Como "cambio climático" se entiende una alteración del clima, bien debida directa o indirectamente a las actividades humanas que modifican la composición global de la atmósfera, o/y a la variabilidad natural del clima durante períodos de tiempo más o menos largos. Que se esté en una situación u otra es motivo de controversia aunque los datos de los parámetros considerados, apoyan la influencia de la actividad humana en el cambio actual por el paralelismo existente entre la modificación de las constantes y la creciente presencia de contaminantes. Este hecho se hace evidente a partir de la industrialización con el uso masivo del carbón, petróleo y de otros productos perjudiciales y cuyo efecto queda bien patente en la Fig. 1, donde se puede apreciar la práctica desaparición de un glacial en sólo unas décadas.
Fig. 1
La importancia de la atmósfera, estructurada en Termosfera (>80 km), Mesosfera (> 50 km), Estratosfera (>20 km) y Troposfera, es fundamental para el desarrollo de la vida. Esta capa protectora de radiaciones nocivas mantiene una temperatura media en la superficie de la Tierra de unos 15º C, lo que permite que el agua se encuentre en forma de poder ser usada por los seres que habitan el planeta. Por comparación, en la luna, donde no hay atmósfera, los valores de la temperatura oscilan entre 110º C de día y -150º C de noche.
Independientemente de los efectos que puede tener sobre el clima la alteración mayor o menor de la capa de ozono debida a la mano del hombre que, por encima de la Troposfera, protege de la llegada masiva de la radiación UV a la superficie de la tierra, la causa principal del cambio climático ocasionado por la actividad humana es el llamado efecto invernadero. Dicho efecto se deriva de la acumulación en la atmósfera de gases que impiden la salida de parte de la radiación infrarroja emitida por la superficie de la Tierra principalmente debida al reflejo de la radiación solar recibida. Las moléculas de estos gases, procedentes de la combustión de fuentes energéticas no renovables, del uso de ciertos productos industriales o determinadas prácticas agrícolas, dispersan la radiación en todas direcciones calentando la superficie de la Tierra y la zona más baja de la atmósfera con las consecuencias de todos conocidas que serán más graves si no se actúa adecuadamente.
Fig. 2
En la Fig. 2, tomada del Intergovermental Panel on Climate Change (IPCC) Report, se puede apreciar la evolución del incremento de la concentración en la atmósfera de tres de los gases contaminantes desde el comienzo de la era industrial, entre ellos el N2O. Se observa con claridad cuando se coteja con la Fig. 3, el paralelismo que se da entre la acumulación de tales gases y el aumento de la temperatura del aire en la superficie terrestre.
Fig. 3
Aunque estos datos son esclarecedores, no hay acuerdo general, sin embargo, sobre la no existencia de causas naturales del cambio climático, independientes de la acción del hombre. De hecho, el clima no se ha mantenido estable a lo largo de cientos de miles de años, con distintas glaciaciones que corresponden con bajos niveles de CO2 en la atmósfera, y con subidas de temperatura. Recientemente se ha descrito que hace 53,5 millones de años, en el periodo que se conoce como Máximo Térmico del Eoceno 2, las palmeras poblaban el Artico. Estas oscilaciones del clima han ocurrido incluso dentro del pasado milenio. Entre los años 900 y 1200 se dio lo que se ha llamado “Periodo cálido medieval” durante el que se pudo cultivar el trigo en Islandia, y entre 1550 y 1850 se vivió una “Pequeña edad del hielo”. En el invierno de 1693-1694 se formó una capa de hielo de varios metros en la desembocadura del Ebro y se heló varias veces el Tajo a su paso por Toledo. Se han podido relacionar estas últimas alteraciones climáticas con la actividad solar habida en esos tiempos medida por los cambios de isótopos radiactivos de algunos elementos tales como el berilio. (Más información en: Another little ice age?). Estas oscilaciones naturales dan base a los que opinan que el calentamiento global actual puede corresponder a una de ellas, aunque de acuerdo con la actividad solar que se está apreciando ahora, más bien se camina hacia un periodo frío que tal vez se neutralice, por lo menos en parte, por el calentamiento originado por la actividad humana
En la Tabla 1 se pueden ver los gases que se encuentran en la atmósfera en cantidades fijas y que, por tanto, nada tienen que ver con el cambio climático, mientras que en la Tabla 2 se relacionan los variables.
Tabla 1
Tabla 2
La concentración de alguno de estos variables puede verse incrementada por la mano del hombre pues de todos ellos, salvo los clorofluorocarbonados (CFC), hay un fondo propio derivado de diferentes procesos naturales que en condiciones normales ocurren en la superficie de la Tierra
No todos estos gases tienen el mismo potencial de calentamiento global (GWP), concepto que indica la cantidad de calor atrapado por unidad de masa del gas contaminante con respecto al CO2 considerado como la unidad, y por tanto, su efecto invernadero. En la Tabla 3, que presenta distintos parámetros para el CO2, CH4, N2O y los CFCs, se puede apreciar la contribución de cada uno de ellos al mencionado efecto. Aunque todas las miradas se dirigen hacia el CO2, por mayoritario, el papel de los otros no es nada despreciable teniendo en cuenta su elevado GWP. La presencia de algunos de estos gases puede verse puntualmente incrementada como consecuencia de fenómenos naturales, tales como erupciones volcánicas o la liberación de metano a partir de su hidruro cristalino depositado en los fondos marinos y que está emergiendo cada vez en mayor cantidad a la atmósfera por la descongelación del permafrost causada por el propio cambio climático. La pérdida de superficie helada en los polos también contribuye en un círculo vicioso a dicho cambio al disminuir la cantidad de radiación solar reflejada.
Tabla 3
La Tabla 4 relaciona la procedencia de los gases responsables del efecto invernadero. Aparece en rojo el N2O por su relación con el tema. La concentración del vapor de agua es variable dependiendo del lugar, estación, etc. Salvo la de los CFC, que disminuye actualmente debido a la prohibición de su uso industrial, la presencia de los demás crece a un ritmo sostenido e imparable si no se toman las medidas adecuadas.
Tabla 4
La principal fuente de N2O en la atmósfera está directa o indirectamente relacionada con el uso de los fertilizantes nitrogenados que se aplican, masivamente, y muchas veces de forma improcedente, para obtener el máximo rendimiento de los cultivos. El nitrógeno se aporta principalmente como materia orgánica, nitrato, amonio o urea. En el ciclo biogeoquímico de este elemento que se expone en la Fig. 4, se puede
apreciar el camino que sigue cada uno de los compuestos nitrogenados en el suelo. Una parte importante del nitrato aplicado como tal o que procede del funcionamiento del ciclo se pierde por lixiviación, y otra pasa a la atmósfera como nitrógeno molecular o en forma de óxidos derivados de la actividad microbiana desnitrificante del suelo. La desnitrificación es globalmente tan importante que supondría un serio problema si no fuera porque, prácticamente, todo el nitrógeno combinado que se pierde se recupera por la fijación biológica de nitrógeno, lo que mantiene equilibrado el funcionamiento del ciclo en condiciones naturales. Otra cosa son las distorsiones que introduce la aplicación masiva de fertilizantes nitrogenados obtenidos industrialmente.
La desnitrificación, llevada a cabo por numerosos y variados grupos de bacterias, sigue la secuencia:
NO3
NO2 
NO 
N2O 
N2
en la que intervienen los genes nar, nir, nor y nos, respectivamente, que codifican la nitrato reductasa respiratoria, la nitrito reductasa, la óxido nítrico reductasa y la óxido nitroso reductasa. En anaerobiosis estricta y siempre que haya cobre en el medio, el nitrato es reducido a N2, pero en otras condiciones se liberan a la atmósfera los óxidos intermedios de gran poder contaminante que están implicados en la lluvia ácida, en la integridad de la capa protectora de ozono o, como el N2O, en el cambio climático con el ya conocido alto GWP (310).
La fertilización nitrogenada, aparte de la ya mencionada lixiviación del nitrato que lleva a la contaminación de acuíferos y eutroficación de ríos y lagos, presenta otros efectos colaterales ya que la obtención de amonio por el procedimiento Haber-Bosch, que en 2004 fue de 117 x 106 Tm, da lugar a la producción de elevados niveles de CO2, derivados de la materia prima utilizada y del consumo de energía requerida en el proceso. La Fig. 5 presenta esquemáticamente el camino que se sigue a partir del CH4 y del N2 del aire para llegar a amonio siguiendo el procedimiento que en su día pusieron en marcha los químicos alemanes Fritz Haber, que lo ideó, y Carl Bosch, quien lo llevó a escala industrial en 1913, y por lo que recibieron su correspondiente Premio Nobel en 1918 y 1931, respectivamente. Entonces nada se sabía de las consecuencias que el desarrollo masivo de su procedimiento, inicialmente dirigido a la obtención de explosivos, podía representar para el equilibrio del planeta. Como se indica en la citada figura, la obtención del H2 a partir del CH4 libera 1,25 Tm de CO2 por Tm de amonio producido. A esta cantidad de carbónico hay que sumar la procedente de la fuente energética consumida para conseguir la temperatura y presión requeridas para la reducción del N2, que pueden ser 1,5 Tm de CO2 por cada una de amonio sintetizado, por lo que en conjunto pueden pasar a la atmósfera un par de cientos de millones de Tm de CO2 al año. El proceso puede ser mejorado, desde el punto de vista de su impacto ambiental, si hay electricidad disponible derivada de fuentes renovables para obtener el H2 por electrolisis del agua y conseguir las condiciones necesarias para llevar a cabo la combinación de los dos elementos implicados. Por otra parte, la transformación del amonio sintetizado en otras formas usuales de fertilizante, como nitrato o urea, lleva también consigo la liberación adicional de cantidades importantes de CO2 por el uso de combustibles fósiles requeridos para llevar a cabo las correspondientes reacciones químicas.
Fig. 5
A la vista de lo expuesto hasta ahora se puede apreciar claramente la existencia de dos procesos contaminantes de la atmósfera en relación con la fertilización nitrogenada. De una parte, el que es consecuencia de la propia obtención del fertilizante y, de la otra, el derivado de su destino en el suelo una vez aplicado a los cultivos, como amonio directamente producido o una vez oxidado a nitrato o transformado en otras formas químicas. A la obtención de nitrato va además ligada una potencial emisión de N2O, especialmente si el catalizador de platino-rodio utilizado en el procedimiento de oxidación no funciona adecuadamente. Aunque los valores medios estuvieron en 6,1 kg N2O/Tm de HNO3 en 2005, en la mayoría de las plantas europeas se da en la actualidad una liberación de 1,85 – 2,5 kg N2O/Tm de ácido nítrico producido, cantidad que es bastante representativa teniendo en cuenta el volumen de nitrato que se produce.
Independientemente de la liberación de estos gases de efecto invernadero, como se ha mencionado arriba, una parte, que puede ser importante, del fertilizante aplicado es arrastrado por el agua de riego o lluvia contaminando acuíferos, ríos, lagos, etc. con un gran impacto ambiental. Otra parte no despreciable se une al pool de amonio naturalmente liberado por el suelo. Otra faceta a tener en cuenta es que el propio abuso de la fertilización nitrogenada incide sobre la conservación de la biodiversidad, pues se ha descrito que la deposición indiscriminada en el suelo de cantidades de nitrógeno que no tiene que ser muy altas reduce de forma importante el número de las especies vegetales adaptadas naturalmente a condiciones de baja fertilidad.
En la Fig. 6 se puede apreciar claramente la trayectoria ascendente que sigue en el tiempo el nitrógeno fijado por el procedimiento Haber-Bosch, mientras que la de la fijación biológica se mantiene prácticamente constante, pues apenas ha variado en un sentido u otro el cultivo de las leguminosas que, en simbiosis con Rhizobium, suponen la principal vía de incorporación biológica de N2 molecular a la biomasa. La cantidad de este elemento fijado por otros microorganismos, como las cianobacterias y diferentes bacterias fijadoras libres o en asociación con plantas, también permanece prácticamente constante.
Globalmente, la emisión de gases con efecto invernadero debida a la agricultura supone el 25,5 % del total (9,2 % para la Europa de los 27). La reducción de estas cifras es un reto importante desde el punto de vista ambiental, industrial y energético. La European Fertilizar Manufacture Association (EFMA) promueve técnicas encaminadas al manejo productivo del suelo y al uso eficiente de los fertilizantes minerales para el control efectivo del impacto sobre el clima. Como era de esperar, la fijación biológica de nitrógeno no es tenida en cuenta entre las medidas a tomar para disminuir dicho impacto. Se estima que como la utilización de inóculos de Rhizobium para el cultivo de leguminosas ha dado resultados positivos desde hace mucho tiempo está ya todo hecho.
Las emisiones de CO2 derivadas del manejo del suelo no son muy altas en Europa, mientras que el NO2 y el CH4 son más relevantes. Este último proviene principalmente de la ganadería y el primero del fertilizante nitrogenado utilizado. Según el Intergovernmental Panel Climate Change (IPCC) se puede considerar que el 1 % del nitrógeno aplicado a los cultivos pasa a la atmósfera como N2O, aunque otras fuentes dan porcentajes puntualmente superiores al 10 %.
La mejor forma de aminorar el efecto de las prácticas agrícolas es promover el uso eficiente de los fertilizantes, que en el caso del nitrógeno se encuentra entre el 10 y el 40 %, y el adecuado manejo del suelo, por lo que habría que evitar la sobreaplicación de fertilizante, usarlo en el momento oportuno o añadir inhibidores de la nitrificación cuando se utilicen otras formas de abonado distintas al nitrato. En este sentido, las actuaciones llevadas a cabo han determinado que la eficiencia en el uso del nitrógeno haya crecido un 45 % desde 1985. El posible impacto de la fijación de nitrógeno libre o simbiótica en la emisión de gases de efecto invernadero no es superior a la que supone la incorporación de materia orgánica al medio. La capacidad desnitrificante presente en algunas bacterias fijadoras, como Bradyrhizobium, no es una fuente importante de emisión de N2O. Al depender los altos rendimientos actuales de los diferentes cultivos de la aplicación masiva, y muchas veces incontrolada de los fertilizantes nitrogenados de síntesis, el camino más limpio a seguir sería incrementar los niveles actuales de la fijación biológica de nitrógeno, de tal modo, que las líneas representadas en la Fig. 6 pudieran seguir las tendencias expuestas en la Fig. 7.
Las posibles actuaciones a llevar a cabo para conseguir tal objetivo se recoge en el artículo ¿Tiene futuro la fijación biológica de nitrógeno? De esta misma página web.
Fig. 7