Nitrificantes heterótrofos: grupo menos especializado lo que requieren medios con sustratos orgánicos con amonio o nitritos y pueden acumular nitritos o nitratos cuando el crecimiento cesó. Los organismos son bacterias y actinomicetes, y hongos. Aspergillus flavus es reconocido en la oxidación
del amonio hasta nitrato, a partir de nitropropionato con un equipo enzimático especializado, con nitrito intermediario:
peroxidasa 3 nitropropionato → NO2-
Energía: su principal fuente proviene de sustratos orgánicos pero la energía liberada es escasa y no satisface los requerimientos plásticos de los microorganismos (no está acoplada a procesos de biosíntesis)
Sustratos: pueden ser amonio, nitrofenoles, oximas, amidas, hidroxilamina, nitropropionato. Algunos de ellos tienen carácter de factores de crecimiento, sobre todo los ácidos hidroxámicos, involucrados en la toma de hierro, por formación de quelatos (sideróforos). Otro grupo tiene carácter
biocida como la actidiona, ácido aspergílico (lucha biológica) y otros poseen carácter mutagénico como nitrito, hidroxilamina y derivados nitrosos.
El cuadro 2 (Focht y Verstraete, 1977) resume datos sobre la nitrificación heterótrofa, comparándola con la autótrofa. Como se aprecia, la velocidad del proceso autótrofo es 103-104 veces mayor que el heterótrofo y la capacidad de formación de productos finales es del orden de 102 a 103 veces inferior. El rol de los nitrificantes heterótrofos en la provisión de nitratos para los vegetales es controvertido. Si bien su eficiencia es baja, su densidad puede ser alta en ciertas condiciones, acumulándose cantidades importantes de nitrógeno mineral. Pueden además, actuar cuando los autótrofos no pueden sobrevivir: altas temperaturas, bajo nivel de O2, pH ácidos.
Ecología
Se analizarán aspectos ecológicos de la nitrificación autótrofa por su importancia cuantitativa y por el hecho de estar más afectada por las condiciones del medio. La gran similitud fisiológica de las especies actuantes explica en parte la sensibilidad a condiciones ecológicas: el proceso puede no ocurrir o ser extremadamente lento en suelos anegados, de pH muy bajo, o bajo temperaturas muy altas. Como la amonificación es un proceso menos específico, en el suelo se acumulará amonio. Analizaremos el efecto de los principales factores (Schmidt, 1982, Walker, 1978).
Nivel de nutrientes: el sustrato energético puede ser el factor limitante: amonio o nitrito.
Nitrosomonas generalmente oxida 35 unidades de nitrógeno y Nitrobacter unas 100 unidades de
nitrógeno por cada C-CO2 asimilado. La producción de nitratos es proporcional al amonio disponible. El carbono no es una limitante ya que lo toman del CO2, carbonatos, bicarbonatos. El nitrito puede acumularse cuando se inhibe la actividad de los oxidantes del nitrito, como ocurre luego de aplicar altas dosis de urea, amoníaco anhidro o sales de amonio, a pH alto.
La autoecología de estos grupos nos explica ya esta inhibición (cuadro 3). Se observa que el primer paso de la oxidación es más versátil. Condiciones adversas de pH, temperatura o dosis altas de fertilizantes amoniacales, conducen a la acumulación de nitritos, tóxicos para los vegetales y la mayoría de los microorganismos.
Cuadro 2 Nitrificación heterótrofa y autótrofa
organismo sustrato producto final velocidad conc.máxima
ugN/día/g célula µgN/ml Arthrobacter spp. NH4 , succuinato hidroxilamina 12 0,2 nitrito 375 0,2 nitrato 250 NH4 y N-orgánico nitrito - 1,6 nitrato - 14,1 NH4 y acetato hidroxilamina 4.500 15,0 nitrito 9.000 18,0 nitrato 650 2,0 ác. hidroxámico 600 6,0 1-nitroetanol 300 10,0 Pseudomonas acetaldoxina nitrito 2.000 150,0 aeroginosa
Hansenula marakii nitroetano nitrito 1.680 2,8 nitropropano
Aspergillus flavus NH4 y sacarosa ác.3 nitropropiónico 1.400 45,0
nitrato 1.350 75.0 Nitrosomonas spp. NH4 nitrito 1,3 x 106
2-4 x 10 3
Nitrobacter NO2- nitrato 5,7 x 10 6
2-4 x 10 3
Cuadro 3 - Autoecología de Nitrosomonas y Nitrobacter
pH temperatura N- amoniacal Nitrosomonas tolera pH altos y bajos aun activo a bajas temperat. tolera altas dosis Nitrobacter inhibido a pH: superiores a 9,0 inferiores a 5,0 inactivo sobre40º e inferior a 5ºC inhibido a altas dosis
Muchos suelos fijan grandes cantidades de amonio en los coloides. El potasio, catión que también es fijado, interfiere en la nitrificación del amonio atrapado entre las hojuelas de las arcillas. A medida que se incrementa el nivel de potasio agregado, disminuye la nitrificación del amonio fijado. Los nutrientes que afectan a la amonificación, como el nivel y calidad de la materia orgánica, afectan indirectamente a la nitrificación.
pH: existe alta correlación entre la nitrificación y el pH del suelo. En medios ácidos, la nitrificación está inhibida o es muy lenta (debajo de pH 6,0). Mientras que el pH óptimo de Nitrosomonas se ubica en el rango de 7 a 9 y aún más alcalino, para Nitrobacter se sitúa en la neutralidad o ligeramente alcalino. La nitrificación a bajos pH se explica por:
• cepas adaptadas a pH ácidos
• el proceso se realiza en microhabitats donde el pH es neutro a diferencia del resto del suelo. La población nitrificante autótrofa es mayor en suelos neutros o ligeramente alcalinos y el encalado favorece el proceso en suelos ácidos (ejemplo de la incidencia favorable del hombre sobre un proceso microbiano). Morril y Dawson (1967) trabajando con 116 suelos cuyos pH variaban desde 4,4 a 8,8, determinaron 4 modelos típicos de oxidación del amonio agregado: (figura 1)
1. el amonio es rápidamente oxidado a nitrito el que se acumula un largo período antes de oxidarse a nitrato
2. el amonio y el nitrito producidos son rápidamente oxidados
3. el amonio es oxidado lentamente a nitrato sin aparición de nitritos 4. no se detecta oxidación del amonio por aparición ni de nitrito ni de nitrato (pH 5,12)
Los autores modificaron el comportamiento nitrificante de los suelos que respondían al modelo 3) y al 4), los que mediante encalado se comportaron como los del tipo 2) y el tipo 1) en el 2) al pre- percolarlos con sales amoniacales o inoculando con microorganismos nitratantes. El bajo número de estos organismos en estos suelos explica la fase de latencia en la aparición de nitratos.
La figura 2 presenta resultados de percolación con diferentes sustancias:
• un aminoácido, que presenta una fase de latencia en la aparición de los nitratos requerida para la amonificación previa
• la nitrificación de sales amoniacales presenta un período de corta latencia correspondiente a su oxidación a nitrito
• los nitritos son inmediatamente oxidados
Figura 1 Modelos de nitrificación y pH del suelo
100 1 NO3- 2 3 N NO2- NO3- mg/l de 80 solución percola 60 40 NH4 20 NH4 NH4+ NO2- NO3- 0 10 20 0 10 20 0 10 20 días de percolación de sales de amonio
Oxígeno: es un requerimiento obligado en el proceso. La estructura del suelo tiene gran efecto: la nitrificación es inversamente proporcional al tamaño de los agregados
Humedad: es otro de los factores que afectan profundamente a la nitrificación autótrofa ya que regula el nivel de oxigenación del suelo. La formación de nitratos cesa cuando el nivel de humedad es inferior al punto de marchitamiento permanente, mientras que la amonificación es aún activa.
Figura 2- Nitrificación de varios sustratos
NaNO2 3,0
log N-NO3- NH4Cl aminoácido mg/litro 2,0
1,0
5 10 15 20 días .
La figura 3 publicada por Frioni (1990) presenta la nitrificación en suelo franco limoso con 500 mg/kg de N-NH4+ como fosfato diamónico y sometido a diversas tensiones de succión desde 0 (saturado) hasta 15 barias e incubado a 21ºC. En general, se podría aceptar la siguiente escala de tensiones de humedad para una máxima acumulación de nitrato:
0,1 > 0,33 > 1 > 5 > 15 > 50 > 0 barias
Figura 3- Nitrificación a diferentes tensiones de humedad (barias) 0,1 300 0,33 N-NO3- mg/kg 200 1 5 100 15 0 saturado 0 5 10 15 20 días
Temperatura: la temperatura óptima tanto en el suelo como en medios de cultivo se ubica entre 28 y 36ºC, aunque pueden aparecer nitratos por encima de 40ºC por acción de cepas adaptadas. Varios autores determinaron que aún a temperaturas tan bajas como 2ºC la nitrificación puede alcanzar valores considerables si el amonio y la densidad de microorganismos nitrificantes no son limitantes.
Efecto rizosférico: la atmósfera en la vecindad de las raíces es más pobre en 02 y más rica en CO2 que la atmósfera sobre el suelo, debido a la actividad respiratoria de la mayoría de los heterótrofos. La nitrificación, por lo tanto, será menor. Se cita también la inhibición de algunos cultivos sobre este proceso, sobre todo de los bosques de coníferas, ricos en sustancias fenólicas. La intensa inmovilización de formas minerales del nitrógeno por microorganismos heterótrofos explica también la disminución de nitratos en rizosferas. Se evitan así pérdidas por lavado o desnitrificación de los nitratos formados, en ambientes de baja tensión de O2.
Estación: el efecto de la estación está condicionado por la interacción de numerosos factores como la disponibilidad de nutrientes, la temperatura, la humedad, la aireación, etc. No puede predecirse en que épocas del año el nivel de nitratos será mayor. En general, en la región templada la producción de nitratos es más activa en primavera y otoño, más lenta en verano e invierno (Giambiagi, 1969). Pero las fluctuaciones de temperatura y humedad y las prácticas culturales pueden alterar este comportamiento.
En resumen: la nitrificación es rápida en suelos húmedos, bien drenados y de buena estructura, lenta en suelos pesados. El óptimo de humedad varía considerablemente con los suelos, se citan óptimos entre 1/2 y 2/3 de la capacidad de campo.
El rehumedecimiento de suelos secos estimula la nitrificación. Se explica este hecho por la acción de enzimas liberadas por células muertas en la desecación, que permanecerían adsorbidas a la fracción organo-mineral del suelo que se sumarían a las presentes en las células vivas (Giambiagi et al, 1992). La temperatura favorece el proceso.