ECOLOGÍA
Trabajo Practico de Química.
Ciclo del Nitrógeno.
Alumnos:
Aranda Gonzalo.
Morel Mariela.
Comisión n °48
Turno: noche
Carrera: Ingenieria en Sistemas-FRLP-UTN.
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.
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).
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.
Figura 1
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)
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.
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).
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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, 1997. Barcelona. Prensa Científica.
Bibliografia consultada: Encarta 2000, Libros de biologia y ecologia
Internet.
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