Nitrógeno en el suelo

El nitrógeno es el elemento más limitante en los ecosistemas terrestres de todos los nutrientes del suelo necesarios para el crecimiento de las plantas (Vitousek et al., 1997). 

Es 300 veces más contaminante que el CO₂ en el medioambiente. Si bien en muchas regiones hay escasez de nitrógeno disponible para lograr la seguridad alimentaria y nutricional, en otras, casi la mitad del nitrógeno fertilizante aplicado en la agricultura se filtra al medioambiente, con consecuencias negativas que incluyen un aumento de los peligros ambientales, la degradación irreparable de la tierra y la contaminación de los recursos acuáticos. 

Dentro de una agricultura eficiente y sostenible se hace imprescindible optimizar la eficiencia del uso del nitrógeno y esto ayudará a mejorar la calidad del suelo con el tiempo.

El nitrógeno existente en el suelo, a diferencia de otros elementos, no suele proceder de la roca madre, sino del que existe en la atmósfera terrestre a través de los distintos procesos de fijación, siendo mayoritario el de tipo biológico. 

La transformación del nitrógeno molecular atmosférico en nitrógeno del suelo se realiza principalmente según dos procesos: 

1- El nitrógeno puede oxidarse y formar óxidos por acción de eventos de alta energía natural tales como relámpagos, fuegos forestales, flujos de lava, descargas eléctricas y ser luego trasladados al suelo con la lluvia como ácido nitroso o ácido nítrico. La alta energía de estos fenómenos naturales puede romper los enlaces triples de las moléculas de nitrógeno molecular (N₂) y de esta manera se alcanzan átomos individuales para la transformación química tal y como vemos en la figura.

2- Fijación biológica. Lo realizan ciertos microorganismos que viven libres en el suelo y otros en simbiosis. Este es cuantitativamente más importante. Aunque el nitrógeno (N₂) es el gas más abundante en nuestra atmosfera gaseosa (79 % del total de los gases atmosféricos) y solo una pequeña parte se transforma. 

El nitrógeno podemos encontrarlo en los suelos bajo tres formas diferentes: 

1. Nitrógeno orgánico asociado a materia orgánica, ya sea fresca o humificada. 

2. Nitrógeno amoniacal fijado en el complejo de cambio de arcillas que constituyen los minerales.

3.  Compuestos solubilizados en la solución del suelo o adheridos superficialmente a minerales y coloides arcillo húmicos como amonio, nitrito y nitrato que son las formas asimilables por las plantas.

La fracción mayoritaria del nitrógeno en suelo que oscila entre 85-99 %, la constituye el nitrógeno asociado a la materia orgánica (Foth, 1985) formando parte de diferentes familias químicas y biomoléculas que presentan los grupos funcionales aminas, amidas, nitrilos, proteínas, aminoácidos y péptidos. Esta fracción está compuesta por 20-40 % de aminoácidos, 5-10 % de aminoazúcares y 1-2 % de bases púricas y pirimidínicas. 

Las restantes formas son difíciles de identificar e integran heterociclos de las moléculas húmicas, las cuales se degradan lentamente. 

La biomasa microbiana contiene del 4 al 8 % del nitrógeno total del suelo y constituye la fracción lábil de la materia orgánica y es la fuente principal para la disponibilidad de nutrientes.

El nitrógeno inorgánico del suelo incluye las formas NH₄⁺, NO₃^-, NO₂^-, N₂O y NO. Esta es la fracción realmente disponible para las plantas. Las raíces de las plantas toman el nitrógeno desde el suelo principalmente como iones disueltos de nitrato (NO₃^-) y amonio (NH₄⁺). 

Las raíces de las plantas toman el nitrógeno desde el suelo como iones disueltos de nitrato (NO₃^-) y amonio (NH₄⁺)

El NO₃^- es la principal forma de absorción por las plantas. Es muy móvil en el sustrato, fácil de perderse por lavado en virtud de la ausencia de mecanismos de adsorción o precipitación y forma compuestos muy solubles. 

El NH₄⁺ es absorbido preferencialmente por los microorganismos y por algunos vegetales. Además, el NH₄⁺ intercambiable no supera el 2 % del N total. 

En muy pequeñas cantidades y difíciles de detectar están las formas gaseosas de nitrógeno: óxido nitroso (N₂O ), óxido nítrico (NO), dióxido de nitrógeno (NO₂), amoniaco (NH₃) y nitrógeno molecular en atmosfera del suelo (N₂). 

Las cantidades presentes en los suelos de nitrógeno inorgánico suele oscilar entre el 1-2 % y están sujetos a rápidas pérdidas por lixiviación y volatilización. 

Además de todo lo anterior, en suelos cultivados el nitrógeno aparece como consecuencia de los aportes del hombre en forma de fertilizantes bien sintéticos u orgánicos. 

El nitrógeno presente en suelos de cultivo procede de diferentes fuentes: restos de cultivos, abonos verdes, estiércol, fertilizantes, nitratos aportados por las lluvias y a la fijación biológica del nitrógeno atmosférico

Las pérdidas se deben a la absorción del cultivo, a la erosión, lixiviación y a su volatilización en condición gaseosa, tanto en forma elemental como en forma de óxidos o de amoniaco. 

Ganancias de nitrógeno por el suelo:

1. Fijación del nitrógeno atmosférico por microorganismos que viven libremente en el suelo.
2. Fijación del nitrógeno atmosférico por Rhizobium u otras bacterias simbióticas.
3. Deposiciones de nitrógeno desde la atmósfera. Aportes de agua de lluvia, nieve y riego.
4. Aportes en forma de las emisiones de amoniaco en zonas próximas a granjas
5. Aportaciones de nitrógeno en fertilizantes, enmiendas orgánicas y plantas verdes o restos de poda.

Transformaciones del nitrógeno en el suelo:

1. Mineralización e inmovilización. La mineralización es la transformación del nitrógeno orgánico a catión amonio mediante la acción microbiana o procesos hidrolíticos ácidos. La inmovilización sería el proceso contrario. La mineralización neta anual suele ser del 1-2 % del N total.
2. Aminificación o degradación bioquímica de las proteínas y otros compuestos complejos nitrogenados en aminoácidos y aminas
3. Amonificación o transformación bioquímica de los aminoácidos y aminas en amoniaco más alcoholes orgánicos.
4. Nitrificación u oxidación bioquímica del amoniaco en ácido nítrico. El amonio se transforma en nitritos y posteriormente en nitratos mediante la acción de las bacterias aerobias del suelo. Se realiza en dos etapas: Nitritación (amonio a nitrito) y Nitratación (nitritos a nitratos).
5. Síntesis proteicas de los microorganismos del suelo, a partir de los compuestos que se originan en el transcurso de los anteriores procesos.

Pérdidas de nitrógeno en el suelo:

1. Desnitrificación o reducción bioquímica de los nitratos bajo condiciones anaeróbicas.
2. Reacciones químicas de los nitritos bajo condiciones aeróbicas.
3. Pérdidas por volatilización del amoniaco, principalmente en suelos alcalinos, cálidos y húmedos.
4. Lixiviación de los nitratos.
5. Lavado con la escorrentía.
6. Fijación del amonio por las arcillas con entramado en expansión y en suelos con alto contenido en materia orgánica.
7. Volatilización. Consiste en la emisión de amoniaco gaseoso desde el suelo a la atmosfera. Esto ocurre porque el amonio de un suelo en condiciones alcalinas se transforma en amoniaco que es un gas volátil.

La dinámica de este elemento en la biosfera comprende principalmente la fijación de nitrógeno (N₂), mineralización, nitrificación, desnitrificación (Hayatsu el al., 2011) y la oxidación anaeróbica del amonio Annamox (Hu et al., 2011), procesos mediados principalmente por microorganismos presentes en el suelo (Klotz y Stain, 2008). 

El nitrógeno entra en la biosfera por fijación química y biológica del nitrógeno molecular (N₂) y se remueve de la misma por desnitrificación. Los procesos de fijación los llevan a cabo gran variedad de bacterias que poseen nitrogenasas, enzimas que rompen el triple enlace del nitrógeno molecular y producen amonio. 

Las bacterias dioazótrofas pueden ser simbióticas (obligadas, asociativas o endófitas) y de vida libre, representadas en Rhizobium y Frankia para las obligadas y por Cyanobacteria, Azospirillum, Azotobacter, Acetobacter diazotrophicus y Azoarcus, entre las asociativas o endófitas. 

Achromobacter, Acetobacter, Azomonas, Bacillus, Beijerinckia, Clostridium, Corynebacterium, Derxia, Enterobacter, Hebaspirillum, Klebsiella, Pseudomonas, Rhodospirillum, Rhodopseudomonas y Xanthobaacter, entre las no simbióticas.

Los procesos de mineralización del nitrógeno son determinantes para la disponibilidad del elemento en los ecosistemas terrestres (Nourbakhsh y Alinejadian, 2009), dados principalmente por la desaminación y degradación de materia orgánica, de modo que responden a la cantidad y tipo de enmiendas orgánicas. 

Se conoce que la asimilación microbiana (inmovilización) es un proceso crítico que controla la disponibilidad de nitrógeno para las plantas, y que junto con la relación C:N en plantas y suelo, son variables clave que afectan las tasas de mineralización. 

Los procesos de nitrificación consisten en la oxidación secuencial del amonio a nitrito, y hasta hace poco se le atribuía, principalmente, a las bacterias quimiolitoautotróficas oxidantes del amonio (BOA) caracterizados en numerosos ecosistemas terrestres.

A la oxidación del amonio a nitrito le sigue la oxidación de nitrito a nitrato, proceso mediado por las bacterias oxidantes de nitrito (BON). Las BON se han clasificado cuatro géneros Nitrobacter (alfa-proteobacteria), Nitrospina (delta-proteobacteria), Nitrococcus (gamma-proteobacteria) y Nitrospira, y se conoce que las aqueas también contribuyen a este proceso en el suelo. 

La oxidación biológica del amonio en condiciones anaerobias se lleva a cabo por las bacterias ANAMMOX. Estas bacterias pertenecen a los géneros Brocadia, Scalindua y Kuenenia del phylum Planctomycetes.

La desnitrificación es el proceso más importante para el ciclo del nitrógeno, este devuelve el nitrógeno fijado a la atmósfera por procesos de respiración microbiana, a través de la reducción desasimilatoria de nitratos y nitritos a N₂O y N₂, respectivamente; también involucra la reducción asimilatoria del nitrito (Simon, 2002) para convertirlo en amonio e incorporarlo al metabolismo celular. 

Las plantas y diferentes microorganismos arqueas, bacterias y hongos (Gorfer et al., 2011) poseen la capacidad de incorporar nitratos en su biomasa, lo que reduce su perdida por lixiviación y desnitrificación. 

La actividad desnitrificante en bacterias se induce en presencia de nitratos y nitritos y bajo condiciones limitantes de oxígeno (O₂) y se inhibe por exceso de oxígeno. 

La actividad desnitrificante fúngica se induce en presencia de nitratos y nitritos y cantidades significativas de oxígeno, pero no se ha observado (Zhou et al., 2001) su inducción por exceso de oxígeno, y algunas arqueas también median dichos procesos.

Finalmente, en la imagen vemos la interpretación y diagnóstico del nitrógeno total del suelo y los valores de referencia cuyo contenido normal se sitúa entre 0.1-0.2 %. 

De la misma manera se cuantifica la relación C/N para conocer el estado de fertilidad del suelo, que se sitúa en valores normales entre 10-12.

Bibliografía

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