Fijadores de nitrogeno Sturla 2015

FIJADORES DE
NITROGENO
SIMBIOTICOS
Integrantes: Sturla Dario
Carrera: Ingeniería Agronómica
Asignatura: Microbiología agrícola
INTRODUCCION:
El Nitrógeno (N) es un elemento necesario en la composición de proteínas,
ácidos nucleicos y otros componentes celulares, siendo así una molécula
esencial para el crecimiento de todos los organismos y es uno de los factores
limitantes más comunes de la producción vegetal. En la atmósfera el N ocupa
aproximadamente el 80%, existiendo en la forma N
N; sin embargo, el N2,
debido al triple enlace entre los dos átomos de nitrógeno, que hace a la
molécula casi inerte, no puede ser aprovechado por la mayoría de las formas
vivientes, sino sólo por un pequeño grupo de microorganismos altamente
especializados, que incluyen algas, bacterias y actinomicetos. Para ser
utilizado en el crecimiento, este debe ser primero reducido y luego “fijado”
(combinado) en la forma de iones amonio (NH4+) o nitrato (NO3-). El proceso a
través del cual esos microorganismos reducen el nitrógeno hasta una forma
utilizable es conocido como Fijación Biológica de Nitrógeno (FBN). El proceso
puede ser llevado a cabo por los microorganismos en vida libre o en simbiosis
con plantas, y el mismo no sólo permite usar el nitrógeno atmosférico sino
también revertir o reducir la degradación del suelo.
TRANSFORMACION DEL NITROGENO MOLECULAR
ATMOSFERICO
La depositacion de nitrógeno en el suelo puede suceder
1) Por la incorporación de fertilizantes industrialesde los cuales la gran
mayoría se fabrican a partir de amoníaco
2) La deposición de nitrógeno por las lluvias se da por descargas
eléctricas y tormentas en la atmósfera, que hacen que el nitrógeno
molecular se oxide y en las nubes reaccione hasta ácido nítrico (HNO3-).
Con las lluvias se produce una transferencia de nitrógeno, las
cantidades dependen de la intensidad de las descargas, de la cantidad
de lluvia y la contaminación del aire. Los microorganismos fijadores de
nitrógeno no constituyen un grupo taxonómico homogéneo, la única
característica que comparten es la presencia de la enzima nitrogenasa.
3) Fijación biológica de nitrógeno (FBN): La fijación biológica del
nitrógeno atmosférico, consistente en la reducción de N2 a NH4+ por la
enzima nitrogenasa, es, después de la fotosíntesis, la ruta metabólica
más importante para el mantenimiento de la vida en la Biosfera.
Curiosamente, este proceso crucial sólo puede ser llevado a cabo por
unos pocos grupos de seres vivos, todos ellos procariotas.
La FBN es un proceso energéticamente elevado por lo tanto la síntesis y
actividad del complejo nitrogenasa se encuentra altamente regulado). A
continuación se muestra la ecuación general de la fijación de nitrógeno.
Debido a lo cual la síntesis del complejo nitrogenasa se encuentra
regulada a nivel transcripcional dependiendo el contenido de nitrógeno
disponible en el ambiente.
N2 + 16 ATP + 8e - + 8H+ →2NH3 + H2 + 16 ADP+Pi(ΔG=150Kcal/mol)
Esté proceso en el suelo cercano a la raíz de las plantas es de gran
importancia ecológica ya que parte del nitrógeno fijado queda disponible
para la planta y la planta provee de exudados que pueden ser fuente de
carbono para el microorganismo.
En la fijación de nitrógeno el N2 se reduce a amoniaco que se combierte
en una forma organica, la reducción esta catalizada por una enzima
llamada nitogenasa que consta de dos proteínas diferentes: la
dinitrogenasa y la dinitrogenasa-reductasa. Ambas proteínas contienen
hierro y la dinitrogenasa contiene además molibdeno. En la
dinitrogenasa, el hierro y el molibdeno forman parte de un cofactor
llamado FeMo-co que es donde se produce la reducción del N2.
Debido a la estabilidad del triple enlace del dinitrogeno, el N2 es muy
inerte y su activación requiere de ucha energía. Se debe tranferir 6
electrones para reducir el N2 a NH3 las tres etapas de reducción
sucesivas se producen directamente en la nitrogenasa
a) La fijación biológica asimbiótica de nitrógeno Las de vida libre son
especies que habitan en los suelos (como Azotobacter y Pseudomonas
spp.) que viven en la rizósfera, consumiendo los exudados de azúcares
que la planta libera por sus raíces, utilizando esta fuente de energía
como combustible para realizar la conversión de nitrógeno gaseoso no
disponible para la planta en nitrógeno disponible.
b) La fijación simbiótica de nitrógeno es aquella que realizan los
microorganismos que se encuentran en asociación con plantas u
hongos. La fijación simbiótica ocurre generalmente en la rizosfera, pero
también puede ocurrir a nivel de las hojas o los tallos.
Dentro de los organismos fijadores de nitrógeno, uno de los más
importantes es la especie Rhizobium que se asocian con plantas de las
subfamilias Papilionoideae, Cesalpinioideae, y Mimosoideae. La vida de
las bacterias se acomoda al ritmo de la planta hospedadora. Las
cantidades de N fijadas en el proceso simbiótico son muy diversas, con
valores de 20 a 1000 Kg de N.ha-1 en un ciclo de producción.
VENTAJAS DE LA BIOFERTILIZACION
a) Producen fitohormonas, como el ácido indolacètico y las citoquininas,
capaces de acelerar y potenciar el crecimiento de las plantas.
b) Al permanecer vivas durante años y reproducirse en el suelo, no sólo no
lo degradan sino que contribuyen a su enriquecimiento en nitrógeno y a
su regeneración de forma ecológica y gradual, incluso en terrenos de
alta concentración salina.
c) Permite el aumento de la producción.
d) Crea una barrera protectora contra hongos y bacterias patógenas en la
raíz de la planta, por lo que ésta crece más sana y fortalecida.
e) También se ha comprobado un mayor índice de germinación de semillas
comparada con otros sistemas de abonado.
f) Permite mayor desarrollo de las raíces.
FIJADORES DE NITROGENO ASIMBIOTICO
Entre las bacterias de vida libre puede encontrarse: anaeróbicas obligadas o
facultativas (e.j. Clostridium pasteurianum, Klebsiella spp., Desulfovibrio sp.),
aeróbicas obligadas (e.j. Azotobacter spp., Beijerinckia sp.) y fotosintéticas
(bacterias púrpuras sulfurosas y no sulfurosas, y bacterias verdes sulfurosas).
Entre las bacterias fijadoras de vida libre, las más numerosas y eficaces son
formas aeróbicas pertenecientes al género Azotobacter.
 Genero Azotobacter:
El género Azotobacter es uno de los microorganismos utilizados como
biofertilizantes que más se aplica e investiga en países en vías de
desarrollo. Sus propiedades beneficiosas se ponen de manifiesto en una
gran variedad de hortalizas, granos. Estos microorganismos en
determinadas condiciones su efecto beneficioso no se debe solamente a
la cantidad de N2 atmosférico fijado, sino a la capacidad de producir
vitaminas y sustancias estimuladoras del crecimiento que influyen
directamente en el desarrollo vegetal.
FIJADORES DE NITROGENO SIMBIOTICOS
Para que se establezca la relación simbiótica deben ocurrir las siguientes
etapas: 1. Multiplicación de las bacterias en la rizósfera, 2. colonización de la
rizósfera, 3. adsorción de las bacterias a la raíz, 4. diferenciación y desarrollo
del nódulo.
La utilización del nitrógeno atmosférico en la simbiosis, requiere de la
integración de las vías metabólicas de la fijación (bacteroides) y de la
asimilación (planta hospedera) del nitrógeno. La bacteria emplea compuestos
carbonados oxidables suplidos por la planta para su metabolismo y desarrollo y
para la síntesis de ATP y del poder reductor usados en la reacción de fijación
catalizada por la nitrogenasa, la cual genera el nitrógeno asimilable (NH4+),
que es metabolizado en las células nodulares que luego son exportados vía
xilema al resto de la planta, donde son usados.
Tomando la mayor contribución de nitrógeno fijado a los ecosistemas terrestres
proviene de la siguientes asociacion:
Asociación Rhizobium-leguminosa que se encuentran: en sistemas cultivados
o pasturas naturales de leguminosas. Se puede estimar que el 50% del
nitrógeno fijado en la tierra proviene de las asociaciones Rhizobiumleguminosa.
 Genero Rhizobium:
El nombre Rhizobium, tiene la ventaja de enfatizar la importancia
agronómica de las bacterias de los nódulos de las raíces (rhiza: raíz,
bius: vida, Rhizobium: vida en las raíces).
Los Rhizobium son microorganismos capaces de inducir la formación de
nódulos fijadores de nitrógeno atmosférico en las raíces de las plantas
de la familia Leguminosae (papilonoideas). Algunos rizobios también son
capaces de inducir nódulos en el tallo de leguminosas (Sesbania,
Aeschynomene). Los rizobios se encuentran dentro del orden
Eubacteriales y la familia Rhizobiaceae. Son bacilos de 0,5 a 0,9 nm de
ancho y 1,2 a 3,0 nm de longitud, son bacterias Gram negativas y no
esporulan. Son móviles debido a flagelos perítricos o a un flagelo polar o
subpolar.
Rhizobium: cepas de crecimiento rápido (tiempo de generación: de 2 a
4 horas), con varios flagelos, acidificantes en diferentes medios. Estos
rizobios generan nodulación en leguminosas de zonas templadas.
Tradicionalmente su clasificación se ha basado en el concepto de
especificidad rizobioleguminosa: las bacterias que nodulan a la misma
leguminosa se incluirían en la misma especie. La clasificación actual es
la siguiente:
Se considera crecimiento rápido cuando desarrollan colonias de 1 a 5
mm de tamaño en un periodo de tiempo de 3 a 5 días a una temperatura
de 25º a 28ºC. en un medio de agar con extracto de levadura y manitol,
y de crecimiento lento cuando para el periodo de tiempo indicado, la
colonia, no supera un milímetro de tamaño.
 INOCULACION CON Rhizobium
Si bien las leguminosas pueden estar bien noduladas y
micorrizadas cuando crecen en condiciones naturales, las
modificaciones introducidas por el hombre, como es el caso de
monocultivos, aplicación incontrolada de fertilizantes químicos,
tratamientos con pesticidas y herbicidas, etc., han causado una
pérdida en la infectividad de los suelos. Por ello, la inoculación de
leguminosas con microbios adecuados es de gran importancia
para el desarrollo de aquéllas.
Un criterio de selección es que el rizobio forme nódulos en las
raíces de la planta hospedadora bajo un amplio espectro de
condiciones ambientales, muestre capacidad de competir con
ventaja sobre otros rizobios no deseados, sobreviva y se
multiplique en el suelo, tenga resistencia a pesticidas,
desecación, etc.
Misma planta (alfalfa), mismo suelo, e iguales condiciones de crecimiento. La
diferencia entre “verde” y “amarillas” se debió a la inoculación de las primeras.
 Genero Azospirillum:
Una asociación de gran interés, que no se puede considerar
exactamente como simbiosis, es la formada por la bacteria fijadora de
nitrógeno Azospirillum, que prolifera en y sobre raíces de maíz, trigo,
cebada, avena y otros cereales y plantas forrajeras, constituyendo una
rizocenosis no nodulante que conduce a un aumento del número de
espigas y de biomasa vegetal. La inoculación de los suelos se realiza
utilizando turba molida como portador, conteniendo 109 bacterias de
Azospirillum por gramo de turba, que se aplica antes o poco después de
la siembra. El aumento de cosecha alcanza un máximo en suelos que
reciben un 30-50 por ciento menos de fertilizante nitrogenado del
normalmente recomendado para estos cultivos. Junto a esta capacidad
fijadora existe una mayor producción de hormonas de crecimiento, que
suponen un beneficio para el desarrollo de la planta, y que conducen a
la formación de más raíces y consiguiente aumento de absorción de
nutrientes.
 Género Bradyrhizobium:
Las bacterias del género Bradyrhizobium son bacilos de 0,5 a 0,9 nm por
1,2 a 3 nm. Se desplazan con un flagelo polar o subpolar. Consiste en
cepas de lento crecimiento, productoras de álcali, crecen en colonias
circulares hasta 1 mm. de diámetro, opacas y raramente traslucidas,
blancas, convexas y contundencia a tener textura granulosa.
Tres especies B. japonicum, B. elkanii y B. liaoningense pueden nodular
a la soja (Glycine max).
Bradyrhizobium: cepas de crecimiento lento (tiempo de generación
mayor a 6 horas), con un solo flagelo, alcalinizante de diversos medios.
 Cianobacterias:
Las cianobacterias se asocian simbióticamente con representantes de
las cuatro principales divisiones filogenéticas de las plantas terrestres:
briofitas (musgos, hepáticas y antocerotas), helechos, gimnospermas y
Angiospermas; además, se asocian con hongos para formar los líquenes
y con organismos marinos. Algunas cianofíceas, particularmente Nostoc
y Anabaena, aun cuando lo hacen en vida libre, pueden también
establecer simbiosis con un amplio espectro de plantas. La contribución
de las cianofíceas en vida libre a la economía del nitrógeno de los
medios naturales es difícil de establecer, pues a menudo se encuentran
muy localizadas. No obstante, se han llegado a medir cantidades
significativas, del orden de 30 Kg. de nitrógeno por hectárea y año en
cultivos de arroz. Sin embargo, desde un punto de vista de aplicación a
la agricultura hay que destacar las asociaciones simbióticas de estos
microbios con plantas.
Su aplicación más extendida es como fertilizante de los cultivos de arroz,
fundamental en la dieta alimenticia de más de la mitad de la población
mundial. El género Azolla agrupa a seis especies de pequeños helechos
acuáticos que viven flotando en aguas dulces tropicales y templadas de
todo el mundo, uno de los cuales, la Azolla caroliniana puede
encontrarse en ríos y charcas de la región castellano-leonesa. La
capacidad fijadora de nitrógeno del sistema, del orden de 3 Kg. de
nitrógeno por Ha. y por día, junto con su rápida propagación, duplicando
su biomasa entre tres y seis días, rápida descomposición en el suelo,
así como el hecho de no transmitir enfermedades a los cultivos, la hacen
útil como biofertilizante siempre que se controle su desarrollo, ya que
puede ocasionar algunos problemas ecológicos al causar la
desaparición de otras plantas ya existentes.
 Cianobacterias-Liquenes:
Los líquenes son asociaciones simbióticas entre un hongo
(micobionte) y una cianobacteria (fotobionte o cianobionte). La
cianobacteria más frecuente en los líquenes es Nostoc.
Los líquenes viven en varias superficies: suelos, árboles, rocas y
paredes, a menudo son los primeros en establecerse en el
ambiente, constituyendo la única vegetación en ambientes
extremos.
 Cianobacterias-Briofitas:
Los musgos forman asociaciones simbióticas con especies de
Cianobacterias. Las colonias de la cianobacteria se alojan en
cavidades especiales (domatias) localizadas en la parte ventral
del gametofito donde ocurre el intercambio de compuestos
nitrogenados y carbohidratos
 Cianobacterias-Helechos: (Azolla)
Azolla es un helecho acuático que forma una simbiosis
permanente y hereditaria con la cianobacteria Anabaena azollae
En esta asociación ocurre un intercambio de compuestos desde
la cianobacteria hacia el hospedero (compuestos nitrogenados) y
en vía contraria (productos fotosintéticos).
El género Azolla agrupa a seis especies de pequeños helechos
acuáticos que viven flotando en aguas dulces tropicales y
templadas de todo el mundo, uno de los cuales, la Azolla
caroliniana puede encontrarse en ríos y charcas de la región
castellano-leonesa. La capacidad fijadora de nitrógeno del
sistema, del orden de 3 Kg. de nitrógeno por Ha. y por día, junto
con su rápida propagación, duplicando su biomasa entre tres y
seis días, rápida descomposición en el suelo, así como el hecho
de no transmitir enfermedades a los cultivos, la hacen útil como
biofertilizante siempre que se controle su desarrollo, ya que
puede ocasionar algunos problemas ecológicos al causar la
desaparición de otras plantas ya existentes.
 Cianobacterias-Angiospermas:
Todas las especies de Gunnera forman asociaciones simbióticas
con Nostoc (particularmente con N. punctiforme) , siendo la única
angiosperma conocida por formar este tipo de asociación. Las
cianobacterias se localizan intracelularmente en las glándulas
ubicadas en la base del pecíolo donde ocurre el intercambio de
compuestos: nitrogenados desde el alga y fotosintéticos desde la
planta.
Gunnera magellanica
Fotomicrografía en microscopio deluz
del corte transversal del tallo de G.
chilense, mostrando las colonias de
Nostoc.
 Ascomicetes:
 Frankia:
La simbiosis fijadora de nitrógeno entre el actinomiceto, o bacteria
filamentosa Frankia y plantas no leguminosas, todas ellas
leñosas, tiene gran importancia en áreas forestales. Por la propia
naturaleza de las plantas implicadas, el beneficio que se puede
derivar de su empleo nos viene dado a más largo plazo que en el
caso de las leguminosas. De alguna manera éste es el motivo
fundamental de que las investigaciones sobre esta simbiosis
hayan ido siempre por detrás de la simbiosis de leguminosas, de
interés agrícola, que proporcionan un beneficio inmediato a la
economía del agricultor medio, quien basa su subsistencia en
productos anuales.
Este actinomicete forma nódulos (actinorizas) o raíces laterales
modificadas con lóbulos hasta de 5 cm de longitud y fija nitrógeno
en ocho familias de dicotiledóneas: Betulaceae, Casuarinaceae,
Coriariaceae, Datiscaceae, Elaeagnaceae, Myricaceae,
Rhamnaceae y Rosaceae. Como consecuencia, estas plantas
son capaces de crecer en suelos pobres e intervenidos, siendo
así útiles en la recuperación de suelos y reforestación.
La formación del primordio nodular se inicia en el periciclo, donde
se originan raíces laterales modificadas de forma lobular con
células infectadas en la corteza. Frankia penetra los pelos
radicales curvados o intercelularmente hacia la corteza, donde
ocurren divisiones celulares limitadas que dan lugar a la
formación del prenódulo; al mismo tiempo, en las células del
periciclo opuestas al protoxilema se suceden divisiones mitóticas
que conducen a la formación de las raíces laterales modificadas o
nódulos; al prenódulo se le considera como un órgano simbiótico
paralelo, desde donde progresan las hifas hacia el primordio del
nódulo.
Durante la simbiosis, el microsimbionte obtiene la energía de la
planta hospedera a través de compuestos carbonados; se
considera que Frankia por carecer de enzimas glicolíticas, obtiene
el carbono de lípidos.
Nódulos de Alnus sp. mostrando la
estructura multilobulada
FACTORES AMBIENTALES LIMITANTES DE LA
SIMBIOSIS
Hay muchos factores limitantes de la simbiosis, pero presumiblemente las mas
importantes son las clases de terreno, la luz, la temperatura, el agua, los
elementos minerales, etc.
Elementos minerales
Deficiencias o excesos en determinados elementos minerales afectan
directamente o indirectamente en la nodulación.
elementos como calcio, fósforo, azufre, cobre o zinc son muy importantes ya
que originan cambios en el pH lo cual puede afectar directamente a la fijación.
Los fertilizantes químicos utilizados tratan de influenciar un mayor crecimiento.
de la planta y una mayor con fijación del nitrógeno.
Temperatura
Que la temperatura afecta a la simbiosis esta claro, pero esta interacción es de
modo indirecto aparece de un modo no especifico a través de los procesos
metabólicos de la planta como respiración, fotosíntesis, transporte y
transpiración. En la leguminosas estudiadas, que tienen un ciclo de Calvin
normal, su temperatura optima es de 15 a 20º C. No se han encontrado
leguminosas tropicales con metabolismo C4. La respiración se incrementa con
las altas temperaturas, esto hace que haya una menor disponibilidad de
carbono para la simbiosis. Con menos de 7º C la nodulación se hace muy poco
probable. En el caso extremo de altas temperaturas, se reduce el número de
raíces laterales y pelos radicales, haciendo que la probabilidad de nodulación
sea menor. A temperatura extremas tiene lugar una degradación de los
nódulos.
Luz
La luz afecta a la simbiosis a través de la fotosíntesis, controlando la cantidad
de carbohidratos para el desarrollo y funcionamiento del modulo. Existen
evidencias de algunos efectos directos de la luz sobre la nodulación, así es por
ejemplo que la nodulación es pobre bajo luz azul y máxima bajo efecto de la luz
roja - esto implica una evidencia de la implicación del fitocromo reversible en el
proceso de nodulación). Se han hecho experimento con la defoliación gradual
de las plantas y se ve claramente como hay una reducción en la fijación del
nitrógeno.
Agua
Las deficiencias en la disponibilidad de agua causan un bajada en la fijación del
nitrógeno en leguminosas de todo el mundo, de todos modos hay diferentes
adaptaciones de estas plantas a las diversas condiciones de sequía, como
ejemplo podemos citar a M. sativa que llega a proyectar sus raíces hasta siete
metros de profundidad.
Otros factores
Otros factores posibles pueden ser los gases que hay en el terreno, las
enfermedades como hongos, virus o micoplasmas (se ha estimado que estas
enfermedades causan una perdida de al menos el 24 % de las leguminosas del
forraje). Por ultimo debemos decir que las actividades del hombre también han
modificado las cantidades de fijación de nitrógeno, la mayor parte de las veces
es en beneficio (como puede ser la contribución a la nodulación con diferentes
fertilizantes que ofrecen minerales al suelo que ayuda a la nodulación).
Inóculo Twin N™
Twin N™ es un inóculo comercial que contiene bacterias que fijan nitrógeno.
Contiene cepas de alta viabilidad y confiabilidad. Este inóculo ha sido
desarrollado y fabricado bajo estándares de la industria farmacéutica que
garantiza su calidad. Además, Twin N contiene inóculos de las especies más
investigadas a nivel mundial, altamente productivas en la fijación de nitrógeno.
Twin N™ contiene inóculo liofilizado de Azotobacter sp (vida libre en el suelo) y
Azospirilum sp (endófitas). Esto significa que la planta es inoculada y
colonizada por fuera y por dentro con especies muy eficientes para fijar el
nitrógeno, es decir dos sistemas diferentes de fijación de nitrógeno están
trabajando.
La reciente llegada comercial de inóculos como Twin N™ al mercado, está
cambiando rápidamente esta situación alrededor del mundo, permitiendo
reducir significativamente el costo actual de producción, de medio o alto a bajo,
y donde las aplicaciones de nitrógeno son esenciales para obtener un
rendimiento adecuado de los cultivos.
BIBLIOGRAFIA
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
Libro Brock. Biología de los microorganismos
Revista UDO Agrícola 4 (1): 1-20. 2004. Universidad de Oriente, Núcleo
de Monagas, Laboratorio de Rizobiología.
http://scriptusnaturae.8m.com/Articulos/FijN/libre.html - Fijación del
nitrógeno por microorganismos libres. Enero 2011.
Biblioteca digital de la universidad católica argentina. Trabajo Final de
Ingeniería en Producción Agropecuaria.
http://bibliotecadigital.uca.edu.ar/repositorio/tesis/fijacion-biologicanitrogeno-leguminosas.pdf
INSTITUTODE RECURSOS NATURALES Y AGROBIOLOGÍA; LA
FIJACIÓN DENITRÓGENOATMOSFÉRICO
AMecological, desarrollo biosustentable