Aplicaciones del nitrógeno biológico
El ciclo del nitrógeno en la naturaleza
El ciclo del nitrógeno incluye muchas transformaciones, incluido el nitrógeno del aire que los microorganismos y las plantas fijan en nitrógeno amoniacal y lo convierten en nitrógeno orgánico; está presente en plantas y microorganismos Los compuestos de nitrógeno son ingeridos por los animales y convertidos en proteínas animales en el cuerpo animal. Los compuestos de nitrógeno orgánico, como los cadáveres de animales, plantas y microorganismos, y sus excrementos se liberan en forma de amoníaco cuando son descompuestos por diversos microorganismos; El amoníaco se libera en condiciones aeróbicas. La nitrificación se oxida a ácido nítrico y las sales y nitratos de amonio producidos pueden ser absorbidos y utilizados por plantas y microorganismos en condiciones anaeróbicas; los nitratos se pueden reducir a nitrógeno molecular y devolverse a la atmósfera, completando así; El ciclo del nitrógeno. El ciclo del nitrógeno incluye la fijación, amonificación, nitrificación, desnitrificación y asimilación del nitrógeno por plantas y microorganismos.
Nitrógeno biológico
El papel de los microorganismos en el ciclo del nitrógeno
1. Fijación del nitrógeno
El nitrógeno molecular se reduce a amoniaco u otro. compuestos de nitrógeno El proceso se llama fijación de nitrógeno. La naturaleza tiene dos métodos para fijar nitrógeno. Uno es la fijación abiótica de nitrógeno, que es el nitrógeno producido por rayos, erupciones volcánicas y radiaciones ionizantes. Además, también incluye la fijación química de nitrógeno inventada por humanos que utilizan hierro como catalizador a alta temperatura (500 °C) y alta presión (30,3975 MPa). La fijación abiótica de nitrógeno forma muy pocos compuestos de nitrógeno. El segundo es la fijación biológica de nitrógeno, que es la fijación de nitrógeno mediante la acción de microorganismos. El 90% del nitrógeno molecular de la atmósfera solo puede ser fijado en compuestos de nitrógeno por microorganismos. Los microorganismos que pueden fijar nitrógeno son todos procariotas, incluidas bacterias, actinomicetos y cianobacterias. Entre los organismos fijadores de nitrógeno, el mayor contribuyente es el género Trichocystis que infecta plantas leguminosas, seguido por el actinomiceto Frankia que es simbiótico con plantas no leguminosas, seguido de varias cianobacterias y, finalmente, algunas bacterias fijadoras de nitrógeno autótrofas. La fijación química de nitrógeno ha hecho una enorme contribución a la producción agrícola, pero su producción requiere condiciones de alta temperatura y equipos de alta presión, lo que resulta en un alto consumo de material y energía, y precios elevados y crecientes de los productos. La fijación biológica de nitrógeno tiene una importancia decisiva para el papel del nitrógeno en el ciclo natural del nitrógeno.
2. Adición de amoníaco (función)
El proceso en el que los microorganismos descomponen la materia orgánica que contiene nitrógeno para producir amoníaco se llama amonificación. Existen muchos tipos de especies orgánicas que contienen nitrógeno, principalmente proteína urea, ácido úrico y quitina.
La amonificación es muy importante en la producción agrícola. Diversos residuos animales y vegetales y fertilizantes orgánicos aplicados al suelo, incluidos abonos verdes, compost, estiércol, etc., son ricos en materia orgánica que contiene nitrógeno. Sólo mediante la acción de diversos microorganismos, especialmente mediante amoníaco, se puede absorber y absorber. utilizado por las plantas.
Nitrógeno biológico 3. Nitrificación El proceso mediante el cual los microorganismos oxidan el amoníaco a nitrato se llama nitrificación. La nitrificación se divide en dos etapas. En la primera etapa, el amoníaco se oxida a nitrito, lo que se completa con bacterias nitrificantes, entre las que se incluyen principalmente Nitrosomonas, Nitrosomonas y otras especies. La segunda etapa es la oxidación del nitrito a nitrato, que se completa con las bacterias nitrificantes, entre las que se incluyen principalmente algunas especies de bacterias nitrificantes, la nitrocelulosa y los cocos nitrificantes. La nitrificación es una parte integral del ciclo del nitrógeno en la naturaleza, pero aporta pocos beneficios a la producción agrícola.
4. Asimilación
Las sales y nitratos de amonio son buenos nutrientes nitrogenados inorgánicos para plantas y microorganismos. Pueden ser absorbidos y utilizados por plantas y microorganismos para sintetizar aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos. , etc. Nitrógeno materia orgánica.
Nitrógeno biológico 5. Desnitrificación El proceso mediante el cual los microorganismos reducen el nitrato y liberan nitrógeno molecular y óxido nitroso se llama desnitrificación. La desnitrificación generalmente sólo se lleva a cabo en condiciones anaeróbicas.
La desnitrificación es una de las causas importantes de la pérdida de nitrógeno del suelo. En agricultura, se suele utilizar el cultivo y el aflojamiento de la tierra para inhibir la desnitrificación. Pero desde la perspectiva de todo el ciclo del nitrógeno, la desnitrificación sigue siendo beneficiosa, de lo contrario, el ciclo natural del nitrógeno se interrumpirá y el nitrato se acumulará en el agua, lo que representa una gran amenaza para la salud humana y la supervivencia de los organismos acuáticos.
Nutrición mineral y nutrición nitrogenada de las plantas
Las plantas no solo absorben agua del suelo, sino que también absorben diversos elementos minerales y elementos nitrogenados para mantener las actividades vitales normales.
Algunos de estos elementos absorbidos por las plantas son componentes de las plantas, algunos participan en la regulación de las actividades vitales y otros tienen ambas funciones. Generalmente, la absorción, transporte y asimilación de minerales y nitrógeno por las plantas y el papel de los minerales y el oxígeno en las actividades vitales se denomina nutrición mineral y nitrogenada de las plantas. La comprensión de la gente sobre los minerales vegetales y la nutrición con nitrógeno se estableció básicamente a mediados del siglo XIX después de una práctica y exploración a largo plazo. La primera persona que utilizó métodos experimentales para explorar las fuentes de nutrientes de las plantas fue el holandés Van Helmont (ver introducción). Posteriormente, Glauber (1650) descubrió que agregar nitrato al suelo podía aumentar el rendimiento de las plantas, por lo que creía que el agua y el nitrato eran la base para el crecimiento de las plantas. En 1699, Woodward en Inglaterra cultivó menta con extractos acuosos de agua de lluvia, agua de río, agua de manantial de montaña, agua del grifo y tierra de jardín. Descubrió que las plantas crecían mejor en agua de río que en agua de lluvia, pero crecían mejor en extractos de tierra. En base a esto, concluyó que las plantas no solo están compuestas de agua, sino también de algunas sustancias especiales del suelo. Saussure (1804) de Suiza informó que si las semillas se plantan en agua destilada, las plantas en crecimiento pronto morirán y su contenido de cenizas no aumentará. Las plantas pueden crecer normalmente si se añaden cenizas y nitratos al agua destilada. Esto demuestra la necesidad del elemento ceniza para el crecimiento de las plantas. En 1840, Justus von J. Liebig estableció la teoría de la nutrición mineral y estableció la opinión de que el suelo proporciona nutrientes inorgánicos a las plantas. J. Busengo añadió además productos químicos inorgánicos a la arena de cuarzo y al carbón vegetal para cultivar plantas, y analizó cuantitativamente los gases alrededor de las plantas, demostrando que el carbono, el hidrógeno y el oxígeno provienen del aire y el agua, mientras que los elementos minerales provienen del suelo. En 1860, Knop y Sachs cultivaron con éxito plantas con soluciones salinas inorgánicas de composición conocida y desde entonces descubrieron la naturaleza fundamental de la nutrición vegetal, la autotrofia (nutrición inorgánica).
La nutrición mineral y nitrogenada son importantes para el crecimiento y desarrollo de las plantas. Comprender las funciones fisiológicas, la absorción y el transporte de minerales y nitrógeno, así como las reglas de asimilación de nitrógeno, puede utilizarse para guiar la fertilización racional, aumentar el rendimiento de los cultivos y mejorar la calidad.
Metabolismo biológico del nitrógeno La asimilación, disimilación y excreción del nitrógeno y de sustancias biológicas que lo contienen se denomina metabolismo del nitrógeno.
Las plantas generalmente absorben compuestos nitrogenados inorgánicos como el amonio o el nitrato. Una vez que el nitrato se reduce a amonio o alcanza una etapa relacionada con el amonio, se utiliza para la síntesis de aminoácidos y proteínas. Por el contrario, los animales sólo pueden utilizar como fuentes de nitrógeno compuestos orgánicos de nitrógeno, como aminoácidos o proteínas, que de otro modo no estarían disponibles. Los animales utilizan los aminoácidos absorbidos en el cuerpo como materia prima para sintetizar sus propias proteínas. Este proceso de convertir componentes nitrogenados externos en componentes biológicos se llama asimilación de nitrógeno. Sin embargo, las plantas no son incapaces de utilizar nitrógeno orgánico, como se ve al rociar urea en sus hojas. La mayoría de los microorganismos, como las bacterias, también pueden utilizar nitrógeno unido, pero algunos pueden fijar nitrógeno libre. Las etapas iniciales de la reducción de nitrato a amoníaco por parte de la planta dependen de la acción de la nitrato reductasa. A. Nason, H. J. Evans y otros han demostrado que esta enzima contiene Mo y FAD. Esta enzima también se encuentra en los hongos (Alternaria). ). Sin embargo, existe otro mecanismo involucrado en la reducción de nitratos por parte de estos hongos. La importancia fisiológica de la reducción del ácido nítrico no es solo la vía de síntesis de proteínas, sino que también desempeña el papel de la respiración anaeróbica (respiración del ácido nítrico, es decir, el uso de ácido nítrico en lugar de oxígeno para formar un aceptor terminal de electrones). En lugar de reducir el ácido nítrico a amoníaco y liberarlo como nitrógeno, algunas bacterias presentan desnitrificación. Además, en el suelo, algunas bacterias pueden oxidar las sales de amonio o nitritos en nitratos para realizar la nitrificación (bacterias nitrificantes). La ruta de síntesis de amoníaco a aminoácidos es la reducción de amoníaco y α-cetoglutarato por la glutamato deshidrogenasa para generar glutamato. En general, se cree que esta es la vía principal para la producción de aminoácidos a partir de amoníaco, y también se han dilucidado las vías por las cuales la glutamina sintetasa y la glutamato sintetasa convierten el amoníaco en glutamato. Si el grupo amino se transfiere aún más entre el glutamato y el piruvato producido, se pueden producir varios aminoácidos. Por otro lado, los aminoácidos también se descomponen en los organismos debido a reacciones de desaminación de hidrólisis y redox. Algunas bacterias anaeróbicas pueden realizar una reacción viscosa entre dos aminoácidos. Las bacterias, especialmente las bacterias de descomposición, pueden descarboxilar los aminoácidos para formar aminas. El amoníaco producido por la descomposición por desaminación de los aminoácidos se acumula en las plantas en forma de glutamina o asparagina, mientras que los animales excretan amoníaco o lo convierten en ácido úrico y urea.