Este documento describe una investigación realizada por un grupo de estudiantes sobre las bacterias y la fijación de nitrógeno en las plantas leguminosas. Explica que las bacterias del género Rhizobium viven en simbiosis con las leguminosas y les permiten fijar nitrógeno atmosférico a través de nódulos en las raíces. También describe el ciclo del nitrógeno y cómo las bacterias desempeñan un papel clave en la fijación, nitrificación, desnitrificación y otros pro

1. ESCUELA NACIONAL PREPARATORIA NUMERO 2
“ERASMO CASTELLANOS QUINTO”
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
GRUPO 600C
Investigación: Las bacterias y la fijación de nitrógeno
en las plantas.
INTEGRANTES DEL EQUIPO:
AYALA BUTANDA CITLALLI ROXANA
MERÁZ ACEVEDO ADRIÁN SEBASTIÁN
RIVAS MEZQUITA LUISA ANDREA
SÁNCHEZ GARCÍA KARLA EDITH
URIBE MEJÍA MÓNICA PAMELA

2. Bacterias culpables de la fijación del nitrógeno en las leguminosas.
Introducción.
Los microorganismos son
componentes indispensables de
nuestro ecosistema y cumplen
funciones muy importantes. La
ciencia de la microbiología se
encuentra y utiliza en diferentes
ámbitos, en este caso tocaremos
el tema de la microbiología y su
relación con el ecosistema, para
esto se estudia el papel que tienen
estos microorganismos en la
biosfera.
Nuestra investigación estará centrada en el papel de las bacterias sobre las leguminosas para
que estas puedan tener la capacidad de fijar el nitrógeno y aprovecharlo de varias formas. Se
tocara el tema del ciclo del nitrógeno, la fijación del nitrógeno, en que consiste, el proceso con el
que se lleva a cabo en las plantas y la importancia de este, así como los microorganismos
causantes de este proceso, también se mencionaran los beneficios que trae consigo a la planta la
función de estas bacterias, de qué forma lo hacen y su importancia a nivel ecológico y social.
Objetivo.
Con este trabajo se pretende demostrar el papel
fundamental que cumplen los microorganismos en
este proceso (el proceso de fijación del nitrógeno
por medio de nódulos en las plantas de
leguminosas y los beneficios que esto contrae);
que pocas veces es conocido por las personas y
que si es conocido no se sabe que los microorganismos tienen el crédito de que esto suceda.
Es decir se pretende informar acerca de la relación entre microorganismos y ecología visto desde
una perspectiva tanto científica como social.

3. Desarrollo.
Para empezar debemos de saber que muchos de los aspectos importantes de nuestro sistema de
agricultura y es más en el funcionamiento de los ecosistemas dependen por completo de las
actividades microbianas.
Hay microorganismos que llevan a cabo la fijación del nitrógeno estos utilizan el NH3 para
producir los componentes nitrogenados (proteínas, ácidos nucléicos, pigmentos) de sus tejidos. El
exceso de nitrógeno fijado puede excretarse al suelo u otros medios en los cuales crece el
organismo que fija este elemento. Hay estudios acerca de cómo algunas leguminosas en arena de
cultivo excretan NH3. Las cianobacterias (los organismos antiguos que se caracterizan por
conjugar el proceso de la fotosíntesis oxigénica con una estructura celular típicamente bacteriana.
Son las responsables de la primera acumulación de oxígeno en la atmósfera) ,excretan también
NH3, así como aminoácidos y péptidos. Si la fijación del nitrógeno se da en el suelo puede entrar
al proceso de nitrificación. (Burns, 2003)La nitrificación es la etapa del ciclo del nitrógeno que se
lleva a cabo en los suelos.
Es decir las plantas que logran establecer una relación con microorganismos son beneficiadas en
cuanto a crecimiento, y colonización de suelos en los que sería imposible, pero a pesar del hecho
de que el NH3 es la forma en la cual el nitrógeno puede entrar o incorporarse al suelo
(nitrificación), poco NH3 existe en este. Los estudios indican que este compuesto se oxida
rápidamente hasta ion nitrato; este último representa la fuente principal de nitrógeno para las
plantas no fijadoras de este elemento. La oxidación del NH3 es llevada a cabo por dos grupos de
bacterias conocidas como bacterias nitrificantes, estas son la fuente que da como resultado la
fotosíntesis pues lo que hace la planta es obtener energía para crecer de la oxidación de
compuestos orgánicos simples.
Entonces con esto se deduce que no todas las plantas u organismos tienen la capacidad de fijar
el nitrógeno.
Introducción a la definición de fijación del nitrógeno.
El nitrógeno es el elemento más abundante en la atmósfera de nuestro planeta y como otros
elementos de la tierra, el nitrógeno posee un ciclo de suma importancia, ya que juega un papel
fundamental en la cadena alimenticia al fijarse en determinados microorganismos convertirse en
proteína vegetal y aminoácidos.

4. El ciclo del nitrógeno tiene seis etapas, de
las cuales sólo la asimilación no es
realizada por bacterias:
1. Fijación. La fijación biológica del
nitrógeno consiste en la incorporación del
nitrógeno atmosférico, a las plantas, gracias
a algunos microorganismos, principalmente
bacterias y cianobacterias que se
encuentran presentes en el suelo y en
ambientes acuáticos. Esta fijación se da por
medio de la conversión de nitrógeno
gaseoso (N2) en amoniaco (NH3) o nitratos
(NO3-). Estos organismos usan la enzima
nitrogenada para su descomposición. Sin embargo, como la
nitrogenasa sólo funciona en ausencia de oxígeno, las bacterias deben de alguna forma aislar la
enzima de su contacto. Algunas estrategias utilizadas por las bacterias para aislarse del oxígeno
son: vivir debajo de las capas de moco que cubren a las raíces de ciertas plantas, o bien, vivir
dentro de engrosamientos especiales de las raíces, llamados nódulos, en leguminosas como los
porotos (parecidas a las alubias),las arvejas y árboles como el tamarugo (Rhizobium).
La relación entre Rhizobium y sus plantas huéspedes es mutualista: las bacterias reciben
carbohidratos elaborados por la planta, y la planta recibe nitrógeno en una forma asimilable.
2. Nitrificación o mineralización.
Solamente existen dos formas de nitrógeno que son asimilables por las plantas, el nitrato (NO3-) y
el amonio (NH4+). Las raíces pueden absorber ambas formas, aunque pocas especies prefieren
absorber nitratos que amoniaco. El amonio es convertido a nitrato gracias a los microorganismos
autótrofos por medio de la nitrificación. La modificación de NH4+ a NO3- depende de la
temperatura del suelo.
3. Asimilación. La asimilación ocurre cuando las plantas absorben a través de sus raíces, nitrato
(NO3-) o amoniaco (NH3), elementos formados por la fijación de nitrógeno o por la nitrificación.
4. Amonificación. Los compuestos proteicos y otros similares, que son los constitutivos en mayor
medida de la materia nitrogenada aportada al suelo, son de poco valor para las plantas cuando se
añaden de manera directa. Así, cuando los organismos producen desechos que contienen
nitrógeno como la orina (urea), los desechos de las aves (ácido úrico), así como de los
organismos muertos, éstos son descompuestos por bacterias presentes en el suelo y en el agua,

5. liberando el nitrógeno al medio, bajo la forma de amonio (NH3). En este nuevo proceso de
integración de nitrógeno al ciclo, las bacterias fijadoras llevan a cabo la digestión enzimática, por
lo que el amonio se degrada.
5. Inmovilización. Es el proceso contrario a la mineralización, por medio del cual las formas
inorgánicas (NH4+ y NO3-) son convertidas a nitrógeno orgánico y, por tanto, no asimilables.
6. Desnitrificación. La reducción de los nitratos (NO3-) a nitrógeno gaseoso (N2), y amonio
(NH4+) a amoniaco (NH3), se llama des nitrificación, y es llevado a cabo por las bacterias des
nitrificadoras que revierten la acción de las fijadoras de nitrógeno, regresando el nitrógeno a la
atmósfera en forma gaseosa. Este proceso ocasiona una pérdida de nitrógeno para el ecosistema.
(Conn, 1998)
Una vez que ya sabemos el ciclo del nitrógeno centrémonos en la etapa de la fijación del mismo.
El tercer proceso fundamental en la naturaleza que es llevado a cabo por las células vivas aparte
de la fotosíntesis y la respiración es la fijación del nitrógeno. Este proceso forma parte del ciclo
de reacciones conocido como el ciclo del nitrógeno. Los átomos de nitrógeno de estos
compuestos (como pueden ser proteínas, aminoácidos, vitaminas entre otras), viajan finalmente al
ciclo del nitrógeno, en el cual el nitrógeno de la atmosfera sirve de reservorio. El nitrógeno es
removido de este último por el proceso de fijación; luego es reciclado por el proceso de des
nitrificación.
En el ciclo del nitrógeno pueden considerarse componentes los compuestos inorgánicos del
nitrógeno y los compuestos que si son orgánicos. Los primeros incluyen gaseoso, , ion
nitrato ( ), ion nitrito ( ) e hidroxilamina
( ).
Así en la naturaleza, el nitrógeno puede existir ya
sea en una forma altamente oxidada o en un estado
altamente reducido. Para el crecimiento de las
plantas, el nitrógeno debe existir en una forma
disponible, a saber, amoniaco o ion nitrato; el
primero deriva de dos fuentes importantes, a saber,
la fijación biológica del nitrógeno y los fertilizantes
nitrogenados. (Conn, 1998)

6. La primera fuente contribuye con más de toneladas métricas de nitrógeno fijado por año
en todo el mundo; a nivel mundial se producen toneladas de fertilizantes nitrogenados.
( Erich E. Conn, 1998)
El nitrógeno se puede fijar de diferentes maneras.
Fijación No biológica:
La fijación no biológica del nitrógeno
se define como la conservación del
molecular en una de las formas
inorgánicas dichas anteriormente.
La característica distintiva de
proceso es la separación de los dos
átomos de que están unidos por
un triple enlace; el es una
molécula muy estable. La síntesis
de NH3 a partir de N del aire
desarrollada por Haber y Bosch, puso a disposición un fuente inagotable de fertilizantes
nitrogenados esto fue creado a partir de la Segunda Guerra mundial en Alemania. Una
indicación de la naturaleza problemática de esta reacción se observa en las condiciones para la
fijación del nitrógeno. El proceso Haber consiste en hacer reaccionar al y el a
temperaturas y presiones extremas para formar amoniaco. Este proceso es aun utilizado por la
industria química para la elaboración de fertilizantes químicos. (Erich E. Conn, 1998).
Con el uso de estos fertilizantes el suelo y la ecología se ven en peligro pues durante el
proceso de nitrificación del NH4 del fertilizante a NO3 se liberan iones H+ que pueden producir
acidez en el suelo. El grado de acidez que induce depende de la fuente de N que se utiliza.
Entre los fertilizantes nitrogenados de uso más frecuente se encuentran la urea, el nitrato de
amonio (NA) y el sulfato de amonio (SA).

7. Fijación biológica.
La otra forma de fijación del nitrógeno es la
forma biológica que se lleva a cabo ya sea por
microorganismos no simbióticos que pueden
vivir independientemente o bien por ciertas
bacterias que pueden vivir en simbiosis con
plantas superiores. El primer grupo incluye
organismos aerobios como Azotobacter,
anaerobios del suelo como Clostridium ,
bacterias fotosintéticas y cianobacterias. El
grupo simbiótico incluye bacterias como Rhizobium que viven en simbiosis con miembros de las
leguminosas, como el trébol, alfalfa y soya. Las leguminosas no son las únicas plantas
superiores capaces de fijar el nitrógeno simbióticamente; alrededor de 190 especies de
arbustos y árboles, entre ellos el laurel y aliso son fijadores de nitrógeno. En realidad la
fertilidad de los lagos de altas montañas puede estar determinada por la cantidad de alisos que
crecen en la vecindad de sus afluentes. (Erich E. Conn, 1998)
Fijación simbiótica.
Los conceptos de fijación han provenido de las investigaciones en organismos de vida libre como
Clostridium pasteurianum una bacteria anaerobia, y Azotobacter vinlandii, una bacteria aerobia.
La fijación simbiótica del nitrógeno, que implica tanto leguminosas como bacterias del genero
Rhizobium, es única y ecológicamente el factor más importante en la fijación biológica del
nitrógeno. (Burns, 2003)
El sistema radical de leguminosas como trébol, el chícharo y el frijol es infectado por cepas
específicas de bacterias gramnegativas de vida libre del género Rhizobium. Una vez que el
Rhizobium penetra los pelos absorbentes del sistema radical de las leguminosas, ocurre una serie
de procesos que llevan a la formación en las raíces de tejidos tumorosos, especializados llamados
nódulos, en los cuales se encuentran derivadas células hinchadas, no móviles y no viables del
Rhizobium original infectante llamados bacteroides. Los bacteroides poseen un sistema de
nitrogenasa completo que es muy similar en lo que respecta a las propiedades bioquímicas de los
sistemas descritos con anterioridad. (Conn, 1998)

8. En las células vegetales donde residen los bacteroides se encuentra un pigmento llamado
leghemoglobina, que se une reversiblemente al oxigeno de forma similar a lo que ocurre con el
oxigeno y la hemoglobina. Después esta leghemoglobina oxigenada transporta el oxigeno a los
sitios de fosforilacion oxidativa en el bacteroide, donde se utiliza durante la producción de ATP.
Por lo tanto la leghemoglobina funciona como amortiguador para controlar los niveles de oxigeno.
(Conn, 1998)
Una característica esencial de la Fijación simbiótica
es la formación de tejido nodular, que se forma en las
raíces de las leguminosas una vez que han sido
infectadas por un tipo de Rhizobium específico de la
leguminosa. En si la leguminosa no puede fijar el
nitrógeno, las bacterias Rhizobium de vida libre fijan
el nitrógeno solo cuando crecen en presencia de un
suministro limitado de nitrógeno y oxigeno. Sin
embargo, cuando están en simbiosis, los organismos
del género Rhizobium y la leguminosa interactúan en
una relación estrecha para efectuar la formación de
nitrógeno orgánico a partir del nitrógeno gaseoso.
(Erich E. Conn, 1998). Entonces son los microorganismos de bacterias los que aliados a la
leguminosa en la que se encuentren permitan el proceso de fijación del nitrógeno, estos
microorganismos son los llamados de vida libre, con los cuales se intentaron obtener
preparaciones libres de células que pudieran fijar el nitrógeno desde 1960. En ese año J.E.
Carnahan y colaboradores en du Pont anunciaron la primera reducción en vivo del gas nitrógeno a
amoniaco por un extracto hidrosoluble de Clostridium pasteurianum. Descubrieron que para que la
fijación ocurra, es necesario añadir grandes cantidades de ácido pirúvico a los extractos, con lo
cual el cetoácido experimentaba degradación fotosintética para dar acetil fosfato, y . Pronto
se descubrió que el extracto podía separarse en dos sistemas. Uno de ellos, el componente
donador de hidrógenos, es el responsable del flujo de electrones del catabolismo del ácido
pirúvico por medio de la ferredoxina al segundo componente, llamado sistema de la nitrogenasa,
que participa en la conversión del nitrógeno en amoníaco. (Erich E. Conn, 1998)
De esta forma, el piruvato no participaba directamente en la fijación del nitrógeno, sino servía de
fuente de electrones y el ATP durante su metabolismo. Otra observación importante fue que el
sistema de la nitrogenizada faltaba en los extractos de Clostridium cultivados en presencia de NH3

9. como única fuente de nitrógeno, aunque el sistema donador de hidrogeno estaba presente aun en
cantidades normales. Una tercera observación fue el descubrimiento de la ferredoxina, la primera
proteína de hierro no hemo en ser aislada y caracterizada. (Erich E. Conn, 1998)
Las investigaciones de Carnahan y colaboradores fueron el estimulo para nuevos estudios
llevados a cabo por numerosos investigadores en torno al análisis detallado de esta importante
serie de reacciones. Como resultado se sabe ahora que, no importando si los extractos se
preparan de organismos anaerobio, aerobios, anaerobios facultativos, cianobacterias o nódulos de
leguminosas, los componentes esenciales de las cadenas de reacciones son: 1) un donador de
electrones, 2) un aceptor de electrones (es decir, el nitrógeno gaseoso), 3) el ATP y un catión
divalente, , y 4) dos componentes proteínicos, siendo el primero una proteína de molibdeno y
de hierro no hemo con peso molecular de casi 22 mil (proteína de MoFe) y el otro componente una
proteína de hierro no hemo con peso molecular de casi 55 mil (proteína de Fe). Cada componente
por separado es incapaz de catalizar la fijación del nitrógeno, pero combinados forman el complejo
de la nitrogenasa. Existe un requerimiento específico del ATP. En ausencia del nitrógeno como
aceptor de electrones, el ATP puede hidrolizarse rápidamente en ADP y fosfato inorgánico
(actividad reductora del ATPasa), liberándose gas hidrogeno. (Erich E. Conn, 1998)
Existen actualmente pruebas firmes de que el ATP se une específicamente a la proteína de Fe; el
potencial redox de esta proteína sola es de -280mV, pero cambia a -490mV cuando forma
complejos con 2 (Mg ATP). Como resultado, el complejo de proteínas del Fe - (Mg ATP)2 se
convierte en un reductor poderoso, en donde los electrones son cedidos mediante procesos
metabólicos a un aceptor adecuado que, en el caso del Clostridium es la ferredoxina y, en
Azotobacter, es una flavoproteína llamada flavodoxina. La fuente de electrones en el sistema de la
nitrogenasa modular no es clara. Los procesos metabólicos sirven también para producir ATP a
partir de ADP y Pi. El complejo reducido de proteína de Fe - (Mg ATP)2 con su potencial redox
muy negativo transfiere sus electrones a la proteína de MoFe que, a su vez, reduce el nitrógeno a
amoniaco y los protones a gas hidrogeno. (Erich E. Conn, 1998)
El acetileno es también un sustrato excelente para el complejo de la nitrogenasa. Esta
observación ha permitido crear un micro ensayo ingenioso para la fijación del nitrógeno. Midiendo
la proporción de reducción del acetileno en etileno por una muestra de suelo o agua en
condiciones estándar, puede llevarse a cabo rápidamente un análisis de campo para determinar la
capacidad de esa muestra para fijar el nitrógeno. Esa información proporciona la basa para
evaluar el defecto de diferentes factores ambientales (bacterias y plantas) sobre la fijación del

10. nitrógeno. A su vez, esta información es de gran valor para las prácticas agrícolas. (Erich E.
Conn, 1998)
Ideas para crear plantas fijadoras de nitrógeno.
Mucho se ha escrito sobre los esfuerzos por convertir los cereales en plantas fijadoras de
nitrógeno. Los biólogos moleculares intentan transferir los genes de nitrogenasa (Nif) de
procariontes a células eucariotas, deberán transferir a la célula vegetal los 17 genes Nif y todas las
enzimas que permiten que los sistemas produzcan ATP y los electrones que ayudan a proteger al
sistema de la nitrogenasa de la inhibición por el oxigeno, así como los sistemas necesarios para
formar los nódulos y transportar los iones de molibdeno y hierro. Todos estos factores deben
incorporarse a la planta para que pueda fijar el gas nitrógeno eficazmente, de manera simplificada
el biólogo molecular tendrá que convertir una planta no leguminosa en leguminosa. (Conn, 1998)
Control de la actividad del sistema de la nitrogenasa.
El control se ejerce en dos niveles. El primero o control ordinario consiste en la represión de la
síntesis de la nitrogenasa por el amoniaco. Es bien conocido que en la presencia del amoniaco, la
fijación del nitrógeno cesa rápidamente. Una vez que se acumula un exceso de amoniaco en el
organismo, la síntesis de más nitrogenasa es reprimida, conforme el amoniaco es utilizado por la
célula en crecimiento y cae hasta un nivel bajo, la represión cesa y comienza de nuevo la síntesis
de la enzima en cuestión.
El segundo control o control fino requiere ATP como inhibidor competitivo de la nitrogenasa.
Conforme los niveles de ATP disminuyen y los de ADP aumentan en la célula, esta envía una
señal para que deje de funcionar la actividad de la nitrogenasa, por lo que se utiliza ATP. (Conn,
1998)
Discusión.
La parte ecológica que se muestra radica en que gracias a la capacidad que tienen algunas
plantas para fijar el nitrógeno como es el caso de las leguminosas o de algunos arbustos que
auxiliados de bacterias y microorganismos tal como la Rhizobium en las leguminosas, el suelo se
puede nitrificar o ser utilizado por otros organismos es decir se enriquece y permite el crecimiento
de otros organismos incapaces de fijar el nitrógeno, por lo que gracias a esta fijación se puede
colonizar el suelo de una manera fácil y basta, gracias a esto hay diversidad de alguna forma y
también una parte que afecta a la ecología y tiene que ver con la fijación del nitrógeno es , la

11. fijación no biológica que al ser utilizada para crear potentes fertilizantes y ser estos utilizados la
acidez del suelo aumenta también y ya estamos hablando de una contaminación del suelo y con
ello de un problema ecológico que puede acarrear problemas de nutrición, salud economía etc.
Que la fijación biológica producida por los nódulos de las plantas genera fertilizantes naturales que
no dañan el medio ambiente y esa es una discusión ecológica. Además también entra una parte
social con la actividad de la agricultura pues gracias a estas plantas fijadoras de nitrógeno los
agricultores pueden ahorrarse costosos fertilizantes y ayudar a reducir la contaminación del
planeta y de su propio suelo de producción.
Conclusión.
Pues nuestra conclusión es que los microorganismos son muy importantes ya que sin ellos la
fijación del nitrógeno no sería posible, pues son las bacterias las que propician a tal efecto que es
en gran suma benéfico, además con este trabajo queda claro que no todas las bacterias son
malas que de hecho gracias a ellas y a muchos de los procesos en los que se encuentran
inmiscuidas hay vida en la tierra como la conocemos, además también se denota la importancia de
conocer a los microorganismos e identificarlos; como en este caso que se identifico el factor para
que una planta pudiera ser fijadora de nitrógeno y con ello crear formas de cultivo o biotecnología
que sea de ayuda a las actividades humanas y a la conservación de la ecología.
Bibliografía.
Conn E., et al (1998). Bioquímica fundamental; México: LIMUSA pp 535-546
Burns, Ralph (2003) Química 4ª edición. México: Pearson: Prentice Hall, pag. 577-578
Instituto de Biotecnología. UNAM.(1997) Divulgación. Relación entre respiración y fijación de
nitrógeno Rhizobium phaseoli.recuperado (4 de noviembre de 2011) en:
<<http://www.ibt.unam.mx/server/PRG.base?alterno:0,clase:div,tit:Relación_entre_respiración_y_fi
jación_de_nitrógeno_en_Rhizobium_phaseoli.,tipo:doc,dir:div.capsula17.html,re:mario,edita:jalil,pr
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