CICLO DEL NITRÓGENO

TEMA 3 CICLO DEL NITRÓGENO

El ciclo del nitrógeno es cada uno de los procesos biológicos yabióticos en que se basa el suministro de este elemento de los seres vivos. Es uno de los ciclos biogeoquímicos importantes en que se basa el equilibrio dinámico de composición de la biosfera terrestre.

PROPIEDADES DEL HIDROGENO

PROPIEDADES FÍSICAS

El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido a temperatura ambiente. Es el elemento más liviano que existe, siendo aproximadamente 14 veces menos pesado que el aire. Su molécula consiste de dos átomos de hidrógeno (H2) unidos por un enlace covalente. Posee tres isótopos, de los cuales el más abundante es el Protio (99.985%); el Deuterio tiene una abundancia de 0,02% y el tritio es tan escaso que de cada 109 átomos de hidrógeno hay uno de tritio.

El hidrogeno es fácilmente absorbido por ciertos metales finamente divididos, siendo los principales paladio, platino y oro. Por ejemplo, uno volumen de paladio finamente dividido puede adsorber aproximadamente 850 volumen es de Hidrógeno a temperatura ambiente. El hidrógeno absorbido es muy activo químicamente.

PROPIEDADES QUÍMICAS

Químicamente, el hidrogeno es capaz de combinarse con la mayoría de los elementos cuando se tienen las condiciones adecuadas. El hidrogeno tiene gran afinidad con el oxígeno, con el cual se combina en frío muy lentamente, pero en presencia de una llama o de una chispa eléctrica lo hace casi instantáneamente con explosión. Por esto, las mezclas de hidrógeno y aire deben manejarse con mucha precaución. La reacción es:

La ecuación anterior nos indica la gran cantidad de energía desprendida por la reacción.

Una propiedad muy importante del hidrógeno es su poder reductor. En efecto, a altas temperatura el hidrógeno reacciona con algunos óxidos reduciéndolos.

Este poder reductor, que se base en la tendencia del hidrógeno a oxidarse al estado de oxidación +1, tiene además aplicación en muchos procesos químicos.

CICLO NITRIFICACIÓN

El ciclo de nitrificación es la forma en que las bacterias nitrificantes beneficiosas se encargan de descomponer químicos nocivos para nuestros peces e invertebrados. En el proceso el amoníaco es convertido en nitritos y los nitritos en nitratos.

El amoníaco es la sustancia más tóxica que es generada en nuestros acuarios y es el resultado principalmente de la descomposición de desechos producidos por nuestros peces y restos de alimento que éstos no comen y que caen al fondo. Esta sustancia es muy tóxica en pequeñas concentraciones y lo es más cuanto más alto sea el PH del agua. El amoniaco es consumido por las bacterias nitrificantes que a su vez lo convierten en nitritos.

Con la presencia de nitritos en el agua de la pecera que también es una sustancia nociva para nuestros peces e invertebrados se reproducen las bacterias que se encargan de convertir el nitrito en nitratos.

Al final del ciclo, los nitratos no pueden ser consumidos por bacterias aeróbicas (que consumen oxígeno). Las únicas bacterias que consumen nitratos son las anaeróbicas pero estas, mueren al ser expuestas al agua con oxígeno. Como normalmente el agua de la pecera contiene un nivel medio o alto de oxigeno disuelto, las bacterias anaeróbicas no pueden vivir en nuestros acuarios. En algunos casos se ha logrado reproducir estas bacterias anaeróbicas en filtros plenum.

CICLO DE NITRIFICACION

Es el proceso que realizan algunas bacterias ante la ausencia de oxígeno, degradan nitratos (NO3 -) liberando nitrógeno (N2) a la atmósfera a fin de utilizar el oxígeno para su propia respiración. Ocurre en suelos mal drenados. A pesar de las pérdidas de nitrógeno, el ciclo se mantiene gracias a la actividad de las bacterias fijadoras de nitrógeno, capaces de incorporar el nitrógeno gaseoso del aire a compuestos orgánicos nitrogenados.

AMONIFICACION

consiste en la conversión de compuestos nitrogenados orgánicos en amoníaco, se inicia cuando los organismos producen desechos como urea (orina) y ácido úrico (excreta de las aves), sustancias que son degradadas para liberar como amoníaco el nitrógeno en el ambiente abiótico. El amoníaco queda disponible para los procesos de nitrificación y asimilación. El nitrógeno presente en el suelo es el resultado de la descomposición de materiales orgánicos y se encuentra en forma de compuestos orgánicos complejos, como proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos y nucleótidos, que son degradados a compuestos simples por microorganismos - bacterias y hongos - que se encuentran en el suelo. Estos microorganismos usan las proteínas y los aminoácidos para producir sus propias proteínas y liberan el exceso de nitrógeno en forma de amoníaco (NH3) o ion amonio (NH4+).

ASIMILACIÓN

Las raíces de las plantas absorben el amoníaco (NH3) o el nitrato (NO3 -), e incorporan el nitrógeno en proteínas, ácidos nucleicos y clorofila. Cuando los animales se alimentan de vegetales consumen compuestos nitrogenados vegetales y los transforman en compuestos nitrogenados animales.

PROCESOS AERÓBICOS

Los procesos aeróbicos son aquellos que necesitan de oxígeno. Existen procesos aeróbicos estrictos, que son aquellos que solamente pueden funcionar si hay oxígeno, y los procesos aeróbicos facultativos, que son los que pueden alternar con anaeróbicos, de acuerdo a la concentración de O2 disponible.

PROCESOS ANAERÓBICOS

Estos procesos se realizan en ausencia de oxígeno, que son realizados por dos grupos de bacterias heterótrofas, que en un proceso de licuefacción/gasificación convierten un 90% de la materia orgánica, primero en intermediarios y luego en metano y CO2 gaseosos .

En los bioreactores se suele aplicar una mayor temperatura los primeros 30 días para facilitar la putrefacción de la materia. La ventaja de este tipo de digestión es que genera energía en forma de metano y la producción de lodos es sólo del 10%.

ALTERACIÓN DEL PROCESO NATURAL Y ANTROPIA DEL CICLO EUTROFIZACIÓN

De ordinario, la velocidad de un proceso natural se encuentra determinada por la concentración de uno o varios elementos limitantes, que son aquellos que, siendo esenciales para dicho proceso, se encuentran en una menor concentración en relación al resto de elementos, cuya presencia está garantizada por exceso.

La eutrofización como proceso general consiste en el enriquecimiento en nutrientes de un ecosistema. El origen de estos nutrientes puede ser natural, si es debido a aportes procedentes de reservorios que se encuentran en otros ecosistemas o cultural o de origen antropogénico si proviene de actividades humanas. Consecuentemente, estos aportes aceleran diferentes procesos de los ecosistemas, fundamentalmente el crecimiento de vegetales.

El fenómeno particular más conocido de eutrofización es el que ocurre en sistemas lacustres, y que conlleva la colmatación final de éstos por sedimentos, causada a su vez por los aportes de residuos de los seres vivos que los habitan. En este caso los elementos limitantes son nitrógeno y, especialmente, fósforo y, si bien la eutrofización de los lagos es un proceso natural, los aportes adicionales de origen antrópico de dichos elementos acelera el proceso, de manera que se produce un crecimiento intenso de algas, el oxígeno pasa a ser el elemento limitante y las condiciones de vida se hacen anaeróbicas, produciéndose la muerte en masa de algas y animales conforme dichas condiciones se hacen más estrictas e incrementándose notablemente la velocidad de formación de sedimentos. El metabolismo anaeróbico produce, además, emisiones malolientes, principalmente óxidos de azufre, sulfuro de hidrógeno e hidrocarburos.

A pesar de que la eutrofización de lagos es el fenómeno de este tipo mejor conocido, el proceso de eutrofización puede producirse en cualquier ecosistema; en efecto, un exceso de aportes de un elemento limitante puede suponer una aceleración del crecimiento de vegetales. De hecho, la eutrofización puede afectar a ecosistemas terrestres, de agua dulce, a ecosistemas costeros y a mares poco profundos.

En el caso de la eutrofización de suelos, los que son aireados permiten el desarrollo de microorganismos aeróbicos y seres superiores; no obstante, el aporte de factores limitantes, fundamentalmente nitrógeno, puede originar que el oxígeno pase a ser limitante en las capas superficiales del suelo, favoreciéndose el desarrollo de microorganismos anaeróbicos, afectando el desarrollo de vegetales superiores y, en definitiva, a ecosistemas enteros. En concreto, este fenómeno es especialmente evidente sobre suelos ácidos y las consecuencias pueden ser notables ya que se ha observado una regresión en la superficie ocupada por los brezales centroeuropeos, que son formaciones de matorral acidófilo, es decir, que se desarrollan sobre suelos ácidos en los que la disponibilidad de nitrógeno es reducida, debido a los aportes atmosféricos de nitrógeno de origen antrópico que originan finalmente un cambio en la composición de la vegetación.

En general, tanto en ecosistemas terrestres como marinos, el factor limitante suele ser el nitrógeno. La solubilidad y movilidad del nitrógeno son elevadas, lo que supone que se lava fácilmente del suelo y se acelera su ciclo mediante la evaporación de amoniaco o diversas reacciones a partir de emisiones antropogénicas de óxidos de nitrógeno procedentes de combustiones, tanto de vehículos a motor como de procesos de generación eléctrica y otras actividades industriales -fabricación de abonos, amoniaco, etc.-, así

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