Ciclo dl NITROGENO

1. Ciclo biológico del
nitrógeno

2. Reservas de nitrógeno
Reservas Tamaño de la reserva (g N)
----------------------------------------------------------------------
Litosfera 1.0 x 1023
Atmósfera 3,9 x 1021
Carbón 1.0 x 1017 99% como N2
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

3. CICLO DEL N
N2
N2O
Desnitrificación NH3 Volatilización
NO3- NO2 - NH4+ Nitrificación
Fijación
Inmoviliza-
ción Amonificación
Materia orgánica
Vegetales, animales y biomasa microbiana

4. Procesos microbiológicos
Entrada al ecosistema: Fijación Biológica del N2
Salidas del escosistema: Desnitrificación (N2O, N2)
amonificación (NH3), 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-NH4+ N-NO2-, N-NO3-

5. En el pasado, el N reactivo (Nr) no se acumulaba en el
suelo, pues la desnitrificación ocurría al mismo ritmo 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 en 1860
vs 25 Tg N año-1 en 2000)
c) Gran incremento fertilizantes (Haber-Bosch): cero antes
del siglo 20 y 110 Tg N año-1 en la actualidad)
(2Terag=1012g)

6. Perspectivas y opciones de manejo en
relación al ciclo global del N
• El uso de fertilizantes N en el 2020 podría alcanzar 134
.Tg año-1 (1Tg= 1012g)
• <>necesidad de mayor énfasis en uso eficiente del N
• El consumo de combustibles fósiles en el 2020 podría
llegar a ~46. Tg N año-1.
<> necesidad de consumo eficiente de combustibles
fósiles,
<> otras alternativas energérticas: biodiesel, H2
• Quemado bosques y pastizales, drenado de suelos
anegados, labranzas, liberan aprox. 40 Tg N año-1 del N
reactivo acumulado

7. Balance de N en rotación mani/mijo en el
norte de Australia (kg/ha/año)
Entradas Salidas
fertilizante (mijo) 95 N-semillas (mijo) 33
FBN 82 N-semillas (mani) 109
precipitación ND lavado 20
fijación no simbiótica ND desnitrificación
del suelo 50
de residuos 8
de fertilizante 28
Total 177 248

8. 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
vegetal
La mayor parte del N no puede ser asimilado
directamente por los vegetales

9. Procesos biológicos y abiológicos que
involucran al N
naturaleza proceso denominación estimación
cuantitativa
biológico fijación del N2 175 x 10 6 ton N2/año
asimilación
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

10. Métodos de estudio
* desaparición de sustratos: N2, urea, rastrojos, abonos
* aparición productos finales: nitratos, sulfatos, metano
* actividad biológica global: CO2, consumo O2, enzimas
* recuentos microbianos: amonificantes, nitrificantes,etc.
* empleo de sondas específicas para algún
microorganismo: Rhizobium, Pseudomonas

11. 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-NH4+,N- NO2-, N-
NO3- por destilación y valoración, electrodos específicos,
colorimetría
Pérdidas: la liberación de gases, en dispositivos cerrados y
cromatografía gaseosa (N2, N2O, CH4, H2, CO2)
Elementos marcados: C14, N15, S32 etc.

12. Mineralización-inmovilización
Mineralización: Norg Nmineral
N (rastrojos, urea, fertilzantes, aa, proteínas, etc.)
N-(NH4+, NO2-, NO3-)
Etapas: Amonificación Norg N-NH4+
Nitrificación
Autótrofa: N-NH4+ N(NO2-, NO3-)
Heterótrofa N-NH4+ + MO nitrito, nitrato
N-orgánico

13. Amonificación
• 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

14. Ecología
La amonificación se favorece en:
• Aerobiosis
• Termofilia
• pH neutro
• Materia orgánica

15. 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

16. Oxidación del amonio
Nitrosomonas, 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 etapa
NH3 + O2 + 2H+ + 2e- NH2OH + H20 (no da ATP)
Amonio monooxigenasa, también actúa sobre cloroformo
Inhibida por acetileno
Segunda etapa
NH2OH + H20 NO2- + 5H+ + 4e-
Intermediarios: NO, N20 (abundante en bajo (O2)

17. ⇒ Nitratación
• Una reacción de un solo paso involucra a la nitrito
óxido-reductasa
NO2- + 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

18. Autoecología de Nitrosomonas y Nitrobacter
Nitrosomonas Nitrobacter
pH tolera pH altos y bajos inhibido a pH
superiores 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 inhibido a altas dosis

19. Nitrificación heterótrofa
microorganismo sustratos productos finales
Arthrobacter spp. NH4+, succinato nitrito, nitrato
Pseudomonas NH4+, acetato hidroxilamina, nitrito,
nitrato
Hansenula maraki nitroetano, nitropropano nitrito
Aspergillus flavus amonio y sacarosa àc.3
nitropropiónico, nitrato
Sustratos: amonio, nitrofenoles, amidas, nitropropano,
hidroxilamida
Microflora variada: bacterias, hongos
Ecología: menos sensibles al medio

20. Autótrofa
Sustratos: amonio/nitrito
Velocidad del proceso= 103-104 veces superior a la heterót.
Formación productos finales 102-103 mayor
Ambiente: muy sensibles (aireación, pH neutros, afectados
por biocidas)
Heterótrofa
Energía: principalmente de sustratos orgánicos, la
nitrificación provee muy poca: eficiencia baja, pero el
número de especies en en suelos puede ser alto
Ambiente: menos sensibles, numerosas especies activas
Importantes en situaciones donde los autótrofos son
inhibidos
altas temperaturas baja (O2) pH ácidos

21. 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 fertilizando
en otoño
• Población nitrificante: para oxidar 1 mg N/kg suelo/día se
necesitan 300.000 organismos. Suelos con bajo N pueden
contener 1.104 nitrificantes/g
•El pH: favorable en el entorno del neutro (microambientes
adecuados)

22. 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

23. Nitrato reducción
(desnitrificación)
Reducción desasimilativa
<> El producto final es óxido nitroso o N2
<> 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

24. Enzimas en la desnitrificación
NO3- 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 (hemo
Nir), en espacio periplasma
Nor= óxido nítrico reductasa, en membrana, citocromos b y c,
ATP
Nos= óxido nitroso reductasa, proteína periplasmática, 8 atomos
Fe, muy inhibida por el O2
Alto O2, o bajos pH---se acumula N2O más que N2
Inhibida por S= y acetileno (técnica de medida de la
denitrificación)

25. ⇒ Desnitrificación
• Usualmente tiene lugar en 4 etapas, pero puede no
llegar a N2 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

26. 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% de
MO
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

27. 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.