Ciclo Del Nitrogeno

CICLOS de NUTRIMENTOS en el SUELO

NUTRIENTES ESENCIALES

Puntos a considerar:

Algunas generalidades sobre los suelos

Ciclo del nitrógeno

Entradas y salidas

Algunos términos importantes

N en términos globales

Como lo hacen los microbios

Balance de N (entradas=salidas)

Suelo

Producto secundario de la naturaleza resultado de la acción combinada de elementos, fenómenos y procesos que actúan sobre el material parental y a partir de donde se conforma su matriz mineral.

Sistema abierto sujeto a intercambios energéticos y materiales diversos (geológicos, climáticos, topográficos, hidrológicos, bióticos, etc.)

Suelo

Soporte físico de plantas y fuente de suministro de agua y nutrimentos.

Medio de producción fundamental en la agricultura (incluye la producción).

Interrelaciones Basicas ps Mineral Organic Water Air 45% ~5% 50% MATERIAL SÓLIDO (50%) “ POROUS MEDIA” (50%) MEDIO POROSO

El ciclo de los nutrientes inorgánicos pasa a través de varios organismos, además entran a la atmósfera ,(agua) hidrosfera e inclusive a las rocas , litosfera . Así, estos ciclos químicos pasan también por los bio lógicos y los geo lógicos, de donde se los denomina :

CADA compuesto químico tiene

su propio y único ciclo , pero

todos los ciclos tienen características en común

CICLOS BIO-GEO-QUÍMICOS

Hoy . . . . .

N I T R O G E N O

Número atómico Símbolo atómico Peso atómico Nitrógeno Nombre del elemento Configuración electrónica

CICLO DEL CARBONO

FORMULA ESCTRUCTURAL DE LA CLOROFILA La clorofila es una molécula compleja, formada por cuatro anillos pirrólicos, un átomo de magnesio y una cadena de fitol larga (C20H39OH).

DEFICIENCIAS ( nitrógeno) NORMAL Nitrogen es un componente de las proteinas, particularmente clorofila menos N resulta en menos clorofila , entonces, menor verdor > nitrogen <

1. Nutrición vegetal??? Tomar los elementos minerales desde el suelo No se refiere específicamente a la fotosíntesis.

Nombre % en planta relativo a N Funciones Macronutrientes (primarios) Nitrogen N 100 Proteins, amino acids Phosphorus P 6 Nucleic acids, ATP Potassium K 25 Catalyst, ion transport Mesonutrientes ( secundarios) Calcium Ca 12.5 Cell wall component Magnesium Mg 8 Part of chlorophyll Sulfur S 3 Amino acids Iron Fe 0.2 Chlorophyll synthesis Micronutrients (oligoelementos) Copper Cu 0.01 Component of enzymes Manganese Mn 0.1 Zinc Zn 0.03 Activates enzymes Boron B 0.2 Cell wall component Molybdenum Mo 0.0001 Involved in N fixation Chlorine Cl 0.3 Photosynthesis reactions

Summary of soil water chemistry In this summary occurrence of H+ in soil water is shown as the result of respiration of CO 2 and disassociation of carbonic acid H 2 CO 3 that forms Water flow

N-fixing bacteria Fig. 32.13 Most uptake from the soil is in the form of nitrate

Partículas minerales

Arena (entre 0.06 y 2.00mm)

Limo (entre 0.002 y 0.06mm)

Arcilla (<0.002mm)

Textura del suelo

Es la proporción relativa de arena, limo y arcilla en un suelo

Texturas (de acuerdo a USDA)

Arcilla

arcilla arenosa

arcilla limosa

franco (ideal, arena=50-72; limo=28-50; arcilla=5-28%)

franco arcillo arenoso

franco arenoso

Franco arcilloso

franco arcillo limoso

franco limoso

arena francosa

arena

limo

Consistencia

Porosidad

macroporos

microporos

Densidad aparente

Se refiere al peso del suelo con relación al volumen

Materia orgánica del suelo

Formada a partir de los diferentes residuos animales y vegetales que el suelo recibe.

Los tejidos orgánicos muertos >colonizados y atacados por varios organismos del suelo; las combinaciones orgánicas reconvertidas:

C 2

NH 4

H 2 PO 4

SO 4

Humus

Parte mas o menos estable de la materia orgánica del suelo que permanece en el suelo luego que los procesos iniciales de descomposición han degradado la mayor porción de los residuos animales y vegetales agregados al suelo

Humus

Tasa de mineralización: 1-5% por año en función de:

cantidad

composición: N, relación C:N (25-30 OK)

condiciones ambientales

suministro de agua

temperatura

Humus

Coloide, gran superficie de contacto, color oscuro.

Aumenta la CIC

aumenta la capacidad de retención de humedad

mejora la estructura del suelo

Contenidos de materia orgánica (%) en algunos suelos de selva y savanna

Efecto del sistema de producción sobre la Materia Orgánica en el suelo

Mineralización de C en suelos de Yucatán

Mineralización de N en suelos de Yucatán

Efecto de la reducción de materia orgánica del suelo (por erosión) y la mineralización del humus

Deterioro de la estructura. Reducción de

porosidad

aireación

captación de agua de lluvia

Efecto de la reducción de materia orgánica del suelo (por erosión) y la mineralización del humus (II)

Disminución de la capacidad de intercambio catiónico

reducción de la capacidad de retención de humedad

pérdida de nutrimentos potenciales en humus y reducción en cantidades liberadas hacia las plantas

Totales Mundiales (millones de hectáreas) Remoción de Vegetación 579 Sobreexplotación 133 Sobrepastoreo 679 Actividades Agrícolas 522 Industrial y Bioindustrial 23 Suelo Degradado = Menos alimentos

Termósfera Mesosfera Capa de ozono Estratosfera Troposfera

El ciclo del nitrógeno Productos Fertilizantes Ganado Plantas MO del suelo Fuego Partículas de suelo Lixiviación Lluvia ácida

Aspectos importantes sobre el ciclo del nitrógeno...

El N proviene de la atmósfera, no de material rocoso, como otros nutrimentos

Ciclos de C, P y S >muy asociados con el ciclo de N

Sustentabilidad :

entradas de N = salidas de N (o sea, sin pérdida neta de N del sistema)

Entradas de N en el sistema

Fijación de N 2

Depósito húmedo (NH 3 y N x O disueltos en agua de lluvia)

Depósito seco (NH 4 + y NO 3 - absorbidos por vegetación y suelo o por caída gravitacional de partículas en aerosol)

Adición de materia orgánica en excretas animales y residuos vegetales

Fertilizantes

Salidas de N en el sistema

Cultivos: animales y vegetales

Lixiviación

Pérdidas gaseosas

Volatilización de NH 3

Nitrificación / desnitrificación de N x O

Erosión y escurrimiento

Son suficientes estas entradas para una agricultura sustentable?

Cereales (maíz, sorgo), al menos 50-100 kg. N/ha/año

Pastos: casi no se utiliza, pero la producción tiende a bajar. Si se usa, es 100 kg. N/ha/año

Por tanto, actualmente:

NO HAY SUSTENTABILIDAD

¿Porqué?

Fijación de N 2 : no se explota! No hay leguminosas aún en potreros!

Mucha pérdida en excreta animal (NH 3 )

Depósitos atmosféricos: muy pocos, entre 5 y 10 kg. N/ha/año, en los mejores casos

Suelos delgados, erosión vertical y lixiviación!

Por lo tanto, se requieren fertilizantes!

Más fertilizante: Más Alimento, pero más polución también

Con prácticas futuras, aún es poco probable lograrlo, ¿porqué?

No se da tiempo al suelo para recuperar - time is money, you know!

Dependiendo del cultivo/sistema, se utiliza mucho N del sistema (carne=10%; leche=25%; cereales=hasta 70%)

Más motivados por factore$ económico$$ que por sustentabilidad!!

Para ésto, se requiere:

Optimizar las entradas, es decir, favorecer la fijación de N 2 y balancear descomposición de materia orgánica

Minimizar pérdidas, o sea, reducir pérdidas como volatilización de NH 3 y lixiviación de NO 3 -

¿Cual es la cuestion entonces?

Sabemos que hacer...

Pero no es rentable!!

Ya lo decía Virgilio (36-29 AC, más de 2000 años!!) en su poema de cuatro tomos Georgianos (el Arte de la Agricultura):

“ ... PARA PREVENIR LA PÉRDIDA DE LA FERTILIDAD DEL SUELO, ROTAR CULTIVOS, DEJAR BARBECHO Y SEMBRAR LEGUMINOSAS ...”

Términos importantes en el ciclo de nitrógeno:

Fijación biológica de N 2 : conversión de gas N 2 a formas de N orgánico

Inmovilización : absorción de N inorgánico y conversión a N orgánico

Mineralización : conversión de N orgánico a N inorgánico por microbios del suelo

Amonificación : conversión de N orgánico a NH 4 +

Más términos...

Nitrificación : conversión de NH 4 + a NO 3 -

Desnitrificación : conversión de NO 3 - a N 2

Fuego : conversión de N orgánico a gas N 2

¿Qué es el N en la materia orgánica del suelo y de que se compone?

20-50 % amino ácidos/proteínas

5-10 % como amino azucares

1 % como ácidos nucleicos

50 % desconocido (probablemente productos de metabolismo microbial en mayoría, p.e. algo de lignina)

Papel de microorganismos

La mayoría de las transformaciones del N en el suelo son llevadas a cabo por microorganismos.

Los microbios controlan el ciclo de N, excepto reacciones químicas y físicas

Papel de microorganismos: transferencia de Energía y nutrimentos SOL Plantas productoras Animales consumidores Reductores O 2 CO 2 N , P, Ca, S, etc

Descomposición de materia orgánica y N

Mineralización de N a partir de follaje

Reacciones físicas y químicas...

Fijación de NH 4 (carga +va) por partículas de arcilla (carga -va),

Lixiviación de NO 3 -

Fuego, causado por relámpagos

¿Dónde esta todo el N del mundo?

Estadísticas de N global

Atmósfera(*)

Océano

Suelos

Plantas y animales

Contenido de N (x 10 16 kg)

386

2.3

0.02

0.05

¿Dónde esta todo el N en el suelo?

Componente suelo-planta-animal

Biomasa vegetal

Biomasa animal

Hojarasca

Mat. Org. del suelo (*)

Biomasa del suelo (microbial y mesofauna)

NH 4 + fijado

NH 4 + y NO 3 - solubles

% en cada compartimento

3.5

0.06

0.6

90

0.15

4.8

0.3

Efecto de tipo de suelo sobre el contenido de N orgánico del suelo

Tipo de suelo

Turba (histosol)

Bosque pino (podzol)

Bosque deciduo (cambisol/suelo café)

Bosque tropical (oxisol)

% de N de suelo como N orgánico

99

90

90

90

Tiempo de residencia en el suelo

El tiempo de residencia para el N en el suelo ha sido estimado en 175 años !

Puede ser de 2-3 semanas, o hasta de 1000 años, dependiendo de la fracción en que se encuentre.

N como nutrimento para las plantas

Forma principal: nitrato (arroz/azaleas: NH 4 + )

Enzimas: nitrato reductasa y nitrito reductasa

Amonio: forma preferida por arboles y microbios

Absorción de N: regulado por suministro y demanda

Plantas: no acumulan N

75% N absorbido: removido por cultivo

% de N removido por algunos cultivos

Cantidad (kg/ha) de nutrientes removidos en la cosecha de diferentes cultivos

Curva típica de eficiencia de uso de N para cereales Incremento en rendimiento

Curva típica de eficiencia de uso de N para cereales (2)

Pérdidas de N

N es el nutrimento mas móvil en el suelo

Al menos 30 % de todo el fertilizante se pierde

Amonificación bacterial

Si N disponible > N requerido por los microbios, el exceso es excretado como NH 4 + al suelo (p.e. al degradar residuos con C:N bajo como nódulos que son ricos en N)

En suelos pH>7, el NH 4 + (ion en solución) es inestable y cambia a NH 3 (gas), que puede perderse vía volatilización

Nitrificación

Reacción aeróbica conducida por bacterias autotróficas que convierten amonio (NH 4 + ) a nitrato (NO 3 - ).

Las tasas máximas de nitrificación ocurren a pH neutro y altas temperaturas (factores que favorecen las bacterias involucradas en este proceso - Nitrosomonas y Nitrobacter

Nitrificación: el proceso NH 4 NO 2 NO 3 Amonificación Nitrificación

Desnitrificación bacterial

Reducción microbial de NO 3 - a N 2 O o N 2

e.g. Pseudomonas

Utiliza NO 3 - en lugar de O 2 como aceptor terminal de electrones

Condiciones que favorecen la desnitrificación:

Condiciones anaeróbicas (inundación)

Uso de fertilizantes

Altas temperaturas

Suelo pH neutro

Alto contenido de materia orgánica

Consecuencias...

Resulta en contaminación ambiental al destruir la capa de ozono

También contribuye al calentamiento global (óxidos nitrosos; aunque de efecto menor)

Calentamiento por gases de invernadero

Temperaturas en Superficie han aumentado en el siglo pasado

N 2 O

Volatilización de amoniaco

Proceso químico que convierte el ion amonio (NH 4 + ) a amoniaco (NH 3 ), que es acelerado por el viento, alto pH del suelo (>7) y altas temperaturas

Volatilización de amoniaco (2)

Ocurre en altas tasas en suelos áridos y calcáreos

También ocurre en suelos con baja CIC (e.g. suelos arenosos) pues el NH 4 + no es atrapado firmemente

Prevalece en suelos con aplicaciones de excretas de granja o urea (el olor a NH 3 proveniente de cama de pollo, p.ej.)

Lixiviación

Esto ocurre principalmente como NO 3 - (pues es adsorbido débilmente al suelo)

Se acelera bajo adiciones altas de fertilizante NO 3 - (suministro> demanda)

El NH 4 + solo es lixiviado en suelos arenosos (en los demás, es firmemente atrapado en/sobre la fase de intercambio)

La lixiviación requiere altas precipitaciones para mover NO 3 - lejos de la zona radicular

Escurrimiento y erosión

Escurrimiento - sucede cuando hay alta precipitación, compactación del suelo y no hay cobertura sobre el suelo

Erosión - el viento y/o el agua acarrean el suelo a otro lugar

Fijación Biológica de Nitrógeno F.B.N.

Fijación de gas N 2 a amoniaco (NH 3 )

Organismos fijadores de Nitrógeno

Bacteria

Algas azul-verde (cyanobacteria)

Fuente de Carbono (energía) para la fijación de nitrógeno

Heterotróficas (requieren asimilar C orgánico pre-formado) e.g. las bacterias, Rhizobium

Autotróficas (hacen su propio C por medio de la fijación de CO 2 ) en fotosíntesis

e.g. algas azul-verdes, Anabaena

Asociaciones para la fijación de Nitrógeno

En vida libre (es decir, fijan N 2 por si mismas) e.g. las bacterias, Azospirillum (30 % de todo el N 2 fijado en el planeta)

Simbiótica e.g. bacteria-planta ( Rhizobium y soya) (70 % de todo el N 2 fijado en el mundo)

Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno

Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno (2)

Simbiosis - dos organismos conviven juntos (bacterias dentro de raíces)- el C proviene de la planta anfitriona

Asociación - dos organismos vagamente asociados (bacterias no en raíces, sólo en la rhizosfera en torno a la raíz)- el C proviene de la planta anfitriona

En vida libre - no asociadas con otro organismo y ya sea que hacen su propio C, o lo obtienen de material vegetal muerto

Como se forma un nódulo en una relación simbiótica entre una leguminosa y las bacterias de Rhizobium texto

Tipos de bacterias

Rhizobium

Bradyrhizobium

El tipo de bacteria es muy específico para el tipo de planta

Especies de plantas

Frijol, chícharo, trébol

Alfalfa

Soja

Lupino

Maní

Especies de bacterias

Rhizobium leguminosarum

R. meliloti

Bradyrhizobium japonicum

B. lupinus

B. arachis

Porque diferentes géneros...

Rhizobium - de rápido crecimiento en medios de cultivo de laboratorio

Bradyrhizobium - de lento crecimiento en medios de laboratorio

Características de crecimiento bacteriano en cultivos de laboratorio

Donde se forman los nódulos?

En los pelos radicales e.g. trébol

En las uniones de las raíces laterales e.g. Maní ( Arachis )

En la base del tallo e.g. arboles de Sesbania

Algo para tomar en cuenta...

Los nódulos se forman únicamente en suelos pobres en nitrógeno

Por lo tanto, INDEFECTIBLEMENTE

los fertilizantes N reducen la fijación de N 2 y la formación de nódulos

Puntos importantes sobre la estructura de los nódulos

La corteza previene la difusión (al interior) de O 2 (esto inhibiría las enzimas nitrogenasas)

Tiene un buen suministro vascular para llevarse el N e importar C

Otro punto importante: No todos los nódulos pueden fijar nitrógeno!

Nódulos Efectivos - aquel que fija mucho N (son simbióticos)

Nódulos Inefectivos - fijan poco o nada de N (se les podría llamar parasíticos)

Algunas cifras sobre fijación de N 2

Absorción de nitrógeno y componentes del rendimiento para TRIGO . A large number of ear-bearing shoots and grains per ear are initiated and are later reduced in accordance with the growing conditions to sustainable numbers.

nitrate la concentración en la savia exprimida fuera del vástago de plantas. La cantidad de nitrógeno tomada por una cosecha depende de las condiciones cada vez mayor del campo particular y varía según las condiciones cada vez mayor del año (entre las líneas azules). La mineralización del nitrógeno de la materia orgánica de suelo también varía anualmente (entre las líneas rojas). Por lo tanto, el índice ' correcto ' del uso del fertilizante del nitrógeno para la misma cosecha en el mismo campo (flechas amarillas) será diferente a partir de año al año y puede necesitar el ajuste durante la estación de crecimiento.

Conclusiones