Ciclo biológico del nitrógeno

Reservas Tamaño de la reserva (g N)

----------------------------------------------------------------------Litosfera 1.0 x 1023

Atmósfera 3,9 x 1021

Carbón 1.0 x 1017

Hidrosfera 2.3 x 1019

N-orgánico suelo 1.0 x 1017

N-NH4+ fijado 2.0 x 1016

N biota 3.5 x 1015

N microbiano 1.5 x 1015

Reservas de nitrógeno

99% como N 2

CICLO DEL N

Amonificación

Desnitrificación Volatilización

Materia orgánica

NO3- NO2

- NH4+

N2N2ONH3

Inmoviliza-ción

Vegetales, animales y biomasa microbiana

Fijación

Nitrificación

Procesos microbiológicos

Entrada al ecosistema : Fijación Biológica del N 2

Salidas del escosistema : Desnitrificación (N 2O, N2) amonificación (NH 3), NO (óxido nítrico)

Baja la complejidad del ecosistema : Mineralización

N-orgánico amonificación, nitrificación

Aumenta la complejidad : inmovilización N mineral N orgánico en células microbianas

Incrementa disponibilidad de nutrientes : oxidación Nitrificación: N-NH 4

+ N-NO2-, N-NO3

-

En el pasado, el N reactivo (Nr) no se acumulaba e n el suelo, pues la desnitrificación ocurría al mismo ri tmo que la

FBN

En los últimos 100 años, la reserva de Nr creado antropogénicamente incrementó por:

a) Modesto incremento uso leguminosas (15-30Tg N año -1)

b) Gran incremento en combustión de fósiles (1 Tg e n 1860 vs 25 Tg N año -1 en 2000)

c) Gran incremento fertilizantes (Haber-Bosch): ce ro antes del siglo 20 y 110 Tg N año -1 en la actualidad)

(2Terag=1012g)

Perspectivas y opciones de manejo en relación al ciclo global del N

• El uso de fertilizantes N en el 2020 podría alcanz ar 134 .Tg año -1 (1Tg= 1012g)

• <>necesidad de mayor énfasis en uso eficiente del N

• El consumo de combustibles fósiles en el 2020 podrí a llegar a ~46. Tg N año -1. <> necesidad de consumo eficiente de combustibles fósiles,<> otras alternativas energérticas: biodiesel, H 2

• Quemado bosques y pastizales, drenado de suelos anegados, labranzas, liberan aprox. 40 Tg N año -1 del N reactivo acumulado

Balance de N en rotación mani/mijo en el norte de Australia (kg/ha/año)

Entradas Sali das

fertilizante (mijo) 95 N-semillas (mijo) 33

FBN 82 N-semi llas (mani) 109

precipitación ND lavado 20

fijación no simbiótica ND desnitrificación

del suelo 50

de residuos 8

de fertilizante 28

Total 177 248

Formas del N en el suelo• Capa arable 0.02-0,4% a más de 2%

suelos muy orgánicos

• Suelos minerales (2-3% MO y 0,12-0,15% N en 0-20cm) aseguran 2.000-3.000kg para los

vegetales• Sin embargo, el agregado de 20-30kg N-NO3 -

( 1% del N capa arable) favorece el desarrollo vegetalLa mayor parte del N no puede ser asimilado

directamente por los vegetales

Procesos biológicos y abiológicos que involucran al N

naturaleza proceso denominación esti mación cuantitativa

biológico fijación del N2 175 x 10 6 ton N2/añoasimilación inmovilización mineralización desnitrificación

físico-químico fijación industrial 30-35 x 10 6 ton N/año lavado 15 x 10 6 ton N/año sedimentación 15 x 10 6 ton N/año solubilización 5 x 10 6 ton N/año

volatilización 5 x 10 6 ton N/año

precipitación 60 x 10 6 ton N-NO3,/año

Métodos de estudio

* desaparición de sustratos : N2, urea, rastrojos, abonos

* aparición productos finales : nitratos, sulfatos, metano

* actividad biológica global : CO2, consumo O 2, enzimas

* recuentos microbianos : amonificantes, nitrificantes,etc.

* empleo de sondas específicas para algún

microorganismo: Rhizobium, Pseudomonas

Medidas en el laboratorio (actividades potenciales)en el campo (actividades reales)

Ejemplo : nitrificación en suelos: agregado de fertilizante nitrogenado y medidas de la evolución de N-NH 4

+,N- NO2-, N-

NO3- por destilación y valoración, electrodos específico s,

colorimetría

Pérdidas : la liberación de gases, en dispositivos cerrados y cromatografía gaseosa (N 2, N2O, CH4, H2, CO2)

Elementos marcados : C14, N15, S32 etc.

Mineralización-inmovilización

Mineralización: Norg NmineralN (rastrojos, urea, fertilzantes, aa, proteínas, etc.)

N-(NH4+, NO2

-, NO3-)

Etapas: Amonificación Norg N-NH4+

NitrificaciónAutótrofa: N-NH4

+ N(NO2-, NO3

-)Heterótrofa N-NH4

+ + MO nitrito, nitratoN-orgánico

Amonificaci ón

• Sustratos: variados: moléculas orgánicas con N (aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, urea, etc.)

• Microflora: poco específica, todo heterótrofo puede liberar amonio al usar el resto carbonado de la molécula

• Ecología: se realiza en todas condiciones compatibles con la vida

Ecología

La amonificación se favorece en:• Aerobiosis

• Termofilia

• pH neutro

• Materia orgánica

Nitrificación : formación de nitrito o nitrato a partir de amonio o de moléculas orgánicas

(más conocida la autótrofa)

Nitritación : formación de nitrito a partir de amonio y/o moléculas con N-orgánico

NH4+ + 1,5 O2 NO2

- + 2H+ + H2O

∆∆∆∆G = 65 Kcal/mol

Nitratación : formación de nitrato a partir de nitrito y/o de moléculas con N-orgánico

NO2- + 0,5 02 →→→→ NO3

- ∆∆∆∆G = 18 Kcal/mol

Oxidación del amonioNitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobulus,

Nitrosovobrio, muy relacionados filigenéticamente (16S rARN). Presentes en suelos y aguas

NH3 + 1,5 02 NO2- + H+ + H20

(6 e- , 65 kcal/mol NH3)

Primera etapaNH3 + O2 + 2H+ + 2e- NH2OH + H20 (no da ATP)Amonio monooxigenasa, también actúa sobre cloroformoInhibida por acetileno

Segunda etapaNH2OH + H20 NO2- + 5H+ + 4e-

Intermediarios: NO, N20 (abundante en bajo (O2)

⇒⇒⇒⇒ Nitratación

• Una reacción de un solo paso involucra a la nitrito óxido-reductasaNO2

- + H2O NO3- + 2H+ + 2e-

• Rinde sólo 18 Kcal por mol de nitrito oxidado, de modo que 70-100 moles de nitrito se metabolizan por mol de (CH2O)n producido

• Clorato inhibe la oxidación del nitrito

• Algunos oxidantes del nitrito pueden también crecer heterotróficamente

Autoecología de Nitrosomonasy Nitrobacter

Nitrosomonas Nitrobacter

pH tolera pH altos y bajos inhibido a pHsuperiores a 9,0 e inferiores a 5,0

Temperatura aun activo a bajas temp. inactivo sobre 40º y debajo de 5ºC

N-amoniacal tolera altas dosis inhi bido a altas dosis

Nitrificación heterótrofa

microorganismo sustratos produ ctos finales

Arthrobacter spp. NH 4+, succinato nitrito, nitrato

Pseudomonas NH4+, acetato hidroxilamina, nitrito,

nitratoHansenula maraki nitroetano, nitropropano nitrito Aspergillus flavus amonio y sacarosa àc.3

nitropropiónico, nitrato

Sustratos: amonio, nitrofenoles, amidas, nitropropano, hidroxilamida

Microflora variada : bacterias, hongosEcología : menos sensibles al medio

AutótrofaSustratos : amonio/nitritoVelocidad del proceso = 103-104 veces superior a la heterót.Formación productos finales 102-103 mayorAmbiente : muy sensibles (aireación, pH neutros, afectados

por biocidas)

HeterótrofaEnergía : principalmente de sustratos orgánicos, la

nitrificación provee muy poca: eficiencia baja, pe ro el número de especies en en suelos puede ser alto

Ambiente : menos sensibles, numerosas especies activasImportantes en situaciones donde los autótrofos son

inhibidos

altas temperaturas baja (O 2) pH ácidos

Factores que afectan la nitrificación

•Contenido de agua : la estimula hasta un 60% de CC, luego se limita

•La fertilización con amonio o abonos orgánicos favorecen la nitrificación (alto nivel de NH4 +)

•Humedad y temperatura : suelos húmedos y fríos limitan el proceso y las pérdidas de N se pueden limitar fert ilizando en otoño

• Población nitrificante : para oxidar 1 mg N/kg suelo/día se necesitan 300.000 organismos. Suelos con bajo N pue den contener 1.10 4 nitrificantes/g

•El pH: favorable en el entorno del neutro (microambiente sadecuados)

Nitrato reducción desasimilativa

• Quimiodesnitrificación (NO, N2)• Nitrato nitrito (respiración anaerobia)

38kcal/mol nitrato• Nitrato amonio (desasimilativa reducción

de nitratos a amonio=DNRA)NO3

- + 4H2 + 2H+ NH4+ +3H20 (143kcal/mol)

Poca energía, dominan en sedimentos, tratamientos de aguas, con mucho carbono

Nitrato reducción(desnitrificación)

Reducción desasimilativa

<> El producto final es óxido nitroso o N 2<> Proceso respiratorio en anaerobiosis<> Nitrato es aceptor de electrones<> Resulta en pérdidas de N-fertilizante del suelo<> Limitado a organismos procariotas como

Pseudomonas

Thiobacillus y Azospirillum, algún Rhizobium

Enzimas en la desnitrificaciónNO3

- NO2- NO N2O N2

Nar Nir Nor Nos

Nar= nitrato reductasa dessimilativa, en membrana, con Mo/Fe, inhibida por O2, genera ATP

Nir= nitrito reductasa, una CUNir y otra citocromos c y d (hemoNir), en espacio periplasma

Nor= óxido nítrico reductasa, en membrana, citocromos b y c, ATP

Nos= óxido nitroso reductasa, proteína periplasmática, 8 atomosFe, muy inhibida por el O2

Alto O2, o bajos pH---se acumula N2O más que N2Inhibida por S= y acetileno (técnica de medida de la

denitrificación)

⇒⇒⇒⇒ Desnitrificaci ón

• Usualmente tiene lugar en 4 etapas, pero puede no llegar a N 2 en todos los organismos:

NO3- →→→→ NO2

- →→→→ NO →→→→ N2O →→→→ N2

• Al menos 25 géneros están involucrados en la reacción

Enzimas: • Nitrato reductasa-FeS con Mo como cofactor• Nitrito reductasa-Cu • NO-reductasa ligada a membrana, proteína-no hemo

Fe • N2O reductasa-con Cu

Factores que afectan la desnitrificación en el suelo

Drenaje, sobretodo ciclos alternados de humedecimiento y secado

Disponibilidad de sustratos orgánicos para energía: No se detectan pérdidas importantes debajo de 1% deMO

Temperatura: óptimo a 20-30ºC, escasas pérdidas a 2ºC

pH: neutro, a pesar de que algunos toleran pH 4.5

Tipo de fertilizante y su ubicación

Efecto rizosfera y desnitrificacion

Condiciones que favorecen a la desnitrificación

• Altos niveles de nitratos

• Altos niveles de materia orgánica

• Anaerobiosis (y/o ciclos de alternancia anegamiento/escurrimiento)

Analice la pérdida de N en un suelo sometido a 3 tratamientos durante 60 semanas a 35ºC. 1-incubado a 16-20 de humedad, 2-siempre saturado en agua y 3.saturado la primera parte del ciclo (3 semanas) y drenado la segunda mitad. Analice las variaciones en nitratos y en Nt.