Ciclo del nitrógeno

Universidad Nacional de Rio Negro

Materia: Microbiología

Integrante: Quini Camila

INTRODUCCION:

El nitrógeno es el macronutriente que en mayor medida condiciona la vida sobre la tierra. Un 78% de atmósfera está formado por N2.El ciclo del nitrógeno tiene una trayectoria definida y complicada, dado que tiene que seguir una serie de procesos físicos, químicos y biológicos. Las plantas no pueden asimilar por si mismas el nitrógeno atmosférico, gracias al proceso biológico de algunas bacterias y cianobacterias, el nitrógeno que se encuentra en la atmósfera puede ser asimilable, al “romper” la unión de sus enlaces por medios enzimáticos y así poder producir compuestos nitrogenados, que pueden ser aprovechados por la mayoría de los seres vivos, en especial las plantas, que forman relaciones simbióticas con este tipo de bacterias. Ese nitrógeno fijado se transforma en aminoácidos y proteínas vegetales, que son aprovechadas a su vez por los herbívoros, quienes los van almacenando para finalmente pasarlos al último eslabón de la cadena alimenticia, es decir a los carnívoros. Cabe mencionar, que el nitrógeno regresa de nuevo al ciclo por medio de los desechos (tanto restos orgánicos, como productos finales del metabolismo), los cuales por medio de otras bacterias lo liberan a la atmósfera. De esta forma se logra un equilibrio en el ciclo del nitrógeno.

Fijación Biológica del nitrógeno:

Fijación No simbiótica:

Esta pude ser realizada por microorganismos tales como: organismos aerobios (como Azotobacter),anaerobios del suelo (como Clostridium), bacterias fotosintéticas (ciertos actinomicetes como Frankia) , algas azul verdes y cianobacterias.. No está muy bien desarrollada esta fijación y no se conocen datos de importancia en magnitud. Sin embargo en ciertos suelos tropicales se calcula que esta fijación aporta alrededor de 50Kg/Ha año.

Fijación Simbiótica:

Este mecanismo de ingreso de nitrógeno al sistema suelo, es de real importancia en la producción agrícola. Se cree que en ciertas condiciones de simbiosis puede llegar a fijarse hasta 300Kg/Ha año de nitrógeno. Este mecanismo es realizado por varios organismos específicos pero uno de los más importantes es el género Rhizobium (que viven en simbiosis con las leguminosas y también con algunos árboles y arbustos). Este nitrógeno fijado a nivel bacteriano puede volver a utilizarse en cultivos posteriores y de aquí su importancia.

FISIOLOGÍA

La fijación biológica de nitrógeno es catalizada por una asociación enzimática llamada nitrogenasa. La nitrogenasa está compuesta por dos proteínas solubles: la proteína del hierro (dinitrogenasa reductasa) y la proteína del MoFe (dinitrogenasa). El MoFe es un cofactor esencial en la dinitrogenasa. Las dos enzimas del complejo funcionan conjuntamente: la dinitrogenasa reductasa reduce la dinitrogenasa, mientras que esta última reduce el nitrógeno. Ambas enzimas son necesarias para que se produzca la fijación. La ecuación para la fijación del nitrógeno puede ser la siguiente; el Mg+2 es el cofactor necesario:

N2 + 6e- + 6H+ + 12ATP + Mg+2 -- 2NH3 + 12ADP + 12Pi + Mg+2

Cada electrón transferido requiere 2 ATP. La nitrogenasa no es del todo efectiva. De hecho, también reduce otros compuestos como el H+ , el N2O, el N-3 y el CN. La evolución del hidrógeno es un subproducto de carácter general de la fijación del nitrógeno, particularmente en flujos de electrones poco elevados:

2H+ + 2e- + 4ATP --- H2 + 4ADP + 4Pi

La ecuación general para la fijación catalizada por la nitrogenasa es, por tanto:

N2 + 16ATP + 8e- + 8H+ + Mg+2 --- 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi + Mg+2

Etapas

El termino mineralización hace referencia a la transformación de nitrógeno orgánico (enzimas, proteínas, AA, ácidos nucleicos, etc.) a la forma inorgánica, más específicamente a amonio (NH₄+) y Nitrato (NO₃-). También hace referencia a la nitrificación como el otro proceso de importancia donde el NH₄+ es trasformado en (NO₃-), pero no se desarrolla en esta monografía.

Cuando se habla de Amonificación, está haciéndose referencia al pasaje específico de nitrógeno orgánico a amonio (NH₄+). Este proceso es realizado por microorganismos heterótrofos del suelo, y es amplia la cantidad de organismos que pueden realizar la Amonificación (mineralización) por ejemplo numerosas bacterias, hongos, actinomicetos y ciertas algas. Esto sucede porque el sustrato a utilizar no es específico y allí reside esta variabilidad. Además es uno de los procesos del ciclo biogeoquímico que menos se ve afectado por los cambios en el medio ambiente, y puede darse tanto en Anaerobiosis como en Aerobiosis, en condiciones de temperaturas medias y en rangos de pH donde la actividad biológica se desarrolla normalmente (para la mayoría de los microorganismos el rango mínimo es cercano a 5.5). Esta modificación química se da en dos reacciones, en primer lugar el nitrógeno orgánico se transforma en Aminas (R-NH₂) y posteriormente en Amonio (NH₄+).

Asimilacion: los vegetales absorben el nitrato del suelo y lo utilizan para fabricar proteínas, las que pasan a los animales a través de la cadena alimentaria. El ciclo se reinicia con los desechos de animales o cuando animales y vegetales mueren.

Desnitrificacion: parte del nitrato presente en el suelo se  pierden en el proceso de

desnitrificación, a través de la cual algunas bacterias transforman el  nitrato el nitrógeno gaseoso y lo liberan a la atmosfera.

Características de los rhizobios

Las bacterias Rhizobium son organismos de vida libre que habitan en la rizosfera y se alimenta de los restos de organismos muertos. Estas contienen un plásmido que codifica información que es vital para la infección y la nodulación de la planta hospedadora correspondiente. Son bacilos móviles (cuentan con flagelos), Gram-negativos, con dos capas de pared celular (la primera capa esta hecha por carbohidratos y proteínas, y la segunda capa por lípidos y carbohidratos), procariotas, aeróbicos (necesita oxígeno para crecer), motiles (al hacerse el test de motilidad, el agar se vuelve amarillo y no de su color original –morado-), beta (digiere la hemoglobina), crece casi en cualquier temperatura, pero su desarrollo es más óptimo en una temperatura de 25 °C o 77 °F, sus dimensiones son de 0.5-0.9 x 1.2-3.0µm.

Ejemplos de rhizobios:

* Vida libre ( bacilos): Podemos encontrar bacterias anaerobias estrictas, como Clostridium, y facultativas, como Klebsiela, pero también aerobias como Azotobacter, Beijerinckia yAzospirilum.

*En simbiosis:( pérdida de pared celular)Bacteroides.

Pertenecen al subgrupo de las proteobacterias en el que se incluyen los géneros Allorhizobium,Azorhizobium,Bradyrhizobium,Mesorhizobium,Rhizobium y Sinorhizobium(recientementeincluídoen Ensifer)

*Las Colonias son húmedas, adherentes, mucho contenido extracelular mucilaginoso.

Asociaciones rhizobio-leguminosa

El nitrógeno es muy abundante en la atmósfera, sin embargo, las plantas no pueden utlizarlo en su forma elemental y tienen que obtenerlo del suelo principalmente en forma de nitratos o amonio. La fijación biológica de nitrógeno es un proceso clave en la biosfera, por el cual microorganismos portadores de la enzima nitrogenasa convierten el nitrógeno gaseoso en nitrógeno combinado. El grupo de bacterias al que se conoce colectivamente como rizobios, inducen en las raíces (o en el tallo) de las leguminosas la formación de estructuras especializadas, los nódulos, dentro de los cuales el nitrógeno gaseoso es reducido a amonio. Se estima que este proceso contribuye entre el 60-80 % de la fijación biológica de nitrógeno. La simbiosis es inhibida si existe un exceso de nitrato o amonio en el suelo. En esta simbiosis en los nódulos, la planta huésped obtiene nutrientes nitrogenados de la bacteria (rizobios) y ofrece a ésta una fuente de carbono y un ambiente favorable para fijar nitrógeno. Esta simbiosis contribuye con una parte considerable del nitrógeno combinado en la tierra y permite a las plantas leguminosas crecer sin fertilizantes nitrogenados y sin empobrecer los suelos.

Bacterias heterótrofas conocidas como rhizobios se asocian en estructuras nodulares fijadoras de N2 atmosférico en leguminosas, contribuyendo de manera fundamental a la fertilidad del suelo, a la producción de alimentos para el hombre y animales y a la economía de fertilizantes nitrogenados, ya que muchas leguminosas son autosuficientes en sus requerimientos de nitrógeno.

Asociaciones con Frankia spp.

Después de las leguminosas, las plantas actinorrícicas constituyen el segundo grupo importante de plantas fijadoras de N2. Pertenecen algunas 10 familias de Espermatófitas, con unos 24 géneros que contribuyen a la economía de este elemento en zonas erosionables, en suelos pobres, en donde se desarrollan como vegetación pionera. Todos los géneros de una misma familia no son necesariamente nodulados y se encuentran igualmente especies no noduladas en el interior de un mismo género.

Quizá la primera descripción de nódulos radicales en estas plantas se remonta a 1895 en Alnus glutinosa, cuyo desarrollo y N en el follaje se correlacionaron con el número de nódulos.

Estas asociaciones recibieron diferentes nombres: simbiosis tipo Alnus, simbiosis con actinomicetes y más recientemente actinorrizas, por analogía con micorrizas (simbiosis con hongos).

En el siguiente cuadro se presenta las principales especies descriptas. Son frecuentemente especies leñosas presentes al estado espontáneo en todos los continentes y climas, desde al Ártico al Subtropical. Son, sin embargo, más frecuentes como árboles o arbustos que juegan importante rol en la economía del N en bosques de zonas templadas frías. Su distribución es menor en la región tropical. Estas plantas son escasamente mencionadas en los textos básicos de biología y ecología, a pesar de que son importantes componentes de ecosistemas de vastas regiones y muchas de ellas muy empleadas en forestación. Esta vegetación es tolerante a suelos de baja fertilidad, como dunas arenosas, zonas quemadas, suelos erosionados y muchas resisten la salinidad.

Familia GéneroBetulacea Alnus (aliso)Casuarinacea Casuarina, AllocasuarinaCoriácea CoriariaDasticacea DasticaEleagnacea EleagnusMyricacea CoptoniaRhamnacea Discaria, TrevoaRosácea Cercocarpus

Proceso de infección

Nos centramos en el primer contacto que se establece entre la planta y la bacteria,

todavía se desconoce cómo llega la bacteria a la zona de la influencia de la planta, es

decir si es atraída por quimiotactismo o es un encuentro azaroso, y una vez en ella

cómo se produce la comunicación entre el microorganismo y el hospedador, es decir si

existe y la naturaleza de las moléculas químicas implicadas.

Las plantas es la que empieza el juego de la “asociacion”, ya que la esta teniendo los

nutrientes suficientes( ATP disponible para usar)deja entrar al rhizobio, de forma

contraria, si la planta tiene algún tipo de estrés( hídrico, térmico, enfermedad, etc) no

permite la entrada del rhizobio.

Una vez que la bacteria entra en contacto con la planta, existen dos maneras de

producirse la infección: de forma intracelular (Figura 2) o de forma intercelular .En la

primera, la infección se efectúa mediante la entrada a través de pelos radiculares, los

cuales en presencia de la bacteria se deforman y ramifican originando una región

plegada a través de la que se produce la penetración del filamento, que va a progresar

por el pelo hacia la célula epidérmica y de allí se dirigirá a las células corticales,

mientras que las células infectadas de la planta van encapsulando los filamentos,

depositando sobre los mismos material similar al de la pared celular. De forma

simultánea a la progresión del canal infección  hacia el córtex interior, las células van

dirigiendo el camino de la infección mediante la alteración de su citoesqueleto

induciendo una invaginación en la vacuola generando los llamados puentes

citoplasmáticos  cuya orientación comunica unas células con otras y por los cuales irá

creciendo la bacteria. Paralelamente, las células del cortex exterior salen de su estado

de quiescencia reactivándose su ciclo celular, dando así lugar al prenódulo, cuyas

células son invadidas por el microsimbionte. En algunas actinorrizas en dichas células,

los filamentos se diferencian en vesículas e inducen la síntesis de la enzima

nitrogenasa. Posteriormente, se inducen divisiones celulares en el periciclo del cual

surgirá el primordio de nódulo que en su crecimiento hacia la superficie de la raíz

englobará y se fundirá con el tejido prenodular.

La ruta de infección intercelular se inicia tras la entrada en la raíz de los filamentos

del rhizobio a través de espacios intercelulares. Los filamentos cruzan la epidermis

progresando por el apoplasto e invaden las paredes de las primeras capas de células

en el parénquima. Para ello se produce una degradación de la lámina media mediante

enzimas hidrolasas secretadas por la propia bacteria. En respuesta a la invasión, la

planta deposita material extracelular en la zona de infección y en zonas adyacentes. El

proceso no necesita de la deformación de los pelos radiculares aunque la presencia de

la bacteria puede originarla.  Tampoco se induce la creación de un prenódulo sino que

directamente se activa la división celular en el periciclo, originándose el primordio que

crecerá hacia el exterior encontrándose con los filamentos en su progresión.

 

.

La nitrogenasa es una enzima que funciona en condiciones de anaerobiosis .

La planta y los rhizobios son aerobios Leghemoglobina, (responsable del color rojo de los nódulos) se acumula entre bacteroides y membrana periobacteroide Por su afinidad por el O2, la leghemoglobina fija al O2 en el microambiente donde se encuentra el complejo nitrogenasa, disminuyendo la capacidad ozidativa de ese microambiente lo suficiente como para permitir la acción de la nitrogenasa.

Factores limitantes de la FBN en la simbiosis rhizobio-leguminosa

Por ser un proceso resultante de complejas reacciones fisiológicas y bioquímicas, que involucra especies distintas, la FBN depende de la expresión del potencial genético del microorganismo diazotrofo, del hospedante, o de ambos (en cao de las simbiosis) y del ambiente.

Factores físico-químicos:

pH: la bacteria es muy sensible a la acidez, aunque diferentes cepas de una misma especie difieren en su sensibilidad al pH. El encalado permite incremento en la nodulación.

Las leguminosas se afectan directamente por acción de altas concentraciones de H+, o bien indirectamente por deficiencias (Ca, Mg) o toxicidad (Al, Mn).

Temperatura y humedad: los rhizobios son organismos mesofilos aunque se encuentran distribuidos en casi todas las regiones del mundo. Difieren marcadamente en su tolerancia a elevadas temperaturas. La selección de cepas tolerantes a altas temperaturas y a la desecación es muy importante en la introducción de leguminosas forrajeras en regiones áridas y semiáridas.

La simbiosis es más sensible a extremos de temperatura, bajas temperaturas retardan la infección y formación de nódulos, en tanto que las altas temperaturas provocan nódulos pocos eficientes.

El nivel de agua debe ser tal que no se origine problemas de presión osmótica en la célula. La disminución del potencial hídrico del suelo limita también el transporte de los productos de fijación a la planta y el flujo de los fotosintetizados. Altas humedades limitan la aireación y lo FBN. Los nódulos soportan poco tiempo el anegamiento.

Salinidad: la tolerancia de los rhizobios a las sales varía mucho y de hecho las leguminosas y las plantas actinorrícicas son más sensibles a la salinidad que las mayorías de las bacterias..

Fuentes de carbono y energía: los rhizobios introducidos en el suelo deben competir por los nutrientes del suelo. La competencia saprofitica es una de las cualidades que se les exige a las cepas para ser seleccionadas en la producción de inoculantes. Las leguminosas ejercen efectos estimulantes sobre la población de rhizobios, a través de sus exudados y descamaciones de tejidos. El agregado al suelo de sustratos orgánicos, como abono de granja estimulan a los rhizobios debido, tal vez, al efecto combinado de los nutrientes orgánicos e inorgánicos, modificaciones del pH, o aumentos en el nivel de CO2 del suelo.

Fertilidad del suelo: las leguminosas noduladas presentan requerimientos mayores de nutrientes en relación a la fertilizada con nitrógeno combinado. Esto ocurre con los elementos que se encuentran en la nitrogenasa y otros sistemas enzimáticos, como el Mo, Fe, S, Cu, Mg, Co. La fertilización con fosforo, potasio, azufre, microelementos, afectan la sobrevivencia del rhizobio y la nodulacion y FBN. Interesa en muchos casos complementar el aporte de nitrógeno por FBN con una fertilización con nitrógeno combinado.

Polución: el uso indiscriminado de herbicidas, fungicidas, la acumulación de sales de metales pesados en suelos y aguas resulta perjudicial para el rhizobio. Se han descrito diversas técnicas de incorporación de biocidas a las semillas evitando su íntimo contacto con la bacteria. A pesar de la multiplicidad de resultados obtenidos, se piensa que los pesticidas aplicados en dosis aconsejadas no perjudican al rhizobio.

Productos de la fotosíntesis: las leguminosas noduladas requieren iluminación adecuada para mantener una activa fijación. Si se incrementa el nivel de CO2 en la parte aérea de la planta la fijación de N2 se estimula 4 veces más en un corto lapso de tiempo.

Factores biológicos:

Se han aislado de la rizosfera o del rizoplano cierto número de bacterias, hongos y sobre todo, actinomicetes, que se muestran antagónicos frente al rhizobio in vitro. Este antagonismo puede deberse a competencia por los nutrientes, acidificación, producción de antibióticos u otras sustancias, y aún a la predación de protozoos o a la infección por fagos líticos.

Los fagos líticos fueron motivo de numerosos estudios, sobretodo en suelos donde las pasturas fracasaban en la nodulación luego del segundo año de instaladas. El problema de la decadencia de los alfalfares fue atribuído, en parte a la acción de estos parásitos intracelulares.

Las bacteriocinas constituyen un grupo de sustancias, sobre todo proteínas, péptidos, producidas por muchas bacterias que afectan a organismos muy relacionados, incluso a la misma especie, a diferencia de los antibióticos, que poseen un espectro de acción más amplio.

Las rhizobiocinas han sido descritas como elemento de lucha biológica que permite la supremacía de la célula productora frente a la población de rhizobios nativos del suelo.

Distintos patógenos pueden afectar directamente a la FBN atacando nódulos (insectos) o indirectamente afectando el crecimiento de las plantas como nematodos.

CONCLUSIÓN

Los ciclos nutricionales del suelo constituyen el corazón de la microbiología del suelo. De hecho, sin los microorganismos del suelo, no habría prácticamente ningún ciclo de nutrientes y la vida, tal como la conocemos no podría existir. El nitrógeno es un nutriente vegetal determinante y experimenta diversas transformaciones. Existen dos formas de fijación: la industrial y la biológica. Pero sin dudas la más económica y la que produce los mejores beneficios en cuanto a rendimiento es la biológica, la cuál está a cargo de los microorganismos del suelo.

Es evidente la extrema necesidad de comprender la importancia de este elemento, todas sus formas químicas posibles en el planeta, sus fuentes más comunes y la capacidad de suministrarlo cuando es escaso. Mientras seamos capaces de comprender su naturaleza y su balance en la biosfera, seremos más capaces de obtener resultados productivos positivos.

BIBLIOGRAFÍA

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