Descripción breve

La fijación de nitrógeno es el proceso químico o biológico mediante el cual el gas nitrógeno atmosférico inerte ($N_2$) se convierte en compuestos nitrogenados biodisponibles como el amoníaco ($NH_3$), nitratos ($NO_3^-$) o nitritos ($NO_2^-$), esenciales para la fertilidad del suelo y la vida.

Uso / Función

• Restauración de suelos agrícolas: Repone nitrógeno biodisponible en suelos agrícolas agotados.
• Rotación de cultivos y aumento del rendimiento: Las leguminosas de cobertura convierten el nitrógeno atmosférico para aumentar los rendimientos de cereales.
• Materia prima para fertilizantes industriales: Produce precursores de fertilizantes nitrogenados sintéticos como el nitrato de amonio y la urea.
• Escala: Desde nódulos radiculares en leguminosas hasta plantas industriales de gran tonelaje.

Principio de funcionamiento

El nitrógeno atmosférico ($N_2$) contiene un enlace triple covalente extremadamente fuerte ($N \equiv N$) que lo hace inerte para la mayoría de organismos. La fijación de nitrógeno rompe este enlace mediante enzimas especializadas o alto aporte de energía:

1. Fijación biológica: Bacterias simbióticas Rhizobium dentro de los nódulos de las raíces de leguminosas utilizan la enzima nitrogenasa para reducir $N_2$ a amoníaco ($NH_3$) a temperatura y presión ambiente.
2. Fijación por arco eléctrico: Arcos eléctricos de alto voltaje fuerzan la combinación de $N_2$ y $O_2$ atmosféricos en óxidos de nitrógeno ($NO_x$), que se disuelven en agua para formar ácido nítrico.
3. Catálisis química: Reacción catalítica industrial de nitrógeno e hidrógeno bajo alta presión y calor (proceso Haber-Bosch).

Cómo implementarlo

1. Incorporar cultivos de leguminosas: Sembrar trébol, alfalfa, guisantes o soja como cultivos de cobertura o intercalados para introducir nódulos de Rhizobium en campos agotados.
2. Aplicar compostaje orgánico: Combinar materia orgánica rica en nitrógeno como Estiércol con materiales carbonados para estimular microbios fijadores de nitrógeno.
3. Fijación por arco eléctrico: Construir un Horno de Arco Eléctrico de alto voltaje por el cual se sople aire para producir soluciones de ácido nítrico para fertilizar el suelo.
4. Bioinoculación: Inocular semillas de leguminosas con cepas bacterianas de Rhizobium antes de la siembra para maximizar la formación de nódulos radiculares.

Materiales necesarios

• Huéspedes biológicos: Semillas de leguminosas (trébol, frijol, guisantes) e inóculos bacterianos.
• Residuos orgánicos: Estiércol ganadero y residuos vegetales para abono verde.
• Fijador de nitrógeno por arco: Generador de chispas de alto voltaje, cámara de reacción y absorbedor de Agua.

Variantes y mejoras

• Abonado en verde: Incorporar biomasa de leguminosas ricas en nitrógeno directamente en la capa superior del suelo antes de sembrar cultivos principales.
• Proceso Birkeland-Eyde: Tecnología histórica de arco eléctrico que utiliza energía hidroeléctrica renovable para sintetizar nitratos a partir de aire y agua.
• Inoculación con bacterias de vida libre: Uso de bacterias del suelo de vida libre (Azotobacter, Clostridium) para cultivos no leguminosos.

Límites y riesgos

• Alto consumo de energía: La fijación abiótica de nitrógeno requiere inmensa energía térmica o eléctrica para romper el enlace $N \equiv N$.
• Acidificación del suelo: La aplicación excesiva de fertilizantes amoniacales sin cal amortiguadora provoca la acidificación progresiva del suelo.
• Eutrofización: El escurrimiento de exceso de nitratos hacia cuerpos de agua causa floraciones algales que agotan el oxígeno y colapsan ecosistemas acuáticos.