Proceso de Fijación de Nitrógeno: Definición y tipos

Nitrógeno en la atmósfera

El nitrógeno es un elemento vital para la vida. Forma parte de todas las proteínas y del material genético (ADN y ARN) que componen los seres vivos. El nitrógeno se encuentra en la atmósfera de la Tierra, el agua y el suelo. Dependiendo de la molécula en la que se encuentre, el nitrógeno puede estar disponible o no para que lo utilicen los seres vivos. Debido a este problema de disponibilidad, el nitrógeno es un factor limitante en el medio ambiente. Un factor limitante es una condición de la naturaleza que regula tanto el crecimiento de un organismo como el tamaño que puede alcanzar una población de organismos.

La atmósfera de la Tierra está compuesta por varios gases, entre ellos nitrógeno, oxígeno, argón y otros gases como el dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua. El nitrógeno es el gas más abundante en la atmósfera, con casi el ochenta por ciento. Le siguen el oxígeno, con el veintiún por ciento, y el argón, con el nueve por ciento. Todos los demás gases que componen la atmósfera representan solo el uno por ciento del total.

En la atmósfera, el nitrógeno tiene una estructura diatómica. Esto significa que dos átomos de nitrógeno se unen para formar una molécula de nitrógeno cuya fórmula química es N2. El orbital electrónico más externo de cada átomo de nitrógeno tiene tres electrones sin pareja. Estos tres electrones libres forman cada uno un enlace covalente con los electrones libres de otro átomo de nitrógeno. Los tres enlaces covalentes crean una molécula de nitrógeno muy estable.

Usos del nitrógeno

El nitrógeno tiene muchos usos industriales. En la industria química, se incorpora a fertilizantes, tintes y explosivos. También es un componente clave en la producción de nailon. El gas nitrógeno se utiliza durante la conservación de alimentos y para la producción de acero, así como de piezas electrónicas como transistores y diodos.

Si bien la necesidad industrial de nitrógeno es impresionante, se trata de un elemento esencial y un componente básico para los seres vivos. Dentro de cada célula se encuentra el material genético, el ácido desoxirribonucleico (ADN). Las nucleobases del ADN, guanina, citosina, adenina y timina, contienen cada una de dos a cinco átomos de nitrógeno. Del mismo modo, el material genético, el ácido ribonucleico (ARN), que controla la producción de proteínas, también contiene entre dos y cinco átomos de nitrógeno en sus nucleobases: guanina, citosina, adenina y uracilo.

Para producir proteínas, el ARN mensajero (ARNm) transcribe secciones de ADN. El ARNm lleva el mensaje transcrito a un ribosoma en el citoplasma, donde el ARN de transferencia (ARNt) leerá tres nucleobases a la vez para traducir el mensaje del ARN en una serie de aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas. Al igual que el ADN y el ARN, cada aminoácido contiene al menos un átomo de nitrógeno. Por lo tanto, las estructuras proteicas de todos los seres vivos dependen de la presencia de nitrógeno en las moléculas biológicas.

Tipos de fijación de nitrógeno

Existen tres métodos generales por los que se puede producir la fijación del nitrógeno. Se necesita mucha energía para romper los enlaces covalentes triples entre dos átomos de nitrógeno diatómico en la atmósfera. Los métodos capaces de utilizar esta energía para la fijación del nitrógeno incluyen los rayos, las tecnologías industriales y los métodos biológicos.

La fijación del nitrógeno por rayos ocurre en la atmósfera cuando rayos de alta energía hacen que los átomos diatómicos se separen y luego se recombinen con átomos de oxígeno. El método industrial de fijación del nitrógeno ocurre en el laboratorio, donde el nitrógeno atmosférico se fija en forma de amoníaco mediante el proceso Haber-Bosch para producir fertilizantes. Las bacterias en el suelo, el agua y las raíces de las plantas son responsables de la fijación biológica del nitrógeno. Estas bacterias utilizan energía celular y enzimas para descomponer los átomos de nitrógeno atmosférico y fijar el nitrógeno en compuestos que están disponibles para que las plantas los utilicen.

Fijación por rayo

Los rayos permiten que el nitrógeno de la atmósfera se fije en los nitratos del suelo, que pueden ser utilizados por las plantas. La energía presente en un rayo es lo suficientemente fuerte como para romper los átomos de nitrógeno diatómico. Una vez separados, los átomos de nitrógeno se unen al oxígeno de la atmósfera para formar dióxido de nitrógeno. El dióxido de nitrógeno se disuelve en el agua de lluvia para formar nitratos que caen al suelo. Una vez en el suelo, los nitratos se absorben en el suelo, donde están disponibles para la absorción por las raíces de las plantas.

Fijación industrial

La fijación industrial del nitrógeno convierte el nitrógeno atmosférico en amoniaco, un compuesto nitrogenado disponible para las plantas. En las fábricas de productos químicos, se utiliza el proceso Haber-Bosch para convertir el gas nitrógeno atmosférico en amoniaco para producir fertilizantes para las plantas. Durante el proceso Haber-Bosch, el gas nitrógeno diatómico se mezcla con hidrógeno y un catalizador a base de hierro. Esta mezcla se expone a altas temperaturas y presiones, lo que da como resultado la producción de amoniaco. En estas condiciones, los átomos de nitrógeno se separan para que los electrones de los átomos de hidrógeno se asocien con sus nuevos electrones orbitales externos desapareados.

Fijación biológica

La fijación biológica del nitrógeno es posible gracias a los microorganismos. Tanto las bacterias que viven en libertad en el suelo como las que viven en simbiosis con plantas u otros organismos pueden convertir el nitrógeno atmosférico en formas biológicamente disponibles de amoniaco y nitrato. Al menos el sesenta por ciento del nitrógeno disponible para los seres vivos se fija mediante procesos de fijación biológica.

Para convertir el nitrógeno atmosférico en amoníaco, las bacterias necesitan energía celular y la enzima nitrogenasa para catalizar una serie de reacciones químicas. Una enzima es un complejo proteico que reduce la cantidad total de energía necesaria para que se produzca una reacción química.

La enzima nitrogenasa de la bacteria se une a una molécula de nitrógeno atmosférico. En la primera reacción, se rompe uno de los enlaces triples entre los átomos de nitrógeno diatómico. Los electrones desapareados de cada nitrógeno se unen a los electrones de los átomos de hidrógeno (HN=NH). En una segunda ronda de la reacción se rompe otro enlace entre los átomos de nitrógeno y se añaden electrones de dos átomos de hidrógeno más a los electrones desapareados de los átomos de nitrógeno (HHN-NHH). En la ronda final de estas reacciones posibilitadas por la enzima, se rompe el enlace final entre los átomos de nitrógeno y los electrones desapareados se unen a los electrones de dos átomos de hidrógeno más. Como resultado de esta reacción final, se producen dos moléculas de amoniaco (NH3).

Si bien las bacterias que viven en libertad en el suelo fijan una cantidad significativa de nitrógeno atmosférico en amoníaco en los ecosistemas naturales, la asociación simbiótica de las bacterias fijadoras de nitrógeno y las plantas leguminosas es esencial para el cultivo. Una legumbre es una categoría de vegetales que incluye los guisantes, los frijoles, el trébol y las lentejas. Las bacterias rizobias infectan las raíces de las legumbres y se multiplican, formando nódulos en las raíces de las legumbres. De esta asociación simbiótica, tanto las bacterias como las plantas leguminosas se benefician. Las bacterias extraen moléculas de energía de la planta para satisfacer las necesidades de fijación de nitrógeno. A su vez, las bacterias proporcionan a la planta una gran cantidad de compuestos de nitrógeno utilizables. Los compuestos de nitrógeno sobrantes se liberan al suelo para el beneficio de futuras plantaciones.

Resumen de la lección

El nitrógeno es un elemento esencial para la vida. Es un componente básico del material genético y de las proteínas que necesitan todos los seres vivos. Aunque el nitrógeno gaseoso constituye al menos el setenta y ocho por ciento de la atmósfera de la Tierra, es un factor limitante para el crecimiento, ya que está encerrado en una estructura diatómica que no es una forma utilizable por los seres vivos. Para que sea utilizable, se requiere la fijación del nitrógeno mediante rayos, tecnologías industriales o métodos biológicos para romper los enlaces covalentes triples que mantienen unidos a dos átomos de nitrógeno y asociar sus electrones desapareados con electrones de átomos de hidrógeno u oxígeno. La fijación mediante rayos hace esto a través de la energía de un rayo y el oxígeno de la atmósfera para convertir el nitrógeno en nitrato. En la fijación industrial, el proceso Haber-Bosch coloca una mezcla de nitrógeno atmosférico, hidrógeno y un catalizador bajo altas temperaturas y presión para producir amoníaco para utilizar en fertilizantes. Con la fijación biológica, las bacterias en el suelo y en asociación simbiótica con las raíces de las plantas leguminosas utilizan la enzima nitrogenasa durante una serie de reacciones químicas para romper los enlaces entre el nitrógeno atmosférico uno a la vez para unir cada nitrógeno con un átomo de hidrógeno hasta formar dos moléculas de amoniaco.