Aunque el nitrógeno es esencial para todos los organismos vivos, constituye el 3% del cuerpo humano y comprende el 78% de la atmósfera de la Tierra, es casi irónicamente difícil para las plantas y los sistemas naturales acceder a él.

La mayoría de los seres vivos no pueden utilizar directamente el nitrógeno atmosférico. En naturaleza, microbios especializados en suelos y cuerpos de agua convierten el nitrógeno en amoníaco, una forma crucial de nitrógeno a la que la vida puede acceder fácilmente, a través de un proceso llamado fijación de nitrógeno. En agricultura, Se pueden plantar soja y otras leguminosas que facilitan la fijación de nitrógeno para restaurar la fertilidad del suelo.

Un obstáculo adicional en el proceso de hacer que el nitrógeno esté disponible para las plantas y los ecosistemas que dependen de él es que los "fijadores" microbianos de nitrógeno incorporan una proteína compleja llamada nitrogenasa que contiene un núcleo rico en metales. La investigación existente se ha centrado en las nitrogenasas que contienen un metal específico, molibdeno.

La cantidad extremadamente pequeña de molibdeno que se encuentra en el suelo, sin embargo, ha expresado su preocupación por los límites naturales de la fijación de nitrógeno en la tierra. Los científicos se han preguntado qué restricciones impone la escasez de molibdeno a la capacidad de la naturaleza para restaurar la fertilidad del ecosistema a raíz de las perturbaciones provocadas por el hombre. o a medida que la gente busca cada vez más tierras cultivables para alimentar a una población en crecimiento.

Los investigadores de la Universidad de Princeton han encontrado evidencia de que otros metales pueden facilitar la fijación de nitrógeno cuando el molibdeno es escaso. lo que sugiere que el proceso puede ser más resistente de lo que se pensaba anteriormente, según un estudio publicado en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Trabajando en un tramo de 372 millas (600 kilómetros) de bosque boreal en Canadá, Los investigadores encontraron que la fijación de nitrógeno a escala de ecosistema también puede ser catalizada por el vanadio metálico, particularmente en las regiones del norte con aportes limitados de nitrógeno natural.

"Este trabajo impulsa una revisión importante de nuestra comprensión de cómo los micronutrientes controlan el estado del nitrógeno y la fertilidad del ecosistema, "dijo el autor principal Xinning Zhang, profesor asistente de geociencias y del Instituto Ambiental de Princeton.

"Necesitamos saber más sobre cómo se manifiesta la fijación de nitrógeno en términos de presupuestos de nutrientes, ciclismo y biodiversidad, ", dijo." Una consecuencia de este hallazgo es que las estimaciones actuales de la cantidad de nitrógeno aportado a los bosques boreales a través de la fijación pueden estar significativamente subestimadas. Este es un tema importante para nuestra comprensión de las necesidades de nutrientes de los ecosistemas forestales, que actualmente funciona como un importante sumidero de carbono antropogénico ".

Primer autor Romain Darnajoux, un asociado de investigación postdoctoral en el grupo de investigación de Zhang, explicó que los hallazgos validan una hipótesis de larga data en la comunidad científica de que existen diferentes variantes metálicas de la nitrogenasa para que los organismos puedan hacer frente a los cambios en la disponibilidad de metales. Los investigadores encontraron que la fijación de nitrógeno a base de vanadio solo era sustantiva cuando los niveles ambientales de molibdeno eran bajos.

"Parecería que la naturaleza desarrolló métodos de respaldo para mantener la fertilidad del ecosistema cuando el ambiente es variable, "Dijo Darnajoux." Cada paso del ciclo del nitrógeno implica una enzima que requiere de trazas de metales particulares para funcionar. El molibdeno y el hierro suelen ser objeto de estudios científicos porque se consideran esenciales en la enzima nitrogenasa fijadora de nitrógeno. Sin embargo, también existe una nitrogenasa a base de vanadio, pero, lamentablemente, la aportación de nitrógeno por esta enzima se ha ignorado en gran medida ".

Darnajoux y Zhang trabajaron con Nicolas Magain y Franc? Ois Lutzoni en la Universidad de Duke y con Marie Renaudin y Jean-Philippe Bellenger en la Universidad de Sherbrooke en Québec.

Los resultados de los investigadores sugieren que las estimaciones actuales de la entrada de nitrógeno en los bosques boreales a través de la fijación son lamentablemente bajas. lo que subestimaría la demanda de nitrógeno para un crecimiento robusto de las plantas, Dijo Darnajoux. Los bosques boreales ayudan a mitigar el cambio climático al actuar como sumidero de carbono antropogénico. Aunque estos bosques del norte no reciben tantos visitantes humanos como incluso las metrópolis menos pobladas, Las actividades humanas aún pueden tener impactos importantes en la fertilidad de los bosques a través del transporte atmosférico de contaminación atmosférica cargada de nitrógeno y metales como el molibdeno y el vanadio.

"Las actividades humanas que cambian sustancialmente la calidad del aire pueden tener una influencia de gran alcance en cómo funcionan incluso los ecosistemas remotos, "Dijo Zhang." Los hallazgos destacan la importancia de la contaminación del aire en la alteración de la dinámica de micronutrientes y macronutrientes. Porque el aire es un bien común global, la conexión entre los metales y el ciclo del nitrógeno y la contaminación del aire tiene algunas dimensiones políticas y de gestión interesantes ".

Los hallazgos de los investigadores podrían ayudar en el desarrollo de modelos climáticos más precisos, que no contengan explícitamente información sobre molibdeno o vanadio en simulaciones del flujo global de nitrógeno a través de la tierra, océano y atmósfera.

La importancia de la fijación de nitrógeno impulsada por el vanadio se extiende a otras regiones de latitudes altas, y más probable a los sistemas templados y tropicales, Dijeron Darnajoux y Zhang. El umbral para la cantidad de molibdeno que un ecosistema necesita para activar o desactivar la fijación de nitrógeno de vanadio que encontraron en su estudio era notablemente similar a los requisitos de fijación de nitrógeno de molibdeno encontrados para muestras que abarcan diversos biomas.

Los investigadores continuarán la búsqueda de la fijación de nitrógeno a base de vanadio en las latitudes del norte. También han vuelto sus ojos hacia áreas más cercanas a casa, iniciar estudios de la dinámica de micro y macronutrientes en los bosques templados de Nueva Jersey, y planean expandir su trabajo a los sistemas tropicales.

El papel, "Umbral de molibdeno para la actividad nitrogenasa de vanadio alternativa a escala de ecosistema en los bosques boreales, "fue publicado por el Actas de la Academia Nacional de Ciencias en línea antes de la impresión el 11 de noviembre.