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El nitrógeno es un elemento esencial que necesitan todos los seres vivos para sostener la vida. Forma parte de moléculas importantes, como las proteínas y el ADN. Este elemento se encuentra en abundancia en la atmósfera de la Tierra, en forma gaseosa, como dinitrógeno (N₂); más de 70% de la composición del aire es nitrógeno. Esta molécula es muy estable químicamente, porque la unión entre los dos átomos de nitrógeno forma un triple enlace difícil de romper, ya que, para hacerlo, se requiere gran cantidad de energía, por tal motivo no reacciona fácilmente con otras moléculas, lo cual causa que su uso biológico en esta forma gaseosa sea muy limitado. Sin embargo, en la naturaleza existe un grupo de organismos que han desarrollado la capacidad de utilizar el nitrógeno directamente de la atmósfera, mediante un proceso bioquímico que convierte el nitrógeno gaseoso a una forma más fácil de asimilar, llamado fijación biológica de nitrógeno (FBN).

Para que los organismos puedan incorporar a su metabolismo el nitrógeno, éste necesita encontrarse en forma inorgánica —no gaseosa ni orgánica—; por ejemplo, en moléculas de amoniaco (NH₃), nitrato (NO₃-), aminoácidos, proteínas, etc. Algunos organismos, como las cianobacterias, son capaces de capturar y transformar el dinitrógeno mediante una reacción química a partir de la cual rompen los triples enlaces que unen a los dos átomos de nitrógeno e incorporan hidrógeno para formar amoniaco, compuesto inorgánico que puede ser aprovechado fácilmente por los organismos; proceso conocido como Fijación Biológica de Nitrógeno (FBN), el cual consiste en la transformación de N₂ (nitrógeno molecular) en amoniaco (NH₃), mediante procesos enzimáticos. El amoniaco así formado, puede reaccionar posteriormente y ser ionizado para convertirse en amonio (NH₄+) o ser oxidado y transformarse en nitratos (NO₃-) y de esta forma poder ser aprovechado por los organismos.
Estos procesos enzimáticos incluyen la enzima nitrogenasa, la cual se compone de dos complejos enzimáticos: dinitrogenasa reductasa (que contiene hierro) y dinitrogenasa (que contiene hierro y molibdeno); el primer complejo transfiere electrones que proporcionan energía al segundo, el cual, a su vez, transferirá estos electrones al N₂y generará la energía suficiente para romper los enlaces de la molécula que, subsecuentemente, reaccionará con hidrógeno para formar amonio, el cual, al ionizarse a amoniaco, puede ser incorporado a los tejidos de animales y vegetales para entrar en sus procesos metabólicos.

Organismos fijadores de nitrógeno en medios acuáticos

La FBN puede ser llevada a cabo por un número relativamente pequeño de microorganismos, todos procariotas, conocidos como diazótrofos; los cuales presentan adaptaciones que les permiten fijar N en condiciones muy diversas. En el medio acuático, los microorganismos encargados de la FBN son las cianobacterias (también llamadas algas verde-azules); las cuales son capaces de fijar N₂, debido a que presentan heteroquistes; células especializadas, con una pared celular engrosada en las cuales se lleva a cabo la FBN, gracias a la enzima nitrogenasa.

Cianobacterias, importancia en los medios acuáticos

Las cianobacterias se encuentran presentes en numerosos hábitats que incluyen agua y suelo; en regiones tropicales, templadas y polares; en la superficie e interior de rocas; en estanques, lagos y océanos; también se encuentran libres o en simbiosis con hongos, protozoos y plantas. Dada su abundancia en distintos ambientes, son vitales para la circulación de nutrientes, la generación de biomasa y la incorporación de nitrógeno a la cadena alimenticia. Otro aspecto importante de las cianobacterias, y común en todos los organismos fotosintéticos, es la captura de dióxido de carbono (CO₂) de la atmósfera durante el proceso de fotosíntesis, con lo cual disminuye la concentración de esta molécula en el ambiente y la convierte en potenciales sumideros de carbono naturales.
La capacidad de fijación de nitrógeno de las cianobacterias en los ecosistemas acuáticos representa una gran ventaja sobre otros organismos pues, debido a tal atributo, pueden incorporar este vital elemento a su metabolismo, principalmente, cuando en el ecosistema las concentraciones de nitrógeno, en su forma consumible, empiezan a ser limitadas y la única fuente disponible es en forma de N₂. Además de esta ventaja, las cianobacterias poseen algunas otras, como desplazarse en la columna de agua para aprovechar la energía luminosa y generar toxinas que les permiten repeler depredadores, entre otras, lo cual les propicia alcanzar altas tasas de reproducción. Estas particularidades de las cianobacterias son causa de su amplia distribución y abundante presencia en ecosistemas limitados por el nitrógeno.
El proceso de sobrerreproducción de cianobacterias se denomina florecimiento, y provoca cambios en el ecosistema que van desde efectos antiestéticos en el agua (al cambiar su aspecto) hasta daños a la salud por la producción de toxinas con efectos nocivos para las demás especies, como el zooplancton, peces, ganado e, incluso, para el humano, cuando llega a ingerir esa agua; además, alteran la eficiencia del flujo de energía (alimento) de la cadena alimenticia, provocando, no sólo efectos negativos en la ecología de un sistema acuático, sino también desenlaces negativos, tanto en la economía como en la sustentabilidad de los cuerpos de agua.

¿Qué se necesita para que ocurra la fijación de nitrógeno?

Normalmente, la FBN se lleva a cabo cuando, en el agua, la concentración de nitrógeno inorgánico es muy baja; entonces, en los organismos fijadores, la enzima nitrogenasa entra en acción.
La FBN depende de la energía que proporciona la luz del sol, pues es necesaria para llevar a cabo la fotosíntesis, la cual genera adenosin trifosfato (ATP), molécula que almacena y transfiere energía en todos los procesos metabólicos de los seres vivos (incluso el humano), la cual se utiliza como fuente de energía para romper el triple enlace de la molécula de N₂ en la FBN.
Para que la enzima nitrogenasa actúe, es indispensable la ausencia total de oxígeno, ya que su presencia inhibe la actividad de la enzima; debido a esto, las cianobacterias han desarrollado algunas estrategias, como la formación de células especializadas, denominadas heteroquistes o heterocistos, y el bloqueo de la formación de 0₂ dentro de esta célula. Además, algunas cianobacterias han desarrollado barreras físicas de protección para impedir la difusión del O_2,o la eliminación metabólica de éste, mediante la elevación de la respiración.

¿Por qué estudiar la fijación de nitrógeno?

La importancia de la fijación de nitrógeno en los ecosistemas acuáticos destaca ya que ésta contribuye con un porcentaje de 0 a 82 en la entrada total de nitrógeno en el sistema acuático, por lo que se convierte en una fuente de ingreso de gran importancia en algunos ecosistemas.
     Una vez que el nitrógeno se encuentra en forma de nitratos y amonio, es asimilable por las plantas y algas, que lo utilizan para sintetizar aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos. De esta forma, el zooplancton, los peces y otros herbívoros acuáticos consumen nitrógeno cuando se alimentan a través de la cadena alimenticia, la que incluye al humano.
     Actualmente, la cantidad de nitróge-no fijado por cianobacterias va en aumento, pues su distribución a lo largo del planeta es cada vez más abundante, ya que éstas tienen posibilidad de colonizar más espacios, por su gran capacidad de adaptación a distintas condiciones ambientales, aunque suelen reproducirse mejor en climas templados y tropicales. No obstante, debido al calentamiento global, las cianobacterias se han encontrado no sólo en regiones propias de climas cálidos, sino también en regiones alejadas del ecuador, como Canadá y Europa.
     Cuando se detecta una alta presencia de cianobacterias en los sistemas acuáticos se considera un sistema eutrofizado, el cual se caracteriza por la alta concentración de nutrientes disponibles para los organismos (nitrógeno y fósforo); lo cual propicia cambios evidentes relacionados con el aspecto y la calidad del agua. La FBN representa un aporte importante que contribuye a la incorporación de nitrógeno debido a la acción de las cianobacterias, lo cual repercute en la transferencia de energía y las relaciones tróficas del ecosistema, pues, al convertirse en la especie dominante, dejan sin oportunidad a otras especies, afectando la cadena trófica. Debido a esto, el estudio de las cianobacterias en ecosistemas acuáticos es importante para conocer su papel en la productividad dulceacuícola y sus efectos en la economía y la sustentabilidad de estos cuerpos de agua y su entorno humano.

IMAGEN 4: Lago Amaloapan, ubicado en la región de los Tuxtlas del estado de Veracruz. Foto: Karen Sandoval García.

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