El Nitrógeno en los Agroecosistemas

El nitrógeno (N) es un elemento esencial para el crecimiento de las plantas y de los animales, ya que está presente en muchas clases de compuestos orgánicos, entre los que se incluyen las proteínas y los ácidos nucleicos.

Existe una enorme cantidad de N en el aire (78% del aire es N₂), pero debido a que las plantas no pueden utilizarlo directamente, las formas disponibles se encuentran principalmente en el suelo.

Este nitrógeno se encuentra en pocas cantidades en los sistemas agroforestales y a menudo se debe complementar con fertilizantes que contengan N.

Formas del Nitrógeno en el Suelo

En el suelo, el N se encuentra tanto en formas orgánicas como inorgánicas.

• Nitrógeno orgánico: Procede de los organismos vivos y forma parte de los componentes orgánicos que permanecen después de la muerte y descomposición de los organismos.
• Nitrógeno inorgánico: Incluye todas las formas de N que se han liberado a través de la mineralización de los componentes orgánicos (que contienen C), incluyendo:

Ión Amonio (NH₄⁺) / Ion Nitrato (NO₃^–) / Ion Nitrito (NO₂^–) / Gas N₂

Los iones NH₄⁺ y NO₃^– son fácilmente solubles en agua y pueden ser absorbidos por las raíces de las plantas. También estas formas pueden ser utilizadas por las bacterias durante el proceso de descomposición.

Inmovilización y Mineralización

Las formas inorgánicas del N se convierten en compuestos orgánicos del N que forman tejidos microbianos, proceso que se denomina inmovilización. El N inmovilizado no está disponible para las raíces de las plantas.

El paso inverso a la inmovilización es la mineralización, en la que los compuestos orgánicos se disgregan y se libera el N inorgánico, a menudo debido a procesos de descomposición. Por lo tanto:

Inmovilización: N inorgánico N orgánico

Mineralización: N orgánico N inorgánico

En los suelos de los agroecosistemas, la cantidad de nitrógeno almacenado en los tejidos de plantas, animales y bacterias vivos o muertos es mucho mayor, normalmente, que la de N inorgánico. Como consecuencia de esto, la cantidad de N inorgánico es limitada y queda rápidamente inmovilizada por plantas, bacterias u otros organismos.

Factores que Afectan la Mineralización e Inmovilización

La mineralización e inmovilización del nitrógeno del suelo y la velocidad de recambio de los materiales orgánicos son afectados por los organismos heterótrofos del suelo, incluyendo las bacterias y los hongos. Su requerimiento de energía lo satisfacen mediante la oxidación de los materiales que contienen carbono. Esta descomposición de la materia orgánica aumenta con la temperatura, la humedad y la cantidad de oxígeno.

Procesos de Mineralización del Nitrógeno

La mineralización de los compuestos nitrogenados se produce mediante la aminización, la amonificación y la nitrificación.

• Aminización y Amonificación: Realizados por microorganismos heterótrofos, que requieren como fuente de energía compuestos de carbono orgánicos.
• Nitrificación: Realizada por bacterias autótrofas, que obtienen su energía de la oxidación de sales inorgánicas y el carbono del CO₂ de la atmósfera que las rodea.

Reciclaje del Nitrógeno en el Suelo

La mineralización y los procesos relacionados con ella producen el reciclaje de N orgánico en formas que pueden usarse para satisfacer las necesidades nutricionales de las plantas. La descomposición de los compuestos del N orgánico representa una fuente de energía para las bacterias y los hongos que intervienen en la descomposición.

La reacción básica de la extracción del N de un grupo amino (NH₂) de una molécula orgánica mayor se describe a continuación:

Org-NH₂ + H₂O Org-OH + NH₃ + Energía

El amoniaco liberado (NH₃) reacciona después con el agua o con los ácidos presentes en la solución suelo para formar iones de amonio (NH₄⁺). La hidrólisis del NH₃, se produce de la siguiente forma:

NH₃ + H₂O NH₄⁺ + OH^–

El NH₄⁺ liberado en la mineralización puede seguir diferentes caminos. Esta forma de N puede ser usada por las plantas o puede transformarse posteriormente por procesos de nitrificación. Dependiendo del tipo de suelo, el NH₄⁺ puede almacenarse en ciertos tipos de arcillas. Como el NH₃ es un gas volátil, existe también la posibilidad de algunas pérdidas por volatilización de este producto intermedio.

Nitrificación

La nitrificación es la conversión en dos etapas del ion amonio (NH₄⁺) en ion nitrato (NO₃^–). Estas acciones están realizadas por bacterias nitrificantes. La rapidez de este proceso dependerá no solamente de la presencia de las bacterias sino también de la aireación del suelo, la temperatura y de otros muchos factores.

La primera etapa es la oxidación del NH₄⁺ a nitrito (NO₂^–). El nitrito puede ser tóxico para las plantas, pero se trata de un producto intermedio de vida corta que rápidamente se transforma en nitrato:

2 NH₄⁺ + 3O₂ 2NO₂^– + 2H₂O + 4H⁺ + ENERGÍA

2 NO₂^– + O₂ 2NO₃^– + ENERGÍA

Con el NO₃^–, las plantas y otros organismos como bacterias y hongos pueden aprovechar fácilmente esta forma de N inorgánico.

Pérdidas de Nitrógeno: Lixiviación y Desnitrificación

El NO₃^– es muy soluble en agua. Parte del mismo puede perderse durante el drenaje, en un proceso denominado lixiviación. Dependiendo de las condiciones del terreno, parte del NO₃^– puede perderse por desnitrificación.

La desnitrificación es la pérdida de N del suelo en forma gaseosa (normalmente como N₂O o N₂). Representa un problema en los suelos con drenaje y aireación pobres.

El NO₂^– que se produce a partir del NO₃^– puede perderse por volatilización o reducirse, posteriormente, a gas N₂. Ambas reacciones las llevan a cabo bacterias desnitrificantes.

2HNO₃ N₂O + H₂O + 2O₂

2 N₂O 2N₂ + O₂

Adición de Nitrógeno al Suelo

El reciclaje del N orgánico es un fenómeno gracias al cual se incrementan las posibles fuentes de N inorgánico para las plantas. El N adicional puede aportarse al agroecosistema principalmente por la fijación del N₂ de la atmósfera o por la adición de fertilizantes de N. También se puede fijar N a causa de las descargas eléctricas meteorológicas o por adición de NH₄⁺ y NO₂^– disueltos en la lluvia o en la nieve.

Fijación del Nitrógeno

Se denomina fijación del nitrógeno al proceso mediante el cual el gas N₂ de la atmósfera se convierte en NH₃, que sirve como sustrato que puede convertirse en NH₄⁺ o en algún compuesto de N orgánico que pueden utilizar las plantas.

El proceso lo realizan algunos organismos del suelo, especialmente determinadas bacterias y algas verde-azuladas que tienen una relación estrecha con las raíces de las plantas.

Fijación Simbiótica

Muchas especies de plantas de la familia de las leguminosas están colonizadas por bacterias del género Rhizobium. Las bacterias modifican los pelos radicales y otros tejidos de la raíz para formar nódulos donde residen. Estos se identifican de otros nódulos porque en su interior están llenos de agua y se remueven muy fácilmente de la raíz.

Las bacterias usan los carbohidratos de las plantas como fuentes de energía y, en compensación, facilitan nitrógeno a sus suministradores.

Fijación No Simbiótica

Son muy numerosos los organismos que pueden fijar nitrógeno directamente sin asociarse con las raíces de plantas altas. Entre estos organismos se incluyen algunas bacterias como las Azotobacter spp y varias algas verde-azuladas que pueden ser fundamentales en la fijación del nitrógeno en algunos suelos húmedos.

Cuando estos organismos mueren y se descomponen, los componentes que contienen N pueden mineralizarse en formas que pueden ser absorbidas por las raíces de las plantas. Este tipo de fijación es particularmente importante en sistemas de producción de arroz.

Ciclo del N en la Agricultura

La aplicación de fertilizantes y la fijación de N son los dos medios más habituales por los que el nitrógeno llega a los agroecosistemas. Los principales acontecimientos del ciclo del nitrógeno de un agroecosistema característico son: las principales entradas de N₂ atmosférico provienen de la fijación del nitrógeno, de la síntesis de fertilizantes inorgánicos y de la lluvia.

Las plantas contienen una alta cantidad de N inmovilizado en sus tejidos, el cual es exportado en las cosechas y sirve de suministro a los consumidores. El ganado y otros animales que pastan devuelven una parte de N al sistema en forma de estiércol.

El proceso dinámico del reciclaje del N tiene lugar en el suelo, donde se acumula la materia vegetal muerta y otras materias orgánicas. A medida que las materias se descomponen, el N queda a disposición de las plantas a través de la mineralización y nitrificación o puede inmovilizarse incorporándose a las bacterias y a otros organismos del suelo. Las pérdidas de N del agroecosistema se deben a la lixiviación en el agua del subsuelo, a la erosión y a las escorrentías de aguas superficiales.