Uno de los temas más candentes en la agricultura actual es el uso del nitrógeno en los cultivos y su disminución utilizando bacterias que interactúan con el medio en la rizosfera. El nitrógeno es uno de los 3 nutrientes clave, junto con el potasio y el fósforo, para el desarrollo de los cultivos, responsable del proceso de fotosíntesis y del contenido de clorofila. Las proteínas y los nucleótidos son dos clases de moléculas esenciales en cualquier ser vivo y ambas requieren nitrógeno. Las proteínas están formadas por aminoácidos, los cuales en su estructura básica tienen un átomo de nitrógeno, y los nucleótidos tienen también al menos un átomo de nitrógeno en su estructura molecular. Así pues, la mayor parte del nitrógeno que forma los seres vivos se encuentra en las proteínas y los nucleótidos.
La fijación biológica del nitrógeno es un concepto que hace referencia al uso de plantas y bacterias para mantener unos niveles óptimos de este elemento en el suelo. Esta fijación biológica del nitrógeno es importante en la agricultura porque, aunque el aire atmosférico seco tiene un 78% de nitrógeno, las plantas no pueden consumirlo cuando deseen. La fertilización no es la única solución para atajar este problema: la fijación biológica del nitrógeno es una opción más económica, ecológica e incluso rentable.
¿Qué Es La Fijación Biológica Del Nitrógeno?
La fijación del nitrógeno es un proceso que implica la transformación del N2 atmosférico relativamente no reactivo en sus compuestos más reactivos (nitratos, nitritos o amoníaco). Estas formas reactivas son adecuadas para los cultivos y favorecen su crecimiento. Por el contrario, la carencia de nitrógeno impide el crecimiento de los cultivos y su desarrollo saludable. Alrededor del 90% de la fijación natural en nuestro planeta es biótica y se produce gracias a los microorganismos del suelo.
Químicamente, la fijación del nitrógeno consiste en dividir el triple enlace del N2 y reducirlo a amoníaco (NH3) o amonio (NH4+). El proceso se denomina a veces fijación del dinitrógeno, teniendo en cuenta los dos átomos de la fórmula del N2. Los inductores naturales abióticos de la fijación de nitrógeno son los rayos y los rayos UV. Alternativamente, puede fijarse con equipos eléctricos o de forma industrial.
El Ciclo del Nitrógeno y el Rol de las Bacterias
En el Ciclo del Nitrógeno se describe cómo este es asimilado y devuelto a la atmósfera por los seres vivos. Las bacterias fijadoras de nitrógeno ocupan un nicho ecológico indispensable ya que suplen de nitrógeno fijado al ciclo global del nitrógeno. En el primer paso son muy importantes unas bacterias que convierten el N2 en amoniaco (NH3 o NH4+), el cual suele ser transformado por muchas bacterias en nitrito (NO2-) y finalmente nitrato (NO3-). Dentro de este grupo de bacterias encontramos diferentes tipos: se considera bacterias nitrificantes a todas aquellas que convierten el amoníaco en amonio, o el nitrito en nitrato como parte del ciclo del nitrógeno. Las bacterias nitrosomonas son convertidoras primarias de amonio en nitrito, tóxico para las plantas.
Lea también: IVA 21% Excel
En el proceso químico conocido como nitrificación hay muchos aspectos importantes que determinan la eficiencia del proceso de simbiosis como la aireación, la humedad, temperatura, la salinidad, algunas sustancias químicas, la materia orgánica y el pH. Y en la fase final del Ciclo del Nitrógeno son importantes aquellas bacterias que convierten el nitrato en N2. Se trata de bacterias anaerobias que usan el NO3- en vez del O2 (como hacen los organismos aeróbicos) para obtener energía en forma de ATP. Aunque el nitrógeno es importante para las plantas, su fijación biológica en exceso es perjudicial. Por esta razón, es necesaria una rotación de cultivos con fijadores y no fijadores para lograr un equilibrio óptimo.
Plantas que Ayudan en la Fijación Biológica del Nitrógeno
Esto no es algo nuevo, y está muy ligado a la rotación de cultivos que hacían nuestros padres y abuelos, "trigo tras trigo no trigo", donde se intercalan cultivos de leguminosas (por ejemplo). Un cultivo de fijación biológica es una forma natural de proporcionarlo a las plantas sin ningún daño industrial a la naturaleza. Su uso en la rotación de cultivos permite la fijación biológica de nitrógeno para numerosas plantas. Otra práctica exitosa es utilizar estas especies como cultivos intercalados.
La veza común pertenece a la familia de las plantas leguminosas, y como todas las especies de esta familia, posee la extraordinaria facultad de fijar, con la ayuda bacterias fijadoras (Rhizobium), el nitrógeno de la atmósfera. Este nitrógeno primeramente es captado y fijado por las bacterias contenidas en las blanquecinas nudosidades de las raíces y luego transmitido a la planta. Muchas de las nudosidades se desprenden de las raíces, se descomponen y con su contenido enriquecen el suelo.
Ventajas De La Fijación Biológica De Nitrógeno Con Cultivos De Cobertura
Es bien sabido que la fijación biológica de nitrógeno es mayor en las leguminosas que en cualquier otro tipo de planta y pueden cultivarse como cultivos comerciales o de cobertura. Los cultivos de cobertura que realizan una fijación de nitrógeno en el suelo aportan múltiples beneficios a los agricultores:
- Participan en la fijación biológica.
- Protegen el suelo de la erosión cubriéndolo o compactándolo con fuertes sistemas radiculares.
- Mejoran la fertilidad del suelo cuando se utilizan como abono verde.
- Retienen la humedad del suelo.
- Ayudan en la gestión de maleza.
- Sirven como material de forraje y pastoreo para las aves de corral y el ganado.
- Atraen a los polinizadores en la época de floración del cultivo.
Mejores Cultivos De Cobertura Para La Fijación Biológica
Los tréboles, vezas y guisantes son plantas fijadoras utilizadas por los agricultores de todo el mundo, y en las grandes llanuras del sur de EE.UU. en particular. El cultivo de trébol para la fijación de nitrógeno se utiliza en primavera o en otoño. Los tréboles pueden sobrevivir a los inviernos suaves, pero difícilmente lo harán en los severos. Las vezas son resistentes al invierno y, por tanto, son adecuadas para las estaciones más frías. La veza peluda es el tipo más fuerte y constituye un buen cultivo de cobertura invernal para la fijación biológica de nitrógeno. Se planta a principios de otoño para que las raíces se establezcan antes de las primeras heladas. Los guisantes o judías pueden utilizarse como cultivo de cobertura de verano de fijación biológica de nitrógeno o cosecharse como alimento. En cualquier caso, enriquecen el suelo con nitrógeno apto para otras plantas. Los guisantes del sur prefieren las estaciones cálidas y se siembran cuando la temperatura del suelo alcanza los 60ºF.
Lea también: Guía IVA reducido
La lista de cultivos para la fijación biológica del nitrógeno en agricultura es bastante versátil e incluye, entre otras:
- Legumbres: fabas, alfalfa, judías verdes, ayacote, judías dulces, cacahuetes, soja, alubia carilla, altramuz, lenteja, garbanzo, guisante.
- Vezas: peluda, americana, arveja de madera, arveja silvestre.
- Tréboles: blanco, rojo, carmesí, Silver River.
Valor Y Cantidades De Fijación De Nitrógeno En Los Cultivos De Leguminosas
El valor de estos cultivos fijadores se calcula en base a la correlación del nitrógeno fijado por las leguminosas y los costes de los fertilizantes químicos. En algunos ensayos realizados se ha llegado a demostrar que un buen cultivo de veza puede llegar a acumular en la tierra hasta 80 kg de nitrógeno por Hectárea, lo que equivale a una aportación de alrededor de 400 kg de abonos minerales en forma de sulfato amónico o de 500 Kg en forma de nitratos de baja graduación. Esto se hace aún más evidente con las estimaciones del Banco Mundial sobre el crecimiento de los precios de los fertilizantes en 2021.
La cantidad de fijación de nitrógeno en las plantas es diferente. Depende de múltiples factores:
- Edad de la planta: Las plantas más viejas (perennes frente a los cultivos de cobertura anuales de fijación biológica) son más eficientes.
- Duración de la temporada: Cuanto más larga sea, mayores serán las tasas de fijación de nitrógeno.
- Finalidad: Cosecha, pastoreo, incorporación como abono verde; el corte o el pastoreo reducen las propiedades de fijación biológica de nitrógeno mientras que las leguminosas de grano son más productivas.
- Condiciones generales de crecimiento: La competencia con otros cultivos, las condiciones meteorológicas desfavorables, los suelos pobres, el manejo inadecuado de la maleza y el control de las plagas, etc. disminuyen el potencial de fijación biológica.
- Nitrógeno residual en el suelo: La cantidad actual de nitrógeno en el suelo procedente de los cultivos o la fertilización anteriores afecta a la fijación.
- Especies vegetales: La alfalfa y el trébol son los mejores cultivos de cobertura de fijación biológica de nitrógeno en términos de capacidad.
La siguiente tabla muestra el potencial de fijación de nitrógeno de algunas leguminosas, de mayor a menor.
| Especie de leguminosa | Cantidad de nitrógeno fijado, kg N ha−1 year−1 |
|---|---|
| Alfalfa | 465 |
| Trébol rojo | 252 |
| Guisante | 225 |
| Soja verde | 200 |
| Haba | 165 |
| Guisante forrajero | 111 |
| Trébol blanco | 102 |
| Cacahuete | 100 |
| Lenteja | 52 |
| Judía común | 50 |
Fijación Biológica Del Nitrógeno Mediante Bacterias
Además de plantas, la fijación de nitrógeno puede producirse gracias a algunas bacterias. Algunos ejemplos de fijación de nitrógeno suceden por Rhizobium (antes Agrobacterium), Frankia, Azospirillum, Azoarcus, Herbaspirillum, Cyanobacteria, Rhodobacter, Klebsiella, etc. Las bacterias fijadoras sintetizan la enzima nitrogenasa responsable de la fijación biológica.
Lea también: ¿Cómo localizar tus XML del SAT?
¿Cómo Ocurre La Fijación Biológica De Nitrógeno?
La fijación de nitrógeno por acción de las bacterias sucede cuando convierten el nitrógeno gaseoso del aire en compuestos inorgánicos. Aunque el papel de las leguminosas es innegable, la tarea es demasiado difícil para ellas solas. De hecho, lo normal es que se produzca una fijación simbiótica de nitrógeno entre leguminosas y bacterias. Es habitual que los Rhizobium colonicen las raíces de las legumbres. Sin embargo, no es la única fijación simbiótica de nitrógeno en leguminosas: la fijación biológica de nitrógeno también transcurre con otros organismos asociados y libres.
¿Por Qué Son Importantes Para Las Plantas?
La función de estas bacterias es suministrar a las plantas el nutriente vital que no pueden obtener del aire por sí mismas. Los microorganismos hacen lo que los cultivos no pueden: conseguir nitrógeno asimilable para ellos. Las bacterias lo toman del aire en forma de gas y lo liberan al suelo, principalmente en forma de amoníaco. Es la única opción adecuada para las plantas porque éstas sólo pueden consumir el del suelo y únicamente en forma de compuestos inorgánicos nitrogenados, lo que explica la importancia de la fijación biológica del nitrógeno que realizan.
¿Cómo Ayudan Las Bacterias Al Crecimiento De Los Cultivos?
Las bacterias proporcionan a los cultivos el nitrógeno listo para ser utilizado y que necesitan como parte de las moléculas de clorofila. La clorofila es fundamental para la fotosíntesis, para transformar la energía de la luz solar en energía química. En pocas palabras, las plantas la necesitan para obtener alimento. Además, necesitan nitrógeno como parte de los aminoácidos para construir las proteínas que participan en el metabolismo y el almacenamiento de energía. La falta de fijación biológica de nitrógeno conduce a deficiencia alimentaria, que se traduce en amarillamiento, adelgazamiento, marchitamiento, retraso general del crecimiento y deterioro. Se ha comprobado que utilizando estos microorganismos y con nitrógeno químico entre un porcentaje del 20-50% (dependiendo del cultivo) del utilizado normalmente se consigue un aumento de producción sobre las cosechas obtenidas únicamente con fertilizante químico al 100%. Esto es debido a que, al liberarse la bacteria de su función fijadora de nitrógeno, produce más factores de crecimiento vegetal. Dependiendo de los microorganismos dentro del biofertilizante se genera una barrera protectora contra hongos y patógenos en la raíz, por lo que esta crece más sana y fortalecida.
¿Cómo Afecta La Acción De Las Bacterias A La Fertilidad Del Suelo?
Las bacterias saturan el suelo con compuestos inorgánicos que contienen nitrógeno, nutrientes necesarios para los cultivos. Cuando estas bacterias mueren, el nitrógeno acumulado en su biomasa se libera en el suelo. De este modo, potencian la fertilidad del suelo de forma natural, permitiendo a los agricultores ahorrar en fertilizantes sintéticos.
¿Cuál Es La Aportación De Las Bacterias Con La Fijación De Nitrógeno Al Ciclo De Los Ecosistemas?
Las bacterias participan en la circulación del nitrógeno a través de los ecosistemas, captándolo del aire y ajustándolo a las necesidades de las plantas (fijación del nitrógeno). Después, los cultivos lo utilizan para su crecimiento (asimilación). Después, cuando las plantas y las bacterias mueren, los descomponedores dividen sus compuestos nitrogenados y liberan amoníaco o amonio (amonificación). Las bacterias nitrificantes convierten el amoníaco en nitratos (nitrificación) que son consumidos por las plantas o por las bacterias desnitrificantes. Estas últimas convierten los nitratos en nitrógeno atmosférico libre que vuelve al aire (desnitrificación).
Tipos De Bacterias De Fijación Del Nitrógeno En Función De Su Interacción Con Las Plantas
Existen varios tipos de bacterias fijadoras según el modo en que coexistan con los cultivos (básicamente, si habitan o no dentro de la planta: endófitos frente a exófitos). Hay bacterias de fijación biológica simbióticas, asociativas y libres. Sin embargo, puede haber bacterias con más de un tipo. Por lo tanto, las rizobacterias pueden residir sobre/dentro de las plantas o en la rizosfera.
La siguiente tabla presenta los tipos de bacterias de fijación biológica de nitrógeno y sus principales características.
| Característica | Bacteria simbiótica de los nódulos radiculares | Bacteria asociativa fijadora | Bacteria fijadora libre |
|---|---|---|---|
| Fuente de energía | Alta | Moderada | Moderada |
| Protección del oxígeno | Alta | Moderada | Baja |
| Transferencia de nitrógeno fijo | Alta | Moderada | Baja |
| Estimación de la tasa de fijación de nitrógeno, kg N ha-1 año-1 | 50-465 | 2-170 | 1-80 |
Fijación Simbiótica De Nitrógeno En Los Nódulos
Las bacterias simbióticas en las raíces del huésped forman nódulos, acumulando en ellos el nitrógeno atmosférico y convirtiéndolo en amoníaco. La planta lo utiliza para su crecimiento y lo libera al suelo a partir de los nódulos rotos tras su muerte. Sin embargo, estas bacterias no hacen el “favor” a cambio de nada. Como en cualquier otra simbiosis, las bacterias se alimentan con los carbohidratos producidos por las plantas (azúcares) y toman carbono. Aunque técnicamente su simbiosis se define como una infección, ambas partes se benefician bastante. Por esta razón, a dicha relación también se la denomina mutualismo. En esta clase, las bacterias simbióticas más comunes son Rhizobium y Frankia.
Bacterias Rhizobium
La relación entre leguminosas y Rhizobium es un caso común de fijación biológica. Además, no es la única ventaja. Este género de bacterias de fijación biológica de nitrógeno en las leguminosas mejora el acceso a otros nutrientes y potencia la resistencia del cultivo a patógenos, plagas y el estrés abiótico. Esta interacción mutuamente beneficiosa también es favorable para los agricultores, como demuestran las convincentes tasas de fijación estimadas en 50-465 kg de nitrógeno ha-1 año-1. Los Rhizobium existen en simbiosis, pero también pueden aparecer libres si no encuentran un huésped adecuado. Incluso en aislamiento, pueden participar en la fijación biológica de nitrógeno sintetizando nitrogenasa y creciendo únicamente con nitrógeno del aire.
Bacterias Frankia
Al igual que Rhizobium, Frankia fija el nitrógeno atmosférico mediante la nodulación de las raíces. Algunas cepas también pueden vivir libremente. La diferencia con Rhizobium radica en los huéspedes. Frankia coloniza plantas actinorrizadas como el aliso, myrica, comptonia, geum, etc., lo que les permite sobrevivir incluso en suelos infértiles. La simbiosis de fijación biológica de nitrógeno tiene como resultado un mayor rendimiento de las plantas y una mejora de las condiciones del suelo. Este género es ampliamente usado en agrosilvicultura.
Fijación Simbiótica Con Bacterias Asociativas
La simbiosis con bacterias asociativas es típica en los cereales a partir de vida libre que puede adherirse a las raíces del huésped. Se trata de géneros como Azospirillum, Glucenobacter, Acetobacter, Herbaspirillum, Azoarcus. Están estrechamente relacionados con el trigo, arroz, maíz, caña de azúcar, cebada, sorgo, setaria y cultivos para biocombustibles como el Pennisetum, etc. Los cereales no fijan el nitrógeno en nódulos como las leguminosas, sino que dependen de la disponibilidad de nutrientes en el suelo, es decir, de su fijación. A su vez, las bacterias utilizan el atmosférico para sus necesidades y lo “comparten” con el cultivo huésped. La mayoría de las bacterias de fijación biológica de nitrógeno residen en las raíces, pero algunos tipos agresivos como Herbaspirillum pueden penetrar en toda la planta. Estos microorganismos pueden mejorar el crecimiento de los cultivos y aumentar el rendimiento, lo que es especialmente importante en suelos pobres. Además de la fijación biológica, una peculiaridad significativa de las rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR) es la producción de fitohormonas, importante para el aumento del rendimiento.
Fijación Simbiótica Con Bacterias Libres
Las bacterias libres son también una fuente de nitrógeno para los cultivos. Por ejemplo, los productores de arroz añaden helechos acuáticos Azolla a sus campos como abono verde, y la Azolla sirve de hábitat a la Anabaena Azolla (cianobacteria).