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Ciclo de nitrógeno


Las plantas requieren una serie de elementos distintos de los que obtienen directamente de la atmósfera (carbono y oxígeno en forma de dióxido de carbono) y del agua subterránea (hidrógeno y oxígeno).

Todos menos uno de estos elementos proviene de la desintegración de las rocas y es capturado por las plantas del suelo. La excepción es el nitrógeno, que representa 78% de la atmósfera de la tierra.

El rocas de la superficie de la tierra También son la fuente principal de nitrógeno, que penetra en el suelo, indirectamente a través de la atmósfera, y a través del suelo, penetra en las plantas que crecen en él.

La mayoría de los seres vivos no pueden usar nitrógeno atmosférico para sintetizar proteínas y otras sustancias orgánicas. A diferencia del carbono y el oxígeno, el nitrógeno es muy poco reactivo químicamente y solo es cierto bacterias y algas azules Tienen la capacidad altamente especializada de asimilar nitrógeno de la atmósfera y convertirlo en una forma que pueda ser utilizada por las células. La deficiencia de nitrógeno utilizable es a menudo el principal factor limitante para el crecimiento de las plantas.

El proceso por el cual el nitrógeno circula a través de las plantas y el suelo a través de la acción de los organismos vivos se conoce como el ciclo del nitrógeno.

Amonificación

Gran parte del nitrógeno que se encuentra en el suelo proviene de materiales orgánicos muertos, que existen en forma de compuestos orgánicos complejos como proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos y nucleótidos. Sin embargo, estos compuestos nitrogenados generalmente se descomponen rápidamente en sustancias más simples por los organismos que viven en el suelo.

El bacterias saprofitas y varias especies de hongos son los principales responsables de la descomposición de los materiales orgánicos muertos. Estos microorganismos utilizan proteínas y aminoácidos como fuente de sus propias proteínas y liberan el exceso de nitrógeno en forma de amonio (NH4+). Este proceso se llama amonificación. El nitrógeno puede suministrarse como gas de amoníaco (NH3), pero este proceso generalmente ocurre solo cuando se descomponen grandes cantidades de materiales ricos en nitrógeno, como en una gran porción de fertilizante o fertilizante. En general, el amoníaco producido se disuelve en el agua del suelo, donde se combina con protones para formar el ion amonio.

Nitrificación

Varias especies de bacterias que se encuentran comúnmente en los suelos son capaces de oxidar el amoníaco o el amonio. Oxidación de amoniaco, conocida como nitrificaciónEs un proceso que produce energía y estas bacterias utilizan la energía liberada para reducir el dióxido de carbono, de la misma manera que las plantas autótrofas usan la energía de la luz para reducir el dióxido de carbono. Tales organismos se conocen como fármacos autotróficos quimiosintéticos (diferente de los autótrofos fotosintéticos como las plantas y las algas). El bacterias nitrificantes quimiosintético Nitrosomonas y Nitrosococcus oxida el amoniaco a nitrito (NO2-):

2 NH 3 + 302 --------> 2 NO2- + 2 H+ + 2 H2El

(gas amoniaco) (nitrito)

El nitrito es tóxico para las plantas superiores, pero rara vez se acumula en el suelo. Nitrobacter, otro género de bacterias oxida el nitrito para formar nitrato (NO3-), nuevamente con liberación de energía:

2 NO2- + O2 ---------> 2 NO3-

(nitrito) (nitrato)

El nitrato es la forma en que casi todo el nitrógeno se mueve desde el suelo hacia las raíces.

Pocas especies de plantas pueden usar la proteína animal como fuente de nitrógeno. Estas especies, que comprenden el plantas carnívoras, tienen adaptaciones especiales para atraer y capturar animales pequeños. Se digieren al absorber compuestos nitrogenados y otros compuestos orgánicos y minerales como el potasio y el fosfato. La mayoría de las plantas carnívoras se encuentran en pantanos, que generalmente son fuertemente ácidos y, por lo tanto, desfavorables para el crecimiento de bacterias nitrificantes.

Pérdida de nitrógeno

Como hemos observado, los compuestos de nitrógeno de las plantas de clorofilato regresan al suelo después de su muerte (o los animales que se alimentaron de ellos), siendo reprocesados ​​por los organismos y microorganismos del suelo, absorbidos por las raíces en forma de nitrato disuelto en el agua del suelo. convertido en compuestos orgánicos. Durante este ciclo siempre hay una "pérdida" de una cierta cantidad de nitrógeno, por lo que es inutilizable para la planta.

Una de las principales causas de esta pérdida de nitrógeno es plantas de remoción de suelo. Los suelos cultivados a menudo exhiben una disminución constante en el contenido de nitrógeno. El nitrógeno también se puede perder cuando la capa superior del suelo es decapitada por erosion o cuando su superficie es destruida por fuego. El nitrógeno también es eliminado por lixiviación; Los nitratos y nitritos, que son aniones, son particularmente susceptibles a la lixiviación del agua a través del suelo. En algunos suelos, las bacterias desnitrificantes descomponen los nitratos y liberan nitrógeno al aire. Este proceso que suministra a las bacterias el oxígeno necesario para la respiración es costoso en términos de necesidades de energía (es decir.2 se puede reducir más rápido que NO3-) y ocurre extensamente solo en suelos con deficiencia de oxígeno, es decir, en suelos que están mal drenados y, por lo tanto, mal ventilados.

A veces, una alta proporción de nitrógeno en el suelo no está disponible para las plantas. Esta inmovilización ocurre cuando hay un exceso de carbono. Cuando las sustancias orgánicas ricas en carbono pero pobres en nitrógeno, la paja es un buen ejemplo, si abundan en el suelo, los microorganismos que atacan estas sustancias necesitarán más nitrógeno del que contienen para poder aprovechar al máximo el carbono presente. Como resultado, no solo usarán el nitrógeno presente en la paja o material similar, sino también todas las sales de nitrógeno disponibles en el suelo. En consecuencia, este desequilibrio tiende a normalizarse a medida que el carbono se suministra como dióxido de carbono mediante la respiración microbiana, y a medida que aumenta la proporción de nitrógeno a carbono en el suelo.

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Fijación de nitrógeno

Como podemos ver, si todo el nitrógeno que se elimina del suelo no se repone constantemente, prácticamente la vida en este planeta finalmente desaparecería. El nitrógeno se repone en el suelo mediante fijación de nitrógeno La fijación de nitrógeno es el proceso por el cual el gas nitrógeno en el aire se incorpora en compuestos orgánicos nitrogenados y, por lo tanto, se introduce en el ciclo del nitrógeno. La fijación de este gas, que puede hacerse en un grado considerable con solo unas pocas bacterias y algas azules, es un proceso del que dependen todos los organismos vivos de la actualidad, al igual que todos dependen en última instancia de la fotosíntesis para obteniendo energía.

Los sistemas biológicos añaden a la superficie de la tierra cada año entre doscientos millones de toneladas métricas de nitrógeno. El hombre produce 28 millones de toneladas métricas, la mayoría de las cuales se usan como fertilizantes; Sin embargo, este proceso se lleva a cabo con un alto costo de energía en términos de combustibles fósiles. Actualmente se estima que la cantidad total de energía requerida para la producción de fertilizantes de amonio es equivalente a 2 millones de barriles de petróleo por día. De hecho, se estima que los costos de la fertilización nitrogenada están llegando al punto de disminuir las ganancias. Los cultivos tradicionales en áreas como India no logran rendimientos significativamente mayores usando fertilizantes nitrogenados, pero tienen bajos requerimientos de nitrógeno, pero ahora están siendo reemplazados por "cereales milagrosos" y otros cultivos que ya no producen fertilización nitrogenada. - precisamente en un momento en que dicho tratamiento se vuelve prohibitivamente costoso.

De las diversas clases de organismos fijadores de nitrógeno, las bacterias simbióticas son, con mucho, las más importantes en términos de las cantidades totales de nitrógeno fijado. La bacteria fijadora de nitrógeno más común es Rhizobium, que es un tipo de bacteria que invade las raíces de las legumbres (angiospermas de la familia Fabaceae o Leguminosas) como el trébol, guisante, frijoles, arvejas y alfalfa.

Los efectos beneficiosos de las legumbres en el suelo son tan evidentes que fueron reconocidos hace cientos de años. Theophrastus, que vivió en el siglo III a. C., escribió que los griegos usaban cultivos de frijol para enriquecer el suelo. Donde crecen las legumbres, se puede liberar una cierta cantidad de nitrógeno "extra" en el suelo, donde está disponible para otras plantas. En la agricultura moderna es una práctica común alternar un cultivo no leguminoso como el maíz con una leguminosa como la alfalfa. Luego, las legumbres se cosechan para heno, dejando las raíces ricas en nitrógeno, o incluso mejor, aradas en el campo. Una buena cosecha de alfalfa que se reubica en el suelo puede proporcionar 450 kilogramos de nitrógeno por hectárea. La aplicación de los oligoelementos cobalto y molibdeno requeridos por las bacterias simbióticas aumenta en gran medida la producción de nitrógeno si estos elementos están presentes en cantidades limitadas, como en gran parte de Australia.

Microorganismos fijadores de nitrógeno de vida libre

Bacterias no simbióticas de géneros Azotobacter y Clostridium son capaces de reparar el nitrógeno Azotobacter es aeróbico, mientras que Clostridium es anaeróbico Ambas son bacterias saprófitas comunes que se encuentran en el suelo. Se estima que probablemente suministren alrededor de 7 kilogramos de nitrógeno por hectárea de suelo por año. Otro grupo importante incluye muchas bacterias fotosintéticas. Las algas azules de vida libre también juegan un papel importante en la fijación de nitrógeno. Son cruciales para el cultivo del arroz, que es la dieta principal de más de la mitad de la población mundial. Las algas azules también pueden desempeñar un papel ecológico importante en la fijación de nitrógeno en los océanos.

La distinción entre la fijación de nitrógeno por organismos de vida libre y simbióticos puede no ser tan estricta como se pensaba tradicionalmente. Algunos microbios se producen regularmente en el suelo alrededor de las raíces de ciertas plantas que agotan los carbohidratos al consumir estos compuestos y al mismo tiempo proporcionar indirectamente nitrógeno a las plantas. Asociaciones simbióticas entre bacterias que normalmente viven en libertad, como Azotobacter, y las células vegetales superiores en cultivos de tejidos indujeron su crecimiento en un medio artificial privado de nitrógeno.

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