Ciclo biogeoquímico del nitrógeno orientado a la sustentabilidad

Universidad Veracruzana
Facultad de Ingeniería Química
“Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno orientado a
la Sustentabilidad”
MONOGRAFÍA
Que para Acreditar la Experiencia Recepcional
del Programa Educativo de Ingeniería
Ambiental
PRESENTA
Alberto Díaz Díaz
Xalapa, Veracruz Junio 2010

DEDICATORIA
“Esta Tesis Monográfica se la dedico a todas aquellas personas que desconocen
su motivación y la dirección que van tomando sus vidas. Solo déjenme decirles
que siempre habrán momentos difíciles, pero hay que atesorar los momentos
buenos que para muchos pueden ser pocos, en este trabajo dejo atrás la
persona que fui al entrar a la carrera y acepto a la nueva persona en que me he
convertido. Con este trabajo dejo atrás mis frustraciones, mi ira, el rencor y mi
tristeza que acumule a lo largo de mi vida. Es tiempo de ser optimista y encarar
futuros obstáculos, para mí en lo personal esto apenas es el comienzo de una
nueva vida como Ingeniero Ambiental.”
Alberto Díaz Díaz

RESUMEN
Se le conoce como Ciclos Biogeoquímicos a la interacción de los seres vivos en
los ciclos geoquímicos de los distintos elementos en la naturaleza. El ciclo puede
contemplarse en distintos elementos: C, O, N, P, S, entre otros, así como los
micronutrientes. Estos elementos pueden entrar a formar parte de cadenas
tróficas y posteriormente de cadenas de degradación y mineralización, con lo
que pueden volver al suelo. Las formas orgánicas de los nutrientes no son
asimilables por las plantas, por lo que estos procesos de degradación y
mineralización resultan imprescindibles para los procesos de nutrición. La
fuente más vasta de Nitrógeno para el ciclo es la atmosfera, en estado
molecular (N2) es el gas más abundante (79.1%). El nitrógeno es un elemento
necesario para los organismos ya que ayuda a construir proteínas y otras
compuestos químicos del cuerpo humano. A pesar de que existe mucho
nitrógeno en el aire, los organismos no pueden usarla directamente. El
nitrógeno se vuelve disponible luego de que este ha cambiado a compuestos de
nitrógeno. Mucha gente de la comunidad académica, no reconoce o no le da la
importancia debida al Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno por lo cual cabe realzar
su relación con la Sustentabilidad y conocer el papel que desempeña dentro de
ella. Se ha definido que la Sustentabilidad es la capacidad que ha desarrollado
el ser humano para satisfacer las necesidades de las generaciones actuales sin
comprometer los recursos y oportunidades para el crecimiento y desarrollo de
las generaciones futuras. (WCED, 1987).
Todo esto fue logrado por medio de una delimitación del tema para plantear el
temario, consultas bibliográficas, un análisis de información para determinar la
relación entre el ciclo y la sustentabilidad. Finalizando con una discusión y
conclusiones. Y así cumpliendo con el objetivo del trabajo el cual es describir el
Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno y relacionar los aspectos que tienden a la
sustentabilidad.

ABSTRACT
The biochemical geological cycles are known as the interaction between living
beings in several chemical geological cycles of all the different elements in
nature. The Cycle can be analyzed by a diverse number of elements like C, O,
N, P, S, etc., including the micronutrients. These elements can take part of food
chains and subsequently enter degradation and mineralization chains, so they
can return to the soil. Due to the fact that organic forms of nutrients are not
assimilated by plants, these degradation and mineralization processes are
fundamental for the nutritional process of plants. The vastest source of Nitrogen
for the cycle is the atmosphere, in its molecular state (N2) which is the most
abundant gas (79.1%). Nitrogen is a vital element for organisms since it helps
build proteins and other chemical compounds for the human body. Even though
there is a lot of nitrogen in the atmosphere, organisms cannot use it directly.
The N becomes available after it has gone through a series of transformations
converting it into N compounds. A great number of investigators do not
recognize the importance of the N cycle, nor even address the role it plays
regarding Sustainability. The definition of sustainability is the capacity that man
has developed to satisfy his and future generation’s needs without
compromising its resources. (WCED, 1987)
This study explores the delimitation of the subject to propose a list of topics,
bibliographical consultations, the analysis of information to determine the
relationship between the cycle and sustainability. It is my hope that others will
recognize the importance of the Nitrogen biochemical geological cycle regarding
sustainability.

“El nitrógeno puede considerarse, además del agua y el
oxígeno el elemento más importante para el metabolismo de
las plantas, animales y seres humanos, ya que este elemento
es esencial para la síntesis de aminoácidos y proteínas, los
cuales forman la estructura básica de los seres vivos”
White, R. O, Nilsson-Leissner G. y Trumble, H. C. 1968. Las
Leguminosas en la Agricultura. Organización de las Naciones
Unidas para la Agricultura y la Alimentación. Segunda
impresión.

INDICE
I. Introducción. 1
I.I. Planteamiento del Problema 2
I.II. Justificación 3
I.III. Objetivos 3
Capítulo I – Naturaleza Química del Nitrógeno
1. Ciclos Biogeoquímicos 4
1.1 Ciclo del Agua 5
1.2 Ciclo del Oxígeno-Dióxido de Carbono 6
1.3 Ciclo del Nitrógeno 7
2. Origen del Nitrógeno 9
2.1 Descubriendo el Ciclo del Nitrógeno 11
2.2 Propiedades Químicas del Nitrógeno 18
2.3 Compuestos Inorgánicos 18
2.4 Compuestos Orgánicos 19
2.5 Transformación 21
3. Nitrógeno en el Aire 26
3.1 La Atmósfera 26
3.2 La Biósfera 27
3.3 Nitrógeno en el Aire 27
4. Nitrógeno en el Suelo 32
4.1 Origen 33
4.2 Formas 34
4.3 Dinámica del Nitrógeno en el Suelo 34
4.4 Procesos de Aportación de Nitrógeno 35
4.4.1 Fijación de Nitrógeno 35
4.4.2 Fijación Biológica de Nitrógeno 36
4.4.3 Rhizobium y la fijación de nitrógeno 37
4.4.4 Fijación simbiótica de nitrógeno por plantas 37
no leguminosas
4.4.5 Fijación no simbiótica del nitrógeno 38
4.4.6 Fertilización de Nitrógeno Mineral y Orgánico 39
4.5 Transformaciones de Nitrógeno en el Suelo 40
4.5.1 Aminificación y Amonificación 40
4.5.2 Nitrificación 41
4.5.3 Desnitrificación 45
4.5.4 Mineralización 48
4.5.5 Inmovilización 49
4.5.6 Humificación 49

4.6 Procesos de pérdida de nitrógeno 50
4.6.1 Volatilización del amoníaco 50
4.6.2 Emisión de Óxidos de Nitrógeno (N2O, NO) 51
y Nitrógeno Molecular
(Nitrificación y Desnitrificación)
4.6.3 Lixiviación 52
4.6.4 Asimilación y Efecto de Nitrógeno en plantas 52
4.7 Síntomas de deficiencia de nitrógeno en plantas 53
4.8 Fertilizantes Nitrogenados 53
4.9 Importancia de la Relación C/N 55
5. Nitrógeno en el Agua 57
6. Efecto Invernadero y Cambio Climático 60
6.1 ¿Qué es el Efecto Invernadero? 61
6.2 ¿Cómo ocurre el Cambio Climático? 61
6.3 Factores Ambientales y Efectos 63
Sobre el Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno
Capítulo II – El Nitrógeno orientado al Factor Ambiente en la Sustentabilidad
7. Sustentabilidad 66
8. Factor Ambiente en la Sustentabilidad 73
8.1 Contaminación del Aire 73
8.2 Contaminación del Suelo y Agua 76
Capítulo III – El Nitrógeno orientado al Factor Desarrollo Social y Económico en
la Sustentabilidad
9. Desarrollo Social 79
9.1 Historia del Amaranto 79
9.2 Importancia del Amaranto 80
9.3 Sustentabilidad de la Carne de Res y el Amaranto 81
10.Desarrollo Económico 85
10.1 Consideraciones Económicas 86
10.1.1 Perspectiva de los Combustible Fósiles 86
10.1.2 Fertilizantes 87
10.1.3 Influencia del Nitrógeno en 92
la Agricultura e el Sistema de Manejo
de Café Orgánico en le Unión Ejidos Majomut,
región de los altos de Chiapas
10.1.4 Abonos Orgánicos 94
10.1.5 Impacto en la Economía por la 99
Producción de estupefacientes

Capítulo IV – El Nitrógeno orientado al Factor Salud en la Sustentabilidad
11.Importancia del Nitrógeno en la Vida 103
12.Salud 105
12.1 Ingesta Diaria Recomendada (IDR) 105
12.2 Digestibilidad 114
12.3 Consumo Excesivo de Proteínas 114
12.4 Desnutrición 115
13.Efectos del Nitrógeno Ambiental sobre la Salud 117
13.1 Óxidos Nitrosos 117
13.2 Nitratos y Nitritos 118
13.3 Nitrosaminas 120
14.Consumo Drogas-Salud 121
14.1 Clasificación de Drogas 124
14.2 Farmacodependencia 125
14.3 Tratamiento 126
Discusión 129
Conclusiones 134
Bibliografía 137

INDICE DE TABLAS
Tabla 1 – Propiedades del Nitrógeno ------------------------------- XVIII
Tabla 2 – Composición del Aire ------------------------------- XXVII
Tabla 3 - Plantas No Leguminosas
que forman nódulos
------------------------------- XXXVIII
Tabla 4 – Bacterias Desnitrificadoras ------------------------------- XLVI
Tabla 5- Composición Gases Océano ------------------------------- LVII
Tabla 6 - Comparativa del Valor
Nutritivo de las Semillas de Amaranto
con Cereales comunes
------------------------------- LXXX
Tabla 7 - Comparativa del Valor
Nutritivo de las Hojas de Amaranto
compradas con Acelgas y Espinacas
------------------------------- LXXXI
Tabla 8 – Tabla de Consumo en litros
de agua para la producción de
diversos
------------------------------- LXXXV
Tabla 9 – Producción y Comercio
Exterior de Amoníaco en México
1900-2007
------------------------------- XC

Tabla 10 – Costos de Producción
Total y Fertilización en el Cultivo de
Maíz
------------------------------- XCI
Tabla 11 – Fertilización y Eficiencia
en el Uso de Nutrientes en el Cultivo
de Maíz
------------------------------- XCII
Tabla 12 - Balance de Nutrientes en
cafetales bajo diferentes sistemas de
manejo en la Unión Majomut
------------------------------- XCIII
Tabla 13 - Principales Alcaloides en el
Comercio
------------------------------- C
Tabla 14 - Estimaciones de
Requerimientos de Aminoácidos
------------------------------- CVI
Tabla 15 - Ingestas Diarias
Recomendadas de Proteína
------------------------------- CVII
Tabla 16 - Patrones de Requerimiento
de aminoácidos comparados con la
composición de proteínas de alta
calidad en la Dieta Estadounidense
------------------------------- CVIII
Tabla 17 - Comparativa de
Requerimientos Diarios de
Aminoácidos Esenciales para Infantes
de 3 a 4 meses de Edad
------------------------------- CIX

Aminoácidos Esenciales para Niños
de 2 años de Edad
------------------------------- CX
Aminoácidos Esenciales para Niños
de 10 a 12 años
------------------------------- CXI
Aminoácidos Esenciales para Adultos
------------------------------- CXII

INDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Ciclo del Agua -------------------------------------- V
Figura 2 – Ciclo del Carbono
-------------------------------------- VII
Figura 3 – Ciclo del Nitrógeno -------------------------------------- IX
Figura 4 – Ciclo Biogeoquímico
del Nitrógeno
-------------------------------------- XVII
Figura 5 – Humificación
-------------------------------------- XXVI
Figura 6 – Capas de la
Atmósfera -------------------------------------- XXVIII
Figura 7 – Relación
Carbono/Nitrógeno -------------------------------------- LVI
Figura 8 – Ciclo del Nitrógeno
Océano -------------------------------------- LIX

Figura 9 - Esquema General
del MESMIS: Relación entre
atributos e indicadores
-------------------------------------- LXXI
Figura 10 - El Ciclo de
Evaluación en el MESMIS
-------------------------------------- LXXII
Figura 11 – Producción Mundial
de Fertilizantes 2002-2007
-------------------------------------- LXXXVII
Figura 12 – Consumo Mundial
de Fertilizantes 2002-2009
-------------------------------------- LXXXVIII
Figura 13 – Producción Total
de Fertilizantes en México
1980-2007
-------------------------------------- LXXXIX
Figura 14 – Costo de
Fertilización por Tonelada
Producida de Maíz 2007
-------------------------------------- XCI
Figura 15 – Formación de
Methemoglobina
-------------------------------------- LXIX
Figura 16 – Sustentabilidad del
Nitrógeno
-------------------------------------- CXXXI

INTRODUCCIÓN
I. INTRODUCCIÓN
La visión global que aplica el estudio de los ciclos biogeoquímicos de los
elementos, en este caso del nitrógeno, ha permitido no solo conocer el tema
en el enfoque que da una experiencia educativa, sino que se extiende a la
comprensión de la realidad como una interacción de fenómenos simultáneos.
En otras palabras, respirar, comer, producir, trabajar y aun vivir con salud son
una consecuencia de la aplicación de esas interacciones donde el nitrógeno
toma el centro de este universo.
Pudiera parecer exagerado esta descripción, sin embargo, quién sepa del tema
podrá dar testimonio de que, gracias a la atmósfera, con el nitrógeno gaseoso,
se puede fijar en la tierra por minúsculos seres para que las plantas crezcan
con hojas verdes y de ahí inicie la cadena alimenticia. Una población bien
alimentada esta en posibilidad de ser culta.
La sustentabilidad pudiera parecer utópica, como de la misma manera lo fue la
idea de ir a la luna. Solo con el entendimiento de los mecanismos es como se
puede lograr el desarrollo del proceso y cuando esto sucede, el producto es un
efecto natural. De esta manera, La identificación que tuve con el tema, la
aplicación y la practicidad me ha permitido ver el gas inerte “azoe” (sin vida)
en “proteus” (ser el primero) y relacionarlo con la producción de alimentos por
la agricultura, la producción de fertilizantes por la industria, la alimentación
vegetal, animal y humana en la ecología, la nutrición en la salud y aun el
imperio económico de los estupefacientes donde los alcaloides lo son por el
nitrógeno que los compone, son solo consecuencias naturales del uso, aun
irracional e inconsciente de un elemento en todos sus sitios, ambientes, formas
y presentaciones, como lo es el ciclo biogeoquímico del nitrógeno cuando se
orienta a la sustentabilidad.
La visión que he desarrollado durante el transcurso de este trabajo ha
cambiado el modo que tengo de ver las cosas, el simple hecho de investigar
todo sobre el Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno ha cautivado mi interés y me
ha motivado a hacer las cosas de una forma de pensar diferente a la
convencional.
Me hubiera gustado que las materias de Ing. Ambiental me hubieran atraído de
la misma manera que lo hizo este trabajo. El simple hecho de poner tu empeño
en algo que sientes que es tuyo, y que por responsabilidad propia debes de
trabajar, logra que uno realice sus objetivos. El mío es describir el ciclo
biogeoquímico del nitrógeno y relacionar los aspectos que tienden a la
1

INTRODUCCIÓN
sustentabilidad, todo de una manera entendible y concreta, porque me he
empeñado en que este trabajo tenga un valor académico apreciable con el fin
de cambiar la forma de pensar de la comunidad universitaria, así sea solo
aquellos estudiantes que por curiosidad quisieran conocer un poco más del
tema.
I.I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Existe un desconocimiento del Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno en sus
diferentes ciclos y su impacto sobre la sustentabilidad.
I.II JUSTIFICACIÓN
La disponibilidad biológica del nitrógeno es fundamental para la vida porque
este elemento constituye una de los principales nutrientes de los vegetales,
además, es el principal constituyente de las proteínas y los ácidos nucleicos,
por lo que resulta básico para cualquier ser vivo. Aunque el nitrógeno sea
esencial para la vida existen ciertos factores que en concentraciones diferentes
pueden alterar el Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno como la variación de
temperatura, el pH, potencial de oxidación y las interacciones con sus formas
orgánicas e inorgánicas. Por lo que repercute en el medio y los organismos que
viven dentro de este a través de la cadena trófica. Lo cual destaca su
importancia además de que no se conoce ni se ha analizado su impacto en la
sustentabilidad.
I.III. OBJETIVOS
General
Describir el Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno y relacionar los aspectos que
tienden a la sustentabilidad.
Específicos
- Describir el Ciclo del Nitrógeno en los aspectos químico, biológicos.
- Describir la influencia del nitrógeno en los aspectos ambientales (cambio
climático).
- Relacionar los aspectos químicos, biológicos y ambientales con la
sustentabilidad.
2

CAPÍTULO I
NATURALEZA QUÍMICA
DEL NITRÓGENO

CAPÍTULO I NATURALEZA QUÍMICA DEL NITRÓGENO
1. Ciclos Biogeoquímicos
Se le conoce como Ciclos Biogeoquímicos a la intervención de los seres vivos
en los ciclos geoquímicos de los distintos elementos en la naturaleza. El ciclo
puede contemplarse en distintos elementos: C, O, N, P, S, entro otros, así
como los micronutrientes. Estos elementos pueden entrar a formar parte de
cadenas tróficas y posteriormente de cadenas de degradación y mineralización,
con lo que pueden volver al suelo. Las formas orgánicas de los nutrientes no
son asimilables por las plantas, por lo que estos procesos de degradación y
mineralización resultan imprescindibles para los procesos de nutrición. (Porta,
J. et al. 1994)
Los ciclos biogeoquímicos representan un complejo sistema que conectan los
procesos biológicos, geológicos, químicos y físicos, y sirven como modelo para
comprender las interacciones entre la biosfera, atmósfera, geosfera e
hidrosfera, todo ello mediado con una combinación de fenómenos cíclicos en
unos casos lineales y en otros reversibles e irreversibles. (Maldonado et al.,
2007)
Una característica de los ciclos biogeoquímicos es que los microorganismos son
clave esencial en las transformaciones; algunos microorganismos poseen
capacidades que no son vistas en otras formas de vida. (Stevenson et al.,
1999.)
Aquí posteriormente se hace mención del ciclo del agua, el ciclo del oxígeno-
dióxido de carbono y el ciclo del nitrógeno. Esto debido a que el agua (H2O), el
oxígeno (O), el dióxido de carbono (CO2) y el Nitrógeno (N) jerárquicamente
son los principales componentes necesarios para que exista vida en el planeta.
El nitrógeno es muy significativo, porque después del Carbono, Hidrógeno, y el
Oxígeno, ningún otro elemento está tan íntimamente asociado con las
reacciones llevadas a cabo por organismos vivos. (Stevenson et al., 1999.)
Y como el Nitrógeno es un factor limitante más frecuente en la producción del
suelo solo se hace mención de ella y no del resto de los ciclos minerales.
4

1.1. Ciclo del Agua
Todos los organismos vivos necesitan agua. El agua se mueve continuamente a
través del planeta por medio de un ciclo hidrológico, por lo que moléculas de
H2O que fluyeron alguna vez en el Río Amazonas podrían formar parte de la
lluvia en la localidad donde vivimos, es más, incluso podríamos estar tomando
agua que una vez existió como nieve en el Himalaya.
En la Figura 1 se presentan las vías por la cuales pasa el agua entre la tierra y
la atmósfera. La energía del sol transforma el agua de líquido a gas a través
del proceso llamado evaporación. Una vez en estado gaseoso al agua se le
conoce como vapor. El vapor se genera a partir de cuerpos de agua como los
océanos, ríos y lagos. El agua también se puede evaporar del suelo, planta
mojadas por el rocío e incluso del cuerpo de los animales.
Figura 1 – Ciclo del Agua
Dispezio et. al., 1996
El vapor de agua se contiene en la atmósfera. La cantidad de vapor de agua
que puede soportar el aire depende de su temperatura. Cuando la temperatura
de la atmósfera se enfría, el vapor cambia a su estado líquido por el proceso de
condensación. El agua condensada se puede ver en forma de nubes, vapor y
niebla que eventualmente cae hacia la tierra a través de la precipitación. La
precipitación se manifiesta en forma de lluvia, nieve, granizo y aguanieve.
5

La mayoría de la precipitación vuelve a caer dentro de cuerpos de agua.
Algunas precipitaciones caen primero en la superficie terrestre y luego fluyen a
cuerpos de agua. O algunas gotas que caen sobre el suelo pueden filtrarse a
través de él e incorporarse a aguas subterráneas. Las aguas subterráneas
pueden luego fluir de nuevo a la superficie en manantiales, o incluso pueden
ser bombeadas a la superficie por medio de pozos. El ciclo del agua se repite
en un ciclo infinito cuando el agua que ha regresado a la superficie terrestre se
vuelve a evaporar una vez más.
Los seres vivos también forman parte del ciclo del agua ya que las plantas y
animales la usan para sus procesos vitales. Las plantas liberan parte de esta
agua al aire y los animales lo liberan durante la respiración y excreción.
(Dispezio et al., 1996)
1.2. Ciclo del Oxígeno-Dióxido de Carbono
Los seres vivos formamos parte de este ciclo ya que cuando uno respira y
exhala uno contribuye al ciclo del oxígeno-dióxido de carbono. Al inhalar
tomamos el oxígeno contenido en el aire, pero cuando exhalamos liberamos
dióxido de carbono de vuelta a la atmósfera.
En la Figura 2 se puede observar que durante los procesos de fotosíntesis las
plantas absorben dióxido de carbono en el aire y liberan oxígeno a ella. Las
plantas son la fuente principal de oxígeno en la atmósfera de la tierra.
Existe más que suficiente oxígeno disponible a nivel terrestre pero el oxígeno
se vuelve escaso a mayores altitudes. Esto ocurre también a la inversa ya que
el oxígeno también es escaso a bajas profundidades del suelo y en suelos
saturados de agua.
La mayoría de los organismos usan el oxígeno del aire para el proceso de
respiración durante el cual la comida se descompone. Por lo que gracias a ella
los organismos obtienen su energía a través de la respiración y liberan dióxido
de carbono como producto de este proceso.
Otra manera en la cual el dióxido de carbono entra a la atmosfera y se vuelve
parte del ciclo es por la descomposición de organismos muertos que contienen
compuestos de carbono. Cuando estos organismos rompen los tejidos de
organismos muertos, estos liberan dióxido de carbono al aire.
6

Figura 2 – Ciclo del Carbono
Algunas veces los cuerpos de organismos muertos no se descomponen. Y en el
transcurso de millones de años, estos cuerpos son comprimidos bajo suelo y
son finalmente transformados en petróleo, carbón y gas. Debido a que el ser
humano usa estos combustibles fósiles para satisfacer sus necesidades
energéticas, formamos parte esencial en este ciclo ya que el producto de
combustión de estos combustibles genera emisiones de CO2. Esta actividad
antropogénica es un arma de doble filo debido a que por un lado usamos estos
combustibles fósiles con fines energéticos en nuestra vida cotidiana, pero
devolvemos a la atmósfera carbono anteriormente inmovilizado en forma de
CO2. Estos aportes adicionales a las concentraciones naturales de CO2 generan
el efecto conocido como Efecto Invernadero el cual trae consecuentemente el
Calentamiento Global. (Dispezio et. al., 1996)
1.3. Ciclo del Nitrógeno
La fuente más vasta de Nitrógeno para el ciclo es la atmosfera, en estado
molecular (N2) es el gas más abundante (79.1%). El nitrógeno es un
elemento necesario para los organismos ya que ayuda a construir proteínas y
otras sustancias químicas del cuerpo. A pesar de que existe mucho nitrógeno
en el aire, los organismos no pueden usarla directamente. El nitrógeno se
vuelve disponible luego de que este ha cambiado a compuestos de nitrógeno
como nitritos y nitratos. (Dispezio, M. et al. 1996)
7

A pesar de que se considera una secuencia de reacciones de átomos
individuales de Nitrógeno, no existe un ciclo de nitrógeno en la naturaleza para
un solo átomo de nitrógeno. En realidad, cualquier átomo de Nitrógeno pasa de
una forma a otra a través de movimientos irregulares y aleatorios. Además, el
suelo contiene un ciclo interno que se distingue de otros ciclos de Nitrógeno
que interaccionan con él. Una característica especial de este ciclo interno es la
reversibilidad del Nitrógeno a través de la mineralización realizada por
microorganismos y la fauna del suelo y la inmovilización llevada a cabo por
microorganismos. (Stevenson et al., 1999.)
El proceso en el cual se transforma el nitrógeno atmosférico a compuestos
disponibles se le conoce como fijación. La fijación de nitrógeno es una parte
esencial del ciclo del nitrógeno; sin ella, el nitrógeno no podría ser usado por
los organismos vivos. El nitrógeno es fijado por acción de relámpagos o
bacterias. Algunas de las bacterias que fijan el nitrógeno viven libremente
dentro del suelo y otras viven en los nódulos de las raíces de leguminosas. Las
bacterias y las asociaciones planta-bacteria en las leguminosas en conjunto
son las que llevan a cabo la mayor parte de la fijación de nitrógeno en los
ecosistemas. Frijoles, guisantes, tréboles y las semillas de soja son ejemplos
de leguminosas. Cuando las leguminosas son plantadas, las bacterias en los
nódulos proveen de nitrógeno para su crecimiento. (Dispezio et al., 1996)
Las ganancias de Nitrógeno en el suelo se obtienen por fijación microbiana del
N2 molecular y por adición de amoniaco (NH3), nitrato (NO3
-
), y nitrito (NO2
-
)
en el agua de lluvia, las perdidas ocurren por la remoción de cultivos, sobre
explotación y su volatilización. La fijación biológica de N2 lo convierte a formas
combinadas (NH3 y nitrógeno orgánico); este proceso es realizado por
cianobacterias o por asociaciones de planta-bacteria con estos organismos. La
formas orgánicas de Nitrógeno, por otro lado, son convertidos a NH3 Y NO3
-
por mineralización. La conversión de nitrógeno orgánico a NH3 se le llama
Amonificación; la oxidación de NH3 a NO3
-
se llama nitrificación. El uso de NH3
Y NO3
-
por plantas y organismos del suelo constituye la asimilación e
inmovilización, respectivamente. El nitrógeno (como NO3
-
o NO2
-
) es
finalmente regresado a la atmosfera como N2 molecular por desnitrificación
comúnmente, así completando el ciclo. (Stevenson et al., 1999.)
En la Figura 3 se puede ver que las bacterias fijadoras de nitrógeno
transforman el nitrógeno gaseoso en el suelo a compuestos de nitrógeno. Las
plantas usan estos compuestos para producir proteínas la cuales necesitan
para su crecimiento. Cuando los animales consumen plantas, las proteínas son
pasadas a través de las cadenas y redes alimenticias de los organismos.
Cuando los organismos mueren o liberan desperdicios, las bacterias
transforman estas proteínas a un compuesto de nitrógeno conocido como
amoníaco. Las bacterias llamadas desnitrificadoras luego rompen los enlaces
8

de amoníaco y otros compuestos de nitrógeno para transformarlos en
nitrógeno gaseoso. (Dispezio et al., 1996)
Figura 3 – Ciclo del Nitrógeno
2. Origen del Nitrógeno
Para empezar, ¿qué es el nitrógeno?, la Real Academia Española dice que el
Nitrógeno es un elemento químico designado con el Símbolo N de número
atómico 7. El cual es un gas abundante en la corteza terrestre, que constituye
las cuatro quintas partes del aire atmosférico en su forma molecular N2, y está
presente en todos los seres vivos. Este es inerte, incoloro, inodoro e insípido y
que se licua a muy baja temperatura.
Al nitrógeno se le conocía antes como Ázoe o Azote, es una expresión
empleada por Antoine Laurent Lavoisier para designar al nitrógeno. Son voces
de vida efímera en español, ya que bastantes años antes de cumplir un siglo
de su existencia, fueron reemplazadas por el término nitrógeno, aunque a lo
largo del siglo XIX mantuvieron un uso frecuente como voces sinónimas en
numerosos textos divulgativos y didácticos, comprobados en el banco de datos
CORDE, de la Real Academia Española. (Gómez, J. 2008.)
9

En la edición de 1817 del Diccionario de la Lengua Castellana se encuentra la
palabra «azoe» con la marca de la química, pero, además, en esta misma
edición los académicos también citan la palabra «azote» sin definición y con
una remisión a «azoe». En las dos ediciones siguientes permanecerán
invariables estas dos entradas, hasta que en la de 1832 se revisa la definición,
con la que permanecerá hasta 1884, cuando ingreso el término «nitrógeno» se
eliminó la definición de ázoe y consecuentemente al mismo tiempo desaparece
definitivamente azote del diccionario académico, y hoy en día permanece la
entrada «ázoe», únicamente con una remisión a «nitrógeno». A continuación
se enuncian las definiciones que poseía la palabra Ázoe en 1817 y 1832.
(Gómez, J. 2008.)
• Real Academia Española (1817): Diccionario de la lengua castellana, 5.ª
ed. Madrid: Imprenta Real.
«Azoe. S.m. Quím. Sustancia simple que unida al calórico ó á la materia del
calor se reduce á fluido aeriforme ó gas azoe, en el cual no pueden vivir los
animales ni quemarse ningún cuerpo, y forma la parte no respirable que en
cantidad de más de setenta por ciento se encuentra en el aire atmosférico.»
• Real Academia Española (1832): Diccionario de la lengua castellana, 7.ª
ed. Madrid: Imprenta Real.
«Ázoe. M. Quím. Sustancia simple, aeriforme, en la cual no pueden vivir los
animales, ni quemarse ningún cuerpo, y es uno de los principios constitutivos
del aire, de las sustancias animales y de otros cuerpos.»
El Nitrógeno fue descubierto en el año de 1772 por Daniel Rutherford. Aunque
existe mucha polémica sobre su descubrimiento debido a que en la misma
época Carlos Guillermo Scheele y José Prestley llevaron a cabo experimentos
que conducían al descubrimiento de este. Pero, fue Rutherford el primero en
publicar tal hallazgo en su tesis doctoral de la Escuela Médica de Edimburgo
dentro de su trabajo sobre “El Aire Fijo y el Mefístico”, en el cual indicaba la
preparación y aislamiento del nitrógeno del aire.
Rutherford nació en Edimburgo, Inglaterra el 3 de Noviembre de 1749. Estudio
medicina, graduándose en el año de 1772. Sus trabajos químicos fueron sobre
la composición química del aire. Y fue profesor de Botánica en Edimburgo y
Presidente del Real Colegio de Médicos de dicha ciudad, se dedicó
principalmente a la medicina. Y murió en el año 1819. (Blas, 1947.)
Actualmente la fuente original de nitrógeno combinado en suelos y sedimentos
proviene del nitrógeno atmosférico donde se encuentra en forma de N2 en un
10

79.1% del volumen total. Aunque existe la incógnita del origen de este
nitrógeno y como llego a nuestra atmósfera, una teoría bastante popular
propone como surgió. Esta teoría dice que el planeta fue formado por la unión
de partículas solidas llamadas “planetismales” y que la atmósfera se formo por
la emisión gradual de gases desde el interior del planeta a causa del calor
generado por la compresión, la descomposición de elementos radioactivos y
posiblemente otros procesos exotérmicos. Los vapores y gases fueron emitidos
desde el interior del planeta a través de la evaporación a medida que
aumentaba la temperatura. Luego este se enfrió y los vapores se condensaron
a en su exterior formando océanos. El nitrógeno, que probablemente consistía
principalmente de amoníaco (NH3), fue liberado en grandes cantidades durante
las etapas tempranas de los tiempos geológicos, y este proceso continúa hasta
el día de hoy. El oxígeno molecular (O2) de la atmósfera fue probablemente
originado a través de la fotosíntesis, incluyendo por disociaciones fotoquímicas
de vapor de agua en la atmosfera. A medida que la atmósfera se enriquecía de
O2, el nitrógeno en formado de NH3 se oxidaba a nitrógeno molecular (N2).
Otras aportaciones de nitrógeno se han hecho a la atmosfera a través de los
tiempos geológicos por volatilización de compuestos de nitrógeno de
meteoritos cuando entran a la atmósfera del planeta. (Stevenson et al., 1999)
2.1. Descubriendo el Ciclo del Nitrógeno
El Descubrimiento del Ciclo del Nitrógeno no es algo que se le puede acreditar
a una sola persona, ya que fue el conjunto de descubrimientos lo que dio
origen al Nitrógeno como un ciclo. En si el rol que desempeñan los
microorganismos dentro del ciclo del nitrógeno no fue completamente
comprendido hasta las tres últimas décadas del siglo IX. Lo más curioso es que
el científico que merece el crédito particular por emprender el estudio
sistemático de las interacciones entre las plantas y su entorno mantuvo
algunas creencias erróneas que atraso el entendimiento del ciclo del nitrógeno.
Fue Justus Von Liebig quien reconoció el lugar peculiar del nitrógeno e
identificó a la atmósfera como su fuente – pero él creía que las plantas
obtenían el nutriente del amoníaco a partir de la precipitación. Su modelo era
erróneo debido a que no daba lugar a las inmensas fuentes de almacenamiento
de nitrógeno aportadas por las bacterias, pero su teoría sobre que las plantas
toman todo su nitrógeno de la atmósfera y el beneficio de la aplicación de
fertilizantes minerales, provocó la serie mundial más larga de experimentos en
plantas.
11

En 1843 John Bennet Lawes comenzó a experimentar con una gran variedad
de cultivos fertilizados y no fertilizados en los campos de Broadbalk en
Rothamsted, el cual era un terreno familiar en Inglaterra que heredo en 1834.
Los experimentos en Rothamsted demostraron claramente los beneficios de
residuos fecales y de cosecha en su uso como fertilizantes, incluyendo el
aporte de nitrógeno por cultivar plantas leguminosas. (Smil, 1996)
Por otro lado elementos minerales obviamente no pueden ser proveídos por la
atmosfera, así que Liebig se convenció de que su provisión es un reto crítico
para los que deseen mejorar la productividad de la agricultura a largo plazo.
Respecto a este caso estuvo casi en lo correcto. Casi, debido a que él pensaba
que los rendimientos estaban directamente relacionados a la cantidad de un
nutriente limitante presente en un campo – pero décadas de investigación
ardua demostraron que la relación es comúnmente no tan simple, y que el
vinculo es entre la barbecha y lo actualmente asimilado, en lugar de los
nutrientes disponibles.
La verdadera comprensión sobre como la plantas obtenían su nitrógeno
comenzó a descifrarse cuando Alphonse Schloesing, un joven químico francés
dirigió su atención hacia las nitrificaciones, la conversión de amoníaco a
nitrato. Este fue el primer proceso del ciclo del nitrógeno que pudo ser
explicado por un experimento claro. Esta reacción química es de alta
importancia para todas las plantas: el nitrato es mucho más soluble que el
amoníaco debido a que la raíz puede absorberla mucho más fácilmente de
soluciones en el suelo. La existencia del proceso fue apreciada durante los
finales del siglo XVIII cuando granjeros franceses produjeron nitrato al
elaborar cuidadosamente compostas de abonos de corral.
En 1887 Schloesing diseño un experimento convincente que probaba los
orígenes bacterianos de la nitrificación. Filtro aguas residuales durante unos
días a través de un tubo lleno de arena y gis; y como se esperaba todo el
amoníaco en las aguas residuales fueron transformadas en nitrato. Añadiendo
cloroformo contrarresto la reacción, el cual mato a todos los microbios. Pero al
recargar el aparato con un poco de suelo este se contamino de bacterias
nitrificantes, lo cual dio inició al proceso nuevamente. Pero fue en 1889 cuando
un microbiólogo Ruso llamado Sergei Nikolaevich Vinogradsky logró aislar dos
nitrificadores fundamentales, las Nitrosomonas y los Nitrobacter en un cultivo
puro.
Los científicos descubrieron otros dos vínculos microbianos dentro del ciclo del
nitrógeno durante los años de 1880. Durante varios siglos cultivadores habían
enfatizado los beneficios de la alfalfa, vezas, chicharos, lentejas, y otras
plantas leguminosas: la inclusión de las plantas en las rotaciones contribuyó a
12

aumentar los rendimientos de los próximos cultivos a sembrar. En 1838
Boussingault dedujo la razón. Luego de sembrar tréboles en arena esterilizada,
el cual no podía ser una fuente de nitrógeno, el atribuyo correctamente los
beneficios de plantas leguminosas por su habilidad de fijar nitrógeno
atmosférico - eso se refiere a convertir N2 a NH3, el cual las plantas pueden
usar para su crecimiento. Pero el ¿cómo las leguminosas lograban hacer esta
transformación? Permanecía desconocido. (Smil, 1996)
En 1861 una serie extensiva de experimentos fueron realizados en Rothamsted
en relación al asunto. Fallaron en demostrar una diferencia substancial entre
especies leguminosas y no leguminosas cuando ambas fueron cultivadas en
suelos estériles y abastecidas de de agua y aire puro: ambas plantas se
desarrollaron pobremente, y ninguna pudo asimilar el nitrógeno atmosférico.
Pero bajo condiciones de campo las plantas leguminosas demostraron una gran
capacidad de adquisición de nitrógeno.
A finales de 1870 inclusive con la publicación de experimentos que asociaban
microorganismos con la nitrificación, nadie sugirió que las bacterias también
podrían ser responsables de la fijación del nitrógeno. Hasta que un gran
fisiólogo Americano conocido como Wilbur Atwater intento resolver el
rompecabezas mediante sus experimentos con chicharos durante los años de
1880. El sólo logro confirmar la obtención inexplicable de nitrógeno que otros
ya habían observado. Pero el concluyó a diferencia de los demás que “las
plantas mismas deben ser factores en la adquisición”.
La primera pista sobre la solución a esta incógnita ocurrió en 1886 cuando
Marcellin Berthelot, un destacado químico francés reporto fijaciones directas de
nitrógeno atmosférico en suelos arcillosos: al parecer algo en el suelo en lugar
de las plantas debió haber llevado a cabo la fijación del nitrógeno. Pero
entonces ¿porqué las leguminosas son mucho mejores fijadores de nitrógeno?
La primera respuesta de este elusivo proceso no apareció hasta que un año
después Hermann Hellriegel, un químico agricultor leyó un artículo
describiendo su trabajo más reciente a la Sociedad Alemana de Ciencias
Naturales y Medicina en Berlín.
Hellriegel se enfocó en el los nódulos fácilmente visibles en raíces de
leguminosas. El sabía que estos nódulos contenían organismos vivos: durante
las dos décadas precedentes una variedad de científicos ya habían notado su
presencia, los describían como organismos parecidos a bacterias y otros
especulaban que eran un tipo de hongo. En una serie extensiva de
experimentos, Hellriegel cultivo cereales y leguminosas en jarras llenas de
suelo conteniendo una cantidad predeterminada de nitrato. Cuando el cosecho
las plantas al final de sus periodos de crecimiento, comparó el peso promedio
13

de semillas y residuos de cosechas (cereal, paja y vid leguminosa). Con esto
descubrió que los rendimientos de avena dependen directamente de la
cantidad de nutrientes en el suelo – pero los rendimientos de guisantes no
dependían de ellos. Incluso sin nitrato en el suelo, los rendimientos de
guisantes eran una orden de magnitud mayor que los rendimientos de avena –
pero solamente cuando los nódulos de la raíces se encontraban presentes.
Dos años después Hellriegel publicó descubrimientos detallados. Los siete
puntos formulados en su conclusión son fundamentalmente correctas a como
estaban en 1888: las Leguminosas se comportan de manera diferente en la
obtención de nitrógeno a diferencia de otras familias de plantas: todas las
plantas no leguminosas solo adquieren su nitrógeno del almacenamiento del
suelo; las leguminosas también asimilan nitrógeno del suelo pero ellos poseen
una fuente adicional; esta fuente secundaria es el nitrógeno atmosférico; las
plantas no son capaces de asimilarlas por sí mismas y solo pueden lograrlo con
la participación de microorganismos; la mera presencia de microbios en el
suelo no es suficiente, tipos específicos de bacterias deben comenzar a vivir
simbióticamente con las plantas (dentro de los nódulos de las raíces); y los
nódulos de las raíces no son simplemente depósitos de proteínas, sino son
esenciales en la asimilación de nitrógeno.
Los hallazgos de Hellriegel fueron verificados rápidamente en Europa y los
Estados Unidos. Una especie de Rhizobium que es un gran grupo bacteriano
que es virtualmente responsable de la fijación simbiótica en prácticamente
todas las leguminosas, esta fue aislada por primera vez de los nódulos de los
guisantes en 1888 por Martinus Beijerinck, un microbiólogo holandés que luego
hizo muchas investigaciones innovadoras en la ciudad de Van Leeuwenhoek
llamado Delft. Solo un año más tarde, en 1889, Albert Frank, un biólogo
alemán, reporto el primer caso de fijación de nitrógeno asociado con las
cianobacterias, a pesar de todo curiosamente, la habilidad de estos organismos
para fijar nitrógeno fue demostrada claramente hasta el año de 1928.
Las Cianobacterias eran tradicionalmente clasificadas como algas verde-azules,
una designación que reflejaba correctamente la presencia de pigmentos
adicionales que daban tonos azules. Las Cianobacterias son funcionalmente
muy similares a las algas: ellas también pueden convertir la radiación solar en
energía química con ayuda de la excitación de la clorofila e inclusive producen
oxígeno. Pero su estructura celular es de una bacteria fotosintética: sobre todo
carecen de un núcleo, y comparten con las bacterias otras características que
las distinguen de células eucarioticas (planta y animal). Las Cianobacterias son
comunes en ambas aguas dulces, aguas saladas y suelos, y muchas especies
son simbióticas con hongos (formando líquenes), musgos y otras plantas
14

superiores. La mayoría vive como células esféricas individuales; otros son
agregados en colonias; y otras forman delgados filamentos largos.
En 1930 se dieron los primeros reportes de la abundancia de cianobacterias
fijadoras de nitrógeno en campos de arroz en Asia; Anabaena simbiótica
fueron encontrados viviendo en cavidades de hojuelas de las comunes algas
Azolla que flotan libremente, este es hasta el momento el fijador natural más
importante de nitrógeno en arrozales de Asia. Desde entonces hemos
apreciado a las cianobacterias en ambas formas de vida libres y simbióticas,
además son los mayores aportadores del nutriente en pastizales y tierras de
cultivo secos. (Smil, 1996)
El vinculo faltante en el intrínseco ciclo microbiano – el regreso del elemento a
su vasta fuente atmosférica – también fue identificada durante los años
posteriores en 1880, en un comprensivo reporte pionero publicado en 1886, el
mismo año en el que Hellriegel realizó sus presentaciones en Berlín. Después
de una serie de experimentos habilidosamente planeados y realizados, Ulysse
Gayon, un microbiólogo francés, y sus asistentes tuvieron éxito en aislar
cultivos puros de dos bacterias que podían reducir los nitratos a nitritos (NO2
-
). Gayon nombró este proceso como desnitrificación; la desnitrificación actúa
sobre nitratos producidos por bacterias nitrificadoras en suelos o depósitos en
las lluvias. Esta reducción comienza a regresar el nitrógeno en forma de
nitratos a la atmósfera, aunque usualmente el proceso no termina con la
producción de nitratos, sino que continúa hasta la producción de N2. A
contrario de la nitrificación la cual depende en solo unos cuantos generos de
bacterias, la desnitrificación puede ser llevada a cabo por una gran variedad de
bacteria. Todas capaces de usar el oxígeno contenido dentro del NO3
-
para su
respiración a medida de que se alimentan de substratos orgánicos de diversos
tipos. Pseudomonas, Bacillus, y Alcaligenes son los más comunes dentro de los
géneros desnitrificadoras.
El descubrimiento de Gayon cerró literalmente el ciclo biosférico del nitrógeno.
La fijación mueve el nitrógeno atmosférico de N2 a NH3, la nitrificación
transforma el NH3 a NO3
-
. Las plantas pueden asimilar ambos compuestos,
pero prefieren el segundo. La descomposición enzimática (amonificación)
mueve el nitrógeno contenido en las proteínas, ácidos nucleicos, y otras
substancias con nitrógeno a NH3; luego, una vez más, las bacterias
nitrificadoras oxidizan el NH3 a NO3
-
. La desnitrificación devuelve el elemento
del NO3
-
al reservorio atmosférico de N2, por lo que es la contraparte de la
fijación.
Dada la importancia de la fijación bacteriana de nitrógeno (conocidos mas
formalmente como diazotrofos), no es sorpresa que una gran cantidad de
15

investigación se centré en su distribución, ecología y la bioquímica. No solo las
plantas leguminosas juegan un papel de anfitriones a diazotrofos, y no todos
los diazotrofos simbióticos son Rhizobium. Para el año de 1930 la literatura
microbiológica contenía las descripciones de un gran número simbiosis no
rhizobiales en microorganismos nodulantes (la mayor parte especies
filamentosas conocidas como Frankia perteneciente a las bacterias
actinomicetas) y plantas superiores. En 1990 esta lista ya había crecido tanto
que incluía más de 200 especies de plantas y más de 20 géneros, con aliso
rojo, casuarinas tropicales, el acebuche se encuentran entre las plantas más
benéficas. (Smil, 1996)
A finales de los 1960 llego otro importante descubrimiento. Un grupo de
investigadores brasileños, liderados por Johanna Dobereiner, encontraron
asociaciones entre diazotrofos salvajes (Azospirillum, Azotobacter,
Enterobacter) y las raíces de algunos pastos tropicales. A diferencia de la
rhizobia simbiótica, las cuales forman nódulos muy visibles en las raíces que
interaccionan directamente con los productos metabólicos de sus anfitriones,
estas bacterias participan en interacciones más sutiles con plantas. Viven
dispersados sobre y cerca de las raíces de plantas, compitiendo por exudados
de raíz con otros microbios y transfiriendo directamente nitrógeno fijado a las
raíces, pero con una eficiencia mucho inferior que los rhizobia. Asociaciones
similares fueron luego descubiertas en el maíz y la caña de azúcar.
Luego dos descubrimientos hechos durante los años 1970 cambiaron
totalmente nuestro entendimiento sobre la rhizobia. Hasta ese tiempo se sabía
que formaban simbiosis solo con especies leguminosas – pero en 1973 llego la
primera identificación de Rhizobium simbiótico con una planta no leguminosa
(Bradyrhizobium nodulando la Parasponia, un árbol Javanés). El segundo
descubrimiento no fue menos sorprendente. Por un siglo se pensó que todas
las rhizobias dependían del carbón fijado por sus anfitriones – pero en 1979 un
grupo de investigadores en Oregon, Estados Unidos cultivaron Bradyrhizobium
japonicum una cepa la cual reduce el CO2 atmosférico directamente. (Smil,
1996)
En la Figura 4 se puede observar como todas las aportaciones en el
descubrimiento del Ciclo del Nitrógeno se unen unas con otras y originan los
esquemas del Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno que conocemos en los libros
de texto hoy en día.
16

Figura 4 – Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno
Porta et. al., 1994
17

2.2. Propiedades Químicas del Nitrógeno
En la Tabla 1 se encuentran todas las propiedades físicas y químicas del
Nitrógeno como elemento.
Tabla 1 – Propiedades del Nitrógeno
Nitrógeno
Formula Molecular N2
No. Atómico 7
Peso Atómico 14.01
Valencia 1,2,3,4,5
Apariencia a Temperatura Ambiente Gas incoloro
Punto de Fusión, °C -210
Punto de Ebullición, °C -196
Energía de ionización, eV/átomo 14.5
Energía de ionización , kJ/mol 1400
Radio Covalente, A° 0.75
Radio Iónico (E3-
), A° 1.71
Radio Iónico, (E5+
), A° 0.11
Estructura Electrónica 2,5
Electronegatividad 3.0
Densidad g/L (0°C, 1 atm) 1.251
Densidad Gas g/L (aire = 1.00) 0.96737
Densidad Líquido g/L 0.804
Densidad Sólido g/L 1.0265
Keenan et. al., 1999
Irwing et. al., 1992
2.3. Compuestos Inorgánicos
El nitrógeno puede encontrarse en las siguientes formas inorgánicas:
- Nitruros
El nitrógeno elemental reacciona con varios metales a elevadas temperaturas
para formar nitruros. Estos pueden ser nitruros iónicos, intersticiales y
covalentes. (Be3N2, Mg3N2, Ca3N2, Sr3N2, Ba3N2, Cd3N2, Zn3N2).
18

- Hidruros
Se puede encontrar al nitrógeno en una gran variedad de compuestos de
hidrógeno como son el:
a) Amoniaco (NH3)
b) Hidracina (N2H4)
c) Hidroxilamina (NH2OH)
- Óxidos
El nitrógeno puede reaccionar con el oxígeno y formar diversos compuestos
como los:
a) Oxido Nitrosos (NO, NO2, NO3)
b) Oxido Nítrico (N2O, N2O3, N2O4, N2O5)
- Ion Nitronio
La reacción entre el ácido nítrico y sulfúrico concentrados dan por resultado la
formación del ión nitronio. (+
NO2). Que es una especie deficiente en electrones
que ataca la nube π del anillo benceno.
- Ácidos
Existen dos tipos de ácidos que pueden formarse a partir del nitrógeno:
a) Ácido Nitroso (HNO2)
b) Ácido Nítrico (H2NO3)
2.4. Compuestos Orgánicos
El nitrógeno se puede encontrar en las siguientes formas orgánicas:
- Proteínas
Las proteínas son macromoléculas que tienen pesos moleculares muy altos.
Estas conformados por compuestos más sencillos llamados aminoácidos. Se le
considera proteínas cuando este está formado por la unión de 20 o más
aminoácidos.
- Aminoácidos
Un aminoácido es un ácido carboxílico que posee un grupo amino, -NH2,
enlazado al átomo C unido a un grupo carboxílico.
19

- Aminas
Base orgánica que se puede considerar un derivado del amoníaco (NH3) con un
hidrógeno sustituido (RNH2, una amina primaria), dos hidrógenos sustituidos
(R2NH, una amina secundaria), o tres hidrógenos remplazados (R3N, una
amina terciaria). Un grupo R puede ser un radical alquilo o un radical arilo.
(Mortimer, 1994.)
- Amidas
Compuesto con la formula general:
O
║
R – C – NR2
en la cual R puede ser un átomo de hidrógeno, un radical alquilo o un radical
arilo, y los tres grupos R pueden ser parecidos o diferentes. (Mortimer, 1994.)
- Ácidos Nucleicos
Los ácidos nucleicos son macromoléculas, polímeros formados por la repetición
de monómeros llamados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster.
Adenina Guanina Citosina Timina
Uracilo
20

N2 NH3 R-NH2
nitrógeno gaseoso amoníaco nitrógeno orgánico
2.5. Transformación
El átomo de Nitrógeno se mueve en la naturaleza de una transformación a otra
de manera irregular o aleatoria, pasando por distintas formas tanto orgánicas
como inorgánicas. Existen diversos procesos que dan origen a dichas formas:
- Fijación
La Fijación se refiere a la conversión del Nitrógeno atmosférico a una forma
disponible para una planta. Esto puede ocurrir mediante procesos industriales,
como en la producción comercial de fertilizantes, o por medio de procesos
biológicos, con leguminosas como la alfalfa y trébol. La fijación de nitrógeno
requiere de energía, enzimas y minerales, pero si la planta tiene alguna forma
de Nitrógeno presente, el cultivo lo usara en vez de fijarlo del aire.
(Courtney et al., 2005.)
- Amonificación
La Amonificación es un proceso enzimático en donde el N de compuestos
orgánicos nitrogenados es liberado en forma de NH3.
Degradación de Proteínas y Péptidos.- Se necesita la acción de proteasas y
peptidasas para su descomposición aminoácidos, de los cuales se obtendrá el
NH3 por acción de enzimas como las deshidrogenasas y las oxidasas.
Proteínas
Proteinasas deshidrogenasas
Aminoácidos NH3
Peptidasas oxidasas
Péptidos
21

Una típica reacción oxidativa de aminoácidos sucede de la siguiente manera:
(Stevenson et. al., 1999.)
- Nitrificación
La nitrificación es el proceso por el cual microorganismos convierten el
amoniaco a nitritos y nitratos para obtener energía. El nitrato es la forma de N
con mayor disponibilidad para las plantas. Este proceso biológico se lleva a
cabo por las bacterias Nitrosomonas y Nitrobacter.
D
(Stevenson et. al., 1999; Courtney et al., 2005.)
- Desnitrificación
La desnitrificación es el mecanismo primario para la devolución de nitrógeno a
la atmósfera, ocurre cuando los nitratos son transformados a sus formas
gaseosas de Nitrógeno, como el óxido nítrico, el oxido nitroso y finalmente N2.
Esto ocurre cuando el suelo está saturado y las bacterias utilizan el nitrato
como fuente de oxígeno.
La secuencia de desnitrificación bacteriana y reducción del átomo de nitrógeno
se lleva acabo de la siguiente manera:
NO3
-
NO2
- NO N2O N2
nitrato nitrito oxido nitrico oxido nitroso nitrogeno gaseoso
(+5) (+3) (+2) (0)(+1)
(Stevenson et. al., 1999, Courtney et al., 2005)
22

- Oxidación
Durante las tormentas, las descargas eléctricas hacen que parte del nitrógeno
y del oxígeno del aire formen óxido de nitrógeno:
N2 (g) + O2 (g)  2NO (g)
El dióxido de nitrógeno se produce por la reacción del NO con O2 adicional del
aire:
2NO (g) + O2 (g)  2NO2 (g)
El trióxido de nitrógeno se produce por la reacción de NO2 con O2:
2NO2 (g) + O2 (g)  2NO3 (g)
- Mineralización
Es el proceso por el cual los microorganismos descomponen Nitrógeno orgánico
de heces, materia orgánica y residuos de cosechas a amonio. Debido a que es
un proceso biológico, las tazas de mineralización varían dependiendo de la
temperatura del suelo, humedad y la cantidad de oxigeno dentro del suelo
(aireación).
R - NH2 NH3 NH4
nitrógeno
orgánico
amoníaco amonio
(Courtney et. al., 2005)
- Volatilización
La volatilización es la pérdida de nitrógeno a través de su conversión de
amoniaco a gas de amonio la cual es liberada a la atmósfera. Las pérdidas por
volatilización incrementan en suelos con alto pH y si existen condiciones que
favorezcan la evaporación (ej. Calor y el aire).
H2N - C - NH2 NH4
+
NH3
amonio amoniacourea
O
(Courtney et. al., 2005)
23

- Inmovilización
Inmovilización es lo contrario de la mineralización. Todos los organismos vivos
requieren Nitrógeno; por lo cual microorganismos en el suelo compiten con las
plantas por Nitrógeno. La inmovilización se refiere al proceso en el cual el
nitrato y el amonio son tomados del suelo por los organismos contenidos en el
suelo por lo que las plantas no tienen acceso a él.
R - NH2NH4
+ y/o NO3
-
nitratoamonio nitrógeno
orgánico
La inmovilización solo retiene temporalmente el nitrógeno. Ya que cuando los
microorganismos mueren, el Nitrógeno orgánico contenido dentro de sus
células son convertidos por la mineralización y nitrificación a nitratos
disponibles para las plantas.
(Courtney et. al. 2005)
- Humificación
El término humus se utiliza en sentido amplio, para indicar las sustancias
orgánicas que resultan de los procesos de humificación (descomposición,
degradación y síntesis). Se puede definir como:
- Un constituyente de la fase solida del suelo, formado por biomoléculas
(compuestos de estructura molecular específica) y por sustancias
húmicas (compuestos de estructura no específica) que poseen un color
oscuro.
(Porta et. al., 1994)
El humus no es una sustancia de composición exactamente definida. Ni
siquiera una agrupación de compuestos en porcentajes determinados. El
humus debe considerarse como un material heterogéneo, constituido por un
conjunto de sustancias altamente polimerizadas, con peso molecular
relativamente alto, coloreadas del amarillo al negro, amorfas y con unas
propiedades coloidales e hidrofílicas muy marcadas. Con estructuras alifáticas
y aromáticas en sus moléculas, alta capacidad de cambio, gran densidad de
grupos acídicos, carboxílicos y fenólicos, y constituido principalmente por C, H,
O y N. (Navarro et. al., 2003)
24

La humificación es un proceso que implica cambios en la complejidad química
de la materia orgánica que hace aumentar su resistencia a la biodegradación.
En la humificación pueden tener lugar reacciones químicas (oxidación,
condensación y polimerización), procesos biológicos y de síntesis microbiana,
con formación de compuestos de bajo y alto peso molecular que no se forman
en las células vivas y que son constituyentes típicos del suelo. (Porta, J., et. al.
1994)
Las vías en las cuales se forman las sustancias húmicas son la clave al
entendimiento del proceso en el cual el fertilizante a base de Nitrógeno es
transformado a formas biológicas resistentes. Una teoría popular es que los
ácidos húmicos y fúlvicos son formados por una variedad de procesos que
incluyen:
• La degradación de todos los polímeros de plantas y componentes de
bajos pesos moleculares, incluyendo la lignina, transformándolos a
monómeros simples.
• La metabolización de monómeros por microorganismos acompañados de
un incremento en la biomasa del suelo.
• El reciclado repetitivo de la biomasa de Carbono (y Nitrógeno) con la
muerte de viejas células y la síntesis de células nuevas.
• Polimerización concurrente de monómeros reactivos a polímeros de alto
peso molecular.
El consenso es que los polifenoles (quinonas) derivados de la lignina, juntos
con aquellos sintetizados por los microorganismos, polimerizan en la presencia
o ausencia de compuestos amino (aminoácidos, NH3, etc.) para formas
polímeros de color café.
En la Figura 5 se puede observar la reacción entre aminoácidos y polifenoles
involucra la oxidación simultanea del polifenol a forma quinona. La adición del
producto causa una polimerización para formas polímeros de nitrógeno cafés,
de acuerdo la figura siguiente.
El efecto neto del proceso de humificación es la conversión del Nitrógeno de los
aminoácidos a estructuras de ácidos húmicos y fúlvicos.
25

Figura 5 – Humificación
Stevenson, 1994.
3. Nitrógeno en el Aire
3.1. La atmósfera
La atmósfera de la Tierra es una cobertura gaseosa compuesta principalmente
por nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) molecular, con pequeñas cantidades de
otros gases, como vapor de agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2). Nuestra
atmósfera tiene un espesor de varias centenas de kilómetros, cerca del 99 %
de su masa gaseosa se encuentra dentro de los primeros 30 km cercanos a la
superficie terrestre.
La Tabla 2 muestra que el nitrógeno representa cerca del 78 % y el oxígeno, el
21 % del volumen total de la atmósfera cerca de la superficie terrestre. En la
atmósfera existe un balance entre la salida (destrucción) y entrada
(producción) de estos gases. Por ejemplo, el nitrógeno es removido de la
atmósfera principalmente por procesos biológicos que involucran las bacterias
presentes en los suelos, y retorna a la atmósfera por medio de la degradación
de la materia orgánica por la acción de microorganismos.
26

Tabla 2 – Composición del Aire
Gas Fórmula Química
% Porcentaje (por
volumen)
Gases Permanentes
Nitrógeno N2 78.08
Oxígeno O2 20.95
Argón Ar 0.93
Neón Ne 0.0018
Helio He 0.0005
Hidrógeno H2 0.00006
Xenón Xe 0.000009
Gases Variables
Vapor de Agua H2O 0 a 4
Dióxido de Carbono CO2 0.036
Metano CH4 0.00017
Óxido Nitroso N2O 0.00003
Ozono O3 0.000004
Partícula (polvo, etc.) 0.000001
Clorofluorocarbonos
(CFC)
0.00000002
Camilloni, 2009
La atmósfera puede ser dividida en una serie de capas en función de la
variación de la temperatura con la altura. En la Figura 6 se muestra cómo varía
la temperatura desde la superficie de la Tierra hasta unos 500 km de altura. En
la capa más cercana a la superficie, denominada tropósfera, que se extiende
en promedio hasta 12 km de altura (con un máximo de aproximadamente 19
km en latitudes ecuatoriales y un mínimo de 9 km sobre los polos), la
temperatura disminuye a una tasa promedio de 6,5 °C por kilómetro. En esta
capa, que concentra el 80 % de toda la masa de la atmósfera, ocurren los
fenómenos meteorológicos más relevantes. En el límite superior de la
tropósfera, denominado tropopausa, la temperatura deja de disminuir y está
cercana a los -55 °C.
Por encima de la tropósfera se encuentra la estratósfera, que se extiende hasta
los 45 km de altura. En ella la temperatura aumenta con la altura hasta un
valor cercano a 0 °C en su límite superior, denominado estratopausa. La
concentración de masa atmosférica en los niveles superiores de la estratósfera
y en las capas por encima de ella es tan baja (99 % de la masa está
concentrada por debajo de los 30 km, aproximadamente) que el significado de
la temperatura no es el mismo que en el nivel de la superficie del planeta.
27

Camilloni, 2009
Figura 6 – Capas de la
Atmósfera
Por encima de la estratósfera la temperatura
disminuye con la altura, definiendo la capa
denominada mesósfera, que culmina a unos 80 km
de altitud, en la mesopausa, donde la temperatura
es del orden de los -90 °C. Por encima de ese nivel,
y hasta uno superior no bien definido, la
temperatura vuelve a aumentar con la altura y
define la capa denominada termósfera. (Camilloni,
2009)
3.2. La Biósfera
La Biósfera es la zona cerca de la superficie de la
tierra que soporta vida y donde todos los
organismos vivos habitan. Este incluye los cuerpos
de agua de la tierra, el aire que lo rodea, y una
porción de la superficie terrestre. Dentro de la
biósfera existen diversos ecosistemas en donde
habitan los organismos.
Es en la biósfera donde ocurren todas las
interacciones del Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno,
estas se suscitan en el aire, suelo y agua. (Dispezio
e. al., 1996)
3.3. Nitrógeno en el Aire
La presencia del Nitrógeno molecular en la
atmósfera no es motivo de preocupación alguna
debido a que es un gas inerte, lo cual lo hace
totalmente inofensivo a organismos vivos. Pero
existen compuestos gaseosos de nitrógeno que
pueden tener un efecto negativo.
El escape de nitrógeno del suelo a la atmósfera se
volvió un asunto de preocupación debido a que las
bacterias del suelo están continuamente
desnitrificando los nitratos en suelos y aguas, sin
importar que los nitratos provengan de fertilizantes o partir de la nitrificación
28

de amoniaco de biomasa en descomposición. La desnitrificación produce N2O,
un gas no reactivo en la tropósfera, pero que está involucrada en reacciones
arriba de ella, reacciones que pueden traer consecuencias indeseables para
todas las formas de vida complejas.
Cuando el N2O se mezcla eventualmente en la estratósfera, sus reacciones con
oxígeno (derivados de la fotodisociación del ozono) producen NO, y ese óxido
provoca un ciclo catalítico de reacciones que conlleva a la destrucción del
ozono. Este ciclo fue identificado en 1970 por Paul Crutzen, un descubrimiento
que le otorgo un premio Nobel de Química en 1995, y su operación es razón de
preocupación obvia en los efectos de largo plazo de mayores emisiones de N2O
que resultan con el uso en incremento de fertilizantes.
Un número de modelos de ejercicios fueron realizados a mediados de los 70’s y
80’s atentaron predecir que podría suceder con las concentraciones de ozono
en la estratosfera si el N2O en la atmósfera se duplicara. Ellos concluyeron que
al duplicar la concentración de N2O reduciría los niveles de ozono estratosférico
de un 10 a un 16 %. Desde que comenzó a determinarse las concentraciones
de N2O en la tropósfera en 1977, ahora a niveles de 313 ppb, la concentración
se ha estado incrementando a un ritmo de .25 % por año. (Smil, 1996)
Después de una década de preocupación, el ciclo catalítico de NO fue opacado
en importancia por otro agente, la destrucción del ozono a causa de
clorofluorocarbonados (CFC’s). Esta secuencia de reacciones fue señalada por
primera vez por Sherwood Rowland y Mario Molina en 1974 (que también
fueron premiados con el premio Nobel de Química en 1995). Sus efectos
fueron dramáticamente demostrados en 1985 cuando investigadores
identificaron una pronunciada declinación en los niveles de ozono encima de la
Antártica en los meses de primavera de Septiembre y Octubre.
Ahora que los CFC’s están siendo eliminados, mientras que los ritmos de
fertilización siguen aumentando, el N2O una vez más podría volverse uno de
nuestros centros de atención durante las primeras décadas del siglo XXI.
A mediados de los 80’s el N2O comenzó a recibir atención como un menor,
pero lejos de insignificante gas de efecto invernadero. A pesar de que el gas es
tres veces menor en magnitud al abundante CO2, tiene un poder de absorción
más fuerte de radiación infrarroja. De hecho, ahora es responsable del 6 % del
calentamiento directo troposférico causada por todos los gases de efecto
invernadero excepto el vapor de agua.
Existe todavía otra vinculo entre el nitrógeno y el ozono: el nitrógeno en forma
de NOX promueve la formación de ozono en la troposfera donde si causa daño.
Ya que alrededor de 1950 las sociedades industriales han estado quemando
29

grandes cantidades de combustibles fósiles a muy altas temperaturas en
calentadores de estaciones de generación de energía eléctrica y en la
combustión interna de motores. Esta combustión genera cantidades
substanciales de óxidos de nitrógeno. El nitrógeno en estos óxidos proviene de
dos fuentes: el combustible mismo, donde siempre esta presencia en
cantidades ínfimas, y el abastecimiento atmosférico de N2. El nitrógeno en
carbones y aceites representan en 1% la masa total. El gas natural poseen
usualmente menos del 5% del nitrógeno, pero el gas es comúnmente removido
antes de la combustión. (Smil, 1996)
Cualquier nitrógeno disponible en el combustible será oxidado inclusive a
temperaturas muy bajas de combustión, tal el caso cuando se quema la
madera en fogatas o el carbón en una parrilla. Pero a temperaturas mayores el
N2 en el aire se disociara y combinara con el oxigeno para formar NOX (del
cual el 95 al 98% es NO). Solo una pequeña cantidad de NOX es formada a
temperaturas inferiores a los 1500 °C, pero arriba de ese nivel su formación
crece exponencialmente. Consecuentemente la combustión de un kilogramo de
carbón en un calentador grande de una planta de energía puede producir 10
veces más NOX que la combustión de un kilogramo de carbón en una pequeña
casa. La combustión interna de motores son relativamente grandes fuentes de
NOX. Hoy en día los seres humanos son responsables por la liberación de 40
millones de toneladas de NOX al año.
El problema se agrava cuando los óxidos de nitrógeno – en su mayoría por la
combustión de combustibles fósiles incluyendo la actividad microbiana en
suelos altamente fertilizados – reaccionan con los compuestos orgánicos
volátiles (COV) y el CO. La presencia de estos tres ingredientes abre el
escenario para el desarrollo estacional de concentraciones muy altas de smog
fotoquimico, una mezcla de gases que resultan de complejas cadenas de
reacciones químicas energetizadas por la luz del sol.
El químico Americano Arie Haagen-Smit dilucido la química del síndrome del
smog fotoquimico en 1950. El proceso comienza con la oxidación rápida de NO
a NO2, involucrando una variedad de moléculas reactivas (OH, CO,
hidrocarburos, aldehídos). La disociación subsecuente de NO2 y la oxidación de
hidrocarburos genera concentraciones en aumento de ozono (O3). Uno de los
agentes oxidantes más agresivos, el O3 perjudica la función pulmonar, daña
las células, limita la capacidad de trabajo y ejercicio, y disminuye las defensas
a favor de infecciones bacterianas. En plantas causa pigmentación, blanqueado
de las hojas, y la muerte de tejidos, también daña textiles, tintes, hule,
plásticos y asfalto.
30

Un tiempo después de que Haagen-Smit explico el smog fotoquimico, pareció
que este fenómeno solo estaría confinado a climas soleados subtropicales, pero
el aumento de emisiones de NOX y COV a traído consigo el smog de verano en
grandes ciudades del hemisferio norte densamente inhabitados. Ambos
Vancouver e Inglaterra (a 50 °N) pueden tener días donde los niveles de smog
son semejantes a los de Los Ángeles (34 °N).
El smog fotoquímico y el exceso de concentración de O3 se han vuelto una
presencia semipermanente todas las ciudades tropicales y subtropicales y sus
alrededores – ya sea Bangkok, Taipei, Los Ángeles o la Ciudad de México – y
una recurrente aflicción estacional de grandes ciudades en climas templados.
Niveles elevados de O3 ahora afligen regiones mucho más grandes que incluso
esas aglomeraciones urbanas en expansión como Boston-Washington y Tokyo-
Osaka. En tiempos persistentes de verano celdas de alta presión limita la
combinación atmosférica sobre el este de Norte América y permite que las
altas concentraciones se acumulen a niveles dañinos inclusive en áreas rurales,
especialmente al sureste de los Estados Unidos. (Smil, 1996)
William Chameides del Instituto de Tecnología de Georgia señala que las tres
regiones – El Oeste de Europa, el Este de Norte América y el Este de Asia – son
responsables de aproximadamente 75% del uso de combustibles fósiles y
fertilizantes de nitrógeno, y por el 60% de la producción global de comida. Al
menos 1/10, pero tal vez 1/3 de la producción mundial de cereales, inclusive
un mayor aporte de vegetales y frutas son cultivadas en estas regiones. En
esos lugares ya se encuentran expuestos a niveles de O3 de 50 a 70 ppb,
arriba del umbral donde la exposición acumulativa durante las temporadas de
cultivo genera daño.
Técnicamente la solución a este problema no es sencilla de encontrar. Solo los
controles de emisión más estrictas han sido capaces de prevenir el
deterioramiento de la calidad del aire a futuro en el sureste de California desde
1970 – pero estos controles todavía no pueden prevenir las violaciones de los
parámetros predispuestos de los estándares de calidad del aire. Decenas de
ciudades en Norte América y Europa están excediendo los niveles más altos
deseables de O3. Similarmente, a pesar de los grandes esfuerzos de los
japoneses, el valor anual de NOX liberado en áreas rurales en ese país ha
difícilmente cambiado durante los pasados 15 años. (Smil, 1996)
31

4. Nitrógeno en el Suelo
El suelo es una capa viva de composición orgánica/inorgánica en la superficie
de la tierra en equilibrio dinámico con la atmósfera y biósfera arriba de ella, y
la geología por debajo. El suelo actúa como un ancla y proveedor de agua y
nutrientes para las raíces, y es el hogar de una comunidad basta y tan
numerosa que no han sido todos identificados de microorganismos y animales,
como un desinfectante del medio ambiente, y también una fuente de
materiales de construcción y manufactureras. El suelo es el capital a largo
plazo en donde una nación se construye y crece. Es el componente básico de
los ecosistemas y de gestión de ecosistemas. Un entendimiento fundamental
de este elástico, poroso, sistema trifásico (solido, líquido, gaseoso), sus
componentes y procesos de reacción son básicos para soportar la vida de
plantas y animales que viven en y sobre él. El suelo sirve como una base
indispensable para el bienestar humano continuo y la producción de otros
recursos naturales renovables.
Debemos nuestra existencia a una capa extremadamente delgada pero
preciada capa llamado suelo, el cual cubre formaciones geológicas inalteradas
y parcialmente erosionadas en la superficie del planeta. Este ya no es roca ni
sedimentos geológicos pero ha sido alterada durante la formación del suelo a
causa de factores geológicos, topográficos, climáticos, físicos, químicos y
biológicos para formar una entidad viva conformada de una asociación de
partículas inorgánicas o minerales con un vinculo inextricable con la materia
orgánica, y gases perfundidos. Cuando esta es humedecida por agua vital; el
solvente y transportador de nutrientes, y el mayor constituyente de los seres
vivos; este complejo sistema se vuelve el substrato fértil la cual es
biológicamente activa, porosa, y media estructurada que efectivamente integra
y disipa los flujos de masa y energía. En este estado, es una entidad
autoreguladora biológica que lentamente evoluciona mientras que esta
continua desgastándose con el tiempo.
No solo sirve para promover y sustentar la vida en todas sus formas, pero
también actúa como un filtro viviente para los residuos generados por
humanos y animales. Este rol limpia, purifica y recicla el agua e incluso
desintoxica y hace inofensivas la mayoría de las toxinas y patógenos que por
otro lado podrían irreparablemente contaminar y degradar el medio ambiente.
A pesar de ser contaminado por los restos de humanos y animales incluyendo
aquellos de epidemias de pestilencia y plagas, ha tenido éxito controlando
todos estos agentes dañinos y rara vez, sino nunca, está involucrado en la
32

transmisión de enfermedades. De lo contario, muchos de sus habitantes, los
microorganismos en particular, nos han proveído de antídotos a enfermedades
e infecciones conocidos como antibióticos. (Sumner, 2000)
4.1. Origen
Bajo condiciones naturales el nitrógeno del suelo proviene de la atmósfera
terrestre. Esto ocurre a través de los distintos procesos de fijación,
fundamentalmente de tipo biológico.
La transformación del nitrógeno molecular atmosférico en nitrógeno del suelo
utilizable actual o potencialmente por las plantas, se realiza principalmente en
dos procesos:
• El nitrógeno puede oxidarse y pasar a la forma de óxidos, por acción de
las descargas eléctricas, y estos compuestos, a su vez, trasladados al
suelo por la lluvia y depositados en él como acido nitroso o nítrico. La
magnitud de este proceso, aunque no carece de importancia, es
pequeña en comparación con las cantidades de nitrógeno molecular que
se convierte en orgánico en virtud del proceso.
• Fijación biológica, es decir, por medio del conjunto de reacciones gracias
a las cuales los organismos vivos integran el nitrógeno molecular en sus
estructuras como componente de diversos compuestos. Ciertos
microorganismos que viven libremente en el suelo, y otros que bien
simbióticamente con determinadas plantas (principalmente
leguminosas), son capaces de realizar esta incorporación; ambos grupos
son los principales responsables de que se mantenga a un cierto nivel el
nitrógeno contenido en el suelo.
Pero en los suelos cultivados, el nitrógeno puede aparecer también por la
adición que el hombre realiza de fertilizantes nitrogenados obtenidos
sintéticamente a partir del nitrógeno atmosférico o mediante la adición,
también de residuos orgánicos de diversa procedencia. Estos hechos explican
el porqué el nitrógeno total presente en los suelos cultivados puede varias
entre limites bastantes amplios, en 0.01 y 0.5 % y a veces mas, aunque lo
más frecuente es que oscile alrededor del 0.1 %. En general, puede decirse
que la mayoría de los suelos cultivados no son suficientemente ricos en
nitrógeno. Los suelos ricos son una excepción, salvo donde hay una
acumulación de materia orgánica por falta de mineralización. (Navarro et.al.,
2003)
33

4.2. Formas
Las principales formas de Nitrógeno en el suelo son NH4
+
, NO3
-
o las sustancias
orgánicas a base de nitrógeno. En cualquier momento, el nitrógeno inorgánico
en el suelo es solo una fracción pequeña del nitrógeno total en el suelo. La
mayoría del nitrógeno en la superficie del suelo está presente en nitrógeno
orgánico. Consiste de proteínas (20-40%), aminoazucares, como las
hexosaminas (5-10%), purina y derivados de pirimidina (1% o menos), y
complejos compuestos inidentificados formados por la reacción de NH4
+
con
lignina, polimerización de quinones con compuestos de Nitrógeno y
condensación de azucares y aminas. En el subsuelo, una importante fracción
de nitrógeno presente puede ser capturada por rejas arcillosas como NH4
+
inintercambiable y consecuentemente no disponible. Las sustancias orgánicas
lentamente se mineralizan por microorganismos a NH4
+
el cual puede ser
convertido por otros microorganismos a NO3
-
.
El NH4
+
puede ser absorbido a sitios cargados negativamente de minerales de
arcilla y compuestos orgánicos. Esto reduce su movilidad en el suelo en
comparación de su forma más móvil el ion NO3
-
.
Los microorganismos pueden usar ambos NH4
+
y NO3
-
para satisfacer sus
necesidades de nitrógeno. Este tipo de transformación de nitrógeno es llamado
inmovilización microbiana. (Lal, 2002)
4.3. Dinámica del Nitrógeno en el Suelo
En todos los suelos existen considerables entradas y salidas de nitrógeno
acompañadas de muchas transformaciones complejas. Algunas de estas
entradas pueden controlarse más o menos por el hombre mientras que otros
están más allá de nuestro control. El conjunto de estos procesos constituyen
una parte importante del ciclo del nitrógeno en la naturaleza.
El nitrógeno en suelos cultivables proviene de diversos materiales: restos de
cultivos, abonos verdes, estiércol, fertilizantes comerciales y nitratos aportados
por lluvias, así como por fijación de nitrógeno atmosférico por ciertos
microorganismos. (Navarro et. al., 2003)
Por lo que la dinámica del nitrógeno del suelo está altamente influenciada por
la distribución de los siguientes procesos:
34

Aportación de Nitrógeno en el suelo
a) Fijación del nitrógeno atmosférico por microorganismos que viven
libremente en el suelo.
b) Fijación de nitrógeno por Rhizobium otras bacterias simbióticas.
c) Aportes por el agua de lluvia y nieve.
d) Aportaciones de nitrógeno en fertilizantes, estiércoles y plantas verdes.
Transformaciones del Nitrógeno en el Suelo
a) Aminificación, o degradación bioquímica de las proteínas y otros
compuestos complejos nitrogenados en aminoácidos y aminas.
b) Amonificación, o transformación bioquímica de los aminoácidos y aminas
en amoníaco.
c) Nitrificación, u oxidación bioquímica del amoniaco a ácido nítrico.
d) Síntesis proteicas de los microorganismos del suelo, a partir de los
compuestos que originan en el transcurso de los anteriores procesos.
Pérdidas de nitrógeno en el suelo
a) Desnitrificación, o reducción bioquímica de los nitratos bajo condiciones
anaeróbicas.
b) Reacciones químicas de los nitritos bajo condiciones aeróbicas.
c) Pérdidas por volatilización del amoníaco, principalmente en suelos
alcalinos, cálidos y húmedos.
d) Lixiviación de nitratos.
e) Asimilación de los nitratos por las plantas superiores.
f) Fijación del amonio por las arcillas con entramado en expansión y en
suelos con alto contenido en materia orgánica.
4.4. Procesos de Aportación de Nitrógeno
4.4.1. Fijación de Nitrógeno
La fijación consiste en la transformación de N2 atmosférico a formas
inorgánicas. El enlace covalente triple de la molécula de N2 es altamente
estable y solo puede ser roto dicho enlace químicamente solo a temperatura y
presiones elevadas.
35

R - NH2N2
amoniaconitrógeno
gaseoso
nitrógeno
orgánico
NH3
Por lo que la atmósfera constituye una fuente prácticamente inagotable de
nitrógeno, dado que al nivel del mar hay sobre cada hectárea unas 77 600
toneladas de este gas en el aire. Parte de este nitrógeno es fijado por las
descargas eléctricas (rayos) y otros fenómenos de ionización de la atmosfera
superior, y ese nitrógeno es añadido al suelo como componente de la
precipitación. Sin embargo, la mayor parte del nitrógeno añadido a los suelos
procede de la fijación biológica del mismo, tanto simbiótica como no
simbiótica. La fijación biológica del nitrógeno es una reacción de reducción que
requiere energía, la cual es aportada por el adenosin trifosfato (ATP). Los
microorganismos fijadores de nitrógeno contienen la enzima nitrogenasa que
se combina con una molécula de nitrógeno, N2. El ácido pirúvico es el donador
de hidrógeno, y la fijación se hace en una serie de pasos que reduce al N2 a
NH3. El molibdeno es parte de la nitrogenasa y esencial para la fijación
biológica. Los organismos que fijan nitrógeno también requieren cobalto, que
es el único papel que se sabe que ese elemento desempeñe en las plantas,
siendo por ello necesario. (Foth, 1987).
4.4.2. Fijación Biológica del Nitrógeno
En la Naturaleza, la fijación del nitrógeno es una facultad reservada a unos
cuantos géneros de bacterias y ciertas algas azul-verdosas, que pueden
clasificarse dentro del grupo de las bacterias con el nombre de Cianobacterias.
Ningún organismo superior presenta esta capacidad, a pesar de que algunos
pueden hacerlo indirectamente, a través del establecimiento de asociaciones
simbióticas con bacterias fijadoras de nitrógeno (Fijación Simbiótica). La
relación más conocida es la que se verifica entre las plantas leguminosas y
diversas bacterias del genero Rhizobium. Otras bacterias fijadoras de nitrógeno
viven asociadas con plantas huéspedes, y muchas viven libremente en el suelo
o en el agua. Unas son fotosintéticas, otras requieren oxígeno, y otras,
finalmente, solamente pueden vivir en medios anaerobios o faltos de oxígeno.
Todos estos microorganismos se caracterizan por poseer un potente equipo
enzimático que les permite fijar directamente el nitrógeno atmosférico; y como
en el proceso industrial, el producto inicial que se forma es el amoniaco.
36

Disponen además de un enzima común, la nitrogenasa, que es básicamente el
que regula el proceso. (Navarro et. al., 2003)
4.4.3. Rhizobium y la fijación del nitrógeno
Las plantas leguminosas forman una relación simbiótica con bacterias
heterótrofas del genero Rhizobium, La raíz de la planta hospedera segrega una
sustancia que activa a las bacterias Rhizobium. Cuando la bacteria entra en
contacto con un pelo radical, este se riza. En la raíz se forma un filamento
infeccioso a través del cual la bacteria mira al centro de la raíz. Una vez dentro
de la raíz, las bacterias se multiplican con rapidez y son transformadas en
cuerpos hinchados, de forma irregular, llamados bacteroides. Se efectúa un
ensanchamiento de la raíz y, finalmente, se forma una agalla o nódulo. Los
bacteroides reciben de la planta hospedera alimento, nutrientes y
probablemente ciertos compuestos para el crecimiento. La planta leguminosa
hospedera se beneficia del N2 fijado en el nódulo. Parte del nitrógeno fijado es
transportado de los nódulos a las diversas partes de la planta hospedera.
(Foth, 1987)
4.4.4. Fijación simbiótica de nitrógeno por plantas no
leguminosas
En muchos ecosistemas de tierras silvestres hay pocas o ningunas leguminosas
que fijen nitrógeno. En la actualidad se sabe que hay muchas especies no
leguminosas que tienen nódulos radicales y fijan nitrógeno simbióticamente, en
la Tabla 3 se puede observar cuales plantas no leguminosas forman nódulos.
Lo anterior significa que la fijación simbiótica del nitrógeno es importante tanto
en los suelos de praderas naturales y de bosque como en agroecosistemas. El
aliso rojo es un ejemplo de una planta no leguminosa que puede efectuar
fijación de nitrógeno simbiótica. Esa característica hace que el aliso rojo sea
una buena especie para invadir materiales maternos recién expuestos y tierras
incendiadas en donde los suelos tienen una baja capacidad para proporcionar
nitrógeno debido a su poco contenido de materia orgánica. Se cree que los
organismos que ocasionan la producción de nódulos y la fijación de nitrógeno
son actinomicetos. La aportación de nitrógeno que hacen los ecosistemas
terrestres del mundo las especies fijadoras de nitrógeno simbióticas no
leguminosas es varias veces mayor que aquella de las leguminosas herbáceas.
(Foth, 1987)
37

Tabla 3 – Plantas No Leguminosas que forman nódulos
Familia Género
Especies
que
forman
nódulos
Distribución geográfica
Betulaceae Alnus 15
Regiones frías del hemisferio
norte
Elaeagnaceae
Elagnus 9 Asia, Europa, América del Norte
Hippophae 1
Asia y Europa, desde los
Himalayas al Circulo Ártico
Myricaceae
Shepherdia 2 Confinada a América del Norte
Myrica 7
Regiones templadas de ambos
hemisferios
Coriariaceae Coriaria 3
Regiones muy separadas,
principalmente en Japón, Nueva
Zelandia, Centro y Sur América y
región del Mediterráneo
Rhamnaceae Ceanothus 7 Confinada a América del Norte
Casuarinaceae Casuarina 12
Trópicos y subtrópicos,
extendiéndose del este de África
al Archipiélago Indico, Islas del
Pacífico y Australia
Foth, 1987
4.4.5. Fijación no simbiótica del nitrógeno
Viven en el suelo ciertos grupos de bacterias independientes de las plantas
superiores que tienen capacidad para usar el nitrógeno de la atmosfera en la
síntesis de los tejidos de su organismo. Como esas bacterias no viven en
asociación con plantas superiores (relación mutua), se les ha llamado no
simbióticas. Se ha encontrado una docena o más de bacterias que fijan N2 en
forma no simbiótica, pero los dos organismos más estudiados pertenecen a los
géneros Azotobacter y Clostridium.
El género Azotobacter está ampliamente distribuido en la naturaleza. Se le ha
encontrado en suelos (con pH de 6.0 o más) de prácticamente cada localidad
que se ha examinado. Al parecer, el mayor factor limitante de su distribución
es la reacción del suelo. Esos organismos pueden existir en suelos con (con pH
de 6.0 o más) de prácticamente cada localidad que se ha examinado. Al
parecer, el mayor factor limitante de su distribución es la reacción del suelo.
Esos organismos pueden existir en suelos con pH menor de 6.0, pero por regla
general en esas condiciones no son activos en lo que concierne a la fijación de
nitrógeno. Azotobacter es favorecida por la buena aireación, la abundancia de
38

materia orgánica (en especial de naturaleza carbónacea), la presencia de una
amplia cantidad de calcio disponible y cantidades suficientes de elementos
nutrientes disponibles, en especial fosforo, así como las relaciones adecuadas
de humedad y temperatura.
Las bacterias anaeróbicas Clostridia son muchos más tolerantes de las
condiciones ácidas que la mayoría de los miembros del grupo aeróbico y, tal
vez por esa razón, tiene una distribución más amplia. Se cree que esos
organismos. Se cree que esos organismos se pueden encontrar en todos los
suelos y que en condiciones apropiadas pueden fijar algo de nitrógeno. Para
que funcionen las bacterias anaeróbicas no es necesario que los suelos estén
encharcados. Un suelo en buenas condiciones de labranza puede tener áreas
considerables con gránulos favorables para las actividades de las bacterias
fijadoras de nitrógeno anaeróbicas. (Foth, 1987)
4.4.6. Fertilización de Nitrógeno Mineral y Orgánico
Teóricamente las plantas deben preferir el NH4
+
en vez del NO3
-
, debido a que
el NH4
+
no necesita ser reducido antes de su incorporación de la planta. En la
mayoría de los suelos bien drenados la oxidación de NH4
-
es bastante rápida
por lo que la mayoría de las plantas se han desarrollado para crecer mejor con
NO3
-
. A pesar de que un número de estudios han demostrado que las plantas
se desarrollan mucho mejor cuando ambas fuentes están disponibles. El arroz
que crece bajo condiciones sumergidas debe crecer en presencia de NH4
+
y
NO3
-
el cual no es estable bajo condiciones inundadas. Cuando la urea es
aplicada este rápidamente se hidroliza bajo condiciones bien drenadas, a
menos que un inhibidor de ureasa fuera añadido; bajo condiciones sumergidas
las plantas de arroz también pueden absorben N directamente como urea
molecular. El abono molecular puede ser originario de una planta o animal o
incluyendo una mezcla de ambos. A pesar de todo la mayoría proviene de
estiércol y orina de animales de granja. Este existe en corrales o en estiércol
de establo, orina, purines o como composta. Debido a que su composición no
es constante y debido a que la materia vegetal (de captura o cultivos de
cobertura, leguminosas) es añadido frescamente al suelo, menos del 30% de
sus nutrientes vuelven a estar disponibles para el siguiente cultivo. (Sumner,
2000.)
39

4.5. Transformaciones del Nitrógeno en el Suelo
4.5.1. Aminificación y Amonificación
La materia nitrogenada que se deposita en el suelo de forma natural a la
muerte del vegetal, junto con la añadida al mismo de otras procedencias, es
directamente de poco valor para las plantas superiores. Puede, sin embargo,
ser fácilmente utilizada por los microorganismos del suelo, tanto vegetales
como animales. Como resultado de la digestión enzimática realizada por estos
organismos, sus componentes principales: proteínas y compuestos
relacionados, son degradados a otros más simples, principalmente aminas y
aminoácidos. De aquí que el proceso sea llamado “aminizacion” o
“aminificación”
Proteínas y
compuestos
relacionados
Digesitón
enzimática
Microorganismos
heterótrofos
R-NH2 + R-CHNH2-COOH +
CO2 + E + Otros compuestos
Mediante esta digestión, los diversos organismos del suelo obtienen la energía
necesaria para su desarrollo, y al mismo tiempo se libera dióxido de carbono.
Las condiciones que favorecen la aminificación parecen ser las mismas que las
que contribuyen al buen desarrollo vegetativo de la planta, en lo que concierne
a la temperatura, humedad y aireación del suelo. Es muy conveniente un
drenaje adecuado del suelo y la presencia de calcio, ya que las bacterias
degradadoras, que son los principales microorganismos que intervienen en el
proceso, son en gran parte aerobias y no proliferan en medio acido.
El nitrógeno de las aminas y aminoácidos así liberado, puede tener dos
destinos. Puede ser utilizado por diversos microorganismos del suelo para
construir sus propias estructuras y formar parte del nuevo complejo proteico
del suelo. O bien puede ser transformado por otros en productos simples, que
aparecen casi siempre en forma de compuestos amónicos. El proceso
enzimático en el que el nitrógeno aparece en esta última forma recibe el
nombre de “amonificación”:
40

Hidrólisis enzimática
Microorganismos heterótrofos
R-CHNH2-COOH + H2O
R-OH + NH3 + EnergíaR-NH2 + H2O
R-CH2OH + NH3 + CO2 + Energía
Los microorganismos que intervienen en estos procesos de degradación son
muy variados. Es muy difícil concretar cuáles son los que verdaderamente
intervienen y predominan, ya que ello depende básicamente de la constitución
química del material orgánico incorporado al suelo, condiciones climáticas, y de
las características del suelo en donde los fenómenos de sinergia y competencia
juegan un papel importante. No obstante, las bacterias de los géneros
Pseudomonas, Proteus, Bacillus y Bacterium, parecen ser los microorganismos
amonificantes mas extendidos en los distintos tipos de suelos. En notable
proporción, también intervienen muchas especies de actinomicetos y hongos.
(Navarro et. al., 2003)
4.5.2. Nitrificación
Cuando el amoniaco no es absorbido por raíces y microorganismos o incluso no
es fijado en arcilla este comúnmente es oxidado a nitrato. La nitrificación es un
proceso biológico en el cual el amoníaco es transformado en nitritos y nitratos
por acción de las bacterias nitrosomonas y nitrobacter.
+H+
Nitrosomonas Nitrobacter
NH3 NH4
+
NO2
-
NO3
-
-H+
D
Los principales factores que afectan la nitrificación son:
1) Contenido de ion amonio y relación C/N de la materia orgánica del suelo
2) Reacción del suelo y presencia de diversos elementos esenciales
3) Aireación del suelo
4) Humedad del suelo
41

5) Temperatura y Tiempo
1) Contenido del ion amonio y relación C/N de la materia orgánica del suelo
Al ser el ion amonio el sustrato para las bacterias nitrificantes, es lógico que un
suministro de este ion sea el requerimiento esencial para la nitrificación. Si las
condiciones no favorecen la liberación de amoniaco de la materia orgánica, o si
no se añaden a los suelos fertilizantes amónicos, no habrá nitrificación. Pero
aun en el caso de que la amonificación se produzca, si la relación C/N del suelo
es demasiado alta, parte del amoniaco liberado de la materia orgánica será
utilizado por los microorganismos de suelo, y así se inicia una extraordinaria
reproducción y multiplicación.
Después que la materia carbonada ha sido descompuesta parcialmente y el
materia energético no es ya muy abundante, la asimilación del nitrógeno se
aminora y aparecen en el suelo subproductos amoniacales. En ese momento,
las condiciones volverán a ser favorables para la nitrificación, y los nitratos
podrán originarse y ser utilizados por las plantas. Solo cuando relación C/N ha
descendido por debajo de 20 o 25 habrá una liberación neta de nitrógeno
mineral. De esta forma, y análogamente a lo indicado en la amonificación, la
razón C/N, a través de su influencia selectiva sobre los microorganismos del
suelo, ejerce un control poderoso sobre la nitrificación y la presencia del
nitrógeno en forma de nitrato en el suelo.
Los hechos apuntados hay que tenerlos en cuenta en muchos casos, y tienen
una gran importancia en la práctica agrícola. Por ejemplo, al tratar de cultivar
cereales en zonas donde poco antes se ha efectuado un arado e incorporado al
suelo los residuos de la cosecha anterior. Si estos residuos, constituidos por
tallos secos, raíces, etc., se hallan en gran cantidad, el nuevo cultivo se
desarrolla con insuficiente nitrógeno, ya que los microorganismos, al degradar
los citados restos (relación C/N alta), compiten con la planta para obtener del
suelo el nitrógeno que necesitan. En estos casos se requerirá, por tanto,
incrementar el contenido de nitrógeno del suelo mediante un aporte
complementario de fertilizantes nitrogenados.
2) Reacción del Suelo y Presencia de diversos Elementos
Las bacterias nitrificantes, aunque existen en todo suelo laborable, aparecen
en mayor cantidad en suelos fértiles. Su número depende en gran manera de
la reacción del suelo. En este aspecto, una reacción ligeramente alcalina es la
más favorable. Los límites de pH entre los que la nitrificación tiene lugar se
42

sitúan entre 5.5 y 8, con un óptimo entre 6.9 y 7.5. A medida que aumenta la
acidez del suelo, la nitrificación se debilita debido a la sensibilidad de los
organismos nitrificantes a bajo pH.
Las bacterias nitrificantes requieren también un suministro adecuado de calcio,
fosforo, cobre y magnesio, aunque no se ha determinado sus exactas
necesidades. Otros oligoelementos como hierro, molibdeno, boro, wolframio y
vanadio, se consideran estimulantes en concentraciones bajas, pero se
transforman en inhibidores a concentraciones superiores al 1 %. Un exceso de
cloruros paraliza la acción de estos microorganismos.
3) Aireación del Suelo
Las bacterias nitrificantes son microorganismos aeróbicos típicos. No producen
nitratos en ausencia de oxigeno molecular. Por ello, cualquier procedimiento
que aumente la aireación del suelo favorecerá la nitrificación. El arado y
prácticas de cultivo son operaciones favorables para ella, ya que permiten la
rápida difusión del aire hacia el interior y hacia el exterior del suelo. Los suelos
que son de textura gruesa, o que poseen una buena estructura, facilitan este
movimiento y aseguran un suministro adecuado de oxigeno para las
nitrobacterias.
Los resultados experimentales obtenidos en condiciones controladas de
laboratorio, permiten afirmar que la máxima nitrificación aparece cuando el
porcentaje de oxigeno en el aire de suelo es del 20%, casi igual al que posee la
atmósfera terrestre.
4) Humedad de Suelo
La actuación de las nitrobacterias está altamente controlada por el contenido
de agua del suelo. En general, la nitrificación tiende a disminuir tanto en
condiciones de excesiva humedad, como en aquellas de escasez.
En realidad, existe para cada suelo un óptimo de humedad, por encima y por
debajo del cual hay más lentitud en la producción de nitratos.
Este optimo varia con la textura del suelo y aumenta con el contenido en
coloides. Ordinariamente, para suelos cultivados varía entre el 12 y 18 % de
agua. Por esta razón, la nitrificación puede reducirse notablemente en verano
por insuficiente humedad, así como en invierno y en zonas de alta
pluviometría.
43

5) Temperatura y tiempo
La temperatura más favorable para el proceso de la nitrificación puede situarse
entre 27 y 30°C, aunque puede variar según las regiones, por adaptación o
selección de los organismos nitrificantes. A temperatura de 0°C o inferiores la
nitrificación no se produce, pero por encima de 1.5 °C empieza, y va
aumentando progresivamente en intensidad hasta alcanzar su actividad
máxima alrededor de los 30 °C,
En condiciones de campo, sin embargo, no se obtienen temperaturas
constantes, y por ello, al fluctuar la temperatura la magnitud de la nitrificación
dependerá, en gran parte, del periodo de tiempo y que se mantenga a una
determinada temperatura. En la siguiente tabla se manifiesta la influencia de
las fluctuaciones de temperatura en la nitrificación.
Los nitratos del suelo formados durante el proceso de la nitrificación, o
aquellos que pueden ser aportados en forma de fertilizantes, pueden tener
destinos diferentes:
1) Una parte puede ser metabolizada por los microorganismos vivos para
su síntesis protoplasmática.
2) Otra puede ser utilizada por los vegetales superiores para poder
desarrollar su ciclo vital.
3) Parte, y debido a su gran solubilidad y nula retención por los coloides,
perderse por drenaje a las capas profundas del suelo.
4) En pequeña proporción, y mediante ciertas reacciones químicas, pueden
originar óxidos, en los que el nitrógeno se halla en su menor grado de
oxidación
5) Finalmente, y por acción de determinados microorganismos, dar lugar a
otros compuestos reducidos en el proceso conocido como
“desnitrificación”. El nitrógeno así producido retorna de nuevo a la
atmósfera.
(Navarro et. al., 2003)
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