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.