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Ciclo de nitrógeno

Ciclo global del nitrógeno reactivo [ 1 ] incluyendo la producción de fertilizantes industriales, [ 2 ] nitrógeno fijado por ecosistemas naturales, [ 3 ] nitrógeno fijado por oc...

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Ciclo global del nitrógeno reactivo [ 1 ] incluyendo la producción de fertilizantes industriales, [ 2 ] nitrógeno fijado por ecosistemas naturales, [ 3 ] nitrógeno fijado por océanos, [ 4 ] nitrógeno fijado por cultivos agrícolas, [ 5 ] NO x emitido por la quema de biomasa, [ 6 ] NO x emitido del suelo, [ 7 ] nitrógeno fijado por rayos, [ 8 ] NH 3 emitido por ecosistemas terrestres, [ 9 ] deposición de nitrógeno en superficies terrestres y océanos, [ 10 ] [ 11 ] NH 3 emitido por los océanos, [ 12 ] [ 13 ] [ 11 ] emisiones de NO 2 oceánico de la atmósfera, [ 14 ] desnitrificación en océanos, [ 4 ] [ 15 ] [ 11 ] y enterramiento de nitrógeno reactivo en océanos. [ 5 ]

El ciclo del nitrógeno es el ciclo biogeoquímico mediante el cual el nitrógeno se convierte en múltiples formas químicas a medida que circula entre los ecosistemas atmosféricos , terrestres y marinos . La conversión del nitrógeno puede llevarse a cabo a través de procesos tanto biológicos como físicos. Los procesos importantes en el ciclo del nitrógeno incluyen la fijación , la amonificación , la nitrificación y la desnitrificación . La mayor parte de la atmósfera terrestre (78%) es nitrógeno atmosférico, [ 16 ] lo que lo convierte en la mayor fuente de nitrógeno. Sin embargo, el nitrógeno atmosférico tiene una disponibilidad limitada para el uso biológico, lo que lleva a una escasez de nitrógeno utilizable en muchos tipos de ecosistemas .

El ciclo del nitrógeno es de particular interés para los ecólogos porque la disponibilidad de nitrógeno puede afectar la tasa de procesos clave del ecosistema, incluyendo la producción primaria y la descomposición . Las actividades humanas, como la combustión de combustibles fósiles, el uso de fertilizantes nitrogenados artificiales y la liberación de nitrógeno en aguas residuales, han alterado drásticamente el ciclo global del nitrógeno . [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] La modificación humana del ciclo global del nitrógeno puede afectar negativamente el sistema ambiental natural y también la salud humana. [ 20 ] [ 21 ]

Procesos

El nitrógeno está presente en el medio ambiente en una amplia variedad de formas químicas, incluyendo nitrógeno orgánico, amonio ( NH₄⁺ ) , nitrito ( NO₂⁻ ) , nitrato ( NO₃⁻ ) , óxido nitroso ( N₂O ) , óxido nítrico ( NO ) o nitrógeno gaseoso inorgánico ( N₂ ). El nitrógeno orgánico puede encontrarse en forma de organismos vivos, humus o como productos intermedios de la descomposición de la materia orgánica. Los procesos descritos en el ciclo del nitrógeno transforman las sustancias nitrogenadas de una forma a otra. Muchos de estos procesos son llevados a cabo por microorganismos , ya sea para obtener energía o para acumular nitrógeno en la forma necesaria para su crecimiento. Por ejemplo, los desechos nitrogenados de la orina animal son descompuestos por bacterias nitrificantes en el suelo para ser utilizados por las plantas. El diagrama adjunto muestra cómo estos procesos se combinan para formar el ciclo del nitrógeno.

Fijación de nitrógeno

La conversión de nitrógeno gaseoso ( N₂ ) en nitratos y nitritos a través de procesos atmosféricos, industriales y biológicos se llama fijación de nitrógeno. El nitrógeno atmosférico debe procesarse, o " fijarse ", en una forma utilizable para que las plantas lo absorban. Entre 5 y 10 mil millones de kg por año son fijados por rayos , pero la mayor parte de la fijación la realizan bacterias de vida libre o simbióticas conocidas como diazotrofos . Estas bacterias tienen la enzima nitrogenasa que combina nitrógeno gaseoso con hidrógeno para producir amoníaco , que las bacterias convierten en otros compuestos orgánicos . La mayor parte de la fijación biológica de nitrógeno ocurre por la actividad de la molibdeno (Mo)-nitrogenasa, que se encuentra en una amplia variedad de bacterias y algunas arqueas . La Mo-nitrogenasa es una enzima compleja de dos componentes que tiene múltiples grupos prostéticos que contienen metales. [ 22 ] Un ejemplo de bacteria de vida libre es Azotobacter . Las bacterias fijadoras de nitrógeno simbióticas, como Rhizobium, suelen vivir en los nódulos radiculares de las leguminosas (como guisantes, alfalfa y algarrobos). Allí forman una relación mutualista con la planta, produciendo amoníaco a cambio de carbohidratos . Gracias a esta relación, las leguminosas suelen aumentar el contenido de nitrógeno en suelos pobres en este elemento. Algunas plantas no leguminosas también pueden formar este tipo de simbiosis . Actualmente, alrededor del 30 % del nitrógeno total fijado se produce industrialmente mediante el proceso Haber-Bosch , [ 23 ] que utiliza altas temperaturas y presiones para convertir nitrógeno gaseoso y una fuente de hidrógeno (gas natural o petróleo) en amoníaco. [ 24 ]

Asimilación

Las plantas pueden absorber nitrato o amonio del suelo a través de sus pelos radiculares. Si se absorbe nitrato, primero se reduce a iones nitrito y luego a iones amonio para su incorporación a aminoácidos, ácidos nucleicos y clorofila. En plantas que tienen una relación simbiótica con rizobios, parte del nitrógeno se asimila en forma de iones amonio directamente de los nódulos. Ahora se sabe que existe un ciclo más complejo de aminoácidos entre los bacteroides de rizobios y las plantas. La planta proporciona aminoácidos a los bacteroides, por lo que no se requiere la asimilación de amoníaco y los bacteroides transfieren aminoácidos (con el nitrógeno recién fijado) de vuelta a la planta, formando así una relación de interdependencia. [ 25 ] Mientras que muchos animales, hongos y otros organismos heterótrofos obtienen nitrógeno mediante la ingestión de aminoácidos , nucleótidos y otras moléculas orgánicas pequeñas, otros heterótrofos (incluidas muchas bacterias ) pueden utilizar compuestos inorgánicos, como el amonio, como únicas fuentes de N. La utilización de las diversas fuentes de nitrógeno está cuidadosamente regulada en todos los organismos.

Amonificación

Cuando una planta o un animal muere o un animal expulsa desechos, la forma inicial de nitrógeno es orgánica , presente en formas como aminoácidos y ADN. [ 26 ] Las bacterias y los hongos convierten este nitrógeno orgánico en amoníaco y, a veces, en amonio a través de una serie de procesos llamados amonificación o mineralización . Este es el último paso en el ciclo del nitrógeno que involucra compuestos orgánicos. [ 27 ] Participan innumerables enzimas, incluidas deshidrogenasas , proteasas y desaminasas como la glutamato deshidrogenasa y la glutamina sintetasa . [ 28 ] La mineralización y amonificación del nitrógeno tienen una correlación positiva con el nitrógeno orgánico en el suelo, [ 29 ] la biomasa microbiana del suelo y la precipitación anual promedio. [ 30 ] También responden estrechamente a los cambios de temperatura. [ 31 ] Sin embargo, estos procesos se ralentizan en presencia de vegetación con altas proporciones de carbono a nitrógeno [ 32 ] [ 33 ] y fertilización con azúcar. [ 34 ] [ 35 ]

Ciclo microbiano del nitrógeno [ 36 ] [ 37 ]
ANAMMOX es la oxidación anaeróbica del amonio, DNRA es la reducción disimilatoria del nitrato a amonio y COMAMMOX es la oxidación completa del amonio.

Nitrificación

La conversión de amonio a nitrato la realizan principalmente bacterias del suelo y otras bacterias nitrificantes. En la etapa primaria de la nitrificación, la oxidación del amonio ( NH₄⁺ ) la llevan a cabo bacterias como la especie Nitrosomonas , que convierte el amoníaco en nitritos ( NO₂⁻ ) . Otras especies bacterianas , como Nitrobacter , son responsables de la oxidación de los nitritos ( NO₂⁻ ) a nitratos ( NO₃⁻ ). Es importante que el amoníaco ( NH₃ ) se convierta en nitratos o nitritos , ya que el gas amoníaco es tóxico para las plantas .

Debido a su muy alta solubilidad y a que los suelos son muy incapaces de retener aniones , los nitratos pueden ingresar al agua subterránea . El elevado nivel de nitrato en el agua subterránea es una preocupación para el uso de agua potable porque el nitrato puede interferir con los niveles de oxígeno en la sangre en los bebés y causar metahemoglobinemia o síndrome del bebé azul. [ 38 ] Cuando el agua subterránea recarga el flujo de los arroyos, el agua subterránea enriquecida con nitrato puede contribuir a la eutrofización , un proceso que conduce a una alta población y crecimiento de algas, especialmente poblaciones de algas verdeazuladas. Si bien no es directamente tóxico para la vida de los peces, como el amoníaco, el nitrato puede tener efectos indirectos sobre los peces si contribuye a esta eutrofización. El nitrógeno ha contribuido a graves problemas de eutrofización en algunos cuerpos de agua. Desde 2006, la aplicación de fertilizantes nitrogenados se ha controlado cada vez más en Gran Bretaña y Estados Unidos. Esto está ocurriendo en la misma línea que el control de los fertilizantes fosfóricos, cuya restricción normalmente se considera esencial para la recuperación de los cuerpos de agua eutrofizados.

Desnitrificación

La desnitrificación es la reducción de nitratos a gas nitrógeno ( N2 ), completando el ciclo del nitrógeno. Este proceso lo realizan especies bacterianas comoPseudomonasyParacoccus, en condiciones anaeróbicas. Utilizan el nitrato como aceptor de electrones en lugar de oxígeno durante la respiración. Estas bacterias anaeróbicas facultativas (es decir, opcionales) también pueden vivir en condiciones aeróbicas. La desnitrificación ocurre en condiciones anaeróbicas, por ejemplo, en suelos saturados de agua. Las bacterias desnitrificantes utilizan los nitratos del suelo para llevar a cabo la respiración y, en consecuencia, producen nitrógeno gaseoso, que es inerte y no está disponible para las plantas. La desnitrificación ocurre tanto en microorganismos de vida libre como en simbiontes obligados de ciliados anaeróbicos. [ 39 ]

Reducción disimilatoria de nitrato a amonio

La reducción disimilatoria de nitrato a amonio (DNRA), o amonificación de  nitrato/nitrito, es un proceso de respiración anaeróbica . Los microbios que realizan la DNRA oxidan la materia orgánica y utilizan el nitrato como aceptor de electrones, reduciéndolo a nitrito y luego a amonio ( NO₃⁻ → NO₂⁻ → NH₄⁺ ) . [ 40 ] Tanto las bacterias desnitrificantes como las amonificadoras de nitrato competirán por el nitrato en el medio ambiente, aunque la DNRA actúa para conservar el nitrógeno biodisponible como amonio soluble en lugar de producir gas dinitrógeno . [ 41 ]

COMAMMOX

Tradicionalmente, la nitrificación ocurre en dos etapas: el amoníaco se oxida a nitrito, y luego el nitrito se oxida a nitrato . A menudo, estas conversiones son llevadas a cabo por diferentes organismos. [ 42 ] Algunas bacterias, como Nitrospira , oxidan el amoníaco a nitrato. [ 43 ] [ 44 ] El proceso combinado se llama COMAMMOX = "OXIACIÓN COMPLETA DE AMMonia". [ 45 ] El Comammox está presente en muchos ecosistemas , por ejemplo, en agua dulce . [ 46 ] Se ha descubierto que el Comammox podría utilizarse en el tratamiento de aguas residuales. [ 47 ]

Oxidación anaeróbica del amoníaco

El proceso de oxidación aeróbica de amoníaco ( ANAMMOX ) también se conoce como proceso ANAMMOX , una abreviatura formada al unir las primeras sílabas de cada una de estas tres palabras. Este proceso biológico es una reacción de comproproporción redox , en la que el amoníaco (el agente reductor que da electrones) y el nitrito (el agente oxidante que acepta electrones) transfieren tres electrones y se convierten en una molécula de nitrógeno diatómico ( N).2 ) gas y dos moléculas de agua. Este proceso constituye una proporción importante de la conversión de nitrógeno en losocéanos. Laestequiométricamentebalanceada para la reacción química ANAMMOX se puede escribir de la siguiente manera, donde unionamonio incluye la molécula de amoníaco y subaseconjugada:

NH + 4 + NO − 2 → N 2 + 2 H 2 O (Δ G ° =−357  kJ ⋅ mol −1 ). [ 48 ]

Este es un proceso exergónico (aquí también una reacción exotérmica ) que libera energía, como lo indica el valor negativo de Δ G °, la diferencia en la energía libre de Gibbs entre los productos de la reacción y los reactivos.

Otros procesos

Aunque la fijación de nitrógeno es la principal fuente de nitrógeno disponible para las plantas en la mayoría de los ecosistemas , en áreas con lecho rocoso rico en nitrógeno , la descomposición de esta roca también sirve como fuente de nitrógeno. [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] La reducción de nitrato también es parte del ciclo del hierro , bajo condiciones anóxicas Fe(II) puede donar un electrón a NO − 3 y se oxida a Fe(III) mientras que NO − 3 se reduce a NO − 2 , N 2 O, N 2 , y NH + 4 dependiendo de las condiciones y las especies microbianas involucradas. [ 52 ] Las plumas fecales de los cetáceos también actúan como una unión en el ciclo del nitrógeno marino, concentrando el nitrógeno en las zonas epipelágicas de los ambientes oceánicos antes de su dispersión a través de varias capas marinas, lo que en última instancia aumenta la productividad primaria oceánica. [ 53 ]

Ciclo del nitrógeno marino

Ciclo del nitrógeno marino
Los principales procesos estudiados del ciclo del N en diferentes ambientes marinos. Cada flecha de color representa una transformación del N: N2 fijación (rojo), nitrificación (azul claro), reducción de nitrato (violeta), DNRA (magenta), desnitrificación (aguamarina), N-damo (verde) y anammox (naranja). Las flechas curvas negras representan procesos físicos como la advección y la difusión. [ 54 ]
Ciclo del nitrógeno marino bajo la futura acidificación de los océanos [ 55 ]

El ciclo del nitrógeno es un proceso importante también en el océano. Si bien el ciclo general es similar, existen diferentes actores [ 56 ] y modos de transferencia de nitrógeno en el océano. El nitrógeno ingresa al agua a través de la precipitación, la escorrentía o como N2 de la atmósfera. El nitrógeno no puede ser utilizado porel fitoplanctoncomoN2 por lo que debe someterse a la fijación de nitrógeno que es realizada predominantemente porcianobacterias. [ 57 ] Sin suministros de nitrógeno fijado que ingresen al ciclo marino, el nitrógeno fijado se consumiría en aproximadamente 2000 años. [ 58 ] El fitoplancton necesita nitrógeno en formas biológicamente disponibles para la síntesis inicial de materia orgánica. El amoníaco y la urea se liberan en el agua por excreción del plancton. Las fuentes de nitrógeno se eliminan de lazona eufóticapor el movimiento descendente de la materia orgánica. Esto puede ocurrir por hundimiento del fitoplancton, mezcla vertical o hundimiento de desechos de migradores verticales. El hundimiento resulta en la introducción de amoníaco a profundidades más bajas por debajo de la zona eufótica. Las bacterias pueden convertir el amoníaco en nitrito y nitrato, pero son inhibidas por la luz, por lo que esto debe ocurrir por debajo de la zona eufótica. [ 59 ] La amonificación omineralizaciónes realizada por bacterias para convertir el nitrógeno orgánico en amoníaco.la nitrificaciónpara convertir el amonio en nitrito y nitrato. [ 60 ] El nitrato puede regresar a la zona eufótica mediante la mezcla vertical y el afloramiento, donde puede ser absorbido por el fitoplancton para continuar el ciclo.N2 pueden ser devueltos a la atmósfera a través dela desnitrificación.

Se cree que el amonio es la fuente preferida de nitrógeno fijado para el fitoplancton porque su asimilación no implica una reacción redox y, por lo tanto, requiere poca energía. El nitrato requiere una reacción redox para su asimilación, pero es más abundante, por lo que la mayoría del fitoplancton se ha adaptado para tener las enzimas necesarias para llevar a cabo esta reducción ( nitrato reductasa ). Existen algunas excepciones notables y bien conocidas, como la mayoría de Prochlorococcus y algunos Synechococcus , que solo pueden absorber nitrógeno en forma de amonio. [ 58 ]

Los nutrientes en el océano no se distribuyen uniformemente. Las zonas de afloramiento aportan nitrógeno desde debajo de la zona eufótica. Las zonas costeras aportan nitrógeno por escorrentía y el afloramiento se produce fácilmente a lo largo de la costa. Sin embargo, la tasa de absorción de nitrógeno por el fitoplancton disminuye en aguas oligotróficas durante todo el año y en aguas templadas durante el verano, lo que resulta en una menor producción primaria. [ 61 ] La distribución de las diferentes formas de nitrógeno también varía en los océanos.

El nitrato se encuentra agotado en las aguas superficiales, excepto en las regiones de afloramiento. Estas regiones costeras suelen presentar altos niveles de nitrato y clorofila debido al aumento de la producción. Sin embargo, existen regiones con altos niveles de nitrato superficial pero bajos niveles de clorofila, denominadas regiones HNLC (alto nitrógeno, baja clorofila). La mejor explicación para las regiones HNLC se relaciona con la escasez de hierro en el océano, que puede desempeñar un papel importante en la dinámica oceánica y los ciclos de nutrientes. El aporte de hierro varía según la región y llega al océano a través del polvo (proveniente de tormentas de polvo ) y la lixiviación de las rocas. El hierro se considera el verdadero elemento limitante de la productividad de los ecosistemas oceánicos.

El amonio y el nitrito muestran una concentración máxima a 50–80 m (extremo inferior de la zona eufótica ) con una concentración decreciente por debajo de esa profundidad. Esta distribución puede explicarse por el hecho de que el nitrito y el amonio son especies intermedias. Ambos se producen y consumen rápidamente a través de la columna de agua. [ 58 ] La cantidad de amonio en el océano es aproximadamente 3 órdenes de magnitud menor que la de nitrato. [ 58 ] Entre el amonio, el nitrito y el nitrato, el nitrito tiene la tasa de recambio más rápida. Puede producirse durante la asimilación de nitrato, la nitrificación y la desnitrificación; sin embargo, se consume inmediatamente de nuevo.

Nitrógeno nuevo frente a nitrógeno regenerado

El nitrógeno que ingresa a la zona eufótica se denomina nitrógeno nuevo porque proviene de fuera de la capa productiva. [ 57 ] Este nitrógeno nuevo puede provenir de debajo de la zona eufótica o de fuentes externas. Las fuentes externas son el afloramiento de aguas profundas y la fijación de nitrógeno. Si la materia orgánica es consumida, respirada, liberada al agua como amoníaco y reincorporada a la materia orgánica por el fitoplancton, se considera producción reciclada/regenerada.

La producción primaria es un componente importante del medio marino. Una razón es que solo el aporte continuo de nitrógeno nuevo puede determinar la capacidad total del océano para producir una pesca sostenible. [ 61 ] La pesca en áreas con nitrógeno regenerado conlleva una disminución de este elemento y, por lo tanto, una disminución de la producción primaria. Esto tendrá un efecto negativo en el sistema. Sin embargo, si se pesca en áreas con nitrógeno nuevo, este se repondrá.

Acidificación futura

Como se ilustra en el diagrama de la derecha, el dióxido de carbono adicional ( CO₂ ) es absorbido por el océano y reacciona con el agua, ácido carbónico ( H₂O) .2 CO3 ) se forma y se descompone enbicarbonato(HCO − 3 ) e hidrógeno (H +) iones (flecha gris), lo que reduce el carbonato biodisponible ( CO 2− 3 ) y disminuye el pH del océano (flecha negra). Es probable que esto mejore la fijación de nitrógeno por parte de los diazotrofos (flecha gris), que utilizan H +iones para convertir el nitrógeno en formas biodisponibles como el amoníaco ( NH3 ) eamonio(NH₄⁺ ). Sin embargo, a medida que disminuye el pH y se convierte más amoníaco en iones amonio (flecha gris), hay menosoxidaciónde amoníaco anitrito(NO₂⁻ ) , lo que resulta en una disminución general de la nitrificación y desnitrificación (flechas negras). Esto , a su vez, conduciría a una mayor acumulación de nitrógeno fijado en el océano, con la posible consecuencia deeutrofización. Las flechas grises representan un aumento, mientras que las flechas negras representan una disminución en el proceso asociado. [ 55 ]

Influencia humana en el ciclo del nitrógeno

Aplicación de fertilizantes nitrogenados
Nitrógeno en la producción de estiércol

Como resultado del cultivo extensivo de leguminosas (en particular soja , alfalfa y trébol ), el creciente uso del proceso Haber-Bosch en la producción de fertilizantes químicos y la contaminación emitida por vehículos y plantas industriales, los seres humanos han duplicado con creces la transferencia anual de nitrógeno a formas biológicamente disponibles. [ 38 ] Además, los seres humanos han contribuido significativamente a la transferencia de gases traza de nitrógeno de la Tierra a la atmósfera y de la tierra a los sistemas acuáticos. Las alteraciones humanas en el ciclo global del nitrógeno son más intensas en los países desarrollados y en Asia, donde las emisiones vehiculares y la agricultura industrial son más elevadas. [ 62 ]

La generación de Nr, nitrógeno reactivo , ha aumentado más de 10 veces en el último siglo debido a la industrialización global . [ 2 ] [ 63 ] Esta forma de nitrógeno sigue una cascada a través de la biosfera mediante una variedad de mecanismos y se está acumulando ya que la tasa de su generación es mayor que la tasa de desnitrificación . [ 64 ] El enterramiento de Nr en lagos y océanos ha ido aumentando paralelamente al aporte antropogénico, duplicando ahora el flujo de enterramiento de Nr anterior a la revolución industrial . El nitrógeno reactivo puede desnitrificarse en el agua o enterrarse en los sedimentos para acumularse. Este Nr enterrado permanece latente hasta que sus sedimentos se ven alterados por eventos como tormentas o inundaciones , cuando grandes cantidades de nitrógeno se reintroducen en el agua donde puede desnitrificarse e impactar el medio ambiente. [ 65 ]

Óxido nitroso ( N2 O) ha aumentado en la atmósfera como resultado de la fertilización agrícola, la quema de biomasa, el ganado y los corrales de engorde, y las fuentes industriales. [ 66 ] NEl 2O tiene efectos nocivos en laestratosfera, donde se descompone y actúa comocatalizadoren la destrucción delozono. El óxido nitroso también es ungas de efecto invernaderoy actualmente es el tercer mayor contribuyente alcalentamiento global, despuésdel dióxido de carbonoyel metano. Si bien no es tan abundante en la atmósfera como el dióxido de carbono, para una masa equivalente, es casi 300 veces más potente en su capacidad para calentar el planeta. [ 67 ]

Amoníaco ( NH3 ) en la atmósfera se ha triplicado como resultado de las actividades humanas. Es un reactivo en la atmósfera, donde actúa comoaerosol, disminuyendo la calidad del aire y adhiriéndose a las gotas de agua, lo que finalmente resulta enácido nítrico(H₂NO₃)queproducelluvia ácida. El amoníaco atmosférico y el ácido nítrico también dañan los sistemas respiratorios.

La altísima temperatura de un rayo produce naturalmente pequeñas cantidades de NOx ,NH3 yHNO3 , pero la combustióna alta temperaturaha contribuido a un aumento de 6 o 7 veces en el flujo deNOx a la atmósfera. Su producción es función de la temperatura de combustión: cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la cantidadde NO.Se produce x . La combustión de combustibles fósileses un contribuyente principal, pero también lo son los biocombustibles e incluso la combustión de hidrógeno. Sin embargo, la velocidad a la que se inyecta hidrógeno directamente en las cámaras de combustión de los motores de combustión interna se puede controlar para evitar las temperaturas de combustión más altas que producenNOx .

El amoníaco y los óxidos nitrosos alteran activamente la química atmosférica . Son precursores de la producción de ozono troposférico (atmósfera inferior), que contribuye al esmog y la lluvia ácida , daña las plantas y aumenta los aportes de nitrógeno a los ecosistemas. Los procesos ecosistémicos pueden incrementarse con la fertilización nitrogenada , pero el aporte antropogénico también puede provocar la saturación de nitrógeno, lo que reduce la productividad y puede perjudicar la salud de plantas, animales, peces y seres humanos. [ 38 ]

La disminución de la biodiversidad también puede producirse si una mayor disponibilidad de nitrógeno aumenta las gramíneas que requieren nitrógeno, lo que provoca una degradación de los brezales pobres en nitrógeno y con gran diversidad de especies . [ 68 ]

Consecuencias de la modificación humana del ciclo del nitrógeno

Estimación del superávit de nitrógeno (la diferencia entre la aplicación de fertilizantes inorgánicos y orgánicos, la deposición atmosférica, la fijación y la absorción por los cultivos) para el año 2005 en toda Europa.

Impactos en los sistemas naturales

Se ha demostrado que los niveles crecientes de deposición de nitrógeno tienen varios efectos adversos en los ecosistemas terrestres y acuáticos . [ 69 ] [ 70 ] Los gases y aerosoles de nitrógeno pueden ser directamente tóxicos para ciertas especies de plantas, afectando la fisiología aérea y el crecimiento de las plantas cerca de grandes fuentes puntuales de contaminación por nitrógeno. Los cambios en las especies de plantas también pueden ocurrir a medida que la acumulación de compuestos de nitrógeno aumenta la disponibilidad en un ecosistema dado, cambiando eventualmente la composición de especies, la diversidad de plantas y el ciclo del nitrógeno. El amoníaco y el amonio, dos formas reducidas de nitrógeno, pueden ser perjudiciales con el tiempo debido a una mayor toxicidad para las especies de plantas sensibles, [ 71 ] particularmente aquellas que están acostumbradas a usar nitrato como su fuente de nitrógeno, causando un desarrollo deficiente de sus raíces y tallos. El aumento de la deposición de nitrógeno también conduce a la acidificación del suelo, lo que aumenta la lixiviación de cationes básicos en el suelo y las cantidades de aluminio y otros metales potencialmente tóxicos, además de disminuir la cantidad de nitrificación que ocurre y aumentar la hojarasca derivada de plantas. Debido a los cambios continuos provocados por la elevada deposición de nitrógeno, la susceptibilidad de un entorno al estrés y las perturbaciones ecológicas, como plagas y patógenos , puede aumentar, lo que lo hace menos resistente a situaciones que, de otro modo, tendrían poco impacto en su vitalidad a largo plazo.

Los riesgos adicionales que plantea el aumento de la disponibilidad de nitrógeno inorgánico en los ecosistemas acuáticos incluyen la acidificación del agua; la eutrofización de los sistemas de agua dulce y salada; y problemas de toxicidad para los animales, incluidos los humanos. [ 72 ] La eutrofización a menudo conduce a niveles más bajos de oxígeno disuelto en la columna de agua, incluidas condiciones hipóxicas y anóxicas, que pueden causar la muerte de la fauna acuática. El bentos relativamente sésil, o criaturas que habitan en el fondo, es particularmente vulnerable debido a su falta de movilidad, aunque las muertes masivas de peces no son infrecuentes. Las zonas muertas oceánicas cerca de la desembocadura del Mississippi en el Golfo de México son un ejemplo bien conocido de hipoxia inducida por floración de algas . [ 73 ] [ 74 ] Aunque ha habido algunos esfuerzos para reducir la escorrentía agrícola de nitrógeno, no ha habido una reducción significativa en el tamaño de la zona muerta. [ 75 ] Los lagos Adirondack de Nueva York , Catskills , Hudson Highlands , la meseta de Rensselaer y partes de Long Island muestran el impacto de la deposición de lluvia ácida nítrica , que resulta en la muerte de peces y muchas otras especies acuáticas. [ 76 ]

El agua dulce tiene una menor capacidad para neutralizar la acidez, por lo que la acidificación puede ocurrir con menor deposición de nitrógeno. [ 77 ] Esta acidificación puede afectar negativamente a los peces y a los invertebrados acuáticos [ 78 ] mientras favorece al fitoplancton que puede tolerar ambientes más ácidos. [ 79 ]

Amoníaco ( NH3 ) es altamente tóxico para los peces, y el nivel de amoníaco descargado porlas plantas de tratamiento de aguas residualesdebe ser monitoreado de cerca. La nitrificación medianteaireaciónantes de la descarga suele ser deseable para prevenir la muerte de los peces. La aplicación en tierra puede ser una alternativa atractiva a la aireación.

Impactos en la salud humana: acumulación de nitratos en el agua potable.

La fuga de Nr (nitrógeno reactivo) proveniente de actividades humanas puede causar acumulación de nitratos en el medio acuático natural, lo que puede generar impactos nocivos en la salud humana. El uso excesivo de fertilizantes nitrogenados en la agricultura ha sido una fuente importante de contaminación por nitratos en aguas subterráneas y superficiales. [ 80 ] [ 81 ] Debido a su alta solubilidad y baja retención por el suelo, el nitrato puede escapar fácilmente de la capa subsuperficial a las aguas subterráneas, causando contaminación por nitratos. Otras fuentes difusas de contaminación por nitratos en aguas subterráneas provienen de la alimentación del ganado, la contaminación animal y humana, y los desechos municipales e industriales. Dado que las aguas subterráneas suelen servir como principal fuente de agua potable, la contaminación por nitratos puede extenderse desde las aguas subterráneas a las aguas superficiales y potables durante la producción de agua potable , especialmente en pequeños sistemas de abastecimiento de agua comunitarios, donde se utilizan aguas insalubres y con escasa regulación. [ 82 ]

El estándar de la OMS para el agua potable es de 50 mg  NO₃⁻³ L⁻¹ para la exposición a corto plazo y de 3 mg NO₃⁻³ L⁻¹ para los efectos crónicos. [ 83 ] Una vez que ingresa al cuerpo humano, el nitrato puede reaccionar con compuestos orgánicos a través de reacciones de nitrosación en el estómago para formar nitrosaminas y nitrosamidas , que están involucradas en algunos tipos de cáncer (por ejemplo, cáncer oral y cáncer gástrico ). [ 84 ] 

Impactos en la salud humana: calidad del aire

Las actividades humanas también han alterado drásticamente el ciclo global del nitrógeno al producir gases nitrogenados asociados con la contaminación atmosférica global por nitrógeno. Existen múltiples fuentes de flujos de nitrógeno reactivo (Nr) atmosférico. Las fuentes agrícolas de nitrógeno reactivo pueden producir emisiones atmosféricas de amoníaco ( NH₃ ), óxidos de nitrógeno ( NO₃⁻)x ) yóxido nitroso(N2 O). Los procesos de combustión en la producción de energía, el transporte y la industria también pueden formar nitrógeno reactivo nuevo a través de la emisión deNOx , un producto de desecho no intencional. Cuando esos nitrógenos reactivos se liberan a la atmósfera inferior, pueden inducir la formación de smog,material particuladoy aerosoles, todos los cuales contribuyen significativamente a los efectos adversos para la salud humana derivados de la contaminación del aire. [ 85 ] En la atmósfera,NO2 puedeoxidarseaácido nítrico(HNO3 ), y puede reaccionar además conNH3 para formarnitrato de amonio(NH₄NO₃), lo que facilita la formación de nitrato particulado.Además,NH₄3 puede reaccionar con otros gases ácidos (sulfúricoeclorhídrico) para formar partículas que contienen amonio, que son los precursores de lasde aerosolorgánico enel smog fotoquímico. [ 86 ]

Véase también

Referencias

  1. ^ Cazador de aves, David ; Coyle, Mhairi; Skiba, Ute; Sutton, Mark A.; Cabo, J. Neil; Reis, Stefan; Sheppard, Lucy J.; Jenkins, Alan; Grizzetti, Bruna; Galloway, JN; Vitousek, P; Lixiviación, A; Bouwman, AF; Butterbach-Bahl, K; Dentener, F; Stevenson, D; Amann, M; Voss, M (5 de julio de 2013). "El ciclo global del nitrógeno en el siglo XXI" . Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres. Serie B, Ciencias Biológicas . 368 (1621) 20130164. doi : 10.1098/rstb.2013.0164 . PMC 3682748 . PMID 23713126 .  
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