El nitrógeno forma parte de compuestos orgánicos vitales en los microrganismos, como los aminoácidos, las proteínas y el ADN. La forma gaseosa del nitrógeno (N2), constituye el 78% de la troposfera. Se podría pensar que esto significa que siempre tenemos mucho nitrógeno disponible, pero desgraciadamente no es así. El nitrógeno en forma gaseosa no puede ser absorbido y utilizado como nutriente por las plantas y los animales; primero debe ser convertido por las bacterias nitrificantes, para que pueda entrar en las cadenas alimentarias como parte del ciclo del nitrógeno.
Durante la conversión del nitrógeno las cianobacterias convertirán primero el nitrógeno en amoníaco y amonio, durante el proceso de fijación del nitrógeno. Las plantas pueden utilizar el amoníaco como fuente de nitrógeno.
La fijación del nitrógeno se lleva a cabo según la siguiente reacción:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
Después de la fijación del amoníaco, el amoníaco y el amonio que se forman se transferirán más adelante, durante el proceso de nitrificación. Las bacterias aerobias utilizan el oxígeno para convertir estos compuestos. Las bacterias Nitrosomonas convierten primero el nitrógeno gaseoso en nitrito (NO2-) y posteriormente las nitrobacterias convierten el nitrito en nitrato (NO3-), un nutriente para las plantas.
La nitrificación se lleva a cabo según las siguientes reacciones:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
Las plantas absorben el amonio y el nitrato durante el proceso de asimilación, tras lo cual se convierten en moléculas orgánicas que contienen nitrógeno, como los aminoácidos y el ADN.
Los animales no pueden absorber los nitratos directamente. Reciben sus suministros de nutrientes mediante el consumo de plantas o animales consumidores de plantas.
Cuando los nutrientes nitrogenados han cumplido su función en las plantas y los animales, unas bacterias especializadas en la descomposición inician un proceso llamado amonificación, para convertirlos de nuevo en amoníaco y en sales de amonio solubles en agua. Después de que los nutrientes se conviertan de nuevo en amoníaco, las bacterias anaerobias los convertirán de nuevo en nitrógeno gaseoso, durante un proceso llamado desnitrificación.
La desnitrificación se lleva a cabo según la siguiente reacción:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
Por último, el nitrógeno se libera de nuevo a la atmósfera. Todo el proceso vuelve a empezar tras la liberación.
Aquí se muestra una representación esquemática del ciclo del nitrógeno:
El nitrógeno como factor limitante
Aunque los procesos de conversión del nitrógeno ocurren a menudo y se producen grandes cantidades de nutrientes para las plantas, el nitrógeno es a menudo un factor limitante para el crecimiento de las plantas. El agua que fluye por el suelo provoca este error. Los nutrientes nitrogenados son solubles en agua y, como resultado, se drenan fácilmente, de modo que ya no están disponibles para las plantas.
La reacción annamox
En 1999 los investigadores del Gist-Brocades en Delft, Holanda, descubrieron una nueva reacción que se añade al ciclo del nitrógeno; la llamada reacción annamox. Ahora se ha descubierto que también se produce en el Mar Negro. La reacción implica la conversión de nitrito y amonio en nitrógeno gaseoso puro (N2), que luego escapa a la atmósfera. El mecanismo de la reacción lo desencadena una bacteria recién descubierta, llamada Brocadia anammoxidans. Esta parece ser una bacteria compartimentada; dentro de la membrana celular se pueden encontrar dos compartimentos que también están rodeados por una membrana, un fenómeno muy raro. Los productos intermedios de la reacción incluían hidroxilamina y compuestos tóxicos de hidracina. Se descubrió que las membranas bacterianas están formadas por membranas mal permeables, que se cree que funcionan como barrera para las hidracinas producidas dentro de la célula. Este descubrimiento tiene importantes consecuencias, ya que altera toda la contribución de los océanos al balance de nitrógeno.