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Ciclo de nitrógeno: qué es, cómo funciona y sus diferentes pasos

Ciclo de nitrógeno

El ciclo del nitrógeno es la migración constante y la conversión biogeoquímica del bioelemento nitrógeno en la atmósfera terrestre, en las aguas, en los suelos y en la biomasa. El nitrógeno es necesario para todos los seres vivos porque forma parte de los aminoácidos de las proteínas, los ácidos nucleicos y otras sustancias químicas esenciales de los seres vivos.

Como resultado, los organismos vivos absorben el nitrógeno del ambiente a medida que crecen (asimilación del nitrógeno) y se liberan a la biomasa muerta después de su muerte. Los seres vivos son un factor muy importante en la circulación de nitrógeno en las capas superficiales de la tierra.

El nitrógeno disponible durante la historia de la Tierra ya fue introducido y excretado por organismos vivos de 900 a 1000 veces, mientras que fue inhalado y exhalado unas 900,000 veces sin que se altere químicamente.

¿Qué es el ciclo del nitrógeno?

Las plantas (como productoras), los animales (como consumidores), así como los hongos y los microorganismos degradantes (como descomponedores) forman ciclos materiales en los ecosistemas. Se vuelven particularmente claros con el ejemplo de los ciclos de los elementos químicos como el carbono y el nitrógeno.

El nitrógeno es indispensable para la construcción de proteínas en todos los organismos. Sin embargo, las plantas como productores no pueden usar directamente el nitrógeno atmosférico (aproximadamente el 78% del aire). Las plantas solo pueden consumir nitrógeno en forma de minerales disueltos.

La fuente más importante es la degradación de las organismos muertos por la descomposición y la descomposición por los destructores. Esto produce principalmente amoniaco e iones de amonio en el suelo.

Ciclo de nitrógeno
Ciclo de nitrógeno

Estos compuestos nitrogenados son convertidos por las bacterias en otras sustancias nitrogenadas (nitritos y estos en nitratos). Los nitratos están disponibles para las plantas, los productores, en el suelo como sales minerales (nutrientes) nuevamente. Parte de los nitratos se vuelven a liberar de las bacterias liberadoras de nitrógeno a nitrógeno molecular, que vuelve al aire.

Otro papel en el ciclo del nitrógeno lo desempeñan las bacterias fijadoras de nitrógeno en el aire (por ejemplo, las bacterias nodulares del trébol, por ejemplo) y las algas azul-verdes. También convierten el nitrógeno atmosférico en amoniaco e iones de amonio, de modo que las plantas que viven en simbiosis con ellos utilizan estas sustancias como nutrientes que contienen nitrógeno.

En el ciclo del nitrógeno, por lo tanto, los microorganismos juegan un papel decisivo.

De las plantas (productores), el nitrógeno llega a los consumidores (consumidores) por medio del consumo de plantas. Si los consumidores mueren, la formación de amoníaco, nitritos y nitratos ocurre nuevamente. Estos están nuevamente disponibles para las plantas. El ciclo comienza de nuevo.

El nitrógeno en las plantas

La atmósfera de la Tierra consiste en aproximadamente 78% de nitrógeno. Es muy importante para todos los seres vivos porque es parte de proteínas, ácidos nucleicos y clorofila.

El nitrógeno (N₂) se mantiene unido por un triple enlace. Estos solo se pueden resolver con mucha energía. Las plantas pueden absorber el nitrógeno solo en una forma modificada, como amonio (NH₄⁺) o nitrato (NO₃⁻). Por lo tanto, debe ser dividido primero. Las moléculas de nitrógeno ya se pueden convertir en la atmósfera, por ejemplo, mediante rayos. Estas son reacciones endotérmicas porque tienen que absorber energía (calor) en su proceso.

Sin embargo, la mayoría del nitrógeno se pone a disposición de las plantas a través de la fijación de nitrógeno. Una posibilidad para esto es que los simbiontes fijadores de nitrógeno (bacterias nodulares) entren en una simbiosis con una planta. Las bacterias reciben energía de las plantas en forma de ATP. Las bacterias a su vez suministran a la planta nitrógeno convertido. Estas bacterias no son viables sin una simbiosis con una planta.

Ciclo de nitrógeno
El nitrógeno en las plantas

Otra posibilidad es que las bacterias del suelo fijadoras de nitrógeno absorban el nitrógeno. Este nitrógeno está contenido en todos los compuestos orgánicos. Luego se reduce para dar amonio (NH₄⁺). Este paso se llama amonificación.

El amonio también se puede formar al descomponer de sustancias orgánicas de alta energía en sustancias inorgánicas de baja energía. Aquí ganan energía. A partir de entonces, el amonio se oxida con la ayuda de las bacterias nitrito a nitrito (NO₂⁻). Este nitrito se oxida luego por bacterias de nitrito en nitrato (NO₃⁻). Es la llamada nitrificación .

El nitrato o nitrito resultante puede ser oxidado por bacterias anaeróbicas (sin oxígeno). Esta energía se gana. El nitrógeno (N₂) se libera a la atmósfera. Esto se llama dentrificación.

El nitrato también puede ser absorbido por las plantas. Sirve como fertilizante y por lo tanto estimula el crecimiento de las plantas. Este proceso se llama asimilación.

¿Cómo funciona el ciclo de nitrógeno?

El compuesto de nitrógeno más importante para los organismos es el amonio (NH 4+) o amoníaco (NH3). Puede ser utilizado por la mayoría de las bacterias y plantas verdes como fuente de nitrógeno para acumular proteínas, ácidos nucleicos y otras sustancias celulares nitrogenadas.

Los animales solo pueden utilizar nitrógeno unido orgánicamente. Como productos de desecho son principalmente amoníaco, ácido úrico y urea. Los dos últimos compuestos se descomponen rápidamente por bacterias en amoníaco y dióxido de carbono.

Los compuestos orgánicos de nitrógeno de las plantas y animales muertos están mineralizados por bacterias y otros microorganismos, y el nitrógeno se libera como amonio. En suelos bien aireados y aguas oxigenadas, el amonio es oxidado por bacterias nitrificantes a nitrito y nitrato (nitrificación).

Ciclo de nitrógeno
Función del ciclo

El nitrato puede ser utilizado por las plantas verdes y la mayoría de las bacterias como fuente de nitrógeno (reducción por asimilación de nitrato).

Bajo la exclusión de oxígeno (anaeróbico), el nitrato sirve como un aceptor de electrones en lugar de oxígeno en la oxidación de sustratos orgánicos o inorgánicos. El nitrato se puede reducir a amonio (amonificación de nitrato), nitrito o por bacterias denitrificantes anaerobias facultativas a nitrógeno molecular y óxido nitroso (óxido nitroso , óxidos de nitrógeno).

Por formación de estos compuestos de nitrógeno gaseoso (respiración de nitrato).Se trata de pérdidas de nitrógeno en el suelo.

En condiciones sin oxígeno, puede tener lugar una oxidación del amonio. El aceptor de electrones es el nitrito (respiración de nitrito) , que también se reduce a N2.

El nitrógeno molecular (nitrógeno atmosférico) es liberado nuevamente por bacterias fijadoras de nitrógeno, de vida libre o en simbiosis. En forma ligada (amonio) se transfiere, de modo que la pérdida de nitrógeno es aproximadamente equilibrado y cerrado el circuito.

Debido a las tormentas eléctricas, el nitrógeno atmosférico se puede oxidar en pequeñas cantidades y lavarse en el suelo. -Parte del nitrógeno en el suelo se determina en los componentes del humus, que solo pueden degradarse microbiológicamente de forma extremadamente lenta.

Fijaciones de nitrógeno en el aire

De todos los seres vivos en la Tierra, solo los procariotas son capaces de la fijación de nitrógeno. Estas bacterias y las algas verde-azuladas se producen de forma libre o simbionticamente con las plantas.

Ciclo de nitrógeno
Procesos del ciclo de nitrógeno

Todos los demás seres vivos son N-heterótrofos y necesitan tomar nitrógeno de los alimentos. La fijación de nitrógeno atmosférico se debe a la triple enlace estable de N2 es un proceso endergónica intensivo en energía (946kJ / mol), para catalizar los microorganismos con un complejo especial enzima nitrogenasa. Es una reducción de N2 a amoníaco N.

El amoniaco se incorpora a sus propios aminoácidos o se libera a las células vegetales.

En exposición a los rayos de sol los óxidos de nitrógeno y el oxígeno atmosférico dan lugar a los óxidos de nitrógeno, que reaccionan con el agua y el oxígeno para formar ácido nítrico, que ingresa al suelo como lluvia ácida.

Nitrificación

Si bien las plantas son capaces de absorber amonio, prefieren los nitratos, ya que el intercambio iónico podría acidificar el suelo. Las bacterias, oxidan el amonio (-III) a través de nitrito (+ III) a nitrato (+ V).

La conversión de amonio a nitrato se lleva a cabo en varias etapas. Primero, el amoníaco es oxidado por bacterias del género Nitrosomonas a hidroxilamina (NH 2 OH). Esta oxidación es posible por la acción de la enzima amonio monooxigenasa.

Bajo la acción de la enzima hidroxilamina oxidorreductasa surge del nitrito de hidroxilamina. Esto finalmente es oxidado por bacterias del género Nitrobacterias a nitrato. El proceso libera protones que necesitan ser neutralizados en el suelo. En los procesos continuos de nitrificación, los suelos naturalmente tienen una tendencia a acidificarse, ya que cualquier conversión de un amonio en un ion nitrato está asociada con la liberación de un protón.

La tasa de nitrificación depende del contenido de agua del suelo, el valor del pH y la temperatura del suelo. A medida que la temperatura aumenta de 20 grados a 30 grados, la velocidad de reacción de nitrificación se duplica. Los contenidos de suelo de entre 40 y 60 por ciento y un valor de pH en el rango neutro son las condiciones de inicio óptimas para la nitrificación.

Ciclo de nitrógeno
Nitratos

Amonificación

El nitrato (+ V) ahora absorbido por las plantas se convierte por reducción asimétrica de nitrato en compuestos orgánicos, como proteínas (-III), y por lo tanto se elimina temporalmente de la reserva biológica.

A través de consumidores primarios y secundarios, estos se liberan nuevamente como excrementos, urea, canales o humus y se convierten por hidrólisis (descomponedores, como hongos, bacterias, etc.) en compuestos de amonio, que luego están disponibles para su reutilización.

Esto cierra el ciclo del nitrógeno biológico.

Desnitrificación

Sin embargo, hay un proceso que se opone a la nitrificación, en el cual las bacterias oxidan los nitratos en condiciones anaeróbicas para ganar oxígeno. Al mismo tiempo, el nitrógeno elemental se libera y regresa a la atmósfera.

Los organismos anaeróbicos o anaeróbicos facultativos, como las bacterias del género Pseudomonas, son responsables de este proceso. El nitrato se utiliza como fuente de oxígeno o aceptor de hidrógeno.

Las condiciones óptimas para la desnitrificación son una alta saturación de agua del suelo, temperaturas entre 19 y 35 grados y un pH en el rango ligeramente ácido o ligeramente alcalino. Una saturación de agua del espacio poroso del 70 al 80 por ciento, conduce a bajas presiones parciales de oxígeno y promueve la desnitrificación.

Como resultado de la desnitrificación incompleta, grandes cantidades de gases de efecto invernadero que dañan el clima pueden lixiviar el óxido nitroso.

desnitrificación
Desnitrificación

Mineralización

La mineralización se refiere a la degradación completa de la materia orgánica por microorganismos a compuestos minerales. Los componentes orgánicos del suelo con la formación de CO2 y amoníaco liberado. En condiciones cálidas y húmedas, este proceso es particularmente rápido. En este proceso el humus se degrada. Se hace una distinción entre humus rápidamente mineralizable y humus permanente.

A diferencia de las formas de nitrógeno mineral, el nitrógeno orgánico solo está disponible lentamente para las plantas. Es parte del humus en el suelo y, por lo tanto, portador de la vida del suelo.

Inmovilización

La determinación del nitrógeno disponible de la planta mediante procesos físicos, químicos o biológicos se denomina inmovilización. La inmovilización del nitrógeno amónico por sorción en las partículas del suelo es nula o, en términos máximos, una inmovilización efectiva a corto plazo, porque el amonio así unido se produce paso a paso en la solución del suelo, donde generalmente se oxida rápidamente a nitrato.

Significativo puede ser la inmovilización biológica. En este microorganismo se utiliza la fuente de nitrógeno mineral para su propia nutrición y reproducción. Pueden ser tan eficientes que, finalmente, una gran parte del nitrógeno mineral se transfiere a corto plazo a la materia orgánica microbiana.

Sin embargo, este nitrógeno está disponible nuevamente después de la muerte de los microbios y puede volver a estar disponible por la disponibilidad de la planta de mineralización.

Ciclo de nitrógeno
Plantas

Otros procesos de liberación de nitrógeno

También en la nitrificación y la amonificación, el 10% se pierde a la atmósfera por reacciones incompletas como N2 o N2O. Las quemaduras industriales y los gases de escape introducen cantidades significativas de compuestos de nitrógeno (a menudo dañinos, así como reactivos) en la atmósfera. También hay erupciones naturales a través de los volcanes.

Problemas en el ciclo del nitrógeno

El nitrógeno es la naturaleza de los elementos más importantes. Es lo que compone los aminoácidos que contienen los bloques de construcción de proteínas y el ADN, y por lo tanto esenciales para los seres vivos. Hay muchas aplicaciones para el nitrógeno hoy en día.

En forma de fertilizante se utiliza para maximizar la producción de verduras y frutas. Pero también como explosivos, aditivos alimentarios o nitrógeno inerte. El nitrógeno circula en un ciclo global, que también se encuentra en biotopos más pequeños, como los lagos.

Ciclo de nitrógeno
Fertilizantes

La propia circulación es muy sensible a los cambios externos. Si se libera un exceso de nitrógeno en el medio ambiente debido a daños ambientales antropogénicos, como el uso excesivo de fertilizantes minerales, se puede conducir a un daño masivo al biotopo respectivo. Por lo tanto, debe garantizarse que el suministro de nitrógeno en los biotopos esté regulado con precisión.

En la sociedad actual, la eutrofización es un problema grave, pero que tiene numerosos métodos para cuidarla, como el tratamiento de aguas residuales efectiva o el uso de microorganismos desnitrificantes.