El ciclo del nitrógeno es el ciclo biogeoquímico del nitrógeno . La mayor parte se debe a la acción de los seres vivos. Los microorganismos del suelo juegan un papel muy importante en el ciclo, proporcionando el metabolismo del nitrógeno en el suelo : el ciclo en el suelo del nitrógeno, que está presente allí en forma de una sustancia simple (gas - N 2 ) e iones: nitritos (NO 2 -), nitratos (NO 3 -) y amonio (NH4 + ). Las concentraciones de estos iones reflejan el estado de las comunidades del suelo, ya que estos indicadores se ven afectados por el estado de la biota (plantas, microflora), el estado de la atmósfera y la lixiviación de diversas sustancias del suelo. Son capaces de reducir la concentración de sustancias que contienen nitrógeno que son perjudiciales para otros organismos vivos. Pueden convertir el amoníaco , tóxico para los seres vivos , en nitratos menos tóxicos y en nitrógeno atmosférico biológicamente inerte. Así, la microflora del suelo contribuye a mantener la estabilidad de sus parámetros químicos.
Las reservas de nitrógeno en la naturaleza son muy grandes. El contenido total de este elemento en los organismos es de más de 25 mil millones de toneladas, también se encuentra una gran cantidad de nitrógeno en el suelo . El nitrógeno está presente en el aire como gas N2 . Sin embargo, el nitrógeno gaseoso, cuyo contenido en la atmósfera alcanza el 78% en volumen, no puede ser asimilado por los eucariotas por sí mismos. Y la capacidad única de convertir el N 2 en compuestos que contienen nitrógeno la poseen algunas bacterias, que se denominan fijadoras de nitrógeno o fijadoras de nitrógeno. La fijación de nitrógeno es posible por muchas bacterias y cianobacterias . Viven en el suelo o en simbiosis con plantas o con varias variedades de animales.
Por ejemplo, las plantas de la familia de las leguminosas (Fabaceae) contienen este tipo de bacterias en sus raíces . Un representante típico de los microorganismos fijadores de nitrógeno de vida libre es Azotobacter , una bacteria Gram-negativa que fija nitrógeno atmosférico. Los productos de fijación de nitrógeno son amoníaco ( NH 3 ), nitritos .
El nitrógeno en forma de amoníaco y compuestos de amonio, obtenido en los procesos de fijación biogénica de nitrógeno, se oxida rápidamente a nitratos y nitritos. Este proceso se denomina nitrificación y lo llevan a cabo bacterias nitrificantes. Sin embargo, no existe tal bacteria que convierta directamente el amoníaco en nitrato. Dos grupos de bacterias siempre participan en su oxidación: algunas oxidan amoníaco, formando nitrito, mientras que otras oxidan nitrito a nitrato. Los géneros más conocidos de bacterias nitrificantes son Nitrosomonas y Nitrobacter .
Las nitrosomonas oxidan el amoníaco:
NH 3 + 1½ O 2 = (NO 2 -) + 2H+ + H 2 ONitrobacter oxida nitrito:
(NO 2 -) + ½ O 2 \u003d NO 3 -Las bacterias oxidantes de amoníaco proporcionan un sustrato para las bacterias oxidantes de nitrito. Dado que las altas concentraciones de amoníaco tienen un efecto tóxico en Nitrobacter, Nitrosomonas, al usar amoníaco y formar ácido, mejora las condiciones de vida de Nitrobacter.
Los nitrificantes son bacterias Gram negativas pertenecientes a la familia Nitrobacteraceae. No necesitan compuestos reducidos de carbono para su normal crecimiento y reproducción, son capaces de reducir el CO 2 a compuestos orgánicos, utilizando la energía de oxidación de los compuestos nitrogenados minerales: amoníaco y nitritos. Es decir, los nitrificantes son bacterias que son capaces de alimentarse exclusivamente de compuestos inorgánicos y realizar el proceso de quimiosíntesis, la síntesis de compuestos orgánicos a partir de minerales. La quimiosíntesis es una forma que tienen los seres vivos de asimilar el carbono inorgánico, alternativa a la fotosíntesis .
Las plantas usan nitratos para formar varias sustancias orgánicas. Los animales consumen proteínas vegetales, aminoácidos y otras sustancias que contienen nitrógeno con los alimentos. Así, las plantas ponen nitrógeno orgánico a disposición de otros organismos consumidores.
Todos los organismos vivos suministran nitrógeno al medio ambiente. Por un lado, todos ellos segregan productos del metabolismo nitrogenado durante su actividad vital: amoníaco, urea y ácido úrico. Los dos últimos compuestos se descomponen en el suelo con la formación de amoníaco (que, cuando se disuelve en agua, da iones de amonio).
El ácido úrico secretado por aves y reptiles también es rápidamente mineralizado por grupos especiales de microorganismos para formar NH 3 y CO 2 .
Por otro lado, el nitrógeno incluido en la composición de los seres vivos, después de su muerte, sufre amonificación (descomposición de compuestos nitrogenados complejos con liberación de amoníaco e iones amonio (NH 4 + )) y nitrificación.
Los productos de nitrificación - NO 3 - y (NO 2 -) se desnitrifican aún más. Este proceso se debe enteramente a la actividad de las bacterias desnitrificantes, que tienen la capacidad de reducir el nitrato a través del nitrito a óxido nitroso gaseoso (N 2 O) y nitrógeno (N 2 ). Estos gases se liberan libremente a la atmósfera.
10 [H] + 2 H+ + 2NO 3 - = N 2 + 6 H 2 OEn ausencia de oxígeno, el nitrato sirve como aceptor final de hidrógeno.
La capacidad de obtener energía mediante el uso de nitrato como aceptor final de hidrógeno para formar una molécula de nitrógeno está muy extendida en las bacterias.
Las pérdidas temporales de nitrógeno en áreas limitadas del suelo están indudablemente asociadas con la actividad de las bacterias desnitrificantes.
Así, el ciclo del nitrógeno es imposible sin la participación de la microflora del suelo.
Los compuestos de nitrógeno digeribles pueden acumularse en el suelo en forma inorgánica (nitrato) o pueden incorporarse a un organismo vivo como nitrógeno orgánico . La asimilación y la mineralización determinan la absorción de compuestos nitrogenados del suelo, su asociación en biomoléculas vegetales y su conversión en nitrógeno inorgánico después de la muerte de la planta, respectivamente. La asimilación es la conversión de nitrógeno inorgánico (como el nitrato) en una forma orgánica de nitrógeno, como los aminoácidos . El nitrato es convertido por enzimas primero en nitrito ( nitrato reductasa ), luego en amoníaco ( nitrito reductasa ). El amoníaco es parte de los aminoácidos.
En ausencia de actividad humana, los procesos de fijación de nitrógeno y nitrificación están casi completamente equilibrados por reacciones opuestas de desnitrificación . Parte del nitrógeno ingresa a la atmósfera desde el manto con erupciones volcánicas, parte se fija firmemente en suelos y minerales arcillosos, además, el nitrógeno se filtra constantemente desde las capas superiores de la atmósfera hacia el espacio interplanetario. Pero en la actualidad, el ciclo del nitrógeno está influenciado por muchos factores causados por el hombre.
El primero es la lluvia ácida , un fenómeno en el que se produce una disminución del pH de la lluvia y la nieve debido a la contaminación del aire por óxidos ácidos (por ejemplo, los óxidos de nitrógeno). La química de este fenómeno es la siguiente. Para quemar combustibles fósiles, los motores de combustión interna y las calderas se alimentan con aire o una mezcla de combustible con aire. Casi 4/5 del aire se compone de gas nitrógeno y 1/5 de oxígeno . A las altas temperaturas creadas en el interior de las instalaciones, inevitablemente se produce la reacción del nitrógeno con el oxígeno y se forma óxido de nitrógeno:
N 2 + O 2 \u003d 2NO - QEsta reacción es endotérmica y ocurre naturalmente durante las descargas de rayos, y también acompaña a otros fenómenos magnéticos similares en la atmósfera. Hoy, como resultado de sus actividades, una persona aumenta considerablemente la acumulación de óxido nítrico (II) en el planeta.
El óxido nítrico (II) se oxida fácilmente a óxido nítrico (IV) incluso en condiciones normales:
2NO + O 2 \u003d 2NO 2Luego, el óxido nítrico reacciona con el agua atmosférica para formar ácidos:
2NO2 + H2O \ u003d HNO3 + HNO2se forman los ácidos nítrico y nitroso . En las gotas de agua atmosférica, estos ácidos se disocian con la formación de iones de nitrato y nitrito, respectivamente, y los iones ingresan al suelo con la lluvia ácida.
El segundo grupo de factores antropogénicos que influyen en el intercambio de nitrógeno de los suelos son las emisiones tecnológicas. Los óxidos de nitrógeno son uno de los contaminantes del aire más comunes. Y el constante crecimiento de la producción de amoníaco, ácido sulfúrico y nítrico está directamente relacionado con el aumento del volumen de los gases de escape y, en consecuencia, con el aumento de la cantidad de óxidos de nitrógeno emitidos a la atmósfera. El tercer grupo de factores es la sobrefertilización de los suelos con nitritos, nitratos ( salitre ) y abonos orgánicos.
Y finalmente, el intercambio de nitrógeno de los suelos se ve afectado negativamente por un mayor nivel de contaminación biológica. Posibles causas: descarga de aguas residuales, incumplimiento de las normas sanitarias (paseo de perros, vertederos de residuos orgánicos no controlados, mal funcionamiento de los sistemas de alcantarillado, etc.). Como resultado, el suelo se contamina con amoníaco, sales de amonio, urea , indol, mercaptanos y otros productos de descomposición de la materia orgánica. Se forma una cantidad adicional de amoníaco en el suelo, que luego es procesado por bacterias en nitratos.
Hay un intercambio constante de elementos químicos entre la litosfera , la hidrosfera , la atmósfera y los organismos vivos de la Tierra. Este proceso es cíclico: al pasar de una esfera a otra, los elementos vuelven nuevamente a su estado original.
Las biocenosis antropogénicas son comunidades naturales especiales formadas bajo la influencia directa del hombre, quien por sí mismo puede crear nuevos paisajes y cambiar gravemente el equilibrio ecológico. Además, la actividad humana tiene un gran impacto en el ciclo de los elementos. Se ha vuelto especialmente notorio en el siglo pasado, porque ha habido cambios serios en los ciclos naturales debido a la adición o remoción de químicos presentes en ellos como resultado de influencias inducidas por el hombre.
El nitrógeno es necesario para la existencia de animales y plantas: forma parte de proteínas , aminoácidos , ácidos nucleicos , clorofila , gemas , etc. En este sentido, una cantidad importante de nitrógeno ligado se encuentra en los organismos vivos, "orgánicos muertos" y materia dispersa de los mares y océanos.
Es muy importante estudiar y controlar el ciclo del nitrógeno, especialmente en biocenosis antropogénicas, porque un pequeño fallo en cualquier parte del ciclo puede acarrear graves consecuencias: contaminación química severa de los suelos, sobrecrecimiento de las masas de agua y contaminación por productos de descomposición de los muertos. materia orgánica (amoníaco, aminas , etc.), alto contenido de compuestos nitrogenados solubles en el agua potable.
Para estudiar las características del ciclo del nitrógeno, puede utilizar una metodología integral para estudiar el contenido de iones de nitrito (NO 2 -), nitrato (NO 3 -) y amonio (NH 4 +) en el suelo y sus indicadores microbiológicos.