Ciclo del nitrógeno

Ciclo del nitrógeno
Universidad Nacional de Rio Negro
Materia: Microbiología
Integrante: Quini Camila
INTRODUCCION:
El nitrógeno es el macronutriente que en mayor medida condiciona la vida sobre la
tierra. Un 78% de atmósfera está formado por N2.El ciclo del nitrógeno tiene una
trayectoria definida y complicada, dado que tiene que seguir una serie de procesos
físicos, químicos y biológicos. Las plantas no pueden asimilar por si mismas el
nitrógeno atmosférico, gracias al proceso biológico de algunas bacterias y
cianobacterias, el nitrógeno que se encuentra en la atmósfera puede ser asimilable, al
“romper” la unión de sus enlaces por medios enzimáticos y así poder producir
compuestos nitrogenados, que pueden ser aprovechados por la mayoría de los seres
vivos, en especial las plantas, que forman relaciones simbióticas con este tipo de
bacterias. Ese nitrógeno fijado se transforma en aminoácidos y proteínas vegetales,
que son aprovechadas a su vez por los herbívoros, quienes los van almacenando para
finalmente pasarlos al último eslabón de la cadena alimenticia, es decir a los
carnívoros. Cabe mencionar, que el nitrógeno regresa de nuevo al ciclo por medio de
los desechos (tanto restos orgánicos, como productos finales del metabolismo), los
cuales por medio de otras bacterias lo liberan a la atmósfera. De esta forma se logra
un equilibrio en el ciclo del nitrógeno.
Fijación Biológica del nitrógeno:
Fijación No simbiótica:
Esta pude ser realizada por microorganismos tales como: organismos aerobios (como
Azotobacter),anaerobios del suelo (como Clostridium), bacterias fotosintéticas (ciertos
actinomicetes como Frankia) , algas azul verdes y cianobacterias.. No está muy bien
desarrollada esta fijación y no se conocen datos de importancia en magnitud. Sin
embargo en ciertos suelos tropicales se calcula que esta fijación aporta alrededor de
50Kg/Ha año.
Fijación Simbiótica:
Este mecanismo de ingreso de nitrógeno al sistema suelo, es de real importancia en la
producción agrícola. Se cree que en ciertas condiciones de simbiosis puede llegar a
fijarse hasta 300Kg/Ha año de nitrógeno. Este mecanismo es realizado por varios
organismos específicos pero uno de los más importantes es el género Rhizobium (que
viven en simbiosis con las leguminosas y también con algunos árboles y arbustos).
Este nitrógeno fijado a nivel bacteriano puede volver a utilizarse en cultivos posteriores
y de aquí su importancia.
FISIOLOGÍA
La fijación biológica de nitrógeno es catalizada por una asociación enzimática llamada
nitrogenasa. La nitrogenasa está compuesta por dos proteínas solubles: la proteína del
hierro (dinitrogenasa reductasa) y la proteína del MoFe (dinitrogenasa). El MoFe es un
cofactor esencial en la dinitrogenasa. Las dos enzimas del complejo funcionan
conjuntamente: la dinitrogenasa reductasa reduce la dinitrogenasa, mientras que esta
última reduce el nitrógeno. Ambas enzimas son necesarias para que se produzca la
fijación. La ecuación para la fijación del nitrógeno puede ser la siguiente; el Mg+2 es el
cofactor necesario:
N2 + 6e- + 6H+ + 12ATP + Mg+2 -- 2NH3 + 12ADP + 12Pi + Mg+2
Cada electrón transferido requiere 2 ATP. La nitrogenasa no es del todo efectiva. De
hecho, también reduce otros compuestos como el H+ , el N2O, el N-3 y el CN. La
evolución del hidrógeno es un subproducto de carácter general de la fijación del
nitrógeno, particularmente en flujos de electrones poco elevados:
2H+ + 2e- + 4ATP --- H2 + 4ADP + 4Pi
La ecuación general para la fijación catalizada por la nitrogenasa es, por tanto:
N2 + 16ATP + 8e- + 8H+ + Mg+2 --- 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi + Mg+2
Etapas
El termino mineralización hace referencia a la transformación de nitrógeno orgánico
(enzimas, proteínas, AA, ácidos nucleicos, etc.) a la forma inorgánica, más
específicamente a amonio (NH₄+) y Nitrato (NO₃-). También hace referencia a la
nitrificación como el otro proceso de importancia donde el NH₄+ es trasformado en
(NO₃-), pero no se desarrolla en esta monografía.
Cuando se habla de Amonificación, está haciéndose referencia al pasaje específico
de nitrógeno orgánico a amonio (NH₄+). Este proceso es realizado por
microorganismos heterótrofos del suelo, y es amplia la cantidad de organismos que
pueden realizar la Amonificación (mineralización) por ejemplo numerosas bacterias,
hongos, actinomicetos y ciertas algas. Esto sucede porque el sustrato a utilizar no es
específico y allí reside esta variabilidad. Además es uno de los procesos del ciclo
biogeoquímico que menos se ve afectado por los cambios en el medio ambiente, y
puede darse tanto en Anaerobiosis como en Aerobiosis, en condiciones de
temperaturas medias y en rangos de pH donde la actividad biológica se desarrolla
normalmente (para la mayoría de los microorganismos el rango mínimo es cercano a
5.5). Esta modificación química se da en dos reacciones, en primer lugar el nitrógeno
orgánico se transforma en Aminas (R-NH₂) y posteriormente en Amonio (NH₄+).
Asimilacion: los vegetales absorben el nitrato del suelo y lo utilizan para fabricar
proteínas, las que pasan a los animales a través de la cadena alimentaria. El ciclo se
reinicia con los desechos de animales o cuando animales y vegetales mueren.
Desnitrificacion: parte del nitrato presente en el suelo se pierden en el proceso de
desnitrificación, a través de la cual algunas bacterias transforman el nitrato el
nitrógeno gaseoso y lo liberan a la atmosfera.
Características de los rhizobios
Las bacterias Rhizobium son organismos de vida libre que habitan en la rizosfera y se
alimenta de los restos de organismos muertos. Estas contienen un plásmido que
codifica información que es vital para la infección y la nodulación de la planta
hospedadora correspondiente. Son bacilos móviles (cuentan con flagelos), Gramnegativos, con dos capas de pared celular (la primera capa esta hecha por
carbohidratos y proteínas, y la segunda capa por lípidos y carbohidratos), procariotas,
aeróbicos (necesita oxígeno para crecer), motiles (al hacerse el test de motilidad, el
agar se vuelve amarillo y no de su color original –morado-), beta (digiere la
hemoglobina), crece casi en cualquier temperatura, pero su desarrollo es más óptimo
en una temperatura de 25 °C o 77 °F, sus dimensiones son de 0.5-0.9 x 1.2-3.0µm.
Ejemplos de rhizobios:
* Vida libre ( bacilos): Podemos encontrar bacterias anaerobias estrictas,
como Clostridium, y facultativas, como Klebsiela, pero también aerobias
como Azotobacter, Beijerinckia yAzospirilum.
*En simbiosis:( pérdida de pared celular)Bacteroides.
Pertenecen al subgrupo de las proteobacterias en el que se incluyen los géneros
Allorhizobium,Azorhizobium,Bradyrhizobium,Mesorhizobium,Rhizobium y Sinorhizobiu
m(recientementeincluídoen Ensifer)
*Las Colonias son húmedas, adherentes, mucho contenido extracelular mucilaginoso.
Asociaciones rhizobio-leguminosa
El nitrógeno es muy abundante en la atmósfera, sin embargo, las plantas no pueden
utlizarlo en su forma elemental y tienen que obtenerlo del suelo principalmente en
forma de nitratos o amonio. La fijación biológica de nitrógeno es un proceso clave en la
biosfera, por el cual microorganismos portadores de la enzima nitrogenasa convierten
el nitrógeno gaseoso en nitrógeno combinado. El grupo de bacterias al que se conoce
colectivamente como rizobios, inducen en las raíces (o en el tallo) de las leguminosas
la formación de estructuras especializadas, los nódulos, dentro de los cuales el
nitrógeno gaseoso es reducido a amonio. Se estima que este proceso contribuye entre
el 60-80 % de la fijación biológica de nitrógeno. La simbiosis es inhibida si existe un
exceso de nitrato o amonio en el suelo. En esta simbiosis en los nódulos, la planta
huésped obtiene nutrientes nitrogenados de la bacteria (rizobios) y ofrece a ésta una
fuente de carbono y un ambiente favorable para fijar nitrógeno. Esta simbiosis
contribuye con una parte considerable del nitrógeno combinado en la tierra y permite a
las plantas leguminosas crecer sin fertilizantes nitrogenados y sin empobrecer los
suelos.
Bacterias heterótrofas conocidas como rhizobios se asocian en estructuras nodulares
fijadoras de N2 atmosférico en leguminosas, contribuyendo de manera fundamental a
la fertilidad del suelo, a la producción de alimentos para el hombre y animales y a la
economía de fertilizantes nitrogenados, ya que muchas leguminosas son
autosuficientes en sus requerimientos de nitrógeno.
Asociaciones con Frankia spp.
Después de las leguminosas, las plantas actinorrícicas constituyen el segundo grupo
importante de plantas fijadoras de N2. Pertenecen algunas 10 familias de
Espermatófitas, con unos 24 géneros que contribuyen a la economía de este elemento
en zonas erosionables, en suelos pobres, en donde se desarrollan como vegetación
pionera. Todos los géneros de una misma familia no son necesariamente nodulados y
se encuentran igualmente especies no noduladas en el interior de un mismo género.
Quizá la primera descripción de nódulos radicales en estas plantas se remonta a 1895
en Alnus glutinosa, cuyo desarrollo y N en el follaje se correlacionaron con el número
de nódulos.
Estas asociaciones recibieron diferentes nombres: simbiosis tipo Alnus, simbiosis con
actinomicetes y más recientemente actinorrizas, por analogía con micorrizas
(simbiosis con hongos).
En el siguiente cuadro se presenta las principales especies descriptas. Son
frecuentemente especies leñosas presentes al estado espontáneo en todos los
continentes y climas, desde al Ártico al Subtropical. Son, sin embargo, más frecuentes
como árboles o arbustos que juegan importante rol en la economía del N en bosques
de zonas templadas frías. Su distribución es menor en la región tropical. Estas plantas
son escasamente mencionadas en los textos básicos de biología y ecología, a pesar
de que son importantes componentes de ecosistemas de vastas regiones y muchas de
ellas muy empleadas en forestación. Esta vegetación es tolerante a suelos de baja
fertilidad, como dunas arenosas, zonas quemadas, suelos erosionados y muchas
resisten la salinidad.
Familia
Betulacea
Casuarinacea
Coriácea
Dasticacea
Eleagnacea
Myricacea
Rhamnacea
Rosácea
Género
Alnus (aliso)
Casuarina, Allocasuarina
Coriaria
Dastica
Eleagnus
Coptonia
Discaria, Trevoa
Cercocarpus
Proceso de infección
Nos centramos en el primer contacto que se establece entre la planta y la bacteria,
todavía se desconoce cómo llega la bacteria a la zona de la influencia de la planta, es
decir si es atraída por quimiotactismo o es un encuentro azaroso, y una vez en ella
cómo se produce la comunicación entre el microorganismo y el hospedador, es decir si
existe y la naturaleza de las moléculas químicas implicadas.
Las plantas es la que empieza el juego de la “asociacion”, ya que la esta teniendo los
nutrientes suficientes( ATP disponible para usar)deja entrar al rhizobio, de forma
contraria, si la planta tiene algún tipo de estrés( hídrico, térmico, enfermedad, etc) no
permite la entrada del rhizobio.
Una vez que la bacteria entra en contacto con la planta, existen dos maneras de
producirse la infección: de forma intracelular (Figura 2) o de forma intercelular .En la
primera, la infección se efectúa mediante la entrada a través de pelos radiculares, los
cuales en presencia de la bacteria se deforman y ramifican originando una región
plegada a través de la que se produce la penetración del filamento, que va a progresar
por el pelo hacia la célula epidérmica y de allí se dirigirá a las células corticales,
mientras que las células infectadas de la planta van encapsulando los filamentos,
depositando sobre los mismos material similar al de la pared celular. De forma
simultánea a la progresión del canal infección hacia el córtex interior, las células van
dirigiendo el camino de la infección mediante la alteración de su citoesqueleto
induciendo una invaginación en la vacuola generando los llamados puentes
citoplasmáticos cuya orientación comunica unas células con otras y por los cuales irá
creciendo la bacteria. Paralelamente, las células del cortex exterior salen de su estado
de quiescencia reactivándose su ciclo celular, dando así lugar al prenódulo, cuyas
células son invadidas por el microsimbionte. En algunas actinorrizas en dichas células,
los filamentos se diferencian en vesículas e inducen la síntesis de la enzima
nitrogenasa. Posteriormente, se inducen divisiones celulares en el periciclo del cual
surgirá el primordio de nódulo que en su crecimiento hacia la superficie de la raíz
englobará y se fundirá con el tejido prenodular.
La ruta de infección intercelular se inicia tras la entrada en la raíz de los filamentos
del rhizobio a través de espacios intercelulares. Los filamentos cruzan la epidermis
progresando por el apoplasto e invaden las paredes de las primeras capas de células
en el parénquima. Para ello se produce una degradación de la lámina media mediante
enzimas hidrolasas secretadas por la propia bacteria. En respuesta a la invasión, la
planta deposita material extracelular en la zona de infección y en zonas adyacentes. El
proceso no necesita de la deformación de los pelos radiculares aunque la presencia de
la bacteria puede originarla. Tampoco se induce la creación de un prenódulo sino que
directamente se activa la división celular en el periciclo, originándose el primordio que
crecerá hacia el exterior encontrándose con los filamentos en su progresión.
.
La nitrogenasa es una enzima que funciona en condiciones de anaerobiosis .
La planta y los rhizobios son aerobios  Leghemoglobina, (responsable del color rojo
de los nódulos) se acumula entre bacteroides y membrana periobacteroide
Por su afinidad por el O2, la leghemoglobina fija al O2 en el microambiente donde se
encuentra el complejo nitrogenasa, disminuyendo la capacidad ozidativa de ese
microambiente lo suficiente como para permitir la acción de la nitrogenasa.
Factores limitantes de la FBN en la simbiosis rhizobio-leguminosa
Por ser un proceso resultante de complejas reacciones fisiológicas y bioquímicas, que
involucra especies distintas, la FBN depende de la expresión del potencial genético del
microorganismo diazotrofo, del hospedante, o de ambos (en cao de las simbiosis) y del
ambiente.
Factores físico-químicos:
pH: la bacteria es muy sensible a la acidez, aunque diferentes cepas de una misma
especie difieren en su sensibilidad al pH. El encalado permite incremento en la
nodulación.
Las leguminosas se afectan directamente por acción de altas concentraciones de H+, o
bien indirectamente por deficiencias (Ca, Mg) o toxicidad (Al, Mn).
Temperatura y humedad: los rhizobios son organismos mesofilos aunque se
encuentran distribuidos en casi todas las regiones del mundo. Difieren marcadamente
en su tolerancia a elevadas temperaturas. La selección de cepas tolerantes a altas
temperaturas y a la desecación es muy importante en la introducción de leguminosas
forrajeras en regiones áridas y semiáridas.
La simbiosis es más sensible a extremos de temperatura, bajas temperaturas retardan
la infección y formación de nódulos, en tanto que las altas temperaturas provocan
nódulos pocos eficientes.
El nivel de agua debe ser tal que no se origine problemas de presión osmótica en la
célula. La disminución del potencial hídrico del suelo limita también el transporte de los
productos de fijación a la planta y el flujo de los fotosintetizados. Altas humedades
limitan la aireación y lo FBN. Los nódulos soportan poco tiempo el anegamiento.
Salinidad: la tolerancia de los rhizobios a las sales varía mucho y de hecho las
leguminosas y las plantas actinorrícicas son más sensibles a la salinidad que las
mayorías de las bacterias..
Fuentes de carbono y energía: los rhizobios introducidos en el suelo deben competir
por los nutrientes del suelo. La competencia saprofitica es una de las cualidades que
se les exige a las cepas para ser seleccionadas en la producción de inoculantes. Las
leguminosas ejercen efectos estimulantes sobre la población de rhizobios, a través de
sus exudados y descamaciones de tejidos. El agregado al suelo de sustratos
orgánicos, como abono de granja estimulan a los rhizobios debido, tal vez, al efecto
combinado de los nutrientes orgánicos e inorgánicos, modificaciones del pH, o
aumentos en el nivel de CO2 del suelo.
Fertilidad del suelo: las leguminosas noduladas presentan requerimientos mayores
de nutrientes en relación a la fertilizada con nitrógeno combinado. Esto ocurre con los
elementos que se encuentran en la nitrogenasa y otros sistemas enzimáticos, como el
Mo, Fe, S, Cu, Mg, Co. La fertilización con fosforo, potasio, azufre, microelementos,
afectan la sobrevivencia del rhizobio y la nodulacion y FBN. Interesa en muchos casos
complementar el aporte de nitrógeno por FBN con una fertilización con nitrógeno
combinado.
Polución: el uso indiscriminado de herbicidas, fungicidas, la acumulación de sales de
metales pesados en suelos y aguas resulta perjudicial para el rhizobio. Se han descrito
diversas técnicas de incorporación de biocidas a las semillas evitando su íntimo
contacto con la bacteria. A pesar de la multiplicidad de resultados obtenidos, se piensa
que los pesticidas aplicados en dosis aconsejadas no perjudican al rhizobio.
Productos de la fotosíntesis: las leguminosas noduladas requieren iluminación
adecuada para mantener una activa fijación. Si se incrementa el nivel de CO 2 en la
parte aérea de la planta la fijación de N2 se estimula 4 veces más en un corto lapso de
tiempo.
Factores biológicos:
Se han aislado de la rizosfera o del rizoplano cierto número de bacterias, hongos y
sobre todo, actinomicetes, que se muestran antagónicos frente al rhizobio in vitro. Este
antagonismo puede deberse a competencia por los nutrientes, acidificación,
producción de antibióticos u otras sustancias, y aún a la predación de protozoos o a la
infección por fagos líticos.
Los fagos líticos fueron motivo de numerosos estudios, sobretodo en suelos donde
las pasturas fracasaban en la nodulación luego del segundo año de instaladas. El
problema de la decadencia de los alfalfares fue atribuído, en parte a la acción de estos
parásitos intracelulares.
Las bacteriocinas constituyen un grupo de sustancias, sobre todo proteínas, péptidos,
producidas por muchas bacterias que afectan a organismos muy relacionados, incluso
a la misma especie, a diferencia de los antibióticos, que poseen un espectro de acción
más amplio.
Las rhizobiocinas han sido descritas como elemento de lucha biológica que permite
la supremacía de la célula productora frente a la población de rhizobios nativos del
suelo.
Distintos patógenos pueden afectar directamente a la FBN atacando nódulos
(insectos) o indirectamente afectando el crecimiento de las plantas como nematodos.
CONCLUSIÓN
Los ciclos nutricionales del suelo constituyen el corazón de la microbiología del suelo.
De hecho, sin los microorganismos del suelo, no habría prácticamente ningún ciclo de
nutrientes y la vida, tal como la conocemos no podría existir. El nitrógeno es un
nutriente vegetal determinante y experimenta diversas transformaciones. Existen dos
formas de fijación: la industrial y la biológica. Pero sin dudas la más económica y la
que produce los mejores beneficios en cuanto a rendimiento es la biológica, la cuál
está a cargo de los microorganismos del suelo.
Es evidente la extrema necesidad de comprender la importancia de este elemento,
todas sus formas químicas posibles en el planeta, sus fuentes más comunes y la
capacidad de suministrarlo cuando es escaso. Mientras seamos capaces de
comprender su naturaleza y su balance en la biosfera, seremos más capaces de
obtener resultados productivos positivos.
BIBLIOGRAFÍA
Coyne M.; 2000. Microbiología del Suelo: un enfoque exploratorio. Ed. Paraninfo.
Capitulo 22.
Frioni, Lillian. Microbiología: básica, ambiental y agrícola- 1ª ed. – Buenos Aires:
Orientación Grafica, 2011.
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