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
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 (
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 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
La respuesta promedio con
dosis de
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
