Nitrogen fins a l’arrel
El nitrogen és un element essencial per a la vida, però com que la seva disponibilitat és limitada s’ha de reciclar. El compartiment més important del planeta on s’acumula és a l’atmosfera (N2). D’aquí, uns bacteris especials, l’introdueixen a la biosfera a través d’un procés anomenat fixació. Un cop allà es va transferint a través de la cadena alimentària dels vegetals als animals herbívors, i dels animals herbívors als carnívors. Quan tots aquests organismes moren, o través de la seva excreció, el N torna al sòl, i d’allà uns altres bacteris especials el retornen a l’atmosfera en un procés anomenat desnitrificació.
Aquest cicle es va veure alterat quan a principis del segle XX el químic alemany Fritz Haber va inventar un mètode per sintetitzar amoníac (NH3) a partir dels seus components, el N2 i l’H2. Gràcies a aquest invent va guanyar el Nobel l’any 1919. Actualment es fixen artificialment 225 milions de tones d’amoníac a l’any que s’utilitzen sobretot per fabricar fertilitzants, fet que ha permès un creixement exponencial de la Humanitat. Malauradament una part també es destina, a la fabricació d’explosius. A més, es tendeix a fertilitzar en excés i contaminar els ecosistemes amb N en un procés anomenat eutrofització. Els tubs d’escapament dels cotxes també contaminen l’atmosfera amb òxids de N (NOx).
Dos invents recents ens ajudaran a restablir l’equilibri del cicle del N: els catalitzadors dels cotxes que eliminen els gasos tòxics i l’electrodesnitrificació, un mètode revolucionari inventat i patentat per l’empresa catalana Hydrokemós per eliminar els nitrats de l’aigua transformant-los en el gas atmosfèric N2, i evitant la salmorra del mètode d’osmosi.
Hi intervenen Josep Maria Gasol, Institut de Ciències del Mar (CSIC), Narcís Homs catedràtic Química Inorgànica, UB, Jordi Elias, pagès, Patxi Igual, Pirotècnia Igual, Xavier Querol, IDÆA- CSIC, i Ruth Canicio, Hydrokemós.
Alcaloides i herbivoria
Els alcaloides són molècules nitrogenades d’origen vegetal derivades d’aminoàcids. Les plantes els segreguen per resultar amargants i dissuadir els herbívors, és a dir, els utilitzen de defensa química. Un equip del Departament de Fisiologia Vegetal de la UB, liderat per l’ecofisiòleg Sergi Munné-Bosch, ha dut a terme un estudi a Montserrat amb una planta típicament mediterrània anomenada estepa (Cistus albidus), per determinar com varien diferents compostos químics en una població exposada a l’herbivoria de la cabra salvatge.
Cicle del nitrogen
Vista des de l’espai, l’atmosfera terrestre sembla que brilli amb llum pròpia. Aquest efecte es produeix principalment quan els rajos del Sol xoquen amb les molècules de gas i són absorbits i emesos de nou en qualsevol direcció, en un fenomen anomenat dispersió. La nostra atmosfera conté un 78% de nitrogen, per tant, podríem dir que, d’alguna manera, el nitrogen ens il·lumina. L’origen del nitrogen, però, es localitza en la foscor més pregona de la Terra, al mantell, i s’expulsa a través dels volcans, barrejat amb núvols de cendra. Es tracta d’un element essencial per a la vida, però, com que és de disponibilitat limitada, cal moure’l al llarg d’un cicle biogeoquímic. El compartiment més important del planeta Terra on s’acumula N és a l’atmosfera. D’aquí, uns bacteris especials l’introdueixen a la biosfera a través d’un procés anomenat fixació. Un cop allà es va transferint a través de la cadena tròfica dels vegetals als animals herbívors, dels animals herbívors als carnívors i, d’aquí, als supercarnívors. Quan tots aquests organismes moren, o a través de la seva excreció, el N torna al sòl, i d’allà uns altres bacteris especials el retornen a l’atmosfera en un procés anomenat desnitrificació.
Fixació del nitrogen
Alguns dels bacteris fixadors de nitrogen es localitzen en uns nòduls a les arrels de les plantes lleguminoses com la mongetera o la favera, i estableixen una relació mutualista. Les plantes els subministren productes de la fotosíntesi als bacteris i aquests a canvi subministren nitrogen a les plantes. Els pagesos coneixen aquesta activitat des de fa molts segles i tradicionalment practiquen la rotació de cultius, alternant lleguminoses amb altres conreus per enriquir el sòl amb nitrogen. A escala planetària els organismes fixadors de nitrogen són, però, molt més abundants als oceans. El reporter Pere Renom s’embarca en el Caribdis, un petit vaixell de la Universitat de Barcelona, per pescar alguns d’aquests organismes. Els biòlegs llancen al mar una mànega i l’arrosseguen verticalment des de 40 metres de fondària fins a la superfície. Aparentment, el mar es veu transparent, no sembla que hi hagi d’haver gaire cosa, però, quan recuperen la mànega, està plena a vessar d’algues microscòpiques, de fitoplàncton. El plàncton treballa fent la fotosíntesi i els planctòlegs treballen estudiant-lo. Josep Maria Gasol, de l’Institut de Ciències del Mar, estudia les interioritats d’aquests microorganismes. Explica al reporter que al microscopi es pot veure com certes algues unicel·lulars contenen al seu interior cianobacteris simbionts fixadors de nitrogen. Com passava amb les lleguminoses, els cianobacteris subministren nitrogen a les algues a canvi de productes de la fotosíntesi. Aquesta associació és necessària perquè bioquímicament la fixació de nitrogen només es pot produir en absència d’oxigen, i la fotosíntesi per definició produeix oxigen. Per tant, cal tenir els dos processos separats en compartiments diferents.
Procés Haber-Bosch
A principis del segle XX, el químic alemany Fritz Haber va aconseguir sintetitzar amoníac (NH3) a partir del nitrogen atmosfèric. Era una fita històrica que reproduïa al laboratori allò que els bacteris fan als ecosistemes. Per aquest motiu va rebre el Premi Nobel l’any 1919. A casa nostra el professor de química inorgànica de la UB Narcís Homs, va dedicar la seva tesi a estudiar catalitzadors alternatius del procés Haber, Explica que la síntesi d’amoníac té un cost energètic tan elevat que és extremadament difícil que es produeixi espontàniament. Vindria a ser com travessar una serralada imponent, passant pels cims més alts. Amb la intervenció d’un catalitzador, el cost energètic disminueix radicalment. Seria com travessar la mateixa serralada per un túnel. El catalitzador és, doncs, una drecera química. La gran contribució de Haber va ser precisament trobar aquesta drecera. El procés de síntesi d’amoníac a partir del nitrogen atmosfèric rep el nom de Haber-Bosch, en reconeixement, també, a Carl Bosch, l’enginyer químic que va desenvolupar-lo a escala industrial, per la qual cosa va guanyar el Premi Nobel l’any 1931. Es tracta d’un procés imprescindible per a la humanitat, tot i que genera molts gasos d’efecte hivernacle i s’estima que consumeix el 2% de l’energia mundial. Trencar la molècula de nitrogen té un preu molt alt.
Nitrogen com a explosiu
El nitrogen és un element amb molta “xispa”. La seva història com a explosiu es remunta al segle IX, amb la invenció xinesa de la pólvora. El 1847 es va descobrir la nitroglicerina. A temperatura ambient és líquida i explota si s’agita lleugerament. Per això, el 1867, el químic suec Alfred Nobel la va estabilitzar i va inventar la dinamita. Utilitzada sobretot en mineria i armament, li va permetre acumular una enorme fortuna amb què va instituir el premi que porta el seu nom. D’aquella època també és el trinitrotoluè, o TNT. Els explosius actuals sovint són modificacions d’aquests compostos. Des que es va inventar, la pólvora no només ha servit per accionar les armes de foc, també ha tingut un ús lúdic. La pirotècnia la fa servir com a element essencial en tota mena de petards. La fabricació és ben senzilla: només cal mesclar un 70% de nitrat de potassi (KNO3), un 15% de carbó i un 15% de sofre durant una bona estona. El resultat és un polsim grisós molt fi i altament deflagrant. L’especialista en pirotècnia Patxi Igual fa un experiment amb el reporter Pere Renom per mostrar com la potència d’una explosió depèn de la pressió en la que està continguda la pólvora. També és possible modificar la quantitat relativa de carbó i de sofre per aconseguir una pólvora més o menys potent i donar-li usos diferents. La pólvora lenta és la base de l’efecte pirotècnic ja que genera guspires de llarga durada per marcar bé la figura de la palmera al cel. Per contra, la pólvora forta es consumeix amb velocitat i té potència per fer girar carrutxes i crear els amplis ventalls dels correfocs.
Un altre ús beneficiós dels explosius són els coixins de seguretat o airbargs. L’inflat es produeix en 40 mil·lisegons i és el resultat d’una triple reacció química en què intervenen dos compostos de nitrogen, el nitrur de sodi (NaN3) i el nitrat de potassi (KNO3), i s’allibera nitrogen gasós, com l’atmosfèric (N2), que infla la bossa.
Nitrogen com a fertilitzant
Actualment, amb el procés Haber-Bosch es produeixen 225 milions de tones d’amoníac a l’any, que es fan servir, sobretot, per fabricar fertilitzants. Aquest fet ha incrementat el rendiment dels cultius i ha permès un creixement exponencial de la humanitat. A principis del segle XX érem 1.600 milions d’habitants i ara en som 7.300. Amb el procés Haber-Bosch, el cicle del nitrogen s’ha alterat, ja que els fertilitzants químics han fet incrementar espectacularment el flux d’entrada de nitrogen a la biosfera. Aquest nitrogen és absorbit per les arrels de les plantes i s’incorpora als seus teixits. Quan un herbívor pastura, el nitrogen es transfereix de la planta a l’animal. I el procés es repeteix quan, aquest animal, se’l menja un altre.
Nitrogen a l’organisme
Quan nosaltres ingerim verdura o proteïna, incorporem el N al nostre cos, i l’utilitzem per fabricar de tot. Però bàsicament dues molècules principals: els aminoàcids (aa) i les bases nitrogenades. Els aa s’anomenen així perquè tenen un grup amino (NH) i un grup àcid (COOH). N’hi ha una vintena i són les peces, els maons amb els que fabriquem totes les proteïnes del cos. Combinant-los fabriquem tots els teixits, la pell, els músculs, els vasos, els òrgans estan formats per proteïnes, però a més, tots els enzims que regulen totes les reaccions químiques del cos també són proteïnes. D’altra banda tenim les bases nitrogenades. N’hi ha quatre de diferents, adenina (A), guanina (G), citosina (C) i timina/uracil (T/U), les famoses quatre lletres de l’ADN, presents a totes les cèl·lules del cos. Es calcula que el 50% de tot el nitrogen del cos procedeix del procés Haber-Bosch, és a dir, que per molt natural que sigui la nostra dieta, som mig artificials.
Nitrogen farmacològic
Hi ha altres substàncies molt riques en nitrogen que consumim, perquè tenen interessants efectes farmacològics: els alcaloides. Es tracta de molècules d’origen vegetal derivades d’aminoàcids. Les plantes les segreguen per defensar-se dels herbívors. Els exemples més coneguts són la cocaïna, procedent de la planta de la coca; la morfina, procedent del cascall; un tipus de rosella; la quinina, obtinguda de la quina; la cafeïna del cafè; la nicotina del tabac, o la teobromina del cacau.
Nitrogen com a contaminant de l’aire
El N no només entra al nostre cos a través de l’alimentació, també ho fa a través de la respiració. En cada inspiració introduïm N2, un gas inert que expirem tal qual. Tanmateix, en ambients urbans també aspirem altres gasos de nitrogen. Els òxids de nitrogen, el monòxid i el diòxid de nitrogen (NO i NO2), són gasos molt contaminants que contribueixen a la formació de smog i poden generar pluja àcida i eutrofització. Però, a més, són els responsables de 76.000 morts anuals a Europa per malalties respiratòries. Les seves fonts principals són les emissions de la indústria, les centrals tèrmiques, els vaixells grossos, les calefaccions domèstiques i el trànsit. Xavier Querol, investigador de l’institut de Diagnòstic Ambiental i Estudis de l’Aigua (DÆA- CSIC) explica que per reduir la contaminació hauríem de reduir l’ús del cotxe particular en favor dels transport públic. A banda de canviar els hàbits de transport, també hi ha solucions tecnològiques per reduir la contaminació amb òxids de nitrogen. Podem substituir els cotxes convencionals per cotxes elèctrics, o bé podem incorporar un sistema catalitzador al tub d’escapament anomenat Adblue, que transforma els òxids de nitrogen en N2 i vapor d’aigua.
Nitrogen com a contaminat de l’aigua
Els compostos del nitrogen no només embruten l’aire, també embruten l’aigua. Tant els fertilitzants químics com els orgànics, especialment els purins, són arrossegats per la pluja i contaminen els rius i, sobretot, les aigües subterrànies amb nitrats (NO3). Aquest compost transforma completament els ecosistemes aquàtics i converteix l’aigua en no potable, ja que és un potent cancerigen. A Osona, més de la meitat de les fonts no són potables, encara que el nivell de contaminació fluctua d’un any a l’altre en funció de les pluges.
Desnitrificació
Els microorganismes no donen l’abast per desnitrificar tot l’excés de nitrogen que els humans hem introduït artificialment a la biosfera. Cal, doncs, incrementar-ne el flux de retorn a l’atmosfera. I cal fer-ho artificialment. L’empresa catalana Hydrokemós ha assolit una fita tecnològica sense precedents. Ha inventat i patentat un sistema per eliminar els nitrats de l’aigua sense crear cap residu. Es basa en un mètode electroquímic, és a dir, fa servir l’electricitat per desencadenar una sèrie de reaccions químiques. A Santa Perpètua de Mogoda ha instal·lat la primera planta del món que funciona a nivell industrial. L’aigua contaminada s’introdueix a dins d’uns reactors que contenen un munt d’elèctrodes. Ruth Canicio directora d’Hydrokemós explica com funciona el procés electroquímic de depuració. La seva gran avantatge és que no separa els contaminants, sinó que els destrueix.
Gràcies a la química ara som capaços d’extreure nitrogen de l’atmosfera, utilitzar-lo en la indústria o en l’agricultura, i retornar el que sobra altra vegada a l’atmosfera. D’aquesta manera el cicle biogeoquímic del planeta no s’altera. Només el fem girar més de pressa.
