El Nitrógeno y sus transformaciones

El nitrógeno amoniacal, NH3 es un contaminante que ejerce numerosos efectos adversos

en el medio ambiente (API, 1981). Sin embargo, su presencia es común y se puede encontrar en el suelo, el agua y el aire. El amoníaco se recicla de forma natural en el medio ambiente como uno de los pasos del ciclo del Nitrógeno. A causa de su reactividad, esta sustancia no dura mucho en su forma pura (ATSDR, 2002). Su presencia en los efluentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales, que son descargados posteriormente a cuerpos receptores o en el suelo, es indeseable por varias razones, como pueden ser problemas: de toxicidad en los organismos acuáticos; por la reducción de la concentración de oxígeno disuelto en las aguas receptoras, también como efecto de envejecimiento del cuerpo de agua (eutroficación) ya que estimula el crecimiento de algas y plantas acuáticas arraigadas a cursos de agua poco profundos (EPA, 1975; Kiely, 1999; Rittmann and McCarty, 2001).

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También el impacto directo o indirecto de dichos efluentes en la recarga de las fuentes de abasto de agua potable ya sean superficiales o subterráneas, (Jolánskai y Gareth, 1985) pueden llegar a incidir en la calidad del agua almacenada, como consecuencia de la transformación del amoníaco a nitratos (WHO, 1978; EPA, 2004). Los nitratos actualmente constituyen la principal fuente de contaminación difusa de las aguas superficiales y subterráneas. (Auge, 2004; IWSA, 1998)

Los nitratos se encuentran de manera natural en los vegetales, especialmente en las hortalizas de hoja verde, como las espinacas y la lechuga. Los nitratos en sí son relativamente poco tóxicos. Su toxicidad viene determinada por su reducción a nitritos en el cuerpo humano, que en altas concentraciones pueden originar metahemoglobinemia, cuyo signo más característico es la cianosis (Gupta et al., 1999; WHO, 2001). Esta enfermedad afecta de manera especial a aquellos bebés y niños de corta edad que están expuestos a altas concentraciones de nitratos a través de la dieta, denominándose a menudo el “síndrome del bebé azul” (EPA, 1975). Existe una relación directa entre la concentración de nitratos en el agua con la presencia de cáncer estomacal y de esófago (ACS, 2012; NLM, 2006; Pontius, 1993).

De acuerdo con las transformaciones de los compuestos de nitrógeno, se ha observado que éstos no permanecen en un lugar. Se desplazan lentamente entre seres vivos o muertos, por el aire, la tierra y el agua. A este movimiento se le conoce como ciclo del nitrógeno (Crites y Tchobanoglous, 2000; Castillo, 2005).

Ciclo del Nitrógeno.

El nitrógeno es un elemento básico de la vida y está presente en determinadas reacciones químicas e intercambios entre la atmósfera, suelos y seres vivos, que se realizan en la naturaleza de forma cíclica. Intervienen fundamentalmente en este ciclo los vegetales y las bacterias fijadoras del nitrógeno. En ese proceso, el nitrógeno es incorporado al suelo que será absorbido por los organismos vivos antes de regresar de nuevo a la atmósfera como muestra la figura 12.

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Figura 12 Ciclo del Nitrógeno (Manaham, 1994)

El nitrógeno elemental (N2), el cual es un gas inerte, se encuentra integrando

aproximadamente en un 80% a la atmósfera terrestre. Aunque se halle en abundancia en dicha atmósfera, en la corteza terrestre los compuestos químicos del nitrógeno existen en escasas proporciones (Díaz, 1985), ya que el nitrógeno que se encuentra en los mencionados compuestos tiende a volver a esa forma estable gaseosa (Kiely, 1999; Prinn et al., 2000; Aulakh et al., 1998)

Gran parte de los seres vivos no son capaces de aprovechar el nitrógeno atmosférico en la forma en que se encuentra en el aire (N2); sin embargo, puede ser convertido a una

forma químicamente combinada y de esta manera poder ser utilizado por las plantas. A este proceso se lo denomina fijación del nitrógeno.

La fijación del nitrógeno es el proceso que se origina por la acción de unos pocos organismos (fijación biológica), y en menor grado, como consecuencia de ciertos procesos atmosféricos (fijación atmosférica) (Díaz, 1985).

 Fijación biológica del nitrógeno

Puede ser efectuada por algunas algas y bacterias de vida autónoma y distintos microorganismos que viven en relaciones simbióticas. Entre éstas cabe destacar por su importancia a la bacteria Rhizobium, la cual se encuentra en los nódulos radiculares de

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las plantas leguminosas (soja, trébol, alfalfa, etc.) y es capaz de tomar el nitrógeno atmosférico y convertirlo en amoníaco o ión amonio. Como consecuencia de este proceso estos productos también aparecen en el suelo, el amonio podrá ser absorbido por las plantas a través de su sistema radicular, el que será utilizado para la formación de aminoácidos y proteínas. Debido a la ingestión de los vegetales del nitrógeno orgánico, éste se incorporará como proteína a todos los seres vivos a través de la cadena alimentaria (Díaz, 1985).

 Fijación atmosférica

Se ocasiona como resultado de fenómenos de ionización, como pueden ser tormentas eléctricas, radiación cósmica, etc., los cuales entregan la energía necesaria para que ocurra la combinación del nitrógeno con el oxígeno o el hidrógeno, dando origen a compuestos solubles en el agua de lluvia que se incorporarán al suelo (Díaz, 1985). El contenido de nitrógeno en el agua de lluvia, el que es excretado por los animales como producto residual (heces y orina) en forma inorgánica u orgánica, y el que se encuentra en las proteínas de los seres vivos mediante los restos de vegetales y animales muertos, retornan al suelo.

En éste, sufre diferentes transformaciones a través de procesos como son la mineralización o amonificación, así como también los de nitrificación, inmovilización (cambio de nitrógeno inorgánico a forma orgánica) y desnitrificación (Seoanez Calvo, 1999).

 Amonificación

Este proceso engloba a las variadas reacciones que dan origen a la formación del ión amonio, comenzando desde la degradación de los compuestos orgánicos del nitrógeno (Díaz, 1985).

 Nitrificación

Este es un proceso de oxidación biológica por el cual el ión amonio generado, ya sea a partir del proceso de amonificación o fijación del nitrógeno, se transforma seguidamente, habiendo un medio oxidante, en nitritos y nitratos (Díaz, 1985). Dicho proceso se produce

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en dos etapas e intervienen dos grupos de bacterias, las Nitrosomonas, que convierten el ión amonio a ión nitrito, y las Nitrobacter, que oxidan el ión nitrito a ión nitrato.

Las bacterias del género Nitrosomonas oxidan el NH3 a NO2-. Los nitritos son oxidados a

nitratos NO3- mediante bacterias del género Nitrobacter. Ambos tipos de bacterias son

aerobias estrictas, por lo que necesitan de la presencia de oxígeno molecular (O2)

(Manahan, 1994).

El nitrato es más fácilmente absorbido por las plantas debido a su condición aniónica, por lo que tiene mayor posibilidad de movimiento en relación al amonio, así como también de lixiviarse y llegar a aguas subterráneas y superficiales.

 Inmovilización

Es el cambio del nitrógeno inorgánico a una forma orgánica a través de los microorganismos del suelo y de las plantas, cuando incorporan el nitrógeno inorgánico dentro del tejido microbiano y de la planta respectivamente (Kiely, 1999).

 Desnitrificación

Con este proceso se cierra el ciclo del nitrógeno, en el cual se reducen los nitritos y nitratos a nitrógeno molecular (N2) u óxido nitroso (N2O), en condiciones anaeróbicas. En

este proceso los nitratos son reducidos a nitrógeno, el cual se incorpora nuevamente a la atmósfera. Este proceso se produce por la acción catabólica de los organismos que viven en ambientes con escasez de oxígeno como sedimentos, suelos profundos, etc. Las bacterias utilizan los nitratos para sustituir al oxígeno como aceptor final de los electrones que se desprenden durante la respiración. De esta manera el ciclo se cierra.

Dicha acción en el suelo es efectuada principalmente por bacterias desnitrificantes como son las Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus y Micrococcus (Díaz, 1985); por consiguiente, estos gases originados son liberados a la atmósfera (Kiely, 1999).

Este ciclo describe los procesos dinámicos (transporte y transformación) mediante los cuales el nitrógeno es intercambiado entre diversos medios, es decir, atmósfera, suelo, agua, plantas, animales y seres humanos (Díaz, 1985) ( figura 13).

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Figura 13 procesos de transporte y transformación del nitrógeno (Díaz, 1985).

A medida que los humanos cambiamos o evolucionamos, la forma de vivir en el planeta impacta en la forma como el nitrógeno se mueve alrededor de la Tierra. Variaciones recientes en el ciclo de nitrógeno están ejerciendo un efecto muy notable sobre el medio ambiente natural y sobre la salud de los humanos (Gijzen y Mulder, 2001). Los lagos tienen enormes cantidades de yerbas acuáticas y algas; los contaminantes del aire que contienen nitrógeno, hacen que la calidad del aire empeore y los gases invernadero que contienen nitrógeno son cada vez más comunes.

Alteración del Ciclo del nitrógeno, contaminación por actividades antropogénicas

La fijación del nitrógeno y la desnitrificación, son dos procesos fundamentales de la naturaleza que equilibran la entrada y salida del nitrógeno en la biosfera. Sin embargo, como consecuencia de las diversas actividades desarrolladas por los seres humanos se ha producido una alteración del ciclo natural del nitrógeno, por lo que la entrada total de nitrógeno en la biosfera es excesiva respecto a su salida mediante el proceso de desnitrificación.

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Este desbalance es mayormente producido por la fijación industrial del nitrógeno, además de otras fuentes (Gijzen y Mulder, 2001). A continuación se mencionan algunas de las fuentes que contribuyen a la alteración del ciclo del nitrógeno:

Fuentes antropogénicas de nitrógeno

 Fertilizantes

Un dato a considerar es que las plantas no pueden absorber completamente el nitrógeno del suelo, por lo que la utilización puede variar de acuerdo al tipo de cultivo y las técnicas agropecuarias. Para obtener una máxima producción, se aplica un exceso de fertilizantes al suelo (WHO, 1978). El nitrógeno que proviene de los fertilizantes y que no es usado por los vegetales, puede “fugarse” de los sistemas agrícolas hacia las aguas subterráneas o hacia las superficiales, aunque también puede escaparse a la atmósfera como gas.

La mayor parte del nitrógeno que se pierde del mencionado sistema lo hace en forma de nitrato, el cual al ser débilmente absorbido por el suelo queda en solución y puede lixiviarse a través del perfil del suelo e incluso alcanzar el agua subterránea (Kiely, 1999). Respecto a la contaminación con nitratos, ésta varía en relación al clima, tipo de suelo, tipo de cultivo, prácticas de cultivo, cantidad de fertilizante y período de aplicación (Jolánskai et al., 1985).

Se pueden agregar al suelo fertilizantes orgánicos (estiércol, abono verde, compost) o inorgánicos (urea, amonio, nitrato); estos últimos tienden a convertirse velozmente a nitrato, el cual podrá ser absorbido por el cultivo o lixiviado.

 Aguas residuales industriales

Algunos efluentes industriales poseen grandes cantidades de materia orgánica nitrogenada, particularmente aquellos procedentes de las industrias alimenticias (productos lácteos, enlatados, mataderos, etc.), industrias textiles, industrias del papel, etc. La contaminación con nitratos varía en relación al clima, tipo de suelo, tipo de Industria (Díaz, 1985).

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Los líquidos residuales domésticos contienen compuestos del nitrógeno. Esta contaminación varía de acuerdo con diferentes factores, como ser los componentes del suelo, el clima, la profundidad con relación al nivel de agua, etc. (AGN, 1998).

 Excretas animales

Las excretas provenientes de animales de granja contienen grandes cantidades de material nitrogenado que puede ser convertido en nitratos e impactar dependiendo del tipo de suelo, el clima y la relación con la hidrología del lugar (WHO, 1978).

 Residuos domésticos

En áreas urbanas, suburbanas o rurales algunas fuentes de residuos orgánicos pueden contribuir con una importante liberación de nitrógeno al ambiente (IWSA, 1998). Los basureros a cielo abierto funcionan como medio para contaminar las aguas subterráneas, mediante lixiviación de los líquidos provenientes de los propios residuos o por la infiltración del agua de lluvia a través de los mismos.

 Emisiones gaseosas

Las emisiones gaseosas provenientes de diferentes procesos industriales, del transporte, de la quema de combustibles fósiles, del tratamiento de aguas residuales, de la agricultura regada con fertilizantes o con aguas residuales tratadas o no tratadas se liberan a la atmósfera conteniendo óxidos de nitrógeno (NOx y N2O) (Miller, 2002; Kiely,

1999; IPCC, 2007).

Aunque el aire en nuestra atmósfera está mayormente compuesto de nitrógeno gaseoso, (N2), existen otros gases que también contienen nitrógeno (Smith y Smith, 2000). Estos

forman tan sólo un pequeño porcentaje de las moléculas de aire en la atmósfera, pero su presencia está creciendo aceleradamente y, aunque en cantidades pequeñas, pueden causar grandes cambios en nuestro planeta (IPCC, 2007).

El ciclo del nitrógeno y los Gases de Efecto Invernadero GEI

Ciertos gases hacen que la atmósfera atrape calor solar en la superficie del planeta. Esto es el efecto invernadero, pero sin este efecto la temperatura promedio de la Tierra sería de 18 °C bajo cero, en lugar de los confortables 14.6 °C que alcanza en la actualidad. En

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el siglo XX, desde 1976, han aumentado con mayor rapidez las temperaturas que durante los últimos 1000 años debido a los cambios en las actividades humanas.

Los GEI son los gases integrantes de la atmósfera, de origen natural y antropogénicas, que absorben y emiten radiación reflejada por la superficie de la Tierra, la atmósfera, y las nubes. Esta propiedad causa el efecto invernadero. El vapor de agua (H2O), dióxido de

carbono (CO2), óxido nitroso (N2O), metano (CH4), y Ozono (O3) y los Clorofluorocarbonos

(CFC) son los principales. (IPCC, 2007) (figura 14)

Figura 14.Distribucion de los principales GEI (IPCC 2007).

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Para nuestra investigación nos centraremos en el óxido nitroso que forma parte del ciclo del nitrógeno; el cual se emite como resultado de las actividades humanas como es el uso de fertilizantes, el tratamiento y disposición del agua residual, la quema de combustibles fósiles, los procesos naturales de los suelos y también el N2O que liberan los océanos

(IPCC, 2007).

Los óxidos de nitrógeno son inertes en la tropósfera, y son destruidos en la estratosfera por la fotólisis solar (90% de su destrucción) y por la reacción con oxígeno atómico (10% de la destrucción). El promedio de vida del óxido de nitrógeno en la atmósfera es de

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ciento cincuenta años aproximadamente (Miller, 2002). La importancia de este gas se muestra en el potencial de calentamiento global que posee, siendo el mayor de los principales GEI (IPCC, 2007).

El Potencial de Calentamiento Global (GWP) se refiere a un índice que describe las características radiativa de los gases de efecto invernadero y que representa el efecto combinado de los diferentes tiempos que estos gases permanecen en la atmósfera y su eficiencia en la absorción de radiación infrarroja.

Este índice representa el efecto del calentamiento de una masa–unidad de gas de efecto invernadero con relación con una unidad de dióxido de carbono (IPCC, 2007). Los potenciales de calentamiento de los principales GEI se muestran a continuación (tabla 6).

Tabla 6. Potencial de Calentamiento Global de los GEI (IPCC, 2007)

Potencial de calentamiento global de Gases de Efecto Invernadero (GEI) (Comparado al CO2) Gas de Efecto Invernadero PCG Después de 20 Años PCG Después de 100 años Dióxido de Carbono 1 1 Metano 62 23 Óxido de Nitrógeno 275 296