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Los investigadores encuentran el plan de respaldo de la naturaleza para convertir el nitrógeno en nutrientes para las plantas


Aunque el nitrógeno es esencial para todos los organismos vivos (constituye el 3% del cuerpo humano) y comprende el 78% de la atmósfera de la Tierra, es irónicamente difícil para las plantas y los sistemas naturales acceder a él.


por Joseph Albanese, Universidad de Princeton


El nitrógeno atmosférico no es directamente utilizable por la mayoría de los seres vivos. En la naturaleza, los microbios especializados en suelos y cuerpos de agua convierten el nitrógeno en amoníaco, una forma crucial de nitrógeno a la que la vida puede acceder fácilmente, a través de un proceso llamado fijación de nitrógeno . En la agricultura, la soja y otras leguminosas que facilitan la fijación de nitrógeno se pueden plantar para restaurar la fertilidad del suelo .

Un obstáculo adicional en el proceso de hacer que el nitrógeno esté disponible para las plantas y los ecosistemas que dependen de él es que los «fijadores» de nitrógeno microbiano incorporan una proteína compleja llamada nitrogenasa que contiene un núcleo rico en metales. La investigación existente se ha centrado en las nitrogenasas que contienen un metal específico, el molibdeno.

Sin embargo, la cantidad extremadamente pequeña de molibdeno que se encuentra en el suelo ha generado preocupaciones sobre los límites naturales de la fijación de nitrógeno en la tierra. Los científicos se han preguntado qué restricciones impone la escasez de molibdeno a la capacidad de la naturaleza para restaurar la fertilidad del ecosistema a raíz de las perturbaciones causadas por el hombre, o cuando las personas buscan cada vez más tierras cultivables para alimentar a una población en crecimiento.

Investigadores de la Universidad de Princeton han encontrado evidencia de que otros metales pueden facilitar la fijación de nitrógeno cuando el molibdeno es escaso, lo que sugiere que el proceso puede ser más resistente de lo que se pensaba, según un estudio publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences . Trabajando en un tramo de bosque boreal de 372 millas (600 kilómetros) en Canadá, los investigadores descubrieron que la fijación de nitrógeno a escala de ecosistema también puede ser catalizada por el vanadio metálico, particularmente en las regiones del norte con entradas limitadas de nitrógeno natural.

«Este trabajo provoca una revisión importante de nuestra comprensión de cómo los micronutrientes controlan el estado y la fertilidad del nitrógeno del ecosistema», dijo el autor principal Xinning Zhang, profesor asistente de geociencias y el Instituto Ambiental de Princeton.

«Necesitamos saber más sobre cómo se manifiesta la fijación de nitrógeno en términos de presupuestos de nutrientes, ciclos y biodiversidad», dijo. «Una consecuencia de este hallazgo es que las estimaciones actuales de la cantidad de entrada de nitrógeno en los bosques boreales a través de la fijación pueden subestimarse significativamente. Este es un problema importante para nuestra comprensión de los requerimientos de nutrientes para los ecosistemas forestales, que actualmente funcionan como un sumidero importante para los antropogénicos. carbón.»

El primer autor, Romain Darnajoux, asociado de investigación posdoctoral en el grupo de investigación de Zhang, explicó que los hallazgos validan una hipótesis de larga data en la comunidad científica de que existen diferentes variantes metálicas de la nitrógenoasa para que los organismos puedan hacer frente a los cambios en la disponibilidad de metales. Los investigadores encontraron que la fijación de nitrógeno a base de vanadio solo era sustantiva cuando los niveles ambientales de molibdeno eran bajos.

«Parece que la naturaleza desarrolló métodos de respaldo para mantener la fertilidad del ecosistema cuando el ambiente es variable», dijo Darnajoux. «Cada paso del ciclo del nitrógeno implica una enzima que requiere metales traza particulares para funcionar. El molibdeno y el hierro son típicamente el foco del estudio científico porque se consideran esenciales en la enzima nitrogenada fijadora de nitrógeno. Sin embargo, una nitrogenasa a base de vanadio también existe, pero desafortunadamente se ha ignorado en gran medida el aporte de nitrógeno por esta enzima «.

Darnajoux y Zhang trabajaron con Nicolas Magain y François Lutzoni en la Universidad de Duke y Marie Renaudin y Jean-Philippe Bellenger en la Universidad de Sherbrooke en Québec.

Los resultados de los investigadores sugieren que las estimaciones actuales de la entrada de nitrógeno en los bosques boreales a través de la fijación son lamentablemente bajas, lo que subestimaría la demanda de nitrógeno para el crecimiento robusto de las plantas, dijo Darnajoux. Los bosques boreales ayudan a mitigar el cambio climático al actuar como sumidero del carbono antropogénico. Aunque estos bosques del norte no reciben tantos visitantes humanos como las metrópolis más escasamente pobladas, las actividades humanas aún pueden tener un gran impacto en la fertilidad de los bosques a través del transporte atmosférico de la contaminación del aire cargada de nitrógeno y metales como el molibdeno y el vanadio.

«Las actividades humanas que cambian sustancialmente la calidad del aire pueden tener una influencia de largo alcance sobre cómo funcionan incluso los ecosistemas remotos», dijo Zhang. «Los hallazgos resaltan la importancia de la contaminación del aire en la alteración de la dinámica de los micronutrientes y los macronutrientes. Debido a que el aire es un bien común global, la conexión entre los ciclos de metales y nitrógeno y la contaminación del aire tiene algunas políticas y dimensiones de gestión interesantes».

Los hallazgos de los investigadores podrían ayudar en el desarrollo de modelos climáticos más precisos, que no contienen información explícita sobre molibdeno o vanadio en las simulaciones del flujo global de nitrógeno a través de la tierra, el océano y la atmósfera.

La importancia de la fijación de nitrógeno impulsado por vanadio se extiende a otras regiones de latitudes altas, y muy probablemente a los sistemas templados y tropicales, dijeron Darnajoux y Zhang. El umbral para la cantidad de molibdeno que un ecosistema necesita para activar o desactivar la fijación de nitrógeno de vanadio que encontraron en su estudio fue notablemente similar a los requisitos de molibdeno de fijación de nitrógeno encontrados para muestras que abarcan diversos biomas.

Los investigadores continuarán la búsqueda de la fijación de nitrógeno a base de vanadio en las latitudes del norte. También han dirigido sus ojos hacia áreas más cercanas al hogar, iniciando estudios de dinámica de micro y macronutrientes en bosques templados en Nueva Jersey, y planean expandir su trabajo a los sistemas tropicales.

El documento, «Umbral de molibdeno para la actividad alternativa de vanadio nitrogenasa a escala de ecosistema en bosques boreales «, fue publicado en línea por Proceedings of the National Academy of Science antes del 11 de noviembre.


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