La fijación biológica del nitrógeno tiene un papel crucial en los ecosistemas agrícolas, ya que permite que los cultivos puedan obtener nitrógeno sin el uso de fertilizantes sintéticos nitrogenados. La fijación biológica del nitrógeno es una de las entradas de nitrógeno a los ecosistemas terrestres naturales o agricolas. Existen otras vias de circulacion del nitrógeno que se corresponden al llamado, ciclo del nitrógeno.
Qué es la fijación biológica del nitrógeno
La fijación biológica del nitrógeno es un proceso natural, realizado por microorganismos especializados. Lo que ocurre en este proceso natural es que el nitrógeno atmosférico (N2) se convierte en compuestos nitrogenados utilizables por las plantas, como el amonio (NH4+), que puede ser usado directamente por las plantas o puede pasar a formar nitratos (NO3-), también aprovechable por las plantas, a través del posterior proceso de nitrificación.
El nitrógeno es un elemento esencial para la vida en general, ya que forma parte de aminoácidos y proteínas, componentes fundamentales de los organismos vivos. Sin embargo, la mayoría de los seres vivos no pueden utilizar el nitrógeno atmosférico directamente, por lo que necesitan que previamente se fije biológicamente para poder utilizarlo.
Tipos de fijación biológica del nitrógeno
Existen dos tipos principales de fijación biológica del nitrógeno: la fijación libre y la fijación simbiótica.
Fijación libre del nitrógeno
Las bacterias de fijación libre del nitrógeno son un grupo diverso de bacterias que tienen la capacidad de fijar el nitrógeno atmosférico en el suelo de forma independiente y sin la necesidad de una asociación simbiótica con plantas. Estas bacterias se encuentran en suelos de todo el mundo y desempeñan un papel crucial en la fertilidad del suelo y la sostenibilidad de los ecosistemas naturales.
En la agricultura, las bacterias de fijación libre del nitrógeno son una herramienta importante para la gestión de la fertilidad del suelo y la reducción de la dependencia de los fertilizantes nitrogenados sintéticos. Las bacterias de fijación libre pueden mejorar la calidad y la productividad del suelo al aumentar los niveles de nitrógeno disponible para las plantas y reducir los costos de los fertilizantes. Además, estas bacterias son esenciales para la producción de cultivos orgánicos y pueden ser utilizadas como una alternativa a los fertilizantes químicos
Entre las bacterias de fijación libre más comunes se encuentran las del género Azotobacter, Azospirillum y Klebsiella, aunque hay muchas otras especies que también pueden realizar este proceso. Estas bacterias fijadoras de nitrógeno son capaces de convertir el nitrógeno atmosférico en una forma utilizable por las plantas, como el amonio o los nitratos, mediante complejos procesos metabólicos que requieren de enzimas específicas y la presencia de oxígeno. Además, estas bacterias pueden sobrevivir en el suelo durante largos períodos de tiempo y pueden competir eficazmente con otras bacterias por los nutrientes del suelo.
Fijación simbiótica del nitrógeno
La fijación simbiótica del nitrógeno se lleva a cabo por determinados microorganismos del suelo que establecen una relación simbiótica con las plantas. Estos microorganismos se asocian con las raíces de las plantas y forman nódulos en los cuales convierten el nitrógeno atmosférico en amonio que la planta puede utilizar en situaciones de baja disponibilidad de este nutriente. Algunos ejemplos de microorganismos que realizan fijación simbiótica son Rhizobium y Frankia.
Proceso de nodulación en leguminosas
El proceso de infección y nodulación de las leguminosas es un ejemplo de fijación simbiótica del nitrógeno, en el que las plantas leguminosas establecen una asociación simbiótica con bacterias del género Rhizobium. El proceso de infección y nodulación consta de varias etapas:
- Reconocimiento y quimiotaxis: Las bacterias del género Rhizobium son atraídas por los exudados radicales emitidos por la planta. Estos exudados contienen flavonoides, compuestos químicos que actúan como señales para las bacterias. Las bacterias se acercan a la raíz de la planta leguminosa siguiendo un gradiente de concentración de flavonoides.
- Infección y entrada en la raíz: Una vez que las bacterias han llegado a la raíz, se produce un intercambio de señales químicas entre las bacterias y la planta. Las bacterias producen factores nodulantes que estimulan la división celular y la formación de pequeños tubos de infección en la raíz de la planta. Las bacterias penetran en la raíz a través de estos tubos y llegan al córtex radicular.
- Formación del nódulo: Una vez que las bacterias han llegado al córtex radicular, estimulan a la planta para que forme un nódulo. El nódulo es una estructura especializada que alberga a las bacterias y les proporciona un ambiente favorable para la fijación del nitrógeno. Las bacterias inducen la división celular y la diferenciación de las células del córtex radicular para formar el nódulo.
- Diferenciación bacteriana: Una vez dentro del nódulo, las bacterias se diferencian en bacteroides, que son células altamente especializadas capaces de fijar el nitrógeno atmosférico. Los bacteroides tienen una morfología y una fisiología diferentes a las de las células libres de la bacteria.
- Fijación de nitrógeno: Los bacteroides son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico gracias a una enzima llamada nitrogenasa. La fijación del nitrógeno produce amonio como producto, que la planta leguminosa utiliza para producir proteínas y otros compuestos nitrogenados, necesarios para su fisiología.
Resumiendo, el proceso de infección y nodulación de las leguminosas es un ejemplo de fijación simbiótica del nitrógeno, en el que las plantas establecen una asociación simbiótica con bacterias del género Rhizobium. Este proceso consta de varias etapas, que incluyen la quimiotaxis de las bacterias hacia la raíz de la planta, la infección y entrada en la raíz, la formación del nódulo, la diferenciación bacteriana y la fijación de nitrógeno. Esta asociación simbiótica es beneficiosa tanto para las bacterias como para la planta, ya que las bacterias obtienen hidratos de carbono (energía) y protección en el nódulo, mientras que la planta recibe compuestos nitrogenados esenciales para su crecimiento y desarrollo.
Cómo determinar a campo si una leguminosa está fijando nitrógeno
La leghemoglobina es una proteína que se produce en las raíces de las plantas leguminosas en respuesta a la presencia de bacterias fijadoras de nitrógeno en los nódulos. Su función es la de transportar oxígeno necesario para los bacteroides dentro del nódulo, ya que estos organismos necesitan un ambiente bajo en oxígeno para poder llevar a cabo la fijación de nitrógeno.
Entonces si hay presencia de leghemoglobina transportando oxígeno, significa que la fijación biológica del nitrógeno está ocurriendo.
Es posible determinar si hay fijación biológica del nitrógeno por medio de la observación de la coloración en el interior de los nódulos de la leguminosa, ya que esta coloración determina la presencia de leghemoglobina.
Para determinar la presencia de leghemoglobina de manera práctica, se puede realizar una prueba simple realizando un corte transversal de uno o varios nódulos de la raíz de la leguminosa elegida, luego de descalzarla cuidadosamente del suelo.
El tejido del nódulo se corta y se expone al aire para permitir la oxidación de la leghemoglobina presente. Si el nódulo de la raíz se vuelve de color rosa o rojo brillante, esto indica la presencia de leghemoglobina y, por lo tanto, la actividad de fijación de nitrógeno en la planta.
De presentar nódulos pero que no se colorean rojizos al corte, significa que hubo infección y simbiosis con el bacteroide, pero no está ocurriendo la fijación del nitrógeno.
Si no se observan nódulos, no hubo simbiosis.
Preparados comerciales
Existen variadas y numerosas formulaciones comerciales de bioinsumos que contienen las bacterias listas para ser aplicadas. Un ejemplo muy conocido es el del empleo de Bradyrhizobium japonicum, que es conocida por su capacidad para nodular con la soja, dando buenos rendimientos.
La inoculación con Bradyrhizobium japonicum es una práctica común en la producción de soja tanto para la producción convencional como orgánica. La inoculación se realiza aplicando una suspensión de las bacterias al momento de la siembra, lo que ayuda a establecer una población de bacterias en el suelo y asegura una nodulación adecuada.
Existen también otras formulaciones, que incluyen bacterias de fijación libre como por ejemplo, la especie Azospirillum brasilense, que se ha utilizado como inoculante bacteriano para mejorar el crecimiento y el rendimiento del maíz.
Estudios han demostrado que la inoculación de semillas de maíz con Azospirillum brasilense puede aumentar la biomasa de las plantas y el rendimiento del grano, así como mejorar la absorción de nutrientes y la resistencia a ciertos patógenos, reduciendo la dependencia de insumos nitrogenados de síntesis química.
