EL NITRÓGENO.  

 

El nitrógeno es un componente esencial de los seres vivos (animales y plantas), lo contienen en forma de proteínas y ácidos nucleicos; como consecuencia, en los buenos suelos hay hasta 30 toneladas/hectárea de combinaciones nitrogenadas: en la corteza terrestre se encuentra en un 1,9x10-3% en peso. En volumen el 78% de la atmósfera es nitrógeno (75% en peso) (fig.1). El nitrógeno líquido se usa como refrigerante. Atmósfera inerte en lámparas y relés, en la industria electrónica, industria del acero. Productos agrícolas. Propelente en aerosoles y extintores, en industria del petróleo.

Descubierto por Daniel Rutherford en 1772. Casi al mismo tiempo, Scheele, Cavendish, Priestley y otros estudiaron "el aire quemado o deflogistado" como se denominaba el aire sin oxígeno” Lavoisier lo denominó azote (sin vida); de este nombre derivan otros todavía en uso: azida, hidracina,..... El nombre de nitrógeno (formador de nitratos) fue propuesto por J. Chaptal. Fue licuado por primera vez en 1877 por L. Cailletet.
 

El nitrógeno sólido es incoloro y presenta dos formas alotrópicas, pasando de la forma cúbica a la hexagonal por encima de -237,54ºC. En estado líquido también es incoloro e inodoro y se parece al agua. El nitrógeno atómico, que se forma mediante descargas eléctricas en una atmósfera de nitrógeno, es muy reactivo: reacciona a temperatura ambiente con metales y no metales.   

A temperatura ambiente, es un gas incoloro, inodoro e insípido, no combustible, diamagnético. Es más ligero que el aire. A 0ºC se disuelven en agua 0,023 volúmenes/% de nitrógeno; la solubilidad del O2 es el doble y, por consiguiente, la presión parcial del oxígeno en el agua es superior a la del nitrógeno, lo que es esencial para los seres vivos acuáticos.

 
 


fig. 1

 

Presenta todos los estados de oxidación entre -3 y +5. Es bastante inerte, ya que la molécula es muy estable. Cuando se calienta nitrógeno se combina directamente con litio magnesio o calcio formando nitruros; también lo hace con óxidos metálicos y con el carbono; cuando una mezcla de nitrógeno con oxígeno se somete a un descarga eléctrica se forma primero óxido nítrico (NO) y después dióxido (NO2); cuando se calienta a presión con hidrógeno y un catalizador se obtiene amoníaco (NH3) (Proceso Haber-Bosch). Las moléculas de nitrógeno son las responsables del tono rojo-anaranjado, verde azulado, azul-violeta y violeta de la aurora, (fig.2). En la corteza terrestre superior (incluyendo atmósfera e hidrosfera) constituye el 0,25% en peso. En forma atómica se encuentra en las capas superiores de la atmósfera, al disociarse las moléculas por acción de la luz ultravioleta. Los minerales nitrogenados son relativamente escasos, debido a que la molécula de nitrógeno es muy inerte, siendo el más abundante el nitrato de Chile (NaNO3).

 

De la atmósfera (su fuente inagotable) se obtiene por licuación y destilación fraccionada. Existen otros procedimientos: combustión de carbón con oxígeno del aire. Para obtenerlo muy puro se puede utilizar la descomposición térmica (70ºC) del nitrito amónico en disolución acuosa o la descomposición de amoníaco (1000ºC) en presencia de níquel en polvo.

Sus compuestos son numerosísimos y se encuentran en alimentos, venenos, fertilizantes y explosivos, algunos usos del nitrógeno (fig.3):

El amoníaco se usa como fertilizante en forma de sales amónicas, urea y cianamida, además puede oxidarse a ácido nítrico (Proceso Ostwald). La industria de producción de amoníaco (y derivados) es el principal consumidor de nitrógeno.

Como refrigerante está desplazando a los hidrocarburos halogenados.

 

 

fig. 2

 

El ácido nítrico (líquido incoloro) que se obtiene a partir del amoníaco, es un ácido fuerte y oxidante poderoso y se emplea en la fabricación de nitratos, nitración de sustancias orgánicas. Los nitratos de sodio y potasio que se han formado por descomposición de materia orgánica reaccionando con compuestos de los metales, se encuentran en ciertas áreas desérticas en gran cantidad y se utilizan como abonos. Son muy solubles.
Entre los óxidos destaca el NO2 usado en anestesia.

 

Los cianuros se emplean grandes cantidades en la producción de acero templado y otros productos: se sumerge el acero caliente en cianuro de sodio fundido y así se forma una capa superficial extremadamente dura de hierro con átomos intersticiales de nitrógeno y carbono.

 

Se utilizan grandes cantidades de nitrógeno en la industria electrónica para crear atmósferas inertes en la producción de transistores, diodos, etc. En la industria del petróleo para incrementar la presión en los pozos y forzar la salida del crudo. También en expulsar el aire de tanques de combustible parcialmente llenos y como propelente de aerosoles y extintores.
El nitrógeno líquido se usa como refrigerante: congelado por inmersión y transporte de alimentos congelados.

Además que resulta ser un recurso natural inagotable, tiene un papel importante, tanto económicamente como en la búsqueda de nuevos métodos y técnicas que puedan resultar más benéficos para el desarrollo de todos los sectores industriales.

 
 


fig. 3

EL CICLO DEL NITRÓGENO.

 

El nitrógeno, al igual que el carbono, es un elemento básico de la vida y está presente en determinadas reacciones químicas e intercambios entre la atmósfera, suelos y seres vivos, que se realizan en la naturaleza de forma cíclica.  Intervienen fundamentalmente en este ciclo los vegetales y las bacterias fijadoras del nitrógeno. En ese proceso, el nitrógeno es incorporado al suelo, que será absorbido por los organismos vivos antes de regresar de nuevo a la atmósfera, (fig. 4).

Los organismos vivos no pueden utilizar directamente el nitrógeno que se encuentra en la atmósfera en forma gaseosa, y que supone el 71% del total; para ello, debe ser transformado previamente en nitrógeno orgánico (nitratos o amoniaco). Esto se consigue, fundamentalmente, mediante la fijación biológica, aunque también las radiaciones cósmicas y la energía que producen los rayos en la atmósfera intervienen en este proceso en menor medida combinando nitrógeno y oxígeno que una vez transformado es enviado a la superficie terrestre por las precipitaciones.

 

fig. 4

En la fijación biológica intervienen bacterias simbióticas que viven en las raíces de las plantas, sobre todo leguminosas como el guisante, trébol o la alfalfa, pero también determinadas algas, líquenes, etc. Las bacterias se alimentan de estas plantas, pero a cambio le entregan abundantes compuestos nitrogenados. Es muy común en agricultura cultivar leguminosas en determinados terrenos pobres en nitrógeno, o que han quedado agotados por otras cosechas, para permitir rotar los sembrados en el mismo lugar.

Los nitratos y en menor cantidad el amonio, son las principales fuentes de nitrógeno de las plantas verdes y de muchos microorganismos. En virtud de su patrón enzimático, las plantas convierten los nitratos por medio de una serie de reacciones químicas hasta aminoácidos, proceso llamado asimilación de nitratos.

Las proteínas de las plantas sirven como fuente de aminoácidos esenciales para numerosos animales, que las utilizan para sintetizar sus propias proteínas celulares. Estos animales son ingeridos por otros animales, sirviendo así como fuente de nitrógeno a los depredadores. Luego, los animales excretan los desechos nitrogenados en forma de urea. Estos desechos se descomponen en la tierra y en el agua hasta amonio y bióxido de carbono. La descomposición de los organismos muertos transforma eventualmente las sustancias nitrogenadas de las células muertas hasta amonio, bióxido de carbono y agua.

El amonio estas sujeto a numerosas transformaciones biológicas. Puede absorberse como tal por medio de las raíces de las plantas superiores  y usarse para la síntesis de aminoácidos y proteínas. Puede oxidarse por el proceso llamado nitrificación, principalmente como resultado de la acción sucesiva de grupos de bacterias que se encuentran en el suelo y que se llaman bacterias nitrificantes. El primer grupo, Nitrosomas, lo oxidan aerobiamente hasta nitritos, el cual es después es oxidado aerobiamente hasta nitratos por el segundo grupo de bacterias llamadas Nitrobacter. Los nitratos así producidos son utilizados por las plantas y microorganismos como una fuente de nitrógeno, cerrándose así el anillo y completándose el ciclo del nitrógeno.

Sin embargo, el ciclo del nitrógeno, es más complejo y posee varias derivaciones importantes. Otro grupo de bacterias importantes del suelo llamadas bacterias desnitrificantes convierten los nitritos y nitratos a nitrógeno molecular, el cual regresa a la atmósfera. Por consiguiente, la desnitrificación es un escape del nitrógeno durante el ciclo.

Los humanos influyen en el ciclo del nitrógeno y pueden sobrecargarlo. Esto puede ser observado en los cultivos intensivos (que obligan a añadir fertilizantes nitrogenados para fertilizar las tierras) y la tala de árboles, que hacen descender el contenido de nitrógeno de los suelos.

BACTERIAS FIJADORAS DE NITRÓGENO.

Dos fenómenos biológicos fundamentales aseguran la disponibilidad del carbono y del nitrógeno en los organismos vivos a partir del gas carbónico y del nitrógeno molecular del aire: la fotosíntesis y la fijación biológica del nitrógeno. La fotosíntesis es realizada por los vegetales y algunos procariotes, la fijación del nitrógeno únicamente por los procariotes. La fijación del nitrógeno (FN) funciona en bacterias adaptadas en ambientes ecológicos y estilos de vida muy diversos.

El nitrógeno es muy abundante en nuestra atmósfera; sin embargo, se encuentra en una forma poco aprovechable. El nitrógeno molecular (donde los átomos de nitrógeno se unen de dos en dos) no es fácilmente asimilable por los organismos, porque la unión entre los átomos está formada por un triple enlace muy difícil de romper. La única manera de poder usar el nitrógeno de la atmósfera es llevar a cabo una reacción química donde se rompen estos tres enlaces y se incorporan átomos de hidrógeno para fabricar amoniaco, un compuesto que los organismos sí son capaces de procesar metabólicamente. Sólo un grupo selecto de bacterias es capaz de atrapar y aprovechar el nitrógeno de la atmósfera como nutrimento, es decir, de llevar a cabo este proceso de Fijación Biológica del Nitrógeno, y por ello son conocidas como bacterias fijadoras de nitrógeno.

El descubrimiento de la fijación biológica de nitrógeno en las leguminosas remonta al siglo xix. Los trabajos del francés Jean Batiste Boussingault y los de los alemanes Hermann Hellriegel y Hermann Wilfarth establecieron, en 1886, que la capacidad de las leguminosas de utilizar el N2 del aire era debida a la presencia de "nudos" de la raíz inducidos por "fermentos" localizados en el suelo. Este descubrimiento fue seguido rápidamente por el aislamiento de Rhizobium por Beijerinck a partir del chícharo (Pisum), y posteriormente por otras bacterias fijadoras de nitrógeno (FN) que no se encuentran asociadas a plantas, como Azotobacter y Clostridium pasteurianum.

Los Rhizobium son bacterias Gram negativas y aerobias obligadas que pertenecen a la familia Rhizobiaceae. Entre ellos se encuentran los géneros Rhizobium, Bradyrhizbium y Azorhizobium. Estos microorganismos del suelo forman una asociación simbiótica con distintas especies de plantas y durante la simbiosis son capaces de llevar a cabo la fijación de nitrógeno molecular. En la simbiosis las bacterias se encuentran en las raíces de las plantas dentro de estructuras llamadas nódulos. Ni la plantas ni estas bacterias aisladamente fijan el nitrógeno diatomico (N2) para convertirlo en amonio. La simbiosis es inhibida si existe un exceso de nitrato o amiono en el suelo. Dentro de los nódulos las bacterias se convirten en bacteroides que son células más grandes que los Rhizobium que se encuentran en el suelo y que llevan a cabo la fijación de nitrógeno porque son capaces de formar la enzima nitrogenasa que es reponsable de la conversión del nitrógeno molecular en amonio. Debido a esta simbiosis, la planta recibe nitrógeno que puede utilizar para si misma, mientras que las bacterias utilizan moléculas que les proporciona la planta.

Existen muchos genes de rhizobium característicos de la simbiosis como por ejemplo los genes nod, nol, nif y fix. Los nódulos aparecen rojos por causa de una proteina llamada leghemoglobina. Después de la fase de fijación de nitrógeno, el color del nódulo llega a ser verde debido a la conversión de leghemoglobina en biliverdina. Leghemoglobina protege a la nitrogenasa de los altos niveles de oxígeno y evitar la inacitvación de esta enzima. Cada tipo de Rhizobium tiene espectro específico de plantas con las que es capaz de formar nódulos. Por ejemplo, Bradyrhiobium japonicum forma una simbiosis con Glycine max, Rhizobium leguminosarum bv. viciae con Pisum sativum o Viciafaba, Rhizobium (Sinorhizobium) meliloti con Medicago sativa y Azorhizobium caulinodans con Sesbania rostrata. Azorhizobium caulinodas es capaz de fijar nitrógeno también fuera de su planta hospedadora.

Solamente las leguminosas son capaces de utilizar el nitrógeno en forma de nitrato o amonio para la síntesis de compuestos nitrogenados como los aminoácidos. En la simbiosis con los Rhizobium se forman nódulos rizoidales (fig. 5), en los cuales las bacterias simbióticas fijan

el nitrógeno atmosférico que proporcionan a la planta. Por eso, en presencia de estas bacterias simbióticas las leguminosas pueden crecer en suelos que no tienen suficiente nitrato o amonio para un desarrollo normal de la planta. Por esta razón los Rhizobium pueden ser utilizados como inoculantes para mejorar el crecimiento de leguminosas en lugar de abonos. Por otro lado, las bacterias utiliza moléculas de la planta y de esta forma, ambos "socios" tienen una vantaja de la simbiosis.

 

 

fig. 5  Nódulos de frijol vistos de cerca
.

La simbiosis Rhizobium-leguminosas es el resultado de una interacción muy específica entre la bacteria y la planta. La organogénesis del nódulo es un proceso inducido por un "intercambio de señales" entre los dos participantes de la interacción, el microsimbionte (bacteria) y el macrosimbionte (planta). Es esencial la unión del microorganismo a los pelos radicales de la planta. Sustancias con efecto mitógeno (factores de nodulación) son sintetizadas por productos de los llamados genes de nodulación del microsimbionte (genes nod), en respuesta a la excreción por la planta de sustancias de tipo flavonoide. En la lucerna, el trébol y el chícharo, la bacteria infecta la raíz en la extremidad de los pelos radicales provocando la curvatura de éstos. Se promueve la penetración de la bacteria, formando el llamado "hilo de infección", en el interior del cual se desarrollan los microorganismos, éstos continúan hasta llegar al cortex radical. La infección conduce a la formación del meristemo nodular. La producción de los factores de nodulación induce, a distancia, la división celular a nivel del cortex (fig. 6).

fig. 6

Las raíces de plantas forman exudados que inducen la expresión de genes rhizobiales que son característicos para el comienzo de la simbiosis. Uno de esos factores son flavonoides que producen una interacción con la proteina codificada por el gen nodD. La proteina NodD y las substancias flavonoides forman parte del reconocimiento hospedador-específico debido a que no todos los flavonoides pueden interactuar con una NodD de una especie bacteriana dada. Después, las proteinas codificadas por los genes nod catalizan la formación de los metabolitos nod. Esos son oligómeros de N-acetil glucosamina con algunas alteraciones químicas.

La invasión de las plantas se lleva a cabo por los pelos radiculares. Las bacterias inducen una curvación de esos pelos mediante el contacto con la planta y la producción de metabolitos nod. Las bacterias invaden las plantas mediante el desarrollo de canales de infección, por lo que se forman túneles transcelulares. Durante la penetración, y la simbiosis, las bacterias no quedan alojadas directamente dentro del citoplasma de las células de la planta hospedadora, sino que permanecen alojadas en "vesículas" rodeadas por una membrana derivada de la membrana citoplasmática de la célula de la planta.

En general los sistemas simbióticos son de gran importancia agronómica, ya que permiten el enriquecimiento de los suelos con compuestos nitrogenados sin necesidad de la aplicación de fertilizantes, cuyo costo es muy alto tanto económica como ambientalmente. Los sistemas simbióticos fijadores de nitrógeno se han aprovechado desde hace muchos años en el mejoramiento de suelos de cultivos. En México, por ejemplo, desde antes de la llegada de los españoles se cultivaban juntos el maíz y el frijol. Actualmente, se introducen en el campo bacterias mejoradas para aumentar la fijación de nitrógeno y mejorar la producción en los campos de cultivo (fig. 7).

 
 

fig. 7 Raíz de frijol nodulada por Rhizobium etli.

 

FERTILIZANTES.

En varios suelos tropicales, debido al bajo intercambio de iones y a la mínima retención de agua de la fracción mineral, la fertilidad del suelo está estrechamente relacionada con el contenido de materia orgánica del suelo. Como el N2 es el elemento más fácilmente perdido cuando la mineralización de la materia orgánica del suelo es estimulada por el arado del suelo, es frecuente que este elemento controle la materia orgánica del suelo y, por lo tanto, su fertilidad. La aplicación continua de fertilizantes no puede ser una opción sostenida para el tercer mundo, ya que los precios de los energéticos son muy elevados, son contaminantes de los mantos acuíferos y muchas veces son perdidos por lexiviación.

 

La fertilidad disponible del suelo, estimada en base al análisis químico poco antes de la siembra, da una idea de la probabilidad de respuesta a la fertilización. Aquellos suelos con niveles de nitratos superiores a 90 ppm (equivalentes a 20 ppm de nitrógeno en nitratos) no deberían ser fertilizados. En cierta manera puede suministrarse al suelo una dosis de mantenimiento con el objeto de incorporar en el suelo el nitrógeno que extrae el cultivo, en una relación de 60 kg./ha de nitrógeno incorporado por cada 3000 kg. de grano obtenido.

En la figura 8 se muestra un campo sembrado con frijol, esto con el objeto de fertilizar naturalmente al suelo, resultando mucho más económico, y menos contamínate, que utilizar fertilizantes químicos.

 

 

fig. 8

Grandes dosis de nitrógeno no garantizan respuestas acordes. Una dosis normal que logra respuestas económicamente viables en aumentos de rindes se puede lograr con 80 kg./ha de nitrógeno. Fertilizaciones con dosis mayores a 80 kg./ha disminuyen la eficiencia de uso del nutriente, y por lo tanto la rentabilidad real del cultivo. Por supuesto que beneficia al suelo por una mayor incorporación de nitrógeno en relación al que se extrae.

La respuesta promedio con dosis de 50 a 60 kg./ha de nitrógeno es de 10 a 12 kg. de grano por kg. de nitrógeno aplicado. Dosis como las descriptas logran mantener los niveles de proteínas por encima de las actuales bases de comercialización. Si las dosis se elevan a 80 kg./ha de nitrógeno, la eficiencia de uso de nutriente cae a 6 a 8 kg. de grano por kg. de nutriente incorporado, mejorandose levemente los niveles de proteína en solo un 0.5 a 0.8%.

El nitrógeno es uno de los elementos más importantes; la falta del mismo en la alimentación de la planta se caracteriza porque ésta se desarrolla mal, los entrenudos son muy cortos, los brotes jóvenes son más delgados y las hojas toman una coloración amarillenta; en definitiva la planta tiene un aspecto raquítico y amarillento.

En la figura 9 se observa un campo experimental de caña de azúcar mostrando la eficiencia de una buena dosis de nitrógeno.

 

 

fig. 9

El exceso de nitrógeno por el contrario, ocasiona un desarrollo superior a lo normal; las plantas tienen un color verde intenso y hay un predominio de hojas, siendo escasa la floración. Las plantas abonadas con un exceso de nitrógeno, son más sensibles a las plagas y enfermedades. Pero el gran problema de los fertilizantes químicos es que éstos son lavados por las lluvias y se van a los mantos freáticos, contaminando así el agua.

Los abonos nitrogenados pueden aportarse en forma asimilable directamente, es decir en forma nítrica, o bien en forma que exija la intervención de seres vivos para adquirir la forma asimilable inmediata. En general, los abonos nitrogenados podemos clasificarlos de la siguiente manera:

1. Nítricos.

                                             a)            Nitrato sódico.

                                             b)            Nitrato potásico.

                                             c)            Nitrato cálcico.

                                             d)            Nitrato sódico – potásico.

                                             e)            Calurea.

2. Amoniacales.

                                             a)            Sulfato amónico.

                                             b)            Cloruro amónico.

                                             c)            Amoniaco anhidro.

3. Nítricos y amoniacales.

                                             a)            Nitrato amónico.

                                             b)            Nitrosulfato amónico.

                                             c)            Nitrato potásico amoniacal.

4. Amídicos.

                                             a)            Cianamida cálcica.

                                             b)            Urea.

                                             c)            Urea – Form.

                                             d)            Oxamida.|

5. Proteínicos.

                                             a)            Procedentes de la materia organica.

Muchos compuestos que sirven como nutrimento se reciclan en la naturaleza; cuando los organismos mueren, dejan disponible toda su materia orgánica para ser utilizada por otros seres vivos. Sin embargo, el reciclaje por muerte es insuficiente para mantener la vida; por lo cual es necesario que se lleven a cabo otras reacciones metabólicas para poder obtener todos los compuestos que se requieren para la supervivencia y reproducción de los seres vivos.

La vida en nuestro planeta se mantiene gracias a la acción conjunta del medio ambiente, las plantas, los animales y los microorganismos. Todos éstos llevan a cabo diversas reacciones químicas para procesar los compuestos que utilizan como nutrimentos y como fuente de energía. Al conjunto de reacciones químicas que lleva a cabo un organismo para procesar estos nutrimentos se le conoce como metabolismo.

 

Como se ha mencionado, el nitrógeno es un elemento que se encuentra estrechamente relacionado con la mayoría de los procesos metabólicos de las diferentes formas de vida existentes en el planeta, y por lo tanto, la vida como tal no seria posible sin la intervención del mencionado. En el diagrama se muestra como el nitrógeno es parte de la formación de vida.

 

REFERENCIAS

 
 


Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno, UNAM

Manual del Agricultor, Jose Antonio Molina Jose Eduardo Gil Perez, Editorial Everest, 1985.

Química, Charles E. Mortimer, Grupo Editorial Iberoamerica S.A. de C.V., 1983.

http.www.adi.uam.es/docencia

http.redescolar.ilce.edu.mx