PARTE 1 (PAJARES MORENO, 2016)
De Ciclo a Cascada del Nitrógeno
El Nitrógeno (N) forma parte de los elementos imprescindibles para la vida por estar presente en todas las proteínas y en los ácidos nucleicos (ADN y ARN). A pesar de que es uno de los elementos más abundantes en la atmósfera y la biosfera, es el que menos pueden aprovechar los seres vivos. La razón de esta contradicción se debe a que 99% del Nitrógeno en la Tierra se encuentra en forma de Nitrógeno molecular (N2), este gas es el más abundante de nuestra atmósfera, formando el 78% del total. El nitrógeno molecular tiene dos átomos de nitrógeno unidos por un triple enlace, y se necesita una enorme energía para romperlo. Cuando el N2 se rompe, se forman los tipos activos de nitrógeno que los seres vivos pueden usar, como son las formas inorgánicas: amonio (NH4+), nitrato (NO3-) y óxidos de nitrógeno, entre otros; y las formas orgánicas: urea, aminas, ácidos nucleicos y proteínas.
Las moléculas del Nitrógeno se mueven de manera cíclica en la Tierra, mediante procesos biológicos y no biológicos (o abióticos), y a esto se le llama ciclo biogeoquímico del nitrógeno. Este ciclo comprende cinco procesos principales:
- fijación, 2. asimilación, 3. amonificación, 4. nitrificación y 5. Desnitrificación.
Principales procesos del nitrógeno (N) a través de componentes biológicos y abióticos en el sistema terrestre.
Adaptado de Wikipedia: https:// es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_del_nitr%C3%B3geno.
La fijación del nitrógeno se produce fundamentalmente gracias a bacterias especializadas, como las del género Rhizobium,que forman nódulos en las raíces de plantas como el frijol y otras leguminosas. Las bacterias de este géneroson capaces de transformar el N2 atmosférico en NH4+, que es la forma como los organismos lo pueden incorporar a sus proteínas mediante la asimilación. Por ejemplo, en este proceso las plantas absorben el NO3– del suelo y lo reducen a NH4+, que es transferido a las moléculas de carbono para producir aminoácidos y otras moléculas orgánicas nitrogenadas que las plantas necesitan para crecer.
Las bacterias heterótrofas y los hongos son los responsables de la amonificación, proceso por el cual el nitrógeno de los organismos muertos o de residuos orgánicos se transforma también en NH4+, volviendo a estar disponible para las plantas y microorganismos. En presencia de oxígeno, un pequeño grupo de microorganismos autótrofos pueden convertir parte de este NH4+ en NO3– mediante el proceso de nitrificación.
El NO3–, tiene una carga negativa, por lo que no se adhiere a las partículas del suelo que también tienen carga negativa (Capacidad de Intercambio Catiónico, o CIC), y es por esta razón que se lava con facilidad (proceso conocido como lixiviación). Cuando ocurre la lixiviación se pierde fertilidad en el suelo y además las aguas superficiales y subterráneas se enriquecen con NO3–, provocando problemas de eutrofización acuática y de salud en el hombre. En condiciones anaerobias, es decir cuando no hay oxígeno en el ambiente, un grupo diverso de microorganismos es capaz de respirar el NO3– y transformarlo hasta N2 mediante una serie de etapas secuenciales, en las cuales el nitrito (NO2–), el óxido nítrico (NO), que forma parte del smog, y el óxido nitroso (N2O), un potente gas de efecto invernadero, aparecen como productos intermedios. Todo este proceso se conoce como desnitrificación y se resume en estos pasos: NO3– > NO2– > NO– > N2O– > N2
Antes de la revolución industrial, el nitrógeno reactivo se originaba a partir del N2 por medio de dos procesos: relámpagos y fijación biológica del nitrógeno. El nitrógeno reactivo no se acumulaba en el ambiente, porque existía un equilibrio entre el nitrógeno que fijaban los organismos biológicamente y la desnitrificación. Sin embargo, en las últimas décadas el nitrógeno reactivo se está acumulando en la naturaleza como consecuencia de las actividades humanas: incremento de los cultivos de leguminosas (los principales son el frijol y la soya), el uso de combustibles fósiles, y, sobre todo, gracias a la producción de fertilizantes inorgánicos mediante el proceso desarrollado por los investigadores Haber y Bosch.
Fritz Haber recibió el premio Nobel de Química en 1918 por desarrollar la síntesis catalítica del amoniaco a partir del dihidrógeno y el dinitrógeno atmosférico en condiciones de alta temperatura y presión. El método Haber-Bosch, como se le conoce, solucionó los problemas de la agricultura a escala mundial porque fue posible producir fertilizantes de manera industrial, sin necesidad de depender de desechos orgánicos como el estiércol. Al principio fue una historia de enorme éxito, ya que gracias a los fertilizantes inorgánicos la producción mundial de alimentos se disparó. Esta es una de las razones por las que la población humana ha crecido tanto recientemente, multiplicándose por seis en tan sólo 100 años. Sin embargo, para mantener este ritmo acelerado de crecimiento, también fue necesario aumentar la producción de fertilizantes y el uso de combustibles fósiles, y es así como comenzaron los problemas que aquejan hoy a nuestro planeta: sobrepoblación, calentamiento global, pérdida de biodiversidad, contaminación, cascada de nitrógeno, entre otros.
De hecho, de todos los fertilizantes que se aplican a un cultivo, las plantas sólo absorben cerca de la mitad. El resto de los fertilizantes se lixivia o se pierde por escorrentía con el riego y termina en los mantos acuíferos, donde ocasiona problemas en los ecosistemas, tiene efectos nocivos para la salud, y se volatiliza a la atmósfera en forma de gases reactivos que contribuyen al calentamiento global y a la contaminación del aire. Conforme estos compuestos nitrogenados avanzan a través de los ecosistemas, desencadenan lo que se conoce como cascada del nitrógeno.
Actualmente la aplicación de fertilizantes químicos ha duplicado la cantidad de nitrógeno reactivo que circula por el planeta, provocando que el ciclo del nitrógeno esté alterado en más del 80%, mientras que el del carbono lo está en menos del 10%. Por ello, el nitrógeno antropogénico es probablemente una amenaza medioambiental mayor que el carbono debido a las actividades humanas y de la cual se habla muy poco.
Referencias:
Pajares Moreno, S. (2016). La cascada del nitrógeno ocasionada por actividades humanas. Oikos(16), 14-17.
quimcasa.blog 