La cascada del nitrógeno ocasionada por actividades humanas

Silvia Pajares Moreno

De ciclo a cascada del nitrógeno

05Fig01Figura 1. Nitrógeno molecular. Fuente: http://elianamaytorena.blogspot.mx/El nitrógeno (N) forma parte de los elementos imprescindibles para la vida por estar presente en todas las proteínas y en los ácidos nucleicos (ADN y ARN). A pesar de que es uno de los elementos más abundantes en la atmósfera y la biosfera, es el que menos pueden usar los seres vivos. La razón de esta contradicción se debe a que 99% del N en la Tierra se encuentra en forma de nitrógeno molecular (N2), y este gas es el más abundante de nuestra atmósfera, formando el 78% del total. El nitrógeno molecular tiene dos átomos de nitrógeno unidos por un triple enlace (como se muestra en la Figura 1), y se necesita una enorme energía para romperlo. Cuando el N2 se rompe, se forman los tipos activos de nitrógeno que los seres vivos pueden usar, como son las formas inorgánicas: amonio (NH4+), nitrato (NO3-), óxidos de nitrógeno, entre otros; y orgánicas: urea, aminas, ácidos nucleicos y proteínas.

     Las moléculas del nitrógeno se mueven por procesos biológicos y no biológicos (o abióticos) de manera cíclica en la Tierra, y a esto se le llama ciclo biogeoquímico del nitrógeno. Este ciclo comprende cinco procesos principales: 1. fijación, 2. asimilación, 3. amonificación, 4. nitrificación y 5. desnitrificación, como se ilustra en la Figura 2. La fijación del nitrógeno se produce fundamentalmente gracias a bacterias especializadas, como las del género Rhizobium que forman nódulos en las raíces de plantas como el frijol y otras leguminosas. Las bacterias Rhizobium son capaces de transformar el N2 atmosférico en NH4+, que es la forma como los organismos lo pueden incorporar a sus proteínas mediante la asimilación. Por ejemplo, en este proceso las plantas absorben el NO3- del suelo y lo reducen a NH4+, que es transferido a las moléculas de carbono para producir aminoácidos y otras moléculas orgánicas nitrogenadas que las plantas necesitan para crecer. Las bacterias heterótrofas y los hongos son los responsables de la amonificación, proceso por el cual el nitrógeno de los organismos muertos o de residuos orgánicos se transforma también en NH4+, volviendo a estar disponible para las plantas y microorganismos. En presencia de oxígeno, un 05Fig02Figura 2. Principales procesos del nitrógeno (N) a través de componentes biológicos y abióticos en el sistema terrestre. Adaptado de Wikipedia: https://goo.gl/MUAF3spequeño grupo de microorganismos autótrofos pueden convertir parte de este NH4+ en NO3- mediante el proceso de nitrificación. El NO3-, tiene una carga negativa, por lo que no se adhiere a las partículas del suelo que también tienen carga negativa, y es por esta razón que se lava con facilidad (proceso conocido como lixiviación). Cuando ocurre la lixiviación se pierde fertilidad en el suelo y además las aguas superficiales y subterráneas se enriquecen con NO3-, provocando problemas de eutrofización acuática y de salud en el hombre. En condiciones anaerobias, es decir cuando no hay oxígeno en el ambiente, un grupo diverso de microorganismos son capaces de respirar el NO3- y transformarlo hasta N2 mediante una serie de etapas secuenciales, en las cuales el nitrito (NO2-), el óxido nítrico (NO), que forma parte del esmog, y el óxido nitroso (N2O), un potente gas de efecto invernadero aparecen como productos intermedios. Todo este proceso se conoce como desnitrificación y se resume en estos pasos: NO3- → NO2- → NO →N2O → N2.

     Antes de la revolución industrial, el nitrógeno reactivo se originaba a partir del N2 por dos procesos: relámpagos y fijación biológica del nitrógeno. El nitrógeno reactivo no se acumulaba en el ambiente, porque existía un equilibrio entre el nitrógeno que fijaban los organismos biológicamente y la desnitrificación. Sin embargo, en las últimas décadas el nitrógeno reactivo se está acumulando en la naturaleza como consecuencia de las actividades humanas: incremento de los cultivos de leguminosas (los principales son el frijol y la soya), el uso de combustibles fósiles y sobre todo, para producir fertilizantes inorgánicos mediante el proceso desarrollado por los investigadores Haber y Bosch, como se ve en la Figura 3. Fritz Haber recibió el premio Nobel de Química en 1918 por desarrollar la síntesis catalítica del amoniaco a partir del dihidrógeno y el dinitrógeno atmosférico en condiciones de alta temperatura y presión. El método Haber-Bosch, como se le conoce, solucionó los problemas de la agricultura a escala mundial porque fue posible producir fertilizantes de manera industrial, sin necesidad de depender de desechos orgánicos como el estiércol. Al principio fue una historia de enorme éxito, ya que gracias a los fertilizantes inorgánicos la producción mundial de alimentos se disparó. Esta es una de las razones por las que la población humana ha crecido tanto recientemente, multiplicándose por seis en tan sólo 100 años. Sin embargo, para mantener este ritmo acelerado de crecimiento, también fue necesario aumentar la producción de fertilizantes y el uso de combustibles fósiles, y es así como comenzaron los problemas que aquejan hoy a nuestro planeta: sobrepoblación, calentamiento global, pérdida de biodiversidad, contaminación y cascada de nitrógeno, entre otros.

     De hecho, de todos los fertilizantes que se aplican a un cultivo, las plantas sólo absorben cerca de la mitad. El resto de los fertilizantes se lava con el riego y termina en los mantos acuíferos, donde ocasiona problemas en los ecosistemas, tiene efectos nocivos para la salud, y se volatiliza a la atmósfera en forma de gases reactivos que contribuyen con el calentamiento global y la contaminación del aire. Conforme estos compuestos nitrogenados avanzan a través de los ecosistemas, desencadenan lo que se conoce como cascada del nitrógeno, que se muestra en la Figura 4.

     Actualmente la aplicación de fertilizantes químicos ha duplicado la cantidad de nitrógeno reactivo que circula por el planeta, provocando que el ciclo del nitrógeno esté alterado en más del 80%, mientras que el del carbono lo está en menos del 10%. Por ello, el nitrógeno antropogénico es probablemente una amenaza medioambiental mayor que el carbono debido a las actividades humanas y de la que se habla muy poco.

El ciclo alterado del nitrógeno, un serio problema ambiental

05Fig03Figura 3. Tendencias históricas del nitrógeno reactivo formado por la actividad humana. También se muestra el rango de fijación de nitrógeno (alrededor de 100 millones de toneladas por año) que se produce en los ecosistemas terrestres naturales, principalmente por bacterias en asociaciones simbióticas con las plantas. Adaptado de United Nations Environment Programme (2007): http://goo.gl/OEgVpfLas actividades agrícolas liberan, por una parte, amoniaco (NH3), óxido nitroso y óxido nítrico (N2O y NO, respectivamente) que se van a la atmósfera y, por otra, nitratos (NO3-) que llegan a los acuíferos. De la combustión de carburantes fósiles se desprende NO y dióxido de nitrógeno (NO2), compuestos que se conocen genéricamente como NOx. La intensificación de las actividades agrícolas y la combustión de carburantes fósiles aumentan la cantidad de formas reactivas de nitrógeno en el ambiente. Estos compuestos, antes de depositarse en un sumidero final en forma de N2 o quedar inmovilizados en suelos o sedimentos, tienen una serie de efectos en cascada para la salud humana y los ecosistemas, como se ilustran en las Figuras 4 y 5, entre los que destacan:

  • El NO y el NO2 reaccionan con compuestos volátiles orgánicos, produciendo un aumento de la concentración del ozono (O3) troposférico que repercute en la vegetación y la salud humana e intensifica el efecto invernadero.
  • El NH3 reacciona con ácidos presentes en la atmósfera, entre ellos el ácido nítrico (HNO3) resultante de las emisiones de NOx, lo que produce un aerosol fino que se desplaza largas distancias, depositando nitrógeno reactivo a muchos kilómetros de su fuente de origen. Estos aerosoles al ser respirados pueden provocar enfermedades coronarias y respiratorias.
  • La deposición de nitrógeno oxidado (NOy) y nitrógeno reducido (NHx) produce eutrofización de ecosistemas acuáticos. La eutrofización provoca floraciones de algas y plantas acuáticas, lo cual reduce el oxígeno (hipoxia) disponible en el agua, ocasionando la muerte de peces y otros organismos, con la consiguiente disminución de la biodiversidad del ecosistema. Estos compuestos también pueden acidificar el suelo, produciendo cambios en la composición de especies y la calidad del agua.
  • La lixiviación del nitrógeno agrícola causa el aumento de NO3- en aguas subterráneas y superficiales, con riesgos para la salud humana porque el agua que se considera potable queda contaminada. También provoca cambios en los sistemas acuáticos.
  • El óxido nitroso (N2O), también conocido como gas de la risa, es uno de los gases causantes del efecto invernadero y contribuye en cerca del 12% del potencial de calentamiento global de origen antropogénico. Además, también interviene en la química atmosférica dando lugar a la destrucción de la capa de ozono (O3) estratosférica.

Soluciones futuras a los efectos en cascada que provoca el exceso de nitrógeno en el ambiente

05Fig04Figura 4. La cascada del nitrógeno en el ambiente. Muestra los efectos secuenciales que un sólo átomo de N puede tener en los compartimentos terrestres, atmosféricos y acuáticos después de transformarse de N2 no reactivo a una forma reactiva (flechas amarillas). Adaptado de United Nations Environment Programme (2007): http://goo.gl/OEgVpf.Existe poca conciencia pública sobre la importancia del exceso de nitrógeno reactivo y la amenaza que supone para el medio ambiente y la salud humana. La complejidad de las interacciones entre diferentes contaminantes nitrogenados y sus múltiples efectos es uno de los principales obstáculos cuando se intenta sensibilizar a la sociedad. Sin embargo, a pesar de la falta de concienciación a este gravísimo problema, existen diversos tipos de propuestas para ponerle solución.

     Además, como el ciclo del nitrógeno está acoplado al del carbono, muchas de las soluciones a los efectos de la cascada del nitrógeno ayudarán a mitigar también el acelerado crecimiento del dióxido de carbono (CO2), principal causante del cambio climático que estamos viviendo.

     Desde la parte agrícola, se propone mejorar el rendimiento de los cultivos e incrementar la eficiencia en el uso de nitrógeno con algunas medidas, como son evitar la fertilización excesiva, limitar los riegos tras la fertilización, usar fertilizantes de liberación lenta, abonos verdes o estiércol e implementar la rotación de cultivos. Adicionalmente, se ha propuesto tratar de cambiar la política alimentaria a nivel mundial, fomentando el consumo de menos carne y la producción local de alimentos para reducir la necesidad de fertilizantes en grandes zonas agrícolas.

     También se necesitan mejorar los sistemas de depuración de aguas. Existen algunas propuestas ingeniosas y sencillas, como la de colocar redes que atrapen el nitrógeno mediante una tela de alambre cubierta por algas que se coloca en zonas acuáticas con altas concentraciones de nitrógeno. Las algas capturan el nitrógeno y lo usan para crecer, disminuyendo la cantidad de nitrógeno en el agua. Posteriormente, parte de estas algas se pueden dar como alimento al ganado, repitiéndose de nuevo el proceso.

     Por supuesto, otra solución necesaria es la de reducir emisiones de combustibles fósiles. Esto se podría conseguir sustituyéndolos por fuentes de energías renovables o limpias (como la solar o la eólica), disminuyendo el consumo eléctrico, fomentando el uso del transporte público, la bicicleta o de autos híbridos e instalando catalizadores en los autos.

05Fig05Figura 5. Consecuencias de las formas inorgánicas del nitrógeno reactivo en el ambiente. Elaboración propia.     Además, para encontrar soluciones acertadas ante este grave problema ambiental, económico y social se necesita de la colaboración de la comunidad científica. Por ejemplo, en el Laboratorio de Ecología Microbiana Acuática del Instituto de Ciencias del Mar y Limnología de la UNAM, tratamos de comprender cómo la disminución del oxígeno en el Pacífico mexicano y en lagos tropicales de México, debido al calentamiento global y la eutrofización del agua, afecta a las comunidades microbianas acuáticas que controlan el ciclo del nitrógeno y las consecuencias que tendrá en el funcionamiento de estos ecosistemas acuáticos.

     México, al igual que el resto del mundo, tiene un gran reto en la lucha contra el cambio climático. Entre las estrategias a implementar, una de las prioridades es reducir el nitrógeno reactivo en el ambiente.

     Actualmente nuestro país está instrumentando la Estrategia Nacional de Cambio Climático, además acaba de aceptar una serie de compromisos en la XXI Cumbre de Cambio Climático, celebrada recientemente a finales 2015 en París. Entre las acciones, México se ha comprometido a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 22 % para el 2030, incentivando el uso de energías renovables y la conservación de ecosistemas, como los bosques y humedales, que contribuyen a la reducción de los gases de efecto invernadero. Estas son sólo algunas de las medidas que se tienen que impulsar para luchar contra el cambio climático.

Para saber más

  • Galloway J.N., Aber J.D., Erisman J.W., Seitzinger S.P., Howarth R.W., Cowling E.B., Cosby, B.J. 2003. The nitrogen cascade. BioScience 53: 341-356.
  • Galloway J.N., Townsend A.R., Erisman J.W., Bekunda M., Cai Z., Freney J.R., Martinelli L.A., Seitzinger S.P., Sutton M.A. 2008. Transformation of the nitrogen cycle: Recent trends, questions, and potential solutions. Science 320: 889-892.
  • Fowler D., Pyle J.A., Raven J.A., Sutton M.A. 2013. Discussion Meeting Issue 'The global nitrogen cycle in the twenty-first century'. Philosophical Transactions of the Royal Society 368, issue 1621.
  • United Nations Environment Programme. 2007. Reactive nitrogen in the environment: Too much or too little of a good thing. The Wood Hole Research Center, USA. 56 pp.