El ciclo del nitrógeno es un proceso biogeoquímico clave para la productividad y estabilidad de los ecosistemas naturales y agrícolas.
El nitrógeno es un elemento esencial para la vida, ya que es un componente fundamental de las proteínas y los ácidos nucleicos.
Aunque el nitrógeno representa el 78% de la atmósfera terrestre, este gas no puede ser utilizado directamente por la mayoría de los organismos vivos, ya que está en forma de moléculas inertes de nitrógeno molecular N2.
Por lo tanto, el ciclo del nitrógeno es fundamental para la conversión del nitrógeno gaseoso en formas utilizables por los seres vivos.
Procesos del ciclo del nitrógeno
En términos generales, el ciclo del nitrógeno incluye diferentes entradas y salidas del sistema natural o agrícola, y su comprensión es crucial para entender cómo funciona este ciclo en los ecosistemas.
El ciclo del nitrógeno consta de las siguientes procesos:
- Entradas al sistema: fijación (biológica y abiótica), descomposición, mineralización, nitrificación, asimilación.
- Salidas del sistema: desnitrificación, volatilización, lixiviación, exportación.
Entradas del nitrógeno
Fijación del nitrógeno atmosférico: biológica y abiótica.
La fijación del nitrógeno es la primera etapa del ciclo, en la que el nitrógeno gaseoso es transformado en formas que los organismos vivos pueden utilizar, como el amonio (NH4+) o el nitrato (NO3-).
La fijación puede ser biológica, realizada por bacterias fijadoras de nitrógeno en las raíces de las plantas o en el suelo, o abiótica, a través de procesos como la fotólisis o la descarga eléctrica atmosférica y las precipitaciones. Aunque en este último caso las cantidades fijadas son mucho menores en comparación con la fijación biológica.
En los ecosistemas naturales, la fijación biológica de nitrógeno es una entrada importante de nitrógeno al ciclo, especialmente en ecosistemas boscosos y praderas.
En los sistemas agrícolas, la fijación se puede lograr mediante la siembra de cultivos fijadores de nitrógeno, como muchas leguminosas incluidas la alfalfa, tréboles, soja, vicia, entre otras. Todo esto con la finalidad de que el nitrógeno quede disponible para los cultivos sucesores, por ejemplo para el maíz.
Entradas de nitrógeno por descomposición
También existe otra entrada de nitrógeno a los sistemas, que es la descomposición del material orgánico.
Durante la descomposición de material vegetal o animal en el suelo, se liberan compuestos de nitrógeno orgánico, como aminoácidos y proteínas que luego seguirán su proceso de descomposición por sucesión de distintos consorcios microbianos.
La descomposición es un proceso intermediado por microorganismos descomponedores como hongos, bacterias y otros organismos de mayor tamaño como escarabajos, lombrices y ácaros del suelo.
Durante la descomposición, los organismos descomponedores utilizan los nutrientes contenidos en la materia orgánica como fuente de energía y liberan dióxido de carbono y otros productos de descomposición como resultado de este proceso.
Entradas de nitrógeno a través de la mineralización
Luego de que haya ocurrido la descomposición, le sucede un proceso llamado mineralización. La descomposición es el primer paso en la liberación de nutrientes orgánicos contenidos en la materia orgánica, y la mineralización es el proceso por el cual estos nutrientes son convertidos en formas inorgánicas disponibles para su uso por las plantas.
La mineralización es el proceso de liberación de los nutrientes contenidos en la fracción de materia orgánica del suelo. Esto se produce cuando los nutrientes orgánicos son convertidos en formas inorgánicas que pueden ser absorbidas por las plantas y otros organismos.
La mineralización es un paso importante en el ciclo de nutrientes del suelo y es llevada a cabo principalmente por microorganismos que degradan la materia orgánica del suelo.
Durante este proceso también se libera dióxido de carbono a la atmósfera a causa de la respiración de los microorganismos.
Proceso de nitrificación
La nitrificación es un proceso en el que los microorganismos convierten el amonio (NH4+) en nitrato (NO3-), que es una forma más aprovechable de nitrógeno para las plantas. Por lo tanto, la nitrificación es un proceso importante en el ciclo del nitrógeno en el suelo.
La nitrificación es llevada a cabo por bacterias llamadas nitrificantes, que incluyen dos tipos principales de bacterias, según su función:
- Las bacterias del género nitrosomonas son las primeras en actuar y convierten el amonio (NH4) en nitrito (NO2-).
- Las bacterias del género nitrobacter convierten el nitrito en nitrato (NO3-). Estas bacterias son quimiolitotróficas, lo que significa que utilizan compuestos inorgánicos como fuente de energía para su metabolismo.
El proceso de nitrificación es importante porque convierte el nitrógeno amoniacal, que es menos asimilable para las plantas, en nitrato, que es fácilmente asimilable por las plantas. Además, los nitratos son solubles en agua, lo que significa que pueden ser transportados por el agua del suelo fácilmente y utilizados por las plantas en diferentes áreas.
Asimilación
La asimilación del nitrógeno es un proceso biológico en el que los organismos vivos, como las plantas y los microorganismos, toman el nitrógeno del ambiente y lo incorporan a sus células para su uso en la síntesis de proteínas y otros compuestos nitrogenados.
En el caso de las plantas, la asimilación de nitrógeno ocurre principalmente a través de la absorción de nitratos (NO3-) en mayor medida o amonio (NH4+) del suelo a través de sus raíces. Los iones de nitrato y amonio se convierten en aminoácidos, que son los componentes básicos de las proteínas.
Salidas del nitrógeno
Desnitrificación
La desnitrificación es un proceso que corresponde a salidas de nitrógeno del sistema natural o agrícola. Es un proceso microbiano en el que los nitratos (NO3-) se reducen a gas nitrógeno (N2) o óxido nitroso (N2O) y se liberan a la atmósfera.
Este proceso ocurre en condiciones anaerobias, donde el oxígeno está limitado o ausente, como en sedimentos de ríos, estanques, lagos, y suelos saturados o inundados. Es llevado a cabo por bacterias desnitrificantes.
Aunque este proceso es esencial para mantener el equilibrio ecológico, también puede tener algunas consecuencias ambientales negativas como por ejemplo:
- Reducción de la disponibilidad de nitrógeno: La desnitrificación reduce la cantidad de nitrato disponible en el suelo, lo que puede ser problemático para los cultivos que necesitan nitrógeno para crecer. Esto puede afectar la producción.
- Producción de gases de efecto invernadero: La desnitrificación produce gases de óxido nitroso, que son potentes gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático. El óxido nitroso tiene un impacto en el clima unas 300 veces mayor que el dióxido de carbono.
Volatilización
La volatilización es el proceso por el cual el amonio (NH4+) en el suelo se convierte en amoníaco gaseoso (NH3) y se pierde en la atmósfera.
La volatilización del amonio es más común en suelos con un pH alto o alcalino, ya que el amoníaco es más volátil a pH más alto. Además, la volatilización del amonio también puede ser influenciada por la temperatura, la humedad del suelo y la tasa de aplicación de los fertilizantes.
La volatilización del amonio puede tener consecuencias negativas en la fertilidad del suelo y la calidad del aire.
Lixiviación
La lixiviación es el proceso por el cual los nutrientes presentes en el suelo, como el nitrógeno, se disuelven en agua y se filtran a través del suelo hacia las capas más profundas, incluyendo las napas freáticas.
La pérdida de nitrógeno a través de la lixiviación puede tener graves consecuencias para la fertilidad del suelo y para la calidad del agua subterránea.
En el sistema agrícola, la lixiviación de nitrógeno puede ocurrir cuando se aplican grandes cantidades de fertilizantes nitrogenados, como la urea, que no son completamente absorbidos por las plantas. Estos fertilizantes pueden infiltrarse en el suelo y, eventualmente, llegar a las capas freáticas.
Exportación del nitrógeno en ecosistemas agrícolas
La exportación de nitrógeno de un cultivo se refiere a la cantidad de nitrógeno que se retira del ecosistema agrícola a través de la cosecha.
Cabe aclarar que no solo se exporta nitrógeno, sino también otros nutrientes más difíciles de reponer como el fósforo.
La cantidad de nitrógeno exportado depende del tipo de cultivo, su demanda de nutrientes y la cantidad de nitrógeno disponible en el suelo.
La cantidad de nitrógeno exportado puede variar según el cultivo y la parte de la planta que se cosecha. Por ejemplo, los granos de los cereales contienen una cantidad significativa de nitrógeno en forma de proteínas, por lo que la exportación de nitrógeno es relativamente alta.
Siempre antes de sembrar un cultivo de grano, como por ejemplo el maíz, es conveniente reponer las cantidades de nitrógeno exportadas en la campaña anterior y teniendo en cuenta la demanda de nitrógeno del cultivo a sembrar en función de los rendimientos esperados.
