicamente activas, como el dióxido de nitrógeno, que reaccionan fácilmente para originar alguna de las anteriores. La fijación del nitrógeno se realiza mediante microorganismos fijadores de este elemento. Existen bacterias en el suelo y agua que toman el nitrógeno atmosférico para incorporarlos en sus células. Gracias a esto, el nitrógeno está al alcance de las plantas para que puedan absorberlo y nutrirse de ello. Otra forma en la que sucede esta fijación es a raíz de fenómenos meteorológicos. Las tormentas y la lluvia permiten que el nitrógeno se precipite sobre el suelo, los ríos, lagos y mar, y con ello, incrementa la disponibilidad del elemento en estos medios. Fijación abiótica: La fijación natural puede ocurrir por procesos químicos espontáneos, como la oxidación, que se produce por la acción de los rayos, que forma óxidos de nitrógeno a partir del nitrógeno atmosférico. Fijación biológica de nitrógeno: Es un fenómeno fundamental que depende de la habilidad metabólica de unos pocos organismos, llamados diazótrofos en relación con esta capacidad para tomar N 2 y reducirlo a nitrógeno orgánico. Existen unos diez grupos de microorganismos diazótrofos. La reacción, que tiene lugar a nivel celular vía ATP, es en líneas generales, como sigue: Bacterias gramnegativas de vida libre en el suelo, de géneros como Azotobacter , Klebsiella o el fotosintetizador Rhodospirillum , una bacteria purpúrea. Bacterias simbióticas de algunas plantas, en las que viven de manera generalmente endosimbiótica en nódulos, principalmente localizados en las raíces. Hay multitud de especies encuadradas en el género Rhizobium , que guardan una relación muy específica con el hospedador, de manera que cada especie alberga la suya, aunque hay excepciones. Cianobacterias de vida libre o simbiótica. Las cianobacterias de vida libre son muy abundantes en el plancton marino y son los principales fijadores en el mar. Además, hay casos de simbiosis, como el de la
cianobacteria Anabaena en cavidades subestomáticas de helechos acuáticos del género Azolla , o el de algunas especies de Nostoc que crecen dentro de antoceros y otras plantas. La fijación biológica depende del complejo enzimático de la nitrogenasa.
Amonificación
La amonificación es la conversión a ion amonio del nitrógeno, en la materia viva aparece principalmente como grupos amino (-NH 2 ) o imino (-NH-). Los animales, que no oxidan el nitrógeno, se deshacen del que tienen en exceso en forma de distintos compuestos. Los acuáticos producen directamente amoníaco (NH 3 ), que en disolución se convierte en ion amonio. Los terrestres producen urea (NH 2 ) 2 CO, que es muy soluble y se concentra fácilmente en la orina, o compuestos nitrogenados insolubles como la guanina y el ácido úrico, que son purinas, y ésta es la forma común en aves o en insectos y, en general, en animales que no disponen de un suministro garantizado de agua. Todos los seres vivos contienen diferentes proporciones de nitrógeno en sus cuerpos. Cuando estos seres mueren, en especial plantas y animales, se descomponen con el tiempo, liberando materia orgánica que contiene nitrógeno. Los descomponedores, es decir, hongos y bacterias, son los encargados de llevar a cabo esta descomposición. Al alimentarse de los restos, el nitrógeno se libera en el medio en forma de amoniaco (NH 3 ) o amonio (NH 4 +). Este es un paso previo importante para que otras plantas y animales puedan servirse del nitrógeno. Los desechos en forma de orina y excrementos contienen bastante nitrógeno. Estos desechos contribuyen al ciclo, pues también se descomponen por hongos y bacterias.
Ciclos
Algunas bacterias convierten amoníaco en nitrito (por ejemplo, Nitrosomonas , Nitrosospira , Nitrosococcus ) y otras transforman este en nitrato. Donde existe un exceso de materia orgánica en el mantillo, en condiciones anaerobias, hay otras bacterias que producen desnitrificación,
El proceso es parte de un metabolismo degradativo de la clase llamada respiración anaerobia, en la que distintas sustancias, en este caso el nitrato, toman el papel de oxidante (aceptor de electrones) que en la respiración celular normal o aerobia corresponde al oxígeno (O 2 ). El proceso se produce en condiciones anaerobias por bacterias que normalmente prefieren utilizar el oxígeno si está disponible. El proceso sigue unos pasos en los que el átomo de nitrógeno se encuentra sucesivamente bajo las siguientes formas: nitrato → nitrito → óxido nítrico → óxido nitroso → nitrógeno molecular Expresado como reacción redox: La desnitrificación es fundamental para que el nitrógeno vuelva a la atmósfera, la única manera de que no termine disuelto íntegramente en los mares, dejando sin nutrientes a la vida continental. Sin la desnitrificación la fijación de nitrógeno, abiótica y biótica, terminaría por provocar la depleción del N 2 atmosférico. La desnitrificación es empleada, en los procesos técnicos de depuración controlada de aguas residuales, para eliminar el nitrato, cuya presencia favorece la eutrofización y reduce la potabilidad del agua, porque se reduce a nitrito por la flora intestinal, y este es cancerígeno. Parte del nitrógeno presente en el suelo y agua no pasa por las plantas o animales, sino que son asimilados por otro tipo de microorganismos. Hablamos de las bacterias desnitrificantes , los cuales descomponen nitratos y nitritos, liberando nitrógeno gaseoso. Con el paso del tiempo, el nitrógeno gaseoso presente en el suelo y agua vuelve a la atmósfera, reiniciando este ciclo biogeoquímico.
Asimilacion.
L as plantas pueden asimilar tanto los nitratos (NO 3 - ) como los amonios (NH 4 +)
presentes en el suelo o agua, a través de las raíces. A partir de ellos, las células vegetales sintetizan aminoácidos, que contienen al menos una pequeña proporción de nitrógeno. Toda la cadena trófica se beneficia de esto. Los animales herbívoros comen plantas y, a su vez, asimilan el nitrógeno. Los animales carnívoros se alimentan
de los herbívoros, por lo que el nitrógeno pasa a ellos. Cuando estos animales mueren, se descomponen, por lo que volvemos a la etapa de amonificación, formando así un ciclo interno.
Reducción Desasimilatoria
Es la conversión del nitrato y nitrito a la forma sólida N 2 O y a la forma ion amonio. Se produce en estercoleros y turberas, donde residen bacterias del género Citrobacter sp. Este género es típico de las coliformes entero fecales, por lo que también forma parte de la flora intestinal de mamíferos, ya que procesan parte de la lactosa que ingieren. En principio se estudió esta bacteria en las turberas debido a que son productoras de óxido nitroso N 2 O, un gas de efecto invernadero; en la actualidad, se realizan estudios de las baterías enzimáticas relacionadas con el retorno de amonio al suelo y su inhibición en presencia de sulfatos. El ciclo del nitrógeno y la actividad humana Existen diversas actividades humanas que afectan negativamente el ciclo del nitrógeno. Por ejemplo: fertilizar excesivamente los suelos; la tala de árboles; el cultivo intensivo sin tiempo de reposo; las centrales térmicas; o el combustible de los vehículos. Todas estas actividades afectan notoriamente a este ciclo porque modifican los niveles de nitrógeno en su estado natural y contribuyen a la contaminación. Una de las consecuencias principales es la lluvia ácida, producida por la presencia de ácido nítrico (HNO 3 ) en el vapor de agua.
