FIJACION ASIMBIOTICA DEL
NITROGENO
ADALBERTO JAVIER GONZALEZ VARAS
El nitrógeno molecular o dinitrógeno, componente mayoritario de la
atmósfera, es inerte y no aprovechable directamente por la mayoría de
los seres vivos.
La fijación biológica del nitrógeno atmosférico, consistente en la
reducción de N2 a NH4+ realizado mediante la actividad catalítica de la
enzima Nitrogenasa, es, después de la fotosíntesis, la ruta metabólica
más importante para el mantenimiento de la vida en la Biosfera.
Curiosamente, este proceso crucial sólo puede ser llevado a cabo por
unos pocos grupos de seres vivos, todos ellos procariotes.
La atmósfera es el principal reservorio de nitrógeno, donde constituye hasta un 78 % de
los gases.
Sin embargo, como la mayoría de los seres vivos no pueden utilizar el nitrógeno
atmosférico para elaborar aminoácidos y otros compuestos nitrogenados, dependen del
nitrógeno presente en los minerales del suelo.
Por lo tanto, a pesar de la gran cantidad de nitrógeno en la atmósfera, la escasez de
nitrógeno en el suelo constituye un factor limitante para el crecimiento de los vegetales.
FIJACION DEL NITROGENO
Fijación Biológica. El término fijación del Nitrógeno se usa normalmente para definir la fijación de Nitrógeno
por bacterias, libres o en asociación simbiótica. Este tipo de fijación de Nitrógeno desde el
estado gaseoso a la forma orgánica se lleva a cabo biológicamente por microorganismos
especializados: cianobacterias (algas verdes-azules) y bacterias (por ejemplo, rhizobium y
frankia) que convierten el N2 en otras formas químicas (amonio y nitratos) asimilables por
las plantas.
FIJACION DEL NITROGENO
Fijación Físico-química.Existen otros mecanismos de fijación de Nitrógeno en que no participan los
microorganismos, sino que es realizada por reacciones de tipo electroquímico (tormentas
eléctricas) y fotoquímico (reacciones entre el ozono y el N2 atmosférico).
Fijación Antropogénica.Pero lo que es más importante aún, el término fijación también incluye la realizada por
actividades humanas (producción de energía, producción de fertilizantes y cultivos) que
produce Nitrógeno reactivo (NOX, NHY y N orgánico).
Microorganismos fijadores de NitrogenoLos microorganismos fijadores de nitrógeno no constituyen un grupo taxonómico
homogéneo, la única característica que comparten es la presencia de la enzima
Nitrogenasa.
Dichas bacterias comprenden organismos fotótrofos, como bacterias pertenecientes a la
familia Rhodospirillaceae, Clorobiaceae y Cianobacteriae; organismos quimio autótrofos,
como bacterias de los géneros Thiobacillus, Xanthobacter y Desulfovibrio y organismos
heterótrofos como las bacterias pertenecientes a la familia Frankiaceae, al grupo
Rhizobiaceae y a los géneros Azotobacter, Enterobacter, Klebsiella y Clostridium.
Estos organismos pueden realizar la fijación biológica de nitrógeno ya sea
independientemente (a excepción de las rizobiáceas) o estableciendo relaciones
simbióticas con otros organismos.
Para poder disminuir la dependencia a fertilizantes nitrogenados que está adquiriendo
la agricultura mundial se han propuesto varias alternativas que abarcan desde la
modificación genética de las plantas a la optimización y mejora de la fijación biológica de
nitrógeno.
Microorganismos fijadores de Nitrogeno
Fijación Biológica deN2
La realizan algunas bacterias libres o asociadas en simbiosis a vegetales y ciertas
arqueobacterias.
Es un proceso que globalmente tiene una variación relativamente baja de energía libre (-8
kcal/mol) pero la particular rotura del triple enlace que une a los dos átomos de Nitrógeno
exige a la Nitrogenasa reductasa recibir un potencial reductor de apoyo (-1.200 mv) que
parece sorprendentemente alto, equivalente a una variación de energía libre de +50 kcal/mol.
Este potencial es el mas alto de los conocidos entre los procesos de óxido reducción
biológica.
A pesar de los problemas que plantea, el sistema es tan eficaz que se ha constituido en la
principal fuente natural de entrada de N en la biosfera.
FIJACION DEL NITROGENOLa fijación de N2 es un proceso redox estrictamente anaerobio. Lo cataliza un complejo
ferro-enzimático denominado Nitrogenasa, tan importante que la naturaleza nos muestra
tres tipos:
Tipo I. Es el sistema más eficiente y el más frecuente. Se conforma en medios
donde hay suficiente molibdeno
Tipo II. Propio de bacterias que como el Azotobacter, crecen en medios donde no
hay Molibeno y el Vanadio le sustituye.
Tipo III. Se conforma en medios donde existe una carencia simultánea de
Molibdeno y Vanadio. El Azotobacter también puede expresar este complejo. Es el
sistema menos eficiente de los tres.
NITROGENASA•La fijación en general supone la incorporación a la biosfera de una importante cantidad de
nitrógeno, que a nivel global puede alcanzar unos 250 millones de toneladas por año, de las
que 150 corresponden a la fijación biológica.
•La fijación biológica es un proceso altamente consumidor de energía que ocurre con la
mediación de la enzima Nitrogenasa según la siguiente ecuación:
N2 + 16ATP + 8e- + 8H+ ―> 2NH3 + 2H2 + 16ADP + 16Pi
•La Nitrogenasa está bastante bien conservada en todos los microorganismos fijadores, y
está constituida por dos metaloproteínas: ferroproteína y molibdoferroproteína,.
BACTERIAS ESPECIES
Anaerobias estrictasClostridiumDesulfovibrioDesulfotomaculum
Anaerobios facultativos
KlebsiellaBacillusEnterobacter
Aerobios
AzotobacterAzomonasAzospirillumBeijerinckiaDerxia
Arqueobacterias MethanozarcinasMethanococcus
Cianobacterias Oscilatoria, Nostoc, Anabaena, Cylindrospermum
Fotosinteticas Rhodospirillum, Chromatium
Fijadores de Nitrógeno de Vida libre
FAMILIA AZOTOBACTERIACEAE
• Son proteobacterias, aerobias y fijadoras de nitrógeno de vida libre.
• Presentan NITROGENASA y evitan el contacto con el oxígeno. Si fijan nitrógeno
aeróbicamente parece ser que la nitrogenasa se asocia con proteínas o bien
mantiene una alta tasa respiratoria.
GENERO AZOTOBACTER
• Fija nitrógeno aeróbicamente
• Tamaño de 2-4 micras, forma oval o bacilar.
• Colonias de aspecto mucoso(cápsula polisacárida).
• Alta tasa de respiración.
• Forma quistes, aunque su tasa metabólica no se reduce
a cero.
• A. chrococcum, tiene una nitrogenasa con cofactor
vanadio-hierro, en vez de molibdeno-hierro.
Colonia de azotobacter aislada y cultivada en placa de agar
Tamaño: 1-5 milímetros de diámetroForma: circularPigmentación: color amarillento cremoso y tonalidad blancos, tardiamente marron y oscurosElevación :pulvinate, levantadoBorde: lisoSuperficie: liso
Fijación en medio de cultivo
Microorganismo Condiciones Tiempo de incubación (Días)
Nitrogeno fijado (ugN/ml)
A. vinelandii Aeróbica 3 1050
A. chrococcum Aeróbica 5 10000
Cylindrospermum Aeróbico/luz 55 52
Klebsiella Anaeróbica 2 60
Clostridium Anaeróbica 10 136
Chlorobium Anaeróbica/luz 5 20
Rhodospirimum Anaeróbica/luz 10 76
EFECTO DE LA CONCENTRACION DE GLUCOSA Y TEMPERATURA DE SUELO EN
LA FIJACION DE NITROGENO (14 DIAS)
Adición de Glucosa %
N2 fijado (mg/kg de suelo)
15º C 25 º C 35 º C
0.00 2.0 0.9 1.3
0.04 3.7 0.7 1.3
0.20 4.4 1.7 1.6
1.00 34.3 33.5 12.4
Rizobio + alfalfa = 300 kg de N /ha/añoAzotobacter = 0,5 y 2,5 kg N/ha/año
15 N puede analizarse por espectrometría de masas y es costoso.
Formación microbiológica del etileno (2HC=CH2) a partir de la reducción del acetileno.
Nitrógeno N = N
La enzima nitrogenasa no es específica reduce el acetileno a etileno, así
como el cianuro y la azida.
Prueba estándar: Acetileno (HC = CH) con 14 C en lugar de 15 N
Es sensible, utiliza sustrato barato (acetileno) y el etileno producido es
medido con un cromatógrafo de gases.
Prueba de la reducción del acetileno
En ambientes acuáticos:
Cianobacterias como:
Anabaena, Nostoc
Gloeotrichia, Cylindrospermum
Calothrix y otros
Tienen heterocistes.
Factores que afectan la fijación del n 2
Sales de amonio: concentraciones moderadas o altas inhiben la fijación del N.
Disponibilidad de fuentes de energía, factor importante , limita la tasa y extensión de la asimilación. Cantidad de N ganado relacionada con C agregado y la T°.
Adición de azúcares simples, celulosa, paja o residuos vegetales con proporciones de C:N altas, aumenta la transformación.
pH.Azotobacter sensible a la acidez mayor a 6.Beijerinckia pH 3- 9Clostridium , intermedio
T° baja, poca actividad. alta, captación microbiana.Temperaturas moderadas.
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