ciclo biogeoquímico del nitrógeno orientado a la sustentabilidad

Universidad Veracruzana

Facultad de Ingeniera Qumica

Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno orientado a la Sustentabilidad

MONOGRAFA

Que para Acreditar la Experiencia Recepcional del Programa Educativo de Ingeniera

Ambiental

PRESENTA

Alberto Daz Daz

Xalapa, Veracruz Junio 2010

DEDICATORIA

Esta Tesis Monogrfica se la dedico a todas aquellas personas que desconocen su motivacin y la direccin que van tomando sus vidas. Solo djenme decirles que siempre habrn momentos difciles, pero hay que atesorar los momentos buenos que para muchos pueden ser pocos, en este trabajo dejo atrs la persona que fui al entrar a la carrera y acepto a la nueva persona en que me he convertido. Con este trabajo dejo atrs 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 obstculos, para m en lo personal esto apenas es el comienzo de una nueva vida como Ingeniero Ambiental.

Alberto Daz Daz

RESUMEN

Se le conoce como Ciclos Biogeoqumicos a la interaccin de los seres vivos en los ciclos geoqumicos de los distintos elementos en la naturaleza. El ciclo puede contemplarse en distintos elementos: C, O, N, P, S, entre otros, as como los micronutrientes. Estos elementos pueden entrar a formar parte de cadenas trficas y posteriormente de cadenas de degradacin y mineralizacin, con lo que pueden volver al suelo. Las formas orgnicas de los nutrientes no son asimilables por las plantas, por lo que estos procesos de degradacin y mineralizacin resultan imprescindibles para los procesos de nutricin. La fuente ms vasta de Nitrgeno para el ciclo es la atmosfera, en estado molecular (N2) es el gas ms abundante (79.1%). El nitrgeno es un elemento necesario para los organismos ya que ayuda a construir protenas y otras compuestos qumicos del cuerpo humano. A pesar de que existe mucho nitrgeno en el aire, los organismos no pueden usarla directamente. El nitrgeno se vuelve disponible luego de que este ha cambiado a compuestos de nitrgeno. Mucha gente de la comunidad acadmica, no reconoce o no le da la importancia debida al Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno por lo cual cabe realzar su relacin con la Sustentabilidad y conocer el papel que desempea 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 delimitacin del tema para plantear el temario, consultas bibliogrficas, un anlisis de informacin para determinar la relacin entre el ciclo y la sustentabilidad. Finalizando con una discusin y conclusiones. Y as cumpliendo con el objetivo del trabajo el cual es describir el Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno 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 generations 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 nitrgeno puede considerarse, adems del agua y el oxgeno el elemento ms importante para el metabolismo de las plantas, animales y seres humanos, ya que este elemento es esencial para la sntesis de aminocidos y protenas, los cuales forman la estructura bsica de los seres vivos White, R. O, Nilsson-Leissner G. y Trumble, H. C. 1968. Las Leguminosas en la Agricultura. Organizacin de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentacin. Segunda impresin.

INDICE I. Introduccin. 1

I.I. Planteamiento del Problema 2 I.II. Justificacin 3 I.III. Objetivos 3

Captulo I Naturaleza Qumica del Nitrgeno

1. Ciclos Biogeoqumicos 4 1.1 Ciclo del Agua 5 1.2 Ciclo del Oxgeno-Dixido de Carbono 6 1.3 Ciclo del Nitrgeno 7

2. Origen del Nitrgeno 9 2.1 Descubriendo el Ciclo del Nitrgeno 11 2.2 Propiedades Qumicas del Nitrgeno 18 2.3 Compuestos Inorgnicos 18 2.4 Compuestos Orgnicos 19 2.5 Transformacin 21

3. Nitrgeno en el Aire 26 3.1 La Atmsfera 26 3.2 La Bisfera 27 3.3 Nitrgeno en el Aire 27

4. Nitrgeno en el Suelo 32 4.1 Origen 33 4.2 Formas 34 4.3 Dinmica del Nitrgeno en el Suelo 34 4.4 Procesos de Aportacin de Nitrgeno 35

4.4.1 Fijacin de Nitrgeno 35 4.4.2 Fijacin Biolgica de Nitrgeno 36 4.4.3 Rhizobium y la fijacin de nitrgeno 37 4.4.4 Fijacin simbitica de nitrgeno por plantas 37

no leguminosas 4.4.5 Fijacin no simbitica del nitrgeno 38 4.4.6 Fertilizacin de Nitrgeno Mineral y Orgnico 39

4.5 Transformaciones de Nitrgeno en el Suelo 40 4.5.1 Aminificacin y Amonificacin 40 4.5.2 Nitrificacin 41 4.5.3 Desnitrificacin 45 4.5.4 Mineralizacin 48 4.5.5 Inmovilizacin 49 4.5.6 Humificacin 49

4.6 Procesos de prdida de nitrgeno 50 4.6.1 Volatilizacin del amonaco 50 4.6.2 Emisin de xidos de Nitrgeno (N2O, NO) 51

y Nitrgeno Molecular (Nitrificacin y Desnitrificacin)

4.6.3 Lixiviacin 52 4.6.4 Asimilacin y Efecto de Nitrgeno en plantas 52

4.7 Sntomas de deficiencia de nitrgeno en plantas 53 4.8 Fertilizantes Nitrogenados 53 4.9 Importancia de la Relacin C/N 55

5. Nitrgeno en el Agua 57 6. Efecto Invernadero y Cambio Climtico 60

6.1 Qu es el Efecto Invernadero? 61 6.2 Cmo ocurre el Cambio Climtico? 61 6.3 Factores Ambientales y Efectos 63

Sobre el Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno

Captulo II El Nitrgeno orientado al Factor Ambiente en la Sustentabilidad

7. Sustentabilidad 66 8. Factor Ambiente en la Sustentabilidad 73

8.1 Contaminacin del Aire 73 8.2 Contaminacin del Suelo y Agua 76

Captulo III El Nitrgeno orientado al Factor Desarrollo Social y Econmico 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 Econmico 85 10.1 Consideraciones Econmicas 86

10.1.1 Perspectiva de los Combustible Fsiles 86 10.1.2 Fertilizantes 87 10.1.3 Influencia del Nitrgeno en 92

la Agricultura e el Sistema de Manejo de Caf Orgnico en le Unin Ejidos Majomut, regin de los altos de Chiapas

10.1.4 Abonos Orgnicos 94 10.1.5 Impacto en la Economa por la 99

Produccin de estupefacientes

Captulo IV El Nitrgeno orientado al Factor Salud en la Sustentabilidad

11.Importancia del Nitrgeno en la Vida 103 12.Salud 105

12.1 Ingesta Diaria Recomendada (IDR) 105 12.2 Digestibilidad 114 12.3 Consumo Excesivo de Protenas 114 12.4 Desnutricin 115

13.Efectos del Nitrgeno Ambiental sobre la Salud 117 13.1 xidos Nitrosos 117 13.2 Nitratos y Nitritos 118 13.3 Nitrosaminas 120

14.Consumo Drogas-Salud 121 14.1 Clasificacin de Drogas 124 14.2 Farmacodependencia 125 14.3 Tratamiento 126

Discusin 129

Conclusiones 134

Bibliografa 137

INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Propiedades del Nitrgeno ------------------------------- XVIII Tabla 2 Composicin del Aire ------------------------------- XXVII Tabla 3 - Plantas No Leguminosas que forman ndulos ------------------------------- XXXVIII

Tabla 4 Bacterias Desnitrificadoras ------------------------------- XLVI Tabla 5- Composicin Gases Ocano ------------------------------- 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 produccin de diversos

------------------------------- LXXXV

Tabla 9 Produccin y Comercio Exterior de Amonaco en Mxico 1900-2007

------------------------------- XC

Tabla 10 Costos de Produccin Total y Fertilizacin en el Cultivo de Maz

------------------------------- XCI

Tabla 11 Fertilizacin y Eficiencia en el Uso de Nutrientes en el Cultivo de Maz

------------------------------- XCII

Tabla 12 - Balance de Nutrientes en cafetales bajo diferentes sistemas de manejo en la Unin Majomut

------------------------------- XCIII

Tabla 13 - Principales Alcaloides en el Comercio ------------------------------- C

Tabla 14 - Estimaciones de Requerimientos de Aminocidos ------------------------------- CVI

Tabla 15 - Ingestas Diarias Recomendadas de Protena ------------------------------- CVII

Tabla 16 - Patrones de Requerimiento de aminocidos comparados con la composicin de protenas de alta calidad en la Dieta Estadounidense

------------------------------- CVIII

Tabla 17 - Comparativa de Requerimientos Diarios de Aminocidos Esenciales para Infantes de 3 a 4 meses de Edad

------------------------------- CIX

Tabla 18 - Comparativa de Requerimientos Diarios de Aminocidos Esenciales para Nios de 2 aos de Edad

------------------------------- CX

Tabla 19 - Comparativa de Requerimientos Diarios de Aminocidos Esenciales para Nios de 10 a 12 aos

------------------------------- CXI

Tabla 20 - Comparativa de Requerimientos Diarios de Aminocidos Esenciales para Adultos

------------------------------- CXII

INDICE DE FIGURAS

Figura 1 Ciclo del Agua -------------------------------------- V

Figura 2 Ciclo del Carbono -------------------------------------- VII

Figura 3 Ciclo del Nitrgeno -------------------------------------- IX Figura 4 Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno -------------------------------------- XVII

Figura 5 Humificacin -------------------------------------- XXVI

Figura 6 Capas de la Atmsfera -------------------------------------- XXVIII

Figura 7 Relacin Carbono/Nitrgeno -------------------------------------- LVI

Figura 8 Ciclo del Nitrgeno Ocano -------------------------------------- LIX

Figura 9 - Esquema General del MESMIS: Relacin entre atributos e indicadores

-------------------------------------- LXXI

Figura 10 - El Ciclo de Evaluacin en el MESMIS -------------------------------------- LXXII

Figura 11 Produccin Mundial de Fertilizantes 2002-2007 -------------------------------------- LXXXVII

Figura 12 Consumo Mundial de Fertilizantes 2002-2009 -------------------------------------- LXXXVIII

Figura 13 Produccin Total de Fertilizantes en Mxico 1980-2007

-------------------------------------- LXXXIX

Figura 14 Costo de Fertilizacin por Tonelada Producida de Maz 2007

-------------------------------------- XCI

Figura 15 Formacin de Methemoglobina -------------------------------------- LXIX

Figura 16 Sustentabilidad del Nitrgeno -------------------------------------- CXXXI

INTRODUCCIN

I. INTRODUCCIN

La visin global que aplica el estudio de los ciclos biogeoqumicos de los elementos, en este caso del nitrgeno, ha permitido no solo conocer el tema en el enfoque que da una experiencia educativa, sino que se extiende a la comprensin de la realidad como una interaccin de fenmenos simultneos. En otras palabras, respirar, comer, producir, trabajar y aun vivir con salud son una consecuencia de la aplicacin de esas interacciones donde el nitrgeno toma el centro de este universo.

Pudiera parecer exagerado esta descripcin, sin embargo, quin sepa del tema podr dar testimonio de que, gracias a la atmsfera, con el nitrgeno gaseoso, se puede fijar en la tierra por minsculos seres para que las plantas crezcan con hojas verdes y de ah inicie la cadena alimenticia. Una poblacin bien alimentada esta en posibilidad de ser culta.

La sustentabilidad pudiera parecer utpica, 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 identificacin que tuve con el tema, la aplicacin y la practicidad me ha permitido ver el gas inerte azoe (sin vida) en proteus (ser el primero) y relacionarlo con la produccin de alimentos por la agricultura, la produccin de fertilizantes por la industria, la alimentacin vegetal, animal y humana en la ecologa, la nutricin en la salud y aun el imperio econmico de los estupefacientes donde los alcaloides lo son por el nitrgeno 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 biogeoqumico del nitrgeno cuando se orienta a la sustentabilidad.

La visin 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 Biogeoqumico del Nitrgeno ha cautivado mi inters 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 atrado de la misma manera que lo hizo este trabajo. El simple hecho de poner tu empeo en algo que sientes que es tuyo, y que por responsabilidad propia debes de trabajar, logra que uno realice sus objetivos. El mo es describir el ciclo biogeoqumico del nitrgeno y relacionar los aspectos que tienden a la

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INTRODUCCIN

sustentabilidad, todo de una manera entendible y concreta, porque me he empeado en que este trabajo tenga un valor acadmico apreciable con el fin de cambiar la forma de pensar de la comunidad universitaria, as sea solo aquellos estudiantes que por curiosidad quisieran conocer un poco ms del tema.

I.I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Existe un desconocimiento del Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno en sus diferentes ciclos y su impacto sobre la sustentabilidad.

I.II JUSTIFICACIN

La disponibilidad biolgica del nitrgeno es fundamental para la vida porque este elemento constituye una de los principales nutrientes de los vegetales, adems, es el principal constituyente de las protenas y los cidos nucleicos, por lo que resulta bsico para cualquier ser vivo. Aunque el nitrgeno sea esencial para la vida existen ciertos factores que en concentraciones diferentes pueden alterar el Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno como la variacin de temperatura, el pH, potencial de oxidacin y las interacciones con sus formas orgnicas e inorgnicas. Por lo que repercute en el medio y los organismos que viven dentro de este a travs de la cadena trfica. Lo cual destaca su importancia adems de que no se conoce ni se ha analizado su impacto en la sustentabilidad.

I.III. OBJETIVOS

General Describir el Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno y relacionar los aspectos que tienden a la sustentabilidad. Especficos

- Describir el Ciclo del Nitrgeno en los aspectos qumico, biolgicos. - Describir la influencia del nitrgeno en los aspectos ambientales (cambio

climtico). - Relacionar los aspectos qumicos, biolgicos y ambientales con la

sustentabilidad.

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CAPTULO I

NATURALEZA QUMICA DEL NITRGENO

CAPTULO I NATURALEZA QUMICA DEL NITRGENO

1. Ciclos Biogeoqumicos

Se le conoce como Ciclos Biogeoqumicos a la intervencin de los seres vivos en los ciclos geoqumicos de los distintos elementos en la naturaleza. El ciclo puede contemplarse en distintos elementos: C, O, N, P, S, entro otros, as como los micronutrientes. Estos elementos pueden entrar a formar parte de cadenas trficas y posteriormente de cadenas de degradacin y mineralizacin, con lo que pueden volver al suelo. Las formas orgnicas de los nutrientes no son asimilables por las plantas, por lo que estos procesos de degradacin y mineralizacin resultan imprescindibles para los procesos de nutricin. (Porta, J. et al. 1994)

Los ciclos biogeoqumicos representan un complejo sistema que conectan los procesos biolgicos, geolgicos, qumicos y fsicos, y sirven como modelo para comprender las interacciones entre la biosfera, atmsfera, geosfera e hidrosfera, todo ello mediado con una combinacin de fenmenos cclicos en unos casos lineales y en otros reversibles e irreversibles. (Maldonado et al., 2007)

Una caracterstica de los ciclos biogeoqumicos 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.)

Aqu posteriormente se hace mencin del ciclo del agua, el ciclo del oxgeno-dixido de carbono y el ciclo del nitrgeno. Esto debido a que el agua (H2O), el oxgeno (O), el dixido de carbono (CO2) y el Nitrgeno (N) jerrquicamente son los principales componentes necesarios para que exista vida en el planeta.

El nitrgeno es muy significativo, porque despus del Carbono, Hidrgeno, y el Oxgeno, ningn otro elemento est tan ntimamente asociado con las reacciones llevadas a cabo por organismos vivos. (Stevenson et al., 1999.)

Y como el Nitrgeno es un factor limitante ms frecuente en la produccin del suelo solo se hace mencin de ella y no del resto de los ciclos minerales.

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1.1. Ciclo del Agua

Todos los organismos vivos necesitan agua. El agua se mueve continuamente a travs del planeta por medio de un ciclo hidrolgico, por lo que molculas de H2O que fluyeron alguna vez en el Ro Amazonas podran formar parte de la lluvia en la localidad donde vivimos, es ms, incluso podramos estar tomando agua que una vez existi como nieve en el Himalaya.

En la Figura 1 se presentan las vas por la cuales pasa el agua entre la tierra y la atmsfera. La energa del sol transforma el agua de lquido a gas a travs del proceso llamado evaporacin. Una vez en estado gaseoso al agua se le conoce como vapor. El vapor se genera a partir de cuerpos de agua como los ocanos, ros y lagos. El agua tambin se puede evaporar del suelo, planta mojadas por el roco e incluso del cuerpo de los animales.

Figura 1 Ciclo del Agua

Dispezio et. al., 1996

El vapor de agua se contiene en la atmsfera. La cantidad de vapor de agua que puede soportar el aire depende de su temperatura. Cuando la temperatura de la atmsfera se enfra, el vapor cambia a su estado lquido por el proceso de condensacin. El agua condensada se puede ver en forma de nubes, vapor y niebla que eventualmente cae hacia la tierra a travs de la precipitacin. La precipitacin se manifiesta en forma de lluvia, nieve, granizo y aguanieve.

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La mayora de la precipitacin 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 travs de l e incorporarse a aguas subterrneas. Las aguas subterrneas 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 ms.

Los seres vivos tambin 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 respiracin y excrecin. (Dispezio et al., 1996)

1.2. Ciclo del Oxgeno-Dixido de Carbono

Los seres vivos formamos parte de este ciclo ya que cuando uno respira y exhala uno contribuye al ciclo del oxgeno-dixido de carbono. Al inhalar tomamos el oxgeno contenido en el aire, pero cuando exhalamos liberamos dixido de carbono de vuelta a la atmsfera.

En la Figura 2 se puede observar que durante los procesos de fotosntesis las plantas absorben dixido de carbono en el aire y liberan oxgeno a ella. Las plantas son la fuente principal de oxgeno en la atmsfera de la tierra.

Existe ms que suficiente oxgeno disponible a nivel terrestre pero el oxgeno se vuelve escaso a mayores altitudes. Esto ocurre tambin a la inversa ya que el oxgeno tambin es escaso a bajas profundidades del suelo y en suelos saturados de agua.

La mayora de los organismos usan el oxgeno del aire para el proceso de respiracin durante el cual la comida se descompone. Por lo que gracias a ella los organismos obtienen su energa a travs de la respiracin y liberan dixido de carbono como producto de este proceso.

Otra manera en la cual el dixido de carbono entra a la atmosfera y se vuelve parte del ciclo es por la descomposicin de organismos muertos que contienen compuestos de carbono. Cuando estos organismos rompen los tejidos de organismos muertos, estos liberan dixido de carbono al aire.

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Figura 2 Ciclo del Carbono


Algunas veces los cuerpos de organismos muertos no se descomponen. Y en el transcurso de millones de aos, estos cuerpos son comprimidos bajo suelo y son finalmente transformados en petrleo, carbn y gas. Debido a que el ser humano usa estos combustibles fsiles para satisfacer sus necesidades energticas, formamos parte esencial en este ciclo ya que el producto de combustin de estos combustibles genera emisiones de CO2. Esta actividad antropognica es un arma de doble filo debido a que por un lado usamos estos combustibles fsiles con fines energticos en nuestra vida cotidiana, pero devolvemos a la atmsfera 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 Nitrgeno

La fuente ms vasta de Nitrgeno para el ciclo es la atmosfera, en estado molecular (N2) es el gas ms abundante (79.1%). El nitrgeno es un elemento necesario para los organismos ya que ayuda a construir protenas y otras sustancias qumicas del cuerpo. A pesar de que existe mucho nitrgeno en el aire, los organismos no pueden usarla directamente. El nitrgeno se vuelve disponible luego de que este ha cambiado a compuestos de nitrgeno como nitritos y nitratos. (Dispezio, M. et al. 1996)

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A pesar de que se considera una secuencia de reacciones de tomos individuales de Nitrgeno, no existe un ciclo de nitrgeno en la naturaleza para un solo tomo de nitrgeno. En realidad, cualquier tomo de Nitrgeno pasa de una forma a otra a travs de movimientos irregulares y aleatorios. Adems, el suelo contiene un ciclo interno que se distingue de otros ciclos de Nitrgeno que interaccionan con l. Una caracterstica especial de este ciclo interno es la reversibilidad del Nitrgeno a travs de la mineralizacin realizada por microorganismos y la fauna del suelo y la inmovilizacin llevada a cabo por microorganismos. (Stevenson et al., 1999.) El proceso en el cual se transforma el nitrgeno atmosfrico a compuestos disponibles se le conoce como fijacin. La fijacin de nitrgeno es una parte esencial del ciclo del nitrgeno; sin ella, el nitrgeno no podra ser usado por los organismos vivos. El nitrgeno es fijado por accin de relmpagos o bacterias. Algunas de las bacterias que fijan el nitrgeno viven libremente dentro del suelo y otras viven en los ndulos de las races 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 fijacin de nitrgeno en los ecosistemas. Frijoles, guisantes, trboles y las semillas de soja son ejemplos de leguminosas. Cuando las leguminosas son plantadas, las bacterias en los ndulos proveen de nitrgeno para su crecimiento. (Dispezio et al., 1996)

Las ganancias de Nitrgeno en el suelo se obtienen por fijacin microbiana del N2 molecular y por adicin de amoniaco (NH3), nitrato (NO3-), y nitrito (NO2-) en el agua de lluvia, las perdidas ocurren por la remocin de cultivos, sobre explotacin y su volatilizacin. La fijacin biolgica de N2 lo convierte a formas combinadas (NH3 y nitrgeno orgnico); este proceso es realizado por cianobacterias o por asociaciones de planta-bacteria con estos organismos. La formas orgnicas de Nitrgeno, por otro lado, son convertidos a NH3 Y NO3- por mineralizacin. La conversin de nitrgeno orgnico a NH3 se le llama Amonificacin; la oxidacin de NH3 a NO3- se llama nitrificacin. El uso de NH3 Y NO3- por plantas y organismos del suelo constituye la asimilacin e inmovilizacin, respectivamente. El nitrgeno (como NO3- o NO2-) es finalmente regresado a la atmosfera como N2 molecular por desnitrificacin comnmente, as completando el ciclo. (Stevenson et al., 1999.) En la Figura 3 se puede ver que las bacterias fijadoras de nitrgeno transforman el nitrgeno gaseoso en el suelo a compuestos de nitrgeno. Las plantas usan estos compuestos para producir protenas la cuales necesitan para su crecimiento. Cuando los animales consumen plantas, las protenas son pasadas a travs de las cadenas y redes alimenticias de los organismos. Cuando los organismos mueren o liberan desperdicios, las bacterias transforman estas protenas a un compuesto de nitrgeno conocido como amonaco. Las bacterias llamadas desnitrificadoras luego rompen los enlaces

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de amonaco y otros compuestos de nitrgeno para transformarlos en nitrgeno gaseoso. (Dispezio et al., 1996)

Figura 3 Ciclo del Nitrgeno


2. Origen del Nitrgeno

Para empezar, qu es el nitrgeno?, la Real Academia Espaola dice que el Nitrgeno es un elemento qumico designado con el Smbolo N de nmero atmico 7. El cual es un gas abundante en la corteza terrestre, que constituye las cuatro quintas partes del aire atmosfrico en su forma molecular N2, y est presente en todos los seres vivos. Este es inerte, incoloro, inodoro e inspido y que se licua a muy baja temperatura.

Al nitrgeno se le conoca antes como zoe o Azote, es una expresin empleada por Antoine Laurent Lavoisier para designar al nitrgeno. Son voces de vida efmera en espaol, ya que bastantes aos antes de cumplir un siglo de su existencia, fueron reemplazadas por el trmino nitrgeno, aunque a lo largo del siglo XIX mantuvieron un uso frecuente como voces sinnimas en numerosos textos divulgativos y didcticos, comprobados en el banco de datos CORDE, de la Real Academia Espaola. (Gmez, J. 2008.)

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En la edicin de 1817 del Diccionario de la Lengua Castellana se encuentra la palabra azoe con la marca de la qumica, pero, adems, en esta misma edicin los acadmicos tambin citan la palabra azote sin definicin y con una remisin a azoe. En las dos ediciones siguientes permanecern invariables estas dos entradas, hasta que en la de 1832 se revisa la definicin, con la que permanecer hasta 1884, cuando ingreso el trmino nitrgeno se elimin la definicin de zoe y consecuentemente al mismo tiempo desaparece definitivamente azote del diccionario acadmico, y hoy en da permanece la entrada zoe, nicamente con una remisin a nitrgeno. A continuacin se enuncian las definiciones que posea la palabra zoe en 1817 y 1832. (Gmez, J. 2008.)

Real Academia Espaola (1817): Diccionario de la lengua castellana, 5. ed. Madrid: Imprenta Real.

Azoe. S.m. Qum. Sustancia simple que unida al calrico la materia del calor se reduce fluido aeriforme gas azoe, en el cual no pueden vivir los animales ni quemarse ningn cuerpo, y forma la parte no respirable que en cantidad de ms de setenta por ciento se encuentra en el aire atmosfrico.

Real Academia Espaola (1832): Diccionario de la lengua castellana, 7. ed. Madrid: Imprenta Real.

zoe. M. Qum. Sustancia simple, aeriforme, en la cual no pueden vivir los animales, ni quemarse ningn cuerpo, y es uno de los principios constitutivos del aire, de las sustancias animales y de otros cuerpos.

El Nitrgeno fue descubierto en el ao de 1772 por Daniel Rutherford. Aunque existe mucha polmica sobre su descubrimiento debido a que en la misma poca Carlos Guillermo Scheele y Jos Prestley llevaron a cabo experimentos que conducan al descubrimiento de este. Pero, fue Rutherford el primero en publicar tal hallazgo en su tesis doctoral de la Escuela Mdica de Edimburgo dentro de su trabajo sobre El Aire Fijo y el Mefstico, en el cual indicaba la preparacin y aislamiento del nitrgeno del aire. Rutherford naci en Edimburgo, Inglaterra el 3 de Noviembre de 1749. Estudio medicina, gradundose en el ao de 1772. Sus trabajos qumicos fueron sobre la composicin qumica del aire. Y fue profesor de Botnica en Edimburgo y Presidente del Real Colegio de Mdicos de dicha ciudad, se dedic principalmente a la medicina. Y muri en el ao 1819. (Blas, 1947.) Actualmente la fuente original de nitrgeno combinado en suelos y sedimentos proviene del nitrgeno atmosfrico donde se encuentra en forma de N2 en un

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79.1% del volumen total. Aunque existe la incgnita del origen de este nitrgeno y como llego a nuestra atmsfera, una teora bastante popular propone como surgi. Esta teora dice que el planeta fue formado por la unin de partculas solidas llamadas planetismales y que la atmsfera se formo por la emisin gradual de gases desde el interior del planeta a causa del calor generado por la compresin, la descomposicin de elementos radioactivos y posiblemente otros procesos exotrmicos. Los vapores y gases fueron emitidos desde el interior del planeta a travs de la evaporacin a medida que aumentaba la temperatura. Luego este se enfri y los vapores se condensaron a en su exterior formando ocanos. El nitrgeno, que probablemente consista principalmente de amonaco (NH3), fue liberado en grandes cantidades durante las etapas tempranas de los tiempos geolgicos, y este proceso contina hasta el da de hoy. El oxgeno molecular (O2) de la atmsfera fue probablemente originado a travs de la fotosntesis, incluyendo por disociaciones fotoqumicas de vapor de agua en la atmosfera. A medida que la atmsfera se enriqueca de O2, el nitrgeno en formado de NH3 se oxidaba a nitrgeno molecular (N2). Otras aportaciones de nitrgeno se han hecho a la atmosfera a travs de los tiempos geolgicos por volatilizacin de compuestos de nitrgeno de meteoritos cuando entran a la atmsfera del planeta. (Stevenson et al., 1999)

2.1. Descubriendo el Ciclo del Nitrgeno

El Descubrimiento del Ciclo del Nitrgeno no es algo que se le puede acreditar a una sola persona, ya que fue el conjunto de descubrimientos lo que dio origen al Nitrgeno como un ciclo. En si el rol que desempean los microorganismos dentro del ciclo del nitrgeno no fue completamente comprendido hasta las tres ltimas dcadas del siglo IX. Lo ms curioso es que el cientfico que merece el crdito particular por emprender el estudio sistemtico de las interacciones entre las plantas y su entorno mantuvo algunas creencias errneas que atraso el entendimiento del ciclo del nitrgeno.

Fue Justus Von Liebig quien reconoci el lugar peculiar del nitrgeno e identific a la atmsfera como su fuente pero l crea que las plantas obtenan el nutriente del amonaco a partir de la precipitacin. Su modelo era errneo debido a que no daba lugar a las inmensas fuentes de almacenamiento de nitrgeno aportadas por las bacterias, pero su teora sobre que las plantas toman todo su nitrgeno de la atmsfera y el beneficio de la aplicacin de fertilizantes minerales, provoc la serie mundial ms larga de experimentos en plantas.

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En 1843 John Bennet Lawes comenz 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 nitrgeno por cultivar plantas leguminosas. (Smil, 1996)

Por otro lado elementos minerales obviamente no pueden ser provedos por la atmosfera, as que Liebig se convenci de que su provisin es un reto crtico 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 l pensaba que los rendimientos estaban directamente relacionados a la cantidad de un nutriente limitante presente en un campo pero dcadas de investigacin ardua demostraron que la relacin es comnmente no tan simple, y que el vinculo es entre la barbecha y lo actualmente asimilado, en lugar de los nutrientes disponibles.

La verdadera comprensin sobre como la plantas obtenan su nitrgeno comenz a descifrarse cuando Alphonse Schloesing, un joven qumico francs dirigi su atencin hacia las nitrificaciones, la conversin de amonaco a nitrato. Este fue el primer proceso del ciclo del nitrgeno que pudo ser explicado por un experimento claro. Esta reaccin qumica es de alta importancia para todas las plantas: el nitrato es mucho ms soluble que el amonaco debido a que la raz puede absorberla mucho ms fcilmente 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 diseo un experimento convincente que probaba los orgenes bacterianos de la nitrificacin. Filtro aguas residuales durante unos das a travs de un tubo lleno de arena y gis; y como se esperaba todo el amonaco en las aguas residuales fueron transformadas en nitrato. Aadiendo cloroformo contrarresto la reaccin, 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 inici al proceso nuevamente. Pero fue en 1889 cuando un microbilogo Ruso llamado Sergei Nikolaevich Vinogradsky logr aislar dos nitrificadores fundamentales, las Nitrosomonas y los Nitrobacter en un cultivo puro.

Los cientficos descubrieron otros dos vnculos microbianos dentro del ciclo del nitrgeno durante los aos de 1880. Durante varios siglos cultivadores haban enfatizado los beneficios de la alfalfa, vezas, chicharos, lentejas, y otras plantas leguminosas: la inclusin de las plantas en las rotaciones contribuy a

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aumentar los rendimientos de los prximos cultivos a sembrar. En 1838 Boussingault dedujo la razn. Luego de sembrar trboles en arena esterilizada, el cual no poda ser una fuente de nitrgeno, el atribuyo correctamente los beneficios de plantas leguminosas por su habilidad de fijar nitrgeno atmosfrico - eso se refiere a convertir N2 a NH3, el cual las plantas pueden usar para su crecimiento. Pero el cmo las leguminosas lograban hacer esta transformacin? Permaneca desconocido. (Smil, 1996)

En 1861 una serie extensiva de experimentos fueron realizados en Rothamsted en relacin al asunto. Fallaron en demostrar una diferencia substancial entre especies leguminosas y no leguminosas cuando ambas fueron cultivadas en suelos estriles y abastecidas de de agua y aire puro: ambas plantas se desarrollaron pobremente, y ninguna pudo asimilar el nitrgeno atmosfrico. Pero bajo condiciones de campo las plantas leguminosas demostraron una gran capacidad de adquisicin de nitrgeno.

A finales de 1870 inclusive con la publicacin de experimentos que asociaban microorganismos con la nitrificacin, nadie sugiri que las bacterias tambin podran ser responsables de la fijacin del nitrgeno. Hasta que un gran fisilogo Americano conocido como Wilbur Atwater intento resolver el rompecabezas mediante sus experimentos con chicharos durante los aos de 1880. El slo logro confirmar la obtencin inexplicable de nitrgeno que otros ya haban observado. Pero el concluy a diferencia de los dems que las plantas mismas deben ser factores en la adquisicin.

La primera pista sobre la solucin a esta incgnita ocurri en 1886 cuando Marcellin Berthelot, un destacado qumico francs reporto fijaciones directas de nitrgeno atmosfrico en suelos arcillosos: al parecer algo en el suelo en lugar de las plantas debi haber llevado a cabo la fijacin del nitrgeno. Pero entonces porqu las leguminosas son mucho mejores fijadores de nitrgeno? La primera respuesta de este elusivo proceso no apareci hasta que un ao despus Hermann Hellriegel, un qumico agricultor ley un artculo describiendo su trabajo ms reciente a la Sociedad Alemana de Ciencias Naturales y Medicina en Berln.

Hellriegel se enfoc en el los ndulos fcilmente visibles en races de leguminosas. El saba que estos ndulos contenan organismos vivos: durante las dos dcadas precedentes una variedad de cientficos ya haban notado su presencia, los describan 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, compar el peso promedio

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de semillas y residuos de cosechas (cereal, paja y vid leguminosa). Con esto descubri que los rendimientos de avena dependen directamente de la cantidad de nutrientes en el suelo pero los rendimientos de guisantes no dependan 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 ndulos de la races se encontraban presentes.

Dos aos despus Hellriegel public descubrimientos detallados. Los siete puntos formulados en su conclusin son fundamentalmente correctas a como estaban en 1888: las Leguminosas se comportan de manera diferente en la obtencin de nitrgeno a diferencia de otras familias de plantas: todas las plantas no leguminosas solo adquieren su nitrgeno del almacenamiento del suelo; las leguminosas tambin asimilan nitrgeno del suelo pero ellos poseen una fuente adicional; esta fuente secundaria es el nitrgeno atmosfrico; las plantas no son capaces de asimilarlas por s mismas y solo pueden lograrlo con la participacin de microorganismos; la mera presencia de microbios en el suelo no es suficiente, tipos especficos de bacterias deben comenzar a vivir simbiticamente con las plantas (dentro de los ndulos de las races); y los ndulos de las races no son simplemente depsitos de protenas, sino son esenciales en la asimilacin de nitrgeno.

Los hallazgos de Hellriegel fueron verificados rpidamente en Europa y los Estados Unidos. Una especie de Rhizobium que es un gran grupo bacteriano que es virtualmente responsable de la fijacin simbitica en prcticamente todas las leguminosas, esta fue aislada por primera vez de los ndulos de los guisantes en 1888 por Martinus Beijerinck, un microbilogo holands que luego hizo muchas investigaciones innovadoras en la ciudad de Van Leeuwenhoek llamado Delft. Solo un ao ms tarde, en 1889, Albert Frank, un bilogo alemn, reporto el primer caso de fijacin de nitrgeno asociado con las cianobacterias, a pesar de todo curiosamente, la habilidad de estos organismos para fijar nitrgeno fue demostrada claramente hasta el ao de 1928.

Las Cianobacterias eran tradicionalmente clasificadas como algas verde-azules, una designacin que reflejaba correctamente la presencia de pigmentos adicionales que daban tonos azules. Las Cianobacterias son funcionalmente muy similares a las algas: ellas tambin pueden convertir la radiacin solar en energa qumica con ayuda de la excitacin de la clorofila e inclusive producen oxgeno. Pero su estructura celular es de una bacteria fotosinttica: sobre todo carecen de un ncleo, y comparten con las bacterias otras caractersticas que las distinguen de clulas eucarioticas (planta y animal). Las Cianobacterias son comunes en ambas aguas dulces, aguas saladas y suelos, y muchas especies son simbiticas con hongos (formando lquenes), musgos y otras plantas

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superiores. La mayora vive como clulas esfricas 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 nitrgeno en campos de arroz en Asia; Anabaena simbitica fueron encontrados viviendo en cavidades de hojuelas de las comunes algas Azolla que flotan libremente, este es hasta el momento el fijador natural ms importante de nitrgeno en arrozales de Asia. Desde entonces hemos apreciado a las cianobacterias en ambas formas de vida libres y simbiticas, adems son los mayores aportadores del nutriente en pastizales y tierras de cultivo secos. (Smil, 1996)

El vinculo faltante en el intrnseco ciclo microbiano el regreso del elemento a su vasta fuente atmosfrica tambin fue identificada durante los aos posteriores en 1880, en un comprensivo reporte pionero publicado en 1886, el mismo ao en el que Hellriegel realiz sus presentaciones en Berln. Despus de una serie de experimentos habilidosamente planeados y realizados, Ulysse Gayon, un microbilogo francs, y sus asistentes tuvieron xito en aislar cultivos puros de dos bacterias que podan reducir los nitratos a nitritos (NO2-

). Gayon nombr este proceso como desnitrificacin; la desnitrificacin acta sobre nitratos producidos por bacterias nitrificadoras en suelos o depsitos en las lluvias. Esta reduccin comienza a regresar el nitrgeno en forma de nitratos a la atmsfera, aunque usualmente el proceso no termina con la produccin de nitratos, sino que contina hasta la produccin de N2. A contrario de la nitrificacin la cual depende en solo unos cuantos generos de bacterias, la desnitrificacin puede ser llevada a cabo por una gran variedad de bacteria. Todas capaces de usar el oxgeno contenido dentro del NO3- para su respiracin a medida de que se alimentan de substratos orgnicos de diversos tipos. Pseudomonas, Bacillus, y Alcaligenes son los ms comunes dentro de los gneros desnitrificadoras.

El descubrimiento de Gayon cerr literalmente el ciclo biosfrico del nitrgeno. La fijacin mueve el nitrgeno atmosfrico de N2 a NH3, la nitrificacin transforma el NH3 a NO3-. Las plantas pueden asimilar ambos compuestos, pero prefieren el segundo. La descomposicin enzimtica (amonificacin) mueve el nitrgeno contenido en las protenas, cidos nucleicos, y otras substancias con nitrgeno a NH3; luego, una vez ms, las bacterias nitrificadoras oxidizan el NH3 a NO3-. La desnitrificacin devuelve el elemento del NO3- al reservorio atmosfrico de N2, por lo que es la contraparte de la fijacin.

Dada la importancia de la fijacin bacteriana de nitrgeno (conocidos mas formalmente como diazotrofos), no es sorpresa que una gran cantidad de

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investigacin se centr en su distribucin, ecologa y la bioqumica. No solo las plantas leguminosas juegan un papel de anfitriones a diazotrofos, y no todos los diazotrofos simbiticos son Rhizobium. Para el ao de 1930 la literatura microbiolgica contena las descripciones de un gran nmero 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 haba crecido tanto que inclua ms de 200 especies de plantas y ms de 20 gneros, con aliso rojo, casuarinas tropicales, el acebuche se encuentran entre las plantas ms benficas. (Smil, 1996)

A finales de los 1960 llego otro importante descubrimiento. Un grupo de investigadores brasileos, liderados por Johanna Dobereiner, encontraron asociaciones entre diazotrofos salvajes (Azospirillum, Azotobacter, Enterobacter) y las races de algunos pastos tropicales. A diferencia de la rhizobia simbitica, las cuales forman ndulos muy visibles en las races que interaccionan directamente con los productos metablicos de sus anfitriones, estas bacterias participan en interacciones ms sutiles con plantas. Viven dispersados sobre y cerca de las races de plantas, compitiendo por exudados de raz con otros microbios y transfiriendo directamente nitrgeno fijado a las races, pero con una eficiencia mucho inferior que los rhizobia. Asociaciones similares fueron luego descubiertas en el maz y la caa de azcar.

Luego dos descubrimientos hechos durante los aos 1970 cambiaron totalmente nuestro entendimiento sobre la rhizobia. Hasta ese tiempo se saba que formaban simbiosis solo con especies leguminosas pero en 1973 llego la primera identificacin de Rhizobium simbitico con una planta no leguminosa (Bradyrhizobium nodulando la Parasponia, un rbol Javans). El segundo descubrimiento no fue menos sorprendente. Por un siglo se pens que todas las rhizobias dependan del carbn 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 atmosfrico directamente. (Smil, 1996)

En la Figura 4 se puede observar como todas las aportaciones en el descubrimiento del Ciclo del Nitrgeno se unen unas con otras y originan los esquemas del Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno que conocemos en los libros de texto hoy en da.

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Figura 4 Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno

Porta et. al., 1994

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2.2. Propiedades Qumicas del Nitrgeno

En la Tabla 1 se encuentran todas las propiedades fsicas y qumicas del Nitrgeno como elemento.

Tabla 1 Propiedades del Nitrgeno

Nitrgeno Formula Molecular N2

No. Atmico 7 Peso Atmico 14.01

Valencia 1,2,3,4,5 Apariencia a Temperatura Ambiente Gas incoloro

Punto de Fusin, C -210 Punto de Ebullicin, C -196

Energa de ionizacin, eV/tomo 14.5 Energa de ionizacin , kJ/mol 1400

Radio Covalente, A 0.75 Radio Inico (E3-), A 1.71 Radio Inico, (E5+), A 0.11 Estructura Electrnica 2,5

Electronegatividad 3.0 Densidad g/L (0C, 1 atm) 1.251

Densidad Gas g/L (aire = 1.00) 0.96737 Densidad Lquido g/L 0.804 Densidad Slido g/L 1.0265

Keenan et. al., 1999 Irwing et. al., 1992

2.3. Compuestos Inorgnicos

El nitrgeno puede encontrarse en las siguientes formas inorgnicas:

- Nitruros

El nitrgeno elemental reacciona con varios metales a elevadas temperaturas para formar nitruros. Estos pueden ser nitruros inicos, intersticiales y covalentes. (Be3N2, Mg3N2, Ca3N2, Sr3N2, Ba3N2, Cd3N2, Zn3N2).

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- Hidruros

Se puede encontrar al nitrgeno en una gran variedad de compuestos de hidrgeno como son el:

a) Amoniaco (NH3) b) Hidracina (N2H4) c) Hidroxilamina (NH2OH) - xidos

El nitrgeno puede reaccionar con el oxgeno y formar diversos compuestos como los:

a) Oxido Nitrosos (NO, NO2, NO3) b) Oxido Ntrico (N2O, N2O3, N2O4, N2O5)

- Ion Nitronio

La reaccin entre el cido ntrico y sulfrico concentrados dan por resultado la formacin del in nitronio. (+NO2). Que es una especie deficiente en electrones que ataca la nube del anillo benceno.

- cidos

Existen dos tipos de cidos que pueden formarse a partir del nitrgeno:

a) cido Nitroso (HNO2) b) cido Ntrico (H2NO3)

2.4. Compuestos Orgnicos

El nitrgeno se puede encontrar en las siguientes formas orgnicas:

- Protenas

Las protenas son macromolculas que tienen pesos moleculares muy altos. Estas conformados por compuestos ms sencillos llamados aminocidos. Se le considera protenas cuando este est formado por la unin de 20 o ms aminocidos.

- Aminocidos

Un aminocido es un cido carboxlico que posee un grupo amino, -NH2, enlazado al tomo C unido a un grupo carboxlico.

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- Aminas

Base orgnica que se puede considerar un derivado del amonaco (NH3) con un hidrgeno sustituido (RNH2, una amina primaria), dos hidrgenos sustituidos (R2NH, una amina secundaria), o tres hidrgenos 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 tomo de hidrgeno, un radical alquilo o un radical arilo, y los tres grupos R pueden ser parecidos o diferentes. (Mortimer, 1994.)

- cidos Nucleicos

Los cidos nucleicos son macromolculas, polmeros formados por la repeticin de monmeros llamados nucletidos, unidos mediante enlaces fosfodister.

Adenina Guanina Citosina Timina

Uracilo

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N2 NH3 R-NH2nitrgeno gaseoso amonaco nitrgeno orgnico

2.5. Transformacin

El tomo de Nitrgeno se mueve en la naturaleza de una transformacin a otra de manera irregular o aleatoria, pasando por distintas formas tanto orgnicas como inorgnicas. Existen diversos procesos que dan origen a dichas formas:

- Fijacin

La Fijacin se refiere a la conversin del Nitrgeno atmosfrico a una forma disponible para una planta. Esto puede ocurrir mediante procesos industriales, como en la produccin comercial de fertilizantes, o por medio de procesos biolgicos, con leguminosas como la alfalfa y trbol. La fijacin de nitrgeno requiere de energa, enzimas y minerales, pero si la planta tiene alguna forma de Nitrgeno presente, el cultivo lo usara en vez de fijarlo del aire.

(Courtney et al., 2005.)

- Amonificacin

La Amonificacin es un proceso enzimtico en donde el N de compuestos orgnicos nitrogenados es liberado en forma de NH3.

Degradacin de Protenas y Pptidos.- Se necesita la accin de proteasas y peptidasas para su descomposicin aminocidos, de los cuales se obtendr el NH3 por accin de enzimas como las deshidrogenasas y las oxidasas.

Protenas Proteinasas deshidrogenasas

Aminocidos NH3 Peptidasas oxidasas

Pptidos

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Una tpica reaccin oxidativa de aminocidos sucede de la siguiente manera:

(Stevenson et. al., 1999.)

- Nitrificacin

La nitrificacin es el proceso por el cual microorganismos convierten el amoniaco a nitritos y nitratos para obtener energa. El nitrato es la forma de N con mayor disponibilidad para las plantas. Este proceso biolgico se lleva a cabo por las bacterias Nitrosomonas y Nitrobacter.

D

(Stevenson et. al., 1999; Courtney et al., 2005.)

- Desnitrificacin

La desnitrificacin es el mecanismo primario para la devolucin de nitrgeno a la atmsfera, ocurre cuando los nitratos son transformados a sus formas gaseosas de Nitrgeno, como el xido ntrico, el oxido nitroso y finalmente N2. Esto ocurre cuando el suelo est saturado y las bacterias utilizan el nitrato como fuente de oxgeno.

La secuencia de desnitrificacin bacteriana y reduccin del tomo de nitrgeno 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)

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- Oxidacin

Durante las tormentas, las descargas elctricas hacen que parte del nitrgeno y del oxgeno del aire formen xido de nitrgeno:

N2 (g) + O2 (g) 2NO (g)

El dixido de nitrgeno se produce por la reaccin del NO con O2 adicional del aire:

2NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g)

El trixido de nitrgeno se produce por la reaccin de NO2 con O2:

2NO2 (g) + O2 (g) 2NO3 (g)


- Mineralizacin

Es el proceso por el cual los microorganismos descomponen Nitrgeno orgnico de heces, materia orgnica y residuos de cosechas a amonio. Debido a que es un proceso biolgico, las tazas de mineralizacin varan dependiendo de la temperatura del suelo, humedad y la cantidad de oxigeno dentro del suelo (aireacin).

R - NH2 NH3 NH4nitrgenoorgnico

amonaco amonio

(Courtney et. al., 2005)

- Volatilizacin

La volatilizacin es la prdida de nitrgeno a travs de su conversin de amoniaco a gas de amonio la cual es liberada a la atmsfera. Las prdidas por volatilizacin incrementan en suelos con alto pH y si existen condiciones que favorezcan la evaporacin (ej. Calor y el aire).

H2N - C - NH2 NH4+ NH3

amonio amoniacourea

O

(Courtney et. al., 2005)

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- Inmovilizacin

Inmovilizacin es lo contrario de la mineralizacin. Todos los organismos vivos requieren Nitrgeno; por lo cual microorganismos en el suelo compiten con las plantas por Nitrgeno. La inmovilizacin 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 l.

R - NH2NH4+ y/o NO3-

nitratoamonio nitrgenoorgnico

La inmovilizacin solo retiene temporalmente el nitrgeno. Ya que cuando los microorganismos mueren, el Nitrgeno orgnico contenido dentro de sus clulas son convertidos por la mineralizacin y nitrificacin a nitratos disponibles para las plantas.

(Courtney et. al. 2005)

- Humificacin

El trmino humus se utiliza en sentido amplio, para indicar las sustancias orgnicas que resultan de los procesos de humificacin (descomposicin, degradacin y sntesis). Se puede definir como:

- Un constituyente de la fase solida del suelo, formado por biomolculas (compuestos de estructura molecular especfica) y por sustancias hmicas (compuestos de estructura no especfica) que poseen un color oscuro.

(Porta et. al., 1994)

El humus no es una sustancia de composicin exactamente definida. Ni siquiera una agrupacin de compuestos en porcentajes determinados. El humus debe considerarse como un material heterogneo, 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 hidroflicas muy marcadas. Con estructuras alifticas y aromticas en sus molculas, alta capacidad de cambio, gran densidad de grupos acdicos, carboxlicos y fenlicos, y constituido principalmente por C, H, O y N. (Navarro et. al., 2003)

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La humificacin es un proceso que implica cambios en la complejidad qumica de la materia orgnica que hace aumentar su resistencia a la biodegradacin. En la humificacin pueden tener lugar reacciones qumicas (oxidacin, condensacin y polimerizacin), procesos biolgicos y de sntesis microbiana, con formacin de compuestos de bajo y alto peso molecular que no se forman en las clulas vivas y que son constituyentes tpicos del suelo. (Porta, J., et. al. 1994)

Las vas en las cuales se forman las sustancias hmicas son la clave al entendimiento del proceso en el cual el fertilizante a base de Nitrgeno es transformado a formas biolgicas resistentes. Una teora popular es que los cidos hmicos y flvicos son formados por una variedad de procesos que incluyen:

La degradacin de todos los polmeros de plantas y componentes de bajos pesos moleculares, incluyendo la lignina, transformndolos a monmeros simples.

La metabolizacin de monmeros por microorganismos acompaados de un incremento en la biomasa del suelo.

El reciclado repetitivo de la biomasa de Carbono (y Nitrgeno) con la muerte de viejas clulas y la sntesis de clulas nuevas.

Polimerizacin concurrente de monmeros reactivos a polmeros 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 (aminocidos, NH3, etc.) para formas polmeros de color caf.

En la Figura 5 se puede observar la reaccin entre aminocidos y polifenoles involucra la oxidacin simultanea del polifenol a forma quinona. La adicin del producto causa una polimerizacin para formas polmeros de nitrgeno cafs, de acuerdo la figura siguiente.

El efecto neto del proceso de humificacin es la conversin del Nitrgeno de los aminocidos a estructuras de cidos hmicos y flvicos.

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Figura 5 Humificacin

Stevenson, 1994.

3. Nitrgeno en el Aire

3.1. La atmsfera

La atmsfera de la Tierra es una cobertura gaseosa compuesta principalmente por nitrgeno (N2) y oxgeno (O2) molecular, con pequeas cantidades de otros gases, como vapor de agua (H2O) y dixido de carbono (CO2). Nuestra atmsfera tiene un espesor de varias centenas de kilmetros, 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 nitrgeno representa cerca del 78 % y el oxgeno, el 21 % del volumen total de la atmsfera cerca de la superficie terrestre. En la atmsfera existe un balance entre la salida (destruccin) y entrada (produccin) de estos gases. Por ejemplo, el nitrgeno es removido de la atmsfera principalmente por procesos biolgicos que involucran las bacterias presentes en los suelos, y retorna a la atmsfera por medio de la degradacin de la materia orgnica por la accin de microorganismos.

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Tabla 2 Composicin del Aire

Gas Frmula Qumica % Porcentaje (por volumen) Gases Permanentes

Nitrgeno N2 78.08 Oxgeno O2 20.95 Argn Ar 0.93 Nen Ne 0.0018 Helio He 0.0005

Hidrgeno H2 0.00006 Xenn Xe 0.000009

Gases Variables Vapor de Agua H2O 0 a 4

Dixido de Carbono CO2 0.036 Metano CH4 0.00017

xido Nitroso N2O 0.00003 Ozono O3 0.000004

Partcula (polvo, etc.) 0.000001 Clorofluorocarbonos

(CFC) 0.00000002 Camilloni, 2009

La atmsfera puede ser dividida en una serie de capas en funcin de la variacin de la temperatura con la altura. En la Figura 6 se muestra cmo vara la temperatura desde la superficie de la Tierra hasta unos 500 km de altura. En la capa ms cercana a la superficie, denominada tropsfera, que se extiende en promedio hasta 12 km de altura (con un mximo de aproximadamente 19 km en latitudes ecuatoriales y un mnimo de 9 km sobre los polos), la temperatura disminuye a una tasa promedio de 6,5 C por kilmetro. En esta capa, que concentra el 80 % de toda la masa de la atmsfera, ocurren los fenmenos meteorolgicos ms relevantes. En el lmite superior de la tropsfera, denominado tropopausa, la temperatura deja de disminuir y est cercana a los -55 C.

Por encima de la tropsfera se encuentra la estratsfera, 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 lmite superior, denominado estratopausa. La concentracin de masa atmosfrica en los niveles superiores de la estratsfera y en las capas por encima de ella es tan baja (99 % de la masa est 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.

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Camilloni, 2009

Figura 6 Capas de la Atmsfera

Por encima de la estratsfera la temperatura disminuye con la altura, definiendo la capa denominada messfera, 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 termsfera. (Camilloni, 2009)

3.2. La Bisfera

La Bisfera 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 porcin de la superficie terrestre. Dentro de la bisfera existen diversos ecosistemas en donde habitan los organismos.

Es en la bisfera donde ocurren todas las interacciones del Ciclo Biogeoqumico del Nitrgeno, estas se suscitan en el aire, suelo y agua. (Dispezio e. al., 1996)

3.3. Nitrgeno en el Aire

La presencia del Nitrgeno molecular en la atmsfera no es motivo de preocupacin alguna debido a que es un gas inerte, lo cual lo hace totalmente inofensivo a organismos vivos. Pero existen compuestos gaseosos de nitrgeno que pueden tener un efecto negativo.

El escape de nitrgeno del suelo a la atmsfera se volvi un asunto de preocupacin debido a que las bacterias del suelo estn continuamente desnitrificando los nitratos en suelos y aguas, sin

importar que los nitratos provengan de fertilizantes o partir de la nitrificacin

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de amoniaco de biomasa en descomposicin. La desnitrificacin produce N2O, un gas no reactivo en la tropsfera, pero que est 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 estratsfera, sus reacciones con oxgeno (derivados de la fotodisociacin del ozono) producen NO, y ese xido provoca un ciclo cataltico de reacciones que conlleva a la destruccin del ozono. Este ciclo fue identificado en 1970 por Paul Crutzen, un descubrimiento que le otorgo un premio Nobel de Qumica en 1995, y su operacin es razn de preocupacin obvia en los efectos de largo plazo de mayores emisiones de N2O que resultan con el uso en incremento de fertilizantes.

Un nmero de modelos de ejercicios fueron realizados a mediados de los 70s y 80s atentaron predecir que podra suceder con las concentraciones de ozono en la estratosfera si el N2O en la atmsfera se duplicara. Ellos concluyeron que al duplicar la concentracin de N2O reducira los niveles de ozono estratosfrico de un 10 a un 16 %. Desde que comenz a determinarse las concentraciones de N2O en la tropsfera en 1977, ahora a niveles de 313 ppb, la concentracin se ha estado incrementando a un ritmo de .25 % por ao. (Smil, 1996)

Despus de una dcada de preocupacin, el ciclo cataltico de NO fue opacado en importancia por otro agente, la destruccin del ozono a causa de clorofluorocarbonados (CFCs). Esta secuencia de reacciones fue sealada por primera vez por Sherwood Rowland y Mario Molina en 1974 (que tambin fueron premiados con el premio Nobel de Qumica en 1995). Sus efectos fueron dramticamente demostrados en 1985 cuando investigadores identificaron una pronunciada declinacin en los niveles de ozono encima de la Antrtica en los meses de primavera de Septiembre y Octubre.

Ahora que los CFCs estn siendo eliminados, mientras que los ritmos de fertilizacin siguen aumentando, el N2O una vez ms podra volverse uno de nuestros centros de atencin durante las primeras dcadas del siglo XXI.

A mediados de los 80s el N2O comenz a recibir atencin 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 absorcin ms fuerte de radiacin infrarroja. De hecho, ahora es responsable del 6 % del calentamiento directo troposfrico causada por todos los gases de efecto invernadero excepto el vapor de agua.

Existe todava otra vinculo entre el nitrgeno y el ozono: el nitrgeno en forma de NOX promueve la formacin de ozono en la troposfera donde si causa dao. Ya que alrededor de 1950 las sociedades industriales han estado quemando

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grandes cantidades de combustibles fsiles a muy altas temperaturas en calentadores de estaciones de generacin de energa elctrica y en la combustin interna de motores. Esta combustin genera cantidades substanciales de xidos de nitrgeno. El nitrgeno en estos xidos proviene de dos fuentes: el combustible mismo, donde siempre esta presencia en cantidades nfimas, y el abastecimiento atmosfrico de N2. El nitrgeno en carbones y aceites representan en 1% la masa total. El gas natural poseen usualmente menos del 5% del nitrgeno, pero el gas es comnmente removido antes de la combustin. (Smil, 1996)

Cualquier nitrgeno disponible en el combustible ser oxidado inclusive a temperaturas muy bajas de combustin, tal el caso cuando se quema la madera en fogatas o el carbn 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 pequea cantidad de NOX es formada a temperaturas inferiores a los 1500 C, pero arriba de ese nivel su formacin crece exponencialmente. Consecuentemente la combustin de un kilogramo de carbn en un calentador grande de una planta de energa puede producir 10 veces ms NOX que la combustin de un kilogramo de carbn en una pequea casa. La combustin interna de motores son relativamente grandes fuentes de NOX. Hoy en da los seres humanos son responsables por la liberacin de 40 millones de toneladas de NOX al ao.

El problema se agrava cuando los xidos de nitrgeno en su mayora por la combustin de combustibles fsiles incluyendo la actividad microbiana en suelos altamente fertilizados reaccionan con los compuestos orgnicos voltiles (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 qumicas energetizadas por la luz del sol.

El qumico Americano Arie Haagen-Smit dilucido la qumica del sndrome del smog fotoquimico en 1950. El proceso comienza con la oxidacin rpida de NO a NO2, involucrando una variedad de molculas reactivas (OH, CO, hidrocarburos, aldehdos). La disociacin subsecuente de NO2 y la oxidacin de hidrocarburos genera concentraciones en aumento de ozono (O3). Uno de los agentes oxidantes ms agresivos, el O3 perjudica la funcin pulmonar, daa las clulas, limita la capacidad de trabajo y ejercicio, y disminuye las defensas a favor de infecciones bacterianas. En plantas causa pigmentacin, blanqueado de las hojas, y la muerte de tejidos, tambin daa textiles, tintes, hule, plsticos y asfalto.

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Un tiempo despus de que Haagen-Smit explico el smog fotoquimico, pareci que este fenmeno solo estara confinado a climas soleados subtropicales, pero el aumento de emisiones de NOX y COV a trado consigo el smog de verano en grandes ciudades del hemisferio norte densamente inhabitados. Ambos Vancouver e Inglaterra (a 50 N) pueden tener das donde los niveles de smog son semejantes a los de Los ngeles (34 N).

El smog fotoqumico y el exceso de concentracin de O3 se han vuelto una presencia semipermanente todas las ciudades tropicales y subtropicales y sus alrededores ya sea Bangkok, Taipei, Los ngeles o la Ciudad de Mxico y una recurrente afliccin estacional de grandes ciudades en climas templados. Niveles elevados de O3 ahora afligen regiones mucho ms grandes que incluso esas aglomeraciones urbanas en expansin como Boston-Washington y Tokyo-Osaka. En tiempos persistentes de verano celdas de alta presin limita la combinacin atmosfrica sobre el este de Norte Amrica y permite que las altas concentraciones se acumulen a niveles dainos inclusive en reas rurales, especialmente al sureste de los Estados Unidos. (Smil, 1996)

William Chameides del Instituto de Tecnologa de Georgia seala que las tres regiones El Oeste de Europa, el Este de Norte Amrica y el Este de Asia son responsables de aproximadamente 75% del uso de combustibles fsiles y fertilizantes de nitrgeno, y por el 60% de la produccin global de comida. Al menos 1/10, pero tal vez 1/3 de la produccin 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 exposicin acumulativa durante las temporadas de cultivo genera dao.

Tcnicamente la solucin a este problema no es sencilla de encontrar. Solo los controles de emisin ms 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 todava no pueden prevenir las violaciones de los parmetros predispuestos de los estndares de calidad del aire. Decenas de ciudades en Norte Amrica y Europa estn excediendo los niveles ms altos deseables de O3. Similarmente, a pesar de los grandes esfuerzos de los japoneses, el valor anual de NOX liberado en reas rurales en ese pas ha difcilmente cambiado durante los pasados 15 aos. (Smil, 1996)

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4. Nitrgeno en el Suelo

El suelo es una capa viva de composicin orgnica/inorgnica en la superficie de la tierra en equilibrio dinmico con la atmsfera y bisfera arriba de ella, y la geologa por debajo. El suelo acta como un ancla y proveedor de agua y nutrientes para las races, 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 tambin una fuente de materiales de construccin y manufactureras. El suelo es el capital a largo plazo en donde una nacin se construye y crece. Es el componente bsico de los ecosistemas y de gestin de ecosistemas. Un entendimiento fundamental de este elstico, poroso, sistema trifsico (solido, lquido, gaseoso), sus componentes y procesos de reaccin son bsicos para soportar la vida de plantas y animales que viven en y sobre l. El suelo sirve como una base indispensable para el bienestar humano continuo y la produccin de otros recursos naturales renovables.

Debemos nuestra existencia a una capa extremadamente delgada pero preciada capa llamado suelo, el cual cubre formaciones geolgicas inalteradas y parcialmente erosionadas en la superficie del planeta. Este ya no es roca ni sedimentos geolgicos pero ha sido alterada durante la formacin del suelo a causa de factores geolgicos, topogrficos, climticos, fsicos, qumicos y biolgicos para formar una entidad viva conformada de una asociacin de partculas inorgnicas o minerales con un vinculo inextricable con la materia orgnica, 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 frtil la cual es biolgicamente activa, porosa, y media estructurada que efectivamente integra y disipa los flujos de masa y energa. En este estado, es una entidad autoreguladora biolgica que lentamente evoluciona mientras que esta continua desgastndose con el tiempo.

No solo sirve para promover y sustentar la vida en todas sus formas, pero tambin acta 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 mayora de las toxinas y patgenos que por otro lado podran 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 xito controlando todos estos agentes dainos y rara vez, sino nunca, est involucrado en la

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transmisin de enfermedades. De lo contario, muchos de sus habitantes, los microorganismos en particular, nos han provedo de antdotos a enfermedades e infecciones conocidos como antibiticos. (Sumner, 2000)

4.1. Origen

Bajo condiciones naturales el nitrgeno del suelo proviene de la atmsfera terrestre. Esto ocurre a travs de los distintos procesos de fijacin, fundamentalmente de tipo biolgico.

La transformacin del nitrgeno molecular atmosfrico en nitrgeno del suelo utilizable actual o potencialmente por las plantas, se realiza principalmente en dos procesos:

El nitrgeno puede oxidarse y pasar a la forma de xidos, por accin de las descargas elctricas, y estos compuestos, a su vez, trasladados al suelo por la lluvia y depositados en l como acido nitroso o ntrico. La magnitud de este proceso, aunque no carece de importancia, es pequea en comparacin con las cantidades de nitrgeno molecular que se convierte en orgnico en virtud del proceso.

Fijacin biolgica, es decir, por medio del conjunto de reacciones gracias a las cuales los organismos vivos integran el nitrgeno molecular en sus estructuras como componente de diversos compuestos. Ciertos microorganismos que viven libremente en el suelo, y otros que bien simbiticamente con determinadas plantas (principalmente leguminosas), son capaces de realizar esta incorporacin; ambos grupos son los principales responsables de que se mantenga a un cierto nivel el nitrgeno contenido en el suelo.

Pero en los suelos cultivados, el nitrgeno puede aparecer tambin por la adicin que el hombre realiza de fertilizantes nitrogenados obtenidos sintticamente a partir del nitrgeno atmosfrico o mediante la adicin, tambin de residuos orgnicos de diversa procedencia. Estos hechos explican el porqu el nitrgeno total presente en los suelos cultivados puede varias entre limites bastantes amplios, en 0.01 y 0.5 % y a veces mas, aunque lo ms frecuente es que oscile alrededor del 0.1 %. En general, puede decirse que la mayora de los suelos cultivados no son suficientemente ricos en nitrgeno. Los suelos ricos son una excepcin, salvo donde hay una acumulacin de materia orgnica por falta de mineralizacin. (Navarro et.al., 2003)

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4.2. Formas

Las principales formas de Nitrgeno en el suelo son NH4+, NO3- o las sustancias orgnicas a base de nitrgeno. En cualquier momento, el nitrgeno inorgnico en el suelo es solo una fraccin pequea del nitrgeno total en el suelo. La mayora del nitrgeno en la superficie del suelo est presente en nitrgeno orgnico. Consiste de protenas (20-40%), aminoazucares, como las hexosaminas (5-10%), purina y derivados de pirimidina (1% o menos), y complejos compuestos inidentificados formados por la reaccin de NH4+ con lignina, polimerizacin de quinones con compuestos de Nitrgeno y condensacin de azucares y aminas. En el subsuelo, una importante fraccin de nitrgeno presente puede ser capturada por rejas arcillosas como NH4+ inintercambiable y consecuentemente no disponible. Las sustancias orgnicas 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 orgnicos. Esto reduce su movilidad en el suelo en comparacin de su forma ms mvil el ion NO3-.

Los microorganismos pueden usar ambos NH4+ y NO3- para satisfacer sus necesidades de nitrgeno. Este tipo de transformacin de nitrgeno es llamado inmovilizacin microbiana. (Lal, 2002)

4.3. Dinmica del Nitrgeno en el Suelo

En todos los suelos existen considerables entradas y salidas de nitrgeno acompaadas de muchas transformaciones complejas. Algunas de estas entradas pueden controlarse ms o menos por el hombre mientras que otros estn ms all de nuestro control. El conjunto de estos procesos constituyen una parte importante del ciclo del nitrgeno en la naturaleza.

El nitrgeno en suelos cultivables proviene de diversos materiales: restos de cultivos, abonos verdes, estircol, fertilizantes comerciales y nitratos aportados por lluvias, as como por fijacin de nitrgeno atmosfrico por ciertos microorganismos. (Navarro et. al., 2003)

Por lo que la dinmica del nitrgeno del suelo est altamente influenciada por la distribucin de los siguientes procesos:

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Aportacin de Nitrgeno en el suelo

a) Fijacin del nitrgeno atmosfrico por microorganismos que viven libremente en el suelo.

b) Fijacin de nitrgeno por Rhizobium otras bacterias simbiticas. c) Aportes por el agua de lluvia y nieve. d) Aportaciones de nitrgeno en fertilizantes, estircoles y plantas verdes.

Transformaciones del Nitrgeno en el Suelo

a) Aminificacin, o degradacin bioqumica de las protenas y otros compuestos complejos nitrogenados en aminocidos y aminas.

b) Amonificacin, o transformacin bioqumica de los aminocidos y aminas en amonaco.

c) Nitrificacin, u oxidacin bioqumica del amoniaco a cido ntrico. d) Sntesis proteicas de los microorganismos del suelo, a partir de los

compuestos que originan en el transcurso de los anteriores procesos.

Prdidas de nitrgeno en el suelo

a) Desnitrificacin, o reduccin bioqumica de los nitratos bajo condiciones anaerbicas.

b) Reacciones qumicas de los nitritos bajo condiciones aerbicas. c) Prdidas por volatilizacin del amonaco, principalmente en suelos

alcalinos, clidos y hmedos. d) Lixiviacin de nitratos. e) Asimilacin de los nitratos por las plantas superiores. f) Fijacin del amonio por las arcillas con entramado en expansin y en

suelos con alto contenido en materia orgnica.

4.4. Procesos de Aportacin de Nitrgeno

4.4.1. Fijacin de Nitrgeno

La fijacin consiste en la transformacin de N2 atmosfrico a formas inorgnicas. El enlace covalente triple de la molcula de N2 es altamente estable y solo puede ser roto dicho enlace qumicamente solo a temperatura y presiones elevadas.

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R - NH2N2amoniaconitrgeno

gaseosonitrgenoorgnico

NH3


Por lo que la atmsfera constituye una fuente prcticamente inagotable de nitrgeno, dado que al nivel del mar hay sobre cada hectrea unas 77 600 toneladas de este gas en el aire. Parte de este nitrgeno es fijado por las descargas elctricas (rayos) y otros fenmenos de ionizacin de la atmosfera superior, y ese nitrgeno es aadido al suelo como componente de la precipitacin. Sin embargo, la mayor parte del nitrgeno aadido a los suelos procede de la fijacin biolgica del mismo, tanto simbitica como no simbitica. La fijacin biolgica del nitrgeno es una reaccin de reduccin que requiere energa, la cual es aportada por el adenosin trifosfato (ATP). Los microorganismos fijadores de nitrgeno contienen la enzima nitrogenasa que se combina con una molcula de nitrgeno, N2. El cido pirvico es el donador de hidrgeno, y la fijacin se hace en una serie de pasos que reduce al N2 a NH3. El molibdeno es parte de la nitrogenasa y esencial para la fijacin biolgica. Los organismos que fijan nitrgeno tambin requieren cobalto, que es el nico papel que se sabe que ese elemento desempee en las plantas, siendo por ello necesario. (Foth, 1987).

4.4.2. Fijacin Biolgica del Nitrgeno

En la Naturaleza, la fijacin del nitrgeno es una facultad reservada a unos cuantos gneros de bacterias y ciertas algas azul-verdosas, que pueden clasificarse dentro del grupo de las bacterias con el nombre de Cianobacterias. Ningn organismo superior presenta esta capacidad, a pesar de que algunos pueden hacerlo indirectamente, a travs del establecimiento de asociaciones simbiticas con bacterias fijadoras de nitrgeno (Fijacin Simbitica). La relacin ms conocida es la que se verifica entre las plantas leguminosas y diversas bacterias del genero Rhizobium. Otras bacterias fijadoras de nitrgeno viven asociadas con plantas huspedes, y muchas viven libremente en el suelo o en el agua. Unas son fotosintticas, otras requieren oxgeno, y otras, finalmente, solamente pueden vivir en medios anaerobios o faltos de oxgeno.

Todos estos microorganismos se caracterizan por poseer un potente equipo enzimtico que les permite fijar directamente el nitrgeno atmosfrico; y como en el proceso industrial, el producto inicial que se forma es el amoniaco.

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Disponen adems de un enzima comn, la nitrogenasa, que es bsicamente el que regula el proceso. (Navarro et. al., 2003)

4.4.3. Rhizobium y la fijacin del nitrgeno

Las plantas leguminosas forman una relacin simbitica con bacterias hetertrofas del genero Rhizobium, La raz 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 raz se forma un filamento infeccioso a travs del cual la bacteria mira al centro de la raz. Una vez dentro de la raz, las bacterias se multiplican con rapidez y son transformadas en cuerpos hinchados, de forma irregular, llamados bacteroides. Se efecta un ensanchamiento de la raz y, finalmente, se forma una agalla o ndulo. 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 ndulo. Parte del nitrgeno fijado es transportado de los ndulos a las diversas partes de la planta hospedera. (Foth, 1987)

4.4.4. Fijacin simbitica de nitrgeno por plantas no leguminosas

En muchos ecosistemas de tierras silvestres hay pocas o ningunas leguminosas que fijen nitrgeno. En la actualidad se sabe que hay muchas especies no leguminosas que tienen ndulos radicales y fijan nitrgeno simbiticamente, en la Tabla 3 se puede observar cuales plantas no leguminosas forman ndulos. Lo anterior significa que la fijacin simbitica del nitrgeno 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 fijacin de nitrgeno simbitica. Esa caracterstica hace que el aliso rojo sea una buena especie para invadir materiales maternos recin expuestos y tierras incendiadas en donde los suelos tienen una baja capacidad para proporcionar nitrgeno debido a su poco contenido de materia orgnica. Se cree que los organismos que ocasionan la produccin de ndulos y la fijacin de nitrgeno son actinomicetos. La aportacin de nitrgeno que hacen los ecosistemas terrestres del mundo las especies fijadoras de nitrgeno simbiticas no leguminosas es varias veces mayor que aquella de las leguminosas herbceas. (Foth, 1987)

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Tabla 3 Plantas No Leguminosas que forman ndulos

Familia Gnero

Especies que

forman ndulos

Distribucin geogrfica

Betulaceae Alnus 15 Regiones fras del hemisferio norte

Elaeagnaceae Elagnus 9 Asia, Europa, Amrica del Norte

Hippophae 1 Asia y Europa, desde los Himalayas al Circulo rtico

Myricaceae Shepherdia 2 Confinada a Amrica del Norte

Myrica 7 Regiones templadas de ambos hemisferios

Coriariaceae Coriaria 3

Regiones muy separadas, principalmente en Japn, Nueva Zelandia, Centro y Sur Amrica y regin del Mediterrneo

Rhamnaceae Ceanothus 7 Confinada a Amrica del Norte

Casuarinaceae Casuarina 12

Trpicos y subtrpicos, extendindose del este de frica al Archipilago Indico, Islas del Pacfico y Australia

Foth, 1987

4.4.5. Fijacin no simbitica del nitrgeno

Viven en el suelo ciertos grupos de bacterias independientes de las plantas superiores que tienen capacidad para usar el nitrgeno de la atmosfera en la sntesis de los tejidos de su organismo. Como esas bacterias no viven en asociacin con plantas superiores (relacin mutua), se les ha llamado no simbiticas. Se ha encontrado una docena o ms de bacterias que fijan N2 en forma no simbitica, pero los dos organismos ms estudiados pertenecen a los gneros Azotobacter y Clostridium.

El gnero Azotobacter est ampliamente distribuido en la naturaleza. Se le ha encontrado en suelos (con pH de 6.0 o ms) de prcticamente cada localidad que se ha examinado. Al parecer, el mayor factor limitante de su distribucin es la reaccin del suelo. Esos organismos pueden existir en suelos con (con pH de 6.0 o ms) de prcticamente cada localidad que se ha examinado. Al parecer, el mayor factor limitante de su distribucin es la reaccin 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 fijacin de nitrgeno. Azotobacter es favorecida por la buena aireacin, la abundancia de

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materia orgnica (en especial de naturaleza carbnacea), la presencia de una amplia cantidad de calcio disponible y cantidades suficientes de elementos nutrientes disponibles, en especial fosforo, as como las relaciones adecuadas de humedad y temperatura.

Las bacterias anaerbicas Clostridia son muchos ms tolerantes de las condiciones cidas que la mayora de los miembros del grupo aerbico y, tal vez por esa razn, tiene una distribucin ms 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 nitrgeno. Para que funcionen las bacterias anaerbicas no es necesario que los suelos estn encharcados. Un suelo en buenas condiciones de labranza puede tener reas considerables con grnulos favorables para las actividades de las bacterias fijadoras de nitrgeno anaerbicas. (Foth, 1987)

4.4.6. Fertilizacin de Nitrgeno Mineral y Orgnico

Tericamente las plantas deben preferir el NH4+ en vez del NO3-, debido a que el NH4+ no necesita ser reducido antes de su incorporacin de la planta. En la mayora de los suelos bien drenados la oxidacin de NH4- es bastante rpida por lo que la mayora de las plantas se han desarrollado para crecer mejor con NO3-. A pesar de que un nmero de estudios han demostrado que las plantas se desarrollan mucho mejor cuando ambas fuentes estn 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 rpidamente se hidroliza bajo condiciones bien drenadas, a menos que un inhibidor de ureasa fuera aadido; bajo condiciones sumergidas las plantas de arroz tambin 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 mayora proviene de estircol y orina de animales de gran

ciclo biogeoquímico del nitrógeno orientado a la sustentabilidad

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