Fijación biológica de nitrógeno cómo funciona

Tabla de contenido

• Nitrógeno como nutriente vegetal
  • Formas de nitrógeno
• El ciclo de nitrógeno
  • Nitrógeno que ingresa al suelo
  • Nitrógeno que sale del suelo
  • Inmovilización de nitrógeno
• Cómo las bacterias arreglan el nitrógeno
• Fijación simbiótica de nitrógeno
  • Formación de nódulos
• Fijación de nitrógeno heterotrófico
• Fijación de nitrógeno asociativo
• Cómo usar cultivos de fijación de nitrógeno en rotación
• Preguntas frecuentes

El nitrógeno es un nutriente esencial que apoya el crecimiento de las plantas, y la fijación de nitrógeno es que las plantas unidireccionales obtienen para crecer. Las bacterias fijadoras de nitrógeno en el suelo toman gas nitrógeno (N) y lo convierten en una forma utilizable para las plantas. Estas formas vienen en varios tipos, pero la fijación simbiótica de nitrógeno es la más común. Esta es la relación que las legumbres tienen con bacterias.

Las legumbres son una parte importante de la rotación de cultivos y la construcción de suelo. Debido a su relación con las bacterias fijadoras de nitrógeno, agregan nitrógeno para futuros cultivos en una rotación. Si tiene curiosidad por la rotación de cultivos, considere leer nuestro artículo sobre ese tema!

Este artículo debe darle una idea de nitrógeno como nutriente vegetal, información sobre dinámica de nitrógeno y una comprensión de los tipos de nitrógeno presentes en el suelo. Comprender la fijación biológica de nitrógeno lo ayuda a comprender las interacciones vegetales-microbios. Comprender cómo funciona el nitrógeno fijo también ayuda a los jardineros a comprender cómo utilizar ciertas plantas en una rotación.

Nitrógeno como nutriente vegetal

El nitrógeno es un componente crítico del crecimiento de las plantas. En general, las plantas necesitan nitrógeno en la mayor cantidad en comparación con otros nutrientes. En las plantas, el nitrógeno se usa para la clorofila. La clorofila es lo que hace que las plantas sean ecológicas. Reside dentro de los cloroplastos fotosintéticos. El nitrógeno es crítico en los aminoácidos, que sirven como bloques de construcción de proteínas.

¿Por qué los aminoácidos son tan importantes para la fisiología de las plantas?? Bueno, producen clorofila que se une directamente con la fotosíntesis. Cuando un microorganismo fijo de nitrógeno tiene una relación saludable con una planta, una membrana derivada de plantas llamada membrana tilacoidea le da a los cloroplastos un tiempo más fácil absorber la luz. Una mejor absorción de la luz conduce a una mejor absorción de nutrición de agua y plantas.

Formas de nitrógeno

Hay varias formas de nitrógeno en el mundo de las plantas. Las dos formas utilizadas por las plantas son nitrato y amonio. El nitrato es un compuesto nitrogenado cargado negativamente compuesto por un átomo de nitrógeno y tres átomos de oxígeno. Un compuesto cargado positivamente con un átomo de nitrógeno y cuatro átomos de hidrógeno forman amonio. Si las plantas tienen una opción entre nitrato y amonio, prefieren el nitrato. Sin embargo, ambas son formas aceptables para las plantas en la economía de nitrógeno.

Hay algunas otras formas importantes de nitrógeno involucrados con las plantas y el ciclo de nitrógeno. El gas de dinitrógeno constituye el 78% del aire que nos rodea. Está hecho de dos átomos de nitrógeno triple unidos. Estos enlaces son extremadamente difíciles de romper. Otro compuesto nitrogenado gaseoso importante es el amoníaco. Un nitrógeno y tres átomos de hidrógeno forman amoníaco. Este gas tóxico es parte del ciclo N y puede acumularse en ciertos entornos agrícolas. Un compuesto nitrogenado importante final a considerar es el nitrógeno orgánico disuelto. Estos compuestos que contienen carbono son ácidos orgánicos que se encuentran en los suelos.

El ciclo de nitrógeno

Antes de entrar en la fijación de nitrógeno en su conjunto, es importante comprender los conceptos básicos del ciclo N. Hay varias partes en este ciclo, y cubriremos los conceptos básicos en un esfuerzo por darle una comprensión de cómo cambia el nitrógeno en este proceso. Los componentes del ciclo incluyen el suelo, la atmósfera y los tejidos vivos. La forma más fácil de discutir este tema es examinar cómo el nitrógeno entra y sale del suelo.

Nitrógeno que ingresa al suelo

El nitrógeno ingresa al suelo a través de la descomposición de la materia orgánica. Esto puede ocurrir cuando los jardineros agregan compost, organismos en descomposición, descomposición del material vegetal, estiércol y otros a sus jardines. Otra forma es a través de la fijación de nitrógeno en el suelo. Este proceso implica que las bacterias específicas de fijación de nitrógeno sean con gas de dinitrógeno y convertirlo en formas que las plantas pueden utilizar. Hay tres tipos diferentes de fijación de nitrógeno: simbiosis de fijación de nitrógeno, fijación heterotrófica y fijación asociativa). Todos tienen la capacidad de romper el triple vínculo en gas dinitrógeno y, en el proceso, depositar el nitrógeno en el suelo.

Nitrógeno que sale del suelo

La desnitrificación, la volatilización de amoníaco y la lixiviación o la escorrentía son las principales formas en que el nitrógeno deja el suelo. La desnitrificación es el proceso por el cual las bacterias anaeróbicas se transforman el nitrato en el suelo en gas. Las bajas concentraciones de oxígeno crean condiciones anaeróbicas. Las condiciones de materia orgánica, nitrato y temperaturas cálidas descomponibles también son necesarias para la desnitrificación. En este proceso, el gas de dinitrógeno y el monóxido de dinitrógeno se liberan al aire como nitrógeno atmosférico.

El monóxido de dinitrógeno (hecho de dos nitrógeno y un átomo de oxígeno) es un gas de efecto invernadero liberado en una concentración mucho más baja que el gas del dinitrógeno, que no es un gas de efecto invernadero. Los factores que afectan la cantidad de monóxido de dinitrógeno liberado incluyen el pH del suelo y la temperatura.

Otra forma de nitrógeno perdido ocurre a través de su volatilización en gas amoníaco. Esto sucede cuando los suelos son secos, cálidos y tienen una capacidad de intercambio de cationes baja: la capacidad del suelo para mantener iones cargados positivamente. El resultado de estas condiciones es la aplicación de amonio a la superficie del suelo.

Un ejemplo del proceso de volatilización se puede encontrar en urea. La urea es una forma orgánica común de fertilizante N utilizado en todo el mundo y es un subproducto de orina de humanos u otros animales. A menudo puede conducir a la volatilización del gas amoníaco cuando las condiciones son correctas. A medida que el amoníaco se vaporiza y sube a la atmósfera, deja el suelo que carece de los compuestos de nitrógeno a base de amoníaco que se habían agregado a través de la urea. Piense en ello como si fuera un globo de aire caliente que batiendo nuestro nitrógeno desde el suelo donde pertenece!

La lixiviación y la escorrentía son otras dos formas en que el nitrógeno deja el suelo, especialmente cuando se trata de sistemas de cultivo que reciben fertilizantes químicos regulares. A menudo, el nitrógeno no se secuestra bien en el suelo, especialmente como nitrato. Se mueve fácilmente a través del perfil del suelo y finalmente termina en el agua subterránea, que fluye bajo tierra. El nitrógeno termina en ríos, arroyos y otros cuerpos de agua.

Esta contaminación de nutrientes causa eutrofización o una acumulación de concentración de nutrientes en humedales y vías fluviales. Así como los fertilizantes nitrogenados promueven el crecimiento en los cultivos, su escorrentía causa un crecimiento excesivo de las plantas en estas áreas, lo que lleva a límites en la cantidad de oxígeno disponible para otros organismos.

Las zonas muertas son otro resultado de la escorrentía, a medida que se desarrollan las flores de algas, eliminando el oxígeno de la vida silvestre en los océanos.

Inmovilización de nitrógeno

Otra cosa importante a considerar con el nitrógeno es la inmovilización o el nitrógeno que no está disponible para las plantas, principalmente porque el nitrógeno se encuentra en los tejidos de las bacterias de vida libre en el suelo. La inmovilización puede ocurrir más cuando el compost y las enmiendas agregan demasiado carbono disponible. El carbono sirve como energía para los microorganismos en el suelo. Estos organismos usan nitrógeno en el suelo para tejidos y proteínas. Considere esto al agregar mantillos de paja y madera en un jardín. Como estos son en su mayoría carbono con poco nitrógeno, pueden conducir a la inmovilización.

Los jardineros necesitan agregar más fertilizantes n y fijación de plantas en el jardín para contrarrestar el ciclo de inmovilización. El compost también puede conducir a la inmovilización cuando no tiene la relación combinada correcta de nitrógeno a carbono. Un exceso de nitrógeno en forma de nitrato está marcado por olores emitidos por una pila de compost. Para reequilibrar la relación y promover una mejor asimilación de amoníaco, agregue carbono.

Cómo las bacterias arreglan el nitrógeno

N gas se "arregla" en el suelo por bacterias rizobiales, pero cómo? Los triples enlaces dentro del dinitrógeno son increíblemente fuertes, lo que los hace difíciles de romper. Estos organismos fijadores de nitrógeno utilizan una enzima, nitrogenasa, para romper este enlace. La enzima nitrogenasa se encuentra en las bacterias rizobianas y las cianobacterias fijadoras de nitrógeno. El complejo de nitrogenasa convierte el dinitrógeno en amoníaco, luego las reacciones lo convierten en formas utilizables para la planta de cultivo.

Los humanos descubrieron cómo romper este triple vínculo a principios del siglo XX a través del proceso Haber Bosch. Este método industrializado para tomar gas nitrógeno atmosférico y transformarlo en formas utilizables para plantas alivió la tensión de adquirir fertilizantes de nitrógeno. Por lo tanto, los fertilizantes hechos de este proceso provienen de compuestos inorgánicos y no pueden usarse en granjas orgánicas certificadas.

Fijación simbiótica de nitrógeno

La forma más común de fijación es la fijación simbiótica de nitrógeno. Esta es la relación que las legumbres y las plantas actinorhizales tienen con bacterias fijadoras de nitrógeno en el suelo. Los cultivos que admiten las bacterias de fijación de N incluyen frijoles, guisantes, maní, trébol, vecina, alfalfa y lupines. Algunas otras especies son leguminosas pero incluyen algunos árboles y arbustos.

La mayoría de las plantas terrestres no tienen esta simbiosis con bacterias. Estas plantas huésped forman nódulos de raíz que contienen microorganismos de fijación de nitrógeno, incluidas las rizobacterias promotores del crecimiento de las plantas. Las relaciones simbióticas benefician a ambas partes: las especies de Rhizobium reciben azúcares, mientras que la planta obtiene compuestos de nitrógeno utilizables. Cuando aplica el fertilizante N, estos nódulos no se forman porque las plantas no necesitan la ayuda de bacterias fijadoras de nitrógeno para suministrar nitrógeno a las mitocondrias de la planta.

Cada especie de leguminosa difiere en el nivel de nodulación y eficiencia. Los frijoles comunes como las judías verdes no son tan buenas como las legumbres de granos como maní, caza y soja. Las plantas perennes son aún mejores para colocar nitrógeno. Estos cultivos incluyen tréboles y alfalfa. Hay muchas opciones para tales plantas que colocan nitrógeno.

Formación de nódulos

Diferentes cultivos tienen nódulos de forma diferente. El proceso de formación de nódulos es en realidad una infección de las bacterias de fijación de N. Los cultivos anuales tienen nódulos del tamaño de un guisante, mientras que las plantas perennes tienen nódulos más alargados. Pero, ¿cómo se forman estos nódulos?? Primero, la bacteria asociada a la planta invade al huésped de la planta. Las bacterias que viven en el suelo ingresan a las células vegetales, que residen dentro de la corteza raíz. Las bacterias permanecen dentro de la región intracelular de los tejidos vegetales, y finalmente forman los nódulos que ves.

Recomiendo que los jardineros entren al jardín y levanten una planta madura de fijación de nitrógeno. Verás estos nódulos. Corte uno abierto para ver el interior. Los nódulos activos aparecen rojos en el interior debido a un compuesto similar a la hemoglobina en la sangre humana.

Fijación de nitrógeno heterotrófico

Las bacterias heterotróficas fijadoras de nitrógeno son diferentes a las simbióticas. No tienen una relación con las plantas para obtener carbono y otros compuestos que necesitan. En cambio, apoyan la fijación de nitrógeno pasivamente al consumir materia en descomposición en el suelo.

Este estudio realizado por Eckford y un equipo de investigadores identificó varias bacterias heterotróficas dentro de los suelos antárticos que contienen combustibles de hidrocarburos. El estudio también enfatiza que la fijación de nitrógeno ocurre en los suelos de todo el mundo.

Estas bacterias ganan energía al consumir otros compuestos en el suelo, haciéndolas heterotróficas. Los humanos son heterotróficos porque debemos producir y consumir alimentos para sobrevivir. Las plantas, las algas y otros organismos fotosintéticos o quimiosintéticos son autótrofos porque pueden producir el alimento necesario para la supervivencia dentro de sí mismos.

Fijación de nitrógeno asociativo

La fijación asociativa es similar a los otros tipos en el sentido de que el gas del dinitrógeno se fija en el suelo, pero en una relación casual con las plantas. Mientras que la simbiosis involucra bacterias que viven dentro de los tejidos vegetales, la asociación se refiere a bacterias dentro del microbioma vegetal. Son bacterias del suelo de vida libre que no dependen de las plantas para hacer su trabajo.

En este estudio, Roley y otros examinaron la relación potencial que las bacterias tienen con Switchgrass. Descubrieron que la hierba perenne a menudo no respondía al fertilizante de nitrógeno. Examinaron el suelo que rodea las raíces para ver la actividad de las bacterias. Descubrieron que este cultivo se beneficia de las bacterias en el suelo que tiene una asociación con la planta para suministrar nitrógeno mientras recibe carbono del entorno circundante.

Cómo usar cultivos de fijación de nitrógeno en rotación

La mejor manera de usar plantas fijadoras de nitrógeno es incluirlas en una rotación. Los cultivos alimenticios utilizan cantidades variables de nitrógeno. La mayoría son alimentadores de nitrógeno pesados, como maíz dulce, calabazas, calabaza y pimientos. La mayoría de las plantas dentro del jardín y en la granja se benefician de los fijadores de nitrógeno giratorios. La fijación de nitrógeno se lleva a cabo cuando los jardineros plantan especies de plantas fijadoras de nitrógeno antes de plantar alimentadores pesados. Hacerlo junto con los cultivos anuales también puede ser beneficioso para el suelo vegetal.

Interplantando las legumbres con los otros cultivos puede beneficiar a ambas plantas. Es importante tener en cuenta que las plantas fijadoras de nitrógeno solo proporcionarán tanta nitrógeno a otras plantas cuando estén vivas. Todavía es beneficioso plantarlos, pero los nódulos de leguminosas pueden no ser capaces de suministrar todo el nitrógeno a otro cultivo como pimientos o tomates.

Cuando use fijadores de nitrógeno antes de los alimentadores pesados, recuerde que las raíces de la planta (y los tejidos sobre el suelo) deben permanecer en el jardín. Eliminar las plantas esencialmente eliminará el nitrógeno fijo realizado por las bacterias. Por lo tanto, cortar y soltar o cortar un fijador de nitrógeno al final de su vida será más beneficioso que tirar de él por la raíz.

Considere elegir cultivos que tengan la capacidad de proporcionar más nitrógeno fijo. Los frijoles comunes proporcionan una fijación de nitrógeno menos adecuada que algo como la soja o maní. Si bien los cereales fijadores de nitrógeno como la soja no se usan típicamente en el jardín, incluidos edamame, fava o maní podrían beneficiar el suelo. También incluir cultivos de cereales y plantas sin genes de fijación de nitrógeno en general en la rotación puede ayudar a construir materia orgánica y beneficiar el jardín.

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué son las plantas fijadoras de nitrógeno??

R: Las plantas fijadoras de nitrógeno son aquellas que actúan como una planta huésped para tipos específicos de bacterias. La planta huésped en sí no está fijando el nitrógeno. Más bien, las bacterias están en una relación simbiótica con las especies de la planta.

P: ¿Qué árboles fijan nitrógeno??

R: Hay muchas especies de árboles que se sabe que colocan nitrógeno. Algunos de ellos incluyen otoño oliva, langosta negra, redbud este.

P: ¿Qué verduras son fijadores de nitrógeno??

R: Los frijoles comunes colocan nitrógeno (aunque no tan efectivamente como los demás). Las plantas de cultivo comunes incluyen judías verdes, frijoles negros y frijoles pintos. Así como guisantes como el azúcar y los guisantes de nieve. Una vez más, si desea agregar cantidades adecuadas de nitrógeno al suelo, incluidos mejores cultivos como maní o edamame podría ser buenas opciones. Edamame es similar a la soja de grano y hace un mejor trabajo al colocar nitrógeno que los frijoles comunes. La mayoría de las otras verduras, como tomates, pimienta, maíz, berenjena y calabaza, no son fijadores de nitrógeno.

P: ¿Qué flores fijan nitrógeno??

R: Lupin es la flor más notable que fija el nitrógeno. Los frijoles jacintos son legumbres que producen hermosas flores. Se usan con frecuencia como plantas ornamentales.

P: ¿Qué plantas fijan la mayor cantidad de nitrógeno??

R: Las legumbres perennes como la alfalfa y el trébol tienen el potencial de fijar la mayor cantidad de nitrógeno. Sin embargo, las plantas de legumbres de grano como maní, granos de fava, soja y caupí también hacen un buen trabajo al colocar nitrógeno. Los frijoles comunes como las judías verdes y los frijoles secos no son tan buenos para fijar el nitrógeno.