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Fijación de nitrógeno

La fijación de nitrógeno es un proceso químico mediante el cual el dinitrógeno molecular ( N
2) se convierte en amoniaco ( NH
3). [1] Se produce tanto biológica como abiológicamente en las industrias químicas . La fijación biológica del nitrógeno o diazotrofía es catalizada por enzimas llamadas nitrogenasas . [2] Estos complejos enzimáticos están codificados por los genes Nif (u homólogos de Nif ) y contienen hierro , a menudo con un segundo metal (normalmente molibdeno , pero a veces vanadio ). [3]

Algunas bacterias fijadoras de nitrógeno tienen relaciones simbióticas con plantas , especialmente legumbres , musgos y helechos acuáticos como la Azolla . [4] Las relaciones no simbióticas más laxas entre diazótrofos y plantas a menudo se denominan asociativas, como se ve en la fijación de nitrógeno en las raíces del arroz . La fijación de nitrógeno ocurre entre algunas termitas y hongos . [5] Ocurre naturalmente en el aire por medio de la producción de NO x por los rayos . [6] [7]

La fijación del nitrógeno es esencial para la vida en la Tierra porque los compuestos nitrogenados inorgánicos fijados son necesarios para la biosíntesis de todos los compuestos orgánicos que contienen nitrógeno, como aminoácidos , polipéptidos y proteínas , trifosfatos de nucleósidos y ácidos nucleicos . Como parte del ciclo del nitrógeno , es esencial para la fertilidad del suelo y el crecimiento de la vegetación terrestre y semiacuática , de la que dependen todos los consumidores de esos ecosistemas para obtener biomasa . Por lo tanto, la fijación del nitrógeno es crucial para la seguridad alimentaria de las sociedades humanas , ya que permite mantener los rendimientos agrícolas (especialmente los cultivos básicos ), los alimentos para el ganado ( forrajes o piensos ) y las cosechas de pescado (tanto silvestre como de cultivo ) . También es indirectamente relevante para la fabricación de todos los productos industriales nitrogenados , que incluyen fertilizantes , productos farmacéuticos , textiles , tintes y explosivos .

Historia

Representación esquemática del ciclo del nitrógeno . Se ha omitido la fijación abiótica del nitrógeno.

La fijación biológica del nitrógeno fue descubierta por Jean-Baptiste Boussingault en 1838. [8] [9] Más tarde, en 1880, el proceso por el cual ocurre fue descubierto por el agrónomo alemán Hermann Hellriegel y Hermann Wilfarth  [de] [10] y fue descrito completamente por el microbiólogo holandés Martinus Beijerinck . [11]

"Las prolongadas investigaciones sobre la relación de las plantas con la adquisición de nitrógeno iniciadas por de Saussure , Ville , Lawes , Gilbert y otros, culminaron con el descubrimiento de la fijación simbiótica por Hellriegel y Wilfarth en 1887". [12]

"Los experimentos de Bossingault en 1855 y de Pugh, Gilbert y Lawes en 1887 habían demostrado que el nitrógeno no entraba directamente en la planta. El descubrimiento del papel de las bacterias fijadoras de nitrógeno por Herman Hellriegel y Herman Wilfarth en 1886-1888 abriría una nueva era en la ciencia del suelo ". [13]

En 1901, Beijerinck demostró que Azotobacter chroococcum era capaz de fijar el nitrógeno atmosférico. Esta fue la primera especie del género Azotobacter , así llamado por él. También es el primer diazótrofo conocido , especie que utiliza el nitrógeno diatómico como un paso en el ciclo completo del nitrógeno . [14]

Biológico

La fijación biológica del nitrógeno (FBN) ocurre cuando el nitrógeno atmosférico se convierte en amoníaco por acción de una enzima nitrogenasa . [1] La reacción general para la FBN es:

N2 +16ATP+16H2O +8e− + 8H + → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16P i

El proceso está acoplado a la hidrólisis de 16 equivalentes de ATP y está acompañado de la coformación de un equivalente de H
2. [15] La conversión de N
2La conversión en amoníaco se produce en un grupo metálico llamado FeMoco , una abreviatura del cofactor hierro- molibdeno . El mecanismo se lleva a cabo mediante una serie de pasos de protonación y reducción en los que el sitio activo de FeMoco hidrogena el N
2sustrato. [16] En diazótrofos de vida libre , el amoníaco generado por la nitrogenasa se asimila en glutamato a través de la vía glutamina sintetasa /glutamato sintetasa. Los genes nif microbianos necesarios para la fijación de nitrógeno están ampliamente distribuidos en diversos entornos. [17]

Por ejemplo, se ha demostrado que la madera en descomposición, que generalmente tiene un bajo contenido de nitrógeno, alberga una comunidad diazotrófica. [18] [19] Las bacterias enriquecen el sustrato de madera con nitrógeno a través de la fijación, lo que permite la descomposición de la madera muerta por hongos. [20]

Las nitrogenasas se degradan rápidamente en presencia de oxígeno. Por este motivo, muchas bacterias dejan de producir la enzima en presencia de oxígeno. Muchos organismos fijadores de nitrógeno existen únicamente en condiciones anaeróbicas , respirando para reducir los niveles de oxígeno o uniendo el oxígeno con una proteína como la leghemoglobina . [21] [22]

Importancia del nitrógeno

El nitrógeno atmosférico es inaccesible para la mayoría de los organismos, [23] debido a que su triple enlace covalente es muy fuerte. La mayoría absorbe nitrógeno fijado de diversas fuentes. Por cada 100 átomos de carbono, se asimilan aproximadamente de 2 a 20 átomos de nitrógeno. La relación atómica de carbono (C): nitrógeno (N): fósforo (P) observada en promedio en la biomasa planctónica fue descrita originalmente por Alfred Redfield, [24] quien determinó la relación estequiométrica entre átomos de C:N:P, la relación de Redfield, en 106:16:1. [24]

Nitrogenasa

El complejo proteico nitrogenasa es responsable de catalizar la reducción del gas nitrógeno (N 2 ) a amoniaco (NH 3 ). [25] [26] En las cianobacterias , este sistema enzimático está alojado en una célula especializada llamada heterocisto . [27] La ​​producción del complejo nitrogenasa está regulada genéticamente, y la actividad del complejo proteico depende de las concentraciones ambientales de oxígeno y de las concentraciones intra y extracelulares de amoniaco y especies de nitrógeno oxidado (nitrato y nitrito). [28] [29] [30] Además, se cree que las concentraciones combinadas de amonio y nitrato inhiben la fijación de N , específicamente cuando las concentraciones intracelulares de 2- oxoglutarato (2-OG) superan un umbral crítico. [31] La célula heterocisto especializada es necesaria para el rendimiento de la nitrogenasa como resultado de su sensibilidad al oxígeno ambiental. [32]

La nitrogenasa consta de dos proteínas, una proteína catalítica dependiente del hierro, comúnmente conocida como proteína MoFe y una proteína reductora solo de hierro (proteína Fe). Hay tres proteínas dependientes del hierro diferentes, dependiente del molibdeno , dependiente del vanadio y solo de hierro , y las tres variaciones de la proteína nitrogenasa contienen un componente de proteína de hierro. La nitrogenasa dependiente del molibdeno es la nitrogenasa presente más comúnmente. [33] Los diferentes tipos de nitrogenasa se pueden determinar por el componente de proteína de hierro específico. [34] La nitrogenasa está altamente conservada. La expresión génica a través de la secuenciación de ADN puede distinguir qué complejo proteico está presente en el microorganismo y potencialmente se está expresando. Con mayor frecuencia, el gen nif H se utiliza para identificar la presencia de nitrogenasa dependiente de molibdeno, seguido de las nitrogenasas reductasas estrechamente relacionadas (componente II) vnf H y anf H que representan la nitrogenasa dependiente de vanadio y la nitrogenasa solo de hierro, respectivamente. [35] Al estudiar la ecología y la evolución de las bacterias fijadoras de nitrógeno , el gen nifH es el biomarcador más utilizado. [36] nif H tiene dos genes similares anf H y vnfH que también codifican el componente nitrogenasa reductasa del complejo nitrogenasa. [37]

Evolución de la nitrogenasa

Se cree que la nitrogenasa evolucionó en algún momento entre 1.500 y 2.200 millones de años atrás (Ga), [38] [39] aunque hay cierto apoyo isotópico que muestra que la evolución de la nitrogenasa ya se remonta a alrededor de 3.200 millones de años. [40] La nitrogenasa parece haber evolucionado a partir de proteínas similares a la madurasa , aunque actualmente se desconoce la función de la proteína precedente. [41]

La nitrogenasa tiene tres formas diferentes ( Nif, Anf y Vnf ) que corresponden al metal que se encuentra en el sitio activo de la proteína (molibdeno, hierro y vanadio respectivamente). [42] Se cree que las abundancias de metales marinos a lo largo de la línea de tiempo geológica de la Tierra han impulsado la abundancia relativa de qué forma de nitrogenasa era más común. [43] Actualmente, no hay un acuerdo concluyente sobre qué forma de nitrogenasa surgió primero.

Microorganismos

Los diazótrofos están muy extendidos dentro del dominio Bacteria , incluidas las cianobacterias (por ejemplo, las muy significativas Trichodesmium y Cyanothece ), las bacterias verdes del azufre , las bacterias púrpuras del azufre , Azotobacteraceae , los rizobios y Frankia . [44] [45] Varias bacterias anaeróbicas obligadas fijan nitrógeno, incluidas muchas (pero no todas) Clostridium spp. Algunas arqueas , como Methanosarcina acetivorans , también fijan nitrógeno, [46] y varios otros taxones metanogénicos contribuyen de manera significativa a la fijación de nitrógeno en suelos deficientes en oxígeno. [47]

Las cianobacterias , comúnmente conocidas como algas verdeazuladas, habitan casi todos los entornos iluminados de la Tierra y desempeñan papeles clave en el ciclo del carbono y el nitrógeno de la biosfera . En general, las cianobacterias pueden utilizar varias fuentes inorgánicas y orgánicas de nitrógeno combinado, como nitrato , nitrito , amonio , urea o algunos aminoácidos . Varias cepas de cianobacterias también son capaces de crecimiento diazotrófico, una capacidad que puede haber estado presente en su último ancestro común en el eón Arcaico . [48] La fijación de nitrógeno no solo ocurre naturalmente en los suelos sino también en los sistemas acuáticos, incluidos los de agua dulce y marinos. [49] [50] De hecho, la cantidad de nitrógeno fijado en el océano es al menos tanta como en la tierra. [51] Se cree que la cianobacteria marina colonial Trichodesmium fija el nitrógeno a tal escala que representa casi la mitad de la fijación de nitrógeno en los sistemas marinos a nivel mundial. [52] Los líquenes de la superficie marina y las bacterias no fotosintéticas pertenecientes a Proteobacteria y Planctomycetes fijan nitrógeno atmosférico significativo. [53] Las especies de cianobacterias fijadoras de nitrógeno en aguas dulces incluyen: Aphanizomenon y Dolichospermum (anteriormente Anabaena). [54] Dichas especies tienen células especializadas llamadas heterocitos , en las que la fijación de nitrógeno ocurre a través de la enzima nitrogenasa. [55] [56]

Algas

Un tipo de orgánulo puede convertir el gas nitrógeno en una forma biológicamente disponible. Este nitroplasto fue descubierto en las algas . [57]

Simbiosis de nódulos radiculares

Familia de las leguminosas

En esta raíz de haba se ven nódulos.

Las plantas que contribuyen a la fijación de nitrógeno incluyen las de la familia de las leguminosas —Fabaceae— con taxones como el kudzu , el trébol , la soja , la alfalfa , el lupino , el cacahuete y el rooibos . [45] Contienen bacterias rizobias simbióticas dentro de los nódulos de sus sistemas radiculares , que producen compuestos nitrogenados que ayudan a la planta a crecer y competir con otras plantas. [58] Cuando la planta muere, el nitrógeno fijado se libera, poniéndolo a disposición de otras plantas; esto ayuda a fertilizar el suelo . [21] [59] La gran mayoría de las leguminosas tienen esta asociación, pero algunos géneros (por ejemplo, Styphnolobium ) no la tienen. En muchas prácticas agrícolas tradicionales, los campos se rotan a través de varios tipos de cultivos, que normalmente incluyen uno que consiste principalmente o totalmente en trébol . [ cita requerida ]

La eficiencia de la fijación en el suelo depende de muchos factores, entre ellos la leguminosa y las condiciones del aire y del suelo. Por ejemplo, la fijación de nitrógeno por el trébol rojo puede variar de 50 a 200 lb/acre (56 a 224 kg/ha). [60]

No leguminosas

Un nódulo de raíz de aliso seccionado

La capacidad de fijar nitrógeno en nódulos está presente en plantas actinorícicas como el aliso y el arrayán , con la ayuda de las bacterias Frankia . Se encuentran en 25 géneros en los órdenes Cucurbitales , Fagales y Rosales , que junto con los Fabales forman un clado de fijación de nitrógeno de eurosidas . La capacidad de fijar nitrógeno no está universalmente presente en estas familias. Por ejemplo, de 122 géneros de Rosaceae , solo cuatro fijan nitrógeno. Fabales fue el primer linaje en ramificarse de este clado de fijación de nitrógeno; por lo tanto, la capacidad de fijar nitrógeno puede ser plesiomórfica y posteriormente perdida en la mayoría de los descendientes de la planta fijadora de nitrógeno original; sin embargo, puede ser que los requisitos genéticos y fisiológicos básicos estuvieran presentes en un estado incipiente en los ancestros comunes más recientes de todas estas plantas, pero solo evolucionaron hasta la función completa en algunas de ellas. [61]

Además, Trema ( Parasponia ), un género tropical de la familia Cannabaceae , es excepcionalmente capaz de interactuar con rizobios y formar nódulos fijadores de nitrógeno. [62]

Otros simbiontes vegetales

Algunas otras plantas viven en asociación con un cianobionte (cianobacteria como Nostoc ) que les fija nitrógeno:

Algunas relaciones simbióticas que involucran plantas de importancia agrícola son: [65]

Procesos industriales

Histórico

En 1784, Henry Cavendish describió por primera vez un método de fijación de nitrógeno mediante arcos eléctricos que hacían reaccionar el nitrógeno y el oxígeno del aire. Este método se implementó en el proceso Birkeland-Eyde de 1903. [67] La ​​fijación de nitrógeno mediante rayos es un proceso natural muy similar.

La posibilidad de que el nitrógeno atmosférico reaccione con ciertas sustancias químicas fue observada por primera vez por Desfosses en 1828. Observó que las mezclas de óxidos de metales alcalinos y carbono reaccionan con el nitrógeno a altas temperaturas. Con el uso de carbonato de bario como material de partida, el primer proceso comercial estuvo disponible en la década de 1860, desarrollado por Margueritte y Sourdeval. El cianuro de bario resultante reacciona con vapor, produciendo amoníaco. En 1898, Frank y Caro desarrollaron lo que se conoce como el proceso Frank-Caro para fijar el nitrógeno en forma de cianamida de calcio . El proceso fue eclipsado por el proceso Haber , que se descubrió en 1909. [68] [69]

Proceso de Haber

Equipo para el estudio de la fijación de nitrógeno por rayos alfa (Laboratorio de Investigación de Nitrógeno Fijo, 1926)

El método industrial dominante para producir amoníaco es el proceso Haber, también conocido como proceso Haber-Bosch. [70] La producción de fertilizantes es ahora la mayor fuente de nitrógeno fijo producido por el hombre en el ecosistema terrestre . El amoníaco es un precursor necesario para fertilizantes , explosivos y otros productos. El proceso Haber requiere altas presiones (alrededor de 200 atm) y altas temperaturas (al menos 400 °C), que son condiciones rutinarias para la catálisis industrial. Este proceso utiliza gas natural como fuente de hidrógeno y aire como fuente de nitrógeno. El producto de amoníaco ha dado lugar a una intensificación de los fertilizantes nitrogenados a nivel mundial [71] y se le atribuye el apoyo a la expansión de la población humana de alrededor de 2 mil millones a principios del siglo XX a aproximadamente 8 mil millones de personas en la actualidad. [72]

Catálisis homogénea

Se han llevado a cabo muchas investigaciones para descubrir catalizadores para la fijación de nitrógeno, a menudo con el objetivo de reducir los requisitos de energía. Sin embargo, hasta ahora, dichas investigaciones no han logrado acercarse a la eficiencia y facilidad del proceso Haber. Muchos compuestos reaccionan con el nitrógeno atmosférico para dar complejos de dinitrógeno . El primer complejo de dinitrógeno del que se informó fue Ru(NH
3)
5( Nota
2) 2+ . [73] Algunos complejos solubles catalizan la fijación de nitrógeno. [74]

Iluminación

Los rayos calientan el aire que los rodea en un plasma de alta temperatura , rompiendo los enlaces de N
2, iniciando la formación de ácido nitroso ( HNO
2).

El nitrógeno se puede fijar mediante un rayo que convierte el gas nitrógeno ( N
2) y gas oxígeno ( O
2) en la atmósfera en NO x ( óxidos de nitrógeno ). El N
2La molécula es altamente estable y no reactiva debido al triple enlace entre los átomos de nitrógeno. [75] Los rayos producen suficiente energía y calor para romper este enlace [75], lo que permite que los átomos de nitrógeno reaccionen con el oxígeno y formen NO.
incógnitaEstos compuestos no pueden ser utilizados por las plantas, pero a medida que esta molécula se enfría, reacciona con el oxígeno para formar NO.
2, [76] que a su vez reacciona con agua para producir HNO
2( ácido nitroso ) o HNO
3( ácido nítrico ). Cuando estos ácidos se filtran en el suelo, forman NO 3 - (nitrato) , que es útil para las plantas. [77] [75]

Véase también

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