El nitrógeno es un elemento que los seres vivos utilizan en grandes cantidades y que a pesar de que abunda en el medio natural, en los ecosistemas es casi siempre un nutriente limitante, a causa de las restricciones impuestas por su gran movilidad.
La atmósfera está compuesta por nitrógeno en un 78%, oxígeno 21%, bióxido de carbono 0.5% y otros gases. Sin embargo, en otros componentes del medio físico, como la litosfera, los lagos, los océanos y los ríos, contienen cantidades mínimas o nulas de este elemento. Pero los organismos vivos han desarrollado vías metabólicas muy especializadas para transformar químicamente el nitrógeno en muchas de sus formas orgánicas e inorgánicas. Entonces el ciclo del nitrógeno en la naturaleza se lleva a cabo casi exclusivamente en procesos relacionados con los organismos y con su único gran depósito en la atmósfera, en donde se encuentra la mayor parte del nitrógeno inorgánico (N2) y puede considerarse como el depósito más estable de nitrógeno en la naturaleza. Las demás formas de nitrógeno orgánico e inorgánico disponibles para los seres vivos son bastante más dinámicas, es decir, que se pueden transformar relativamente rápido en otros compuestos nitrogenados.
Para ilustrar la dinámica del nitrógeno es mejor explicar las reacciones que suceden en los diferentes componentes del medio ambiente.
El medio natural se compone de tres partes: Medio físico, medio biótico y medio socioeconómico. Para estudiar el nitrógeno se hace referencia básicamente a los medios físico y biótico. El medio físico consiste de la litósfera, el medio acuático y la atmósfera. El medio biótico se compone de la flora, la fauna y los microorganismos. Así, se van a explicar las transformaciones del nitrógeno en el suelo, en los cuerpos de agua terrestres y en los océanos. También se va a explicar las transformaciones del nitrógeno en relación con las actividades humanas. Las transformaciones del nitrógeno que tienen lugar en las aguas residuales domésticas y de algunas industrias, y también las transformaciones del nitrógeno atmosférico en contacto con los procesos de combustión industriales y automotrices.
Las principales formas químicas del nitrógeno para los organismos vivos son el amonio (NH4+, catión), el nitrato (NO3-, anión), nitrito (NO2-, anión), óxido nitroso (N2O, gas), urea (CH4N2O), aminoácidos (R-[NH2-C-COOH]-R'), ácidos nucleicos (adenina, timina, guanina, citocina y uracilo). Algunos otros compuestos orgánicos que contienen nitrógeno, como la quitina del exoesqueleto de los insectos y los crustáceos, están presentes en grupos más o menos restringidos de organismos. También sustancias intermedias en las vías metabólicas de los aminoácidos contienen nitrógeno, como la nicotina, colina, acetil-colina, tirosina, adrenalina, serotonina, el grupo hemo de la hemoglobina, histamina, nicotinamida, melaninas, ácido indolacético, ornitina, espermina, clorofila y muchas más.
El nitrógeno atmosférico (N2), la forma química más abundante de nitrógeno, no está disponible para la mayoría de los organismos vivos. Una vía para que el nitrógeno sea disponible para los procesos metabólicos es la oxidación que sucede en la atmósfera durante las tormentas eléctricas, que proporcionan la energía para su oxidación en presencia de oxígeno atmosférico (NO, N2O) y de esta forma sedimenta hacia la superficie de la tierra donde, en presencia de humedad, se hace biodisponible para las raíces de las plantas. El otro mecanismo, que es con mucho el que transforma las mayores cantidades de nitrógeno y lo incorpora a las vías metabólicas, es el proceso de fijación de nitrógeno, que es un proceso bioquímico realizado por microorganismos especializados como las bacterias de los géneros Frankia y Rhizobium que viven en simbiosis con vegetales y las bacterias del género Chlostridium, que son bacterias de vida libre capaces de realizar la fijación de nitrógeno. Estos microorganismos toman el nitrógeno atmosférico (N2) y lo reducen para formar hidroxilamina (NH2OH). La reducción del nitrógeno continúa hasta la formación de amonio y su incorporación a la síntesis de aminoácidos. Las plantas pueden formar asociaciones con bacterias fijadoras de nitrógeno del género Rhizobium en sus raíces. Las plantas obtienen aminoácidos formados por estas bacterias, o en mayor medida, amonio (forma inorgánica) que es incorporado al aminoácido glutamato para formar glutamina, una forma en que las plantas transportan nitrógeno a través de sus haces vasculares, hasta alcanzar los sitios de demanda donde hay energía disponible para la síntesis de aminoácidos, es decir, en las hojas y tejidos verdes fotosintéticos. A partir de ahí, los aminoáciddos, proteínas y enzimas sintetizados son transportados por los haces vasculares en forma de savia hasta alcanzar los tejidos alejados de los rayos del sol como la madera y las raíces.
En lo sucesivo se van a analizar los procesos bioquímicos que realizan principalmente microorganismos y vegetales que transforman al nitrógeno. Para ello se va a abordar en forma separada el nitrógeno en el suelo, el nitrógeno en los cuerpos de agua interiores, el nitrógeno en los océanos, el nitrógeno en los procesos de tratamiento de agua residual y el nitrógeno en los gases de combustión.
Bibliografía
Mathews, C. and Van Holde, K. 1999. Bioquímica. Editorial Interamericana/McGraw-Hill. Madrid, España. 1283 p.
