FIJADORES DE NITROGENO

SIMBIOTICOS

Integrantes: Sturla Dario

Carrera: Ingeniería Agronómica

Asignatura: Microbiología agrícola

INTRODUCCION:El Nitrógeno (N) es un elemento necesario en la composición de proteínas, ácidos nucleicos y otros componentes celulares, siendo así una molécula esencial para el crecimiento de todos los organismos y es uno de los factores limitantes más comunes de la producción vegetal. En la atmósfera el N ocupa aproximadamente el 80%, existiendo en la forma N N; sin embargo, el N2, debido al triple enlace entre los dos átomos de nitrógeno, que hace a la molécula casi inerte, no puede ser aprovechado por la mayoría de las formas vivientes, sino sólo por un pequeño grupo de microorganismos altamente especializados, que incluyen algas, bacterias y actinomicetos. Para ser utilizado en el crecimiento, este debe ser primero reducido y luego “fijado” (combinado) en la forma de iones amonio (NH4+) o nitrato (NO3-). El proceso a través del cual esos microorganismos reducen el nitrógeno hasta una forma utilizable es conocido como Fijación Biológica de Nitrógeno (FBN). El proceso puede ser llevado a cabo por los microorganismos en vida libre o en simbiosis con plantas, y el mismo no sólo permite usar el nitrógeno atmosférico sino también revertir o reducir la degradación del suelo.

TRANSFORMACION DEL NITROGENO MOLECULAR ATMOSFERICO

La depositacion de nitrógeno en el suelo puede suceder

1) Por la incorporación de fertilizantes industrialesde los cuales la gran mayoría se fabrican a partir de amoníaco

2) La deposición de nitrógeno por las lluvias se da por descargas eléctricas y tormentas en la atmósfera, que hacen que el nitrógeno molecular se oxide y en las nubes reaccione hasta ácido nítrico (HNO3-). Con las lluvias se produce una transferencia de nitrógeno, las cantidades dependen de la intensidad de las descargas, de la cantidad de lluvia y la contaminación del aire. Los microorganismos fijadores de nitrógeno no constituyen un grupo taxonómico homogéneo, la única característica que comparten es la presencia de la enzima nitrogenasa.

3) Fijación biológica de nitrógeno (FBN): La fijación biológica del nitrógeno atmosférico, consistente en la reducción de N2 a NH4+ por la enzima nitrogenasa, es, después de la fotosíntesis, la ruta metabólica más importante para el mantenimiento de la vida en la Biosfera. Curiosamente, este proceso crucial sólo puede ser llevado a cabo por unos pocos grupos de seres vivos, todos ellos procariotas.

La FBN es un proceso energéticamente elevado por lo tanto la síntesis y actividad del complejo nitrogenasa se encuentra altamente regulado). A continuación se muestra la ecuación general de la fijación de nitrógeno. Debido a lo cual la síntesis del complejo nitrogenasa se encuentra regulada a nivel transcripcional dependiendo el contenido de nitrógeno disponible en el ambiente.

N2 + 16 ATP + 8e - + 8H+ →2NH3 + H2 + 16 ADP+Pi(ΔG=150Kcal/mol)

Esté proceso en el suelo cercano a la raíz de las plantas es de gran importancia ecológica ya que parte del nitrógeno fijado queda disponible para la planta y la planta provee de exudados que pueden ser fuente de carbono para el microorganismo.En la fijación de nitrógeno el N2 se reduce a amoniaco que se combierte en una forma organica, la reducción esta catalizada por una enzima llamada nitogenasa que consta de dos proteínas diferentes: la dinitrogenasa y la dinitrogenasa-reductasa. Ambas proteínas contienen hierro y la dinitrogenasa contiene además molibdeno. En la dinitrogenasa, el hierro y el molibdeno forman parte de un cofactor llamado FeMo-co que es donde se produce la reducción del N2. Debido a la estabilidad del triple enlace del dinitrogeno, el N2 es muy inerte y su activación requiere de ucha energía. Se debe tranferir 6 electrones para reducir el N2 a NH3 las tres etapas de reducción sucesivas se producen directamente en la nitrogenasa

a) La fijación biológica asimbiótica de nitrógeno Las de vida libre son especies que habitan en los suelos (como Azotobacter y Pseudomonas spp.) que viven en la rizósfera, consumiendo los exudados de azúcares que la planta libera por sus raíces, utilizando esta fuente de energía como combustible para realizar la conversión de nitrógeno gaseoso no disponible para la planta en nitrógeno disponible.

b) La fijación simbiótica de nitrógeno es aquella que realizan los microorganismos que se encuentran en asociación con plantas u hongos. La fijación simbiótica ocurre generalmente en la rizosfera, pero también puede ocurrir a nivel de las hojas o los tallos.Dentro de los organismos fijadores de nitrógeno, uno de los más importantes es la especie Rhizobium que se asocian con plantas de las subfamilias Papilionoideae, Cesalpinioideae, y Mimosoideae. La vida de las bacterias se acomoda al ritmo de la planta hospedadora. Las cantidades de N fijadas en el proceso simbiótico son muy diversas, con valores de 20 a 1000 Kg de N.ha-1 en un ciclo de producción.

VENTAJAS DE LA BIOFERTILIZACION

a) Producen fitohormonas, como el ácido indolacètico y las citoquininas, capaces de acelerar y potenciar el crecimiento de las plantas.

b) Al permanecer vivas durante años y reproducirse en el suelo, no sólo no lo degradan sino que contribuyen a su enriquecimiento en nitrógeno y a su regeneración de forma ecológica y gradual, incluso en terrenos de alta concentración salina.

c) Permite el aumento de la producción.

d) Crea una barrera protectora contra hongos y bacterias patógenas en la raíz de la planta, por lo que ésta crece más sana y fortalecida.

e) También se ha comprobado un mayor índice de germinación de semillas comparada con otros sistemas de abonado.

f) Permite mayor desarrollo de las raíces.

FIJADORES DE NITROGENO ASIMBIOTICOEntre las bacterias de vida libre puede encontrarse: anaeróbicas obligadas o facultativas (e.j. Clostridium pasteurianum, Klebsiella spp., Desulfovibrio sp.), aeróbicas obligadas (e.j. Azotobacter spp., Beijerinckia sp.) y fotosintéticas (bacterias púrpuras sulfurosas y no sulfurosas, y bacterias verdes sulfurosas). Entre las bacterias fijadoras de vida libre, las más numerosas y eficaces son formas aeróbicas pertenecientes al género Azotobacter.

Genero Azotobacter: El género Azotobacter es uno de los microorganismos utilizados como biofertilizantes que más se aplica e investiga en países en vías de desarrollo. Sus propiedades beneficiosas se ponen de manifiesto en una gran variedad de hortalizas, granos. Estos microorganismos en determinadas condiciones su efecto beneficioso no se debe solamente a la cantidad de N2 atmosférico fijado, sino a la capacidad de producir vitaminas y sustancias estimuladoras del crecimiento que influyen directamente en el desarrollo vegetal.

FIJADORES DE NITROGENO SIMBIOTICOS

Para que se establezca la relación simbiótica deben ocurrir las siguientes etapas: 1. Multiplicación de las bacterias en la rizósfera, 2. colonización de larizósfera, 3. adsorción de las bacterias a la raíz, 4. diferenciación y desarrollo del nódulo.La utilización del nitrógeno atmosférico en la simbiosis, requiere de la integración de las vías metabólicas de la fijación (bacteroides) y de la asimilación (planta hospedera) del nitrógeno. La bacteria emplea compuestoscarbonados oxidables suplidos por la planta para su metabolismo y desarrollo y para la síntesis de ATP y del poder reductor usados en la reacción de fijacióncatalizada por la nitrogenasa, la cual genera el nitrógeno asimilable (NH4+), que es metabolizado en las células nodulares que luego son exportados vía xilema al resto de la planta, donde son usados.

Tomando la mayor contribución de nitrógeno fijado a los ecosistemas terrestres proviene de la siguientes asociacion:

Asociación Rhizobium-leguminosa que se encuentran: en sistemas cultivados o pasturas naturales de leguminosas. Se puede estimar que el 50% del nitrógeno fijado en la tierra proviene de las asociaciones Rhizobium-leguminosa.

Genero Rhizobium:

El nombre Rhizobium, tiene la ventaja de enfatizar la importancia agronómica de las bacterias de los nódulos de las raíces (rhiza: raíz, bius: vida, Rhizobium: vida en las raíces).Los Rhizobium son microorganismos capaces de inducir la formación de nódulos fijadores de nitrógeno atmosférico en las raíces de las plantas de la familia Leguminosae (papilonoideas). Algunos rizobios también son capaces de inducir nódulos en el tallo de leguminosas (Sesbania, Aeschynomene). Los rizobios se encuentran dentro del orden Eubacteriales y la familia Rhizobiaceae. Son bacilos de 0,5 a 0,9 nm de ancho y 1,2 a 3,0 nm de longitud, son bacterias Gram negativas y no esporulan. Son móviles debido a flagelos perítricos o a un flagelo polar o subpolar.

Rhizobium: cepas de crecimiento rápido (tiempo de generación: de 2 a 4 horas), con varios flagelos, acidificantes en diferentes medios. Estos rizobios generan nodulación en leguminosas de zonas templadas.

Tradicionalmente su clasificación se ha basado en el concepto de especificidad rizobioleguminosa: las bacterias que nodulan a la misma leguminosa se incluirían en la misma especie. La clasificación actual es la siguiente:

Se considera crecimiento rápido cuando desarrollan colonias de 1 a 5 mm de tamaño en un periodo de tiempo de 3 a 5 días a una temperatura de 25º a 28ºC. en un medio de agar con extracto de levadura y manitol, y de crecimiento lento cuando para el periodo de tiempo indicado, la colonia, no supera un milímetro de tamaño.

INOCULACION CON RhizobiumSi bien las leguminosas pueden estar bien noduladas y micorrizadas cuando crecen en condiciones naturales, las modificaciones introducidas por el hombre, como es el caso demonocultivos, aplicación incontrolada de fertilizantes químicos, tratamientos con pesticidas y herbicidas, etc., han causado una pérdida en la infectividad de los suelos. Por ello, la inoculación de leguminosas con microbios adecuados es de gran importanciapara el desarrollo de aquéllas. Un criterio de selección es que el rizobio forme nódulos en las raíces de la planta hospedadora bajo un amplio espectro de condiciones ambientales, muestre capacidad de competir con ventaja sobre otros rizobios no deseados, sobreviva y se multiplique en el suelo, tenga resistencia a pesticidas, desecación, etc.

Misma planta (alfalfa), mismo suelo, e iguales condiciones de crecimiento. La diferencia entre “verde” y “amarillas” se debió a la inoculación de las primeras.

Genero Azospirillum:

Una asociación de gran interés, que no se puede considerar exactamente como simbiosis, es la formada por la bacteria fijadora de nitrógeno Azospirillum, que prolifera en y sobre raíces de maíz, trigo, cebada, avena y otros cereales y plantas forrajeras, constituyendo una rizocenosis no nodulante que conduce a un aumento del número de espigas y de biomasa vegetal. La inoculación de los suelos se realiza utilizando turba molida como portador, conteniendo 109 bacterias de Azospirillum por gramo de turba, que se aplica antes o poco después de la siembra. El aumento de cosecha alcanza un máximo en suelos que reciben un 30-50 por ciento menos de fertilizante nitrogenado del normalmente recomendado para estos cultivos. Junto a esta capacidad fijadora existe una mayor producción de hormonas de crecimiento, quesuponen un beneficio para el desarrollo de la planta, y que conducen a la formación de más raíces y consiguiente aumento de absorción de nutrientes.

Género Bradyrhizobium:

Las bacterias del género Bradyrhizobium son bacilos de 0,5 a 0,9 nm por 1,2 a 3 nm. Se desplazan con un flagelo polar o subpolar. Consiste en cepas de lento crecimiento, productoras de álcali, crecen en colonias circulares hasta 1 mm. de diámetro, opacas y raramente traslucidas, blancas, convexas y contundencia a tener textura granulosa.Tres especies B. japonicum, B. elkanii y B. liaoningense pueden nodular a la soja (Glycine max).

Bradyrhizobium: cepas de crecimiento lento (tiempo de generación mayor a 6 horas), con un solo flagelo, alcalinizante de diversos medios.

Cianobacterias:

Las cianobacterias se asocian simbióticamente con representantes de las cuatro principales divisiones filogenéticas de las plantas terrestres: briofitas (musgos, hepáticas y antocerotas), helechos, gimnospermas yAngiospermas; además, se asocian con hongos para formar los líquenes y con organismos marinos. Algunas cianofíceas, particularmente Nostoc y Anabaena, aun cuando lo hacen en vida libre, pueden también establecer simbiosis con un amplio espectro de plantas. La contribución de las cianofíceas en vida libre a la economía del nitrógeno de los medios naturales es difícil de establecer, pues a menudo se encuentran muy localizadas. No obstante, se han llegado a medir cantidades significativas, del orden de 30 Kg. de nitrógeno por hectárea y año en cultivos de arroz. Sin embargo, desde un punto de vista de aplicación a la agricultura hay que destacar las asociaciones simbióticas de estos microbios con plantas.

Su aplicación más extendida es como fertilizante de los cultivos de arroz, fundamental en la dieta alimenticia de más de la mitad de la población mundial. El género Azolla agrupa a seis especies de pequeños helechos acuáticos que viven flotando en aguas dulces tropicales y templadas de todo el mundo, uno de los cuales, la Azolla caroliniana puede encontrarse en ríos y charcas de la región castellano-leonesa. La capacidad fijadora de nitrógeno del sistema, del orden de 3 Kg. de nitrógeno por Ha. y por día, junto con su rápida propagación, duplicando su biomasa entre tres y seis días, rápida descomposición en el suelo,así como el hecho de no transmitir enfermedades a los cultivos, la hacen útil como biofertilizante siempre que se controle su desarrollo, ya que puede ocasionar algunos problemas ecológicos al causar la desaparición de otras plantas ya existentes.

Cianobacterias-Liquenes:

Los líquenes son asociaciones simbióticas entre un hongo (micobionte) y una cianobacteria (fotobionte o cianobionte). La cianobacteria más frecuente en los líquenes es Nostoc.Los líquenes viven en varias superficies: suelos, árboles, rocas y paredes, a menudo son los primeros en establecerse en el ambiente, constituyendo la única vegetación en ambientes extremos.

Cianobacterias-Briofitas:

Los musgos forman asociaciones simbióticas con especies deCianobacterias. Las colonias de la cianobacteria se alojan encavidades especiales (domatias) localizadas en la parte ventral del gametofito donde ocurre el intercambio de compuestos nitrogenados y carbohidratos

Cianobacterias-Helechos: (Azolla)

Azolla es un helecho acuático que forma una simbiosis permanente y hereditaria con la cianobacteria Anabaena azollae En esta asociación ocurre un intercambio de compuestos desde la cianobacteria hacia el hospedero (compuestos nitrogenados) y en vía contraria (productos fotosintéticos).El género Azolla agrupa a seis especies de pequeños helechos acuáticos que viven flotando en aguas dulces tropicales y templadas de todo el mundo, uno de los cuales, la Azolla caroliniana puede encontrarse en ríos y charcas de la región castellano-leonesa. La capacidad fijadora de nitrógeno del sistema, del orden de 3 Kg. de nitrógeno por Ha. y por día, junto con su rápida propagación, duplicando su biomasa entre tres y seis días, rápida descomposición en el suelo, así como el hecho de no transmitir enfermedades a los cultivos, la hacen útil como biofertilizante siempre que se controle su desarrollo, ya que puede ocasionar algunos problemas ecológicos al causar la desaparición de otras plantas ya existentes.

Cianobacterias-Angiospermas:

Todas las especies de Gunnera forman asociaciones simbióticas con Nostoc (particularmente con N. punctiforme) , siendo la única angiosperma conocida por formar este tipo de asociación. Las cianobacterias se localizan intracelularmente en las glándulas ubicadas en la base del pecíolo donde ocurre el intercambio de compuestos: nitrogenados desde el alga y fotosintéticos desde la planta.

Gunnera magellanica Fotomicrografía en microscopio deluz del corte transversal del tallo de G.

chilense, mostrando las colonias de Nostoc.

Ascomicetes:

Frankia: La simbiosis fijadora de nitrógeno entre el actinomiceto, o bacteria filamentosa Frankia y plantas no leguminosas, todas ellas leñosas, tiene gran importancia en áreas forestales. Por la propia naturaleza de las plantas implicadas, el beneficio que se puede derivar de su empleo nos viene dado a más largo plazo que en el caso de las leguminosas. De alguna manera éste es el motivo fundamental de que las investigaciones sobre esta simbiosis hayan ido siempre por detrás de la simbiosis de leguminosas, de interés agrícola, que proporcionan un beneficio inmediato a la economía del agricultor medio, quien basa su subsistencia enproductos anuales. Este actinomicete forma nódulos (actinorizas) o raíces laterales modificadas con lóbulos hasta de 5 cm de longitud y fija nitrógeno en ocho familias de dicotiledóneas: Betulaceae, Casuarinaceae, Coriariaceae, Datiscaceae, Elaeagnaceae, Myricaceae, Rhamnaceae y Rosaceae. Como consecuencia, estas plantas

son capaces de crecer en suelos pobres e intervenidos, siendo así útiles en la recuperación de suelos y reforestación.La formación del primordio nodular se inicia en el periciclo, donde se originan raíces laterales modificadas de forma lobular con células infectadas en la corteza. Frankia penetra los pelos radicales curvados o intercelularmente hacia la corteza, donde ocurren divisiones celulares limitadas que dan lugar a la formación del prenódulo; al mismo tiempo, en las células del periciclo opuestas al protoxilema se suceden divisiones mitóticas que conducen a la formación de las raíces laterales modificadas o nódulos; al prenódulo se le considera como un órgano simbiótico paralelo, desde donde progresan las hifas hacia el primordio del nódulo.Durante la simbiosis, el microsimbionte obtiene la energía de la planta hospedera a través de compuestos carbonados; se considera que Frankia por carecer de enzimas glicolíticas, obtiene el carbono de lípidos.

Nódulos de Alnus sp. mostrando laestructura multilobulada

FACTORES AMBIENTALES LIMITANTES DE LA SIMBIOSIS

Hay muchos factores limitantes de la simbiosis, pero presumiblemente las masimportantes son las clases de terreno, la luz, la temperatura, el agua, los elementos minerales, etc.

Elementos mineralesDeficiencias o excesos en determinados elementos minerales afectan directamente o indirectamente en la nodulación.elementos como calcio, fósforo, azufre, cobre o zinc son muy importantes yaque originan cambios en el pH lo cual puede afectar directamente a la fijación. Los fertilizantes químicos utilizados tratan de influenciar un mayor crecimiento. de la planta y una mayor con fijación del nitrógeno.

TemperaturaQue la temperatura afecta a la simbiosis esta claro, pero esta interacción es de modo indirecto aparece de un modo no especifico a través de los procesos metabólicos de la planta como respiración, fotosíntesis, transporte y transpiración. En la leguminosas estudiadas, que tienen un ciclo de Calvin normal, su temperatura optima es de 15 a 20º C. No se han encontrado leguminosas tropicales con metabolismo C4. La respiración se incrementa con las altas temperaturas, esto hace que haya una menor disponibilidad de carbono para la simbiosis. Con menos de 7º C la nodulación se hace muy poco probable. En el caso extremo de altas temperaturas, se reduce el número de

raíces laterales y pelos radicales, haciendo que la probabilidad de nodulación sea menor. A temperatura extremas tiene lugar una degradación de los nódulos.

LuzLa luz afecta a la simbiosis a través de la fotosíntesis, controlando la cantidad de carbohidratos para el desarrollo y funcionamiento del modulo. Existen evidencias de algunos efectos directos de la luz sobre la nodulación, así es por ejemplo que la nodulación es pobre bajo luz azul y máxima bajo efecto de la luz roja - esto implica una evidencia de la implicación del fitocromo reversible en el proceso de nodulación). Se han hecho experimento con la defoliación gradual de las plantas y se ve claramente como hay una reducción en la fijación del nitrógeno.

AguaLas deficiencias en la disponibilidad de agua causan un bajada en la fijación delnitrógeno en leguminosas de todo el mundo, de todos modos hay diferentesadaptaciones de estas plantas a las diversas condiciones de sequía, como ejemplo podemos citar a M. sativa que llega a proyectar sus raíces hasta siete metros de profundidad.

Otros factoresOtros factores posibles pueden ser los gases que hay en el terreno, las enfermedades como hongos, virus o micoplasmas (se ha estimado que estas enfermedades causan una perdida de al menos el 24 % de las leguminosas del forraje). Por ultimo debemos decir que las actividades del hombre también han modificado las cantidades de fijación de nitrógeno, la mayor parte de las veces es en beneficio (como puede ser la contribución a la nodulación con diferentes fertilizantes que ofrecen minerales al suelo que ayuda a la nodulación).

Inóculo Twin N™

Twin N™ es un inóculo comercial que contiene bacterias que fijan nitrógeno. Contiene cepas de alta viabilidad y confiabilidad. Este inóculo ha sido desarrollado y fabricado bajo estándares de la industria farmacéutica que garantiza su calidad. Además, Twin N contiene inóculos de las especies más investigadas a nivel mundial, altamente productivas en la fijación de nitrógeno.Twin N™ contiene inóculo liofilizado de Azotobacter sp (vida libre en el suelo) y Azospirilum sp (endófitas). Esto significa que la planta es inoculada y colonizada por fuera y por dentro con especies muy eficientes para fijar el nitrógeno, es decir dos sistemas diferentes de fijación de nitrógeno están trabajando. La reciente llegada comercial de inóculos como Twin N™ al mercado, está cambiando rápidamente esta situación alrededor del mundo, permitiendo reducir significativamente el costo actual de producción, de medio o alto a bajo, y donde las aplicaciones de nitrógeno son esenciales para obtener un rendimiento adecuado de los cultivos.

BIBLIOGRAFIA

Libro Brock. Biología de los microorganismos Revista UDO Agrícola 4 (1): 1-20. 2004. Universidad de Oriente, Núcleo

de Monagas, Laboratorio de Rizobiología. http://scriptusnaturae.8m.com/Articulos/FijN/libre.html - Fijación del

nitrógeno por microorganismos libres. Enero 2011. Biblioteca digital de la universidad católica argentina. Trabajo Final de

Ingeniería en Producción Agropecuaria. http://bibliotecadigital.uca.edu.ar/repositorio/tesis/fijacion-biologica-nitrogeno-leguminosas.pdf

INSTITUTODE RECURSOS NATURALES Y AGROBIOLOGÍA; LA FIJACIÓN DENITRÓGENOATMOSFÉRICO

AMecological, desarrollo biosustentable