El ciclo del nitrógeno y la producción descontrolada de fertilizantes

El nitrógeno es esencial para la vida porque forma parte de aminoácidos, proteínas y ADN. Pero ahora se ha descubierto que la mitad del mismo que está en nuestros tejidos no procede de la naturaleza, sino de la industria. Esto se debe a que los seres humanos han interferido en el ciclo del nitrógeno y han comenzado a producir fertilizantes nitrogenados a una escala sin precedentes. Los cultivos así crecen más rápido. Ahora estamos en una situación en la que la humanidad ya no puede prescindir de estas enormes fábricas de fertilizantes. En este artículo, descubriremos cómo funciona el ciclo del nitrógeno, qué ha hecho que la humanidad lo fabrique a una altísima velocidad, cuáles son las consecuencias y cómo se puede hacer de forma diferente.

Autor: Kathelijne Bonne. Edición española: Silvia Zuleta Romano.

¿Qué es el nitrógeno?

Volvamos al colegio por un rato: el nitrógeno es un elemento químico, el átomo de símbolo N, que ocupa el séptimo lugar en la conocida Tabla Periódica de los Elementos. Junto con el carbono, el hidrógeno y el oxígeno, el nitrógeno es el elemento más importante y común en los seres vivos. Como la mayoría de los átomos, al N no le gusta estar solo, y se recombina con otros átomos para formar moléculas. Para que el nitrógeno llegue a nuestros tejidos, tenemos que absorberlo en forma de ciertas moléculas. 

La ilustración debajo muestra algunas moléculas comunes de nitrógeno. El amoníaco por ejemplo es formado por nitrógeno y hidrógeno. Es utilizado y emitido por las actividades agrícolas, reacciona en el suelo y las raíces de las plantas lo absorben. Luego, los óxidos de nitrógeno están formados por nitrógeno y oxígeno, y son partículas importantes en el humo y el hollín. Y el gas nitrógeno está formado por dos átomos de nitrógeno. Es el gas más importante de la atmósfera y la mayor fuente de nitrógeno de la Tierra.

La gran vorágine de la vida

¿Y qué es el ciclo del nitrógeno? Es uno de los ciclos biogeoquímicos de la Tierra que sostiene la vida y asegura un suministro y una eliminación continuos de las sustancias necesarias para la vida. El ciclo del nitrógeno, a su vez, garantiza un intercambio continuo entre las diferentes formas de nitrógeno mencionadas anteriormente. 

Hay muchas más moléculas de nitrógeno que las mencionados arriba, pero en realidad todas pueden dividirse en dos grandes grupos: un grupo puede ser absorbido (asimilado, se dice) por los seres vivos, como el amoníaco. Estas moléculas son "reactivas" y "biodisponibles". El otro grupo no lo es, como el nitrógeno de la atmósfera. (A modo de comparación: no podemos comer piedras, aunque contengan carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno; pero sí se puede comer carne o verduras). Lo fascinante de este ciclo es que, mediante procesos biológicos, químicos y geológicos, una molécula puede convertirse en otra, intercambiando átomos entre sí. Elementos como el carbono, el fósforo, el oxígeno y el hidrógeno también viajan a través de los ciclos biogeoquímicos. Y así, tarde o temprano, todos los elementos necesarios para la vida giran en la gran vorágine de los procesos terrestres.

Pero todos los recursos de la tierra son finitos, y los ciclos tampoco se van a dar prisa, por lo que hay un límite natural a cuántas bocas puede alimentar la naturaleza. El hombre ya había comprendido en el siglo XIX que el crecimiento de los cultivos dependía en gran medida de la cantidad de nitrógeno en el suelo y que el suelo puede agotarse. Por ello, el hombre logró burlar a la naturaleza y superar estos límites acelerando el ciclo del nitrógeno. Pero para contar esto, tenemos que retroceder más de un siglo.

Una Europa próspera: más bocas que alimentar

En el siglo XIX, Europa se había vuelto próspera gracias a muchos grandes inventos y avances tecnológicos. La población también se había expandido desde la Revolución Industrial; había más bocas - y más grandes - que alimentar. Había que cultivar más para garantizar la seguridad alimentaria. El nitrógeno, el fertilizante por excelencia, desempeñó un papel crucial en este sentido. Hasta entonces, se utilizaban fuentes naturales de abono, como los excrementos del ganado, el follaje de las plantas fijadoras de nitrógeno (véase más adelante) y los depósitos de salitre y guano, importados de países lejanos como Chile y Perú (*). Pero por las tensiones políticas que estaban aumentando, a Alemania, se le negó el acceso a algunas materias primas. Esto llevó a los alemanes a experimentar con la producción artificial de nitrógeno reactivo. Se utilizó gas nitrógeno atmosférico como sustancia.

Dado que la atmósfera está formada por un 78% de gas nitrógeno, es la mayor reserva de nitrógeno de la Tierra. Pero este nitrógeno no puede ser absorbido por seres vivos. Aunque lo inhalamos, sale de nuestros pulmones sin cambios. El objetivo de los químicos de principios de siglo era convertir este gas en amoníaco.

Y mientras tanto, los países europeos se habían hecho tan poderosos que surgieron tensiones y desavenencias entre las potencias cada vez más grandes. Europa estaba al borde del colapso. Y casualmente, el nitrógeno también era necesario en los explosivos. Se necesitaba urgentemente una solución.

Los logros de Fritz Haber y Carl Bosch

En ese momento crucial, el químico alemán Fritz Haber estaba ocupado realizando experimentos con nitrógeno en su laboratorio. Un día de verano de 1909, Haber consiguió capturar el amoníaco, gota a gota, de su instrumento en un tubo de ensayo. BASF, el gran grupo químico alemán, compró la patente y contrató a Carl Bosch para que hiciera posible el proceso a gran escala. ¡Y lo consiguieron! Ambos señores recibieron el Premio Nobel después de la Primera Guerra Mundial. Su trabajo pasaría a la historia como el proceso Haber-Bosch.

Y en realidad, el proceso Haber-Bosch es el invento más impactante de la historia. La productividad agrícola aumentó enormemente (sobre todo después de la Segunda Guerra Mundial). El ganado también creció exponencialmente. La población humana mundial se cuadruplicó en un siglo, pasando de 1.600 millones en 1900 a casi 7.900 millones a finales de 2021. De hecho, ahora hay el doble de personas comiendo de lo que la naturaleza puede soportar. Por eso, la mitad del nitrógeno de nuestro cuerpo procede de las fábricas donde se produce amoníaco mediante el proceso Haber-Bosch.

El ciclo del nitrógeno perturbado

El ciclo natural del nitrógeno se ha visto completamente alterado por estos acontecimientos. Hay un enorme excedente de nitrógeno reactivo que la naturaleza tiene que absorber. La contaminación por nitrógeno proviene de dos fuentes: la deposición de nitrógeno (desde el aire) y la lixiviación de nitratos (en el suelo y las aguas).

La deposición de nitrógeno es la precipitación de óxidos de nitrógeno del aire. Estos óxidos de nitrógeno se producen al quemar combustibles fósiles (son restos de organismos, por eso contienen nitrógeno) en las fábricas, los coches y las plantas de calefacción y contribuyen al smog.

La lixiviación de nitratos es el resultado de la sobrefertilización de los campos con productos amoniacales, tal y como se ha descrito anteriormente, para que la agricultura y la ganadería funcionen a gran velocidad. En el césped, los gránulos de nitrógeno garantizan una hermosa alfombra de hierba verde y eliminan las "malas hierbas".

Es lamentable que debido a la falta de eficacia (y a los precios demasiado bajos de los fertilizantes) se pierda aproximadamente la mitad del nitrógeno producido. Producimos el doble de nitrógeno del necesario para sostener la sociedad actual. La otra mitad la tiene que absorber la naturaleza, pero eso tiene un precio (sobre todo para nosotros). En los campos de arroz asiáticos, por ejemplo, la pérdida puede ser cercana al 80%.

Las consecuencias de la pérdida de nitrógeno en la naturaleza

Las principales consecuencias de la deposición de nitrógeno y la lixiviación de nitratos son:

• Acidificación del suelo. En los suelos ácidos, las sustancias tóxicas se vuelven más móviles y causan daños a los cultivos y a la naturaleza. En los suelos ácidos, algunos cultivos ya no pueden crecer bien.
• Algunas plantas crecen mucho más rápido debido al nitrógeno, y reprimen a otras, lo que reduce la biodiversidad (los insectos, incluidos los polinizadores, mueren, lo que aumenta aún más la disminución de la biodiversidad).
• La eutrofización se produce en las aguas superficiales, subterráneas y marinas: algunas algas se multiplican a un ritmo antinatural (floración de algas), lo que hace que el agua se vuelva pobre en oxígeno y que mueran otras formas de vida acuática (ej. los peces). Así se forma una zona muerta en ríos, lagos, deltas y océanos. Vea este mapa de la NASA de zonas muertas (dead zones) en el mar.
• Aumento del calentamiento global porque el óxido de nitrógeno es un gas de efecto invernadero.
• El crecimiento explosivo de la ganadería (porque "gracias" a la fertilización nitrogenada, hay mucho forraje: se cultiva una superficie del tamaño de América del Norte y del Sur juntas sólo para alimentar al ganado), y con la ganadería se asocia la deforestación, y las emisiones de amoníaco y metano.
• Las altas concentraciones de nitrógeno en el agua potable y en el aire son malas para la salud. El nitrógeno es una partícula de smog.
• La producción de fertilizantes artificiales en las fábricas químicas requiere gas natural (un combustible fósil) para fabricar gas hidrógeno, necesario para la producción de amoníaco. La propia energía para hacer funcionar la planta también suele obtenerse de los combustibles fósiles. Es responsable de una gran proporción de las emisiones antropogénicas totales de gases de efecto invernadero.

Pero, ¿cómo proporciona la naturaleza el nitrógeno a las plantas y los animales? Al fin y al cabo, la vorágine de la vida transcurría sin problemas antes de que Haber y Bosch se entrometieran, ¿no es así?

El ciclo natural del nitrógeno: las bacterias en acción

Ciertos tipos de bacterias del suelo, pueden procesar el gas nitrógeno atmosférico. Son las bacterias fijadoras de nitrógeno. Utilizan el gas nitrógeno como fuente de energía, del mismo modo que nosotros inhalamos oxígeno (también un gas) en nuestros pulmones. Y al igual que nosotros exhalamos dióxido de carbono, también emiten compuestos de nitrógeno que pueden ser absorbidos por las raíces de las plantas. Otras bacterias realizan el proceso contrario, son las bacterias desnitrificantes, devuelven el gas nitrógeno a la atmósfera. También en el mar, el nitrógeno es fijado y devuelto por las bacterias. Las bacterias son, por tanto, el verdadero motor del ciclo natural del nitrógeno.

La magia del nitrógeno en los nódulos radiculares

Pero en la tierra firme, las bacterias fijadoras de nitrógeno no suelen estar libres en el suelo. Necesitan un lugar acogedor donde sea agradable vivir. Hay un grupo de plantas que se anticipan inteligentemente a esto. Las leguminosas (o Fabáceas), a las que pertenecen las acacias, las mimosas, los tréboles, los altramuces y las vezas, tienen nódulos radiculares subterráneos que son acogedores para los fijadores de nitrógeno. Así que es en esos antiestéticos nódulos radiculares de nitrógeno donde se produce toda la magia. Por lo tanto, tener leguminosas en el jardín o en el campo no debería ser ningún lujo superfluo. Debemos deshacernos de la idea de que algunas leguminosas se consideren malas hierbas.

Gracias a esta simbiosis entre leguminosas y bacterias, hay suficiente nitrógeno en la biosfera del suelo para que las plantas sigan creciendo. Y los animales comen plantas. Y comiendo -y sólo comiendo- el ser humano también obtiene nitrógeno.

"The show must go on"

El resultado actual es que la humanidad es adicta y no puede vivir sin la producción industrial de amoníaco. Las fábricas productoras de amoníaco son instalaciones enormes, altísimos reactores, refrigeradores, compresores, calentadores y catalizadores se elevan sobre el horizonte y su skyline es tan apocalíptico como las centrales nucleares.

A todos nos beneficia que el ciclo del nitrógeno vuelva a un ritmo menos frenético. Pero seamos conscientes de que la producción industrial de amoníaco debe continuar si queremos alimentar a todo el mundo, y si queremos que los pobres puedan comer al menos tan bien como nosotros.

Pero si la industria puede ser más eficiente en general para contener las pérdidas, y si la producción de carne disminuye, la producción de amoníaco también puede reducirse en gran medida.

Muchos países tienen proyectos para abordar la deposición de nitrógeno y las necesidades de fertilizantes de forma sistemática, y están introduciendo leyes que la industria y las explotaciones deben cumplir, como el programa PAS de Natura 2000 en Flandes.

Como ciudadano, puedes estar seguro de que todo lo que forma parte de un estilo de vida sostenible, como conducir y volar menos, una dieta basada en plantas y la economía local, beneficiará a un planeta más sano y a un ciclo del nitrógeno menos volátil. La agricultura de precisión, el compostaje y el reciclaje de residuos domésticos, de jardín y urbanos son algunas de las soluciones. También jugará un papel importante el abono verde, que es la siembra de leguminosas en los campos entre cosechas, algo que ya se hizo en el pasado y que debemos volver a hacer a gran escala.

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(*) Hubo una guerra entre Chile, Peru y Bolivia (1879-1884), La Guerra del Guano y Salitre o Guerra del Pacífico, donde lucharon por derechos y acceso a depósitos ricos en nitrógeno. 

Leer también en GondwanaTalks: 

• La salinización del suelo: un riesgo para la seguridad alimentaria. 
• Cambio climático antropogénico vs. natural: ¿cuál avanza más rápido?
• Los límites planetarios: ¿un lugar seguro para los humanos?

Fuentes: 

Bernhard et al., 2010, The Nature Education Knowledge Project: The Nitrogen Cycle: Processes, Players, and Human Impact. https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/the-nitrogen-cycle-processes-players-and-human-15644632/

Smil, Vaclav, Distinguished Professor Emeritus at the University of Manitoba, 2011, Nitrogen cycle and world food production. World Agriculture. https://www.vaclavsmil.com/wp-content/uploads/docs/smil-article-worldagriculture.pdf

Smil, V. 1999. Detonator of the population explosion. Nature 400:415. https://www.vaclavsmil.com/wp-content/uploads/docs/smil-article-worldagriculture.pdf

Wikipedia and references therein: The Nitrogen Cycle: https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_cycle

Imagen fábrica: de.wikipedia.org/wiki/BASF#/media/Datei:BASF1.jpg

Artículo escrito por Kathelijne Bonne, geóloga y científica del suelo. Editora de GondwanaTalks. 

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