- Característiques generals
- origen
- formes químiques
- història
- Requeriment dels organismes
- components
- -Reservorios
- -Microorganismos participants
- Bacteris fixadors de N
- bacteri nitrificants
- bacteris desnitrificants
- etapes
- fixació
- fixació abiòtica
- fixació biòtica
- assimilació
- amonificació
- nitrificació
- desnitrificació
- importància
- Alteracions de el cicle de l'nitrogen
- referències
El cicle de l'nitrogen és el procés de moviment de l'nitrogen entre l'atmosfera i la biosfera. És un dels cicles biogeoquímics més rellevants. El nitrogen (N) és un element de gran importància, ja que és requerit per tots els organismes per al seu creixement. Forma part de la composició química dels àcids nucleics (ADN i ARN) i les proteïnes.
La major quantitat de nitrogen al planeta es troba en l'atmosfera. El nitrogen atmosfèric (N 2) no pot ser utilitzat directament per la majoria dels éssers vius. Hi ha bacteris capaços de fixar-lo i incorporar-lo a terra o a l'aigua en formes que poden ser utilitzades per altres organismes.
Cos d'aigua eutroficado per enriquesimiento amb nitrogen i fòsfor, a Lille (Nord de França). Autor: F. lamiot (own work), from Wikimedia Commons
Posteriorment, el nitrogen és assimilat pels organismes autòtrofs. La majoria dels organismes heteròtrofs l'adquireixen mitjançant l'alimentació. Després alliberen els excessos en forma d'orina (mamífers) o excrements (aus).
En una altra fase de l'procés hi ha bacteris que participen en la transformació de l'amoníac en nitrits i nitrats que s'incorporen a terra. I a la fi de l'cicle, un altre grup de microorganismes utilitza l'oxigen disponible en els compostos nitrogenats en la respiració. En aquest procés alliberen novament el nitrogen a l'atmosfera.
Actualment, la major quantitat de nitrogen utilitzat en l'agricultura és produït per l'ésser humà. Això ha portat com a conseqüència un excés d'aquest element en sòls i fonts d'aigua, causant un desequilibri en aquest cicle biogeoquímic.
Característiques generals
origen
Es considera que el nitrogen es va originar per nucleosíntesi (creació de nous nuclis atòmics). Estrelles amb grans masses d'heli van aconseguir la pressió i temperatura necessàries perquè es formés el nitrogen.
Quan es va originar la Terra, el nitrogen es trobava en estat sòlid. Després, amb l'activitat volcànica aquest element va passar a l'estat gasós i es va incorporar a l'atmosfera de la planeta.
El nitrogen es trobava en forma de N 2. Probablement les formes químiques utilitzades pels éssers vius (amoníac NH 3) van aparèixer per cicles de l'nitrogen entre el mar i els volcans. D'aquesta manera, el NH 3 s'hauria incorporat a l'atmosfera i juntament amb altres elements van donar origen a les molècules orgàniques.
formes químiques
El nitrogen es presenta en diverses formes químiques, referides a diferents estats d'oxidació (pèrdua d'electrons) d'aquest element. Aquestes diferents formes, varien tant en les seves característiques com en el seu comportament. El nitrogen gasós (N 2) no està oxidat.
Les formes oxidades es classifiquen en orgàniques i inorgàniques. Les formes orgàniques es presenten en els aminoàcids i proteïnes principalment. Els estats inorgànics són l'amoníac (NH 3), l'ió amoni (NH 4), els nitrits (NO 2) i els nitrats (NO 3), entre d'altres.
història
El nitrogen va ser descobert en 1770 per tres científics de forma independent (Scheele, Rutherford i Lavosier). En 1790 el francès Chaptal va nomenar a el gas com nitrogen.
A la segona meitat de segle XIX, es va comprovar que era un component essencial dels teixits d'organismes vius i en el creixement de les plantes. Així mateix, es va evidenciar l'existència d'un flux constant entre les formes orgàniques i inorgàniques.
A el principi es va considerar que les fonts de nitrogen eren els llamps i la deposició atmosfèrica. En 1838, Boussingault va determinar la fixació biològica d'aquest element en les lleguminoses. Després, en 1888, es va descobrir que els microorganismes associats a les arrels de les lleguminoses eren els responsables de la fixació de l'N 2.
Un altre descobriment important va ser l'existència de bacteris que eren capaços d'oxidar amoníac a nitrits. Així com altres grups que transformaven els nitrits en nitrats.
Ja en 1885, Gayon va determinar que un altre grup de microorganismes tenia la capacitat de transformar els nitrats en N 2. De tal manera, que es va poder comprendre el cicle de l'nitrogen al planeta.
Requeriment dels organismes
Tots els éssers vius requereixen nitrogen per als seus processos vitals, però no tots ho fan servir de la mateixa manera. Alguns bacteris són capaços d'utilitzar el nitrogen atmosfèric directament. Altres fan servir com a font d'oxigen compostos nitrogenats.
Els organismes autòtrofs requereixen un subministrament en forma de nitrats. Per la seva banda, molts heteròtrofs només poden utilitzar-lo en forma de grups amino que obtenen dels seus aliments.
components
-Reservorios
La major font natural de nitrogen és l'atmosfera, on es troba el 78% d'aquest element en forma gasosa (N 2), amb algunes traces d'òxid nitrós i monòxid de nitrogen.
Les roques sedimentàries contenen aproximadament un 21% que es va alliberant molt lentament. L'1% restant està contingut en la matèria orgànica i els oceans en forma de nitrogen orgànic, nitrats i amoníac.
-Microorganismos participants
Hi ha tres tipus de microorganismes que participen en el cicle de l'nitrogen. Aquests són els fixadors, els nitrificadores i els desnitrificadors.
Bacteris fixadors de N
Codifiquen un complex d'enzims nitrogenasa que intervenen en el procés de fixació. La majoria d'aquests microorganismes colonitzen la rizosfera de les plantes i es desenvolupen dins dels seus teixits.
El gènere de bacteris fixadors més comú és Rhizobium, que s'associa amb arrels de lleguminoses. Hi ha altres gèneres com Frankia, Nostoc i Pasasponia que fan simbiosi amb arrels d'altres grups de plantes.
Els cianobacteris en forma lliure, poden fixar nitrogen atmosfèric en ambients aquàtics
bacteri nitrificants
Hi ha tres tipus de microorganismes que intervenen en el procés de nitrificació. Aquests bacteris són capaços d'oxidar l'amoníac o l'ió amoni present a terra. Són organismes quimiolitòtrofs (capaços d'oxidar matèries inorgàniques com a font d'energia).
Bacteris de diversos gèneres intervenen en el procés de manera seqüencial. Nitrosoma i Nitrocystis oxiden el NH3 i NH4 fins nitrits. Després Nitrobacter i Nitrosococcus oxiden aquest compost a nitrats.
El 2015 es va descobrir un altre grup de bacteris que intervenen en aquest procés. Les mateixes són capaços d'oxidar directament l'amoníac a nitrats i estan ubicades al gènere Nitrospira. Alguns fongs també són capaços de nitrificar l'amoníac.
bacteris desnitrificants
S'ha assenyalat que més de 50 gèneres diferents de bacteris poden reduir els nitrats a N 2. Això passa en condicions anaeròbiques (absència d'oxigen).
Els gèneres desnitrificants més comuns són Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus i Thiosphaera. La majoria d'aquests grups són heteròtrofs.
El 2006 es va descobrir un bacteri (Methylomirabilis oxyfera) que és aeròbica. La mateixa és metanotrofa (obté carboni i energia de l'metà) i és capaç d'obtenir oxigen a partir de l'procés de desnitrificació.
etapes
El cicle de l'nitrogen passa per diverses etapes en la seva mobilització a través del planeta. Aquestes fases són:
fixació
És la conversió de l'nitrogen atmosfèric a formes considerades reactives (que poden ser utilitzades pels éssers vius). La ruptura dels tres enllaços que conté la molècula de N 2 requereix d'una gran quantitat d'energia i pot ocórrer per dues vies: abiòtica o biòtica.
Cicle de el nitrogen. Refet per YanLebrel a partir d'una imatge de la Environmental Protection Agency: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, via Wikimedia Commons
fixació abiòtica
Els nitrats s'obtenen mitjançant una fixació d'alta energia a l'atmosfera. És provinent de l'energia elèctrica dels llampecs i la radiació còsmica.
El N 2 es combina amb oxigen per originar formes oxidades de el nitrogen com a NO (diòxid de nitrogen) i NO 2 (òxid nitrós). Posteriorment, aquests compostos són portats a la superfície terrestre per la pluja com àcid nítric (HNO 3).
La fixació d'alta energia incorpora aproximadament un 10% dels nitrats presents en el cicle de l'nitrogen.
fixació biòtica
És duta a terme per microorganismes de terra. Generalment aquests bacteris estan associades a les arrels de les plantes. S'estima que la fixació biòtica anual de nitrogen és d'aproximadament 200 milions de tones a l'any.
El nitrogen atmosfèric és transformat en amoni. En una primera fase de la reacció, al N 2 és reduït a NH 3 (amoníac). En aquesta forma és incorporat als aminoàcids.
En aquest procés està involucrat un complex enzimàtic amb diversos centres d'òxid-reducció. Aquest complex nitrogenasa està constituït per una reductasa (aporta electrons) i una nitrogenasa. Aquesta última utilitza els electrons per reduir el N 2 a NH 3. En el procés es consumeix gran quantitat d'ATP.
El complex nitrogenasa s'inhibeix de manera irreversible en presència d'altes concentracions d'O 2. En els nòduls radicals es presenta una proteïna (leghemoglobina) que manté molt baix el contingut d'O 2. Aquesta proteïna es produeix per la interacció entre les arrels i el bacteri.
assimilació
Les plantes que no tenen associació simbiòtica amb bacteris fixadors de N 2, prenen el nitrogen de terra. L'absorció d'aquest element es realitza en forma de nitrats a través de les arrels.
Una vegada que els nitrats entren a la planta, una part és utilitzada per les cèl·lules de l'arrel. Una altra part es distribueix pel xilema a tota la planta.
Quan va a ser utilitzat, el nitrat és reduït a nitrit en el citoplasma. Aquest procés és catalitzat per l'enzim nitrat reductasa. Els nitrits són transportats als cloroplasts i altres plastidis, on es redueixen a ió amoni (NH 4).
L'ió amoni en grans quantitats és tòxic a la planta. Així que ràpidament és incorporat a esquelets carbonatats per formar els aminoàcids i altres molècules.
En el cas dels consumidors, el nitrogen l'obtenen a l'alimentar-se directament de les plantes o altres animals.
amonificació
En aquest procés, els compostos nitrogenats presents en el sòl són degradats a formes químiques més simples. El nitrogen està contingut en matèria orgànica morta i deixalles com ara urea (orina de mamífers) o àcid úric (excretes d'aus).
El nitrogen contingut en aquestes substàncies està en forma de compostos orgànics complexos. Els microorganismes fan servir els aminoàcids continguts en aquestes substàncies per produir les seves proteïnes. En aquest procés alliberen l'excés de nitrogen en forma d'amoníac o ió amoni.
Aquests compostos queden disponibles a terra perquè actuïn altres microorganismes en les següents fases de l'cicle.
nitrificació
Durant aquesta fase bacteris de terra oxiden l'amoníac i l'ió amoni. En el procés s'allibera energia que és utilitzada pels bacteris en el seu metabolisme.
A la primera part, els bacteris nitrosificantes de l'gènere Nitrosomas oxiden l'amoníac i l'ió amoni en nitrit. A la membrana d'aquests microorganismes es troba l'enzim amoníac mooxigenasa. Aquesta s'oxida NH 3 a hidroxilamina, que després és oxidada a nitrit al periplasma del bacteri.
Posteriorment, els bacteris nitratificantes oxiden els nitrits a nitrats utilitzant l'enzim nitrit oxidoreductasa. Els nitrats queden disponibles a terra, on poden ser absorbits per les plantes.
desnitrificació
En aquesta etapa, formes oxidades de el nitrogen (nitrits i nitrats) són convertides novament en N 2 i en menor mesura en òxid nitrós.
El procés és realitzat per bacteris anaeròbics, que utilitzen els compostos nitrogenats com acceptors d'electrons durant la respiració. La taxa de desnitrificació depèn de diversos factors, com el nitrat disponible i la saturació i temperatura de terra.
Quan el sòl està saturat d'aigua, l'O 2 deixa d'estar fàcilment disponible i els bacteris utilitzen el NO 3 com a acceptor d'electrons. Quan les temperatures són molt baixes, els microorganismes no poden realitzar el procés.
Aquesta fase és l'única via en què es remou nitrogen d'un ecosistema. D'aquesta manera, el N 2 que va ser fixat torna a l'atmosfera i es manté el balanç d'aquest element.
importància
Aquest cicle té una gran rellevància biològica. Com ja vam explicar anteriorment, el nitrogen és part important dels organismes vius. Mitjançant aquest procés es fa biològicament utilitzable.
En el desenvolupament dels cultius, la disponibilitat de nitrogen és una de les principals limitants de la productivitat. Des dels inicis de l'agricultura, s'ha enriquit el sòl amb aquest element.
El cultiu de lleguminoses per millorar la qualitat dels sòls és una pràctica comuna. Igualment, la sembra d'arròs en sòls negats promou les condicions ambientals necessàries per a l'aprofitament de l'nitrogen.
Durant el segle XIX, el guano (excreta d'aus) va ser utilitzat àmpliament com a font externa de nitrogen en els cultius. No obstant això, ja a finals d'aquest segle va resultar insuficient per augmentar la producció d'aliments.
El químic alemany Fritz Haber, a la fi de segle XIX, va desenvolupar un procés que després va ser comercialitzat per Carlo Bosch. Aquest consisteix a fer reacciona N 2 i hidrogen gasós per formar amoníac. És conegut com a procés Haber-Bosch.
Aquesta forma d'obtenció artificial d'amoníac és una de les principals font de nitrogen aprofitable pels éssers vius. Es considera que un 40% de la població mundial depèn d'aquests fertilitzants per a la seva alimentació.
Alteracions de el cicle de l'nitrogen
La producció antròpica actual d'amoníac és d'aproximadament 85 tones per any. Això porta conseqüències negatives en el cicle de l'nitrogen.
A causa de l'alta utilització de fertilitzants químics, hi ha contaminació de sòls i aqüífers. Es considera que més d'un 50% d'aquesta contaminació és conseqüència de la síntesi Haber-Bosch.
Els excessos de nitrogen porten a la eutrificación (enriquiment amb nutrients) dels cossos d'aigua. La eutrificación antròpica és molt ràpida i provoca un creixement accelerat principalment d'algues.
Aquestes consumeixen gran quantitat d'oxigen i poden acumular toxines. A causa de la falta d'oxigen, els altres organismes presents en l'ecosistema acaben morint.
A més, la utilització de combustibles fòssils allibera gran quantitat d'òxid nitrós a l'atmosfera. Aquest reacciona amb l'ozó i forma àcid nítric, que és un dels components de la pluja àcida.
referències
- Cerón L i A Aristizábal (2012) Dinàmica de el cicle de l'nitrogen i fòsfor en sòls. Rev. Colomb. Biotecnol. 14: 285-295.
- Estupiñan R i B Quesada (2010) el procés Haber-Bosch en la societat agroindustrial: perills i alternatives. El Sistema Agroalimentari: mercantilització, lluites i resistència. Editorial ILSA. Bogotà, Colòmbia. 75-95
- Galloway JN (2003) The global nitrogen cycle. In: Schelesinger W (ed.) Treatise on Geochemistry. Elsevier, USA. p 557-583.
- Galloway JN (2005) The global nitrogen cycle: past, present and future. Science in China Ser C Life Sciences 48: 669-677.
- Pajares S (2016) La cascada de l'nitrogen ocasionada per activitats humanes. Oikos 16: 14-17.
- Stein L i M Klotz (2016) The nitrogen cycle. Current Biology 26: 83-101.