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Ángeles o demonios:
el ciclo del nitrógeno
en la agricultura
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Eva Segundo Pedraza, Mariela Fuentes Ponce y Luis Manuel Rodríguez Sánchez
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Las verduras y semillas, además de tener la fibra
necesaria para el buen funcionamiento de los intestinos, contienen nutrimentos que son transformados en diferentes compuestos que forman parte de los nucleótidos; unidos unos con otros, éstos crean largas cadenas llamadas ácidos nucleicos, los cuales forman parte de la vida de todos los organismos en este planeta o bien constituyen parte de los aminoácidos que, al juntarse, dan origen a moléculas más grandes y complejas llamadas proteínas. El principal elemento que tienen en común todas estas moléculas es el nitrógeno, que difícilmente se encontrará en las frituras y dulces, pero sí en las verduras, frutas, semillas y carne.
Las plantas, al igual que el ser humano, requieren nitrógeno para la síntesis de proteínas y moléculas orgánicas como la clorofila (que provee del color verde a las plantas y participa en la fotosíntesis). Las plantas toman el nitrógeno del suelo, pero para que sea asimilable (que lo pueda absorber por sus raíces), se necesita que esté en una forma inorgánica, como nitratos (NO3) y amonio (NH4+). Cuando las plantas no absorben suficientes iones NO3 o NH4+, disminuye su crecimiento y a lo largo de la nervadura principal y en el ápice de la hoja hay un cambio de color, pasa de verde a amarillo, esta carencia de nutrimentos es conocida como clorosis.
El nitrógeno asimilable no siempre se encuentra en grandes cantidades en el suelo, a veces está en su forma orgánica, es decir, en remanentes que entraron al suelo como hojas, residuos de la cosecha, animales muertos, entre otros. Pero ese nitrógeno orgánico no está todavía disponible para las plantas, por lo que entonces intervienen las bacterias y hongos.
El nitrógeno y su ciclo
El nitrógeno es un gas incoloro e inodoro que forma parte del aire que respiramos, además del oxígeno y otras partículas contaminantes. Sabemos que por lo menos 78% del nitrógeno en el mundo se encuentra en el aire y que el resto está presente en el agua de ríos, mares, aguas residuales y suelo. Si al respirar podemos absorber nitrógeno, entonces ¿por qué cultivar y consumir verduras? Resulta que, desafortunadamente, el nitrógeno que respiramos no es asimilable por nosotros; primero debe ser fijado en el suelo por diferentes procesos (electroquímico, fotoquímico, industrial o biológico), después debe ser asimilado por una planta y, hasta entonces, al consumirlas podemos asimilarlo.
Los únicos organismos que pueden realizar el proceso de la fijación biológica del nitrógeno son los hongos y las bacterias. Estos organismos diminutos trabajan solos aunque a veces hacen simbiosis con las plantas. Son microorganismos del suelo, simbiontes o de vida libre, que toman el nitrógeno atmosférico para utilizarlo en sus procesos metabólicos, reduciéndolo a amoniaco (NH3). Una vez que el amoniaco es liberado a la solución del suelo pueden ocurrir dos cosas: 1) que entre a un proceso conocido como amonificación, donde el amoniaco reacciona con un ion de hidrógeno y forma el amonio (NH4+); 2) que sea utilizado como fuente de energía por algunas bacterias del género Nitrosomonas para transformarlo en hidroxilamina, una sustancia que al combinarse con oxígeno permitirá la formación y liberación del ion nitrito (NO2), lo que se llama nitrosación del suelo.
Los iones nitrito que son liberados a la solución del suelo pueden pasar directamente a mantos acuíferos o ser utilizados por bacterias principalmente de los géneros Nitrobacter y Bactoderma. Cuando estos iones son aprovechados por dichas bacterias, lo hacen mediante una reacción química oxidativa en la que transforman los nitritos en nitratos. Este proceso, que depende de ciertas características del suelo como la alta humedad o concentraciones bajas de oxígeno, no es el único camino de transformación del nitrógeno, y cuando intervienen las bacterias también puede ocurrir que el amoniaco sea reducido y liberado en su forma inorgánica a la atmósfera como óxido nitroso (N2O) u óxido nítrico (NO), dos gases de efecto invernadero de alto impacto que coadyuvan al calentamiento del planeta y, en el mejor de los casos, en nitrógeno dimolecular (N2) mediante un proceso conocido como desnitrificación.
La fijación biológica que realizan algunas bacterias en simbiosis con cierto tipo de plantas leguminosas, como el frijol o las habas, es un proceso que inicia cuando la raíz exuda sustancias químicas que son reconocidas por algunas bacterias como los rizobios; una vez que el intercambio de señales entre la planta y la bacteria se realiza, la migración de la bacteria comienza y se presenta su invasión hacia la superficie de la raíz, posteriormente las bacterias la penetran y terminan colonizándola. Una vez que la bacteria se encuentra dentro, comienzan a formar estructuras esféricas llamadas nódulos, los cuales facilitan la estadía en la raíz de la planta. No existe una cantidad definida de nódulos por raíz, más bien se origina una red de nodos en la rizósfera de la planta, es decir, en la parte del suelo inmediata a las raíces. Dentro del nódulo se forma una membrana con líquido, el cual sirve como un medio de intercambio de señales y nutrimentos entre la planta y la bacteria. Esta interacción simbiótica desaparecerá cuando el medio se haga más ácido o “hasta que la muerte los separe”.
Lo que hemos relatado es lo que pasa en el ciclo biogeoquímico del nitrógeno, ya sea en un ecosistema natural o en un sistema agrícola (agrosistema). Pero cuando tenemos cultivos agrícolas, de una sola especie o monocultivos, con altas demandas de nitrógeno en los que se ha optado por usar fertilizantes, sintéticos en muchos casos, hay un impacto negativo directo en el ambiente debido a dicho elemento químico.
Los fertilizantes sintéticos
El proceso natural de fijación de nitrógeno realizado por las bacterias puede ser interrumpido o disminuido por el suministro de “nutrimentos chatarra”, es decir, por fertilizantes nitrogenados altamente solubles que contienen amonio o nitratos. Las bacterias, al igual que las plantas, tienen como fuente de energía NH4+ y NO3, y al suministrar en forma artificial dichos elementos por medio de fertilizantes solubles, las bacterias ya no tienen la necesidad de trabajar, de fijar nitrógeno atmosférico, lo cual se generará una competencia entre las bacterias y las plantas por la nueva fuente de energía disponible. Así que el uso irracional de fertilizantes nitrogenados puede alterar los procesos de nitrificación y desnitrificación, pues al existir una mayor cantidad de sustrato nitrogenado las bacterias pueden generar mayor cantidad de nitratos, que se lixiviarán a los mantos acuíferos; por otro lado, se pueden elevar las emisiones de gases de efecto invernadero, ya que el uso excesivo de fertilizantes sintéticos generalmente está ligado a una agricultura tecnificada que implica el uso de riego, propiciando condiciones de humedad que coadyuvan a este tipo de procesos.
Al suministrar grandes cantidades de nitrógeno a las plantas, éstas pueden experimentar intoxicaciones agudas o un debilitamiento frente al ataque de plagas y enfermedades, esto último debido al incremento en la producción de aminoácidos libres (constituidos en buena parte por nitrógeno) y a la mayor acumulación de agua en sus tejidos.
Considerando lo anterior, debe explicársele a los productores la importancia del nitrógeno y el efecto de ciertas prácticas agrícolas empleadas para maximizar su producción; pero esto se complica debido a que, la mayor parte de su vida, el campesino se ha dedicado a cultivar alimentos en un mercado globalizado que le ha impuesto una forma de producción dependiente de insumos sintéticos y monocultivos, modificando sus procedimientos tradicionales de producción en un intento por alcanzar una mayor rentabilidad.
Actualmente, gobiernos y científicos en todo el mundo buscan crear indicadores que permitan reflejar el estado de salud de los suelos agrícolas en los diferentes procesos del ciclo del nitrógeno con la finalidad de generar alternativas más viables desde el punto de vista ambiental, pero sin dejar de lado el aspecto productivo. Por ejemplo, en los últimos años se han desarrollado los denominados biofertilizantes, constituidos por organismos benéficos que viven asociados o en simbiosis con las plantas, contribuyendo a su nutrición y a la regeneración del suelo. También se han generado nuevas propuestas de manejo agrícola, algunas de ellas consideran el rescate de prácticas culturales de los pueblos nativos, como la milpa en México, que consiste en intercalar gramíneas (plantas demandantes de nitrógeno como el maíz) con leguminosas (plantas que tienen una relación simbionte con bacterias fijadoras de nitrógeno como haba y frijol). La rotación de cultivos, incluyendo leguminosas, y el uso de abonos verdes que implica beneficiar al suelo mediante un cultivo de plantas leguminosas, con la finalidad de incorporar el nitrógeno que fijaron durante su periodo de crecimiento, son otras opciones para reducir el uso de fertilizantes sintéticos.
A modo de conclusión
El asunto no es sencillo debido al doble carácter del nitrógeno y de los microbios que participan en este ciclo pues, por un lado, estos organismos pueden facilitar la generación de formas de nitrógeno asimilable para las plantas cultivadas en los suelos agrícolas, de suma importancia para la producción de alimentos; y por otro, estas mismas formas solubles del nitrógeno, junto con otras en estado gaseoso, se pueden convertir en contaminantes de alto impacto para la atmósfera y para el agua. El nitrógeno desempeña un papel fundamental en la vida de nuestro planeta, pero también se puede transformar en la fuente de graves problemas ambientales cuando se torna excesivamente soluble o volátil.
Las bacterias relacionadas con el ciclo del nitrógeno no son ángeles ni demonios, sino seres de la intrincada red de relaciones que conocemos como vida, de las cuales todavía tenemos mucho que investigar para hacer una agricultura más sustentable. Es tiempo de informar y hacer conciencia en los jóvenes profesionistas y campesinos de que todas las acciones tienen una reacción y se deberá asumir el costo que ello implica.
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Referencias bibliográficas
Bloom, Arnold J., Scott S. Sukrapanna y Robert L. Warner. 1992. “Root Respiration Associated with Ammonium and Nitrate Absorption and Assimilation by Barley”, en Plant Physiol, núm. 99, pp. 1294–1301.
Canfield, Donald E. 2010. “The Evolution and Future of Earth’s Nitrogen Cycle”, en Science, vol. 330, núm. 6001, pp. 192196. Kramer, Sasha, John Reganold, Jerry Glove, Brendan Bohannan y Harold Mooney. 2006. “Reduced nitrate leaching and enhanced denitrifier activity and efficiency in organically fertilized soils”, en pnas, vol. 103, núm. 12, pp. 45224527. Lichtfouse, Eric, et al (eds.). 2009. Sustainable Agriculture. Springer, Países Bajos. Santi, Carole, Didier Bogusz y Claudine Franche. 2013. “Biological nitrogen fixation in nonlegume plants”, en Annals of Botany. vol. 111, núm. 5, pp. 743–767. Werner, Dietrich y William E. Newton (eds.). 2005. Nitrogen Fixation in Agriculture, Forestry, Ecology, and the Environment. Springer, Países Bajos. |
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Eva Segundo Pedraza
Maestría en Ciencias Agropecuarias,
Universidad Autónoma Metropolitana-Xochimilco.
Mariela Fuentes Ponce Departamento de Producción Agrícola y Animal,
Universidad Autónoma Metropolitana-Xochimilco.
Luis Manuel Rodríguez Sánchez
Departamento de Producción Agrícola y Animal,
Universidad Autónoma Metropolitana-Xochimilco.
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cómo citar este artículo →
Segundo Pedraza, Eva; Mariela Fuentes Ponce y Luis Manuel Rodríguez Sánchez. 2016. Ángeles o demonios: el ciclo nitrógeno en la agricultura . Ciencias, núm. 118-119, noviembre 2015-abril, pp. 12-15. [En línea].
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