Desnitrificación, Nitrificación y Asimilación del Nitrógeno en el Suelo: Procesos Microbianos y Vegetales
Desnitrificación
Desnitrificación: Muchos tipos de organismos anaerobios son capaces de utilizar el NO3- o el NO2- como fuente de O2 en lugar del O2 molecular. Ocurre normalmente cuando el suelo se encuentra muy pantanoso y tiene lugar la descomposición anaerobia. El NO3- se reduce en una serie de pasos a óxido nitroso y N2, los cuales son después liberados dentro de la atmósfera. Este proceso de desnitrificación microbiana da lugar a una pérdida de N del sistema del suelo.
Así, la desnitrificación se ve fomentada por las condiciones de alta humedad en el suelo, la presencia de materia orgánica fresca en el suelo y una tensión baja de O2 en el agua del suelo. En los suelos bien aireados, las velocidades de desnitrificación son normalmente más bajas que en los suelos arcillosos.
Dilz y Woldendorp (1960) observaron que las pérdidas por desnitrificación eran particularmente altas cuando había raíces abundantes presentes en el medio del suelo. Se supone que la exudación de las raíces estimula a la bacteria desnitrificante y, por tanto, se aumentan las pérdidas por desnitrificación. Esto está de acuerdo con los hallazgos de Roldenier (1973), quien observó en experimentos realizados en soluciones de cultivo con arroz que un aumento en la actividad microbiana en la rizosfera daba lugar a una disminución en el contenido de O2 en el medio de la raíz y, por tanto, mejoraba las condiciones de desnitrificación.
Generalmente, el escape del N gaseoso desde el medio del suelo hacia la atmósfera es admitido como una pérdida de nutriente, lo cual no es deseado. Por otro lado, cantidades considerables de NO3- son probablemente desnitrificadas cuando se drenan hacia las partes más profundas del perfil del suelo, por lo que la velocidad de transferencia del NO3- al subsuelo se ve disminuida. La desnitrificación puede tener, por tanto, un efecto muy beneficioso previniendo la contaminación del agua con NO3-.
Nitrificación
Nitrificación: La oxidación biológica del NH4+ a NO3- se conoce como nitrificación. Este proceso consta de 2 pasos: el NH3 se oxida primero a NO2-, el cual es posteriormente oxidado a NO3-. El proceso está mediado por bacterias autótrofas (bacterias que obtienen su energía de la oxidación de sales inorgánicas y usan CO2 como fuente de carbono).
Dos grupos de bacterias muy específicos se encuentran presentes:
- La conversión del NH4+ a NO2- se lleva a cabo totalmente por las Nitrosomonas.
- La oxidación del NO2- a NO3- la efectúa el Nitrobacter.
Ambos grupos son obligatoriamente aerobios, por lo que solo pueden vivir en un medio donde el O2 se encuentra disponible. En suelos pantanosos la oxidación del NH4+ se ve restringida. Además, la bacteria nitrificante prefiere unas condiciones de pH más neutras que ligeramente ácidas.
Las dos etapas de la oxidación del NH4+ a NO3- tienen lugar como se indica:
2NH4+ + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + 2H+
2HNO2 + O2 → 2H+ + 2NO3-
Neto: 2NH4+ + 4O2 → 2NO3- + 4H+ + 2H2O
En el período de incubación de 14 días prácticamente todo el NH4+ fue oxidado a NO3-, con una pérdida de pH en el suelo. Después de una semana de incubación apareció un pico en el contenido de NO2- que después desapareció debido a la actividad del Nitrobacter. Generalmente el NO2- no suele acumularse en el suelo, ya que el NO2- formado se oxida rápidamente por el Nitrobacter.
Ambos géneros de bacterias funcionan en serie. El NH3 se convierte rápidamente en NO3-, siempre que las condiciones sean apropiadas para la bacteria nitrificante en el suelo. En el campo, la nitrificación suele ocurrir a una velocidad más baja, ya que, como se ha dicho, en los suelos de pH bajos y en los suelos inundados la nitrificación se ve restringida o completamente inhibida. La nitrificación también se ve disminuida en los suelos secos.
Los nitrificantes oxidan tanto el NH4+ liberado por la amonificación como el NH4+ aplicado en forma de fertilizante. Los fertilizantes de NH4+ son convertidos también a nitratos. La velocidad a la que esto tiene lugar depende de las condiciones existentes en el suelo.
En la práctica se presenta normalmente el caso de que el suelo está tratado con NH4+-N, pero la captación por parte de la cosecha ocurre principalmente como NO3-. La nitrificación puede ser suprimida o incluso prevenida por los diferentes inhibidores de la nitrificación. Un producto químico muy conocido de este tipo es la 2-cloro-6-(triclorometil)-piridina, conocido comercialmente con el nombre de N-Serve. Nielsen et al. (1967) publicaron que la aplicación de este inhibidor al suelo previene completamente la formación de NO3- y se observa una acumulación de NH4+ más eficiente.
Mediante la aplicación de los inhibidores de la nitrificación al suelo, la conversión del NH4+ a NO3- se ve prevenida y, por tanto, también la pérdida de N a causa del drenaje del NO3-, tan móvil. La prevención de la nitrificación ha sido usada para mantener los contenidos de NO3- de ciertas cosechas a un nivel bajo.
Asimilación y Reducción del NO3-
Asimilación y reducción del NO3-: La mayor parte del NH4+ tiene que ser incorporado a los aminoácidos, mientras que los NO3- necesitan reducirse en la raíz o en la parte aérea. Las raíces pueden acumular nitratos en sus vacuolas, raíces y frutos. Este sistema de almacenamiento de NO3- les hace ser útiles para el equilibrio iónico y la osmorregulación de la planta.
Para intervenir en la osmorregulación, el N debe reducirse hasta amoníaco. Este proceso de reducción consiste en la fijación de CO2:
NO3- + 8H+ + 8e- → NH3 + 2H2O + OH-
La entrada de NO3- consume 2H+. El paso de NO3- a amonio requiere un paso intermedio:
Nitrato → Nitrito → Amonio
Nitrato reductasa (modulable)
La fijación requiere la presencia de FAD, grupo hemo y un átomo de molibdeno. Su donador de electrones es el NADPH (hoja) o el NADH (raíz). El paso de NO2- a NH4+ ocurre en el interior de los cloroplastos por la nitrito reductasa. Durante la reducción del NO3- existe un transporte de electrones. La enzima se inhibe por el propio proceso de nitratos. El Mo la estimula y un aumento del aporte de P facilita su activación.
Lugar de reducción
Puede ocurrir en la raíz o en la parte aérea. En la raíz se reducen y pueden transformarse los nitritos en amonio.
Nitrito reductasa
En la reducción de NO2- a NH4+ actúa la nitrito reductasa, que no está modulada:
NO2- → NH4+ + NH3
Es una enzima de bajo peso molecular, requiere Fe, recibe los electrones de una ferredoxina reducida y es cloroplastidial.
Nódulos determinados e indeterminados
Nódulos determinados e indeterminados: Los nódulos se establecen en la planta cuando son infectados con una bacteria. Se han clasificado en nódulos determinados e indeterminados. Los determinados alcanzan una forma y tamaño concretos y dejan de crecer. Los indeterminados crecen indefinidamente.
Nódulos indeterminados
Son los más evolucionados y parasitan leguminosas de clima templado. Su forma es alargada; el meristemo nodular persiste y el cordón de infección es ancho. Estos nódulos tienen cuatro zonas:
- Zona meristemática: donde se forman los distintos tejidos del nódulo en desarrollo.
- Zona de infección: donde la bacteria sigue liberándose de los cordones de infección y la mitad de las células no están infectadas.
- Zona simbiótica: ocupada por bacteroides maduros y con fijación activa de N2.
- Zona de senescencia: aparece en el envejecimiento del nódulo.
Nódulos determinados
Abundan en plantas tropicales. Son nódulos efímeros, ya que mueren cuando terminan de crecer. Son esféricos. Cuando son maduros, su actividad mitótica es nula. Aquí la senescencia se da en el centro del nódulo y los compuestos transportados son mayoritariamente ureídos. El cordón de infección es estrecho. El meristemo se encuentra alrededor del nódulo y determina su crecimiento. La disposición que presentan los nódulos determinados permite un mayor flujo de agua procedente de la transpiración a través del nódulo. Este flujo es necesario para el transporte de ureídos.