Ciclo Del Nitrógeno | Cuando Se Produce, Características, Proceso Y Más

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El ciclo del nitrógeno es el ciclo biogeoquímico mediante el cual el nitrógeno se convierte en múltiples formas químicas a medida que circula entre los ecosistemas atmosféricos, terrestres y marinos. La conversión de nitrógeno puede llevarse a cabo a través de procesos biológicos y físicos. Los procesos importantes en el ciclo del nitrógeno incluyen la fijación, amonificación, nitrificación y desnitrificación. La mayoría de la atmósfera de la Tierra (78%) es nitrógeno de la atmósfera, lo que la convierte en la mayor fuente de nitrógeno. Sin embargo, el nitrógeno atmosférico tiene una disponibilidad limitada para uso biológico, lo que lleva a una escasez de nitrógeno utilizable en muchos tipos de ecosistemas.

El ciclo del nitrógeno es de particular interés para los ecólogos porque la disponibilidad de nitrógeno puede afectar la velocidad de los procesos clave del ecosistema, incluida la producción primaria y la descomposición. Las actividades humanas, como la combustión de combustibles fósiles, el uso de fertilizantes nitrogenados artificiales y la liberación de nitrógeno en las aguas residuales han alterado drásticamente el ciclo global del nitrógeno.

Cómo y cuándo se produce el ciclo del nitrógeno

Descripción general: el ciclo del nitrógeno implica tres pasos principales: fijación del nitrógeno, nitrificación y desnitrificación. Es un ciclo dentro de la biosfera que involucra la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera. El nitrógeno se encuentra en varios lugares, o reservorios. Es más frecuente en sedimentos y rocas, segundo en la atmósfera (78%).

Aproximadamente el 78% del aire es nitrógeno. El nitrógeno es importante para la vida porque es una parte clave de los aminoácidos y los ácidos nucleicos. Además, es una parte importante de ATP, que es la molécula de energía básica para los seres vivos.

Ni las plantas ni los animales pueden obtener nitrógeno directamente de la atmósfera. En su lugar, dependen de un proceso conocido como fijación de nitrógeno. Los actores clave en este proceso son las leguminosas y las bacterias simbióticas que están asociadas con los nódulos de la raíz de las leguminosas. Estas bacterias son conocidas como bacterias fijadoras de nitrógeno. Estos organismos convierten el nitrógeno del suelo en amoníaco, que luego puede ser absorbido por las plantas. Este proceso también ocurre en los ecosistemas acuáticos, donde participan las cianobacterias.

Una vez que el nitrógeno se ha fijado, otras bacterias lo convierten en nitrato, en un proceso conocido como nitrificación. En el primer paso de este proceso, Nitrosomonas convierte el amoníaco en nitrito, y en el segundo paso, Nitrobacter convierte el nitrito en nitrato. Este nitrato es entonces consumido por las plantas.

El último aspecto del ciclo del nitrógeno es el proceso de desnitrificación. Este proceso es realizado por una variedad de bacterias microscópicas, hongos y otros organismos. Los nitratos en el suelo se descomponen por estos organismos y el nitrógeno se libera a la atmósfera. Esto completa el ciclo.

El ciclo del nitrógeno es el ciclo biogeoquímico mediante el cual el nitrógeno se convierte en múltiples formas químicas a medida que circula entre los ecosistemas atmosféricos, terrestres y marinos

Procesos del ciclo del nitrógeno

Fijación de nitrógeno

La fijación de nitrógeno es un proceso anaeróbico (sin oxígeno) en el que el nitrógeno atmosférico (N2) se reduce a NH3. Las bacterias son responsables de este proceso. Las bacterias en ambientes terrestres y acuáticos (agua) participan en este proceso. Estos organismos deben tener una enzima especial conocida como dinitogenasa para poder hacerlo.

Las plantas no pueden usar el nitrógeno en nuestra atmósfera sin la ayuda de bacterias fijadoras de nitrógeno. Estas bacterias reducen el nitógeno atmosférico al amoníaco, que puede usarse para producir otros compuestos biológicos. Las plantas no usan el amoníaco directamente, pero es un producto de los residuos.

El nitrógeno es un nutriente esencial para las plantas. Es el nutriente que más comúnmente es deficiente, lo que contribuye a reducir los rendimientos agrícolas en todo el mundo. El nitrógeno molecular o el dinitrógeno (N2) constituyen las cuatro quintas partes de la atmósfera, pero metabólicamente no está disponible para plantas o animales superiores. Está disponible para algunas especies de microorganismos a través de la Fijación Biológica de Nitrógeno (BNF) en la que el nitrógeno atmosférico se convierte en amoníaco por la enzima dinitrogenasa. Los microorganismos que fijan el nitrógeno se llaman diazotrofos.

BNF requiere energía. Esos microbios que fijan el nitrógeno independientemente de otros organismos se denominan vida libre. Los diazotrofos de vida libre requieren una fuente de energía química si no son fotosintéticos, mientras que los diazotrofos fotosintéticos utilizan energía de la luz. Los diazotrofos de vida libre aportan poco nitrógeno fijo a los cultivos agrícolas. Los microorganismos asociativos fijadores de nitrógeno son aquellos diazótrofos que viven cerca de las raíces de las plantas (es decir, en la rizosfera o dentro de las plantas) y pueden obtener materiales energéticos de las plantas.

Pueden hacer una modesta contribución de nitrógeno fijo a la agricultura y la silvicultura, pero no se ha establecido la cuantificación de su potencial. La relación simbiótica entre los diazótrofos llamados rizobios y leguminosas (por ejemplo, trébol y soja) puede proporcionar grandes cantidades de nitrógeno a la planta y puede tener un impacto significativo en la agricultura.

La simbiosis entre las leguminosas y el rizobio fijador de nitrógeno se produce dentro de los nódulos, principalmente en la raíz y, en algunos casos, en el tallo. Una simbiosis similar ocurre entre varias especies de plantas leñosas y el actinomiceto diazotrófico Frankia. La planta suministra materiales energéticos a los diazotrofos, que a su vez reducen el nitrógeno atmosférico al amoníaco. Este amoníaco se transfiere de las bacterias a la planta para satisfacer las necesidades nutricionales de nitrógeno de la planta para la síntesis de proteínas, enzimas, ácidos nucleicos, clorofila, etc.

Nitrificación

Las plantas tienen los componentes del sistema “fijo” utilizando nitratos en el suelo para proporcionar los nutrientes que necesitan. Participan bacterias como Nitrosomonas, Nitrococcus y Nitrobacter.

La nitrificación implica dos pasos. Primero, el ion amonio (NH4 +) se oxida en NO2-. Entonces, este compuesto se oxida aún más en NO3-. Una vez más, las bacterias en el suelo participan en ambos procesos.

Asimilación

Las raíces de las plantas asimilan el nitrógeno principalmente en forma de nitratos, mientras que los animales asimilan su nitrógeno al comer las plantas.

Amonificación

El amoníaco se forma en el suelo por la descomposición de plantas y animales y por la liberación de desechos animales.

Desnitrificación

Esta es la reducción de nitratos a nitrógeno gaseoso. Las bacterias desnitrificantes realizan casi las revisiones de las bacterias fijadoras de nitrógeno.

El ciclo del nitrógeno es de particular interés para los ecólogos porque la disponibilidad de nitrógeno puede afectar la velocidad de los procesos clave del ecosistema, incluida la producción primaria y la descomposición

Características del ciclo del nitrógeno

El nitrógeno es un elemento que es importante para la mayoría de los seres vivos. El ciclo del nitrógeno describe cómo el nitrógeno se mueve a través de diferentes objetos, incluso en la atmósfera y el suelo. Debido a que el nitrógeno debe fijarse para ser utilizado por los seres vivos, rara vez existe en su forma pura. Las bacterias son una parte muy importante del ciclo del nitrógeno porque ayuda a cambiar o fijar el nitrógeno en una forma utilizable.

Datos interesantes del ciclo del nitrógeno:

  • Las plantas absorben el nitrógeno directamente del suelo.
  • Los animales obtienen sus necesidades de nitrógeno al comer plantas o comer animales que comen plantas.
  • Hay muchos pasos en el ciclo del nitrógeno que incluyen la fijación, la nitrificación, la asimilación, la amonificación y la desnitrificación.
  • La fijación es un proceso en el ciclo del nitrógeno en el que las bacterias convierten el nitrógeno en amonio.
  • Después de la fijación, las bacterias utilizan la nitrificación para convertir el amonio en nitratos que pueden utilizar las plantas.
  • Una vez que el nitrógeno se ha fijado, las plantas pueden absorber el nitrógeno a través de sus raíces desde el suelo en un proceso conocido como asimilación.
  • Después de que una planta muere, se descompone cuando las bacterias convierten el nitrógeno en amonio a través de un proceso llamado amonificación.
  • Durante la desnitrificación, las bacterias especiales devuelven nitrógeno adicional del suelo al aire.
  • Las plantas necesitan nitrógeno para producir clorofila que utilizan durante la fotosíntesis.
  • El nitrógeno es importante para los animales de muchas maneras, incluido ser parte de su ADN y proteínas.
  • Aproximadamente el 78% de la atmósfera está hecha de una forma no utilizable de gas nitrógeno.
  • Los seres humanos alteran el ciclo del nitrógeno mediante el uso de fertilizantes sintéticos en el césped, lo que agrega mucho nitrógeno adicional al suelo.
  • El óxido nitroso es un gas de efecto invernadero que se encuentra en la atmósfera.
  • Demasiado óxido nitroso en la atmósfera puede causar lluvia ácida.
  • El nitrógeno es usado por muchos agricultores como fertilizante que ayuda a las plantas a crecer.

Importancia del ciclo del nitrógeno

Como todos sabemos, el ciclo del nitrógeno ayuda a llevar el nitrógeno inerte del aire al proceso bioquímico de las plantas y luego a los animales. Las plantas necesitan nitrógeno para sintetizar la clorofila, por lo que el ciclo del nitrógeno es absolutamente esencial para ellas.

Durante el proceso de amonificación, las bacterias ayudan a degradar la materia animal y vegetal en descomposición. Esto ayuda en la limpieza natural del medio ambiente. Debido al ciclo del nitrógeno, los nitratos y nitritos se liberan en el suelo, lo que ayuda a enriquecer el suelo con los nutrientes necesarios para el cultivo.

Como las plantas usan nitrógeno para sus procesos bioquímicos, los animales obtienen el nitrógeno y los compuestos de nitrógeno de las plantas. El nitrógeno es necesario, ya que es una parte integral de la composición celular. Debido al ciclo del nitrógeno, los animales también pueden utilizar el nitrógeno presente en el aire.

El nitrógeno es importante para todos los seres vivos. Es un componente en el ADN, las proteínas y la clorofila en las plantas. La interrupción del ciclo del nitrógeno puede llevar a desequilibrios en los ecosistemas. Por ejemplo, los suelos con demasiado nitrógeno pueden volverse ácidos. El aumento de nitrógeno en los sistemas acuáticos puede conducir a la eutrofización.

Qué tienen en común el ciclo del nitrógeno y del carbono

Ciclo del carbono:

  • Hay muchos procesos importantes en el ciclo del carbono que se relacionan principalmente con la fotosíntesis, la descomposición y la deposición.
  • CO2  es absorbido por varias plantas y vegetación y se convierte en carbohidratos a través de la fotosíntesis.
  • El carbono viaja a través de la cadena alimentaria y eventualmente se abre paso hacia la atmósfera a través de la respiración celular, la quema de combustibles fósiles o la descomposición de los organismos.
  • El carbono viaja desde el suelo hasta la atmósfera.
  • La fijación del carbono es llevada a cabo por organismos vivos, incluyendo plantas y animales.

Ciclo del nitrógeno:

  • Tiene los procesos de mineralización, nitrificación y desnitrificación.
  • La fijación de nitrógeno se produce a partir de la conversión de gas nitrógeno
  • El nitrógeno se envía al suelo.
  • El ciclo del nitrógeno tiene lugar en las diversas “esferas” de la Tierra (geosfera, atmósfera y biosfera).
  • Todas las etapas del ciclo del nitrógeno son llevadas a cabo por varios microorganismos.
Ni las plantas ni los animales pueden obtener nitrógeno directamente de la atmósfera. En su lugar, dependen de un proceso conocido como fijación de nitrógeno

Papel del nitrógeno para el crecimiento y desarrollo de las plantas: una revisión

Todas las plantas utilizan nitrógeno (N) en forma de NO3- y NH4 +. Es el elemento más imperativo para el correcto crecimiento y desarrollo de las plantas, que aumenta y mejora significativamente el rendimiento y su calidad al desempeñar un papel vital en las funciones bioquímicas y fisiológicas de las plantas. El Pivotal N se requiere en una cantidad mayor de aproximadamente 1000 ug kg-1 de materia seca, por lo que es obligatorio suministrarlo a las plantas.

Es el 100% más deficiente en suelos pakistaníes debido al bajo contenido de materia orgánica, además, varios factores están asociados con la insuficiencia, como la aplicación inadecuada, los métodos, los tiempos y las cosechas que causan pérdidas a través de la volatilización, lixiviación, desnitrificación y extracción de cultivos, etc. se estima que 78-79% N está disponible en la atmósfera en una estructura inerte (N2) que no es útil para las plantas y, por lo tanto, no se toma directamente.

El N está disponible para la fijación industrial, atmosférica y biológica, así como para la fijación orgánica. Por lo tanto, las prácticas de manejo de nutrientes deben ser técnicas y más ventajosas. Este trabajo de investigación de revisión se ilumina con todo el espectro sobre el papel de la N para las plantas y proporciona un conocimiento beneficioso para los agricultores, estudiantes e investigadores. Además, en esta revisión detallada, se concluyó que el nitrógeno contribuye en gran medida a la agricultura. Solo la gran causa del rendimiento limitado con cultivos de menor calidad en todo el mundo se debe al uso inadecuado y no juicioso de N y su razón es la falta de conciencia.

Qué pasaría si no existiera el ciclo del nitrógeno

Probablemente no habría seres vivos. El nitrógeno es necesario para crear aminoácidos que, a su vez, generan proteínas en todas las plantas y animales. Sin un ciclo de nitrógeno que convierte el nitrógeno atmosférico en otros compuestos, los seres vivos no podrían crecer. Tal vez solo algunas bacterias primitivas puedan estar vivas sin el ciclo del nitrógeno, pero no sería posible ninguna vida vegetal.

El peligro de demasiado nitrógeno

Si bien la importancia del nitrógeno para la vida vegetal y animal puede hacer que parezca que no existe tal cosa, hay algunos peligros que pueden surgir al poner demasiados nitratos en el suelo.

Como cualquier otra cosa, los compuestos de nitrógeno pueden ser tóxicos en altas concentraciones. Al igual que demasiado oxígeno es tóxico para los que respiran aire, las plantas pueden sufrir efectos dañinos de una sobredosis de nitrógeno.

Los nitratos también pueden ser directamente tóxicos para los seres humanos: cuando se consumen en grandes cantidades en alimentos o agua, los nitratos pueden aumentar los riesgos de cáncer e interferir con la química sanguínea, lo que hace que la sangre no pueda transportar el oxígeno correctamente.

El “síndrome del bebé azul” es un efecto secundario que se observa en los humanos que consumen altos niveles de nitratos en sus alimentos o agua.

Otra preocupación aguda es el peligro de desequilibrar los ecosistemas. Algunos organismos pueden usar compuestos de nitrógeno para crecer más rápido que otros, y eso significa que cuando hay una gran cantidad de nitrógeno a su alrededor, estos organismos pueden crecer tan rápido que causan daño a otros organismos.

Una preocupación que se ha planteado sobre el uso de fertilizantes con nitratos artificiales es que cuando llega a los ríos, lagos e incluso al océano, puede causar un crecimiento descontrolado de la vida vegetal allí.

Más vida de las plantas puede sonar como algo bueno, pero no cuando las plantas acuáticas incluyen algas que pueden impedir que el sol y el oxígeno lleguen a otros organismos acuáticos, ¡e incluso producen toxinas que hacen que los humanos y otros animales se enfermen!

Se ha culpado al fertilizante de nitrato en el suministro de agua por algunas floraciones de “mareas rojas”, “mareas marrones” y bacterias Pfiesteria, todas las cuales producen toxinas que pueden enfermar o matar a humanos y otros animales.

Los científicos aún están investigando la cuestión de cómo mantener las tierras agrícolas fértiles y alimentar a los hambrientos sin utilizar fertilizantes con nitratos. Se espera que algún día, las prácticas sostenibles que utilizan plantas naturales o genéticamente modificadas para la fijación de nitrógeno puedan permitir a los agricultores producir altos rendimientos de cultivos sin agregar altas concentraciones de nitratos artificiales al suelo.

Papel de las bacterias en el ciclo del nitrógeno

En el proceso de fijación de nitrógeno, las bacterias fijadoras de nitrógeno convierten el N2 en la atmósfera en NH3 (amoníaco). Esta bacteria une las moléculas de hidrógeno con el nitrógeno gaseoso para formar amoníaco en el suelo.

Durante la asimilación, o cuando las plantas absorben los nitratos del suelo, las bacterias ayudan en el proceso con las plantas para producir amoníaco. Los desechos animales también son un lugar importante donde las bacterias prosperan y producen amoníaco. El proceso en el que se produce la asimilación en las plantas y luego las bacterias convierten los nitratos en amoníaco se denomina amonificación.

Desde la conversión de amoníaco a nitritos, las bacterias también ayudan en este proceso llamado nitrificación. La mayoría de las bacterias nitrificantes están presentes en los suelos, oxidan el amoníaco en nitritos y de nitritos a nitratos. Finalmente, el proceso de desnitrificación también tiene bacterias presentes para ayudar a convertir los nitratos en una forma gaseosa de nitrógeno en la atmósfera.

Por qué la lluvia ácida hace parte del ciclo del nitrógeno

Lluvia ácida. Otra parte del ciclo del nitrógeno es el resultado de la combustión de material orgánico. … Si bien los óxidos de nitrógeno se consideran nutrientes en el suelo, en la atmósfera es una historia diferente. En la atmósfera, el dióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno reaccionan con el agua para crear ácidos sulfúricos y nítricos.

Influencias humanas en el ciclo del nitrógeno

Como resultado del cultivo extensivo de leguminosas (especialmente la soja, la alfalfa y el trébol), el uso creciente del proceso Haber-Bosch en la creación de fertilizantes químicos y la contaminación emitida por los vehículos y las plantas industriales, los seres humanos han más que duplicado el rendimiento anual. Transferencia de nitrógeno a formas biológicamente disponibles. Además, los humanos han contribuido significativamente a la transferencia de gases traza de nitrógeno de la Tierra a la atmósfera y de la tierra a los sistemas acuáticos. Las alteraciones humanas en el ciclo global del nitrógeno son más intensas en los países desarrollados y en Asia, donde las emisiones de vehículos y la agricultura industrial son más altas.

El óxido nitroso (N2O) ha aumentado en la atmósfera como resultado de la fertilización agrícola, la quema de biomasa, el ganado y los corrales de engorde, y las fuentes industriales. El N2O tiene efectos nocivos en la estratosfera, donde se descompone y actúa como un catalizador en la destrucción del ozono atmosférico. El óxido nitroso es también un gas de efecto invernadero y actualmente es el tercer mayor contribuyente al calentamiento global, después del dióxido de carbono y el metano. Aunque no es tan abundante en la atmósfera como el dióxido de carbono, es, para una masa equivalente, casi 300 veces más potente en su capacidad para calentar el planeta.

El amoníaco (NH3) en la atmósfera se ha triplicado como resultado de las actividades humanas. Es un reactivo en la atmósfera, donde actúa como un aerosol, al disminuir la calidad del aire y aferrarse a las gotas de agua, lo que eventualmente produce ácido nítrico (HNO3) que produce lluvia ácida. El amoníaco atmosférico y el ácido nítrico también dañan los sistemas respiratorios.

La muy alta temperatura del rayo produce naturalmente pequeñas cantidades de NOx, NH3 y HNO3, pero la combustión a alta temperatura ha contribuido a un aumento de 6 o 7 veces en el flujo de NOx a la atmósfera. Su producción es una función de la temperatura de combustión: cuanto más alta es la temperatura, más NOx se produce. La combustión de combustibles fósiles es un contribuyente principal, pero también lo son los biocombustibles e incluso la quema de hidrógeno. Sin embargo, la velocidad a la que el hidrógeno se inyecta directamente en las cámaras de combustión de los motores de combustión interna se puede controlar para evitar las temperaturas más altas de combustión que producen NOx.

El amoníaco y los óxidos nitrosos alteran activamente la química atmosférica. Son precursores de la producción de ozono en la troposfera (atmósfera inferior), que contribuye a la niebla ácida y la lluvia ácida, daña las plantas y aumenta los aportes de nitrógeno a los ecosistemas. Los procesos de los ecosistemas pueden aumentar con la fertilización con nitrógeno, pero los aportes antropogénicos también pueden provocar una saturación de nitrógeno, lo que debilita la productividad y puede dañar la salud de las plantas, los animales, los peces y los seres humanos.

También puede producirse una disminución de la biodiversidad si una mayor disponibilidad de nitrógeno aumenta los pastos que requieren nitrógeno, lo que provoca una degradación de los brezales pobres en nitrógeno y de diversas especies.

Impactos ambientales

Se ha demostrado que los niveles crecientes de depósito de nitrógeno tienen una serie de efectos negativos tanto en los ecosistemas terrestres como en los acuáticos. Los gases de nitrógeno y los aerosoles pueden ser directamente tóxicos para ciertas especies de plantas, afectando la fisiología y el crecimiento de las plantas cerca de grandes fuentes puntuales de contaminación de nitrógeno. También pueden producirse cambios en las interacciones de las especies de plantas, ya que la acumulación de compuestos de nitrógeno aumenta su disponibilidad en un ecosistema dado, lo que eventualmente cambia la composición de las especies, la diversidad de las plantas y el ciclo del nitrógeno.

El amoníaco y el amonio, dos formas reducidas de nitrógeno, pueden ser perjudiciales con el tiempo debido a una mayor toxicidad para las especies sensibles de las plantas, particularmente aquellas que están acostumbradas a usar nitrato como su fuente de nitrógeno, causando un desarrollo pobre de sus raíces y dispara.

El aumento de la deposición de nitrógeno también conduce a la acidificación del suelo, lo que aumenta la lixiviación de los cationes básicos en el suelo y las cantidades de aluminio y otros metales potencialmente tóxicos, junto con la disminución de la cantidad de nitrificación que se produce y el aumento de la basura derivada de las plantas. Debido a los cambios continuos causados ​​por la alta deposición de nitrógeno, la susceptibilidad de un ambiente al estrés ecológico y las perturbaciones, como plagas y patógenos, puede aumentar, lo que hace que sea menos resistente a las situaciones que de otra manera tendrían poco impacto en su vitalidad a largo plazo.

Los riesgos adicionales planteados por la mayor disponibilidad de nitrógeno inorgánico en los ecosistemas acuáticos incluyen la acidificación del agua; eutrofización de sistemas de agua dulce y salada; y problemas de toxicidad para los animales, incluidos los humanos.

La eutrofización a menudo conduce a niveles más bajos de oxígeno disuelto en la columna de agua, incluidas las condiciones hipóxicas y anóxicas, que pueden causar la muerte de la fauna acuática. Los bentos relativamente sésiles, o criaturas que habitan en el fondo, son particularmente vulnerables debido a su falta de movilidad, aunque las grandes muertes de peces no son infrecuentes.

El amoníaco (NH3) es altamente tóxico para los peces y el nivel de amoníaco que se descarga en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales debe ser controlado de cerca. Para prevenir la muerte de peces, a menudo es deseable la nitrificación mediante aireación antes de la descarga. La aplicación del terreno puede ser una alternativa atractiva a la aireación.

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