Fijación Biológica De Nitrógeno: Plantas Y Bacterias

¿Qué Es La Fijación Biológica Del Nitrógeno?

La fijación del nitrógeno es un proceso que implica la transformación del N2 atmosférico relativamente no reactivo en sus compuestos más reactivos (nitratos, nitritos o amoníaco). ¿Por qué es importante la fijación biológica del nitrógeno? Estas formas reactivas son adecuadas para los cultivos y favorecen su crecimiento. Por el contrario, la carencia de nitrógeno impide el crecimiento de los cultivos y su desarrollo saludable. Alrededor del 90% de la fijación natural en nuestro planeta es biótica y se produce gracias a los microorganismos del suelo. Los inductores naturales abióticos son los rayos y los rayos UV. Alternativamente, puede fijarse con equipos eléctricos o de forma industrial.

Plantas Que Ayudan En La Fijación Biológica Del Nitrógeno

Un cultivo de fijación biológica es una forma natural de proporcionarlo a las plantas sin ningún daño industrial a la naturaleza. Su uso en la rotación de cultivos permite la fijación biológica de nitrógeno para numerosas plantas. Otra práctica exitosa es utilizar estas especies como cultivos intercalados.

Ventajas De La Fijación Biológica De Nitrógeno Con Cultivos De Cobertura

Es bien sabido que la fijación biológica de nitrógeno es mayor en las leguminosas que en cualquier otro tipo de planta y pueden cultivarse como cultivos comerciales o de cobertura. Los cultivos de cobertura que realizan una fijación de nitrógeno en el suelo aportan múltiples beneficios a los agricultores:

• participan en la fijación biológica;
• protegen el suelo de la erosión cubriéndolo o compactándolo con fuertes sistemas radiculares;
• mejoran la fertilidad del suelo cuando se utilizan como abono verde;
• retienen la humedad del suelo;
• ayudan en la gestión de maleza;
• sirven como material de forraje y pastoreo para las aves de corral y el ganado;
• atraer a los polinizadores en la época de floración del cultivo.

Mejores Cultivos De Cobertura Para La Fijación Biológica

Los tréboles, vezas y guisantes son plantas fijadoras utilizadas por los agricultores de todo el mundo, y en las grandes llanuras del sur de EE.UU. en particular.

El cultivo de trébol para la fijación de nitrógeno se utiliza en primavera o en otoño. Aparte de las ventajas prácticas mencionadas, los tréboles en flor son una vista espectacular. Además, los nuevos tréboles blancos resilientes de la Universidad de Texas A&M resisten las royas y las sequías. Los tréboles pueden sobrevivir a los inviernos suaves, pero difícilmente lo harán en los severos.

Las vezas son resistentes al invierno y, por tanto, son adecuadas para las estaciones más frías. La veza peluda es el tipo más fuerte y constituye un buen cultivo de cobertura invernal para la fijación biológica de nitrógeno. Se planta a principios de otoño para que las raíces se establezcan antes de las primeras heladas.

Los guisantes o judías pueden utilizarse como cultivo de cobertura de verano de fijación biológica de nitrógeno o cosecharse como alimento. En cualquier caso, enriquecen el suelo con nitrógeno apto para otras plantas. Los guisantes del sur prefieren las estaciones cálidas y se siembran cuando la temperatura del suelo alcanza los 60ºF.

La lista de cultivos para la fijación biológica del nitrógeno en agricultura es bastante versátil e incluye, entre otras:

• Legumbres: fabas, alfalfa, judías verdes, ayacote, judías dulces, cacahuetes, soja, alubia carilla, altramuz, lenteja, garbanzo, guisante.
  
• Vezas: peluda, americana, arveja de madera, arveja silvestre.
  
• Tréboles: blanco, rojo, carmesí, Silver River.

Valor Y Cantidades De Fijación De Nitrógeno En Los Cultivos De Leguminosas

El valor de estos cultivos fijadores se calcula en base a la correlación del nitrógeno fijado por las leguminosas y los costes de los fertilizantes químicos. Esto se hace aún más evidente con las estimaciones del Banco Mundial sobre el crecimiento de los precios de los fertilizantes en 2021. Así pues, se plantea la cuestión de cuánto nitrógeno pueden fijar realmente estas plantas. A su vez, su capacidad ayudará a definir los cultivos más productivos para la fijación biológica.

La cantidad de fijación de nitrógeno en las plantas es diferente. Depende de múltiples factores:

• Edad de la planta. Las plantas más viejas (perennes frente a los cultivos de cobertura anuales de fijación biológia) son más eficientes.
  
• Duración de la temporada. Cuanto más larga sea, mayores serán las tasas de fijación de nitrógeno.
  
• Finalidad. Cosecha, pastoreo, incorporación como abono verde, el corte o el pastoreo reducen las propiedades de fijación biológica de nitrógeno mientras que las leguminosas de grano son más productivas.
  
• Condiciones generales de crecimiento. La competencia con otros cultivos, las condiciones meteorológicas desfavorables, los suelos pobres, el manejo inadecuado de la maleza y el control de las plagas, etc. disminuyen el potencial de fijación biológica.
  
• Nitrógeno residual en el suelo. La cantidad actual de nitrógeno en el suelo procedente de los cultivos o la fertilización anteriores afecta a la fijación.
  
• Especies vegetales. La alfalfa y el trébol son los mejores cultivos de cobertura de fijación biológica de nitrógeno en términos de capacidad.

La siguiente tabla muestra el potencial de fijación de nitrógeno de algunas leguminosas, de mayor a menor.

Fijación Biológica Del Nitrógeno Mediante Bacterias

Además de plantas, la fijación de nitrógeno puede producirse gracias a algunas bacterias. Algunos ejemplos de fijación de nitrógeno suceden por Rhizobium (antes Agrobacterium), Frankia, Azospirillum, Azoarcus, Herbaspirillum, Cyanobacteria, Rhodobacter, Klebsiella, etc. Las bacterias fijadoras sintetizan la enzima nitrogenasa responsable de la fijación biológica.

¿Cómo Ocurre La Fijación Biológica De Nitrógeno?

La fijación de nitrógeno por acción de las bacterias sucede cuando convierten el nitrógeno gaseoso del aire en compuestos inorgánicos. Aunque el papel de las leguminosas es innegable, la tarea es demasiado difícil para ellas solas. De hecho, lo normal es que se produzca una fijación simbiótica de nitrógeno entre leguminosas y bacterias. Es habitual que los Rhizobium colonicen las raíces de las legumbres. Sin embargo, no es la única fijación simbiótica de nitrógeno en leguminosas: la fijación biológica de nitrógeno también transcurre con otros organismos asociados y libres.

¿Por Qué Son Importantes Para Las Plantas?

La función de estas bacterias es suministrar a las plantas el nutriente vital que no pueden obtener del aire por sí mismas. Los microorganismos hacen lo que los cultivos no pueden: conseguir nitrógeno asimilable para ellos. Las bacterias lo toman del aire en forma de gas y lo liberan al suelo, principalmente en forma de amoníaco. Es la única opción adecuada para las plantas porque éstas sólo pueden consumir el del suelo y únicamente en forma de compuestos inorgánicos nitrogenados, lo que explica la importancia de la fijación biológica del nitrógeno que realizan.

¿Cómo Ayudan Las Bacterias Al Crecimiento De Los Cultivos?

Las bacterias proporcionan a los cultivos el nitrógeno listo para ser utilizado y que necesitan como parte de las moléculas de clorofila. La clorofila es fundamental para la fotosíntesis, para transformar la energía de la luz solar en energía química. En pocas palabras, las plantas la necesitan para obtener alimento. Además, necesitan nitrógeno como parte de los aminoácidos para construir las proteínas que participan en el metabolismo y el almacenamiento de energía. La falta de fijación biológica de nitrógeno conduce a deficiencia alimentaria, que se traduce en amarillamiento, adelgazamiento, marchitamiento, retraso general del crecimiento y deterioro.

¿Cómo Afecta La Acción De Las Bacterias A La Fertilidad Del Suelo?

Las bacterias saturan el suelo con compuestos inorgánicos que contienen nitrógeno, nutrientes necesarios para los cultivos. Cuando estas bacterias mueren, el nitrógeno acumulado en su biomasa se libera en el suelo. De este modo, potencian la fertilidad del suelo de forma natural, permitiendo a los agricultores ahorrar en fertilizantes sintéticos.

¿Cuál Es La Aportación De Las Bacterias Con La Fijación De Nitrógeno Al Ciclo De Los Ecosistemas?

Las bacterias participan en la circulación del nitrógeno a través de los ecosistemas, captándolo del aire y ajustándolo a las necesidades de las plantas (fijación del nitrógeno). Después, los cultivos lo utilizan para su crecimiento (asimilación). Después, cuando las plantas y las bacterias mueren, los descomponedores dividen sus compuestos nitrogenados y liberan amoníaco o amonio (amonificación). Las bacterias nitrificantes convierten el amoníaco en nitratos (nitrificación) que son consumidos por las plantas o por las bacterias desnitrificantes. Estas últimas convierten los nitratos en nitrógeno atmosférico libre que vuelve al aire (desnitrificación).

Aunque el nitrógeno es importante para las plantas, su fijación biológica en exceso es perjudicial. Por esta razón, es necesaria una rotación de cultivos con fijadores y no fijadores para lograr un equilibrio óptimo.

Tipos De Bacterias De Fijación Del Nitrógeno En Función De Su Interacción Con Las Plantas

Existen varios tipos de bacterias fijadoras según el modo en que coexistan con los cultivos (básicamente, si habitan o no dentro de la planta: endófitos frente a exófitos). Hay bacterias de fijación biológica simbióticas, asociativas y libres. Sin embargo, puede haber bacterias con más de un tipo. Por lo tanto, las rizobacterias pueden residir sobre/dentro de las plantas o en la rizosfera. La siguiente tabla presenta los tipos de bacterias de fijación biológica de nitrógeno y sus principales características.

Fijación Simbiótica De Nitrógeno En Los Nódulos

Las bacterias simbióticas en las raíces del huésped forman nódulos, acumulando en ellos el nitrógeno atmosférico y convirtiéndolo en amoníaco. La planta lo utiliza para su crecimiento y lo libera al suelo a partir de los nódulos rotos tras su muerte. Sin embargo, estas bacterias no hacen el “favor” a cambio de nada. Como en cualquier otra simbiosis, las bacterias se alimentan con los carbohidratos producidos por las plantas (azúcares) y toman carbono.

Aunque técnicamente su simbiosis se define como una infección, ambas partes se benefician bastante. Por esta razón, a dicha relación también se la denomina mutualismo.

En esta clase, las bacterias simbióticas más comunes son Rhizobium y Frankia.

Bacterias Rhizobium

La relación entre leguminosas y Rhizobium es un caso común de fijación biológica. Además, no es la única ventaja. Este género de bacterias de fijación biológica de nitrógeno en las leguminosas mejora el acceso a otros nutrientes y potencia la resistencia del cultivo a patógenos, plagas y el estrés abiótico. Esta interacción mutuamente beneficiosa también es favorable para los agricultores, como demuestran las convincentes tasas de fijación estimadas en 50-465 kg de nitrógeno ha-1 año-1.

Los Rhizobium existen en simbiosis, pero también pueden aparecer libres si no encuentran un huésped adecuado. Incluso en aislamiento, pueden participar en la fijación biológica de nitrógeno sintetizando nitrogenasa y creciendo únicamente con nitrógeno del aire.

Bacterias Frankia

Al igual que Rhizobium, Frankia fija el nitrógeno atmosférico mediante la nodulación de las raíces. Algunas cepas también pueden vivir libremente. La diferencia con Rhizobium radica en los huéspedes. Frankia coloniza plantas actinorrizadas como el aliso, myrica, comptonia, geum, etc., lo que les permite sobrevivir incluso en suelos infértiles.

La simbiosis de fijación biológica de nitrógeno tiene como resultado un mayor rendimiento de las plantas y una mejora de las condiciones del suelo. Este género es ampliamente usado en agrosilvicultura.

Fijación Simbiótica Con Bacterias Asociativas

La simbiosis con bacterias asociativas es típica en los cereales a partir de vida libre que puede adherirse a las raíces del huésped. Se trata de géneros como Azospirillum, Glucenobacter, Acetobacter, Herbaspirillum, Azoarcus. Están estrechamente relacionados con el trigo, arroz, maíz, caña de azúcar, cebada, sorgo, setaria y cultivos para biocombustibles como el Pennisetum, etc.

Los cereales no fijan el nitrógeno en nódulos como las leguminosas, sino que dependen de la disponibilidad de nutrientes en el suelo, es decir, de su fijación. A su vez, las bacterias utilizan el atmosférico para sus necesidades y lo “comparten” con el cultivo huésped.

La mayoría de las bacterias de fijación biológica de nitrógeno residen en las raíces, pero algunos tipos agresivos como Herbaspirillum pueden penetrar en toda la planta. Estos microorganismos pueden mejorar el crecimiento de los cultivos y aumentar el rendimiento, lo que es especialmente importante en suelos pobres.

Fijación Simbiótica Con Bacterias Libres

Las bacterias libres son también una fuente de nitrógeno para los cultivos. Por ejemplo, los productores de arroz añaden helechos acuáticos Azolla a sus campos como abono verde, y la Azolla sirve de hábitat a la Anabaena Azolla (cianobacteria), famosa por sus propiedades de fijación.

La fijación de nitrógeno por cianobacterias sucede ya que pueden vivir de forma simbiótica o libre y viven en suelos húmedos y masas acuáticas de interior. Este tipo reúne propiedades únicas: están clasificadas como bacterias, aunque se parecen a las algas. De hecho, contienen clorofila, lo que significa que las cianobacterias son fotótrofas (como las plantas). Pero, a diferencia de las plantas, pueden fijar nitrógeno.

EOSDA Crop Monitoring Ayuda A Descubrir Un Bajo Contenido De Nitrógeno En Los Cultivos

Todos los índices de vegetación en EOSDA Crop Monitoring están directa o indirectamente relacionados con el contenido de nitrógeno en los cultivos. El nitrógeno afecta inmediatamente a la cantidad y a la calidad del contenido de clorofila, por lo que los agricultores pueden hacer un control de la misma.

Aparte de la ya mencionada importancia de la clorofila para el proceso de fotosíntesis, su característica reconocible es la de proporcionar el color verde a las plantas, lo que permite evaluar el estado del cultivo. Un verde intenso y vibrante es típico de las plantas sanas que contienen clorofila en abundancia. Por el contrario, el amarillamiento (clorosis) y el verde pálido señalan una deficiencia de clorofila y desviaciones en la salud de la planta, posiblemente debido a una falta de fijación biológica de nitrógeno. Además, el contenido de pigmentos en los cultivos jóvenes es mayor que en los maduros.

El índice ReCl es sensible al contenido de clorofila que corresponde directamente a la fijación biológica de nitrógeno. Una cantidad insuficiente da lugar a un desarrollo lento del cultivo, a hojas pequeñas de color verde pálido, a una ramificación débil, a un amarilleamiento prematuro, a tallos delgados, etc.

Las lluvias intensas también pueden provocar pérdidas de nitrógeno que el agricultor puede monitorizar en EOSDA Crop Monitoring junto con el gráfico del índice ReCl. Además, la plataforma ofrece previsiones meteorológicas para los próximos 14 días, lo que permite programar las actividades de campo y predecir el estado de los cultivos. ReCl es eficaz respecto al estado de desarrollo activo de la planta y no se utiliza en el momento de la cosecha. Para obtener una imagen más precisa de los cultivos en un campo, combine el índice ReCl con otros índices disponibles en EOSDA Crop Monitoring: NDVI, MSAVI y NDRE.

Por eso es importante analizar el contenido de nitrógeno en un campo y mantener el equilibrio óptimo mediante su fijación, teniendo en cuenta el nivel actual en el suelo y todos los métodos de fertirrigación previstos. El nivel óptimo depende de cada cultivo, por lo que la cantidad que falta también será diferente.

Beneficios De La Fijación Biológica De Nitrógeno

La agricultura intensiva utiliza en gran medida la fertilización sintética, lo que resulta perjudicial para el medio ambiente. Por el contrario, la fijación biológica del nitrógeno es respetuosa tanto con los agricultores como con la naturaleza. Esta fijación biológica de nitrógeno se realiza con leguminosas, gramíneas y otras especies de cultivo fijadoras de N, contribuyendo a la agricultura ecológica. Por lo tanto, los cultivos de cobertura de fijación biológica de bajo mantenimiento son una fuente significativa en sí mismos, sin mencionar las otras ventajas mencionadas anteriormente.

En cuanto a la fijación de nitrógeno por plantas no leguminosas, los inoculantes de bacterias fijadoras son una solución eficaz. Permiten a los agricultores realizar el trabajo sin medios artificiales. Además, la eficacia de los microorganismos va mucho más allá de la fijación biológica, ya que mejoran las condiciones del suelo, en particular en la lucha contra los metales pesados.

Respecto a qué se entiende por fijación simbiótica de nitrógeno, esta unión entre planta y bacteria es más eficaz que la de los microorganismos libres por sí solos, ya que las bacterias en simbiosis liberan el nutriente directamente a la planta huésped, evitándole la competencia con otros consumidores, como la maleza. En este sentido, los microorganismos intracelulares fijadores (por ejemplo, Herbaspirillum o Azoarcus) son los más potentes.

Mantener un equilibrio óptimo en la fijación biológica es la clave del éxito. EOSDA Crop Monitoring es el socio online de confianza de los agricultores, listo para ayudar las 24 horas del día.