El ciclo del nitrógeno en detalle
La paradoja del nitrógeno
El nitrógeno forma parte de las proteínas, los ácidos nucleicos y la clorofila. Sin él no hay vida. Y sin embargo es, casi siempre, el nutriente que más limita el crecimiento de las plantas. La razón es una paradoja preciosa.
La atmósfera es 78 % nitrógeno, en forma de gas N₂. Estamos rodeados de nitrógeno. Pero ese N₂ tiene un triple enlace entre sus dos átomos que es de los enlaces más estables de la química. Romperlo cuesta tanta energía que prácticamente ningún ser vivo puede usar el N₂ directamente. Hay nitrógeno por todas partes y, a la vez, falta nitrógeno aprovechable.
El ciclo del nitrógeno es la historia de cómo unos pocos microorganismos resuelven esa paradoja, meten el nitrógeno en la biosfera, lo transforman en una cadena de formas distintas y, finalmente, lo devuelven a la atmósfera. Casi todos los pasos son exclusivamente microbianos.
Las formas del nitrógeno
Antes de los procesos, conviene fijar el vocabulario. El nitrógeno aparece en distintos estados, del más reducido al más oxidado:
| Forma | Estado | Quién la usa |
|---|---|---|
| N₂ (gas) | Inerte | Casi nadie directamente |
| Amonio (NH₄⁺) | Reducido | Plantas y microbios |
| Nitrito (NO₂⁻) | Intermedio | Tóxico, transitorio |
| Nitrato (NO₃⁻) | Oxidado | Plantas (forma preferida en muchos suelos) |
| N orgánico | En biomasa | Liberado al descomponer |
El ciclo consiste en moverse entre estas formas. Cada flecha del ciclo es una reacción que un grupo de microorganismos sabe hacer.
Paso 1: fijación, la puerta de entrada
La fijación biológica de nitrógeno convierte el N₂ atmosférico inerte en amonio aprovechable. Es la puerta por la que el nitrógeno entra en la vida.
Solo ciertas bacterias y arqueas, llamadas diazótrofos, tienen la maquinaria para hacerlo. Algunas viven libres en el suelo, otras en simbiosis con plantas (como Rhizobium con las leguminosas). Es un proceso tan central y con tanta química detrás que le dedicamos el tutorial siguiente entero.
Por ahora, quédate con la idea: sin fijación, no entra nitrógeno nuevo en el suelo, salvo el que aporta el rayo (mínimo) y, desde hace un siglo, los fertilizantes industriales.
Paso 2: nitrificación, oxidar el amonio
Una vez hay amonio en el suelo (de la fijación, de la descomposición o del fertilizante), un grupo de microorganismos lo oxida para obtener energía. Esto es la nitrificación, y ocurre en dos etapas con protagonistas distintos:
- Oxidación de amonio a nitrito: la hacen las bacterias oxidadoras de amonio (BOA) y, como se descubrió más recientemente, también arqueas oxidadoras de amonio (AOA), que en suelos ácidos y pobres suelen dominar.
- Oxidación de nitrito a nitrato: la hacen las bacterias oxidadoras de nitrito (BON).
Hace poco se descubrieron también bacterias comammox (de complete ammonia oxidation) capaces de hacer las dos etapas ellas solas, lo que reescribió parte del libro de texto.
La nitrificación necesita oxígeno. Ocurre en las zonas aireadas del suelo. Y tiene una consecuencia agronómica enorme: convierte el amonio (que se queda pegado a las arcillas cargadas negativamente) en nitrato, que es soluble y se mueve libremente con el agua. Eso es bueno (las plantas absorben nitrato con facilidad) y malo a la vez.
Paso 3: desnitrificación, la puerta de salida
El nitrato, tan móvil, puede acabar en una zona del suelo sin oxígeno (el interior de un agregado húmedo, un suelo encharcado). Allí, un grupo de bacterias usa el nitrato como sustituto del oxígeno para respirar, reduciéndolo paso a paso:
nitrato (NO₃⁻) → nitrito (NO₂⁻) → óxido nítrico (NO) → óxido nitroso (N₂O) → nitrógeno gas (N₂)
Esto es la desnitrificación, y devuelve el nitrógeno a la atmósfera como N₂, cerrando el ciclo. Es la imagen especular de la fijación: una mete nitrógeno, la otra lo saca.
Dos consecuencias importantes:
- Pérdida de fertilidad: el nitrógeno que se desnitrifica se va a la atmósfera y el cultivo lo pierde. Es una de las grandes vías de pérdida del fertilizante nitrogenado.
- Gas de efecto invernadero: uno de los intermediarios, el óxido nitroso (N₂O), es un gas de efecto invernadero unas 300 veces más potente que el CO₂ y además destruye ozono. La agricultura es la principal fuente humana de N₂O, precisamente por la desnitrificación (y la nitrificación) del exceso de fertilizante. Gestionar bien el nitrógeno es, también, una cuestión climática.
Paso 4: amonificación, reciclar lo orgánico
Cuando un microorganismo, una planta o un animal mueren, su nitrógeno está atrapado en proteínas y ácidos nucleicos (nitrógeno orgánico). La amonificación (o mineralización del nitrógeno) es la descomposición de esa materia orgánica que libera el nitrógeno de vuelta como amonio. La hacen multitud de bacterias y hongos del suelo de forma rutinaria.
Es el paso que reconecta la materia muerta con el ciclo. El amonio liberado puede entonces ser absorbido por una planta, nitrificado a nitrato o reincorporado a la biomasa microbiana.
Inmovilización: el tira y afloja
Aquí aparece un concepto agronómico clave y a veces contraintuitivo: la inmovilización, lo contrario de la mineralización. Cuando los microbios descomponen un material pobre en nitrógeno (paja, restos leñosos, mucha relación carbono/nitrógeno), necesitan más nitrógeno del que el material aporta. Entonces lo toman del suelo, dejando temporalmente menos nitrógeno disponible para las plantas.
Por eso enterrar paja sin compensar con algo de nitrógeno puede provocar una carencia transitoria en el cultivo: los microbios y las plantas compiten por el amonio. El balance entre mineralización (libera N) e inmovilización (lo retira) depende sobre todo de la relación carbono/nitrógeno del material que se descompone. Un compost maduro mineraliza. Una paja fresca inmoviliza.
Asimilación: lo que la planta toma
Al final, la planta absorbe nitrógeno por la raíz, sobre todo como nitrato y amonio. La proporción depende del suelo: en suelos aireados y de pH neutro suele dominar el nitrato. En suelos ácidos o encharcados, el amonio. Una vez dentro, la planta lo incorpora a aminoácidos y proteínas, y el ciclo vuelve a empezar cuando esa planta muere o es consumida.
El ciclo de un vistazo
Juntando todo, el recorrido completo:
- Entra nitrógeno con la fijación (N₂ a amonio).
- El amonio se nitrifica a nitrato (con oxígeno).
- El nitrato se desnitrifica a N₂ y sale (sin oxígeno).
- La materia orgánica se amonifica, devolviendo amonio.
- La inmovilización y la asimilación compiten por las formas disponibles.
Observa de nuevo el papel del oxígeno: la nitrificación lo necesita, la desnitrificación lo evita, y ambas ocurren a la vez en el mismo terrón gracias a los microambientes que vimos en el primer tutorial.
Por qué esto le importa a la agricultura
Cada paso del ciclo es una palanca o un problema en el campo:
- Fijación: la base de los biofertilizantes y de la rotación con leguminosas. Aporta nitrógeno gratis.
- Nitrificación: convierte el amonio retenido en nitrato móvil. Buena para la nutrición, pero el nitrato sobrante se lava hacia los acuíferos (contaminación por nitratos, un problema serio de calidad del agua).
- Desnitrificación: pierde fertilizante y emite N₂O. Se intenta frenar con buen drenaje y con inhibidores de la nitrificación, que mantienen el nitrógeno como amonio más tiempo.
- Mineralización e inmovilización: gobiernan cuándo el nitrógeno de los residuos y el compost queda disponible. Determinan el momento de aportar nitrógeno.
La fertilización nitrogenada moderna es, en el fondo, un intento de pilotar este ciclo microbiano para que el nitrógeno esté en la forma correcta, en el sitio correcto y en el momento correcto, perdiendo lo menos posible. Entenderlo es entender media agronomía.
Ideas para llevarse
- El nitrógeno abunda como N₂ inerte, pero falta en formas aprovechables: esa es la paradoja que el ciclo resuelve.
- Fijación (entrada) y desnitrificación (salida) son las puertas, espejo una de la otra.
- La nitrificación (con oxígeno) convierte amonio retenido en nitrato móvil. La desnitrificación (sin oxígeno) devuelve N₂ y emite N₂O.
- La amonificación recicla el nitrógeno orgánico. La inmovilización lo retira temporalmente según la relación C/N del material.
- Cada paso es una palanca agronómica o un problema ambiental: lavado de nitratos, emisiones de N₂O, momento de fertilizar.
En la siguiente entrega
Has visto el mapa completo del nitrógeno. La siguiente entrega entra en el paso más extraordinario de todos: la fijación biológica. Cómo unas pocas bacterias rompen el triple enlace del N₂ que la industria solo logra con altísima presión y temperatura, y por qué la enzima que lo hace es tan delicada. Lo siguiente.