La fijación del nitrógeno es el tercer proceso fundamental, después de la Respiración y la Fotosíntesis. Este proceso a su vez forma parte del ciclo de reacciones llamadas “Ciclo del Nitrógeno”. Muchos compuestos de la célula viva contienen Nitrógeno, Proteínas, Aminoácidos, Ácidos Nucleicos, Purinas, Pirimidinas, Porfirinas, Alcaloides y Vitaminas.

Para tener una idea de la magnitud de los procesos químicos que ocurren, digamos que se ha calculado (aproximadamente) que cada año se extraen 25 x 10⁶ toneladas (25.000.000 millones de toneladas) de los suelos, la mayor parte se extrae de las cosechas y en menor proporción por lavado de los suelos. Se ha calculado que para restaurar la fertilidad a la tierra se le regresa por año, en forma de fertilizante 3 x 10⁶ (3.000.000 millones de toneladas) toneladas de nitrógeno (excrementos, orina y fertilizantes comerciales). Otra cantidad igual la proporciona la lluvia, por hidratación de óxidos de nitrógeno, producidos por la atmósfera, esto por las descargas eléctricas durante las tormentas. La mayor cantidad (10 x 10⁶ toneladas (10.000.000 millones de toneladas)) regresa por la acción de fijación que llevan a cabo ciertos organismos.

Algunos compuestos inorgánicos de nitrógeno y millares de compuestos orgánicos nitrogenados pueden considerarse componentes del ciclo del nitrógeno. Aquellos comprenden N₂ gaseoso, NH₃ Ión Nitrato (NO₃^¯), Ión Nitrito (NO₂^¯) e Hidroxilamina (NH₂OH).

Fijación No Biológica del Nitrógeno.

La característica de este proceso es la separación de los átomos de nitrógeno es que se hallaban unidos por un triple enlace (N≡N). El N₂ es una molécula muy estable. Se calcula que la energía necesaria para romper este triple enlace equivale a 225 Kcal, el triple de la necesaria para romper el enlace C-C.

Otra forma de fijar nitrógeno es por medio de las descargas eléctricas de los rayos que es producen durante las tormentas. Durante las descargas se forman óxidos de nitrógeno que luego se deshidratan por el vapor de agua y caen a la tierra en forma de nitratos y nitritos.

N₂ + O₂ 2NO 2NO₂

Aunque estos procesos pueden ser importantes para la economía del nitrógeno, la mayor parte se fija por organismos vivos.

Fijación Biológica del Nitrógeno.

Este proceso se lleva a cabo por microorganismos no simbióticos que pueden vivir independientemente de cualquier otro ser viviente, o también por ciertas bacterias que viven en simbiosis con vegetales superiores. El primer grupo incluye organismos aeróbicos del suelo (Azotobacter), esta se le conoce como Bacteria Gram-Negativa, definido de manera biológica, son aquellas bacterias que no se tiñen de azul oscuro o violeta por la tinción de Gram (o coloración de Gram), y lo hacen de un color rosado tenue; anaeróbicos del suelo (Clostridium Prazmowski, 1880), bacterias fotosintéticas (Rhodospirillum rubrum), también denominada Bacteria Gram-Negativa, y las algas (Myxophyceae).

Azotobacter y Clostridium difficile

El Sistema Simbiótico está representado por Rhizobias (Rhizobium leguminosarum, 1889) que viven en simbiosis con leguminosas, como el Trébol (Trifolium pratense, L), Alfalfa (Medicago sativa, L), Fríjol de Soya (Glycine max, L); además de las leguminosas, existen 190 especies de arbustos y árboles capaces de fijar nitrógeno por simbiosis; entre estos se encuentran: la Haya Dulce (Fagus sylvatica, L), Ceanotus (Ceanothus, L), y el Aliso (Alnus glutinosa, (L), Gaertn); como dato importante, se puede determinar la fertilidad de las tierras que circulan los ríos o lagos por la presencia de Alisos cerca del agua. Un hecho esencial de la fijación simbiótica son los nódulos que se forman en las raíces de las plantas.

Estos nódulos se forman por acción conjunta de planta y bacterias específicas, ni éstas ni el vegetal pueden fijar nitrógeno cuando crecen por separado. Cuando las plantas se cultivan en suelo inoculado con bacterias, aparecen los nódulos en las raíces y entonces se hace posible la fijación. Estos nódulos contienen un pigmento (Leghemoglobina¹), similar a la hemoglobina, que está relacionado con la fijación del nitrógeno.

Nódulos de Rhizobias en raíces

Aunque el NH₃ es unos de los primeros, sino el primero de los productos biológicos de fijación del nitrógeno, no es acumulado por los organismos que llevan a cabo este proceso. Estos organismos utilizan el NH₃ para elaborar los compuestos nitrogenados (proteínas, ácidos nucleicos, pigmentos) de sus tejidos. El exceso de nitrógeno fijado puede ser excretado al suelo o al medio de cultivo en el que se encuentre el organismo.

Si el NH₃ es excretado al suelo, puede sufrir un proceso de nitrificación. Cuando los organismos fijadores de nitrógeno perecen, las proteínas de sus células pueden ser hidrolizadas a aminoácidos, y posteriormente desanimados por bacterias, debido a la acción de aminooxidasas o trasnaminasas y deshidrogenasa glutámica.

Utilización de Ión Nitrógeno.

Puesto que el ión nitrógeno NO₃^- es la forma más abundante en el suelo, los vegetales y las bacterias se han adaptado a esta situación y han aprendido a utilizarla como fuente de energía para su crecimiento y desarrollo. Quizás es difícil comprender porqué el NH₃ en la naturaleza se oxida rápidamente a NO₃^-, y éste vuelve a ser reducido a NH₃ (demasiado volátil), aunque la existencia de este último como NH₃⁺ es más probable en suelos neutros y ácidos.

Otra razón es que la molécula de amonio es bastante tóxica y, por tanto, no puede almacenarse como tal en los tejidos, mientras que el nitrato no es tóxico y puede acumularse en gran cantidad en la savia vegetal. Algunos microorganismos, incluyendo Escherichia coli, Migula (1895) y Bacillus subtilis, Ehrenberg & Cohn (1835, 1872), reducen NO₃^- a NH₃^-

Algunos datos fueron tomados del libro: Bioquímica Fundamental (Outlines Biochemistry)

Symposium Inorganic Nitrogen Metabolism, editado por W. D. McElroy y B. Glass, The Johns Hopkins Press. Baltimore, 1956.

Mortenson, L. E., Mower, H. F., y Carnahan, J. E. Bacteriological Review, 26, 42. (1962)