La fijación de nitrógeno denota un proceso químico en el que el dinitrógeno molecular (N2) se convierte en amoníaco (NH3). Este proceso se manifiesta tanto biológicamente como mediante métodos industriales abióticos. La fijación biológica de nitrógeno, también denominada diazotrofia, está mediada enzimáticamente por nitrogenasas. Estos complejos enzimáticos están codificados por genes Nif (o sus homólogos Nif) e incorporan hierro, frecuentemente junto con un metal secundario, típicamente molibdeno, aunque ocasionalmente vanadio.
La fijación de nitrógeno es un proceso químico mediante el cual el dinitrógeno molecular (N
§89§) se convierte en amoníaco (NH
§1920§). Ocurre tanto biológica como abiológicamente en las industrias químicas. La fijación biológica de nitrógeno o diazotrofia está catalizada por enzimas llamadas nitrogenasas. Estos complejos enzimáticos están codificados por los genes Nif (u homólogos Nif) y contienen hierro, a menudo con un segundo metal (generalmente molibdeno, pero a veces vanadio).
Ciertas bacterias fijadoras de nitrógeno establecen relaciones simbióticas con varias especies de plantas, en particular leguminosas, musgos y helechos acuáticos como la Azolla. Las interacciones menos estrictas y no simbióticas entre diazótrofos y plantas se clasifican con frecuencia como asociativas, ejemplificadas por la fijación de nitrógeno observada en las raíces del arroz. Además, la fijación de nitrógeno se observa en asociaciones entre determinadas termitas y hongos. Naturalmente, este proceso también se produce en la atmósfera mediante la generación de NOx a través de las descargas de rayos.
El nitrógeno fijo es indispensable para sustentar la vida en la Tierra. Las macromoléculas orgánicas cruciales, incluidos el ADN y las proteínas, incorporan nitrógeno. La fijación industrial de nitrógeno constituye la base fundamental para producir todos los productos industriales que contienen nitrógeno, incluidos fertilizantes, productos farmacéuticos, textiles, tintes y explosivos.
Resumen histórico
El fenómeno de la fijación biológica de nitrógeno fue identificado inicialmente por Jean-Baptiste Boussingault en 1838. Posteriormente, en 1880, el mecanismo subyacente fue aclarado por los agrónomos alemanes Hermann Hellriegel y Hermann Wilfarth, con una descripción completa proporcionada por el microbiólogo holandés Martinus Beijerinck.
Extensa investigación sobre la relación entre las plantas y la adquisición de nitrógeno, iniciada por de Saussure, Ville, Lawes, Gilbert y otros investigadores, culminaron con el descubrimiento de la fijación simbiótica por Hellriegel y Wilfarth en 1887.
Las investigaciones realizadas por Boussingault en 1855, y más tarde por Pugh, Gilbert y Lawes en 1887, demostraron que las plantas no absorbían directamente el nitrógeno. La posterior identificación de la función de las bacterias fijadoras de nitrógeno por Hermann Hellriegel y Hermann Wilfarth entre 1886 y 1888 inauguró una nueva época en la ciencia del suelo.
En 1901, Beijerinck demostró la capacidad de Azotobacter chroococcum para fijar nitrógeno atmosférico. Este organismo representó la especie inaugural identificada dentro del género Azotobacter, designación que él mismo estableció. Además, se erige como el primer diazótrofo reconocido, definido como una especie capaz de utilizar el nitrógeno diatómico como componente integral del ciclo completo del nitrógeno.
Mecanismos biológicos
La fijación biológica de nitrógeno (BNF) es el proceso mediante el cual el nitrógeno atmosférico se transforma en amoníaco mediante la acción de una enzima nitrogenasa. La reacción integral del BNF se describe a continuación:
- N2 + 16ATP + 16H§34§O + 8e− + 8H+ → 2NH§1112§ +H§1314§ + 16ADP + 16Pi
Este proceso está intrínsecamente vinculado a la hidrólisis de 16 equivalentes de ATP y al mismo tiempo implica la formación de un equivalente de H
§67§. La transformación de N
§1718§ en amoníaco se produce en un grupo de metales específico denominado FeMoco, que es un acrónimo del cofactor hierro-molibdeno. El mecanismo subyacente implica una secuencia de etapas de protonación y reducción, durante las cuales el sitio activo FeMoco cataliza la hidrogenación del sustrato N
§2829§. En los diazótrofos de vida libre, el amoníaco producido por la nitrogenasa se asimila en glutamato a través de la vía glutamina sintetasa/glutamato sintasa. Los genes microbianos nif, que son indispensables para la fijación de nitrógeno, exhiben una distribución amplia en varios nichos ambientales.
Las nitrógenoasas son muy susceptibles a la rápida degradación por el oxígeno. En consecuencia, numerosas especies bacterianas inhiben la producción de enzimas cuando hay oxígeno presente. Un número significativo de organismos fijadores de nitrógeno prosperan exclusivamente en condiciones anaeróbicas, ya sea respirando para reducir las concentraciones de oxígeno o secuestrando oxígeno con proteínas especializadas como la leghemoglobina.
Importancia del nitrógeno
El robusto triple enlace covalente del nitrógeno atmosférico lo hace metabólicamente inaccesible para la mayoría de los organismos. En consecuencia, la mayoría de los organismos adquieren nitrógeno fijo de diversos reservorios ambientales. Normalmente, por cada 100 átomos de carbono, se asimilan aproximadamente de 2 a 20 átomos de nitrógeno. La proporción atómica promedio de carbono (C), nitrógeno (N) y fósforo (P) en la biomasa planctónica fue caracterizada inicialmente por Alfred Redfield, quien estableció la relación estequiométrica, conocida como proporción de Redfield, como 106:16:1 para los átomos de C:N:P.
El complejo enzimático nitrogenasa
El complejo proteico nitrogenasa cataliza la reducción del gas nitrógeno (N2) a amoníaco (NH3). Dentro de las cianobacterias, este sistema enzimático reside en una célula especializada conocida como heterocisto. La síntesis del complejo de nitrogenasa está bajo control genético y su actividad depende de los niveles de oxígeno ambiental, así como de las concentraciones intracelulares y extracelulares de amoníaco y varias especies de nitrógeno oxidado, incluidos nitrato y nitrito. Además, se cree que las concentraciones acumuladas de amonio y nitrato impiden NFix, particularmente cuando los niveles intracelulares de 2-oxoglutarato (2-OG) superan un umbral crítico. La célula heterocisto especializada es esencial para la función de la nitrogenasa debido a la susceptibilidad de la enzima al oxígeno ambiental.
La nitrógenoasa comprende dos proteínas: una proteína catalítica dependiente de hierro, frecuentemente denominada proteína MoFe, y una proteína reductora que sólo contiene hierro (proteína Fe). Se reconocen tres proteínas distintas dependientes del hierro: dependientes de molibdeno, dependientes de vanadio y sólo de hierro, y las tres variantes de la proteína nitrogenasa incorporan un componente proteico de hierro. La nitrógenoasa dependiente de molibdeno es la forma más frecuente. El componente proteico de hierro específico permite la diferenciación de los tipos de nitrogenasa. La nitrógenoasa exhibe una alta conservación. La secuenciación del ADN de la expresión genética puede determinar qué complejo proteico está presente y potencialmente activo dentro de un microorganismo. Normalmente, el gen nifH sirve para identificar la nitrogenasa dependiente de molibdeno, seguido de las nitrógenoasa reductasas estrechamente relacionadas (componente II) vnfH y anfH, que corresponden a la nitrogenasa dependiente de vanadio y solo hierro, respectivamente. Para las investigaciones sobre la ecología y la evolución de las bacterias fijadoras de nitrógeno, el gen nifH es el biomarcador más utilizado. El gen nifH posee dos genes homólogos, anfH y vnfH, que también codifican el componente nitrogenasa reductasa del complejo de nitrogenasa.
Evolución de la Nitrogenasa
Se supone que la nitrógenoasa evolucionó hace aproximadamente entre 1.500 y 2.200 millones de años (Ga), aunque la evidencia isotópica sugiere que su aparición podría remontarse a 3,2 Ga. La enzima parece haberse originado a partir de proteínas similares a las madurasas, aunque la función precisa de estas proteínas precursoras sigue siendo indeterminada.
La nitrógenoasa existe en tres formas distintas (Nif, Anf y Vnf), cada una de las cuales corresponde a la metal específico presente en el sitio activo de la proteína: molibdeno, hierro y vanadio, respectivamente. Se postula que las diferentes abundancias de metales marinos a lo largo de la historia geológica de la Tierra influyeron en la prevalencia relativa de cada forma de nitrogenasa. Actualmente, no existe un consenso definitivo sobre qué forma de nitrogenasa surgió primero.
Microorganismos
Los diazotrofos están ampliamente distribuidos en el dominio Bacteria, que incluye cianobacterias (p. ej., las altamente significativas Trichodesmium y Cyanothece), bacterias verdes del azufre, bacterias púrpuras del azufre, Azotobacteraceae, rizobios y Frankia. Numerosas bacterias anaerobias obligadas, incluidas muchas (aunque no todas) las especies de Clostridium, son capaces de producir nitrógeno. fijación. Ciertas arqueas, como Methanosarcina acetivorans, también fijan nitrógeno, y varios otros taxones metanogénicos desempeñan funciones importantes en la fijación de nitrógeno en suelos con deficiencia de oxígeno.
Las cianobacterias, comúnmente conocidas como algas verdiazules, están omnipresentes en casi todos los ambientes terrestres y acuáticos iluminados y desempeñan funciones cruciales en los ciclos globales del carbono y el nitrógeno. Estos organismos suelen utilizar diversos compuestos nitrogenados orgánicos e inorgánicos, incluidos nitrato, nitrito, amonio, urea y ciertos aminoácidos. Además, numerosas cepas de cianobacterias exhiben un crecimiento diazotrófico, una capacidad potencialmente heredada de su último ancestro común en el eón Arcaico. La fijación de nitrógeno no se limita a los suelos terrestres, sino que también prevalece en los ecosistemas acuáticos marinos y de agua dulce, con cantidades de fijación de nitrógeno oceánico comparables o superiores a las tasas terrestres. Se estima que la cianobacteria marina colonial Trichodesmium contribuye con casi la mitad de la fijación total de nitrógeno marino en todo el mundo. Los líquenes de la superficie marina y las bacterias no fotosintéticas de los filos Proteobacteria y Planctomycetes también realizan una importante fijación de nitrógeno atmosférico. Las cianobacterias fijadoras de nitrógeno de agua dulce incluyen especies como Aphanizomenon y Dolichospermum (anteriormente Anabaena). Estas especies poseen células especializadas, conocidas como heterocitos, donde la enzima nitrogenasa facilita la fijación de nitrógeno.
Algas
Se ha identificado en las algas un nuevo orgánulo, denominado nitroplasto, capaz de convertir el gas nitrógeno atmosférico en una forma biodisponible. Este orgánulo se originó a partir de endosimbiontes cianobacterianos denominados UCYN-A2 y se observó específicamente en el alga marina *Braarudosphaera bigelowii*.
Las diatomeas de la familia Rhopalodiaceae albergan endosimbiontes de cianobacterias, denominados cuerpos esferoides o diazoplastos. Si bien estos endosimbiontes han sufrido la pérdida de capacidades fotosintéticas, conservan la capacidad crucial de fijación de nitrógeno, lo que permite a sus diatomeas huéspedes fijar nitrógeno atmosférico. Otros géneros de diatomeas, incluidos Hemiaulus, Rhizosolenia y Chaetoceros, también mantienen relaciones simbióticas con cianobacterias fijadoras de nitrógeno.
Simbiosis de nódulos radiculares
Familia de las leguminosas
La fijación de nitrógeno la contribuyen significativamente las plantas de la familia de las leguminosas (Fabaceae), que abarca taxones como el kudzu, el trébol, la soja, la alfalfa, el altramuz, el maní y el rooibos. Estas plantas albergan bacterias rizobias simbióticas dentro de nódulos de raíces especializados, que sintetizan compuestos de nitrógeno esenciales para el crecimiento de las plantas y la competencia interespecífica. Tras la senescencia de las plantas, el nitrógeno fijado se libera en el suelo, mejorando su fertilidad y disponibilidad para otra flora. Si bien la gran mayoría de las leguminosas exhiben esta asociación simbiótica, ciertos géneros, como Styphnolobium, son excepciones. Los métodos agrícolas tradicionales incorporan con frecuencia ciclos de rotación de cultivos que a menudo incluyen cultivos compuestos predominante o enteramente de trébol.
La eficiencia de la fijación de nitrógeno en el suelo depende de múltiples variables, incluidas las especies de leguminosas específicas y las condiciones atmosféricas y edáficas predominantes. Por ejemplo, las tasas de fijación de nitrógeno del trébol rojo pueden variar sustancialmente, oscilando entre 50 y 200 lb/acre (56 a 224 kg/ha).
No leguminosas
La fijación de nitrógeno dentro de los nódulos de las raíces también ocurre en plantas actinorízicas, como el aliso y el arándano, facilitada por la bacteria simbiótica Frankia. Estas plantas se distribuyen en 25 géneros dentro de los órdenes Cucurbitales, Fagales y Rosales, que, junto con los Fabales, constituyen un clado fijador de nitrógeno distinto entre los eurosidos. Sin embargo, esta capacidad de fijación de nitrógeno no es omnipresente en todos los géneros dentro de estas familias; por ejemplo, sólo cuatro de 122 géneros de Rosaceae exhiben fijación de nitrógeno. Dado que los Fabales representan el linaje divergente más antiguo dentro de este clado, la capacidad de fijación de nitrógeno podría considerarse plesiomorfa, perdida posteriormente en la mayoría de los descendientes de la planta ancestral fijadora de nitrógeno. Alternativamente, los prerrequisitos genéticos y fisiológicos fundamentales pueden haber existido de forma incipiente en los ancestros comunes más recientes de estas plantas, evolucionando hacia una funcionalidad completa sólo en linajes específicos.
Además, el género tropical Trema (también conocido como Parasponia), perteneciente a la familia Cannabaceae, exhibe una capacidad atípica para participar en interacciones simbióticas con rizobios, lo que lleva a la formación de fijadores de nitrógeno. nódulos.
Otros simbiontes de plantas
Varias otras especies de plantas establecen relaciones simbióticas con cianobiontes (por ejemplo, cianobacterias como Nostoc), que realizan la fijación de nitrógeno en su nombre:
- Ciertos líquenes, incluidos Lobaria y Peltigera
- Helecho mosquito (especie Azolla)
- Cícadas
- Gunnera
- Blasia (una hepática)
- Hornworts
Las relaciones simbióticas notables que involucran plantas de importancia agrícola incluyen:
- Caña de azúcar, en asociación con endófitos no identificados
- Mijo cola de zorra y Azospirillum brasilense.
- Pasto Kallar y Azoarcus sp. cepa BH72.
- Arroz y Herbaspirillum seropedicae.
- Trigo y Klebsiella pneumoniae.
- La variedad local de maíz 'Sierra Mixe' u 'olotón' y varios Bacteroidota y Pseudomonadota.
Procesos industriales.
Contexto histórico.
Henry Cavendish documentó por primera vez un método de fijación de nitrógeno en 1784, empleando arcos eléctricos para hacer reaccionar el nitrógeno atmosférico y el oxígeno. Esta técnica fue adoptada posteriormente en el proceso Birkeland-Eyde de 1903. Un fenómeno natural, la fijación de nitrógeno por los rayos, opera mediante un mecanismo muy análogo.
En 1828, M. Desfosses, un farmacéutico de Besançon, observó inicialmente la posibilidad de que el nitrógeno atmosférico reaccionara con sustancias químicas específicas. Observó que las altas temperaturas inducían reacciones entre el nitrógeno y mezclas de óxidos de metales alcalinos y carbono. Utilizando carbonato de bario como precursor, Margueritte y Sourdeval desarrollaron el primer proceso comercial en la década de 1860, en el que el cianuro de bario resultante reaccionaba con vapor para producir amoníaco. Posteriormente, en 1898, Frank y Caro idearon el proceso Frank-Caro, que fijaba el nitrógeno en forma de cianamida cálcica. Este proceso finalmente fue reemplazado por el proceso de Haber, descubierto en 1909.
El Proceso Haber.
El proceso Haber, también identificado como proceso Haber-Bosch desde sus inicios en 1909, representa la metodología industrial predominante para la síntesis de amoníaco. Actualmente, la fabricación de fertilizantes constituye la principal fuente antropogénica de nitrógeno fijado dentro del ecosistema terrestre. El amoníaco sirve como precursor esencial de fertilizantes, explosivos y otros productos básicos. El proceso Haber requiere presiones elevadas (aproximadamente 200 atm) y altas temperaturas (un mínimo de 400 °C), condiciones empleadas habitualmente en la catálisis industrial. Este proceso utiliza gas natural como fuente de hidrógeno y aire atmosférico como fuente de nitrógeno. La adopción generalizada de la producción de amoníaco ha llevado a una intensificación global del uso de fertilizantes nitrogenados, que es ampliamente reconocido por facilitar la expansión de la población humana de aproximadamente 2 mil millones a principios del siglo XX a aproximadamente 8 mil millones de personas en la actualidad.
Catálisis homogénea.
Una amplia investigación se ha centrado en identificar catalizadores para la fijación de nitrógeno, con frecuencia con el objetivo de reducir la demanda de energía. Sin embargo, estas investigaciones aún tienen que alcanzar la eficiencia y simplicidad operativa características del proceso Haber. Numerosos compuestos interactúan con el nitrógeno atmosférico para formar complejos de dinitrógeno. El complejo de dinitrógeno inicial documentado fue Ru(NH
§67§)
§15
16§(N
§2627§)2+. De hecho, ciertos complejos solubles son capaces de catalizar la fijación de nitrógeno.
Fijación de nitrógeno inducida por rayos.
Los rayos facilitan la fijación de nitrógeno al transformar el gas nitrógeno atmosférico (N
§67§) y el gas oxígeno (O
§1718§) en óxidos de nitrógeno (NOx). La molécula N
§3435§ exhibe una alta estabilidad e inercia debido al triple enlace que conecta sus átomos de nitrógeno. Los rayos generan suficiente energía y calor para romper este enlace, lo que permite que los átomos de nitrógeno reaccionen con el oxígeno, formando así NOx. Si bien estos compuestos no son directamente asimilables por las plantas, su enfriamiento posterior provoca una reacción con el oxígeno, produciendo dióxido de nitrógeno (NO
§5152§). Luego, el dióxido de nitrógeno reacciona con el agua para producir ácido nitroso (HNO
§6263§) o ácido nítrico (HNO
§7374§). Al impregnar el suelo, estos ácidos generan nitrato (NO§7879§−), una forma fácilmente utilizada por las plantas.
- Proceso Birkeland-Eyde: un proceso de producción de fertilizantes industriales
- Desnitrificación: un proceso orgánico de liberación de nitrógeno
- Heterocisto
- Nitrificación: producción biológica de nitrógeno
- Deficiencia de nitrógeno
- Nitrogenasa: enzimas utilizadas por los organismos para fijar nitrógeno
- Electrificación de procesos catalíticos: reducción electroquímica de N2
Referencias
Hirsch AM (2009). "Una breve historia del descubrimiento de los organismos fijadores de nitrógeno" (PDF). Universidad de California, Los Ángeles. Este documento fue archivado desde su original (PDF) el 9 de julio de 2010 y se accedió a él el 14 de abril de 2012.
- Hirsch AM (2009). "Una breve historia del descubrimiento de los organismos fijadores de nitrógeno" (PDF). Universidad de California, Los Ángeles. Archivado desde el (PDF) original el 9 de julio de 2010. Consultado el 14 de abril de 2012."Colección Travis P. Hignett de fotografías del laboratorio de investigación de nitrógeno fijo // Colecciones digitales del Science History Institute". Consultado el 16 de agosto de 2019. Las colecciones digitales del Science History Institute presentan fotografías que ilustran varias etapas del proceso de fijación de nitrógeno y los diversos equipos y aparatos empleados en la producción de nitrógeno atmosférico, como generadores, compresores, filtros, termostatos y sistemas de vacío y altos hornos.
- "Colección Travis P. Hignett de fotografías del laboratorio de investigación de nitrógeno fijo // Colecciones digitales del Instituto de Historia de la Ciencia". digital.sciencehistory.org. Consultado el 16 de agosto de 2019.
- Una instantánea oceánica global de fijadores de nitrógeno mediante la comparación de secuencias con células en el océano Tara