Los caminos del NITRÓGENO en los PROCESOS BIOLÓGICOS. Actividades humanas que afectan el Ciclo General del Nitrógeno: agricultura, fijación industrial del nitrógeno y utilización de fertilizantes

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Llegamos a la intervención humana en los caminos del nitrógeno.

Fig. 1. Plantación de maíz (Zea mays). El cultivo de maíz requiere cantidades considerables de fertilizantes industriales. Imagen tomada de pixabay.

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Hola amigos. En esta ocasión comenzaremos a recorrer los caminos del nitrógeno activo producido por las actividades del ser humano.

En el post anterior sobre los caminos del nitrógeno llegamos a un esquema general que nos muestra los diferentes caminos que recorre el nitrógeno en su ciclo general.

Recordemos este esquema general:

Fig. 2. Esquema general de los caminos del nitrógeno en la naturaleza. Las flechas, según su color, indican las rutas del nitrógeno en la naturaleza: fijación abiótica en anaranjado, fijación biótica por diazótrofos libres en azul, fijación biótica por diazótrofos simbióticos en verde, rutas comunes para los tres tipos de fijaciones en negro y ruta geológica en morado. Elaborado por:

@josedelacruz

Pero, este ciclo, con sus fijaciones y sus caminos, constituye la forma natural como se desplaza o mueve el nitrógeno en la naturaleza sin la intervención del ser humano.

El ciclo, hoy en día, sufre los efectos de algunas actividades realizadas por los seres humanos que lo alteran o modifican.

En este post veremos algunas de estas estas actividades. Específicamente la agricultura, fijación industrial del nitrógeno y utilización de fertilizantes.

Para comprender de una forma más precisa los efectos de la intervención humana sobre los caminos del nitrógeno es necesario aclarar primero algunos aspectos sobre las formas utilizables o no utilizables del nitrógeno por parte de los organismos.

¿Qué se entiende por formas utilizables o no utilizables de nitrógeno por los organismos?

Una forma o estado del nitrógeno es utilizable o aprovechable por un organismo cuando este puede incorporarlo en su cuerpo y obtener de él algún beneficio.

Por lo tanto, una forma o estado del nitrógeno no es utilizable o aprovechable por un organismo cuando este no puede incorporarlo en su cuerpo y obtener de él algún beneficio.

Por ejemplo, el nitrógeno molecular o atmosférico (N2), puede ser incorporado y transformado por los diazótrofos libres o simbióticos. Razón por la cual el N2 es utilizable por diazótrofos.

Pero, el N2 no puede ser incorporado o asimilado por el resto de los organismos que no son diazótrofos como animales, protozoos, bacterias no fijadoras, hongos, etc. O sea, el N2 no es utilizable por organismos que no son diazótrofos.

Así, cada forma o grupo de formas de nitrógeno puede ser utilizada por grupos determinados de organismos quienes lo transforman en otro tipo o forma de nitrógeno que a su vez puede ser utilizada por otro grupo distinto de organismos.

Los vegetales, por ejemplo, aprovechan el amonio y el nitrato y lo asimilan convirtiéndolo en nitrógeno orgánico. Este nitrógeno orgánico a su vez es aprovechado por otros organismos como herbívoros y carnívoros.

Pero el amonio también es utilizable por las Bacterias Nitrificantes 1 (BN1) que lo transforman en nitrito que es utilizable por las Bacterias Nitrificantes 2 (BN2) que a su vez lo convierten en nitrato. Y podemos seguir en una cadena de transformaciones que se repiten constantemente durante el Ciclo del Nitrógeno.

En todo lo anterior se aprecia lo siguiente.

Cada forma o grupo de formas del nitrógeno que participa en el Ciclo General tiene una fuente de origen, grupos de organismos que la utilizan y la transforman y grupos de organismos que no la utilizan.

En base a los organismos que utilizan alguna forma del nitrógeno podemos elaborar el siguiente esquema:

Fig. 3. Esquema general de la participación de los organismos en las transformaciones del nitrógeno. Una forma determinada del nitrógeno es transformada a otra por organismos repitiéndose este proceso muchas veces en cada vuelta del Ciclo del Nitrógeno. Elaborado por:

@josedelacruz

Cualquiera que sea la forma del nitrógeno siempre habrá un grupo de organismos o un proceso (como el abiótico a partir de la energía de los rayos, erupciones, etc) que lo transforme a otra forma y esta nueva forma recibirá el mismo tratamiento por otros organismos u otro proceso.

Los procesos abióticos producen modificaciones en el esquema anterior. Si suponemos que la FORMA 1 es N2 esta puede ser transformada a la FORMA 2* por procesos abióticos la cual seguirá una ruta similar a la FORMA 2.

Llamemos a la primera vía RUTA 1 y a la segunda RUTA 2 e incorporemos esta modificación en nuestro esquema:

Fig. 4. Esquema general de la participación de los organismos en las transformaciones del nitrógeno e inclusión de la transformación abiótica. Elaborado por:

@josedelacruz

Obsérvese que, si la FORMA 1 es N2, en la RUTA 1 los ORGANISMOS 1 son los diazótrofos libres o los simbióticos y en la RUTA 2 los ORGANISMOS 1* son los vegetales o las bacterias desnitrificantes dependiendo del camino que se siga.

En base a lo anterior, decir que, una forma de nitrógeno no es utilizable es relativo. Esto es debido a que puede ser no utilizable para algunos grupos de organismos pero si serlo para otros grupos.

Entonces, tenemos que, existen diversas formas de nitrógeno, pero que, cada forma o grupo de formas es aprovechada o utilizada por grupos determinados de organismos.

Como cada forma o grupo de formas tiene una fuente de origen, grupos de organismos que la utilizan y la transforman, una nueva forma y grupos de organismos que no la utilizan, podemos elaborar un cuadro que contenga, por lo menos, algunos casos relacionados con el Ciclo del Nitrógeno:

Cuadro 1. Las formas del nitrógeno y los organismos señalados en el cuadro forman parte del Ciclo del Nitrógeno. Elaborado por:

@josedelacruz

Con una visión más clara de lo que se entiende por formas utilizables y no utilizables del nitrógeno por los seres vivos pasemos a desarrollar nuestro punto principal.

Hemos visto que el ciclo natural del nitrógeno está formado por otros ciclos más pequeños que se conectan entre sí para conforman el Ciclo General del Nitrógeno.

En este ciclo general el nitrógeno tiene sus fuentes naturales, sus fijaciones, sus pérdidas, etc. O sea, tiene sus caminos naturales.

Como ya vimos en post anteriores las fijaciones naturales (abióticas y bióticas) aseguran el nitrógeno necesario a los seres vivos. O sea, las fijaciones introducen en el ciclo la cantidad necesaria de nitrógeno manteniéndose un equilibrio entre las fijaciones y las pérdidas.

Sin embargo, el ser humano, con sus actividades, ha ido, paulatinamente, rompiendo ese equilibrio. Esta ruptura tiene sus efectos tanto para la naturaleza como para el ser humano.

Tenemos, entonces, dos aspectos a considerar: las actividades humanas que rompen el equilibrio en el ciclo y los efectos que esto tiene sobre la naturaleza y el ser humano.

En esta ocasión haremos referencias a las actividades humanas que rompen el equilibrio en el ciclo específicamente la agricultura, la fijación industrial del nitrógeno y la utilización de fertilizantes.

En post posteriores nos centraremos en los efectos que tienen estas actividades sobre la naturaleza y el ser humano.

El nitrógeno que está en equilibrio en la naturaleza, en el Ciclo General del Nitrógeno, se presenta en diversas formas. Algunas de ellas aparecen en el cuadro 1.

Todos estos estados del nitrógeno tienen, en forma natural, su entrada y su salida en equilibrio, por lo que cada una de ellas existe en una cantidad determinada dentro del ciclo.

Si disminuimos una o varias de las formas afectamos el ciclo. Pero si las aumentamos también afectamos el ciclo.

Pongamos ejemplos relacionados con las actividades seleccionadas: agricultura, fijación industrial del nitrógeno y utilización de fertilizantes.

Si se utiliza la tierra para cultivos de Plantas no Simbiontes con Diazótrofos (PNSD) repetidas veces se puede apreciar que la cosecha será cada vez menos y de menor calidad.

Esto se debe a que cada cultivo extrae los minerales del suelo, entre ellos el nitrógeno en sus formas útiles para las plantas, y no aporta casi nada o nada al suelo por lo que el nitrógeno (y otros minerales) en sus formas de amonio y/o nitrato va quedando cada vez más disminuido.

Hemos empobrecido el suelo. Hemos afectado el equilibrio natural de sus minerales.

Esto afecta la productividad y la ecología del suelo.

Representemos esta acción humana:

Fig. 5. Empobrecimiento del suelo debido a repetidos cultivos con Plantas no Simbiontes con Diazótrofos (PNSD). La cantidad de nutrientes en el suelo donde se realizó el primer cultivo (C1) era óptima o muy buena (indicado por el color verde intenso). Esta cantidad de nutrientes disminuye (indicado por la degradación del color verde y la flecha) a medida que se repite este tipo de cultivo en el mismo suelo. Elaborado por:

@josedelacruz

El ser humano, creador del problema, encontró formas de solucionar esta situación.

Una de ellas es rotando cultivos (Fig. 6) de PNSD con cultivos de Plantas Simbiontes con Diazótrofos (PSD). Este último cultivo permite la recuperación, por lo menos, en cuanto al nitrógeno disponible del suelo utilizado.

Fig. 6. La rotación de cultivos con PNSD con cultivos con PSD permite la recuperación de los suelos por lo menos en cuanto al nitrógeno disponible. La intensidad del color verde indica la disminución o la recuperación del nitrógeno. Elaborado por:

@josedelacruz

Otra solución consiste en la aplicación de fertilizantes industriales que cubren las necesidades de nutrientes del suelo.

Sin embargo, la aplicación de fertilizantes industriales soluciona un problema pero crea otros.

Se sabe que entre el 50 y 60 % del nitrógeno aplicado a los cultivos no es utilizado por estos. Sería excelente si todo ese exceso de nitrógeno permaneciera en el suelo hasta el próximo cultivo. Eso representaría un ahorro en fertilizantes para la próxima siembra.

Pero no es exactamente lo que sucede. Ese nitrógeno puede emprender varios caminos iniciando varios procesos. Procesos que comienzan desde el mismo momento que se aplican los fertilizantes y continúan hasta después que se recoge la cosecha.

Por un lado, puede fomentar la proliferación de plantas consideradas malezas a las cuales, mientras no se ha recogido la cosecha, se le aplica veneno que puede originar problemas ambientales.

También, la lluvia o el exceso de riego pueden arrastrar el nitrógeno que está en forma de nitrato o amoníaco hasta lagunas, lagos, ríos, etc ocasionando problemas de eutrofización.

Además, el nitrato, a través del proceso de desnitrificación puede aportar a la atmósfera nitrito (NO2-), óxido nítrico (NO), óxido nitroso (N2O) y nitrógeno molecular (N2).

Los problemas lo crean las formas intermedias: nitrito, óxido nítrico y óxido nitroso.

También, si los fertilizantes industriales contienen formas amoniacales una parte de ellos se pierde o va a la atmósfera por volatilización originando problemas ambientales atmosféricos. Igualmente pueden ser arrastrados a cuerpos de agua causando eutrofización.

Lógicamente, estas mismas formas de nitrógeno son aportadas a la atmósfera en el proceso natural. Pero la diferencia estriba en que en esta ocasión provienen de un suministro de nitrógeno activo que se le aplica a los cultivos. Por lo tanto, son cantidades extras de nitrógeno que entran en juego.

Veamos por qué es nitrógeno extra.

A través de las fijaciones abióticas y bióticas que suceden en la naturaleza se fijan toneladas de nitrógeno atmosférico al año. Este proceso natural es el que se mantiene en equilibrio con las perdidas.

Pero, actualmente el ser humano, a través del Método de Haber-Bosch, fija también toneladas de nitrógeno atmosférico que se suman a las toneladas fijadas en forma natural.

A esto se le suma el hecho de que las cantidades de terreno cultivado han aumentado considerablemente. Eso se traduce en más uso de fertilizantes industriales.

Por lo tanto, todo el nitrógeno que entra al ciclo por la fijación industrial es nitrógeno extra.

Todo ese nitrógeno extra conduce a la existencia de mayor cantidad de nitrógeno en sus diferentes formas activas en determinados espacios: lagos, lagunas, ríos, atmósfera, etc.

Debemos entender algo. La cantidad de nitrógeno total en el planeta no varía. O sea, se mantiene más o menos constante.

Eso nos dice que, por los momentos, el problema no es la cantidad de nitrógeno en el planeta. El problema es el exceso de algunas formas de nitrógeno en un espacio determinado y en un momento dado.

Y precisamente, el nitrógeno colocado a los cultivos, a través de fertilizantes industriales, puede aumentar las formas de nitrógeno en otros espacios (ríos, lagunas, atmósfera, etc) causando diversos problemas.

Representemos gráficamente este segundo caso relacionado con la agricultura, la fijación industrial y la utilización de fertilizantes:

Fig. 7. Caminos que puede tomar el nitrógeno contenido en los fertilizantes industriales aplicados a los cultivos. Elaborado por:

@josedelacruz

Debemos tener presente que para que la agricultura cause aumento de las diversas formas de nitrógeno en el ambiente se necesita de la fijación industrial del nitrógeno a través del Método de Haber-Bosch para después producir fertilizantes industriales. A estas dos actividades se le agrega la aplicación inadecuada de los fertilizantes.

Tenemos, entonces, tres actividades relacionadas que influyen en el aumento de formas nitrogenadas activas en los ambientes: agricultura ampliada, producción de fertilizantes industriales en grandes cantidades y aplicación generalizada de fertilizantes a los cultivos.

Vemos que, a través del proceso natural se fijan toneladas de nitrógeno que entran (entrada natural) al Ciclo del Nitrógeno y a través de la fijación industrial se obtienen cantidades similares de nitrógeno activo que también, al usarlos intensivamente como fertilizantes, entran (entrada industrial) al Ciclo del Nitrógeno.

Esto produce exceso de nitrógeno en sus formas activas que, como ya señalamos, tiene como destino los cuerpos de agua, donde produce eutrofización, y a la atmósfera, donde causa problemas atmosféricos o ambientales.

Representemos estas dos entradas (natural e industrial) de nitrógeno fijado al Ciclo del Nitrógeno:

Fig. 8. Entrada de nitrógeno por fijación natural e industrial al Ciclo del Nitrógeno. En este caso se visualiza el aporte de nitrógeno al ciclo por acción del ser humano a través de los fertilizantes utilizados en la agricultura. Elaborado por:

@josedelacruz

Además de la entrada de formas activas del nitrógeno al ciclo derivadas de la utilización de fertilizantes industriales hay que agregarles o tomar en cuenta las que se derivan de los cultivos de vegetales simbiontes con diazótrofos principalmente leguminosas.

Aunque son fijaciones realizadas por seres vivos (fijación biológica) el incremento de esta forma de fijación es causada por el ser humano a través de la agricultura ya que es quien ha aumentado el cultivo de leguminosas para su beneficio.

El aumento de este tipo de cultivos también incrementa considerablemente las formas activas del nitrógeno que entran en el ciclo aunque en ellos no se emplean fertilizantes industriales.

Esta otra entrada de nitrógeno al ciclo modifica nuestro esquema:

Fig. 9. Entrada de nitrógeno por fijación natural, fijación por cultivos de vegetales simbiontes con diazótrofos y por fijación industrial al Ciclo del Nitrógeno. En este caso se visualiza el aporte de nitrógeno al ciclo por acción del ser humano a través de los cultivos de vegetales simbiontes con diazótrofos. Elaborado por:

@josedelacruz

Arriba señalamos tres actividades muy relacionadas que influyen en el aumento de formas nitrogenadas activas en los ambientes. Ellas son: agricultura ampliada, producción de fertilizantes industriales en grandes cantidades y aplicación generalizada de fertilizantes a los cultivos.

La actividad de cultivos de vegetales con diazótrofos encaja en la categoría de agricultura ampliada por lo que seguimos teniendo tres actividades principales que influyen en el aumento de nitrógeno activo en el ambiente.

Además de estas tres actividades que afectan el Ciclo del Nitrógeno existen otras las cuales desarrollaremos en los próximos post.

Espero les haya gustado y les sea de utilidad.

Lecturas recomendadas:

• Bleeker A. y otros. Actividades relacionadas con el ciclo del NITRÓGENO en EUROPA. Medio ambiente (2008)

• El ciclo del nitrógeno. Khan Academy

• El problema global del nitrógeno. Sociedad y Medio Ambiente. Fundación Vida Sostenible (2010)

• Fernández-Pascual M., y otros. Fijación biológica del nitrógeno: factores limitantes. Ciencia y Medio Ambiente- CCMA-CSIC (2002)

• Harrison, J. A. (PH.D.). El Ciclo del Nitrógeno: DE Microbios y de Hombres. Los Ciclos de la Tierra (2003)

• Incrementos de la fijación biológica del nitrógeno. Por roldantg en monografías.com

• Murray T., Guillermo y Murray P., Guillermo. La cascada del nitrógeno

• Nitrógeno y medio ambiente – Lixiviación, Volatización y Óxidos de nitrógeno. AgroEs.es

• Pajares M., Silvia. La cascada del nitrógeno ocasionada por actividades humanas. Oikos= (2016)

• Riascos P., J. Ch. y otros. ¿Qué factores humanos afectan dramáticamente al Ciclo del Nitrógeno y cómo evitarlos? Problemática. Publicado por Unkown (2015)

• Rodríguez Barrueco C. y otros. La fijación de nitrógeno atmosférico. Una Biotecnología en la producción agraria. Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología. 1ra Edición (1984)

• Vitousek, Peter M. y otros. Alteración Antrópogenica (sic) del Ciclo Global del Nitrógeno: Causas y Consecuencias. Tópicos en Ecología, Número 1 (1997)

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Saludos estimado @josedelacruz. Excelente tu artículo, llama a la reflexión como hemos causado tantos desequilibrios sobre los ecosistemas, es interesante como al empobrecer el suelo con el exceso de cultivos hemos creado tantos problemas al buscar una solución para ello, el interés de producir ha tenido mucha prioridad sobre el de conservar.

Hola @emiliomoron. Gracias. Así amigo. Pareciera que el ser humano (me refiero a los que la están buscado) no encuentra la forma de satisfacer sus necesidades sin perjudicar a la naturaleza. Saludos.

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