El ciclo del nitrógeno describe la conversión del nitrógeno en diferentes formas químicas en su proceso de circulación entre el medio terrestre, el medio marino y la atmósfera.
En otras palabras, el ciclo del nitrógeno describe cómo el nitrógeno circula, se transforma y se recicla en los ecosistemas.
Este ciclo es fundamental para sostener la vida en la Tierra: sin él, llegaría un momento en el que el nitrógeno y todas las moléculas que lo contienen se agotarían (como los ácidos nucleicos o las proteínas).
Las etapas del ciclo del nitrógeno
El mayor reservorio de nitrógeno es la atmósfera, donde se encuentra en forma molecular (N2). Desde la atmósfera, el nitrógeno circula a través de los ecosistemas, transformándose en distintos compuestos químicos orgánicos e inorgánicos. Las principales etapas del ciclo del nitrógeno son:
- Fijación del nitrógeno
- Amonificación
- Nitrificación
- Asimilación
- Desnitrificación
Otro proceso que se puede distinguir dentro del ciclo es la oxidación del amoníaco. A continuación describimos en más detalle cada una de las etapas del ciclo del nitrógeno, que se resumen en la siguiente figura.
Fijación de nitrógeno - Ciclo del nitrógeno
La fijación del nitrógeno se refiere a la conversión del gas nitrógeno (N2) en compuestos que contienen nitrógeno.
Este proceso se produce de forma natural, a través de los rayos o de microorganismos especializados en la fijación de nitrógeno; también puede provocarse, de forma artificial, mediante el proceso Haber-Bosch.
Fijación de nitrógeno por medio de rayos
En la atmósfera, los dos átomos de nitrógeno de la molécula de nitrógeno se mantienen unidos por un fuerte enlace covalente triple; es decir, los átomos comparten tres pares de electrones. Los relámpagos transportan suficiente energía para romper los enlaces covalentes del nitrógeno atmosférico. Cuando la molécula de nitrógeno se rompe, se une al oxígeno atmosférico, formando óxidos de nitrógeno (NOx).
La "x" de NOx se refiere al número de átomos.
Fijación del nitrógeno mediante el proceso Haber-Bosch
Las actividades humanas se han convertido en una gran fuente de fijación de nitrógeno; por ejemplo, la quema de combustibles fósiles produce nitrógeno fijado. La fijación de nitrógeno industrial es un subproducto del proceso Haber-Bosch para producir amoníaco. Durante el proceso, el gas nitrógeno se combina con el gas hidrógeno en un entorno de alta temperatura y alta presión. El amoníaco producido se utiliza ampliamente como fertilizante sintético.
Fijación del nitrógeno por microorganismos
Las bacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre pueden transformar el nitrógeno atmosférico en formas de nitrógeno inorgánico, a las que las plantas pueden acceder. Las plantas utilizan el nitrógeno inorgánico para fabricar aminoácidos.
Las bacterias fijadoras de nitrógeno simbióticas, como las del género Rhizobium, viven en los nodos de algunas plantas (por ejemplo, guisantes y judías) y adquieren glúcidos de la planta. A su vez, fijan el nitrógeno atmosférico y proporcionan aminoácidos a la planta. La relación entre estos tipos de bacterias y las plantas es simbiótica.
Las relaciones simbióticas se dan cuando dos organismos viven en estrecha proximidad física y se proporcionan ventajas mutuas. Algunos ejemplos son las bacterias fijadoras de nitrógeno y su planta asociada.
Amonificación - Ciclo del nitrógeno
La amonificación consiste en la conversión del nitrógeno orgánico (nitrógeno que se encuentra en las células de los organismos vivos) en amoníaco. Los organismos descomponedores son los protagonistas de este proceso, ya que se alimentan de la materia orgánica (derivada de organismos vivos), la descomponen y liberan amoníaco. Este amoníaco pasa a estar disponible para los procesos de nitrificación y asimilación.
Nitrificación - Ciclo del nitrógeno
La nitrificación es un proceso de oxidación de dos pasos que convierte los iones de amonio en iones de nitrato. El proceso implica:
- La oxidación de los iones de amonio (NH4+) a iones de nitrito (NO2-), por las bacterias nitrosificantes Nitrosomonas y Nitrococcus.
- La oxidación de los iones nitrito (NO2-) a iones nitrato (NO3-), por las bacterias nitrificantes Nitrobacter.
Las bacterias nitrificantes obtienen energía, a través de estas reacciones de oxidación. Ambas reacciones requieren oxígeno para producirse; por lo tanto, para aumentar la productividad en la agricultura, el suelo debe mantenerse bien aireado.
Asimilación - Ciclo del nitrógeno
La asimilación se produce cuando las plantas utilizan los iones de nitrato y el amoníaco para producir aminoácidos y proteínas, y luego pasan de las plantas a los animales. Los iones de nitrato y el amoníaco se forman mediante la fijación del nitrógeno y la nitrificación, como acabamos de leer.
Los aminoácidos son moléculas (monómeros) que componen las proteínas.
Desnitrificación - Ciclo del nitrógeno
La desnitrificación se refiere a la reducción de los iones de nitrato a gas nitrógeno, por parte de las bacterias anaerobias. Por eso, este proceso sólo puede ocurrir en condiciones anaeróbicas (sin o con muy poco oxígeno disponible).
Por ejemplo, en los humedales, el suelo tiende a estar anegado, lo que crea el entorno perfecto para las bacterias anaerobias, ya que hay poco oxígeno en el sedimento.
La reacción química de reducción implica la eliminación del oxígeno.
Anammox: oxidación anaeróbica del amoníaco - Ciclo del nitrógeno
Durante la reacción anammox, los iones de amonio (NH4+) y el nitrito (NO2-) se convierten en nitrógeno atmosférico. Este paso es un proceso importante en los océanos y debe ocurrir en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno).
La fórmula de la reacción anammox es la siguiente:
Importancia biológica del nitrógeno - Ciclo del nitrógeno
El nitrógeno es un bioelemento primario y es el bloque de construcción de los aminoácidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. En las plantas, el nitrógeno también se utiliza para fabricar clorofila, un pigmento fundamental que participa en la fotosíntesis. Gracias al ciclo del nitrógeno, este se recicla en los ecosistemas y se puede reutilizar continuamente.
¿Cuál es el impacto humano en el ciclo del nitrógeno?
La alteración del ciclo del nitrógeno provoca desequilibrios en los ecosistemas.
Por ejemplo, el suelo que contiene un exceso de nitrógeno corre el riesgo de tener un pH bajo, es decir, el suelo será demasiado ácido. Un suelo con un pH bajo es perjudicial para las bacterias y los microorganismos que no pueden sobrevivir en esas condiciones.
También, en los océanos y ríos, la acumulación de nitrógeno de escorrentía provocará la eutrofización. La eutrofización es el proceso por el que los niveles de nutrientes se vuelven excesivos en las masas de agua.
Puedes obtener más información respecto a este tema en nuestro artículo Fertilizantes.
Quema de los combustibles fósiles
La quema de combustibles fósiles libera a la atmósfera óxidos de nitrógeno. Estas acciones afectan a la calidad del aire, ya que provocan la producción de lluvia ácida y de smog.
Uso de fertilizantes que contienen nitrógeno
Los fertilizantes favorecen el crecimiento de las plantas y la productividad general de los cultivos. Sin embargo, los fertilizantes sintéticos contienen nitrógeno en exceso, por lo que su uso excesivo crea un desequilibrio perjudicial en los niveles de nutrientes del suelo. Estos efectos nocivos pueden provocar:
- Una menor diversidad de especies: los suelos ricos en nitrógeno favorecen el crecimiento de hierbas y otra vegetación de crecimiento rápido. La vegetación de crecimiento rápido predomina sobre otras especies y la biodiversidad se reduce.
- Lixiviación: el exceso de nutrientes en el suelo se escurre y se deposita en los arroyos, ríos y océanos.
- Eutrofizació: es una consecuencia de la lixiviación. La acumulación excesiva de nutrientes perjudica a los microorganismos y a la fauna de las masas de agua.
Eliminación de la vegetación.
Si se eliminan las plantas y los árboles, se eliminarán los nutrientes con ellos. Además, los nutrientes solubles que queden (como los iones de nitrato) se disolverán en el agua de lluvia. Estos nutrientes disueltos se adentrarán demasiado en el suelo, lo que dificultará o impedirá que la planta pueda alcanzarlos.
Reducir el impacto humano
Para reducir los efectos adversos de la actividad humana en el ciclo del nitrógeno, los individuos y las empresas deben ser conscientes de su huella de nitrógeno.
Cambios como la elección de fuentes renovables de energía pueden conducir a la reducción gradual de la cantidad de combustibles fósiles quemados.
Asimismo, optar por comer menos carne roja puede tener un impacto positivo, ya que la ganadería requiere una gran cantidad de piensos, que se cultivan con fertilizantes.
El control del nitrógeno es otro enfoque del que podría beneficiarse el sector agrícola. El seguimiento minucioso de los niveles de nutrientes en el suelo puede ayudar a minimizar los efectos tóxicos de su acumulación en exceso y, así, evitar fenómenos como la eutrofización.
Ciclo del Nitrógeno - Puntos clave
- El ciclo del nitrógeno es un ciclo geoquímico que describe la conversión del nitrógeno en diferentes formas químicas —orgánicas e inorgánicas—, a partir de su proceso de circulación entre el medio terrestre, el medio marino y la atmósfera.
- Las principales etapas del ciclo del nitrógeno incluyen la fijación del nitrógeno, la amonificación, la nitrificación y la desnitrificación.
- El nitrógeno es un bioelemento primario y es el bloque de construcción de los aminoácidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Gracias al ciclo del nitrógeno, el nitrógeno se recicla en los ecosistemas y se puede reutilizar continuamente.
- Las actividades humanas provocan alteraciones en el ciclo del nitrógeno. Estos efectos incluyen la lixiviación, la eutrofización y la reducción de la diversidad de especies.
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