Investigadores de universidades estadounidenses identificaron una señal isotópica que permite distinguir el nitrógeno gaseoso producido por microorganismos del que procede de la atmósfera. El método, publicado en Science, podría mejorar las estimaciones de eliminación natural de nutrientes en acuíferos, lagos y océanos.
Redacción: Redacción Noticias de la Tierra
Editor: Karem Díaz S.
Un equipo internacional de científicos, encabezado por investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB) y la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), ha desarrollado una nueva manera de medir cuánto nitrógeno eliminan naturalmente los microorganismos de los ecosistemas acuáticos. El avance, publicado el 9 de octubre de 2026 en la revista científica Science, utiliza una característica poco frecuente de las moléculas de nitrógeno para identificar la proporción de gas que se origina mediante procesos microbianos.
El descubrimiento aborda una dificultad que durante décadas ha complicado los estudios del ciclo del nitrógeno: distinguir el gas producido por los microorganismos del abundante nitrógeno atmosférico que ya se encuentra disuelto en el agua.
La investigación demuestra que la forma en que se combinan determinados átomos de nitrógeno dentro de una molécula puede funcionar como una huella química de su origen. Esta información permitirá mejorar las estimaciones sobre la eliminación natural de nitrógeno en aguas subterráneas, lagos, sedimentos y ambientes marinos.
El método también puede contribuir a comprender la capacidad de los ecosistemas para reducir parte de la contaminación procedente de fertilizantes, aguas residuales y otras actividades humanas.
El problema de medir el nitrógeno que desaparece del agua
El nitrógeno es un elemento indispensable para la vida. Forma parte de las proteínas, los ácidos nucleicos y numerosas moléculas esenciales para el funcionamiento de los organismos.
Sin embargo, su presencia en el agua debe mantenerse dentro de determinados límites para evitar desequilibrios ecológicos.
Cuando las concentraciones de compuestos nitrogenados aumentan excesivamente, pueden favorecer el crecimiento acelerado de algas y otros organismos microscópicos.
La descomposición posterior de esa biomasa consume oxígeno disuelto y puede generar condiciones perjudiciales para peces, invertebrados y otras especies acuáticas.
Algunos microorganismos ayudan a reducir la disponibilidad de nitrógeno reactivo al transformarlo en nitrógeno molecular, un gas que puede escapar del agua y regresar a la atmósfera.
El problema científico consiste en determinar cuánto nitrógeno se elimina realmente mediante estas transformaciones.
El nitrógeno molecular, cuya fórmula química es N2, constituye aproximadamente el 78 % de la atmósfera terrestre. Por ello, las aguas naturales contienen grandes cantidades de este gas procedente del intercambio con el aire.
Cuando las bacterias producen cantidades adicionales, su señal puede quedar prácticamente oculta dentro del nitrógeno atmosférico ya disuelto.
Esta dificultad limita la precisión de los balances utilizados para estudiar la circulación del nitrógeno entre los ecosistemas.
Una combinación poco común de átomos funciona como huella química
Los investigadores encontraron una solución examinando la composición isotópica del nitrógeno molecular.
Los isótopos son variantes de un mismo elemento químico que poseen igual número de protones, pero diferente cantidad de neutrones.
En la naturaleza existen dos isótopos estables principales del nitrógeno: nitrógeno-14 y nitrógeno-15.
El nitrógeno-14 es mucho más abundante. El nitrógeno-15, que contiene un neutrón adicional, representa una fracción pequeña del nitrógeno natural.
Como cada molécula de N2 contiene dos átomos, estos pueden combinarse de diferentes maneras.
La mayoría de las moléculas contienen dos átomos de nitrógeno-14. Una proporción menor combina nitrógeno-14 y nitrógeno-15, mientras que una fracción extremadamente reducida contiene dos átomos de nitrógeno-15.
La investigación se concentró precisamente en esta última combinación, conocida como 15N15N.
Los científicos comprobaron que su abundancia relativa permite distinguir el nitrógeno atmosférico del producido mediante determinados procesos microbianos.
La atmósfera conserva una señal distinta a la de los microorganismos
La clave del método reside en que los dos átomos pesados de nitrógeno aparecen emparejados en la atmósfera con una frecuencia ligeramente superior a la esperada si las combinaciones se produjeran completamente al azar.
En cambio, el nitrógeno molecular generado mediante las transformaciones microbianas estudiadas presenta una distribución de átomos mucho más próxima a la aleatoria.
Esta diferencia, aunque extremadamente pequeña, puede medirse mediante instrumentos de alta precisión.
Cuando el nitrógeno producido por los microorganismos se mezcla con el gas atmosférico disuelto, modifica la abundancia relativa de las moléculas que contienen dos átomos de nitrógeno-15.
El resultado es una señal que permite estimar qué proporción del nitrógeno gaseoso procede de la actividad biológica.
Jiarui Liu, primer autor del estudio, explicó que la dificultad tradicional consiste en que las aguas naturales contienen tanto nitrógeno atmosférico que el gas adicional producido por los microorganismos resulta difícil de detectar.
La nueva técnica aprovecha la manera en que los átomos se emparejan dentro de las moléculas para resolver ese problema.
Se trata de una diferencia importante respecto a los procedimientos que dependen únicamente de medir concentraciones totales de gases disueltos.
Un espectrómetro de masas permitió detectar diferencias mínimas
Para realizar las mediciones, los investigadores utilizaron el espectrómetro de masas Panorama de UCLA.
Este instrumento emplea campos eléctricos y magnéticos para separar moléculas según sus características de masa y carga.
El análisis de las moléculas de nitrógeno que contienen dos átomos pesados plantea una dificultad técnica considerable.
Existen otras combinaciones moleculares cuyas masas son extraordinariamente parecidas, por lo que los instrumentos convencionales pueden tener dificultades para diferenciarlas.
El espectrómetro Panorama dispone de una capacidad de resolución suficientemente elevada para distinguir esas pequeñas diferencias.
Gracias a esta característica, el equipo pudo analizar la señal isotópica del nitrógeno extraído de muestras de agua y sedimentos.
Edward Young, geoquímico de UCLA y coautor del estudio, participó previamente en investigaciones que identificaron el emparejamiento anómalo de los átomos pesados de nitrógeno en la atmósfera.
La nueva investigación convierte esa característica química en una herramienta para estudiar procesos ambientales.
En lugar de considerar la composición isotópica atmosférica únicamente como una propiedad del gas, los científicos la utilizan como referencia para identificar aportes procedentes de microorganismos.
Las muestras procedían de ambientes muy diferentes
Una de las fortalezas de la investigación fue su aplicación a muestras procedentes de distintos ecosistemas.
El equipo reunió especialistas en aguas subterráneas, lagos, ambientes marinos y sedimentos profundos.
Las muestras analizadas incluyeron aguas subterráneas de Texas, lagos de la Antártida y Minnesota, cuencas costeras del sur de California, el golfo de Bengala y sedimentos marinos profundos frente a Alaska.
Esta diversidad permitió evaluar la utilidad del método en ambientes sometidos a condiciones físicas, químicas y biológicas muy diferentes.
Los acuíferos, por ejemplo, presentan características distintas a las de los lagos superficiales porque el intercambio con la atmósfera y la circulación del agua pueden ocurrir a velocidades diferentes.
Los sedimentos marinos también pueden contener zonas con poco oxígeno donde determinados microorganismos utilizan compuestos nitrogenados en sus procesos metabólicos.
Al estudiar varios escenarios, los investigadores comprobaron que la señal isotópica podía aportar información sobre la producción microbiana de nitrógeno gaseoso en sistemas naturales.
El trabajo no establece que todos los ambientes eliminen nitrógeno con la misma eficiencia ni que las tasas obtenidas en un lugar puedan extrapolarse directamente a otro.
Su aportación principal consiste en proporcionar una herramienta independiente para investigar esas diferencias.
Las bacterias participan en la eliminación natural de nitrógeno
El ciclo del nitrógeno comprende un conjunto de transformaciones que conectan la atmósfera, los suelos, las aguas y los organismos vivos.
Algunas bacterias convierten el nitrógeno atmosférico en compuestos que pueden incorporarse a los sistemas biológicos.
Otros microorganismos transforman compuestos nitrogenados y devuelven parte de ese nitrógeno a la atmósfera.
Entre los mecanismos más importantes se encuentra la desnitrificación, un proceso mediante el cual determinados microorganismos reducen nitratos y otros compuestos nitrogenados hasta producir gases.
También existe la oxidación anaerobia del amonio, conocida como anammox, que permite generar nitrógeno molecular mediante otra ruta metabólica.
Estos procesos desempeñan funciones relevantes en ambientes donde las condiciones químicas permiten su desarrollo.
La técnica presentada en Science ayuda a identificar la cantidad de nitrógeno molecular de origen microbiano, aunque esa señal por sí sola no necesariamente permite determinar qué ruta metabólica específica produjo cada molécula.
Para diferenciar mecanismos concretos pueden necesitarse mediciones complementarias.
La importancia ambiental de estos procesos radica en que transforman nitrógeno biológicamente disponible en una forma gaseosa que la mayoría de los organismos no puede utilizar directamente.
De esta manera, pueden disminuir la cantidad de nutrientes que permanecen disponibles para alimentar procesos de eutrofización.
La contaminación por fertilizantes modifica el equilibrio natural
Las actividades humanas han alterado profundamente el ciclo del nitrógeno mediante la producción y utilización de fertilizantes, la ganadería, las descargas de aguas residuales y otras fuentes de contaminación.
Una parte de los compuestos nitrogenados utilizados en los sistemas agrícolas puede ser transportada por la escorrentía hacia ríos, lagos y zonas costeras.
Las aguas residuales insuficientemente tratadas también pueden aportar cantidades importantes de nitrógeno reactivo.
En Noticias de la Tierra se documentó recientemente que las actividades humanas aportan más nitrógeno que todas las fuentes naturales combinadas en aproximadamente una cuarta parte de los sistemas costeros analizados por una investigación internacional liderada por la Universidad Estatal de Washington.
Ese resultado demuestra la magnitud de la presión que las actividades humanas ejercen sobre los ecosistemas acuáticos.
Sin embargo, medir cuánto nitrógeno entra en una cuenca no permite determinar automáticamente cuánto llega finalmente al océano.
Durante su recorrido, una parte puede ser absorbida por plantas y microorganismos, almacenarse temporalmente o transformarse en gases.
La nueva técnica isotópica puede ayudar a cuantificar una de esas rutas de eliminación, mejorando la comprensión del destino del nitrógeno dentro de los ecosistemas.
El exceso de nutrientes favorece la pérdida de oxígeno
Cuando las aguas reciben cantidades excesivas de nitrógeno y fósforo, pueden experimentar un crecimiento acelerado de algas y otros organismos fotosintéticos.
Este proceso, conocido como eutrofización, puede alterar la transparencia del agua, la composición de las comunidades biológicas y la disponibilidad de oxígeno.
Cuando la materia orgánica producida por las floraciones se descompone, los microorganismos consumen oxígeno disuelto.
Si ese consumo supera la reposición de oxígeno, pueden desarrollarse condiciones de hipoxia o incluso anoxia.
Los organismos que necesitan oxígeno para sobrevivir pueden verse obligados a desplazarse, sufrir estrés fisiológico o morir.
Un análisis publicado anteriormente en Noticias de la Tierra explicó cómo la pérdida de oxígeno amenaza la estabilidad de ríos, lagos y océanos, especialmente cuando el calentamiento se combina con el aporte excesivo de nutrientes.
La eliminación microbiana de nitrógeno puede reducir parte de la presión que favorece estos procesos, pero su capacidad depende de las condiciones de cada ambiente.
Además, determinadas rutas del ciclo del nitrógeno pueden producir óxido nitroso, un potente gas de efecto invernadero.
Por ello, la evaluación ambiental debe considerar tanto la cantidad de nitrógeno eliminada como las posibles consecuencias de las transformaciones químicas que ocurren durante el proceso.
Las aguas subterráneas representan un desafío especial
Uno de los ámbitos donde la nueva herramienta puede resultar especialmente útil es el estudio de los acuíferos.
Las aguas subterráneas pueden recibir nitratos procedentes de fertilizantes, residuos ganaderos y otras fuentes superficiales.
Una vez que estos compuestos ingresan en un acuífero, pueden desplazarse con el agua y experimentar transformaciones químicas y biológicas.
En determinadas condiciones, los microorganismos convierten parte del nitrato en nitrógeno molecular.
Sin embargo, muchos programas habituales de vigilancia de aguas subterráneas no miden directamente el gas producido dentro del acuífero.
Esta limitación puede generar errores al reconstruir las entradas y salidas de nitrógeno.
Alan Seltzer, profesor de hidrogeología del University College Dublin y coautor del estudio, destacó que la nueva técnica permite avanzar hacia una representación más completa del origen y destino del nitrógeno en estos sistemas.
La información podría ayudar a determinar si un acuífero está eliminando naturalmente parte de la contaminación por nitratos o si estos compuestos permanecen disponibles para desplazarse hacia otras masas de agua.
Sin embargo, la existencia de eliminación natural no significa que un acuífero contaminado pueda considerarse seguro ni que resulte innecesario reducir las fuentes de nitrógeno.
Las condiciones de calidad del agua deben evaluarse mediante los parámetros sanitarios y ambientales correspondientes.
Los microorganismos también permiten detectar señales de deterioro
El estudio forma parte de una tendencia científica que busca comprender los procesos biológicos ocultos detrás de las mediciones convencionales de calidad del agua.
En muchos ecosistemas, los análisis fisicoquímicos proporcionan información sobre las concentraciones de nutrientes, la temperatura, el oxígeno y otras variables.
Sin embargo, no siempre permiten determinar qué transformaciones biológicas están ocurriendo o cómo responden las comunidades microbianas a las presiones ambientales.
Una investigación realizada a lo largo del río Guadalquivir, en España, mostró que las comunidades bacterianas pueden revelar señales de deterioro ecológico que pasan inadvertidas en determinados análisis convencionales del agua.
Ese trabajo utilizó el estudio del microbioma para examinar cambios en la composición y las funciones de los microorganismos.
La investigación estadounidense sobre el nitrógeno aborda una cuestión diferente: medir directamente una consecuencia química de la actividad microbiana.
Ambos enfoques pueden resultar complementarios.
El análisis de las comunidades permite conocer qué organismos están presentes y cuáles podrían ser sus funciones, mientras que la medición isotópica aporta información sobre la transformación efectiva del nitrógeno en gas.
Una herramienta para mejorar los balances mundiales de nitrógeno
Los científicos utilizan balances de nitrógeno para comparar las cantidades que ingresan y salen de diferentes sistemas ambientales.
Estos cálculos permiten evaluar cómo se distribuye el elemento entre la atmósfera, los océanos, los continentes y los organismos vivos.
Una dificultad importante consiste en cuantificar las pérdidas de nitrógeno reactivo mediante procesos microbianos.
Cuando estas pérdidas se estiman con incertidumbre, también resulta más difícil determinar el destino de los aportes procedentes de actividades humanas.
David Valentine, investigador de la Universidad de California en Santa Bárbara y coautor del trabajo, señaló que los científicos conocen la existencia de estos procesos de eliminación, pero medir su velocidad en ambientes concretos continúa siendo complicado.
La nueva técnica ofrece una manera directa de estimar la contribución del nitrógeno gaseoso de origen microbiano.
Para convertir esa información en tasas de eliminación a escala de ecosistema, los investigadores deben combinar las mediciones isotópicas con datos sobre el transporte del agua y la acumulación del gas.
La integración de estos elementos puede ayudar a reconstruir cuánto nitrógeno se elimina durante determinados períodos.
Si el procedimiento se aplica a diferentes regiones, las estimaciones locales podrían contribuir a mejorar los balances regionales y mundiales.
La técnica todavía no está preparada para la vigilancia rutinaria
Aunque los resultados representan un avance metodológico, los investigadores advierten que la técnica requiere equipos científicos especializados.
El espectrómetro utilizado tiene una capacidad de resolución que no se encuentra disponible de manera habitual en los laboratorios destinados al seguimiento rutinario de la calidad del agua.
Esto limita, por el momento, su aplicación directa en programas convencionales de vigilancia ambiental.
El método tampoco sustituye las mediciones habituales de nitratos, amonio, oxígeno disuelto y otros indicadores.
Su utilidad consiste en aportar información adicional sobre un proceso que esos análisis no siempre pueden cuantificar adecuadamente.
Además, las estimaciones dependen de conocer cómo se mezcla el nitrógeno de diferentes orígenes y de comprender las características físicas del sistema estudiado.
En acuíferos, lagos y sedimentos marinos, las condiciones de transporte pueden variar considerablemente.
Por ello, la interpretación de la señal isotópica debe acompañarse de información hidrológica y geoquímica.
Los investigadores consideran que el procedimiento puede convertirse en una herramienta importante para estudios especializados y para comprobar la precisión de otros métodos utilizados en el análisis del ciclo del nitrógeno.
El método puede ayudar a evaluar la recuperación de aguas contaminadas
La posibilidad de medir cuánto nitrógeno eliminan los microorganismos tiene aplicaciones potenciales en la gestión ambiental.
Por ejemplo, los científicos podrían utilizarla para estudiar la evolución de un acuífero afectado por contaminación agrícola.
También podría aportar información sobre la capacidad de determinados sedimentos para transformar compuestos nitrogenados antes de que lleguen a lagos o zonas costeras.
En proyectos de restauración ecológica, las mediciones podrían contribuir a evaluar si las condiciones ambientales favorecen procesos naturales de eliminación de nutrientes.
Sin embargo, el estudio no demuestra que la nueva técnica elimine directamente la contaminación ni constituye un tratamiento para depurar agua.
Su función es medir con mayor precisión una transformación que ya ocurre en la naturaleza.
La diferencia es importante porque conocer la capacidad natural de eliminación puede ayudar a diseñar estrategias de gestión, pero no reemplaza la necesidad de prevenir las descargas excesivas.
La reducción de los aportes de fertilizantes y aguas residuales continúa siendo fundamental para evitar que los ecosistemas reciban cantidades de nitrógeno superiores a las que pueden procesar.
Una señal molecular permite observar un proceso antes oculto
La investigación demuestra que una característica extraordinariamente pequeña de las moléculas puede proporcionar información sobre procesos ambientales de gran escala.
La abundancia relativa de moléculas formadas por dos átomos de nitrógeno-15 permite identificar la contribución del gas producido por microorganismos dentro de mezclas dominadas por nitrógeno atmosférico.
Este resultado ofrece una nueva vía para estudiar el destino de los nutrientes en aguas subterráneas, lagos y océanos.
El trabajo también ayuda a abordar una de las principales incertidumbres del ciclo global del nitrógeno: determinar con mayor precisión cuánto nitrógeno biológicamente disponible regresa a la atmósfera mediante procesos microbianos.
La aplicación de la técnica dependerá de instrumentos especializados y de mediciones complementarias sobre las condiciones de cada ecosistema.
Su valor científico reside en permitir observar una transformación natural que hasta ahora resultaba difícil de separar del enorme volumen de nitrógeno procedente del aire.
Con esta herramienta, los investigadores disponen de una nueva forma de evaluar cómo los microorganismos participan en la regulación de los nutrientes y cómo esa función puede influir en la calidad del agua y en el equilibrio de los ecosistemas acuáticos.
Fuentes referenciales:
Science: Natural 15N15N abundances constrain fixed nitrogen loss
Universidad de California en Santa Bárbara: Where does Earth’s nitrogen go? Two atoms offer a clue
