Methodology

El nitrógeno es un elemento omnipresente que tiene diferentes estados de oxidación química. La actividad bacteriana y el crecimiento de los vegetales gobiernan las velocidades a las que se producen las transformaciones del nitrógeno, las cuales a su vez vienen determinadas por un número de variables ambientales. Globalmente, la mayor parte del nitrógeno existe como gas elemental (N2) en la atmósfera y hacia esta forma estable es a la que siempre tiende a volver (Kiely, 1999).

El nitrógeno es otro de los nutrientes importantes, cuyo ciclo se muestra en forma esquemática en la Figura 2.18. Es un elemento de importancia crítica para todas las formas de vida. Las proteínas, que son componentes de todas las células, en promedio contienen 16% de nitrógeno en peso. Otras sustancias nitrogenadas complejas de importancia para la vida son los ácidos nucleicos y los aminoazúcares. Sin un suministro continuo de nitrógeno, la vida en la tierra dejaría de existir.

La atmósfera del planeta tiene 79% de nitrógeno elemental (N2) en su composición, este gas inerte no está disponible en

absoluto para ser asimilado por la mayor parte de las plantas y los animales. Son relativamente pocos los microorganismos capaces de fijar el nitrógeno atmosférico inorgánico en la forma orgánica. Se conocen diversas bacterias, hongos y algas verde –azules capaces de fijar el nitrógeno. Este proceso implica la incorporación directa de nitrógeno atmosférico en el cuerpo del organismo fijador. Puesto que las células bacterianas mueren con rapidez, este nitrógeno queda disponible para las plantas superiores, (Henry y Heinke, 1996).

Figura 2.18.: Esquema del ciclo del nitrógeno

El nitrógeno juega un rol primordial en el control de la productividad biológica. Se encuentra presente en varios estados

de oxidación en forma natural, presentando la tendencia de experimentar reacciones redox, por lo que el ciclo biogeoquímico es muy complicado.

Los flujos globales del nitrógeno han experimentado incrementos debido a las actividades antropogénicas. Un ejemplo de esto es que la tasa de transporte, del nitrógeno fijado, hacia el océano se ha incrementado debido a las aguas procedentes de las actividades agrícolas. El flujo antropogénico de nitrógeno puede llegar a superar la incorporación ribereña natural, ocasionando eutrofización de muchos sistemas acuáticos. La quema de combustibles fósiles, además, ha producido en gran medida un incremento en los niveles atmosféricos de óxidos de nitrógeno.

La química del nitrógeno en el agua esta influenciada por reacciones redox que son llevadas a cabo por la actividad del fitoplancton de bacterias específicas. Las tres especies que comprenden el estado iónico del nitrógeno y que son denominadas “nitrógeno inorgánico disuelto” son: nitrato (NO3─),

nitrito (NO2─) y amonio (NH4+).

El nitrógeno se incorpora al medio acuático a través de la lluvia, escorrentía, de los ríos, difusión desde los sedimentos y

fijación de N2 in situ. Son pocos los organismos acuáticos capaces

de fijar el nitrógeno puesto que requiere de mucha energía para romper el triple enlace del N2. Esta fijación la pueden realizar

microorganismos heterótrofos como Azotobacter, Azospirillum,

como Cianobacterias y anoxifotobacterias, entre otras. De estas bacterias, la única que tiene formas de vida libre es un alga verde –azul, cianobacteria fotosintética, Oscillatoria sp.

Debido a su incapacidad para fijar N2, el fitoplancton utiliza

para nutrirse especies disueltas: nitrato, nitrito y amonio. El nitrógeno particulado orgánico fijado tiene dos posibles destinos: consumo celular por organismos del zooplancton o muerte del productor con la consiguiente destrucción celular y degradación bacteriana.

Las reacciones de oxidación y reducción que experimenta el nitrógeno son:

Remineralización: Corresponde al proceso de

descomposición de nitrógeno orgánico particulado para pasar a la fase disuelta.

Amonificación: El nitrógeno orgánico disuelto

experimenta degradación bacteriana, esta degradación se conduce en forma rápida debido a la facilidad para romper el enlace carbono – nitrógeno. Una vez roto el enlace, se produce libración de amonio, que posteriormente se formará en ión amonio.

Nitrificación: En presencia de oxígeno, el ión amonio es oxidado a nitrito y luego a nitrato. Esta oxidación es llevada a cabo por bacterias específicas.

Denitrificación: Existen ciertas bacterias heterótrofas que degradan la materia orgánica usando nitrato como aceptor de electrones. Un porcentaje del nitrato se reduce a nitrito y

debido a que se pierde nitrógeno fijado y para que se pueda llevar a cabo es necesaria grandes cantidades de materia orgánica como energía.

Se pueden encontrar variaciones diurnas y estacionales en las tasas de nitrificación y denitrificación lo que depende de factores tales como: disponibilidad de oxígeno; bioactividad bentónica; niveles de nitrógeno orgánico particulado.

Las fluctuaciones del ciclo de nitrógeno dependen de

factores como el clima, la circulación termohalina, afectando las tasas de aprovisionamiento y remoción de nitrógeno del medio acuático.

Golterman (1984) combinó los ciclos de fósforo y nitrógeno en un modelo esquemático que incluye los sedimentos y la zona pelágica de un cuerpo de agua (Figura 2.19.), pero excluye un hipolimnio anóxico donde tienen lugar reacciones y transformaciones diferentes (Wetzel, 1981). El nitrógeno molecular (N2) es fijo e incorporado en la biomasa fitoplanctónica (1). El agua entrante contiene varias formas de fósforo y de nitrógeno que son tomadas por el fitoplancton (2), entrada de la mezcla disuelta en el agua (3), o en los sedimentos (4). Las distintas formas de fósforo y de nitrógeno pueden salir del sistema (5) y el nitrógeno molecular (N2) puede dejar los sedimentos aeróbicos a través de la desnitrificación (6). Hay una distinción clara entre la zona pelágica y los sedimentos. En el agua, el ortofosfato es tomado por el fitoplancton (7) para ser incorporado en la fracción particulada o fósforo unido orgánicamente (8), y para ser

nuevamente liberado como ortofosfato (9), por mineralización del material orgánico o como excreta. El fósforo que ingresa en los sedimentos como ortofosfato (10) o como fósforo orgánico particulado, sufre transformaciones a través de las reacciones redox, mineralización, adsorción, y desorción. El fósforo se libera lentamente desde los sedimentos (11) y entra ortofosfato al agua. El nitrato y el amonio son tomados por las plantas acuáticas (12), y son incorporados en varias fracciones orgánicas (13), particuladas o disueltas. Dependiendo de la oxigenación del agua, pueden tener lugar las transformaciones de nitrificación y desnitrificación, para convertir el nitrógeno orgánico en varios estados de oxidación; NH4+, NO2─, NO3─ y N2 (14). El nitrato y el amoníaco

entonces se vuelven disponibles para ser captados por plantas acuáticas. El amoníaco es constantemente liberado (15) al agua de los sedimentos, y por consiguiente la relación C/N de los detritos se vuelve alta para la mineralización. Cuando esto sucede, una cantidad considerable del nitrógeno que entra en un cuerpo de agua puede fijarse en los sedimentos. Los ciclos anteriores pueden tener tiempos de producción de 10 - 20 veces por año que depende del estado trófico del cuerpo de agua y de las condiciones climáticas (Golterman, 1984).

Figura 2.19.: Diagrama conjunto simplificado del ciclo del fósforo y nitrógeno en un lago Modificado de Golterman, 1984)

Un factor no considerado en el modelo (Figura 2.19.) es el material particulado inorgánico suspendido que es común en muchos cuerpos de aguas. Estos materiales suspendidos tienen dos impactos mayores en los ecosistemas acuáticos: (1) ellos atenúan la luz que entra en el sistemas acuático y reducen la

productividad del fitoplancton (Grobbelaar, 1985) y (2), estar

cargados, generando superficies de adsorción y desorción. Los sedimentos son depósitos y fuentes importantes para el fósforo en

hábitats acuáticos (Golterman, 1984). Grobbelaar (1983), Viner

(1988), y Engle y Sarnelle (1990) han mostrado que los sedimentos

suspendidos podrían proporcionar fosfato a las algas, mientras que lo mismo fue mostrado para los sedimentos del fondo por Golterman et al. (1969) y Grobler y Davies (1979).

Grobbelaar (1983) demostró que el nitrógeno también podría ser adsorbido en sedimentos inorgánicos suspendidos y que las algas podían utilizar esta fracción adsorbida. Las cantidades de fósforo y nitrógeno adsorbidas en sedimentos suspendidos, así como los mecanismos involucrados en procesos de liberación, en gran parte, todavía no están resueltos. Sugirió que la liberación podría ser debida a los productos extracelulares de las algas que liberarían los nutrientes adsorbidos en la escala microzonal. La fracción adsorbida disponible para las algas es sumamente importante, pero este componente a menudo se ignora en los análisis de agua. Estas porciones biodisponibles de fósforo y nitrógeno son importantes para comprender los ciclos de fósforo y nitrógeno en lagos y pulir modelos apuntados a estrategias de manejo de agua.

El fósforo biodisponible se define como la suma del fósforo inmediatamente disponible y el fósforo que puede transformarse en una forma disponible por procesos naturales biológicos, físicos y químicos (Boström et al., 1982). Esto también es aplicable al nitrógeno. Considerando que el fósforo es absorbido bastante fuertemente sobre las partículas inorgánicas suspendidas, el nitrógeno adsorbido está prontamente disponible para las algas

(Grobbelaar, 1983). Grobbelaar (1985) también ha mostrado que

ambos fracciones de fósforo y nitrógeno adsorbidas en partículas inorgánicas en suspensión exhiben una temporalidad y que las

cantidades disponible para el fitoplancton varía