Bacterias Fijadoras De Nitrogeno

Nutriendo al suelo

Introducción

La materia circula desde el mundo vivo (organismos fotosintéticos, consumidores y descomponedores) hacia el ambiente y de regreso, tal circulación constituye los ciclos biogeoquímicos. Debemos ver al planeta Tierra como un sistema cerrado en el que no entra ni sale materia (ley de la conservación de la materia, ésta no se destruye, sólo se transforma). Las sustancias utilizadas por los organismos no pueden “perderse”, aunque pueden llegar a sitios en que resultan inaccesibles para los organismos por un largo periodo. Casi siempre la materia se reutiliza y recircula varias veces, tanto dentro de los ecosistemas como entre ellos. En síntesis, los ciclos biogeoquímicos reciben este nombre debido al movimiento cíclico de los elementos que forman la biota (lo vivo), el ambiente geológico y porque en estos procesos ocurren cambios químicos.

Este es quizá uno de los ciclos más complicados, ya que el nitrógeno se encuentra en varias formas, y se llevan a cabo en él, una serie de procesos químicos en los que el nitrógeno es tomado del aire y es modificado para finalmente ser devuelto a la atmósfera. El nitrógeno (N2) es el elemento que se encuentra en forma libre (estado gaseoso) y en mayor abundancia en la atmósfera (78 %.). Se coloca entre los principales elementos biogeoquímicos; sin embargo, es tan estable, que apenas se combina con otros elementos y, por tanto, es difícil que los organismos lo asimilen, ya que primero necesitan desdoblarlo y emplearlo en la síntesis de aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos (ADN y ARN) y otras moléculas fundamentales para su metabolismo. Por lo tanto, teniendo esto en cuenta, es fácil notar su importancia en la vida de cientos de organismos.

El nitrógeno después del agua, es el factor limitante más importante para el desarrollo de las plantas que lo necesitan para formar proteínas, ácidos nucleicos, etc. Dentro de los ciclos biogeoquímicos de los elementos minerales, el del nitrógeno es especialmente complicado por encontrarse, en condiciones naturales, en distintos estados de valencia (de +5 a -3) formando compuestos estables.

Uno de estos compuestos, el nitrato, la forma más usual tomada por la planta, es clave en su nutrición y puede hallarse en el suelo derivado del contenido mineral del mismo, de aquel que se pueda incorporar de la atmósfera o de la biotransformación de las moléculas orgánicas que lo contienen formando parte de los restos vegetales y animales que allí llegan o de los propios microorganismos que lo habitan. La desnitrificación, o reducción del nitrato hasta nitrógeno molecular o dinitrógeno, N2, es una actividad microbiana importante, cuantitativamente considerada y por su efecto contaminante del ambiente. Las pérdidas de nitrógeno asimilable que esta actividad conlleva son compensadas por la llamada fijación de nitrógeno, que se entiende como la oxidación o reducción de este elemento para dar óxidos o amonio. Todos los procesos del ciclo actúan de forma que en condiciones normales las diferentes actividades microbianas están equilibradas y las pérdidas son compensadas por las ganancias. La masiva utilización de fertilizantes nitrogenados está actuando sobre el ciclo con claros resultados negativos, entre ellos contribuyendo al cambio climático (Nitrógeno y cambio climático).

Desarrollo

La fijación de nitrógeno puede ser puramente abiótica o biológica. Por la primera se forman óxidos como consecuencia de la combustión de compuestos orgánicos, descargas eléctricas, etc., que son arrastrados al suelo por la lluvia, o amonio por el proceso industrial Haber Bosch. Por la segunda, la fijación biológica de nitrógeno (FBN), proceso llevado a cabo por organismos procarióticos, el N2 es reducido a amonio e incorporado a la biosfera.

A pesar de la abundancia de N2 en la atmósfera, no es aprovechable por las plantas que se ven obligadas a utilizar las formas combinadas que se encuentran en el suelo en cantidad insuficiente para soportar los cultivos intensivos. Por lo que supone en el aporte de nitrógeno a las plantas, la FBN presenta un gran interés que ha determinado que sea considerada objeto de intensa investigación desde que en 1888 fue descubierta, aunque empíricamente era aprovechada ya por los romanos cuando observaron el efecto beneficioso de la rotación de los cultivos (Bosquejo histórico). No en vano la fijación biológica contribuye globalmente de forma importante al suministro del nitrógeno requerido por las plantas. El resto necesario procede casi en su totalidad del amonio sintetizado vía Haber Bosch con un gasto, para conseguir el H2 y la alta temperatura y presión requeridas, del 1 % de la energía consumida a nivel mundial. Hoy día la FBN cobra más valor, si cabe, dentro del contexto de la agricultura sostenible, ya que puede evitar el uso abusivo de fertilizantes nitrogenados con el consiguiente ahorro en el consumo de energía y la disminución de la degradación del medio. Desde este punto de vista ecológico, también es interesante señalar la importancia de la FBN en el mar por la necesidad de nitrógeno asimilable disponible que requieren los océanos para actuar como sumideros del CO2 de la atmósfera.

Este proceso microbiano es llevado a cabo por organismos procarióticos en vida libre o en simbiosis, esto último si ocurre en asociación mutualista con las plantas. Hay una gran representación de especies microbianas portadoras de esta característica pertenecientes a muy diferentes grupos de bacterias.

Se trata de un proceso altamente consumidor de energía. El triple enlace que une los dos átomos de nitrógeno es duro de romper. El trabajo es llevado a cabo por la enzima nitrogenasa con el consumo de 16 moléculas de ATP por N2 reducido, según la ecuación:

N2 + 16ATP + 8e- + 8H+ = 2NH3 + 8H2 + 16ADP + 16Pi

Algunos fijadores libres, como Azotobacter, requieren hasta 100 unidades de equivalentes de glucosa por unidad de nitrógeno fijado. Por ello su significación agrícola es baja, que se incrementa considerablemente en el caso de la fijación simbiótica, como la establecida entre Rhizobium y las leguminosas, donde la relación disminuye de 6 a 12 unidades de glucosa consumidas por unidad de nitrógeno reduido. En este caso, además, la fuente de energía son los compuestos carbonados suministrados directamente por la planta derivados de la fotosíntesis, mientras que los fijadores libres han de tomarlos del suelo donde no existen en la cantidad y forma necesarias. Así de hecho, Azotobacter proporciona al suelo unos cientos de gramos de nitrógeno por hectárea/año y, en cambio, este valor sube en la asociación de Rhizobium con alfalfa, trébol, guisante o soja, a unos cientos de kilos. A pesar de estas diferencias, la fijación libre por sí sola representa a nivel global algo menos de la mitad del total de N2 fijado por año, ya que la simbiótica, aunque sea más alta, está limitada a unas pocas especies vegetales, entre ellas, las leguminosas de gran importancia económica y social.

Tal limitación es un handicap a la hora del aprovechamiento integral de este proceso biológico, del que quedan fuera cultivos tan importantes como arroz, maíz o trigo. Esta es también la causa de que se busque la forma de que estas especies vegetales, fundamentales en alimentación humana, puedan llegar a utilizar el N2 y hacerse independientes de su aplicación como fertilizante.

Junto al interés que esta posibilidad tiene y que ha determinado la dedicación de numerosos grupos a su estudio, dos hechos han determinado el avance de los conocimientos sobre la FBN desde los años 70. Por un lado, la introducción para su detección y medida de la técnica de la reducción de acetileno a etileno (ARA), basada en la capacidad de la nitrogenasa de reducir compuestos de triple enlace (algo sobre evolución) y, por otro, la aplicación a las investigaciones en curso de las herramientas propias de la biología molecular.

La determinación de ARA permitió hacer medidas de la actividad enzimática fidedignas con un simple cromatógrafo de gases, eliminando la nunca precisa observación del crecimiento bacteriano en medios de cultivo libres de nitrógeno o la poca asequible espectrometría de masas para determinar la incorporación de 15N2. Esta última técnica es muy usada en los experimentos que se realizan para conocer el nitrógeno de la planta que procede de la atmósfera o del suelo y/o fertilizante aplicado, especialmente en ensayos de campo.

Los estudios genéticos, por otra parte, demostraron la implicación directa en la fijación de unos veinte genes, nif, en el caso de los fijadores libres y de bastantes más en los simbióticos, como Rhizobium, ya que el establecimiento de la simbiosis mutualista con la planta conlleva una complicación adicional. Las asequibilidad de esta bacteria y la especial distribución de esos genes en su genoma han facilitado considerablemente el estudio molecular del proceso y la transferencia de los conocimientos a otros sistemas fijadores.

Aunque todos los organismos y sistemas fijadores son susceptibles de ser aprovechados en agricultura, y de hecho se puede encontrar en la bibliografía referencias al respecto, hay algunos más útiles que otros, no sólo por la eficiencia del proceso y por los niveles de nitrógeno que incorporan, sino también, por el interés de los cultivos susceptibles de ser tratados. Los sistemas potencialmente más útiles, como se ha dicho arriba, implican, de una forma más o menos íntima, un hospedador con el que la bacteria establece la asociación beneficiosa.

Entre ellos, un primer sistema recoge lo que se llaman

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