Las plantas requieren de una serie de elementos químicos para su metabolismo, con los cuales pueden sintetizar, a partir de los productos de la fotosíntesis y de la energía obtenida por la respiración celular, aminoácidos que serán parte de la síntesis de proteínas. Estos elementos químicos son llamados los nutrientes esenciales, y según la cantidad que requieran se clasifican en macronutrientes primarios (nitrógeno, fósforo, potasio), macronutrientes secundarios (calcio, magnesio, azufre) y micronutrientes (boro, cobre, hierro, manganeso, molibdeno, níquel y zinc). Uno de los elementos químicos que mas demandan las plantas es el nitrógeno, el cual, cuando la oferta en el suelo es menor que las necesidades de la planta, es necesario adicionarlo, suplir el déficit, mediante una práctica llamada fertilización o abonamiento. La mayoría de los fertilizantes nitrogenados son manufacturados concentrando las formas más comúnmente utilizadas por las plantas como fuentes de nitrógeno: nitratos y amonio, es así que al agregar estos fertilizantes al suelo, estas moléculas se integran a la solución del suelo, y desde ésta son tomadas por las raíces y así llevar a todas las células el nitrógeno requerido para su metabolismo.
El uso de algunos fertilizantes nitrogenados ha promovido por mucho tiempo la contaminación de aguas profundas. Al darse una sobrefertilización, existirá en el suelo una mayor cantidad de nitratos que los que puede absorber la planta, se da así la oportunidad que los nitratos se movilicen a capas profundas del perfil del suelo, y llegar a acuíferos, una vez allí son transportados a distintos cuerpos de agua que pueden ser fuente de agua para consumo para el ser humano y esto podría propiciar problemas en la salud del ser humano, adicionalmente, y como consecuencia directa en los ecosistemas que se dan en cuerpos de agua, la llegada de fuentes nitrogenadas propicia el crecimiento exponencial de algas y microorganismos, los cuales al estar en grandes cantidades utilizan también grandes cantidades del oxígenos disuelto en el agua, haciéndolo indisponible para todos los otros organismos que estén presentes en esos cuerpos de agua, esa situación puede causar una gran mortalidad en esos otros organismos, entre ellos los peces. Es así como existe la disyuntiva en cuanto al uso de fertilizantes nitrogenados, dejar de utilizarlos tendrá serias consecuencias en el metabolismo de las plantas cultivadas, disminuyendo su producción y por tanto disminuyendo la oferta de alimentos para el ser humano, pero mantener su uso permitirá mantener y aumentar los niveles de contaminación de las aguas y promover los procesos de eutrofización. Adicionalmente, el uso indiscriminado de fertilizantes nitrogenados promoverá el aumento de las emisiones de óxido nitroso, gas que entra en la categoría de gases con efecto invernadero, es decir, el uso de fertilizantes nitrogenados promoverá el cambio climático.
Ante la situación planteada, mantener la productividad de los cultivos adicionando las cantidades de nitrógeno deficitarias, pero con el riesgo de contaminación de aguas y la consecuente eutrofización así como la emisión de óxido nitroso, pareciera definirse una dicotomía entre dos problemas fundamentales para la humanidad: la seguridad alimentaria, dada en gran medida por la actividad agrícola, y estrechamente relacionada con el problema del hambre mundial; y los problemas ambientales generados por actividades antrópicas, entre ellas la eutrofización y el cambio climático. Ante esa dicotomía se hace necesaria la búsqueda de alternativas, puesto que se está en presencia de dos problemas fundamentales para el presente y futuro de la humanidad. Una de esas alternativas es la utilización de la fijación biológica de nitrógeno atmosférico, proceso que algunas especies de bacterias que viven en el suelo son capaces de realizar gracias a que poseen la enzima nitrogenasa, capaz de catalizar la reacción en la cual partiendo de una molécula de nitrógeno atmosférico y en presencia de energía, obtener dos moléculas de amonio. Químicamente el proceso es explicado mediante:
Se puede lograr una primera diferenciación entre estas bacterias: aquellas que son capaces de lograr la fijación de nitrógeno en vida libre, y aquellas que solo son capaces de fijar nitrógeno al establecer una relación simbiótica con plantas. En la primera categoría se ubican bacterias anaerobias como por ejemplo las del género Clostridium, facultativas como las del género Klebsiella y aerobias como las de los géneros Azotobacter, Azospirillum y Beijerinckia. En la segunda categoría, son muy conocidas las relaciones simbióticas que se establecen entre plantas de la familia Fabaceae (Leguminosas) y bacterias de los géneros Rhizobium, y Bradyrhizobium. Al considerar que aproximadamente el 78% del aire está compuesto por nitrógeno elemental (N2), elemento químico que se presenta en forma de gas, se abre la posibilidad de utilizar intencionalmente en la agricultura a estas bacterias para proveer a las plantas de nitrógeno, pues como ya se mencionó, las plantas son incapaces de aprovechar el nitrógeno atmosférico como un nutriente. Tal como ya se indicó, las plantas están en capacidad de usar el nitrógeno cuando lo toman con las raíces desde la solución del suelo en forma de nitratos y amonio. Por tanto, la fijación biológica de nitrógeno atmosférico es una manera de hacer aprovechable el nitrógeno atmosférico en la nutrición mineral de la planta, ya que el resultado de la fijación biológica del nitrógeno atmosférico es amonio en el suelo.
Las bacterias de vida libre que fijan nitrógeno, no tienen ningún tipo de interacción con las plantas, mas allá que el nitrógeno que fijan sirve como fuente nitrogenada a éstas últimas. Pero en las que se establece la simbiosis, sí hay una gran interacción, en las cuales las bacterias logran de la planta protección, puesto que se alojan dentro de sus raíces y también logran energía. A cambio, las plantas obtienen nitrógeno en forma de amonio. Esta interacción es visualizada mediante los nódulos, que no son mas que prominencias que se forman en las raíces, las cuales contienen cientos de bacterias transformando al nitrógeno atmosférico en amonio. Esta interacción es específica entre pares de especies, es decir, entre la especie de la bacteria y la especie de la planta, puesto que para la formación del nódulo se debe establecer una comunicación bioquímica entre ambos organismos para que se dé la modificación morfológica y anatómica fundamentalmente en los pelos de la raíz, para conformar el nódulo. De forma resumida, el proceso inicia con la secreción de flavonoides (tipo de metabolito secundario) por parte de células de la raíz, estos flavonoides son detectados por las bacterias y activan sobre ellas a los genes nod, que al transcribirse y traducirse producen proteínas llamadas factores de nodulación, que al ser identificados por los pelos radicales, inician en éstos (es decir en la planta) los cambios morfológicos y anatómicos que derivarán en la formación del nódulo. El primer cambio es el rizado del pelo radical, propiciando que éste rodee completamente a la bacteria, durante todo el desarrollo del nódulo se dan cambios para conectar al nódulo con el sistema vascular de la planta, y de esta forma poder transportar el amonio formado por la actividad de la enzima nitrogenasa de la bacteria, hacia las partes de la planta donde sea requerido el nitrógeno. La nitrogenasa es una enzima altamente sensible a determinadas concentraciones de oxígeno, por esto la planta debe estar en capacidad de producir una proteína llamada leghemoglobina, la cual capta al oxígeno dentro del nódulo para lograr una máxima eficiencia en el trabajo de la nitrogenasa, es decir una máxima eficiencia en la fijación biológica del nitrógeno, en la transformación del nitrógeno atmosférico en amonio. El oxígeno que capta o inmoviliza la leghemoglobina no es el 100% del oxígeno que hay en el nódulo, se hace necesario que quede disponible oxígeno para la respiración de las células que se encuentran en el nódulo. La leghemoglobina es una proteína que confiere al nódulo una coloración de rosado a rojiza, es por esto que el indicador de que los nódulos están activos, que allí se está dando la transformación de nitrógeno elemental a amonio, es la coloración rojiza en el interior del nódulo. Por el contrario, ver la ausencia de esa coloración rojiza dentro del nódulo es indicativo de nódulos no activos o ya incluso senescentes.
Tal como se mencionó, la interacción es altamente específica, hay especies determinadas de Rhizobium o Bradyrhizobium para cada especie de cultivos, y esto es explicado por la comunicación bioquímica que debe darse para el inicio de la nodulación. Y en este contexto también existirá variabilidad, existirán cepas de bacterias de una misma especie con una mayor eficiencia en la fijación biológica de nitrógeno atmosférico sobre ciertos cultivares. Es por esta razón que las empresas biotecnológicas requieren de un trabajo continuo para seleccionar las cepas más eficientes en este proceso, y posteriormente evaluar varias de las cepas seleccionadas sobre los cultivares de mayor uso en un momento dado, de tal manera de poder dar la recomendación más apropiada. Dentro de esta variabilidad de respuestas, para tener un estimado general, se considera que en una hectárea donde hay bacterias fijadoras de nitrógeno, se pueden fijar biológicamente alrededor de 100 kg de nitrógeno, hay interacciones en las cuales se ha determinado una fijación de hasta 500 kg de nitrógeno por hectárea. El beneficio de esta fijación no es solo para el cultivo en el cual se dieron los nódulos, ya que estos al envejecer la planta, se desprenden y descomponen en el suelo aportando nitrógeno a éste, el cual podrá ser aprovechado por el próximo cultivo, por supuesto esto es una situación deseable en casos de rotación de cultivos. En cuanto al beneficio ambiental, la fijación biológica de nitrógeno está aportando nitrógeno aprovechable a la planta sin emisión de óxido nitroso y adicionalmente las posibilidades de contaminación de aguas profundas es mínima, puesto que el amonio es mucho menos móvil en el perfil del suelo de lo que son los nitratos. Es por esta razón que el aprovechamiento en la agricultura de la fijación biológica de nitrógeno atmosférico se vislumbra como una tecnología favorable para la agricultura e inocua para el ambiente, razón por la cual muchas empresas biotecnológicas han tornado sus esfuerzos hacia el entendimiento pleno del proceso para su optimización, y generación de productos que con este fundamento puedan ser ofrecidos al productor del campo.
Ing. Agr. Hernán E. Laurentin T. (M.Sc., Ph. D.)
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