Con barreras para las pérdidas

La actividad agrícola afecta significativamente el ciclo del nitrógeno, en especial por la aplicación de fertilizantes nitrogenados, la aceleración de la mineralización de N, vía laboreo del suelo, y la estimulación de la fijación biológica de N. Según la Asociacion Internacional de Fertilizantes (IFA), la urea (CO(NH2)2) es el fertilizante más utilizado en el mundo, representando cerca del 55% del mercado mundial. A pesar del importante mejoramiento en el manejo del N, su eficiencia de recuperación aún es baja y, en promedio, no sobrepasa el 40%, es decir por cada 100 kg de N aplicados, solo se recuperan 40 kg en el cultivo. Las mayores pérdidas de N son causadas por la hidrólisis de la urea, los procesos de oxidación de formas reducidas de nitrógeno (nitrificación), como producto de la actividad microbiana y la desnitrificación (Figura 1).

Al ser aplicada al suelo, la urea es rápidamente hidrolizada a amonio (NH4+) y bicarbonato (HCO3−), un proceso catalizado por una enzima dependiente de níquel, la urea amino-hidrolasa, comúnmente llamada ureasa (Ver ecuación 1). Esta enzima está presente, con frecuencia, en suelos agrícolas y puede producirse intra o extracelularmente causan un incremento del pH del medio y la formación de amoniaco (NH3) con la consecuente pérdida de N desde el suelo, vía volatilización en condiciones de baja humedad.

El ion amonio (NH4 +) formado a partir de la hidrólisis de la urea sirve como nutriente de las plantas y microorganismos y para la respiración de algunos grupos de microorganismos específicos que son capaces de utilizar el amonio para producir nitrato (NO3 −) vía nitrito (NO2 −).

Oxidación de NH4 +

La nitrificacion es el proceso microbiano por el cual el amonio se oxida a nitrito (NO2 −) y nitrato (NO3 −) y es una etapa central en el ciclo del N que provee una de las formas de N disponibles (NO3 – ) para la absorción de N por las plantas y microorganismos, así como para el proceso de desnitrificación y la oxidación anaeróbica de N. Sin embargo, dadas las usuales condiciones de aerobiosis del sistema suelo, la nitrificación es un proceso que ocurre en alta frecuencia en sistemas agrícolas, reduciendo la eficiencia del uso del nitrógeno, favoreciendo las pérdidas por lixiviación, con la consecuente contaminación de las aguas y su posterior eutroficación, e incrementando la producción de óxido nitroso (N2O) a nivel global vía desnitrificación. Cabe señalar que el N2O tiene un potencial de calentamiento global aproximado de 300 veces el del CO2, por lo que es considerado uno de los gases de efecto invernadero (GEI) ambientalmente más perjudiciales. La oxidación del amonio ocurre por la presencia de microorganismos filogenética y fisiológicamente diferentes, incluyendo bacterias amonio-oxidadoras (a mmoniaoxidizer bacteria – AOB), amonio- oxidadoras arqueas (ammonia oxidizer archaea -AOA) y bacterias oxidadoras completas de amonio (complete ammonia oxidizer bacteria -COMAMMOX) con el género Nitrospira (AOA) generalmente dominante en términos de abundancia sobre las oxidadoras de amonio (AOB) en suelos ácidos o no intervenidos.

Por el contrario, en suelos agrícolas, las bacterias amonio-oxidadoras (AOB) predominan, siendo el principal grupo involucrado en la pérdida de N y emisiones de N2O. El grupo COMAMMOX está distribuido en los diferentes ecosistemas terrestres como suelos agrícolas, humedales, sedimentos, acuíferos y sistemas de distribución de agua.

En suelos la actividad de las bacterias AOA está directamente relacionada con la mineralización de la materia orgánica y el flujo de iones NH4 +, por lo que también es reconocido en el proceso de compostaje donde las proteínas, ácidos nucleicos y aminoácidos, principales compuestos nitrogenados que hacen parte de la materia orgánica, se mineralizan fácilmente para producir amonio, encargado de alcalinizar inicialmente el sustrato. Este es fácilmente perdido como amoniaco (NH3) en la fase termofílica, siendo la mayor causa de pérdida de nitrógeno en el compost, y por ende reduciendo su potencial fertilizante.

En el compostaje, se presentan tanto el grupo de las bacterias AOB como de las arqueas – AOA (Figura 2). Los dos grupos emplean el mismo gen funcional amoA para codificar una subunidad de la enzima amonio monoxigenasa (AMO), una enzima que es dependiente de cobre, que se produce en la membrana plasmática y es la encargada de realizar la primera etapa del proceso de nitrificación para convertir amonio en hidroxilamina a través de la inserción de O2 en un enlace N–H (Ecuación 2).

La enzima AMO es influenciada por factores ambientales como la temperatura, pH, contenido de humedad y formas de N en el sistema, pues la concentración de NO3 en el suelo tiene efectos como producto de la reacción, sobre el proceso de oxidación, inhibiendo el crecimiento de las poblaciones de AOA.

El proceso de nitrificación se completa cuando el nitrito es oxidado a nitrato mediante una reacción catalizada por la enzima nitrito oxidasa (Ecuación 3) producido por las bacterias nitrito oxidadoras (nitrite oxidizers bacteria- NOB).

En este proceso participan cuatro géneros de proteobacteria: Nitrobacter (el más estudiado, α proteobacteria); Nitrococcus (γ proteobacteria), Nitrospira (δ proteobacteria) y Nitrospina (división propia). Solo Nitrobacter y Nitrospira han sido detectados en suelo.

Como consecuencia de estos procesos más del 50% del nitrógeno aplicado al suelo vía fertilizantes inorgánicos u orgánicos no es realmente empleado por los cultivos y se pierde al ambiente, tanto en formas gaseosas (NH3, NO, N2O, N2), algunas de las cuales contribuyen significativamente al efecto invernadero y la formación de materia orgánica particulada en aire, o son lixiviadas como NO3 −, el cual es una fuente de eutroficación con un costo económico y ambiental alto para los productos y la sociedad.

Estas consideraciones han llevado a la necesidad de desarrollar productos que inhiban el funcionamiento de enzimas como la ureasa y la amoniomonooxigenasa, con el fin de disminuir las pérdidas de N causadas por su funcionamiento. Así, existen los inhibidores de la ureasa, que buscan disminuir las pérdidas de N como amoniaco durante el proceso de hidrólisis de la urea y los inhibidores de ureasa e inhibidores de nitrificación (IN) que tienen como objetivo disminuir las pérdidas de N-NO3, ya sea por lixiviación o en forma gaseosa.

Los inhibidores de la ureasa bloquean la actividad de la enzima ureasa en el suelo. El proceso de pérdida contra el que protegen los inhibidores de la ureasa es la volatilización del amoníaco. Con suelo de pH alto, o ambientes de suelo/residuos que están pobremente amortiguados contra un aumento en el pH, la rápida hidrólisis de la urea resultará en una acumulación de amoníaco (NH3) en lugar de amonio. El amoníaco puede perderse en la atmósfera en forma de gas. En las peores condiciones, esta pérdida puede ser rápida y significativa. Numerosos estudios han encontrado que más del 50 % del fertilizante N aplicado puede perderse hacia la atmósfera en estas condiciones.

Al evitar que la urea se hidrolice, los inhibidores de la ureasa protegen contra la volatilización del amoníaco, manteniendo el N del fertilizante en forma de urea. Dado que la urea es muy soluble en agua, dicha inhibición da tiempo para que la lluvia o el riego muevan la urea al suelo. Una vez incorporada en el suelo, a una profundidad de solo 5-7,5 cm, el N ureico está protegido de la volatilización del amoníaco, porque el amonio que se libera a través de la hidrólisis se retiene rápidamente en los sitios de intercambio catiónico del suelo.

Los inhibidores de la ureasa se descomponen con el tiempo, pero generalmente pueden proteger contra la pérdida de amoníaco desde los fertilizantes N aplicados en la superficie del suelo durante un par de semanas, según las condiciones de temperatura y humedad. Los productos con eficacia conocida para inhibir la actividad de la ureasa son la triamida N-(n-butil) tiofosfórica (NBPT) y la triamida N-(n-propil) tiofosfórica (NPPT). Existen numerosas marcas de ureas formuladas con inhibidor de ureasa.

Un elemento importante en la inhibición de la enzima ureasa son los elevados niveles de Cu en el suelo. Un exceso de cobre inhibe la acción de la ureasa quedando la urea por más tiempo como tal, con un menor suministro de N para la planta y la posibilidad de que la urea, que es una molécula apolar, se pierda por lixiviación.

Otra tecnología para reducir las pérdidas de N, son los Inhibidores de nitrificación (IN), tecnología que se desarrolló a partir de 2000. En Chile, las primeras experiencias con IN datan del año 2002. Existen numerosos compuestos que son capaces de inhibir la acción de la enzima AMO, sin embargo, los más conocidos son nitrapirina, diaciandiamida (DCD), 3,4 dimetil pirazol fosfato (3,4 DMPP) y 3,5 dimetil pirazol fosfato (3,5 DMPP). Numerosas investigaciones han determinado que el DMPP (3,4-dimethylpyrazole phosphate) es el compuesto más eficiente, ya que actúa además de manera específica sobre la enzima AMO, con un efecto bacteriostático sobre nitrosomonas y sin efecto bactericida sobre las poblaciones de microorganismos benéficos del suelo.

Básicamente los IN ralentizan la transformación de amonio a nitrito y de este a nitrato. Así, el NH4 +, que tiene carga positiva, permanece adsorbido en las cargas negativas del suelo, evitando la pérdida de N por lixiviación de NO3 -. Por otra parte, el NH4 + es estable en condiciones de exceso de humedad, reduciéndose las pérdidas por desnitrificación (respiración del NO3 – ) (Figura 1). Esto significa mayor disponibilidad de N para la planta, lo que permite reducir la dosis de N para el cultivo, aumentar la eficiencia de utilización de N y reducir las pérdidas de N al medio ambiente.

Consideraciones finales

El N, como otros elementos se oxida o reduce en el suelo, según diferentes condiciones de temperatura y humedad, y ya sea la fuente inorgánica u orgánica, ocurren procesos biológicos de hidrólisis y nitrificación en donde participan grupos de microorganismos con enzimas específicas, que generan pérdidas de N desde el suelo hasta la atmósfera o al agua. Para minimizarlas, el uso de inhibidores de ureasa e inhibidores de nitrificación hoy disponibles en el mercado permite incrementar la disponibilidad de N para la planta y reducir la dosis de N para el cultivo, lo que mejora la eficiencia agronómica y ambiental.