Fijación biológica de nitrógeno: cómo funciona

El nitrógeno es un nutriente esencial que apoya el crecimiento de las plantas, y la fijación de nitrógeno es una de las formas en que las plantas lo obtienen para crecer. Las bacterias fijadoras de nitrógeno en el suelo toman el gas nitrógeno (N) y lo convierten en una forma utilizable para las plantas. Estas formas vienen en varios tipos, pero la fijación simbiótica de nitrógeno es la más común. Esta es la relación que tienen las legumbres con las bacterias. 

Las leguminosas son una parte importante de la rotación de cultivos y la construcción del suelo. Debido a su relación con las bacterias fijadoras de nitrógeno, agregan nitrógeno para cultivos futuros en una rotación. Si tiene curiosidad acerca de la rotación de cultivos, ¡considere leer nuestro artículo sobre ese tema!

Este artículo debería darle una idea del nitrógeno como nutriente vegetal, información sobre la dinámica del nitrógeno y una comprensión de los tipos de nitrógeno presentes en el suelo. Comprender la fijación biológica de nitrógeno lo ayuda a comprender las interacciones planta-microbio. Comprender cómo funciona el nitrógeno fijo también ayuda a los jardineros a comprender cómo utilizar ciertas plantas en una rotación. 

El nitrógeno como nutriente vegetal

El nitrógeno es un componente crítico del crecimiento de las plantas. En general, las plantas necesitan nitrógeno en mayor cantidad en comparación con otros nutrientes. En las plantas, el nitrógeno se utiliza para la clorofila. La clorofila es lo que hace que las plantas sean verdes. Reside dentro de los cloroplastos fotosintéticos. El nitrógeno es fundamental en los aminoácidos, que sirven como componentes básicos de las proteínas. 

¿Por qué los aminoácidos son tan importantes para la fisiología vegetal? Bueno, producen clorofila que se relaciona directamente con la fotosíntesis. Cuando un microorganismo fijador de nitrógeno tiene una relación saludable con una planta, una membrana derivada de la planta llamada membrana tilacoide les da a los cloroplastos una absorción de luz más fácil. Una mejor absorción de la luz conduce a una mejor absorción de agua y nutrición de las plantas. 

Formas de nitrógeno 

Hay varias formas de nitrógeno en el mundo vegetal. Las dos formas utilizadas por las plantas son nitrato y amonio. El nitrato es un compuesto nitrogenado con carga negativa compuesto por un átomo de nitrógeno y tres átomos de oxígeno. Un compuesto cargado positivamente con un átomo de nitrógeno y cuatro átomos de hidrógeno forman amonio. Si las plantas pueden elegir entre nitrato y amonio, prefieren el nitrato. Sin embargo, ambas son formas aceptables para las plantas en la economía del nitrógeno. 

Hay algunas otras formas importantes de nitrógeno involucradas con las plantas y el ciclo del nitrógeno. El gas dinitrógeno constituye el 78% del aire que nos rodea. Está hecho de dos átomos de nitrógeno unidos por triple enlace. Estos lazos son extremadamente difíciles de romper. Otro compuesto nitrogenado gaseoso importante es el amoníaco. Un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno forman amoníaco. Este gas tóxico es parte del ciclo del N y puede acumularse en ciertos entornos agrícolas. Un último compuesto nitrogenado importante a considerar es el nitrógeno orgánico disuelto. Estos compuestos que contienen carbono son ácidos orgánicos que se encuentran en los suelos. 

El ciclo del nitrógeno

Antes de entrar en la fijación de nitrógeno en su conjunto, es importante comprender los conceptos básicos del ciclo del N. Hay varias partes en este ciclo, y cubriremos los conceptos básicos en un esfuerzo por brindarle una comprensión de cómo cambia el nitrógeno en este proceso. Los componentes del ciclo incluyen el suelo, la atmósfera y los tejidos vivos. La forma más fácil de discutir este tema es examinando cómo entra y sale el nitrógeno del suelo. 

Nitrógeno que ingresa al suelo

El nitrógeno ingresa al suelo a través de la descomposición de la materia orgánica. Esto puede ocurrir cuando los jardineros agregan compost, organismos en descomposición, material vegetal en descomposición, estiércol y otros a sus jardines. Otra forma es a través de la fijación de nitrógeno en el propio suelo. Este proceso implica que bacterias fijadoras de nitrógeno específicas tomen gas dinitrógeno y lo conviertan en formas que las plantas puedan utilizar. Hay tres tipos diferentes de fijación de nitrógeno: simbiosis de fijación de nitrógeno, fijación heterótrofa y fijación asociativa). Todos tienen la capacidad de romper el triple enlace del gas dinitrógeno y, en el proceso, depositar nitrógeno en el suelo.  

Nitrógeno que sale del suelo

La desnitrificación, la volatilización del amoníaco y la lixiviación o escorrentía son las principales formas en que el nitrógeno abandona el suelo. La desnitrificación es el proceso por el cual el nitrato del suelo es transformado en gas por bacterias anaerobias. Las bajas concentraciones de oxígeno crean condiciones anaeróbicas. La materia orgánica descomponible, el nitrato y las condiciones de temperaturas cálidas también son necesarias para la desnitrificación. En este proceso, el gas dinitrógeno y el monóxido de dinitrógeno se liberan al aire como nitrógeno atmosférico. 

El monóxido de dinitrógeno (compuesto por dos átomos de nitrógeno y uno de oxígeno) es un gas de efecto invernadero que se libera en una concentración mucho más baja que el gas dinitrógeno, que no es un gas de efecto invernadero. Los factores que afectan la cantidad de monóxido de dinitrógeno liberado incluyen el pH y la temperatura del suelo. 

Otra forma de pérdida de nitrógeno ocurre a través de su volatilización en gas amoníaco. Esto sucede cuando los suelos están secos, cálidos y tienen una baja capacidad de intercambio catiónico: la capacidad del suelo para retener iones cargados positivamente. El resultado de estas condiciones es la aplicación de amonio a la superficie del suelo. 

Un ejemplo del proceso de volatilización se puede encontrar en la urea. La urea es una forma orgánica común de fertilizante nitrogenado que se usa en todo el mundo y es un subproducto de la orina de humanos u otros animales. A menudo puede conducir a la volatilización del gas amoníaco cuando las condiciones son las adecuadas. A medida que el amoníaco se vaporiza y sube a la atmósfera, deja el suelo sin los compuestos de nitrógeno a base de amoníaco que se agregaron a través de la urea. ¡Piense en ello como si fuera un globo aerostático sacando nuestro nitrógeno del suelo donde pertenece!

La lixiviación y la escorrentía son otras dos formas en que el nitrógeno abandona el suelo, especialmente cuando se trata de sistemas de cultivo que reciben fertilizantes químicos regulares. A menudo, el nitrógeno no se secuestra bien en el suelo, especialmente como nitrato. Se mueve fácilmente a través del perfil del suelo y eventualmente termina en el agua subterránea, que fluye bajo tierra. El nitrógeno luego termina en ríos, arroyos y otros cuerpos de agua. 

Esta contaminación por nutrientes causa eutrofización o una acumulación de concentración de nutrientes en los humedales y cursos de agua. Así como los fertilizantes nitrogenados promueven el crecimiento de los cultivos, su escorrentía provoca un crecimiento excesivo de las plantas en estas áreas, lo que lleva a límites en la cantidad de oxígeno disponible para otros organismos.  

Las zonas muertas son otro resultado de la escorrentía, a medida que se desarrollan las floraciones de algas, que eliminan el oxígeno de la vida silvestre en los océanos.

Inmovilización de nitrógeno

Otra cosa importante a considerar con el nitrógeno es la inmovilización o el nitrógeno que no está disponible para las plantas, principalmente porque el nitrógeno se encuentra en los tejidos de las bacterias de vida libre en el suelo. La inmovilización puede ocurrir más cuando el compost y las enmiendas agregan demasiado carbono fácilmente disponible. El carbono sirve como energía para los microorganismos del suelo. Estos organismos utilizan el nitrógeno del suelo para obtener tejidos y proteínas. Considere esto cuando agregue mantillos de paja y madera en un jardín. Como estos son en su mayoría carbono con poco nitrógeno, pueden conducir a la inmovilización. 

Los jardineros necesitan agregar más fertilizante nitrogenado y plantas fijadoras de nitrógeno al jardín para contrarrestar el ciclo de inmovilización. El compost también puede conducir a la inmovilización cuando no tiene la proporción correcta de nitrógeno combinado a carbono. Un exceso de nitrógeno en forma de nitrato está marcado por los olores emitidos por una pila de compost. Para reequilibrar la proporción y promover una mejor asimilación de amoníaco, agregue carbón. 

Cómo las bacterias fijan el nitrógeno

El gas N se “fija” en el suelo por bacterias rizobianas, pero ¿cómo? Los enlaces triples dentro del dinitrógeno son increíblemente fuertes, lo que los hace difíciles de romper. Estos organismos fijadores de nitrógeno utilizan una enzima, la nitrogenasa, para romper este vínculo. La enzima nitrogenasa se encuentra en bacterias rizobianas y cianobacterias fijadoras de nitrógeno. El complejo de nitrogenasa convierte el dinitrógeno en amoníaco, luego las reacciones lo convierten en formas utilizables para la planta de cultivo. 

Los humanos descubrieron cómo romper este triple vínculo a principios del siglo XX a través del proceso Haber-Bosch. Este método industrializado de tomar gas nitrógeno atmosférico y transformarlo en formas utilizables para las plantas alivió la tensión de adquirir fertilizantes nitrogenados. Por lo tanto, los fertilizantes elaborados a partir de este proceso provienen de compuestos inorgánicos y no se pueden utilizar en fincas orgánicas certificadas. 

Fijación simbiótica de nitrógeno

La forma más común de fijación es la fijación simbiótica de nitrógeno. Esta es la relación que tienen las leguminosas y las plantas actinorícicas con las bacterias fijadoras de nitrógeno en el suelo. Los cultivos que sustentan las bacterias fijadoras de N incluyen frijoles, guisantes, maní, trébol, arveja, alfalfa y lupinos. Algunas otras especies son leguminosas pero incluyen algunos árboles y arbustos. 

La mayoría de las plantas terrestres no tienen esta simbiosis con las bacterias. Estas plantas hospedantes forman nódulos de raíces que contienen microorganismos fijadores de nitrógeno, incluidas las rizobacterias promotoras del crecimiento de las plantas. Las relaciones simbióticas benefician a ambas partes: las especies de rizobios reciben azúcares mientras que la planta obtiene compuestos de nitrógeno aprovechables. Cuando aplica fertilizante N, estos nódulos no se forman porque las plantas no necesitan la ayuda de bacterias fijadoras de nitrógeno para suministrar nitrógeno a las mitocondrias de las plantas. 

Cada especie de leguminosa difiere en el nivel de nodulación y eficiencia. Los frijoles comunes como las judías verdes no son tan buenos como las legumbres de grano como el maní, el caupí y la soja. Las plantas perennes son incluso mejores para fijar nitrógeno. Estos cultivos incluyen tréboles y alfalfa. Hay muchas opciones para tales plantas que fijan nitrógeno. 

Formación de nódulos

Diferentes cultivos tienen nódulos de formas diferentes. El proceso de formación de nódulos es en realidad una infección de bacterias fijadoras de nitrógeno. Los cultivos anuales tienen nódulos del tamaño de un guisante, mientras que los perennes tienen nódulos más alargados. Pero, ¿cómo se forman estos nódulos? Primero, la bacteria asociada a la planta invade la planta huésped. Las bacterias que viven en el suelo ingresan a las células de la planta y residen dentro de la corteza de la raíz. Las bacterias permanecen dentro de la región intracelular de los tejidos vegetales y eventualmente forman los nódulos que ves.  

Recomiendo a los jardineros que vayan al jardín y saquen una planta fija de nitrógeno madura. Verá estos nódulos. Corta uno para ver el interior. Los nódulos activos aparecen rojos por dentro debido a un compuesto similar a la hemoglobina en la sangre humana.

Fijación heterotrófica de nitrógeno

Las bacterias fijadoras de nitrógeno heterótrofas son diferentes a las simbióticas. No tienen relación con las plantas para obtener carbono y otros compuestos que necesitan. En cambio, apoyan la fijación de nitrógeno de forma pasiva al consumir materia en descomposición en el suelo. 

Este estudio realizado por Eckford y un equipo de investigadores identificó varias bacterias heterótrofas dentro de los suelos antárticos que contienen combustibles de hidrocarburos. El estudio también enfatiza que la fijación de nitrógeno ocurre en los suelos de todo el mundo. 

Estas bacterias obtienen energía al consumir otros compuestos en el suelo, haciéndolas heterótrofas. Los humanos somos heterótrofos porque debemos producir y consumir alimentos para sobrevivir. Las plantas, las algas y otros organismos fotosintéticos o quimiosintéticos son autótrofos porque pueden producir los alimentos necesarios para sobrevivir dentro de sí mismos. 

Fijación asociativa de nitrógeno

La fijación asociativa es similar a los otros tipos en el sentido de que el gas dinitrógeno se fija en el suelo, pero en una relación casual con las plantas. Mientras que la simbiosis involucra bacterias que viven dentro de los tejidos vegetales, la asociación se refiere a las bacterias dentro del microbioma de la planta. Son bacterias del suelo de vida libre que no dependen de las plantas para hacer su trabajo.

En este estudio, Roley y otros examinaron la relación potencial que tienen las bacterias con el pasto varilla. Descubrieron que la hierba perenne a menudo no respondía a los fertilizantes nitrogenados. Examinaron el suelo que rodea las raíces para ver la actividad de las bacterias. Descubrieron que este cultivo se beneficia de las bacterias en el suelo que se asocian con la planta para suministrar nitrógeno mientras recibe carbono del entorno circundante. 

Cómo usar cultivos fijadores de nitrógeno en rotación

La mejor manera de usar plantas fijadoras de nitrógeno es incluirlas en una rotación. Los cultivos alimentarios utilizan cantidades variables de nitrógeno. La mayoría son grandes comedores de nitrógeno, como el maíz dulce, las calabazas, las calabazas y los pimientos. La mayoría de las plantas dentro del jardín y en la granja se benefician de la rotación de fijadores de nitrógeno. La fijación de nitrógeno tiene lugar cuando los jardineros plantan especies de plantas fijadoras de nitrógeno antes de plantar comederos pesados. Hacerlo junto con los cultivos anuales también puede ser beneficioso para el suelo vegetal. 

Intercalar leguminosas con otros cultivos puede beneficiar a ambas plantas. Es importante tener en cuenta que las plantas fijadoras de nitrógeno solo proporcionarán tanto nitrógeno a otras plantas cuando estén vivas. Todavía es beneficioso plantarlos juntos, pero es posible que los nódulos de leguminosas no sean capaces de suministrar todo el nitrógeno a otro cultivo como pimientos o tomates. 

Cuando use fijadores de nitrógeno antes de comederos pesados, recuerde que las raíces de las plantas (y los tejidos superficiales) deben permanecer en el jardín. Eliminar las plantas esencialmente eliminará el nitrógeno fijado por las bacterias. Por lo tanto, picar y dejar caer o cortar un fijador de nitrógeno al final de su vida será más beneficioso que arrancarlo de raíz. 

Considere elegir cultivos que tengan la capacidad de proporcionar más nitrógeno fijado. Los frijoles comunes proporcionan una fijación de nitrógeno menos adecuada que algo como la soja o el maní. Si bien los cereales fijadores de nitrógeno como la soja no se usan normalmente en el jardín, incluir edamame, fava o maní podría beneficiar el suelo. También incluir cultivos de cereales y plantas sin genes de fijación de nitrógeno en general en la rotación puede ayudar a construir materia orgánica y beneficiar al jardín. 

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué son las plantas fijadoras de nitrógeno?

R: Las plantas fijadoras de nitrógeno son aquellas que actúan como planta huésped para tipos específicos de bacterias. La planta huésped en sí misma no está fijando el nitrógeno. Más bien, las bacterias están en una relación simbiótica con las especies de plantas. 

P: ¿Qué árboles fijan nitrógeno?

R: Se sabe que hay muchas especies de árboles que fijan nitrógeno. Algunos de ellos incluyen olivo de otoño, acacia negra, ciclamor oriental y aliso. 

P: ¿Qué vegetales son fijadores de nitrógeno?

R: Los frijoles comunes fijan nitrógeno (aunque no tan efectivamente como otros). Las plantas de cultivo comunes incluyen frijoles verdes, frijoles negros y frijoles pintos. Además de guisantes como sugar snap y snow peas. Nuevamente, si desea agregar cantidades adecuadas de nitrógeno al suelo, incluir mejores cultivos como maní o edamame podría ser una buena opción. El edamame es similar al grano de soya y fija mejor el nitrógeno que los frijoles comunes. La mayoría de las otras verduras, como tomates, pimientos, maíz, berenjenas y calabazas, no fijan nitrógeno. 

P: ¿Qué flores fijan nitrógeno?

R: Lupin es la flor más notable que fija nitrógeno. Los frijoles jacintos son legumbres que producen hermosas flores. Se utilizan con frecuencia como plantas ornamentales. 

P: ¿Qué plantas fijan más nitrógeno?

R: Las leguminosas perennes como la alfalfa y el trébol tienen el potencial de fijar la mayor cantidad de nitrógeno. Sin embargo, las plantas de leguminosas de grano como el maní, las habas, la soja y el caupí también hacen un buen trabajo al fijar el nitrógeno. Los frijoles comunes como las judías verdes y los frijoles secos no son tan buenos para fijar nitrógeno.