El Ciclo del Nitrógeno: Procesos e Importancia

El Ciclo del Nitrógeno y su Importancia

• El nitrógeno (N) es un elemento esencial para la vida presente en proteínas, ADN y ARN.
• Aunque abundante en la atmósfera y biósfera, es poco utilizable por los seres vivos.
• El 99% del N terrestre está en forma de nitrógeno molecular (N2), un gas que compone el 78% de la atmósfera.
• La molécula de N2 tiene dos átomos de nitrógeno unidos por un triple enlace, requiriendo mucha energía para romperse.
• Al romperse el N2, se forman formas activas de nitrógeno que los seres vivos pueden usar, incluyendo formas inorgánicas (amonio, nitrato, óxidos de nitrógeno) y orgánicas (urea, aminas, ácidos nucleicos y proteínas).

Procesos del Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno

• El ciclo biogeoquímico del nitrógeno implica procesos biológicos y no biológicos.
• Los cinco procesos clave son: fijación, asimilación, amonificación, nitrificación y desnitrificación.
• La fijación del nitrógeno ocurre principalmente por bacterias especializadas como Rhizobium en raíces de leguminosas (frijol).
• Rhizobium transforma el N2 atmosférico en amonio (NH4+), forma en que los organismos lo incorporan a proteínas por asimilación.
• Las plantas absorben NO3¯ del suelo y lo reducen a NH4+, que se usa para producir aminoácidos y otras moléculas nitrogenadas.
• Las bacterias heterótrofas y hongos realizan la amonificación, transformando el nitrógeno de organismos muertos o residuos orgánicos en NH4+.
• En presencia de oxígeno, microorganismos autótrofos convierten parte del NH4+ en NO3 mediante nitrificación.
• El NO3 tiene carga negativa, no se adhiere al suelo y se lava fácilmente (lixiviación), reduciendo la fertilidad del suelo y enriqueciendo con NO3, las aguas.
• En condiciones anaeróbicas, microorganismos transforman el NO3 hasta N2 (desnitrificación) mediante etapas secuenciales donde el nitrito (NO₂¯), el óxido nítrico (NO) y el óxido nitroso (N2O) son productos intermedios.

Impacto Humano y la Cascada del Nitrógeno

• Antes de la revolución industrial, el nitrógeno reactivo provenía de relámpagos y fijación biológica.
• El nitrógeno reactivo se acumulaba en el ambiente y existía un equilibrio entre fijación y desnitrificación.
• En décadas recientes, el nitrógeno reactivo se acumula por actividades humanas: cultivos de leguminosas, uso de combustibles fósiles y producción industrial de fertilizantes.
• El proceso Haber-Bosch solucionó problemas agrícolas al permitir la producción industrial de fertilizantes.
• Fritz Haber recibió el premio Nobel de Química en 1918 por desarrollar la síntesis catalítica del amoniaco a partir del dihidrógeno y el dinitrógeno atmosférico en condiciones de alta temperatura y presión.
• Gracias a los fertilizantes inorgánicos la producción mundial de alimentos se disparó y la población humana se multiplicó por seis en 100 años.
• Para mantener este crecimiento, se aumentó la producción de fertilizantes y el uso de combustibles fósiles, y esto causó sobrepoblación, calentamiento global, pérdida de biodiversidad, contaminación y cascada de nitrógeno.
• Las plantas solo absorben la mitad de los fertilizantes aplicados.
• El resto se lava, llegando a mantos acuíferos, causando problemas en los ecosistemas, efectos nocivos para la salud y volatilización a la atmósfera como gases reactivos que contribuyen al calentamiento global.
• La cascada del nitrógeno se refiere a como estos compuestos nitrogenados avanzados impactan los ecosistemas.
• Actualmente, la aplicación de fertilizantes químicos ha duplicado la cantidad de nitrógeno reactivo circulante en el planeta, afectando el ciclo del nitrógeno en más del 80%.
• El cambio del ciclo del carbono se ve alterado en menos del 10%.
• El nitrógeno antropogénico es una mayor amenaza medioambiental que el carbono debido a las actividades humanas.

Problemas Ambientales del Ciclo Alterado del Nitrógeno

• La agricultura libera amoniaco (NH3) y óxidos de nitrógeno (N₂O y NO) a la atmósfera, y nitratos (NO3¯) a los acuíferos.
• La combustión de carburantes fósiles desprende NO y dióxido de nitrógeno (NO2), conocidos como NOx.
• La intensificación agrícola y la combustión de carburantes fósiles aumentan las formas reactivas de nitrógeno.
• Estos compuestos, antes de depositarse en un sumidero final, tienen efectos en cascada en la salud humana y los ecosistemas.
• El NO y el NO2 reaccionan con compuestos volátiles orgánicos, aumentando el ozono (O3) troposférico, afectando la vegetación y la salud humana e intensificando el efecto invernadero.
• El NH3 reacciona con ácidos formando un aerosol fino que se desplaza largas distancias y deposita nitrógeno reactivo, provocando enfermedades coronarias y respiratorias al ser respirados.
• La deposición de nitrógeno oxidado (NOy) y nitrógeno reducido (NHx) causa la eutrofización de ecosistemas acuáticos, reduciendo el oxígeno (hipoxia), causando la muerte de organismos y acidificando el suelo.
• La lixiviación del nitrógeno agrícola aumenta el NO3- en aguas subterráneas y superficiales, contaminando el agua potable y provocando cambios en los sistemas acuáticos.
• El óxido nitroso (N2O) es un gas de efecto invernadero y contribuye en un 12% del potencial de calentamiento global de origen antropogénico, afectando la capa de ozono (O3) estratosférica.

Soluciones para el Exceso de Nitrógeno

• Existe poca conciencia pública sobre la importancia del exceso de nitrógeno reactivo y la amenaza al medio ambiente y la salud.
• La complejidad de las interacciones entre contaminantes nitrogenados dificulta la sensibilización a la sociedad.
• Se proponen mejorar el rendimiento de los cultivos, la eficiencia en el uso de nitrógeno, evitar la fertilización excesiva, limitar los riegos, usar fertilizantes de liberación lenta, abonos verdes o estiércol.
• Implementar la rotación de cultivos.
• Se ha propuesto un cambio de la política alimentaria donde se fomente el consumo de menos carne y la producción local de alimentos.
• Es necesario mejorar los sistemas de depuración de aguas.
• Se pueden colocar redes que atrapen el nitrógeno mediante una tela de alambre cubierta por algas en zonas acuáticas altas en nitrógeno.
• Estas algas capturan el nitrógeno, disminuyéndolo en el agua y pudiendo ser alimento para el ganado.
• Otra solución es reducir las emisiones de combustibles fósiles.
• Para lograr esto se sustituyen los combustibles por energías renovables, disminuyendo el consumo eléctrico, fomentando el transporte público, la bicicleta o autos híbridos e instalando catalizadores.
• La colaboración de la comunidad científica es fundamental.

Iniciativas en México

• México está instrumentando la Estrategia Nacional de Cambio Climático.
• México se ha comprometido a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 22 % para el 2030 incentivando el uso de energías renovables y la conservación de ecosistemas.