Ciclo del nitrógeno
El ciclo del nitrógeno describe cómo este elemento circula entre la atmósfera, el suelo, el agua y los seres vivos.
El ciclo del nitrógeno es el conjunto de procesos por los que este elemento circula entre la atmósfera, el suelo, el agua y los seres vivos. Aunque el nitrógeno molecular (N₂) forma cerca del 78 % del aire, la mayoría de los organismos no puede usarlo tal cual: necesita que bacterias y otros procesos lo conviertan en formas combinadas, como el amonio o el nitrato. Es uno de los principales ciclos biogeoquímicos del planeta.
¿Qué es el ciclo del nitrógeno?
Es un ciclo biogeoquímico en el que el nitrógeno cambia de estado de oxidación y de forma química mediante reacciones biológicas, geológicas y, hoy, también industriales. El nitrógeno es imprescindible porque forma parte de los aminoácidos y las proteínas, de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y de la clorofila. En los ecosistemas suele ser un nutriente limitante: su escasez frena el crecimiento de las plantas.
El triple enlace N≡N del N₂ es uno de los más fuertes que se conocen (unos 945 kJ/mol), de ahí su inercia química y la dificultad de «fijarlo».
Formas del nitrógeno en el ciclo
| Forma | Fórmula | Estado de oxidación del N |
|---|---|---|
| Nitrógeno molecular | N₂ | 0 |
| Amoníaco / amonio | NH₃ / NH₄⁺ | −3 |
| Nitrito | NO₂⁻ | +3 |
| Nitrato | NO₃⁻ | +5 |
| Óxido nitroso | N₂O | +1 |
Etapas del ciclo
1. Fijación
Convierte el N₂ atmosférico en amonio u otros compuestos utilizables. Ocurre de tres maneras:
- Biológica: la realizan bacterias como Rhizobium (en los nódulos de leguminosas, en simbiosis), Azotobacter y algunas cianobacterias, mediante la enzima nitrogenasa.
- Atmosférica: los rayos aportan energía para que el N₂ reaccione con el O₂ y forme óxidos de nitrógeno, que la lluvia arrastra al suelo.
- Industrial: el proceso Haber-Bosch produce amoníaco para fertilizantes.
2. Amonificación
Los descomponedores (bacterias y hongos) transforman el nitrógeno orgánico de restos y excrementos en amonio (NH₄⁺).
3. Nitrificación
Proceso aerobio en dos pasos: Nitrosomonas oxida el amonio a nitrito y Nitrobacter oxida el nitrito a nitrato, la forma que las plantas absorben con más facilidad.
4. Asimilación
Las plantas incorporan amonio y nitrato por las raíces y los usan para fabricar aminoácidos. Los animales obtienen su nitrógeno al comer plantas u otros animales.
5. Desnitrificación
En condiciones sin oxígeno (suelos encharcados, sedimentos), bacterias como Pseudomonas reducen el nitrato a N₂, con N₂O como producto intermedio, y devuelven el nitrógeno a la atmósfera.
Existe además la oxidación anaerobia del amonio (anammox), que convierte amonio y nitrito en N₂ y es importante en los océanos.
Impacto humano
- Fertilizantes: el proceso Haber-Bosch, desarrollado por Fritz Haber (1909) y escalado a nivel industrial por Carl Bosch (1913), permitió producir amoníaco a gran escala y multiplicó el rendimiento agrícola. Hoy la fijación industrial supera en magnitud a la natural de los continentes.
- Eutrofización: el exceso de nitratos arrastrado a ríos, lagos y costas provoca proliferación de algas y zonas pobres en oxígeno.
- Contaminación del agua: el nitrato en acuíferos puede superar los límites de potabilidad (50 mg/L en la normativa europea).
- Gases de efecto invernadero: el óxido nitroso (N₂O) es un potente gas de efecto invernadero que también daña la capa de ozono.
- Combustión: motores y centrales emiten NOₓ, que contribuyen a la lluvia ácida y al smog; ver combustibles fósiles.
Relación con otros ciclos
El nitrógeno actúa junto con el carbono y el fósforo: los tres limitan la productividad de los ecosistemas. Una agricultura sostenible recurre a rotaciones con leguminosas, abonos orgánicos y un uso ajustado de fertilizantes para reducir las pérdidas de nitrógeno.
Ejercicios resueltos
1. Calcula el estado de oxidación del nitrógeno en el NO₃⁻.
Cada O es −2, luego 3 × (−2) = −6. La suma debe ser la carga del ion (−1): x − 6 = −1, así que x = +5. El nitrógeno vale +5.
2. Con N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃, ¿cuántos gramos de NH₃ se obtienen a partir de 28 g de N₂? (M N₂ = 28 g/mol; M NH₃ = 17 g/mol)
28 g de N₂ son 1 mol. Cada mol de N₂ produce 2 mol de NH₃, es decir 2 × 17 = 34 g de NH₃.
3. En la nitrificación, ¿cambia el nitrógeno de estado de oxidación al pasar de NH₄⁺ a NO₂⁻? ¿Es oxidación o reducción?
Pasa de −3 a +3, así que pierde electrones: es una oxidación (de 6 electrones por átomo de N). Consulta las reacciones redox.
Preguntas frecuentes
¿Por qué las plantas no pueden usar directamente el nitrógeno del aire?
Porque el N₂ tiene un triple enlace muy estable. Solo algunos microorganismos con la enzima nitrogenasa pueden romperlo; las plantas dependen de ellos o de los fertilizantes.
¿Qué papel tienen las leguminosas?
Albergan en sus raíces bacterias del género Rhizobium, que fijan nitrógeno atmosférico. Por eso enriquecen el suelo y se usan en rotaciones de cultivo.
¿Qué es la eutrofización?
Es el enriquecimiento excesivo de las aguas en nutrientes, sobre todo nitrógeno y fósforo, que dispara el crecimiento de algas y reduce el oxígeno disuelto, lo que perjudica a peces y otros organismos.
¿Qué es el proceso Haber-Bosch?
Es la síntesis industrial de amoníaco a partir de N₂ e H₂, con catalizador de hierro, a unos 400-500 °C y presiones de 150 a 300 atmósferas.
Referencias
- Smil, V. (2001). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production. MIT Press.
- Galloway, J. N. et al. (2008). «Transformation of the nitrogen cycle». Science, 320.
- Campbell, N. A. y Reece, J. B. Biología. Editorial Médica Panamericana.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2025). «Ciclo del nitrógeno». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/quimica/ciclo-del-nitrogeno/
