Esta publicación es para compartir, de forma condensada, lo aprendido en una reciente lectura sobre el ciclo del nitrógeno, arqueas y oxidación anaeróbica de compuestos nitrogenados en el acuario, nivel avanzado!
Se trata de una publicación de 2013 de la Universidad de Antioquía, en Colombia, y todos los créditos van para sus autores. Se llama “Procesos, bacterias y arqueobacterias involucrados en el ciclo biológico del nitrógeno para la eliminación de compuestos nitrogenados en ecosistemas de agua dulce, una revisión sistemática”.
Con las herramientas de la universidad, los autores han buscado publicaciones relevantes en inglés a nivel mundial, con palabras clave como “nitrogen cycle”, “bacteria”, “archaea”, “freshwater”, “aquatics ecosystems” y “aquarium”. De 380 publicaciones pre-seleccionadas, se usaron las 54 más relevantes para extraer todo lo coincidente sobre los procesos y sus participantes en el ciclo del nitrógeno en ecosistemas de agua dulce.
Veremos los subprocesos del ciclo del nitrógeno, la nitrificación y desnitrificación, y leeremos sobre bacterias, arqueas (reino propio igual que las bacterias y eukarya, donde están animales y plantas), enzimas y genes. Entenderemos mejor el ciclado de un acuario, los desajustes bacterianos en el filtro y su impacto en la calidad del agua, así como la forma en que la filtración anaeróbica ayuda a descomponer compuestos nitrogenados. Son éstos amonio, nitrito y nitrato fundamentalmente, como residuos del metabolismo de los animales y restos orgánicos en descomposición.
Y después de esto, seguiremos sin saberlo todo y enfrentándonos a situaciones que no logramos entender con claridad. Ni la ciencia lo conoce todo. Por eso nos beneficia tener en cuenta lo que sí se sabe.
El objetivo es eliminar estos compuestos nitrogenados, que en determinadas concentraciones son tóxicos para los peces. El nitrógeno es un gas atmosférico y está en constante intercambio. Ese intercambio lo realizan microorganismos, reduciendo la toxicidad del compuesto o incluso haciendo inocuo al nitrógeno al liberarlo al ambiente.
Los procesos del ciclo del nitrógeno y sus actores:
– Fijación de nitrógeno (sin interés en este caso, ya que lo que buscamos es su eliminación)
– Nitrificación: Oxidación aeróbica de amonio y oxidación de nitrito. Bacterias oxidantes de amonio (AOB) o arqueas oxidantes de amonio (AOA).
– Desnitrificación: Oxidación aeróbica del nitrito. Bacterias oxidadoras de nitrito (NOB).
– Oxidación anaeróbica del nitrato.
– Anammox: Oxidación anaeróbica de amonio
El riesgo para las condiciones del ambiente viene cuando no se completan los procesos. Los problemas asociados son la eutrofización, cuando los microorganismos consumen el oxígeno de su entorno, y la formación de espuma. Adicionalmente puede aparecer amonio y amoniaco.
Posiblemente se haya subestimado la cantidad de microorganismos que participan en los procesos, porque no son organismos proclives a ser cultivados artificialmente y por tanto estudiados. Las nuevas técnicas moleculares han permitido demostrar que las bacterias que participan en los procesos de oxidación de compuestos nitrogenados, usan el nitrógeno en sus procesos metabólicos. Estas bacterias son aerobios facultativos, lo que significa que pueden intercambiar el consumo de oxígeno por nitrógeno en condiciones anóxicas (anaeróbicas). Esta capacidad la obtienen sintetizando enzimas y esa facultad la dan ciertos genes.
El gen 16S rRNA ha permitido distinguir y diferenciar multitud de microorganismos gracias a técnicas de amplificación genética como el PCR. Ahora sabemos, por ejemplo, qué tipos de proteobacterias nitrificantes son más importantes. Así se han descubierto también arqueas en el océano. Y otro descubrimiento fueron los microorganismos que realizan la oxidación anaeróbica del amonio (anammox). Oxidan el amoniaco NH4+ y reducen el nitrito NO2- y están muy presentes en ambientes acuáticos anóxicos.
El proceso de la nitrificación
La eliminación biológica del nitrógeno se realiza con la nitrificación y desnitrificación. Durante la nitrificación, primero un grupo de bacterias AOB oxidan amoniaco via hidroxilamina a nitrito. En una segunda etapa las NOB convierten el nitrito en nitrato (menos tóxico). En 1995 se sugirió que las AOA podrían desempeñar un papel importante en el ciclo del nitrógeno. Desde entonces se han encontrado AOA en diferentes entornos y estudios han demostrado su prevalencia en ambientes acuáticos, pero el alcance de su actividad e importancia ecológica aún no se ha determinado.
Pero tanto AOB como AOA se consideran esenciales en la oxidación de amoniaco a nitrito. Frecuentemente se aíslan más copias de genes de AOA que de AOB en diferentes ambientes. Cada vez hay más evidencia del papel de la nitrificación en el sedimento de ríos y lagos.
El proceso de la desnitrificación
Hay microorganismos que consumen el nitrato producido por la nitrificación. Los productos de la nitrificación se ven en la Figura 3 y son NO, N2O, N2 y cuando se acaba produciendo N2, el proceso se llama desnitrificación. La desnitrificación se lleva a cabo por bacterias anaerobias. Las condiciones anóxicas llevan a las bacterias al consumo de nitrato como aceptor de electrones para la respiración anaerobia.
Ecológicamente, el proceso es importante porque se transforma el nitrógeno contenido en el nitrato en N2 que puede liberarse a la atmósfera.
Proceso Anammox
En 2004 se descubrió la oxidación anaeróbica del amoniaco por medio de bacterias anammox y AOA (arqueas oxidantes de amoniaco), demostrando que el amoniaco también se oxida en condiciones anaeróbicas. Estas bacterias se han identificado en muchos ambientes naturales, entre ellos los lagos de aguas dulces anóxicas tropicales.
La reacción anammox implica la oxidación acoplada de amonicaco y la reducción de nitrito para obtener N2. Este proceso realiza la oxidación del amonio por la enzima hidracina oxidasa como intermediario y compite con la desnitrificación en la producción de N2.
Factores físico químicos del ciclo del nitrógeno
La distribución de comunidades bacterianas responden a una serie de factores como oxígeno y carbono, nitrato, nitrógeno inorgánico, salinidad y presencia de ciertos iones, nitrito y sulfuro, pH y temperatura. El proceso óptimo se da entre 15° y 35°. La capacidad de desnitrificación de un sistema acuático puede disminuir, por ejemplo cuando se agota el oxígeno, produciendo un desajuste entre la nitrificación y la desnitrificación. Un aumento del amonio también disminuye la nitrificación.
Diversidad de bacterias y arqueas en el ciclo del nitrógeno
Las bacterias nitrificantes son solamente una variedad de la comunidad bacteria. Su actividad y crecimiento son lentos. Son difíciles de estudiar por lo laborioso de la preparación de cultivos apropiados y su lento crecimiento puede inducir a errores sobre su concentración. Pero su participación parece ser tan baja, que se sospecha que pueda haber otras bacterias involucradas, pero que son incultivables. Estos nuevos actores son también las bacterias anammox y las AOA.
Otro factor importante para la diversidad de bacterias es la presencia de amonio NH3, que provoca la inibición de la respiración de las AOB, donde Nitrobacter es afectado en concentraciones por debajo de 1mg/L, mientras que las Nitrospiras se inhiben entre 0,04 y 0,08 mg/L.
Las composiciones y abundancia de AOA y AOB varían ampliamente según el ambiente, pero las AOA pueden ser actores importantes en ambiantes desfavorables. Sin embargo, no se sabe su importancia relativa comparada con las AOB.
El tratamiento anaeróbico por sí solo no es suficiente para eliminar la totalidad del nitrógeno. Se requiere una combinación de procesos aeróbicos y anaeróbicos y un pretratamiento anaeróbico puede ser beneficioso para la eliminación de nitrógeno mejorando la disolución de materia orgánica en partículas.
En cuanto a filtración biológica, un sistema combinado de inundación/ drenaje seguido de células sumergidas, puede ser el sistema de reducción de nitrógeno más eficiente y además mantiene bajos los niveles de nitrito en la acuicultura.
Este ha sido el resumen/ cita de los pasajes más relevantes para nosotros. La fuente está en un archivo en formato pdf descargable de internet. Aquí dejo el enlace del artículo completo:
https://revistas.udea.edu.co/index.php/hm/article/view/20095
Consideraciones finales
A lo mejor a día de hoy ya se sabe más sobre las arqueas y su papel en el ciclo del nitrógeno, pero no he encontrado nada nuevo. He buscado los mísmos términos de búsqueda que los autores y aparecen publicaciones posteriores, pero se refieren a depuración de aguas, sustratos terrestres y el océano. Nada de agua dulce. Si alguien sabe algo, puede dejar un enlace y/o un comentario.
Parece que no estamos haciendo nada equivocado con nuestro biofiltro anaeróbico como parte del sistema TAA reemplazando el reactor de resina anti-nitrato, hecho con canutillos de vidrio sinterizado bajo 6 cm de arena. También parece que estábamos en lo cierto al afirmar que las bacterias nitrificantes se multiplican mucho más despacio que el resto de bacterias, incluso a 28-30°C y que el sump parece ser un buen sistema de filtración de nitrógeno.
Me parece lo correcto hablar de ciclo del nitrógeno, y no de nitrificación y me parece que es un ciclo genial para filtrar y hacer respirable los deshechos de nuestro metabolismo animal. Una tarea tan importante y la realizan microorganismos, en condiciones extremas si hace falta. Felicidades por haber llegado hasta aquí, te has graduado en el ciclo del nitrógeno, arqueas y oxidación anaeróbica.
Productos relacionados (sitio Afiliado de Amazon*):
*En calidad de Afiliado de Amazon, obtengo ingresos por compras adscritas que cumplan los requisitos aplicables. Gracias.
Test de amoniaco y amonio
Test de gotas NH4 y NH3 de Sera
Test de nitrito
Test de gotas NO2 de Sera
Test de nitrato
Test de gotas NO3 de Sera
