Ciclo del nitrógeno

Las primeras semanas de un acuario son cruciales para su éxito. Antes del agregado de los peces es muy importante que en el agua se establezca todo un mundo biológicamente activo, que asegure una vida saludable para ellos, sus principales habitantes. Puesto que un acuario es un ambiente cerrado, todos los desechos originados por los peces, los restos de plantas y el alimento sin comer, se acumulan dentro del mismo. Estos productos de desecho nitrogenados se descomponen en amoníaco (NH3), el cual es muy tóxico para la mayoría de los peces, bastan unas pocas horas para que el amoníaco llegue a niveles tóxicos.

En la naturaleza, el volumen de agua por pez es muy elevado, y los productos de desecho quedan muy diluidos.

En un acuario ya establecido, el amoníaco, la primera sustancia nitrogenada que se genera, es transformado en nitritos, menos tóxico, el cual será luego convertido en nitratos, mucho menos tóxico, constituyendo lo que se denomina el ciclo del nitrógeno. Todo el proceso está mediado por un grupo de bacterias autótrofas obligadas y aerobias estrictas, que transforman de ese modo los desechos orgánicos en sustancias menos nocivas.

Cuando instalamos un acuario nuevo, estas bacterias nitrificantes sólo existen en pequeñas cantidades, y suelen venir principalmente en el agua y en la grava. Por ello es fundamental que en las primeras semanas se logre una multiplicación de sus colonias, de manera que se obtenga una población lo suficientemente grande para procesar los desechos de los futuros habitantes.

El proceso de colonización de estas bacterias se produce sin ningún otro tipo de intervención más que una fuente de materia orgánica. Una vez que el tanque es llenado y los filtros comienzan a funcionar, debemos proveer un poco de amoníaco para empezar el ciclo, pues la cantidad que pueda existir en el agua es escasa. Una buena manera es colocando plantas naturales, ya que su propio metabolismo provee el nitrógeno inicial, y además son buenos consumidores de amoníaco, evitando que su nivel se vaya muy arriba. También se pueden agregar pequeñas cantidades de escamas, pero lo que sin duda acelera el ciclo es la siembra de bacterias mediante la introducción de agua o un poco de grava procedente de un acuario ya establecido, asegurándose, por supuesto, de sus buenas condiciones.

Fijación de nitrógeno

El nitrógeno gaseoso (N2) es el principal componente de la atmósfera terrestre, representando alrededor de un 78 % del total de los gases atmosféricos.

El triple enlace que une ambos átomos de nitrógeno necesita de una gran energía para romperse, y sólo unos cuantos microorganismos pueden utilizarlo de forma directa recurriendo a una reacción química denominada de fijación del nitrógeno

La fijación de nitrógeno es la conversión del nitrógeno del aire a formas distintas susceptibles de incorporarse a la composición del suelo o de los seres vivos, como el ion amonio (NH4+) o los iones nitrito (NO2–) o nitrato (NO3–), y también su conversión a sustancias atmosféricas químicamente activas, como el dióxido de nitrógeno (NO2), que reaccionan fácilmente para originar alguna de las anteriores.

Existen dos tipos de fijación:

• Fijación abiótica. La fijación natural puede ocurrir por procesos químicos espontáneos, como la oxidación que se produce por la acción de los rayos, que forma óxidos de nitrógeno a partir del nitrógeno atmosférico.

• Fijación biológica de nitrógeno. Es un fenómeno fundamental que depende de la habilidad metabólica de unos pocos organismos, llamados diazotrofos en relación a esta habilidad, para tomar N2 y reducirlo a nitrógeno orgánico:

N2 + 8H+ + 8e- ' 2NH3 + H2

La fijación biológica la realizan tres grupos de microorganismos diazotrofos:

Bacterias gramnegativas de vida libre en el suelo, de géneros como Azotobacter, Klebsiella o el fotosintetizador Rhodospirillum, una bacteria purpúrea.

Bacterias simbióticas de algunas plantas, en las que viven de manera generalmente endosimbiótica en nódulos, principalmente localizados en las raíces. Hay multitud de especies encuadradas en el género Rhizobium, que guardan una relación muy específica con el hospedador, de manera que cada especie alberga la suya.

Cianobacterias de vida libre o simbiótica. Las cianobacterias de vida libre son muy abundantes en el plancton marino y son los principales fijadores en el mar. Además hay casos de simbiosis, como el de la cianobacteria Anabaena en cavidades subestomáticas de helechos acuáticos del género Azolla, o el de algunas especies de Nostoc que crecen dentro de antoceros y otras plantas.

Esta reacción es catalizada por el complejo enzimático de la nitrogenasa, compuesto por dos enzimas: Dinitrogenasa y dinitrogenasa reductasa.

La dinitrogenasa reductasa se encarga de transferir electrones a la dinitrogenasa, que unida a un cofactor de hierro y molibdeno reduce luego al N2 mediante una serie de reacciones aún no conocidas. Para que esta reducción tenga lugar es necesaria la ausencia de O2, incluso en organismos aerobios, pues este gas inactiva la nitrogenasa. Otras bacterias fijadoras de nitrógeno pueden usar nitrogenasas alternativas en medios pobres en Moho.

Amonificación

La amonificación se lleva a cabo por diversos procesos catabólicos dentro de los seres vivos y la descomposición de biomasa generada por diversos microorganismos que irán descomponiendo estas moléculas hasta dejar de nuevo libre el nitrógeno en el medio en forma de amoníaco, para posteriormente lograr la conversión a ion amonio.

Los peces producen directamente amoníaco (NH3), que en disolución se convierte en ion amonio. El nitrógeno biológico que no llega ya como amonio al sustrato, la mayor parte en ecosistemas continentales, es convertido a esa forma por la acción de microorganismos descomponedores.

Nitrificación

La nitrificación es la oxidación biológica del amonio a nitrato por microorganismos aerobios que usan el oxígeno molecular (O2) como oxidante. A estos organismos el proceso les sirve para obtener energía, al modo en que los heterótrofos la consiguen oxidando alimentos orgánicos a través de la respiración celular.

Esta reacción tiene dos pasos:

• Nitrosación: Partiendo de amonio se obtiene nitrito (NO2–). Lo realizan bacterias de, entre otros, los géneros Nitrosomonas y Nitrosococcus. Aunque ciertos estudios recientes aseguran que las bacterias Nitrosomonas no tienen gran actividad en los acuarios de agua dulce.

• Nitratación: Partiendo de nitrito se produce nitrato (NO3–). Lo realizan bacterias del género Nitrobacter, pero teniendo en cuenta investigaciones recientes, las responsables de la conversión de nitrito a nitrato serían bacterias del grupo Nitrospira.

La combinación de amonificación y nitrificación devuelve a una forma asimilable por las plantas, el nitrógeno que ellas tomaron del suelo y pusieron en circulación por la cadena trófica.

Desnitrificación

Una gran cantidad de organismos pueden usar el nitrato producido por el proceso anteriormente descrito como fuente de nitrógeno. Muchas bacterias pueden usarlo también como aceptor de electrones en la respiración anaerobia de la materia orgánica y como fuente de oxígeno, en un proceso de reducción del nitrógeno. Este proceso de descomposición es llevado a cabo por bacterias desnitrificadoras anaerobias autótrofas y heterótrofas, de manera tal que el nitrógeno gaseoso N2 (o, menos comúnmente, de NO o N2O) sea devuelto a la atmósfera.

En un acuario hay pocos lugares con ausencia de oxígeno, por lo que la desnitrificación prácticamente no se produce. Las bacterias desnitrificantes existen en pequeña cantidad, y su presencia debe evitarse debido a que suelen asociarse a sustancias tóxicas como el ácido clorhídrico y a gases nocivos como el metano.