El nitrógeno es un elemento esencial para la vida, constituyendo un componente fundamental de biomoléculas como proteínas y ácidos nucleicos. El ciclo global del nitrógeno describe las transformaciones continuas de este elemento a través de diversos estados de oxidación y reducción, desde el nitrógeno molecular (N2) hasta el amoniaco (NH3), compuestos orgánicos nitrogenados, óxidos de nitrógeno y de vuelta a N2. La vida en la Tierra depende intrínsecamente de este ciclo, que permite la producción de biomasa y el mantenimiento de los procesos bioquímicos.
La atmósfera terrestre contiene aproximadamente un 78% de nitrógeno molecular (N2), una forma "no reactiva" que debe ser convertida a formas "reactivas" (Nr) para ser aprovechada por la biosfera. Este proceso de conversión es llevado a cabo principalmente por microorganismos a través de la fijación biológica de nitrógeno. Otras formas de nitrógeno presentes en la atmósfera, aunque en menores cantidades, incluyen óxidos de nitrógeno, amonio (NH4+), ácido nítrico (HNO3), y partículas de nitrato (NO3-) y nitrógeno orgánico.
Las actividades humanas, como la producción industrial de amoniaco (NH4+) y nitratos (NO3-) para fertilizantes, la combustión de hidrocarburos fósiles, y la descarga de aguas residuales, han alterado significativamente el ciclo del nitrógeno. Estos desequilibrios provocan efectos negativos como la eutrofización de cuerpos de agua, el efecto invernadero debido a la generación de óxido nitroso (N2O), y riesgos para la salud humana por el consumo de nitratos en el agua potable.
Fijación del Nitrógeno por las Cianobacterias
La fijación del nitrógeno es un proceso crucial llevado a cabo por organismos especializados, como las cianobacterias. Estos microorganismos tienen la capacidad de convertir el nitrógeno atmosférico (N2) en amoniaco (NH3), una forma que puede ser asimilada y utilizada por otros organismos. La fijación de nitrógeno en las cianobacterias ocurre en unas células especializadas llamadas heterocistos. Estos heterocistos son células más grandes y robustas, con múltiples capas de paredes celulares gruesas que crean un ambiente interno libre de oxígeno (O2). El oxígeno es un producto de desecho de la fotosíntesis realizada por las células vegetales más numerosas de la cianobacteria, y su exclusión de los heterocistos es vital para el funcionamiento de la enzima nitrogenasa, responsable de la fijación del nitrógeno.
El Problema de la Zona Muerta en el Golfo de México
El golfo de México, particularmente en las aguas costeras cercanas a Louisiana y Texas, experimenta cada verano, desde hace al menos tres décadas, un fenómeno de crecimiento excesivo de fitoplancton. Este evento, conocido como "floración" de fitoplancton, desencadena la formación de una zona con niveles de oxígeno tan bajos que los organismos aerobios no pueden sobrevivir, lo que se denomina zona muerta. En 2017, esta zona muerta alcanzó dimensiones significativas, causando no solo la destrucción del hábitat, sino también representando una amenaza para la salud humana y la próspera industria pesquera comercial y recreativa.
El Rol del Fitoplancton en los Ecosistemas Acuáticos
El fitoplancton, que incluye microorganismos como cianobacterias y diatomeas, es fundamental para la vida en la Tierra, produciendo más de la mitad del oxígeno que respiramos. Estos organismos microscópicos forman la base de las redes alimentarias acuáticas, siendo consumidos por el zooplancton y los peces. Su crecimiento depende de la disponibilidad de luz, dióxido de carbono (CO2) y nutrientes. Normalmente, el crecimiento del fitoplancton está limitado por factores como la temperatura y bajos niveles de nutrientes, especialmente nitrógeno y, en menor medida, fósforo.
Las floraciones de fitoplancton a pequeña escala, que ocurren en aguas oceánicas con altas temperaturas del aire y del agua superficial, a menudo están relacionadas con las corrientes ascendentes. Este proceso, impulsado por fuertes vientos, trae agua oceánica fría y rica en nutrientes desde las profundidades hasta la superficie, promoviendo un crecimiento rápido del fitoplancton.
Causas de la Floración Masiva en el Golfo de México
La zona muerta del golfo de México, una de las cientos observadas actualmente en el planeta, se ha relacionado de manera concluyente con el exceso de nitrógeno que es vertido en el golfo a través del río Misisipi. Se estima que anualmente se descargan alrededor de 165,000 toneladas métricas de fertilizante de nitrato. Además de los fertilizantes agrícolas (amoniaco y nitrato), otras causas significativas de la floración masiva del fitoplancton incluyen la escorrentía de desechos animales de la agricultura, la liberación de aguas residuales sin tratar o insuficientemente tratadas de las plantas de tratamiento, y la escorrentía de tanques sépticos hacia los ríos y arroyos de la cuenca del río Misisipi, que abarca aproximadamente el 40% de los estados continentales de EE. UU.
La concentración de fitoplancton en las floraciones del golfo es extremadamente alta, alcanzando miles de células por mililitro. Dependiendo de la especie dominante, esta alta densidad microbiana puede alterar el color del agua, tiñéndola de verde, marrón o rojo.
Metabolismos Microbianos en Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales
El diseño, la optimización y la mejora de los sistemas de tratamiento de aguas residuales (ST) domésticas se benefician enormemente de la colaboración entre ingenieros y microbiólogos. Juntos, han desarrollado reactores terciarios capaces de soportar comunidades microbianas eficientes en la remoción de nutrientes, logrando altas tasas de eliminación. Este artículo revisa la actividad bacteriana y su aplicación en sistemas de tratamiento, comenzando por conceptualizar la influencia de los microorganismos y la actividad humana en el ciclo global del nitrógeno, para luego analizar los procesos específicos en los que intervienen los microorganismos.
Se clasifican y presentan nuevas evidencias de metabolismos relacionados, describiendo como ejemplos algunos de los procesos de tratamiento terciario de aguas residuales que han sido desarrollados con éxito en las últimas décadas. Los compuestos nitrogenados son contaminantes ambientales significativos debido a su contribución a la eutrofización, su impacto en el contenido de oxígeno disuelto (demanda nitrogenada) y su toxicidad sobre la vida acuática y los seres humanos. Si bien los sistemas de tratamiento biológico para aguas residuales domésticas han sido efectivos en la remoción de carbono orgánico, su eficiencia en la eliminación de compuestos nitrogenados ha sido menor, lo que agrava la descarga de nutrientes a los cuerpos de agua receptores.
El 🌨 CICLO del NITRÓGENO, sus fases en la atmósfera, en bióticos y abióticos y en el mar, biología
Procesos de Transformación Microbiana del Nitrógeno
El nitrógeno constituye aproximadamente el 12% del peso seco de las bacterias. Los microorganismos son capaces de llevar a cabo todos los pasos necesarios para completar y equilibrar el ciclo del nitrógeno, obteniendo energía o biomasa a través de sus metabolismos. Entre los procesos de transformación microbiana del nitrógeno, se describen los siguientes:
- Fijación: Utilización del N2 atmosférico como fuente directa de nitrógeno para la síntesis celular. Aproximadamente 250 Tg de N son fijados anualmente por microorganismos en la tierra y el océano.
- Asimilación o Inmovilización: Proceso de utilización del NH4+ o de formas reactivas de nitrógeno inorgánico para la síntesis celular. El NH4+ es la forma más utilizada para la asimilación.
- Amonificación o Mineralización: Liberación biológica de nitrógeno orgánico como NH4+ durante la hidrólisis de nucleótidos y proteínas, catalizada por organismos heterótrofos.
Nitrificación: Un Proceso de Dos Etapas
La nitrificación es un proceso clave en el ciclo del nitrógeno y en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, que se divide en dos etapas:
- Nitritación: Oxidación del amonio (NH4+) a nitrito (NO2-). Este proceso es llevado a cabo por bacterias nitrificantes, como las de los géneros *Nitrosomonas* y *Nitrosospira*, bajo condiciones aeróbias. Requiere un alto consumo de oxígeno y genera protones de hidrógeno, acidificando el medio.
- Nitratación: Oxidación del nitrito (NO2-) a nitrato (NO3-). Esta etapa es realizada por bacterias como *Nitrobacter*, *Nitrospina*, *Nitrococcus* y *Nitrospira*, también bajo condiciones aeróbias.
La distinción entre nitritación y nitratación es importante, ya que estos procesos pueden inducirse de forma aislada en los reactores de tratamiento.
Reducción Desasimilatoria del Nitrato
La reducción desasimilatoria del nitrato implica la reducción del NO3-, que puede resultar en la formación de N2 o NH4+. Este proceso se lleva a cabo en dos pasos, siendo el primero obligatorio y el segundo dependiente de la ruta metabólica:
- Desnitrificación heterótrofa: Proceso anaerobio donde el NO3- se reduce a N2, utilizando los óxidos de nitrógeno intermedios como aceptores terminales de electrones en procesos de respiración. Los microorganismos que realizan este proceso son quimioheterótrofos. Las condiciones óptimas incluyen baja concentración de oxígeno disuelto (OD < 1 mg L-1), temperaturas superiores a 10°C y un pH entre 7 y 8.5. Este proceso incrementa la alcalinidad del medio.
- Nitrato amonificación o Reducción desasimilatoria del nitrato a amonio: En esta ruta, el NO3- se reduce a NH4+. Este proceso utiliza 8 electrones, lo que permite la oxidación de más materia orgánica por molécula de NO3- en comparación con la desnitrificación heterótrofa, sugiriendo una mayor eficiencia en la producción de energía para las bacterias nitrato amonizantes.
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