Fijación del nitrógeno: qué es, procesos y importancia ecológica

Descubre qué es la fijación del nitrógeno, procesos biológicos y abióticos, y su papel en el ciclo del nitrógeno, suelos, cultivos y equilibrio ecológico.

La fijación del nitrógeno es el proceso por el cual el nitrógeno es tomado de su forma gaseosa estable (N₂ ) en el aire y se transforma en otros compuestos nitrogenados (como el amoníaco, el nitrato y el dióxido de nitrógeno) útiles para otros procesos químicos. Es una parte importante del ciclo del nitrógeno.

El nitrógeno se fija de forma biológica y no biológica:

Fijación biológica

La fijación biológica la realizan principalmente microorganismos llamados diazótrofos, que poseen la enzima nitrogenasa. Esta enzima convierte N₂ gaseoso en amoníaco (NH₃), una forma que pueden asimilar las plantas y otros organismos. La reacción requiere energía (ATP) y es sensible al oxígeno, por lo que muchos diazótrofos tienen adaptaciones para proteger la nitrogenasa.

• Bacterias simbióticas: Los géneros Rhizobium y bacterias relacionadas establecen simbiosis con leguminosas formando nódulos en las raíces donde fijan N₂. Otras asociaciones simbióticas incluyen a Frankia (con plantas actinorrízicas) y ciertas relaciones de hongos y bacterias.
• Cianobacterias: Grupos como Anabaena y Nostoc fijan nitrógeno en ambientes acuáticos y en suelos húmedos; son importantes en ecosistemas como arrozales y en situaciones pioneras sobre rocas y suelos pobres en nitrógeno.
• Bacterias libremente vivas: Géneros como Azotobacter o algunos Clostridium fijan nitrógeno en el suelo sin necesidad de una planta huésped.

La tasa de fijación biológica depende de factores como la disponibilidad de carbono (fuente de energía), nutrientes traza (como molibdeno y hierro, cofactors de la nitrogenasa), temperatura, pH y la presencia de oxígeno.

Fijación no biológica (abiótica)

Existen procesos físicos y químicos que también transforman N₂ en compuestos reactivos:

• Rayos y descargas eléctricas: Las elevadas temperaturas de un rayo permiten la formación de óxidos de nitrógeno (NOx) que luego se convierten en nitratos y son depositados por la lluvia.
• Procesos geológicos y atmosféricos: Erupciones volcánicas, incendios forestales y combustión industrial generan óxidos de nitrógeno.
• Procesos industriales (Haber–Bosch): La síntesis de amoníaco a partir de N₂ e H₂ en plantas industriales (proceso Haber–Bosch) permitió la producción masiva de fertilizantes nitrogenados, cambiando drásticamente la disponibilidad de nitrógeno reactivo en los ecosistemas.

Procesos relacionados en el ciclo del nitrógeno

La fijación es solo una etapa. Otros procesos importantes incluyen:

• Mineralización (amonificación): Transformación de materia orgánica nitrogenada en amonio (NH₄⁺).
• Nitrificación: Oxidación de NH₄⁺ a NO₂⁻ y luego a NO₃⁻ por bacterias y arqueas.
• Desnitrificación: Reducción de nitratos a N₂ y óxidos de nitrógeno (N₂O, NO) en condiciones anóxicas; devuelve nitrógeno a la atmósfera.
• Asimilación: Incorporación de formas inorgánicas de nitrógeno (NH₄⁺, NO₃⁻) en biomasa vegetal y microbiana.

Importancia ecológica

El nitrógeno es un nutriente esencial para aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos y clorofila. Su disponibilidad limita frecuentemente la productividad primaria en ecosistemas terrestres y acuáticos. La fijación suministra la fracción de nitrógeno reactivo que impulsa cadenas tróficas y mantiene la fertilidad del suelo.

Sin embargo, la intervención humana ha aumentado enormemente la entrada de nitrógeno reactivo en el ambiente (fertilizantes sintéticos, emisiones industriales), lo que tiene consecuencias:

• Eutrofización: Aporte excesivo de nitrógeno a ríos y lagos provoca proliferación de algas, deterioro de calidad del agua y zonas hipóxicas (muertes de peces).
• Emisiones de N₂O: El óxido nitroso es un potente gas de efecto invernadero y contribuye al agotamiento de la capa de ozono.
• Contaminación de aguas subterráneas: Nitratos en exceso pueden afectar la salud humana (ej. metahemoglobinemia en bebés) y la biodiversidad acuática.

Implicaciones para la agricultura y manejo sostenible

Entender la fijación y el ciclo del nitrógeno permite estrategias para aumentar la eficiencia y reducir impactos ambientales:

• Rotación con leguminosas y uso de cultivos de cobertura para incrementar fijación biológica y mejorar la estructura del suelo.
• Ajuste de dosis, momento y método de aplicación de fertilizantes (fertilización de precisión) para reducir pérdidas por lixiviación y emisiones.
• Uso de inóculos de bacterias fijadoras en cultivos donde sea apropiado.
• Prácticas de conservación como barreras vegetales, humedales artificiales y zonas tampón para retener nitrógeno antes de que alcance cursos de agua.

En resumen, la fijación del nitrógeno es un proceso clave que conecta la atmósfera con la biosfera, sustentando la vida y la producción agrícola, pero su manejo inadecuado puede provocar importantes impactos ambientales. La combinación de conocimiento ecológico y prácticas agrícolas sostenibles permite aprovechar sus beneficios minimizando los riesgos.

Biológico

Microorganismos que fijan el nitrógeno (diazotrofos)

• Cianobacterias, por ejemplo la muy significativa Trichodesmium
• Bacterias verdes del azufre
• Azotobacteraceae
• Rhizobia
• Las bacterias Gram-positivas del suelo Frankia causan nódulos fijadores de nitrógeno en plantas actinorrizadas.

Las cianobacterias están en la mayoría de los entornos de la Tierra. Desempeñan un papel clave en el ciclo del carbono y del nitrógeno de la biosfera. Las cianobacterias utilizan muchas fuentes de nitrógeno combinado, como el nitrato, el nitrito, el amonio, la urea o algunos aminoácidos.

Varias cianobacterias son también diazótrofas, que pueden fijar el nitrógeno del aire. Esta capacidad puede estar presente en su último ancestro común en el Arcaico. Las cianobacterias de los arrecifes de coral pueden fijar el doble de nitrógeno que en tierra firme: alrededor de 1,8 kg de nitrógeno por hectárea y día. La cianobacteria marina colonial Trichodesmium puede fijar el nitrógeno a tal escala que representa casi la mitad de la fijación de nitrógeno en los sistemas marinos a escala mundial.

Simbiosis de nódulos en la raíz

Familia de las leguminosas

Entre las plantas que contribuyen a la fijación del nitrógeno se encuentra la familia de las leguminosas -Fabaceae- con taxones como el kudzu, los tréboles, la soja, la alfalfa, los altramuces, los cacahuetes y los rooibos. Tienen bacterias simbióticas llamadas rizobios en los nódulos de sus sistemas radiculares, que producen compuestos de nitrógeno que ayudan a la planta a crecer y competir con otras plantas. Cuando la planta muere, el nitrógeno fijado se libera, poniéndolo a disposición de otras plantas y esto ayuda a fertilizar el suelo. La mayoría de las leguminosas tienen esta asociación, pero algunos géneros (por ejemplo, Styphnolobium) no la tienen. En la práctica agrícola tradicional, los campos se rotan a través de varios tipos de cultivos, entre los que suele figurar uno compuesto principalmente o en su totalidad por trébol o trigo sarraceno (familia de las poligonáceas no leguminosas), que suelen denominarse "abono verde".

No leguminosas

Aunque la mayoría de las plantas capaces de formar nódulos radiculares fijadores de nitrógeno pertenecen a la familia de las leguminosas Fabaceae, hay algunas excepciones:

• Parasponia, un género tropical de las cannabáceas que también puede interactuar con los rizobios y formar nódulos fijadores de nitrógeno

• Las plantas actinorrizadas, como el aliso y el laurel, también pueden formar nódulos fijadores de nitrógeno, gracias a una asociación simbiótica con la bacteria Frankia. Estas plantas pertenecen a 25 géneros de ocho familias de plantas. En estas familias, no todas pueden fijar el nitrógeno. Por ejemplo, de los 122 géneros de las rosáceas, sólo 4 géneros son capaces de fijar el nitrógeno.

Todas estas familias pertenecen a los órdenes Cucurbitales, Fagales y Rosales, que junto con los Fabales forman un clado. En este clado, las Fabales fueron el primer linaje en ramificarse; así, la capacidad de fijar nitrógeno se perdió en la mayoría de los descendientes de la planta fijadora de nitrógeno original.

La fijación biológica del nitrógeno fue descubierta por Hermann Hellnegel (1831-1895) y Martinus Beijerinck (1851-1931).

 

Un nódulo de raíz de aliso entero.  


Un nódulo de raíz de aliso seccionado.  

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