La nitrificación, un proceso clave en el mundo natural.
El nitrógeno, después del carbono, es el macronutriente más importante en la naturaleza. Su circulación ininterrumpida (el ciclo del nitrógeno) es crucial para la vida en la Tierra. El ciclo del nitrógeno también es crucial para el buen funcionamiento de los acuarios. La etapa más importante del ciclo del nitrógeno es la nitrificación, que desempeña un papel clave en el ciclo del nitrógeno de los ecosistemas terrestres y acuáticos, convirtiendo la forma más reducida del nitrógeno, NH3 / NH4 + , en la forma más oxidada, NO3- [ 1 ].
Bacterias del ciclo del nitrógeno: nitrificantes.
Las bacterias capaces de oxidar iones de amonio a nitritos y luego a nitratos se denominan nitrificadoras, y las transformaciones que ocurren se llaman nitrificación. Los microorganismos nitrificantes utilizan la energía obtenida durante la oxidación del amoníaco y los nitritos para sintetizar materia orgánica a partir de dióxido de carbono y agua. Este proceso se llama quimiosíntesis, y estos microorganismos se denominan colectivamente quimioautótrofos.[2] La oxidación del amoníaco a nitrito la llevan a cabo las bacterias Nitrosomonas y Nitrosospira . Una característica distintiva de estos microorganismos es su crecimiento en la interfase, generalmente en la superficie de los sólidos. En el suelo, se encuentran en la superficie de los granos de arena y los terrones de tierra. Son altamente resistentes a la desecación; por ejemplo, pueden sobrevivir en suelo seco durante varios años en estado de vida latente (anabiosis). El ácido nitroso producido por estas bacterias es tóxico para ellas; una concentración de 0,3 M inhibe la quimiosíntesis en un 30 %. El NO2 se acumula en las células y, por lo tanto, debe ser excretado activamente, lo que consume una cantidad significativa de energía. Por consiguiente, la eficiencia de la quimiosíntesis en Nitrosomonas , por ejemplo, es baja, alcanzando hasta un 20% para colonias jóvenes y aproximadamente un 7% en colonias más antiguas. Las bacterias Nitrobacter y Nitrococcus oxidan el nitrito a nitrato . Se unen a la superficie de los sólidos con un enlace ligeramente más débil. Se unen al CO2 utilizando la energía de la oxidación del nitrito a nitrato; son autótrofos facultativos, capaces de crecimiento heterótrofo. El amoníaco libre inhibe fuertemente la quimiosíntesis. Incluso una concentración de 0,001 M de NH3 reduce la intensidad del proceso en un 70%. La eficiencia quimiosintética de estos microorganismos también es baja, oscilando entre aproximadamente un 2 y un 11%. De forma similar a Nitrosomonas y Nitrosospira , estas bacterias también son capaces de anabiosis. Ambos grupos de bacterias siempre aparecen juntos porque el producto de la actividad de las bacterias de los géneros Nitrosomonas y Nitrosospira es un sustrato para los géneros Nitrobacter y Nitrococcus [3,4].
El curso general de la nitrificación se puede representar mediante dos reacciones[5]:
Etapa I: NH4++ 2O2 →NO2–+ 2H2O (Nitrosomonas , Nitrosospira.)
Etapa II: NO2– + 1/2O2 →NO3–(Nitrobacter, Nitrococcus)
La importancia del oxígeno en los procesos de nitrificación.
Las bacterias nitrificantes son bacterias aerobias que requieren acceso al oxígeno para un metabolismo adecuado e ininterrumpido. 1 g de nitrógeno amoniacal oxidado a nitratos consume 4,5 g de oxígeno, por lo que la concentración de oxígeno en el agua debe ser siempre suficientemente alta. Aunque el análisis estequiométrico requiere cuatro veces más oxígeno para la reacción en la etapa I que en la etapa II, una concentración de O2 de aproximadamente 2 mg/l es suficiente para la reacción en la etapa I, la concentración de oxígeno en el agua debe ser casi el doble para la reacción en la etapa II[6,9].
pH y tasa de nitrificación.
El pH del agua debe estar en el rango de 5 a 7,5. La nitrificación se detiene por completo a pH 4. El curso de la nitrificación cambia con los cambios de pH; las transformaciones del nitrógeno a diferentes valores de pH se presentan en los gráficos[7]:
La importancia de la temperatura.
Las bacterias nitrificantes son organismos mesófilos, por lo que su temperatura óptima oscila entre 28 y 36°C. Sin embargo, a las temperaturas más comunes en los acuarios domésticos (19 a 28°C), los procesos son prácticamente igual de efectivos. A temperaturas inferiores a 5°C y superiores a 40°C, no se produce la nitrificación.[6]
Otros factores que influyen en el metabolismo de las bacterias nitrificantes
La nitrificación adecuada también requiere cantidades suficientes de fósforo, calcio, magnesio, hierro, manganeso, cobre y otros macro y micronutrientes disponibles en el agua y el sustrato. La presencia de sustancias biocidas en el medio ambiente, como antibióticos, metales pesados y una alta acumulación de compuestos orgánicos a base de carbono, entre otros factores, puede inhibir el proceso de nitrificación. Las bacterias nitrificantes son sensibles a la luz, en particular a la radiación ultravioleta. Las células bacterianas se dañan gradualmente por la radiación ultravioleta, pero si la exposición es breve, las células pueden regenerarse. Las bacterias nitrificantes muestran una alta tolerancia tanto a bajas como a altas salinidades del agua (alta presión osmótica), y estos organismos también son resistentes a los cambios en la concentración de sal, incluso en períodos cortos de tiempo [4,8,9].
[1] JI Prosser, "Nitrificación autotrófica en bacterias" Avances en fisiología microbiana Volumen 30, 1990, Páginas 125-181.
[2] Otis F. Daniel G. Curtis Clark "Introducción a la fisiología vegetal" PWRiL 1958.
[3] Zurzycki J. Michniewicz M. "Fisiología vegetal" PWRiL 1979.
[4] Kunicki-Goldfinger WJH: La vida de las bacterias. PWN 1998.
[5] Richter G. "Procesos metabólicos en las plantas" PWN 1975.
[6] Joanna Jeż-Walkowiak, PhD, Ing., Łukasz Weber, MSc, Ing. "Eliminación de iones amonio del agua subterránea", 2008.
[7] Thi Thu Huyen Le, Joachim Fettig, Günter Meon, "Cinética y simulación de la nitrificación a varios valores de pH de un río contaminado en los trópicos" Ecohydrology & Hydrobiology 19 (2019) 54–65 [8] Lityński T. Jurkowska H. "Fertilidad del suelo y nutrición de las plantas" PWN 1982.
[9] Alleman JE "Comportamiento y fisiología de las bacterias nitrificantes", Universidad de Purdue, West Lafayette, Indiana.