El ciclo del nitrógeno
Lo que vas a aprender
- Explicar por qué las plantas y los animales no pueden usar directamente el N₂ del aire.
- Describir el papel de las bacterias fijadoras, de los descomponedores y de las plantas en el ciclo del nitrógeno.
- Explicar con un modelo por qué un suelo pierde nitrógeno con una cosecha y cómo lo recupera con una leguminosa.
- Relacionar el ciclo del nitrógeno con la fertilidad del suelo y con prácticas como la rotación de cultivos y el abono verde.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Cada vez que respiras, entra a tus pulmones muchísimo nitrógeno: el gas N₂ es la mayor parte del aire. Y tu cuerpo necesita nitrógeno, porque está en todas tus proteínas y en el ADN de cada célula. Sin embargo, todo ese nitrógeno que respiras vuelve a salir sin que lo uses. Lo mismo le pasa a una mata de maíz: está rodeada de N₂ y puede crecer amarilla y débil por falta de nitrógeno.
¿Cómo llega entonces el nitrógeno a los seres vivos? La respuesta está en unos seres que no ves: las bacterias. Entender su trabajo te explica por qué en muchas fincas de Colombia se siembra fríjol junto al maíz, por qué un suelo pierde fertilidad cosecha tras cosecha y qué hace el abono.
Antes de empezar recuerda qué es un descomponedor y cómo se cuentan los átomos de una fórmula: en el amoníaco, NH₃, hay un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno.
Explicación
El nitrógeno del aire no se puede usar directamente
En la molécula de N₂, los dos átomos de nitrógeno están unidos con muchísima fuerza. Ni las plantas ni los animales tienen cómo separarlos. Por eso, aunque el aire está lleno de nitrógeno, para la mayoría de los seres vivos ese nitrógeno es como un tesoro en una caja fuerte sin llave: está ahí, pero no lo pueden sacar.
Las plantas toman el nitrógeno del suelo, por las raíces, disuelto en el agua en forma de nitratos y de amonio. Los animales lo consiguen comiendo: las proteínas de las plantas, o de otros animales, se deshacen en la digestión y el cuerpo arma con ellas sus propias proteínas. Así que la pregunta es cómo llega el nitrógeno del aire al suelo.
Las etapas del ciclo
- Fijación. Algunas bacterias sí tienen la «llave»: separan los átomos del N₂ y los convierten en amoníaco, NH₃, que las plantas pueden usar. Unas viven sueltas en el suelo; otras viven dentro de nódulos en las raíces de las leguminosas (fríjol, arveja, maní, guamo, chachafruto). La planta les da azúcares, y ellas le dan nitrógeno: las dos ganan. Los rayos de las tormentas también fijan un poco de nitrógeno.
- Absorción. En el agua del suelo el amoníaco se disuelve y queda como amonio, que es casi lo mismo: así lo toman las raíces, junto con los nitratos. La planta usa esos compuestos de nitrógeno para fabricar sus proteínas y su ADN.
- Alimentación. El nitrógeno pasa por la cadena trófica: del pasto a la vaca, de la vaca a quien se toma su leche.
- Descomposición. Cuando un ser vivo muere, o cuando deja excrementos y orina, los hongos y las bacterias descomponedoras deshacen sus proteínas y liberan amoníaco en el suelo. Es el nitrógeno que vuelve a estar disponible.
- Nitrificación. Otras bacterias del suelo transforman ese amoníaco en nitratos, la forma que muchas plantas absorben mejor.
- Desnitrificación. En suelos encharcados, donde falta oxígeno, otras bacterias convierten los nitratos otra vez en N₂, que regresa al aire. El ciclo se cierra.
Fíjate en que las bacterias aparecen en casi todas las etapas. Sin ellas, el nitrógeno del aire nunca llegaría a las plantas, y el de los cadáveres se quedaría atrapado. Como en el ciclo del carbono, los átomos de nitrógeno se conservan: pasan del aire al suelo, a las plantas, a los animales y de vuelta, cambiando de compuesto.
Ejemplo resuelto
La fijación del nitrógeno
Las bacterias fijadoras convierten el N₂ del aire en amoníaco, NH₃. ¿Por qué ese trabajo es tan importante para las plantas? ¿Qué hace una fábrica de abonos para lograr lo mismo?
Ver la solución paso a paso
Las plantas no pueden usar el N₂: sus dos átomos de nitrógeno están unidos con mucha fuerza. Sí pueden tomar del suelo el nitrógeno del amoníaco y de los nitratos.
Las bacterias fijadoras separan esos átomos y los unen con hidrógeno: el nitrógeno del aire queda en un compuesto que las plantas sí aprovechan.
La fábrica de abonos hace la misma transformación, N₂ + 3H₂ → 2NH₃, pero con mucho calor y mucha presión. Las bacterias lo logran a la temperatura del suelo.
Respuesta: Sin la fijación, el nitrógeno del aire no llegaría a las plantas; la fábrica solo lo consigue con enormes cantidades de energía.
El nitrógeno y la fertilidad del suelo
Cuando se cosecha, una parte del nitrógeno sale de la finca: va en las mazorcas, en los fríjoles, en la leche o en la carne que se venden. Si cosecha tras cosecha se saca nitrógeno y no se devuelve, el suelo se empobrece y las plantas crecen amarillas y pequeñas. Los campesinos conocen desde hace siglos varias formas de devolverlo:
- Rotar los cultivos: después de una cosecha de maíz, sembrar una leguminosa, cuyas bacterias fijan nitrógeno nuevo del aire.
- Sembrar abono verde: una leguminosa que no se cosecha, sino que se entierra.
- Dejar los restos y hacer compost: los tallos, las hojas y el estiércol devuelven su nitrógeno cuando se descomponen.
También existen los abonos químicos de las fábricas. Ayudan a las cosechas, pero si se echan de más, la lluvia arrastra los nitratos sobrantes a las quebradas y los lagos. Allí las algas crecen sin control y tapan la luz; cuando mueren, las bacterias que las descomponen gastan el oxígeno del agua, y mueren los peces. El nitrógeno es bueno en el suelo, en su justa medida.
Los ciclos del carbono y del nitrógeno trabajan juntos en el suelo: el humus guarda los dos, y los mismos descomponedores que devuelven el carbono al aire liberan el nitrógeno para las plantas. Un suelo con materia orgánica es un suelo con nitrógeno.
Ejemplo resuelto
El maíz se lleva, el fríjol devuelve
En una parcela se cultiva maíz. Al cosechar, las mazorcas se llevan fuera de la parcela y los tallos y las hojas se quedan y se descomponen. Después se siembra fríjol como abono verde, que se entierra. ¿Qué le pasa al nitrógeno del suelo en cada paso?
Ver la solución paso a paso
El maíz toma nitrógeno del suelo para crecer. Ese nitrógeno no desaparece: una parte se va en las mazorcas y otra queda en los restos.
Las mazorcas salen de la parcela: el suelo pierde ese nitrógeno. Los restos que se descomponen le devuelven una parte.
El fríjol enterrado suma nitrógeno que sus bacterias tomaron del aire, no del suelo. Así el suelo recupera buena parte de lo que se llevó la cosecha, aunque no siempre todo.
Por eso los campesinos combinan varias prácticas: rotar, dejar los restos y abonar con compost.
Respuesta: La cosecha se lleva nitrógeno, los restos devuelven una parte y el fríjol suma nitrógeno del aire.
Ejemplo resuelto
Un experimento con tres parcelas
Se siembra maíz en tres parcelas iguales: una que antes tuvo maíz, otra que antes tuvo fríjol y otra abonada con compost. Al final, las plantas de la parcela que tuvo fríjol y las de la del compost crecieron más que las de la que tuvo maíz. ¿Cómo se explica? ¿Basta con un experimento así?
Ver la solución paso a paso
La parcela que tuvo maíz perdió nitrógeno con la cosecha anterior; las otras dos lo recuperaron: una con las bacterias del fríjol y otra con el compost.
Con más nitrógeno en el suelo, el maíz fabricó más proteínas y creció más.
Para estar seguros, un experimento de verdad repetiría cada parcela varias veces y mediría muchas plantas, no una sola.
Respuesta: El fríjol y el compost devolvieron nitrógeno al suelo; para concluir con confianza hay que repetir el experimento.
Masa seca de una planta típica de maíz en cada parcela del experimento, en gramos (datos inventados): 10 g después de maíz, 15 g después de fríjol y 14 g con compost.
Práctica
¿Quiénes convierten el N₂ del aire en compuestos que las plantas pueden usar?
La fijación la hacen sobre todo algunas bacterias, muchas de ellas en los nódulos de las leguminosas. Ni las plantas ni los animales pueden usar el N₂ directamente.
¿Verdadero o falso? Las vacas toman el nitrógeno que necesitan directamente del N₂ del aire cuando respiran.
Los animales tampoco pueden usar el N₂ del aire. La vaca toma el nitrógeno de las proteínas del pasto que come.
¿Qué pasa con el nitrógeno del estiércol y la orina de una vaca que caen al potrero?
Los descomponedores deshacen el estiércol y la urea y dejan el nitrógeno en compuestos que las raíces del pasto pueden tomar. El nitrógeno no desaparece ni se convierte en otro elemento.
Cuando se cosechan las mazorcas y se las llevan fuera de la parcela, ¿qué le pasa al nitrógeno del suelo?
El maíz tomó nitrógeno del suelo y una parte quedó en las mazorcas. Al llevárselas, ese nitrógeno sale de la parcela.
¿Verdadero o falso? Dejar los tallos y las hojas del maíz en la parcela devuelve al suelo parte del nitrógeno que tomó la planta.
Los restos se descomponen y los descomponedores dejan su nitrógeno otra vez en el suelo.
¿Verdadero o falso? Los nódulos de las raíces del fríjol son una enfermedad que le quita nitrógeno al suelo.
En los nódulos viven las bacterias que fijan el nitrógeno del aire: le dan nitrógeno a la planta, y con sus restos, al suelo.
¿Cómo consigue el nitrógeno una mata de maíz?
Ninguna planta puede usar el N₂ directamente, ni del aire ni disuelto en la lluvia, y la fotosíntesis no fabrica nitrógeno. El maíz depende del nitrógeno del suelo, que llegó allí gracias a las bacterias fijadoras y a los descomponedores.
¿Por qué muchos campesinos siembran fríjol o arveja entre una cosecha de maíz y la siguiente?
El trabajo lo hacen las bacterias que viven en los nódulos, no las hojas de la planta. El fríjol sí necesita nitrógeno, como todo ser vivo; toma una parte del suelo, pero buena parte lo obtiene de sus bacterias, y lo que queda en sus restos enriquece el suelo.
Reto
¿Quién hace cada trabajo del ciclo del nitrógeno?
Lleva cada acción a la canasta del ser vivo que la hace.
Reto
Une cada etapa del ciclo con lo que pasa en ella.
Cada ficha de la izquierda es una etapa del ciclo del nitrógeno; búscale su descripción.
Reto
El crucigrama del nitrógeno.
Lee cada pista y escribe la palabra. No lleva tildes.
Cierre
En resumen
El N₂ es la mayor parte del aire, pero ni las plantas ni los animales pueden usarlo directamente.
Las bacterias fijadoras, libres en el suelo o en los nódulos de las leguminosas, convierten el N₂ en compuestos que las plantas absorben por las raíces.
Los animales obtienen el nitrógeno al comer; los descomponedores lo devuelven al suelo como amoníaco, otras bacterias lo pasan a nitratos y otras lo regresan al aire como N₂.
Las cosechas sacan nitrógeno del suelo; la rotación con leguminosas, el abono verde, los restos de cosecha y el compost lo devuelven y mantienen la fertilidad.
Vocabulario
- Fijación del nitrógeno
Transformación del N₂ del aire en compuestos que las plantas pueden absorber, como el amoníaco. La hacen sobre todo algunas bacterias.
- Leguminosa
Planta cuyo fruto es una vaina, como el fríjol, la arveja, el maní o el guamo. En sus raíces viven bacterias que fijan nitrógeno.
- Nódulo
Bolita que se forma en las raíces de las leguminosas, donde viven las bacterias fijadoras de nitrógeno.
- Nitratos
Compuestos de nitrógeno y oxígeno disueltos en el agua del suelo; son la forma en que muchas plantas toman el nitrógeno.
- Abono verde
Cultivo, a menudo de una leguminosa, que no se cosecha sino que se entierra para devolverle materia orgánica y nitrógeno al suelo.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Pregunte por qué una planta rodeada de aire, que tiene tanto nitrógeno, puede sufrir por falta de nitrógeno. Si consigue una mata de fríjol arrancada con cuidado y lavada, muestre los nódulos de la raíz; luego, todos se lavan las manos.
- Explicación · 15 min — Dibuje el ciclo con el aire arriba y el suelo abajo, y marque con un color distinto cada etapa en que actúan bacterias. Resuelva en el tablero el conteo de átomos y el modelo de la parcela.
- Práctica · 20 min — Preguntas en parejas; las canastas y el dominó se pueden proyectar y discutir en grupo, pidiendo que justifiquen quién hace cada trabajo.
- Cierre · 5 min — Pida que expliquen con sus palabras por qué se siembra fríjol después del maíz, usando las palabras «bacteria», «nódulo» y «suelo».
Preguntas para el salón
- Si desaparecieran todas las bacterias del suelo, ¿qué pasaría primero con las plantas y después con los animales?
- ¿Por qué un suelo encharcado puede perder nitrógeno?
- ¿Qué se lleva la finca cuando vende una carga de maíz, además del maíz?
Errores típicos
- Creer que las plantas toman el nitrógeno del aire, como el CO₂. Compare las dos flechas en el esquema: el CO₂ entra por las hojas; el nitrógeno entra por las raíces, y solo después de que las bacterias lo transforman.
- Pensar que el fríjol fija el nitrógeno por sí mismo. Insista en que el trabajo es de las bacterias de los nódulos; la planta les da casa y azúcar.
- Creer que todas las bacterias son dañinas. Pida que cuenten cuántas etapas del ciclo dependen de bacterias, y pregunte qué pasaría sin ellas.
- Suponer que más abono químico siempre es mejor. Recuerde lo que pasa con los nitratos sobrantes en las quebradas: el exceso daña el agua.
Tarea sugerida
Preguntar en la casa o en el barrio qué se siembra después del maíz o de otro cultivo y si se usa compost o estiércol, y escribir qué etapa del ciclo del nitrógeno favorece cada práctica.