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ECOLOGÍA Trabajo Practico de Química. Ciclo del Nitrógeno. Alumnos: Aranda Gonzalo. Morel Mariela. Comisión n °48 Turno: noche Carrera: Ingenieria en Sistemas-FRLP-UTN.

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1 ECOLOGÍA Trabajo Practico de Química. Ciclo del Nitrógeno. Alumnos: Aranda Gonzalo. Morel Mariela. Comisión n °48 Turno: noche Carrera: Ingenieria en Sistemas-FRLP-UTN.

2 Ciclo del nitrógeno. Ciclo del nitrógeno, proceso cíclico natural en el curso del cual el nitrógeno se incorpora al suelo y pasa a formar parte de los organismos vivos antes de regresar a la atmósfera. El nitrógeno, una parte esencial de los aminoácidos, es un elemento básico de la vida. Se encuentra en una proporción del 79% en la atmósfera, pero el nitrógeno gaseoso debe ser transformado en una forma químicamente utilizable antes de poder ser usado por los organismos vivos. Esto se logra a través del ciclo del nitrógeno, en el que el nitrógeno gaseoso es transformado en amoníaco o nitratos. La energía aportada por los rayos solares y la radiación cósmica sirven para combinar el nitrógeno y el oxígeno gaseosos en nitratos, que son arrastrados a la superficie terrestre por las precipitaciones. La fijación biológica (Fijación de nitrógeno), responsable de la mayor parte del proceso de conversión del nitrógeno, se produce por la acción de bacterias libres fijadoras del nitrógeno, bacterias simbióticas que viven en las raíces de las plantas (sobre todo leguminosas y alisos), algas verdeazuladas, ciertos líquenes y epifitas de los bosques tropicales.

3 El nitrógeno fijado en forma de amoníaco y nitratos es absorbido directamente por las plantas e incorporado a sus tejidos en forma de proteínas vegetales. Después, el nitrógeno recorre la cadena alimentaria desde las plantas a los herbívoros, y de estos a los carnívoros ( Red trófica). Cuando las plantas y los animales mueren, los compuestos nitrogenados se descomponen produciendo amoníaco, un proceso llamado amonificación. Parte de este amoníaco es recuperado por las plantas; el resto se disuelve en el agua o permanece en el suelo, donde los microorganismos lo convierten en nitratos o nitritos en un proceso llamado nitrificación. Los nitratos pueden almacenarse en el humus en descomposición o desaparecer del suelo por lixiviación, siendo arrastrado a los arroyos y los lagos. Otra posibilidad es convertirse en nitrógeno mediante la desnitrificación y volver a la atmósfera. En los sistemas naturales, el nitrógeno que se pierde por desnitrificación, lixiviación, erosión y procesos similares es reemplazado por el proceso de fijación y otras fuentes de nitrógeno. La interferencia antrópica (humana) en el ciclo del nitrógeno puede, no obstante, hacer que haya menos nitrógeno en el ciclo, o que se produzca una sobrecarga en el sistema. Por ejemplo, los cultivos intensivos, su recogida y la tala de bosques han causado un descenso del contenido de nitrógeno en el suelo (algunas de las pérdidas en los territorios agrícolas sólo pueden restituirse por medio de fertilizantes nitrogenados artificiales, que suponen un gran gasto energético).

4 Por otra parte, la lixiviación del nitrógeno de las tierras de cultivo demasiado fertilizadas, la tala indiscriminada de bosques, los residuos animales y las aguas residuales han añadido demasiado nitrógeno a los ecosistemas acuáticos, produciendo un descenso en la calidad del agua y estimulando un crecimiento excesivo de las algas. Además, el dióxido de nitrógeno vertido en la atmósfera por los escapes de los automóviles y las centrales térmicas se descompone y reacciona con otros contaminantes atmosféricos dando origen al smog fotoquímico. El nitrógeno es un elemento vital para los seres vivos, que requieren cantidades considerables de dicho elemento para la biosíntesis de sus proteínas y ácidos nucleicos. A pesar de que casi cuatro quintas partes de la atmósfera están constituidas por nitrógeno atmosférico, muy pocos organismos pueden utilizarlo directamente. Entre ellos se encuentran algunas bacterias que viven en simbiosis en los nódulos radiculares de las leguminosas. Por ello, buena parte del nitrógeno orgánico fluye a través de las cadenas tróficas, a partir de los nitratos asimilados por las plantas, tal como muestra el esquema del ciclo biogeoquímico de este elemento.

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6 Figura 1

7 El nitrógeno tiene una gran importancia ecológica, tanto desde el punto lo de vista teórico como aplicado, puesto que muchas veces es el principal factor limitante de la producción primaria. En un ecosistema forestal las principales entradas son, tal como muestra el dibujo, las precipitaciones, la fijación y el impacto de aerosoles, Y las principales salidas la desnitrificación Y la exportación hidrológica (lavado), aunque la mineralización y la compartimentación también suelen tener papel relevante.(Figura 1)

8 Nitrógeno: De símbolo N, es un elemento gaseoso que compone la mayor parte de la atmósfera terrestre. Su número atómico es 7 y pertenece al grupo 15 (o VA) de la tabla periódica. Propiedades: El nitrógeno es un gas no tóxico, incoloro, inodoro e insípido. Puede condensarse en forma de un líquido incoloro que, a su vez, puede comprimirse como un sólido cristalino e incoloro. Su masa atómica es 14,007. Se obtiene de la atmósfera haciendo pasar aire por cobre o hierro calientes; el oxígeno se separa del aire dejando el nitrógeno mezclado con gases inertes. El nitrógeno puro se obtiene por destilación fraccionada del aire líquido. Al tener el nitrógeno líquido un punto de ebullición más bajo que el oxígeno líquido, el nitrógeno se destila antes, lo que permite separarlos. Aminoácidos: importante clase de compuestos orgánicos que contienen un grupo amino (NH2) y un grupo carboxilo (COOH). Veinte de estos compuestos son los constituyentes de las proteínas. Se los conoce como alfaaminoácidos (á-aminoácidos) y son los siguientes: alanina, arginina, asparagina, ácido aspártico, cisteína, ácido glutámico, glutamina, glicina, histidina, y otros.

9 Cuando una célula viva sintetiza proteínas, el grupo carboxilo de un aminoácido reacciona con el grupo amino de otro, formando un enlace peptídico. El grupo carboxilo del segundo aminoácido reacciona de modo similar con el grupo amino del tercero, y así sucesivamente hasta formar una larga cadena. Esta molécula en cadena, que puede contener de 50 a varios cientos de aminoácidos, se denomina polipéptido. Una proteína puede estar formada por una sola cadena o por varias de ellas unidas por enlaces moleculares débiles. Cada proteína se forma siguiendo las instrucciones contenidas en el ácido nucleico, el material genético de la célula. Red trófica: La red trófica está dividida en dos grandes categorías: la red de pastoreo, que se inicia con las plantas verdes, algas o plancton que realiza la fotosíntesis, y la red de detritos que comienza con los detritos orgánicos. Estas redes están formadas por cadenas alimentarias independientes. En la red de pastoreo, los materiales pasan desde las plantas a los consumidores primarios (herbívoros) y de éstos a los consumidores secundarios (carnívoros). En la red de detritos, los materiales pasan desde las plantas y sustancias animales a las bacterias y a los hongos (descomponedores), y de éstos a los que se alimentan de detritos (detritívoros) y de ellos a sus depredadores (carnívoros).

10 Nivel trófico: La red trófica se puede contemplar no sólo como un entramado de cadenas sino también como un conjunto de niveles tróficos (nutricionales). Las plantas verdes, que son las primeras productoras de alimentos, pertenecen al primer nivel trófico. Los herbívoros, que son los consumidores de plantas verdes, corresponden al segundo nivel trófico. Los carnívoros, que son depredadores que se alimentan de los herbívoros, pertenecen al tercero. Los omnívoros, que son consumidores tanto de plantas como de animales, se integran en el segundo y tercero. Los carnívoros secundarios, que son superdepredadores que se alimentan de depredadores, pertenecen al cuarto nivel trófico. Según los niveles tróficos se elevan, el número de depredadores es menor y son más grandes, feroces y ágiles. En el segundo y tercer nivel, los que descomponen los materiales disponibles actúan como herbívoros o carnívoros dependiendo de si su alimento es vegetal o animal. (Pirámide trófica.) Microorganismo: Ser vivo que sólo se puede observar utilizando microscopios ópticos o electrónicos. Los microorganismos se clasifican en tres de los cinco reinos. Las bacterias y cianobacterias (o algas verdeazuladas) pertenecen al reino Móneras. Son organismos con células procarióticas y presentan una gran variedad de formas de vida. Hay bacterias fotosintéticas, quimiosintéticas y heterótrofas.

11 Fertilizante o Abono, sustancia o mezcla química natural o sintética utilizada para enriquecer el suelo y favorecer el crecimiento vegetal. Las plantas no necesitan compuestos complejos, del tipo de las vitaminas o los aminoácidos, esenciales en la nutrición humana, pues sintetizan todos los que precisan. Sólo exigen una docena de elementos químicos, que deben presentarse en una forma que la planta pueda absorber. Dentro de esta limitación, el nitrógeno, por ejemplo, puede administrarse con igual eficacia en forma de urea, nitratos, compuestos de amonio o amoníaco puro. Los suelos vírgenes suelen contener cantidades adecuadas de todos los elementos necesarios para la correcta nutrición de las plantas. Pero cuando una especie determinada se cultiva año tras año en un mismo lugar, el suelo puede agotarse y ser deficitario en uno o varios nutrientes. En tal caso, es preciso reponerlos en forma de fertilizantes. La aplicación de fertilizantes adecuados estimula el crecimiento de las plantas. Nitrificación: La conversión de amonio (NH3) a nitrato (NO3-) se llama nitrificación. Es realizado en dos pasos por diferentes bacterias. Primero las bacterias del suelo Nitrosomonas y Nitrococcus convierten el amonio en nitrito (NO2-). Luego otra bacteria del suelo, Nitrobacter, oxida el nitrito en nitrato. La nitrificación les entrega energía a las bacterias.

12 Asimilación: La asimilación ocurre cuando las plantas absorben a través de sus raíces nitrato (NO3-) o amonio (NH3) la cual fue formada por la fijación de nitrógeno o por la nitrificación. Luego estas moléculas son incorporadas a proteínas de plantas y ácidos nucleicos. Cuando los animales consumen tejidos de plantas también asimilan nitrógeno y lo convierten en compuestos animales. Amonificación: La amonificación comienza cuando organismos producen desechos que contienen nitrógeno como la urea (en la orina) y ácido úrico (en los desechos de las aves). Estas sustancias, además de compuestos con nitrógeno liberados en organismos muertos, son descompuestas por bacterias en el suelo y el agua liberando el nitrógeno al medio bajo la forma de amonio (NH3). El amonio así producido de nuevo ingresa al ciclo de nitrógeno. Desnitrificación: La reducción de nitrato (NO3-) a nitrógeno gaseoso (N2) se llama denitrificación. Bacterias de denitrificación revierten la acción de las bacterias fijadoras de nitrógeno y nitrificantes, retornando el nitrógeno a la atmósfera como nitrógeno gaseoso. Las bacterias denitrificadoras son anaeróbicas, lo que significa que prefieren vivir y crecer donde hay nada o poco de oxígeno, por ejemplo profundamente en el suelo cerca de la tabla de agua donde no hay oxígeno.

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14 Smog: mezcla de niebla con partículas de humo, formada cuando el grado de humedad en la atmósfera es alto y el aire está tan quieto que el humo se acumula cerca de su fuente. El smog reduce la visibilidad natural y, a menudo, irrita los ojos y el aparato respiratorio. En zonas urbanas muy pobladas, la tasa de mortalidad suele aumentar de forma considerable durante periodos prolongados de smog, en particular cuando un proceso de inversión térmica crea una cubierta sobre la ciudad que no permite su disipación. El smog se produce con más frecuencia en ciudades con costa o cercanas a ella, por ejemplo en Los Ángeles o Tokyo, donde constituye un problema muy grave, pero también en grandes urbes situadas en amplios valles, como la ciudad de México. La prevención del smog requiere el control de las emisiones de humo de las calderas y hornos, la reducción de los humos de las industrias metálicas o de otro tipo y el control de las emisiones nocivas de los vehículos y las incineradoras. Los motores de combustión interna son considerados los mayores contribuyentes al problema del smog, ya que emiten grandes cantidades de contaminantes, en especial hidrocarburos no quemados y óxidos de nitrógeno. El número de componentes indeseables del smog es considerable, y sus proporciones son muy variables. Incluyen ozono, dióxido de azufre, cianuro de hidrógeno, hidrocarburos y los productos derivados de estos últimos por oxidación parcial. El combustible obtenido por fraccionado de carbón y petróleo produce dióxido de azufre, que se oxida con el oxígeno atmosférico formando trióxido de azufre (SO3). Éste se hidrata, a su vez, con el vapor de agua de la atmósfera para formar ácido sulfúrico (H2SO4).

15 Datos adjuntos. Fragmento de Abonos nitrogenados: abuso de una cosa buena. La aportación de grandes cantidades de nitrógeno reactivo a los suelos y a las aguas tiene muchas consecuencias nocivas para el medio ambiente, problemas que van desde los sanitarios de determinadas regiones hasta cambios que afectan a todo el planeta y se extienden, en sentido muy literal, desde las profundidades de la Tierra hasta las alturas estratosféricas. Los grandes niveles de nitratos pueden originar metahemoglobinemia, una afección infantil mortal, también conocida como la enfermedad de los niños azules: se les ha relacionado también epidemiológicamente con algunos cánceres. La lixiviación de los nitratos, que son muy solubles y pueden contaminar severamente tanto los suelos como las aguas superficiales de las zonas donde se abone intensamente, es un asunto que viene perturbando las regiones agrícolas desde hace más de treinta años. El agua de los pozos del cinturón del maíz americano y las aguas subterráneas de muchas partes de Europa occidental presentan una peligrosa acumulación de nitratos. Concentraciones que exceden con mucho los límites legalmente autorizados aparecen no sólo en los arroyuelos que drenan las áreas de cultivo, sino también en ríos principales, como el Mississippi o el Rin.

16 El nitrógeno que termina llegando a las lagunas, los lagos y las bahías oceánicas suele causar eutrofización, es decir, la abundancia en las aguas de un nutriente cuya concentración previa era escasa. El resultado es que las algas y las cianobacterias encuentran pocas restricciones para crecer; su posterior descomposición priva de oxígeno a otras criaturas y produce la reducción (o la eliminación) de determinadas especies de peces y crustáceos. La eutrofización constituye una plaga de las zonas sobrecargadas de nitrógeno, como son el brazo de mar de Long Island en el estado de Nueva York, la bahía de San Francisco en California o enormes zonas del mar Báltico. La escorrentía superficial de fertilizantes que escapan de los campos de Queensland amenaza con un crecimiento excesivo de algas en algunas partes de la Gran Barrera de arrecife australiana. Mientras que los problemas de eutrofización se deben a las grandes distancias que pueden recorrer los nitratos disueltos, la persistencia en el suelo de productos nitrogenados provoca también problemas, pues contribuye a la acidificación de muchos suelos cultivables, junto con los compuestos azufrados que se forman durante los procesos de combustión y después precipitan desde la atmósfera. Si no se contrarresta esta tendencia mediante la aportación de cal, la acidificación excesiva puede originar un aumento de la pérdida de oligonutrientes y la liberación hacia los acuíferos de los metales pesados del suelo.

17 El exceso de fertilizantes no sólo perjudica al suelo y al agua, puesto que el uso creciente de abonos nitrogenados ha contribuido también a enviar más óxido nitroso a la atmósfera. Las concentraciones de este gas, generadas por la acción de las bacterias sobre los nitratos del suelo, son todavía relativamente bajas, pero se trata de un producto que interviene en dos procesos preocupantes. La reacción del óxido nitroso con el oxígeno excitado contribuye a la destrucción del ozono de la estratosfera (donde estas moléculas sirven de pantalla reflectora frente a los peligrosos rayos ultravioleta), mientras que más abajo, en la troposfera, promueve el calentamiento excesivo producido por el efecto invernadero. La vida media del óxido nitroso atmosférico es superior a un siglo, al tiempo que sus moléculas absorben la radiación unas doscientas veces mejor que las de dióxido de carbono. Todavía hay más perturbaciones atmosféricas debidas a la liberación de óxido nítrico por las bacterias que actúan sobre el nitrógeno de los abonos. El óxido nítrico (producido en cantidades todavía mayores en los procesos de combustión) reacciona con otros agentes contaminantes en presencia de la luz solar y produce una neblina o smog fotoquímico. Aunque la deposición de productos nitrogenados procedentes de la atmósfera pudiera tener efectos fertilizantes beneficiosos en algunos bosques y praderas, dosis mayores podrían sobrecargar los ecosistemas sensibles.

18 Cuando se empezó a sacar partido de los abonos nitrogenados sintéticos no pudo preverse ninguno de estos ultrajes al medio ambiente. Más sorprendente resulta que estas perturbaciones reciban muy poca atención incluso en la actualidad, sobre todo comparada con la que se dedica al aumento del dióxido de carbono en la atmósfera. A pesar de todo, la introducción de nitrógeno reactivo a esta escala significa otro inmenso y peligroso experimento geoquímico, igual que la liberación de dióxido de carbono procedente de los combustibles fósiles. Fuente: Smil, Vaclav. Abonos nitrogenados. Investigación y Ciencia. Septiembre, Barcelona. Prensa Científica. Bibliografia consultada: Encarta 2000, Libros de biologia y ecologia Internet.


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