Ciclo del Nitrógeno: un paradigma clásico

En lo que respecta al desarrollo del ciclo del nitrógeno, uno de los grandes paradigmas de la biología, y por extensión a nuestro caso, del mundo del acuario, ha sido siempre el hecho teóricamente contrastado y, universalmente aceptado, de que hay dos tipos de bacterias responsables de la llamada fase de nitrificación: Nitrosomonas europaea oxida el amoníaco a nitrito y, posteriormente, Nitrobacter winogradskyi oxida el nitrito a nitrato.

De forma muy resumida, así se desarrolla, desde la perspectiva tradicional, el ciclo del nitrógeno:

fijación del nitrógeno molecular

El primer paso en la cadena de reacciones del ciclo del nitrógeno es, lógicamente, la incorporción del nitrógeno libre del medio ambiente a las células de animales y plantas. La fijación de este nitrógeno libre se realiza, en presencia de la enzima nitrogenasa, por combinación con hidrógeno y formación de amoníaco/amonio. Esta reacción requiere un alto gasto de energía, por lo que la mayoría de las bacterias dejan de lado este camino si encuentran en su entorno alguna otra fuente de nitrógeno combinado. Es por este alto coste en energía, y por la presencia habitual de compuestos nitrogenados, que podemos afirmar que difícilmente se va a dar esta fase del ciclo en un acuario.

De forma muy esquemática, el proceso sería:

N2 + 8 H+ + ENERGÍA2 NH4+

A partir de la forma básica amoníaco/amonio, el nitrógeno es incorporado en los seres vivos bajo la forma de variados compuestos bioquímicos (aminoácidos > proteínas). Estos compuestos entran en las rutas metabólicas de animales y plantas y se reciclan en las más variadas maneras para acabar, de una u otra forma, volviendo de nuevo al medio ambiente.

amonificación

En nuestro acuario. los excrementos de peces e invertebrados, los restos de comida y otra materia orgánica (por ejemplo, desechos químicos de las algas) son los productos que aparecen en mayor abundancia y que contienen nitrógeno. A partir de estos productos, microorganismos capaces de elaborar enzimas específicas para desarticular las proteínas (proteinasas) las convierten en elementos más sencillos llamados Péptidos, que a su vez, con intervención de otro tipo de enzimas (peptidasas), se desdoblan en sus componentes elementales o aminoácidos.

La amonificación consiste en la liberación de amoníaco por separación de un grupo amino (=desaminación oxidante) a partir de los aminoácidos obtenidos al final del paso anterior. Un ejemplo podría ser la degradación de la Alanina en presencia de la encima alanina-desaminasa:

CH3-CHNH2-COOH + 1/2 O2CH3-CO-COOH + NH3

Ya hemos visto que la forma disociada del amoníaco (NH3) es el amonio (NH4+) que es mucho menos tóxica para los sers vivos. El que tengamos amoníaco o amonio depende del pH y dela temperatura del agua (cuanto más altos sean el pH y la temperatura más amoníaco tendremos). Hay que tener muy en cuenta que el NH3 es el primer producto que tendremos en el agua de nuestro acuario cuando comienza el ciclo del Nitrógeno, y que se irá acumulando mientras las bacterias capaces de descomponerlo (como veremos a continuación) no sean capaces de eliminarlo según aparece.

nitrificación

Se llama nitrificación a la oxidación del amoníaco (NH3) hasta nitrato y es una de las actividades más importantes de cierto tipo de bacterias autótrofas. Este paso se lleva a cabo en dos fases bien diferenciadas por medio de bacterias específicas (Nitrosomonas y Nitrobacter, respectivamente, según los conceptos clásicos). No existen demasiados géneros de bacterias capaces de llevar a cabo estas reacciones, y sólo los dos citados han sido estudiados con detalle. Las especies de ambos géneros son autótrofos obligados y aerobios estrictos. No crecen en medios de cultivo diseñados para los heterótrofos (ágar nutritivo) ya que necesitan un medio de sales minearales que contenga amonio o nitrito.

Las bacterias del género Nitrosomonas oxidan el amoníaco a nitrito:

2 NH3 + 3 O22 HNO2 + 2 H2O

Las bacterias del género Nitrobacter oxidan el nitrito a nitrato:

HNO2 + 1/2 O2HNO3

El nitrato es muchísimo menos peligroso para la vida en el acuario; muchos autores sostienen que la gran mayoría de los peces marinos pueden vivir perfectamente en ambientes con hasta 200 mg/l. Es muy raro que suceda en acuarios, pero hay que saber que en este punto la reacción es reversible y el nitrato podría convertirse en nitrito y luego en amoníaco. Este proceso ocurre habitualmente en condiciones anaerobias.

desnitrificación

En condiciones adecuadas, el paso siguiente sería la conversión de los nitratos en nitrógeno gas o en ácido nitroso. Este proceso se denomina desnitrificación y lo llevan a cabo organismos como por ejemplo Thiobacillus denitrificans (autótrofo), Micrococcus denitrificans (heterótrofo) y otras especies de heterótrofos más comunes de los géneros Serratia, Pseudomonas y Achromobacter.