Ciclo del Nitrógeno en el Suelo y Nutrición Vegetal: Nitrificación, Asimilación y Fijación

1. La Nitrificación en el Suelo

La oxidación biológica del amonio (NH₄⁺) a nitrato (NO₃^-) se conoce como nitrificación. Este proceso consta de dos pasos: el amoníaco (NH₃) se oxida primero a nitrito (NO₂^-), el cual es posteriormente oxidado a nitrato (NO₃^-).

El proceso está mediado por bacterias autótrofas (microorganismos que obtienen energía de la oxidación de las sales inorgánicas y utilizan dióxido de carbono, CO₂, como fuente de carbono). Se encuentran presentes dos grupos bacterianos muy específicos:

1. Conversión de NH₄⁺ a NO₂^-: Se lleva a cabo fundamentalmente por bacterias del género Nitrosomonas.
2. Oxidación de NO₂^- a NO₃^-: La efectúa principalmente el género Nitrobacter.

Ambos grupos son aerobios obligados, por lo que solo proliferan en un medio donde el oxígeno (O₂) se encuentra disponible. En suelos pantanosos o anegados, la oxidación del amonio se ve fuertemente restringida. Asimismo, las bacterias nitrificantes se desarrollan mejor en condiciones de pH neutro a ligeramente alcalino que en suelos ácidos.

Dinámica y Factores que Afectan la Nitrificación

Las etapas de la oxidación ocurren de forma acoplada y secuencial:

• En un periodo de incubación de 14 días, la mayor parte del NH₄⁺ se oxida a NO₃^-, generando una acidificación o descenso del pH en el suelo.
• Hacia la primera semana de incubación suele detectarse un pico transitorio en el contenido de NO₂^-, que rápidamente disminuye por la actividad de Nitrobacter. Por lo general, el nitrito no se acumula en el suelo debido a la alta velocidad de oxidación de esta segunda etapa.

Ambos grupos de bacterias funcionan en serie. En condiciones óptimas, el amoníaco se convierte rápidamente en nitrato. No obstante, en el campo la nitrificación transcurre a una tasa menor; en suelos ácidos, secos o inundados, la nitrificación se restringe o se inhibe totalmente.

Las bacterias nitrificantes oxidan tanto el amonio procedente de la amonificación como el aportado mediante fertilizantes. Aunque comúnmente se aplica nitrógeno amoniacal (NH₄⁺-N), la absorción por parte de los cultivos ocurre preponderantemente en forma de nitrato (NO₃^-).

El proceso puede regularse mediante inhibidores de la nitrificación. Su aplicación retrasa la transformación a nitrato, previniendo las pérdidas de nitrógeno por lixiviación o drenaje del ion nitrato (altamente móvil en el perfil del suelo) y manteniendo niveles controlados de nitratos en los tejidos vegetales cosechados.

2. Síntomas de Deficiencia de Nitrógeno en Brotes y Hojas

El nitrógeno es un elemento móvil dentro de la planta; por ello, los primeros síntomas de deficiencia aparecen en las hojas más viejas:

• Crecimiento vegetativo reducido: Las hojas viejas crecen lentamente, presentándose débiles, pequeñas y escasamente desarrolladas.
• Clorosis: Las ramas y hojas adquieren una tonalidad verde claro o amarillo pálido.
• Senescencia prematura y necrosis: Las hojas más senescentes mueren de forma prematura. La necrosis foliar total o marginal se manifiesta en etapas avanzadas conforme se agrava la carencia.
• Morfología radicular y rendimiento: El crecimiento radicular disminuye, restringiendo la ramificación lateral y aumentando la relación raíz/tallo. En consecuencia, el rendimiento agronómico y la calidad de la cosecha se reducen sustancialmente.

3. Asimilación de Nitratos y Edad de la Hoja

A medida que la hoja envejece, la actividad de la enzima nitrato reductasa (NR/NOR) decae progresivamente como consecuencia de procesos de proteólisis enzimática.

Capacidad de Asimilación según el Desarrollo Ontogénico

• Expansión foliar máxima: La actividad de la nitrato reductasa alcanza su pico máximo durante esta fase.
• Madurez y senescencia: Posteriormente, la actividad de la enzima disminuye al reducirse la demanda de síntesis proteica. A partir de este momento, las hojas comienzan a acumular NO₃^- en las vacuolas.

Plantas con alta tasa fotosintética muestran una estimulación directa de la reducción de NO₃^- en la raíz, aprovechando la energía procedente de la respiración celular sin competir con los intermediarios de la fotosíntesis.

Las especies leñosas exhiben generalmente mayor capacidad de reducción radicular que las herbáceas anuales. Entre estas últimas se observan variaciones notables (p. ej., en colza, cebada y maíz, así como en leguminosas como el altramuz y el garbanzo). Asimismo, la variedad vegetal y el estado de desarrollo global condicionan la asimilación frente a concentraciones variables de nitrato:

1. Bajo suministro de NO₃^-: La reducción se realiza casi en su totalidad en el sistema radicular.
2. Alto suministro de NO₃^-: El exceso no reducido en raíz se transporta por el xilema hacia las hojas para su asimilación; este comportamiento constituye un patrón general en la fisiología vegetal.

4. Amonificación

Gran parte del nitrógeno edáfico procede de la descomposición de la materia orgánica y se encuentra en forma de macromoléculas complejas (proteínas, polipéptidos, aminoácidos). La microbiota del suelo (bacterias y hongos) descompone estos compuestos orgánicos para satisfacer sus propios requerimientos biosintéticos, liberando el exceso de nitrógeno en forma de amoníaco (NH₃) o ion amonio (NH₄⁺). A esta etapa de mineralización se le denomina amonificación.

5. Fijación Biológica de Nitrógeno (FBN)

La fijación biológica de nitrógeno consiste en la reducción catalítica del dinitrógeno atmosférico (N₂) a amonio mediante el complejo enzimático de la nitrogenasa. La estequiometría de la reacción es la siguiente:

$$\text{N}_2 + 8\text{H}^+ + 8\text{e}^- + 16\text{ATP} \rightarrow 2\text{NH}_3 + \text{H}_2 + 16\text{ADP} + 16\text{P}_i$$

Si bien el amoníaco libre (NH₃) es el producto primario, este se ioniza rápidamente a amonio (NH₄⁺) en el medio acuoso intracelular. En los microorganismos diazótrofos de vida libre, el amonio resultante es asimilado e incorporado en glutamato mediante la vía enzimática glutamina sintetasa / glutamato sintasa (GS-GOGAT).

El complejo de la nitrogenasa es sumamente sensible a la inactivación por el oxígeno gaseoso (O₂). Por esta razón, las bacterias fijadoras han desarrollado diversas adaptaciones funcionales: regulación metabólica para sintetizar la enzima solo en ausencia de oxígeno, nichos anaeróbicos o microaerófilos, elevadas tasas de respiración protectora, o el uso de proteínas transportadoras con alta afinidad por el oxígeno, como la leghemoglobina en nódulos simbióticos.