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Ciclo del nitrógeno

El nitrógeno es un nutriente crucial para la supervivencia de todos los organismos vivos. Es el componente básico de las proteínas, el ADN y la clorofila. La mayoría de los átomos de nitrógeno existen como pares fuertemente unidos, formando el gas dinitrógeno (N2), que representa el 78 % de la atmósfera. A pesar de su abundancia, solo unos pocos microorganismos pueden romper el potente enlace triple del N2, utilizarlo y convertirlo en una forma más accesible (nitrógeno reactivo) como el amoníaco (NH3), el nitrato (NO3-) o el nitrógeno orgánico.

El movimiento del nitrógeno a través de la atmósfera, la biosfera y la geosfera en diferentes formas se denomina ciclo del nitrógeno.

El cartel presenta una visión general del ciclo del nitrógeno. Desde el primer estado del nitrógeno, llamado «Nitrógeno atmosférico N 2», tres flechas grises se dirigen hacia la izquierda y hacia abajo: la primera flecha apunta hacia el fenómeno llamado «rayo», la segunda flecha apunta hacia la imagen de un árbol con la descripción «bacterias fijadoras de nitrógeno en los nódulos de las raíces», y la tercera flecha apunta hacia una imagen de bacterias con la descripción «bacterias fijadoras de nitrógeno en el suelo». Esas tres flechas apuntan hacia el segundo estado posible del nitrógeno llamado «Amoníaco NH3». Desde ese cuadro, la flecha sale, pasa por el fenómeno de la «nitrificación», y apunta hacia el tercer estado posible del nitrógeno llamado Nitritos N O 2 minus. A continuación, la flecha vuelve a pasar por el fenómeno de la «nitrificación» y apunta hacia el cuarto estado posible del nitrógeno, denominado Nitratos N O 3 minus. Por último, la flecha pasa por el fenómeno de la «dentrificación» y apunta hacia el primer estado del nitrógeno, el nitrógeno atmosférico. Del centro salen dos flechas de la imagen de un animal, que apuntan hacia la imagen de animales y plantas muertos, y descomponedores, que apuntan hacia el segundo estado del nitrógeno: el amoníaco. Al lado, se muestra la imagen de la lluvia, a la que apuntan las flechas que salen de la imagen del volcán y de la fábrica, y de la que salen tres flechas que apuntan hacia el amoníaco y los nitratos. Desde la imagen de los animales muertos, una flecha apunta hacia la fábrica, y se llama «combustibles fósiles». Junto a ella, se muestra la imagen del fertilizante, con una flecha que apunta hacia los nitratos.

Fijación del nitrógeno

El proceso de convertir el N2 en nitrógeno biológicamente disponible y reactivo se denomina fijación del nitrógeno. Los enlaces triples entre los átomos de nitrógeno del N2 hacen que este compuesto sea muy estable. Solo algunos organismos, conocidos como organismos fijadores de nitrógeno, son capaces de gastar la energía necesaria para romper el enlace triple del N2. Ejemplos de organismos fijadores de nitrógeno son las bacterias del género Rhizobium, Azotobacter, Clostridium y las cianobacterias. Rhizobium forma una relación simbiótica con las plantas, principalmente de la familia de las leguminosas (judías, trébol y guisantes). Las bacterias habitan en los nódulos de las raíces de las plantas y proporcionan nitrógeno orgánico a cambio de carbohidratos.

La fijación del nitrógeno también puede producirse abióticamente (sin organismos) a través de los rayos, la radiación cósmica y los incendios forestales. En estos procesos, el N2 se combina con el oxígeno para formar los óxidos de nitrógeno NO y NO2-. Estos óxidos de nitrógeno se mezclan con la lluvia y caen a la superficie terrestre en forma de ácido nítrico (HNO3).

Sin embargo, los seres humanos han contribuido más a la introducción de nitrógenos reactivos en el medio ambiente que los procesos naturales. Los seres humanos lo han hecho quemando combustibles fósiles y utilizando en exceso fertilizantes nitrogenados sintéticos. La mayor parte del nitrógeno derivado de la actividad humana, como los fertilizantes nitrogenados, resulta del proceso Haber-Bosch.

Nitrificación

La nitrificación es la conversión del amoníaco en nitrito (NO2-) y luego en nitrato (NO3-). La mayor parte de la nitrificación se produce de forma aeróbica y la realizan exclusivamente los organismos procariotas. Las especies de bacterias oxidantes de amoníaco y nitrito son omnipresentes en los entornos aeróbicos. Entre ellas se encuentran Nitrosomonas, Nitrosospira y Nitrosococcus, que oxidan el amoníaco a nitrito; y Nitrobacter, Nitropinam, Nitrospira y Nitrococcus, que oxidan el nitrito a nitrato.

El primer paso de la nitrificación implica dos reacciones diferentes. En primer lugar, una enzima llamada amoníaco monooxigenasa convierte el amoníaco en hidroxilamina. En segundo lugar, una enzima llamada hidroxilamina oxidorreductasa convierte la hidroxilamina en nitrito.

Finalmente, el nitrito resultante se oxida aún más gracias a la acción de un oxidante de nitrito.

La oxidación del amoníaco también puede producirse de forma anaeróbica. Este proceso se denomina anammox (oxidación anaeróbica del amoníaco), y lo llevan a cabo bacterias como Brocadia anammoxidans.

Amonificación

Los residuos nitrogenados de plantas y animales muertos se convierten en amoníaco inorgánico (NH3) por medio de la acción de bacterias y hongos en un proceso llamado amonificación. El amoníaco resultante puede ser utilizado por las plantas para su crecimiento.

Desnitrificación

La desnitrificación es el proceso por medio del cual el nitrato se convierte en nitrógeno gaseoso, eliminando así el nitrógeno biodisponible y devolviéndolo a la atmósfera.

Proceso Haber-Bosch

Los científicos alemanes Fritz Haber y Carl Bosch desarrollaron un método para convertir el nitrógeno atmosférico no reactivo en amoníaco. En este método, el nitrógeno del aire se combina directamente con el hidrógeno a altas presiones y temperaturas. En la actualidad, el proceso Haber-Bosch se utiliza para producir unos 100 teragramos (Tg) de nitrógeno reactivo al año en todo el mundo (el 35 % del nitrógeno reactivo total), la mayor parte del cual se utiliza para producir fertilizantes nitrogenados.

Ciclo global del nitrógeno

La naturaleza inerte del N2 limita la productividad primaria, como en las plantas, de muchos ecosistemas. El aumento de la población humana puede alterar el ciclo global del nitrógeno, lo que afecta en gran medida a la biodiversidad, el calentamiento global, la calidad del agua y la salud de los seres humanos.

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Calidad del agua. Nitrógeno