domingo, 13 de diciembre de 2009

La fijación biológica de nitrógeno y su importancia

La ciencia en todas partes


Muchas veces hemos escuchado la frase "todos necesitamos de todos", pero no siempre estamos conscientes de cuánta verdad encierran estas palabras. La vida en nuestro planeta se mantiene gracias a la acción conjunta del medio ambiente, las plantas, los animales y los microorganismos. Todos éstos llevan a cabo diversas reacciones químicas para procesar los compuestos que utilizan como nutrimentos y como fuente de energía. Al conjunto de reacciones químicas que lleva a cabo un organismo para procesar estos nutrimentos se le conoce como metabolismo.

Existen dos grandes grupos de organismos: los autosuficientes y los dependientes. Los organismos autosuficientes son capaces de utilizar compuestos --como el bióxido de carbono y el agua-- como única fuente de alimentación para sobrevivir, crecer y reproducirse. Los organismos dependientes necesitan que los organismos autosuficientes procesen primero algunos compuestos para después utilizarlos como nutrimentos. Es así como se establecen cadenas alimenticias donde unos organismos dependen de otros. Las plantas y muchos tipos de bacterias pertenecen al grupo de organismos autosuficientes (llamados formalmente autótrofos). El resto de los seres vivos, incluyendo al ser humano, pertenece al grupo de organismos dependientes o heterótrofos.

Muchos compuestos que sirven como nutrimentos se reciclan en la naturaleza; cuando los organismos mueren, dejan disponible toda su materia orgánica para ser utilizada por otros seres vivos. Sin embargo, el reciclaje por muerte es insuficiente para mantener la vida; por lo cual es necesario que se lleven a cabo otras reacciones metabólicas para poder obtener todos los compuestos que se requieren para la supervivencia y reproducción de los seres vivos.

El carbono, el oxígeno y el hidrógeno se obtienen por funciones metabólicas como la fotosíntesis y la respiración celular, y la absorción de agua. El nitrógeno se obtiene metabólicamente por un proceso conocido como "fijación biológica de nitrógeno" (FBN), del cual hablaremos más extensamente en este artículo.

El nitrógeno es muy abundante en nuestra atmósfera; sin embargo, se encuentra en una forma poco aprovechable. El nitrógeno molecular (donde los átomos de nitrógeno se unen de dos en dos) no es fácilmente asimilable por los organismos, porque la unión entre los átomos está formada por un triple enlace muy difícil de romper. La única manera de poder usar el nitrógeno de la atmósfera es llevar a cabo una reacción química donde se rompen estos tres enlaces y se incorporan átomos de hidrógeno para fabricar amoniaco, un compuesto que los organismos sí son capaces de procesar metabólicamente. Sólo un grupo selecto de bacterias es capaz de atrapar y aprovechar el nitrógeno de la atmósfera como nutrimento, es decir, de llevar a cabo este proceso de FBN, y por ello son conocidas como bacterias fijadoras de nitrógeno.

La reacción de la FBN es:
Nitrógeno + Hidrógeno + energía ---> amoniaco

Las bacterias fijadoras de nitrógeno poseen una enzima (una proteína) llamada nitrogenasa, que es la encargada de la ruptura del triple enlace del nitrógeno molecular y de la formación de amoniaco.

Las bacterias fijadoras de nitrógeno pueden realizar la FBN en vida libre o en asociación con otro organismo. Las que lo hacen en vida libre, liberan a su medio compuestos nitrogenados que pueden ser aprovechados por plantas y animales a su alrededor.


Figura 1. Campo de cultivo de caña de azúcar (Cortesía del Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno, UNAM).

Entre las bacterias fijadoras de nitrógeno que se asocian con organismos, encontramos aquellas que simplemente llamamos bacterias asociativas y las bacterias simbióticas. Las bacterias asociativas viven pegadas a las raíces de diversas plantas, dentro de las plantas mismas o en el interior de algunos animales como las termitas, y les proporcionan también compuestos nitrogenados que les permiten sobrevivir. En el interior del tallo de la caña de azúcar, por ejemplo, se encuentra una gran cantidad de bacterias de este tipo (ver figura 1).


Figura 2. Raíz de frijol nofulada por Rhizobium etli. (Cortesía del Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno, UNAM)

Las bacterias simbióticas llevan a cabo un proceso de infección de raíces o tallos de plantas. El resultado de la infección es la formación de pequeños "tumores" benignos, llamados nódulos, donde la bacteria lleva a cabo la FBN. Este tipo de simbiosis es muy común entre bacterias fijadoras de nitrógeno y las raíces de plantas leguminosas.

En la figura 2 podemos ver los nódulos que forma una de estas bacterias en la raíz del frijol. Estas relaciones simbióticas son benéficas para ambos organismos: la bacteria fija nitrógeno y cede gran parte de éste a la planta permitiendo su crecimiento. La planta, por su parte, fija carbono por medio de la fotosíntesis y aporta gran cantidad de compuestos carbonados (principalmente azúcares como la sacarosa) a la bacteria.


Figura 3. Campo de cultivo de frijol inoculado con bacterias fijadoras de nitrógeno. (Cortesía del Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno, UNAM).

En general los sistemas simbióticos son de gran importancia agronómica, ya que permiten el enriquecimiento de los suelos con compuestos nitrogenados sin necesidad de la aplicación de fertilizantes, cuyo costo es muy alto tanto económica como ambientalmente. El gran problema de los fertilizantes químicos es que éstos son lavados por las lluvias y se van a los mantos freáticos, contaminando así el agua. Los sistemas simbióticos fijadores de nitrógeno se han aprovechado desde hace muchos años en el mejoramiento de suelos de cultivos. En México, por ejemplo, desde antes de la llegada de los españoles se cultivaban juntos el maíz y el frijol. Actualmente, se introducen en el campo bacterias mejoradas para aumentar la fijación de nitrógeno y mejorar la producción en los campos de cultivo (ver figura 3).


Figura 4. Plantas inoculadas y no inoculadas con bacterias fijadoras de nitrógeno. (Fuente: Reed College, Biology Department)

Para que los alumnos observen de cerca los beneficios de la FBN, se sugiere al maestro que realice con ellos la siguiente actividad:

Material por alumno:
-8 semillas de frijol
-Dos botes de plástico con tapa para usar como macetas
-Tierra (suficiente para llenar ambos botes)

Material por grupo:
-Medio litro de cloro comercial
-Agua hervida durante diez minutos o desinfectada con cinco gotas de cloro por litro de agua que se deja reposar 30 minutos.


Figura 5. Nódulos de frijol vistos de cerca. (Cortesía del Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno, UNAM).

Procedimiento:
-Esterilizar la mitad de la tierra. Una manera muy sencilla de esterilizarla es hervirla durante 15 minutos en una olla de presión o durante 30 minutos en una olla común.
-Filtrar la tierra con una tela como manta de cielo y dejarla enfriar.
-Hacer pequeños agujeros en la base de los botes para permitir que drene el agua de riego de las macetas.
-Llenar una de las macetas con tierra estéril y la otra con tierra no estéril.
-Hacer cuatro agujeros en cada una de las tapas (suficientemente grandes como para que entren las semillas) y tapar las macetas.
- Esterilizar las semillas: para ello deberán diluir el cloro al 20%, es decir, mezclar un volumen de cloro por cuatro de agua, sumergir las semillas de frijol en esta solución durante 20 minutos y enjuagarlas con agua hervida o desinfectada.
-Sembrar 4 semillas estériles en cada una de las macetas, cuidando que queden cubiertas con tierra.
-Cultivar las plantas durante 15 o 20 días, regándolas con agua hervida o desinfectada.
-Comparar las plantas: aquellas que crecieron en suelo no estéril deberán crecer más que aquellas crecidas en suelo estéril y ser de un color verde más intenso (ver figura 4). Además, aquellas plantas crecidas en suelo no estéril deberán presentar nódulos en sus raíces, debido a la presencia de bacterias fijadoras de nitrógeno en el suelo (ver figura 5).

Importante: si la tierra es muy rica en nitrógeno o es muy ácida, las diferencias no podrán observarse con facilidad, por lo cual se recomienda que las pruebas se realicen con tierra de diferentes zonas, para asegurar el éxito de esta actividad.

La FBN es un factor determinante para que exista la vida en nuestro planeta. Diversos estudios han llevado a la conclusión de que la vida en la Tierra acabaría antes de 10 años si todas las bacterias fijadoras de nitrógeno murieran el día de hoy. El estudio de este fenómeno y su comprensión, nos ayudará sin duda a aprovechar mejor nuestros recursos para vivir en armonía con nuestro planeta.

Adriana Corvera Poiré
Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno, UNAM.
e-mail: acorvera@cifm.unam.mx

haciendo tracbak desde revista red escolar

escribeme a ; enprodelagro@live.com.ar si quieres compartir informacion agricola de importancia enviamela....

1 comentario:

Massagran dijo...

Gracias por el interesante artículo. Y como sugerencia: ¿no podrían cambiar el color del texto para que se pueda leer normalmente?