El nitrógeno y su relevancia biológica
Cualquier organismo que habita nuestro planeta requiere diferentes nutrimentos minerales para poder desarrollarse adecuadamente. El nitrógeno es uno de los más importantes debido a que es un componente esencial de diferentes biomoléculas, como los aminoácidos, las proteínas y los ácidos nucleicos (ADN y ARN), vitales para que cualquier organismo pueda crecer de forma óptima y adaptarse al ambiente.
Los humanos obtenemos el nitrógeno a través de la ingesta diaria de alimentos, mientras que las plantas lo obtienen principalmente del suelo en forma de nitrato (NO3) o amonio (NH4). Para ello, usan sus raíces, las cuales están equipadas con proteínas que lo ingresan a sus células, en donde el NO3 o el NH4 son transformados en aminoácidos por rutas metabólicas específicas como la Glutamina Sintetasa - Glutamato Sintetasa. Los aminoácidos sintetizados se incorporan a rutas metabólicas encargadas de sintetizar diferentes biomoléculas.
A pesar de que el nitrógeno es abundante en la atmósfera, ya que el nitrógeno molecular (N2) representa casi el 80 % del aire o más bien de los gases atmosféricos, las formas asimilables de este nutrimento son escasas en la mayoría de los suelos. La deficiencia de nitrógeno en el suelo no solo afecta el desarrollo de las plantas, sino que también disminuye la producción y la calidad de alimentos de origen vegetal que a diario consumimos. Esto representa un serio problema ya que la ingesta de alimentos vegetales con bajo contenido nutrimental afecta negativamente nuestro desarrollo y calidad de vida.
Fertilizantes nitrogenados sintéticos: Ventajas y desventajas
El N2 está compuesto por dos átomos de nitrógeno unidos por un triple enlace que le confiere una gran estabilidad química, pero a su vez lo hace un elemento no asimilable de forma directa para los organismos. A principios del siglo XX, los químicos Fritz Haber y Carl Bosch desarrollaron un proceso para hacer reaccionar los gases N2 e hidrógeno (H) a altas temperaturas para producir NH4 y nitrato de amonio (NH4NO3). Desde entonces, los productos obtenidos mediante el proceso Haber-Bosch se han usado como fertilizantes para proveer a las plantas el nitrógeno asimilable que requieren para desarrollarse adecuadamente. En varias décadas, el desarrollo y uso de fertilizantes sintéticos ha sido fundamental para incrementar la producción de diferentes cultivos agrícolas, así como para contribuir a la seguridad alimentaria mundial, ya que con la aplicación de estos se ha logrado la producción de alimentos de alta calidad nutrimental.
Sin duda, el uso de fertilizantes nitrogenados ofrece la ventaja de mantener los suelos ricos en nitrógeno, fundamental para garantizar la seguridad alimentaria. Sin embargo, el abasto de alimentos de calidad para una creciente población mundial ha generado la necesidad de incrementar la producción y uso de estos fertilizantes sintéticos. Desafortunadamente, para alcanzar las altas temperaturas de 400-650 °C requeridas para obtener el NH4 y NH4NO3 mediante el proceso Haber-Bosh, es necesario quemar combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural, lo que genera la liberación de dióxido de carbono (CO2) y óxido nitroso (N2O) a la atmósfera.
Es claro que las desventajas se deben a que tanto el CO2 y el N2O son dos de los gases de efecto invernadero que más contribuyen al cambio climático. Aunado a esto, desde su creación, los fertilizantes sintéticos no han sido aplicado de forma adecuada, por lo que su uso intensivo e incorrecto, además de tener consecuencias en la acumulación de gases de efectos invernadero, también causan la salinización de los suelos agrícolas y la eutrofización de cuerpos de agua, provocando daños ecológicos irreversibles.
Se ha reportado que del fertilizante sintético aplicado a los suelos agrícolas, solo el 50 % o menos, es incorporado por las plantas, el resto se queda en el suelo o bien, se filtra a los mantos freáticos y de ahí se dirige a los diferentes cuerpos de agua, que al consumirla provoca daños a nuestra salud. Un consumo de más de 50 mg de NO3 por litro de agua aumenta la probabilidad de desarrollar ciertos tipos de cáncer. Debido a todos estos efectos negativos, tanto a nivel ecológico, agronómico y de salud, debemos considerar que el uso de fertilizantes sintéticos nitrogenados para garantizar la producción de alimentos, ya no es una práctica agrícola sostenible ni mucho menos amigable con el ambiente. En este sentido, urge que se establezcan estrategias que permitan la generación de alimentos para la población mundial con la disminución de daño al ambiente y sin deteriorar nuestra calidad de vida.
Simbiosis Rizobio-Leguminosa, abastecimiento ecológico de nitrógeno
En el suelo y en particular en la rizosfera, habita un grupo de microorganismos que tiene la capacidad de tomar el nitrógeno atmosférico y transformarlo en nitrato y amonio, las formas asimilables para el resto de los organismos. Estos diazótrofos tienen la capacidad de metabolizar el N2 a través de la enzima nitrogenasa para generar nitratos, nitritos o amonio. A través de este proceso bioquímico, las bacterias diazotróficas no solo obtienen nitrógeno asimilable, sino que también enriquecen los suelos con fuentes nitrogenadas sin la emisión de gases de efecto invernaderos o la deposición en exceso de este nutriente.
Las bacterias diazotróficas pueden fijar el nitrógeno atmosférico tanto en vida libre como en asociación simbiótica con plantas leguminosas. En este último caso, tanto las leguminosas como las bacterias diazotróficas (rizobios), necesitan entablar un diálogo molecular para que se establezca esta simbiosis. El primer requisito para que se dé este diálogo es que las leguminosas crezcan en condiciones de deficiencia de nitrógeno. Ante esta situación, sintetizan moléculas denominadas flavonoides e isoflavonoides, las cuales son secretadas por la raíz al suelo y a través de ellas, las leguminosas piden ayuda a los rizobios para obtener nitrógeno asimilable. Los rizobios detectan esta llamada de auxilio y liberan al suelo moléculas denominadas factores de nodulación (factores Nod), los cuales son detectados por la leguminosa, y al hacerlo, prepara las células de sus raíces para iniciar la simbiosis con los rizobios. La detección de estas moléculas bacterianas lleva a la formación de un nuevo órgano en las raíces denominado nódulo.
El número de nódulos que forma una leguminosa depende de la especie. Por ejemplo, una planta de frijol puede formar entre 300 a 500 nódulos, mientras que una de alfalfa forma alrededor de 50. Estos órganos especializados hospedan a los rizobios y es ahí donde fijan el nitrógeno atmosférico en formas asimilables para la planta. Los nódulos le proveen al rizobio de un microambiente idóneo para fijar N2, el cual se caracteriza por tener bajas concentraciones de oxígeno. Lo anterior se logra a través de la captura del oxígeno por proteínas vegetales denominadas leghemoglobinas, similares a la hemoglobina humana. Mantener un ambiente hipoxigénico es de suma importancia, ya que de no hacerlo, la enzima bacteriana nitrogenasa se inactiva.
Autores: O. Valdés López y M. C. Isidra Arellano
La leguminosa también proporciona al rizobio diferentes nutrimentos minerales como el fósforo y el hierro, así como fuentes de carbono en forma de carbohidratos, necesarios para mantener el metabolismo de la bacteria para fijar el N2. A cambio, la leguminosa recibe fuentes asimilables de nitrógeno que le permiten crecer en suelos deficientes de este nutrimento, incluso sin la necesidad de aplicar fertilizantes nitrogenados sintéticos.
La simbiosis con rizobios no solo permite a las leguminosas crecer en suelos sin nitrógeno, sino que también incorporan nitrógeno asimilable a los suelos y, por tanto, a la cadena alimenticia. De hecho, se ha estimado que la fijación simbiótica aporta anualmente al suelo 60 millones de toneladas métricas de nitrógeno a nivel mundial. Por lo anterior, se ha considerado que el uso de bacterias diazotróficas y la simbiosis rizobios-leguminosas, es una estrategia amigable con el ambiente para proveer nitrógeno a nuestros suelos agrícolas.
Autores: O. Valdés López y M. C. Isidra Arellano
Esta información no era desconocida en la agricultura prehispánica. Nuestros antepasados de forma empírica sabían de la importancia de esta simbiosis, tan es así que en el diseño de sus milpas, siempre incluían al frijol para mantener «nutrida la tierra» y lograr buenas cosechas para alimentar a sus familias. Entonces, esta estrategia de la simbiosis rizobio-leguminosa es primordial desarrollarla y utilizarla en los suelos agrícolas de nuestro planeta para abastecer de alimentos a la humanidad, sin dañar al ambiente.
Palacios J.M., Rey L., Durán D., García R., Pacheco A., Bautista A., Sánchez-Cañizares C., Brito B., Albareda M., Rubio-Sanz L. y Ruiz-Argüeso T. (2015). «Intercambio de nutrientes y señales en la simbiosis Rhizobium-leguminosa». SEM@foro – Boletín Informativo de la Sociedad Española de Microbiología, 60, 61-62. https://www.semicrobiologia.org/storage/secciones/publicaciones/semaforo/60/articulos/24%20Plantas11.pdf
Para Saber Más:
Ramírez-Bahena M., Peix A., Velázquez E. y Bedmar E.J. (2016). «Historia de la investigación en la simbiosis leguminosa-bacteria: una perspectiva didáctica». Arbor, 192, a319. http://dx.doi.org/10.3989/arbor.2016.779n3009
Valdés-López O., Reyero-Saavedra M.D.R., Isidra-Arellano M.C. y Sánchez-Correa M.D.S. (2020). «Early Molecular Dialogue Between Legumes and Rhizobia: Why Are They so Important?». En Symbiosis: Cellular, Molecular, Medical and Evolutionary Aspects (pp. 409-419), Ediciones Springer. https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-030-51849-3_15
Oswaldo Valdés López. Profesor-Investigador de la Carrera de Biología de la Facultad de Estudios Superiores Iztacala.
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Mariel Carolina Isidra Arellano. Estudiante de Doctorado del Posgrado en Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional Autónoma de México, Laboratorio de Genómica Funcional de Eucariotes.
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