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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS AGRICOLAS PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE 303019 – MICROBIOLOGIA DEL SUELO SONIA ESPERANZA AGUIRRE (Director) Santa Marta. Segundo semestre de 2013 1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 INDICE DE CONTENIDO CURSO MICROBIOLOGIA DE SUELO CAMPO DE FORMACION Ciencias Agrícolas. Agronomía - Ing. agroforestal Teórico Practico – 3 Unidades TIPO DE CURSO 3 CRÉDITOS OBJETIVO GENERAL DEL CURSO. El curso de microbiología de suelos plantea el estudio edafico a partir de la visión racional y equilibrada de los recursos naturales y del conocimiento holístico del entorno. Bajo esta consideración se establecen las relaciones que determinan la existencia y éxito de agro-ecosistemas manejados a través de prácticas sostenibles en la producción agrícola. La intención del curso es profundizar en la visión de esta ciencia a partir de conceptos básicos de la microbiología del suelo, su influencia en aspectos relevantes como la calidad del suelo y la importancia de la misma como componente fundamental de la dinámica y equilibrio del sistema suelo- planta – ambiente. OBJETIVOS ESPECÍFICOS DEL CURSO Al finalizar el curso el estudiante estará preparado para. Definir la microbiología del suelo. Describir el suelo como un sistema biológico. Explicar cuáles son los enfoques básicos del estudio de la microbiología del suelo. Identificar la importancia y funciones de la microbiología del suelo en sistemas de producción agrícola incorporando la sensibilidad, la observación, estudio del entorno y los principios básicos de su formación y composición. Determinar la influencia de los microorganismos sobre las propiedades químicas y físicas del suelo y por tanto sobre la génesis y sostenibilidad de los mismos. Conocer las relaciones entre las raíces, microorganismos y suelo así como comprender la importancia de los microorganismos en la fijación biológica del nitrógeno y las relaciones de las plantas con las micorrizas y otros simbiontes. Comprender la importancia de la materia orgánica en el suelo, las propiedades que posee y los aportes que realiza a las plantas, orientación la calidad de abonos orgánicos como el compost, abonos verdes, lombricompost y algunos caldos microbiológicos. 2 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 El estudiante que incorpore el curso en su proceso académico y lo finalice satisfactoriamente de acuerdo al modelo pedagógico de la institución estará en capacidad de describir y analizar con suficiencia conceptos, tendencias y problemáticas básicos que configuran el manejo del suelo en la producción agrícola moderna y puede transmitir a sus comunidades los conocimientos adquiridos mediante la replicación de técnicas de manejo, de microbiología aplicándola a la fertilidad y conservación de suelos. COMPETENCIA GENERAL DE APRENDIZAJE El estudiante de microbiología de suelos encuentra en el curso temas apasionantes que con paciencia y sutileza le ayudarán a evidenciar lo invisible y aplicarlo a la producción agrícola, con un criterio de sistema y sostenibilidad. Identifica y describe con propiedad los enfoques de la microbiología de suelos, así como sus aplicaciones en su entorno, aspectos que configuran el campo teórico- practico adquiriendo herramientas para diagnosticar y resolver problemas inherentes a la actividad agrícola, determinar estrategias productivas con sentido de visión empresarial, brindando asesoría técnica y/o administrativa efectiva, reconoce la importancia de la producción agrícola ecológica y selecciona apropiadamente los métodos de producción valorando los microorganismos edáficos y la materia orgánica como fuente energética. El estudiante afianza metodologías para profundizar el conocimiento, criticar, mejorar y aportar conceptos para la toma de decisiones en el marco de códigos de conducta bioética, aplicadas a los requerimientos de la producción de bienes y servicios y participa dinámicamente en las oportunidades de interacción en escenarios virtuales coherentes, con la organización disciplinar de la microbiología, de acuerdo con las diferentes situaciones didácticas que se planifiquen y autogestionen en el desarrollo del curso. 3 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 UNIDADES DIDÁCTICAS Primera Unidad Lecciones Capítulos 1. Importancia de la microbiología del suelo 2. Visión histórica 1. Desarrollo histórico de la microbiología del suelo 3. Desarrollo actual 4. Perspectivas de investigación 5. Microbiología Aplicada a La Agricultura 6. Metabolismo microbiano INTRODUCCION A LA MICROBIOLOGIA DEL SUELO 2. Crecimiento y metabolismo microbiano 7. Métodos Metabólicos 8. Enzimas del suelo 9. Conformación y estructura de las enzimas. 10. La microbiología del suelo, la era de la biología molecular 11. Mundo Animal 3. Los organismos del suelo 12. Mesofauna. 13. Microfauna 14. Principales grupos de microorganismos. 15. Microorganismos y Biodiversidad. Segunda Unidad Lecciones Capítulos 16. Formación y génesis del suelo 17. Los agregados y poros del suelo 4. El suelo 18. Agua y aire en el suelo EL SUELO COMO ENTORNO MICROBIANO 19. Coloides del suelo y microorganismos 20. Diversidad de los microorganismos 21. pH, Temperatura y procesos de oxido reducción 5. Influencias del ambiente sobre los microorganismos del suelo 4 22. El agua del suelo 23. Ciclo del Nitrógeno UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 24. Ciclo del azufre 25. Ciclo del fósforo 26. Ciclo del carbono 6. Materia Orgánica. 27. Relación Carbono/Nitrógeno en el suelo 28. Humus. 29. El compost. 30. Abonos verdes Tercera Unidad Lecciones Capítulos 31. Generalidades. 7. Interacciones microbianas 32. Relaciones entre poblaciones. 33.Control Biológico microorganismos edáficos 34. Suelos supresivos. 35. Relación Suelo-planta- enfermedad. 36. Generalidades. 8. Rizósfera 37. Micorrizas. 38. Importancia del Nitrógeno como nutriente. INTERACCIONES MICROBIANAS 39. La Relación Simbiótica Leguminosa-Rizobio – Fijación biológica del nitrógeno 40. Complemento - Artículos Relacionados 41. Lombrices y substancias químicas en la 9. Utilidad de los microorganismos rizósfera 42. Microorganismos, biofertilizantes y biocontrol 43. Biopreparados 44. Algunos indicadores biológicos de calidad del suelo 45. Microorganismos Y Metales Pesados: Una Interacción En Beneficio Del Medio Ambiente 5 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS N. Figura 1 Figura 2 Figura 3. Figura 4 Figura 5. Figura 6 Figura 7. Figura 8 Figura 9 Figura 10. Figura 11. Figura 12. Figura 13 Figura 14 Figura 15 Figura 16. Figura 17. Figura 18. Figura 19 Figura 20. Figura 21 Figura 22. Figura 21. Figura 22. Figura 23. Figura 24. Figura 25. Figura 26. Figura 27. Figura 28. Figura 29 Figura 30. Figura 31 Figura 32. Figura 33. Figura 34. Figura 35. Figura 36. Pag. UNIDAD I Procesos biológicos del suelo: Interrelaciones y funciones en el ecosistema Metabolismo Microbiano. Esquema de la teoría quimiosmótica de la generación de Energía Esquema de la producción de ATP durante l fosforilación cíclica (adaptación del esquema de Broca y Madigan, 1991) Mark Coiné 2000. Esquema de la producción de NADPH durante la fotosíntesis no cíclica. Estructura de las Enzimas. Clasificación de Enzimas Enzimas del suelo Inducción Enzimática Evolución en el conocimiento de phyllum bacterianos Medio de cultivo de microorganismos empleado in vitro. Arácnidos P -hyllum Arthropoda- clase Insecta Isópodo Phyllum Arthropoda- clase Gasteoropoda Nematodos. Microorganismos. Bacterias Secreción de antibióticos en un cultivo de actinomicetes Grupo Taxonómicos de hongos Fitopatogenos Algas Protozoos UNIDAD II Representación gráfica del concepto a partir de factores formadores Procesos básicos en la formación del suelo. Factores que influyen en la distribución microbiana del suelo. Composición del suelo. Diagrama que ilustra la respuesta celular microbiana a un descenso en el potencial del suelo de su ambiente. Relación entre el N del suelo y la temperatura media de esté con los suelos de las praderas (adaptación ilustración Stevenson, 1982). Ciclo del nitrógeno. Ciclo del Azufre. Ciclo del Fósforo en la naturaleza. Ciclo del Carbono. Compuestos y composición elemental de los tejidos vegetales. Velocidad de descomposición de residuos orgánicos. Etapas en la transformación de los residuos orgánicos Descomposición aeróbica y anaeróbica de residuos orgánicos. Tasa de descomposición de dos materiales Fuente: N. en el suelo. Adaptado de Brady and Weil, 1999. 6 14 26 27 29 30 32 34 36 37 40 43 50 51 52 53 54 57 60 62 65 66 68 .. 81 85 89 90 107 110 112 116 119 126 130 132 133 135 137 138 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Figura 37 Figura 38. Figura 39 Parámetros temporales de liberación de N. Componentes de la materia orgánica del suelo. Características físicas y químicas de las sustancias húmicas. 139 140 141 Figura 40. Mecanismos para la formación de sustancias húmicas en el suelo UNIDAD III Interfase de comunicación entre la raíz, el suelo y el medio ambiente (rizósfera) Regiones de la rizósfera. 142 188 192 193 193 194 195 Figura 50. Microfotografía que muestra la rizodeposición. Proceso de infección y estructuras típicas de una ectomicorriza. Estructura de ectomicorrizas Proceso de infección de una MVA y formación de arbúsculos. Endomicorrizas en cebolla de bulbo y lechuga. Las plantas micorrizadas utilizan mejor el N del suelo ya que favorece la fijación y absorción biológica, principalmente en la simbiosis de leguminosas con Rhizobium Rhizobium trifolii. Figura 51. Azospirillum brasilense. 199 Figura 52 Raíz nodulada de trébol blanco y soja. 200 Figura 53. Figura 54. Figura 55 Preparación del super 4. Preparación de purín de ortiga. Presentación esquemática de la definición y funciones de la calidad del suelo. Propiedades biológicas y procesos relacionados con la calidad y sostenibilidad del suelo Modelo conceptual que muestra algunos factores de la biota del suelo que afectan el suministro de nutrientes a la planta. Microorganismos del suelo: diversidad, total descritas y cantidad encontrada en el suelo. Bioindicadores según influencias ambientales. Comunidad Microartropodos. Voltamperogramas Biolixiviación 216 217 222 Figura 41. Figura 42. Figura 43. Figura 45 Figura 46. Figura 47 Figura 48. Figura 49. Figura 56. Figura. 57 Figura 58. Figura 59. Figura 60. Figura 61. Figura 62. 7 186 187 198 227 229 229 236 237 243 264 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 LISTADO DE TABLAS N. Pag. Cuadro 1. Cuadro 2. Cuadro 3 UNIDAD I Importancia de los microorganismos en la agricultura Clasificación de los organismos por fuente de carbono y de energía Caracterización de los organismos según su tipo metabólico y el aceptor de electrones. Cuadro 4. Clasificación de aminoácidos. Cuadro.5 Cuadro.6. Cuadro 7 Cuadro 8. Clasificación animales endopedónicos Productividad de un bosque espinoso con mezquite, en un predio de 30 ha, ubicado aprox. a 30 km de Dolores Hidalgo, sobre la carretera Dolores-San Luis de la Paz, en el norte del estado de Guanajuato. UNIDAD II Compuestos inorgánicos que contienen calcio. Contenidos de N, C y relación C/N de algunos materiales orgánicos. 121 137 Cuadro 9. Cuadro 10. Cuadro 11. UNIDAD III Algunas propiedades de la materia orgánica en el suelo. Agentes potenciadotes de enfermedades Caracterización de algunas rizodeposiciones. 146 169 190 Cuadro 12 Cuadro 13 Importancia de los microorganismos en la agricultura Conjunto de indicadores físicos, químicos y biológicos propuesto para monitorear los cambios que ocurrenen el suelo (Larson y Pierce, 1991; Doran y Parkin, 1994; Seybold et al., 1997) 20 22 25 31 48 71 210 223 ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO. Un modulo es un compendio de bibliografía técnica organizada de forma metódica y sistemática para facilitar el proceso de aprendizaje, los autores dan los respectivos reconocimientos a las fuentes originales de información y de acuerdo a su experiencia profesional y académica aportan al desarrollo de los temas tratados en el curso académico. El contenido didáctico del curso de Microbiología de Suelos fue diseñado en el año 2007 por los Ing. Nelson Piraneque y Sonia Aguirre docente de la UNAD. Ingenieros Agrónomos, Especialistas en Manejo Biológico de Cultivos, Máster en Ciencias Agrarias Énfasis en Suelos, y Ph.D profesor de planta y catedráticos de diversas universidades. El contenido didáctico ha tenido tres actualizaciones realizadas por el momento por los autores. 8 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 MICROBIOLOGIA DEL SUELO. PRESENTACION. Este Curso está diseñado para estudiantes de educación a distancia con aprovechamiento de ambientes virtuales de aprendizaje, por consiguiente hace énfasis en la autogestión formativa mediada, sin excluir interacciones directas entre tutor y estudiante y de los estudiantes entre sí. El curso es de tres (3) créditos académicos en el campo de formación disciplinar, incluido en el plan de estudios de Agronomía y está orientado a la autogestión estudiantil de los conocimientos básicos para comprender los enfoques de la microbiología edáfica. El Objetivo es afianzar la formación profesional con bases conceptuales, tecnológicas y económico-administrativas, para lograr una mayor profundidad en el análisis y en la solución de los problemas agrícolas. El curso de microbiología plantea el estudio de suelos a partir de la visión racional y equilibrada de los recursos naturales y del conocimiento holístico del entorno. Bajo esta consideración se establecen las relaciones que determinan la existencia y éxito de agroecosistemas manejados a través de prácticas sostenibles de la microbiología para la producción. En General al finalizar el curso el estudiante puede describir y analizar con suficiencia conceptos, tendencias y problemáticas básicos que configuran el manejo del suelo en la producción agrícola moderna y puede transmitir a sus comunidades los conocimientos adquiridos mediante la replicación de técnicas microbiológicas aplicándolas a la fertilidad y conservación de suelos. Un módulo es la organización sistemática de contenidos específicos para un adecuado aprendizaje. Para esto, se seleccionaron fuentes bibliográficas reconocidas y páginas den Internet con el fin de brindar al estudiante un material académico actualizado que le permita la apropiación de conocimientos básicos en la materia y adquirir destrezas y habilidades para indagar y aplicar los temas en situaciones de su interés. Cabe mencionar algunos de los especialistas consultados como: Marina Sánchez de Prager, Hernán Burbano, Tabatabai, Mark Coyne, Marcio Rodríguez Lambais de la escuela superior de agricultura, Agrios, Bergman, Boyle, Schinner, Kandeler, Lavalle, Gray, Curl, Truelove, Hans Jenney y Marina Sánchez de Prager, entre otros, así como páginas en Internet referentes al tema. Los autores de este modulo por sus perfiles y experiencia, haciendo uso de la tecnología actual organizaron de forma sistemática los contenidos consultados, sin desconocer la propiedad intelectual de los textos consultados referenciados en la bibliografía y su intención es un texto didáctico de consulta que permita adquirir conceptos, y desarrollar destrezas y habilidades al lector. 9 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 INTRODUCCIÓN INTRODUCCION El estudio de la microbiología del suelo, ciencia relativamente joven, se constituye en un tema apasionante, producto de innumerables descubrimientos científicos ligados a la agricultura los cuales han sentado las bases de lo que hoy se conoce como microbiología del suelo. En esta primera parte presentaremos los pioneros de esta disciplina y los métodos que estos científicos utilizan en sus investigaciones, los aspectos fundamentales de esta ciencia, y finalmente describiremos algunas enzimas y moléculas bioquímicas que intervienen en la mayor parte de las transformaciones del suelo producida por la acción de los microorganismos. 10 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 CAPITULO 1. DESARROLLO HISTÓRICO DE LA MICROBIOLOGÍA DEL SUELO. 1.1 Introducción. A pesar de que la microbiología del suelo es una de las disciplinas más antiguas que soportan la agricultura y la importancia de los microorganismos y que sus procesos en el funcionamiento de los ecosistemas sean ampliamente reconocidos, ésta no ha recibido la suficiente atención en el desarrollo de la agricultura moderna. Por ello, en el presente capítulo discutiremos la importancia de la microbiología del suelo, sus implicaciones y perspectivas. 1.2 Logros. Con el estudio de este capítulo el estudiante puede: Definir la microbiología del suelo Determinar la importancia de la microbiología del suelo como disciplina. Establecer los principales avances en la ciencia, sus pioneros y las aplicaciones actuales. Determinar, analizar y aplicar la microbiología en las labores agrícolas. 1.3 Actividades de aprendizaje. Lección 1. El suelo como sistema y la importancia de la microbiología del suelo. a. El suelo como sistema. Gran parte de la biodiversidad presente en la corteza terrestre reside en el suelo, sin embargo durante muchos siglos éste sólo se ha considerado como un soporte que da sostén a las plantas y las diferentes actividades humanas. Así, se ha dado principal énfasis al estudio de sus propiedades físicas y químicas, dejando de lado el componente biológico. Afortunadamente, las diferentes escuelas biológicas y agronómicas hoy están reconociendo que en el suelo existe vida, donde los organismos que lo habitan no son temporales, sino que influyen notoriamente sobre sus propiedades y sus características emergentes de fertilidad, calidad, salud, resiliencia y sostenibilidad, atributos esenciales en la producción de cultivos, la conservación del ambiente y el bienestar humano. Hoy se comprende a cabalidad que toda vida sobre tierra firma se inicia en el suelo. El suelo es un sistema conformado por diferentes fracciones: la mineral, la materia orgánica y los organismos –constituyendo lo que se denomina fase sólida- , agua –fase líquida- y, el aire –fase gaseosa-, cada una de estas fases se encuentra en estrecha interrelación con las otras para constituir ese todo que se denomina suelo. 11 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Al analizar cada parte del suelo, se observa que esta formado por un espacio con condiciones topográficas y climáticas propias. Las arenas, limos y arcillas se originan a partir de la desintegración de la roca madre bajo la acción del agua, el aire, la temperatura, las raíces de las plantas y los organismos. La materia orgánica proviene de los residuos de plantas y animales en diferentes estados de descomposición, de sustancias que sintetizan y excretan las plantas y los organismos del suelo, los cuales a pesar de constituir sólo una pequeña fracción del volumen total del suelo (<1%), son factor fundamental en el funcionamiento del sistema suelo. Fertilidad, calidad, salud, resiliencia y sotenibilidad del suelo. Todos los aspectos del ambiente físico y químico donde se desarrollan los vegetales, influencian la tasa de absorción de nutrientes y por tanto, la fertilidad del suelo es fruto de la interacción de la química, física y biología del suelo. La calidad del suelo se define como la capacidad de éste para funcionar dentro de los límites de un ecosistema y uso de la tierra, sostener la productividad biológica, mantener la calidad ambiental y promover la salud de las plantas y animales (Doran y Parkin 1994, citados por Sánchez de P., 2006). La salud de un suelo se refiere a la capacidad del mismo para producir de forma sostenible cultivos sanos y nutritivos. Por otro lado, los procesos que capacitan al suelo para contrarrestar el estrés y la alteración, son denominados en conjunto “resiliencia”, la cual esta íntimamente relacionada con la calidad y la salud del sistema. La sostenibilidad hace referencia a las estrategias medioambientales para el manejo de los recursos naturales y el ambiente necesario para alcanzar un desarrollo humano y económico a largo plazo. De lo anterior se deduce que la producción sostenible se deriva del balance adecuado del sistema suelo, cultivos, nutrientes, luz solar, humedad y de los sinergismos entre los organismos. Así, de la interrelación funcional de los diferentes componentes del suelo resulta una serie de propiedades a las que se denomina propiedades emergentes de tal forma que una propiedad no puede se predicha a partir del estudio de componentes aislados: “El todo es mayor que la suma de sus partes”. Con todo, los conceptos de fertilidad, calidad, salud, resiliencia y sostenibilidad de los suelos, son propiedades emergentes o atributos sistémicos, fruto de la interrelación funcional, sincronías y sinergismos de los componentes y su estudio demanda una visión ecológica para comprenderlos en su verdadera dimensión. b. Importancia de la microbiología del suelo. El conocimiento de la microbiología del suelo resulta esencial para comprender la agronomía y la ciencia ambiental. Sin la existencia de los microorganismos del suelo, la vida sobre el planeta no seria tal y como la conocemos. Así, por ejemplo, estaríamos rodeados de grandes cantidades de materia orgánica en descomposición. 12 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Prácticamente todo lo que hacemos esta influido por los microorganismos y su actividad en la tierra. Por que estudiar la microbiología del suelo? Si comprendemos lo que ocurre en el entorno tendremos una idea más precisa de cómo funciona el ecosistema en el suelo. Actividades. Observe un puñado de tierra. Qué es? Qué representa para usted? A simple vista puede tratarse de algo corriente, Ahora contémplalo de cerca y siéntela. Qué hay en la tierra? Aire, agua, minerales, materia orgánica? (termino genérico para señalar la presencia de Carbono) y es que acaso nosotros cuando morimos no llegamos a ser un puñado de tierra. La tierra produce calor puesto que respira; para comprobarlo basta echar un vistazo a un compost e introducir la mano en él. Se puede determinar que su temperatura es elevada, gracias a la respiración de cada uno de los diminutos seres que en él habitan (Sánchez de P., 2006). Los seres vivos se mueven la tierra se desplaza por acción del viento, la gravedad y del agua. Los seres vivos se alimentan también lo hace el suelo? Las proteínas, los ácidos nucleicos, los complejos de carbohidratos, el agua son su alimento. Los seres vivos mueren? El suelo también se erosiona, se lixivia se degrada y desaparecePara los microbiólogos el suelo es el último organismo vivo. Una mezcla de muchas células vivas en un matriz órgano mineral, la tierra es un organismo inmensamente complejo e interesante. Su estudio es un universo por descubrir inmenso e interesante. Atrévete. La microbiología del suelo puede definirse simplemente como el estudio de los organismos que habitan el suelo, su actividad metabólica, funciones y ciclo nutricional. (Atlas y Bartha 1993). La SSSA (Soil Science Society of America 1998) Define la microbiología del suelo como la “rama de la edafología que se ocupan de los microorganismos que habitan el suelo, sus funciones y sus actividades”. La descomposición de residuos orgánicos, la producción de humus, ciclaje de nutrientes, ciclaje de energía, fijación biológica de nitrógeno, la estructuración del suelo, la descomposición de xenobióticos y el control de plagas y enfermedades son algunos ejemplos de las actividades en las que participa la microbiota del sistema suelo, sin embargo, en ocasiones son menospreciadas. Los organismos que habitan el sistema suelo, son responsables directa e indirectamente de diversos procesos bioquímicos que controlan las transformaciones de los elementos químicos y las transferencias de energía y nutrientes en el sistema suelo – planta - atmósfera, constituyéndose en la base que sustenta todo ecosistema terrestre. En el suelo ocurren innumerables procesos con alto grado de complejidad, siendo los bioquímicos, resultantes de la actividad de microorganismos que crecen en 13 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 dicho ambiente, de las diferentes interrelaciones, funciones para la sanidad vegetal y calidad del suelo y del medio ambiente (figura 1.1). Figura 1.1. Procesos biológicos del suelo: Interrelaciones y funciones en el ecosistema. Fuente: Siquiera & Trannin, 2003. Lección 2. Visión histórica de la microbiología del suelo. Los microorganismos existen desde hace tres mil millones de años y aún cuando su existencia era desconocida, procesos mediados por ellos ya eran utilizados para el bienestar de la humanidad (Moreira y Siquiera, 2006). La microbiología del suelo tiene su origen como disciplina en la agricultura y en la manipulación de los suelos para incrementar las cosechas. Las primeras observaciones de la microbiología del suelo se remontan a Roma, cuando Virgilio advirtió y escribió que había nódulos en raíces de legumbres. Documentos de diversas civilizaciones antes de Cristo relatan el uso de leguminosas para fertilizar el suelo y el consumo de alimentos fermentados. En el siglo XVII, en Delft Holanda, se produjo un gran cambio cuando Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), fabrico los primeros microscopios que revelaron con toda claridad la presencia de microorganismos tan pequeños como las bacterias a los que llamó animáculos. 14 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Leeuwenhoek con poca experiencia científica, se dedicaba al comercio de telas y de hecho pulir lentes era tan solo su afición. Pero Leeuwenhoek mantuvo comunicación constante con la entidad científica más importante de la época, Royal Society of England. Entonces Robert Hooke, corroboró las observaciones de Leeuwenhoek y fue el primero en utilizar el término célula en su libro Micrographia, publicado en 1665 primer texto de la microbiología. A partir de los descubrimientos de Leewenhoek y Hooke fueron necesarios casi dos siglos para que la microbiología fuese reconocida como ciencia. A mediados del siglo XIX y a principios del siglo XX, la investigación microbiológica vivió un periodo muy fecundo, impulsados por científicos como Louis Pasteur, Robert Koch y Serge Winogradsky. A Pasteur se le atribuye el impulso inicial a la fisiología microbiana, quien demostró la existencia de vida sin aire y que cada tipo de fermentación era mediado por un tipo específico de microorganismo. Desarrolló los principios de la pasteurización e inmunización, tornándose en el padre de la microbiología. Pero A Robert Koch, médico rural que se distinguió en el terreno de la microbiología por sus procedimientos para aislar y desarrollar cultivos puros de microorganismos, se le atribuye el método para determinar la relación causa – efecto, el cual se recoge en los denominados postulados de Koch, los que demuestran la cusa de la enfermedad producida por un agente patogénico. Se destacó por su trabajo sobre el ántrax (infección producida por Mycobacterium tuberculosis). Postulados De Koch www.altillo.com/medicina/monografias/postulados.asp Los diferentes avances en la nutrición vegetal en la primera parte del siglo XIX permitieron determinar que las leguminosas poseían más altos tenores de nitrógeno en relación a otras especies; así, se sugirió que ellas fijaban nitrógeno atmosférico (FBN). Pero sólo hasta 1886, la FBN fue comprobada por Hellriegel y Wilfarth y ya en 1888, las bacterias responsables del proceso fueron aisladas de los nódulos por Beijerinck. Es en esta época en la que se dan grandes avances como el descubrimiento de la autotrofia microbiana y la nitrificación, por Sergei Winogradsky. Lección 3. Desarrollo actual. Mientras Louis Pasteur, Robert Koch se detenían a investigar los patógenos causantes de enfermedad, Serge Winogradsky investigaba las actividades microbianas directamente relacionadas con el suelo. 15 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 El Ruso Serge Winogradsky (1856- 1953), suele ser considerado el padre de la microbiología del suelo. Desarrollo la columna que lleva su nombre, un ecosistema autónomo que sirve para estudiar el ciclo del Azufré. Investigó el crecimiento microbiano en el CO2 y en iones inorgánicos, proceso conocido como quimioautotrofismo. Por otra parte estudio la Nitrificación, proceso microbiano por el cual el amonio (NH4+) se convierte en Nitrato (NO3-). Nitrobacter winogradsky, una de las bacterias nitrificantes, debe su nombre e este científico. Winogradsky Investigó la oxidación microbiana de hierro ferroso (Fe 2+), forma reducida del hierro que, en este proceso se transforma en hierro férrico (Fe 3+) o forma oxidada del mismo y componente esencial de la herrumbre. Asimismo Winogradsky aisló el bacilo de la bacteria con forma de bastón anaerobio que crece en ausencia de oxigeno productor de esporas fijador de Nitrógeno es decir capaz de convertir el Nitrógeno gaseoso en amoniaco denominado por el autor Clostridium pasteurianum, en agradecimiento a la colaboración del instituto Pasteur. Otro precursor de la microbiología del suelo es el científico Ipolare Beijerinck (18511931). Cultivo por primera vez la bacteria fijadora de Nitrógeno que crecía en asociación con las legumbres, así como la primera bacteria aerobia fijadora de nitrógeno que crecía en forma asimbiótica como organismo del suelo independiente. Se trataba de Rhizobium y Azotobacter, respectivamente. Por otra parte una bacteria asimbiótica y fijadora de Nitrógeno llamada Beijerinckia debe su nombre a este investigador. Fue la primera persona que reconoció que había un agente biológico virulento más pequeño que la bacteria capaz de causar enfermedad en las plantas conocida como el virus del mosaico del tabaco. Si usted ha utilizado alguna vez un antibiótico, debe agradecer su existencia a Sir Alexander Fleming (1881-19559). En 1928 Fleming publicó observaciones acerca del hongo Penicillum notatum, que había contaminado una placa de estafilococos en su laboratorio y que posteriormente aparecieron rodeados de células muertas y disueltas. Había descubierto el primer antibiótico: la penicilina. Por lo cual obtuvo el premio Nóbel en 1945. Jacob Lipman (1874-1939) profesor de Selman Waksman (1888 – 1973) conjuntamente pueden ser considerados padres de la microbiología del suelo en los Estados Unidos. Estos elaboraron y estudiaron el compost. Lipman y Fleming- Rene Dubos aislaron un actinomiceto del suelo denominado Streptomyces el cual tenía propiedades antibióticas similares al penicillium. En realidad Waksma, había advertido su existencia, pero no le había atribuido demasiada importancia. En resumen, Leeuwenhoek fabricó los primeros microscopios de calidad. El salto siguiente fueron los postulados de Koch desarrollando las técnicas de cultivos puros. El siguiente fue la utilización del cromatógrafo de gases, aparato que permite a los científicos separar y medir los gases producidos durante la actividad biológica. Sin duda el siguiente avance fue el desarrollo de la Biología molecular. Para crear nuevos organismos con propiedades únicas, así como para establecer conexiones entre los 16 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 organismos vivos en virtud de sus características genéticas y no exclusivamente físicas. Lección 4. Perspectivas de investigación y Asuntos actuales de la microbiología del suelo. La microbiología del suelo a adquirido el peso suficiente como para que muchos centros de estudio dispongan en sus facultades de microbiólogos dedicados a este campo. A continuación, incluimos algunos de los contenidos que los investigadores estudian: La fijación simbiótica del Nitrógeno. La descomposición de la materia orgánica, eliminación de residuos y fabricación de abonos vegetal o compost. Las trasformaciones minerales del nitrógeno (nitrificación, desnitrificación, y amonificación). Estudios de la rizósfera interacciones de la raíz, el suelo y los microorganismos. Enzimas del suelo (Ureasas, celulosas, ligninazas, fosfatasas). Biodegradación y Biorremediación. Transformación de metales. Ciclo de carbono. Gases causantes del efecto invernadero. Diseño y supervisión de organismos manipulados mediante ingeniería genética. Ecología microbiana. Actividad microbiana del subsuelo. Los microbiólogos del suelo en la actualidad estudian diversas áreas, como la biodegradación, la ecología microbiana, y la calidad ambiental. Lección 5. Microbiología Aplicada a la Agricultura. Los ecosistemas son sistemas vivos donde se lleva a cabo un sin numero de procesos biológicos, químicos, y físicos que permiten el desarrollo integral de todos los componentes. Cada miembro de la sucesión biológica regula un potencial energético, base para entender el funcionamiento del sistema teniendo en cuenta que la vida es un flujo constante de energía solar absorbida en una mínima parte a través de la fotosíntesis, proceso que realizan las plantas, algas y algunas bacterias, las cuales son el deposito de energía del ecosistema pero que requieren del factor suelo para desarrollarse y tomar de allí los nutrientes y el agua. Si lo analizamos, el suelo es la base de la llamada pirámide de la vida. 17 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 El suelo un sistema vivo. El suelo es considerado por muchos autores como la capa arable de la superficie terrestre, que ha sufrido meteorización y que incluye elementos nutritivos, para el desarrollo de las plantas, sin embargo esta definición es puntualmente física y química y deja de un lado el componente biológico, desconociendo el sistema vivo y dinámico en su interior. Y es que el suelo se constituye en un hábitat perfecto para el desarrollo de organismos. En el suelo se distinguen claramente tres grupos principales de organismos vivos: macroorganismos, mesoorganismos y microorganismos. Los cuales se reconocen como la meso y la microfauna del suelo. Los microorganismos en la agricultura juegan un papel muy importante. actividades en las cuales participan, se destacan: Entre las Intervienen en los ciclos Biogeoquímicos de la naturaleza, siendo estos N, P, K, S, Na, etc. Participan en la producción de sustancias controladoras de organismos patógenos (antagonistas y entomopátogenos). Producción de metabolitos secundarios de importancia Agrícola (Aminoácidos). Producción de sustancias estimuladoras del crecimiento vegetal (PGPR). Uso de microorganismos. Generalmente estos diminutos seres son mencionados en diferentes procesos alimenticios como la elaboración de la cerveza, la producción de vino, yogurt, salsa de soya etc. Y en procesos patogénicos tanto en plantas como en animales. Pero son pocas las ocasiones en que se relacionan con fines agrícolas benéficos y aún más no se conoce la importancia real que ellos implican en el ecosistema suelo. El uso de microorganismos con fines agrícolas (cuadro 1.1) se remonta a la antigua Roma y Grecia, donde antes de la era cristiana, ya se conocían las bondades de las aplicaciones de tierra que hubiese sido cultivada con guisantes o judías, cacahuates o alfalfa, ya que aumentaba la productividad en lugares donde por primera vez se sembraría uno de estos cultivos. Más tarde se conocería de la existencia de una bacteria productora de nodulaciones a nivel rizosférico, llamada Rhizobium, aislada por primera vez en 1888 por Heliriegel y Wilfarth. Años más tarde en 1903, la inoculación obligada de bacterias a las siembras de leguminosas, era ya una rutina agrícola. Los organismos de importancia agrícola incluyen bacterias, tanto autótrofas como heterótrofas, aerobias o anaerobias; actinomicetes, hongos, algas, virus y protozoos. Su condición ecológica varia de acuerdo con las condiciones ambientales, tipo y características físico-químicas del suelo, presencia de materia orgánica, tipo de cultivo, labores culturales y de labranza. Se pueden ubicar en diferentes lugares, distinguiéndose la zona de influencia de la raíz o rizósfera, y las partes aéreas de la planta o filosfera. 18 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Cuadro 1.1. Importancia de los microorganismos en la agricultura. Factor De Importancia Transformaciones de la materia orgánica y mineral Observación 1. 2. 3. 4. Mejoramiento de estructura del suelo la 1. 2. 3. Transporte de materias. Efectos mutuos en las asociaciones biológicas 1. 2. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Influencia Mutua entre los organismos Mantenimiento de los ciclos biogeoquímicos. Formación de sustancias húmicas o condiciones favorables para su formación con el consecuente mejoramiento en la estructura del suelo y en el suministro de nutrientes. participación en la meteorización química de los minerales por la formación de ácidos orgánicos y compuestos reductores. oxidación y reducción de metales como el Fe y el Manganeso. Estabilización de la estructura por medio de mucílago bacteriano (polisacaridos cementantes) pseudomicelios de actinomicetes e hifas de hongos. Creación de macroporos por desprendimiento de gases (CO2) durante la descomposición de la materia orgánica. Formación de humus estable o sus compuestos precursores y la posterior creación de complejos órgano minerales, como elementos estructurales. Incorporación de residuos vegetales o animales al suelo. Incorporación de elementos químicos al suelo (N atmosférico). Influencia en la nutrición de cultivos Mineralización y aprovechamiento de sustancias de difícil descomposición. Producción de N asimilable por los microorganismos que encuentran en la rizósfera nichos adecuados. Cambios de pH del suelo y la solubilización de sustancias nutritivas. Producción de sustancias estimuladoras del crecimiento vegetal (fitohormonas), vitaminas antibióticos y quelatos. Inhibición del crecimiento vegetal por el exceso de CO2 liberado a la atmósfera del suelo. Creación de condiciones anaeróbicas por el consumo de O2 que incluyen la reducción de elementos menores que se pueden trasformar en cantidades tóxicas. Se pueden presentar asociaciones mutualistas simbióticas (Micorrizas MVplanta Rhizobium – leguminosa), no simbióticas (Azotobacter- planta9 antagonismo, parasitismo, control biológico) inducción de resistencias en plantas a patógenos Fuente Maria Mercedes Martinez S. Microbiologa U. Andes. CAPITULO 2 CRECIMIENTO Y METABOLISMO MICROBIANO. 2.1 Introducción. La vida en el planeta se encuentra sustentada por dos procesos básicos y opuestos a la vez: La fotosíntesis, realizada por los organismos autotróficos (también llamados productores primarios) y la descomposición seguida de la mineralización de los materiales por ella formados, realizada por los organismos 19 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 heterotróficos. Los Primeros forman la base de la cadena trófica actuando como productores primarios que sustentan a los herbívoros, siendo éstos quienes sustentan a los carnívoros. De ahí la importancia de la fotosíntesis para la vida en el planeta. Los microorganismos del suelo dependen por tal razón de la fotosíntesis y como tal, son sistemas autónomos capaces de auto-reproducción y auto-multiplicación, obedeciendo las leyes de la física y de la química, siendo capaces de convertir una fuente de energía en otra a través de un conjunto de reacciones químicas denominadas metabolismo –objeto de estudio del presente capítulo- con un alto grado de ordenación. Además estudiaremos con algún grado de profundidad los enzimas, composición y funciones. Finalmente, daremos un breve vistazo a la microbiología desde la perspectiva molecular, como técnica que permite grandes avances en el establecimiento de actividades y funciones de los microorganismos en el suelo. 2.2 Logros. Con el estudio de este capítulo usted: Determina los nutrientes y elementos que requieren los microorganismos para cumplir sus funciones de crecimiento y reproducción. Establece y reconoce los principales métodos metabólicos que se presentan en el sistema suelo. Reconoce la importancia de los enzimas como catalizadores biológicos de toda reacción bioquímica. Determina y analiza la importancia de las técnicas moleculares en el establecimiento de la diversidad, actividades y funciones de los microorganismos del suelo. 2.3 Actividades de aprendizaje. Lección 6. Metabolismo Microbiano. Lo que requieren los microorganismos para crecer. Los microorganismos contienen de un 70 a un 85% de agua (Stolp, 1988). La materia seca restante consta de un 50% de proteínas, de un 10 a 20 % de vitaminas, de un 10 al 20 % de pared celular, 10 % de lípidos (pared celular) de 10 al 20 % de ARN y de 34% de ADN. Al igual que las plantas y los animales los microorganismos presentan unos requerimientos de alimentación básicos para su supervivencia. – Un ambiente favorable, con un pH adecuado, una temperatura apropiada y condiciones redox propicias. – Agua- Nutrientes minerales- Fuentes de energía, carbono orgánico. – Donadores y aceptores de electrones y factores de crecimiento. a. Nutrientes Minerales y Factores de crecimiento. La composición elemental de la materia seca microbiana tiene, aproximadamente, las siguientes características, un 20 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 50% de carbonó 20% de oxigeno, 14% de nitrógeno, 8% de hidrogeno, 3% de fósforo, 1% de azufré, 1% de potasio, 0.5 % de Magnesio, 0.2% de hierro (Stolp, 1988). Por otra parte, los microorganismos requieren numerosos micronutrientes, en cantidades mínimas que suelen ser cofactores metálicos, requeridos por las enzimas. El hierro como ejemplo es utilizado por los citocromos en el transporte de electrones, o el cobalto esencial para fijar nitrógeno, el molibdeno es un elemento vital que los organismos utilizan en la nitrogenasa y en la reductasa, el níquel es cofactor de la ureasa enzima que descompone la Urea. Otros micronutrientes que algunos microorganismos necesitan para su metabolismo son el vanadio (Va), el Cloro (Cl), el sodio (Na), el boro, el Selenio, el silicio (Si) y el tungsteno (W). El Va por ejemplo se usa para sustituir el molibdeno durante la fijación del nitrógeno (Robson y col., 1986), el silicio es un componente esencial en la pared celular de las algas, como lo es el caso de las diatomeas. Asimismo, algunos microorganismos – no todos- los microorganismos requieren factores de crecimiento. Un factor de crecimiento es un compuesto esencial para el desarrollo microbiano. Entre estos factores de crecimiento cabe destacar las vitaminas (tiamina, biotina, riboflavina, ácidos, nicotíco – pantotéico- fólico) los aminoácidos, o los nucleótidos Un auxótrofo es un organismo que requiere uno o más factores de crecimiento “un organismo con requerimientos nutricionales adicionales por encima de un organismo completamente autosuficiente. Las personas son auxótrofos ya que no posemos sintetizar todos los factores de crecimiento una de las razones por lo cual tomamos nutrientes. b. Carbono y fuentes energéticas. Resulta posible caracterizar a los microorganismos y a todos los seres vivos por sus fuentes de carbono y energía (cuadro 1.2). Los microorganismos que utilizan la luz para generar energía se conocen como fotógrafos. Aquellos que rompen enlaces químicos para generar energía se denominan quimiótrofos, estos pueden ser litótrofos (puesto que rompen enlaces inorgánicos) u organótrofos (rompen enlaces orgánicos). Los organismos autótrofos obtienen yodo el carbono para su biosíntesis a partir del CO 2 o el HCO3– (bicarbonato). Los organismos heterótrofos obtienen el carbono para la biosíntesis a partir del carbono orgánico. Saprofitos son aquellos organismos heterótrofos que obtienen el carbono y su energía a partir de la materia orgánica muerta y en descomposición. 21 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Cuadro 1.2. Clasificación de los organismos por fuente de carbono y de energía. Tipo Fuente de energía Fuente de Carbono Microorganismos Fotótrofos Fotoautótrofos o fotolitótrofos o fotolitoautótrofos CO2 Cianobacterias, pardas y rojas. algas verdes, Luz Fotoorganotróficos (fotoheterótrofos) Compuestos orgánicos Rhodopseudomonas, púrpuras no sulfúreas bacterias Quimiótrofos Quimioautótrofos (quimiolitótrofosquimiolitoautótrofos Oxidación de compuestos inorgánicos CO2 Bacterias nitrificantes: Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrosomonas, Nitrospira, Nitrosococcus y Nitrosolobus. Bacterias del Hydrogenomonas hidrógeno: Bacterias oxidantes del azufre: Thiobacillus, Beggiatoa, Thiotrix, Sulfolobus, etc. Quimioorganótrofos (quimioheterótrofos) Oxidación de compuestos orgánicos Compuestos orgánicos Hongos, bacterias como Escherischia, Pseudomonas, Xanthomonas, Bacillus, etc., y protozos. Fuente: Sánchez, Marmolejo y Bravo, 2000. Así por ejemplo los seres humanos somos quimioherótrofos, ya que se obtiene la energía de los enlaces orgánicos de carbono metabolizantes, a la vez que adquiere el carbono mediante la ingestión. Ni la Luz ni el aire basta para nuestra supervivencia. c. Requerimientos de Oxigeno. Cabe realizar una distinción adicional entre los microorganismos, basada en los requerimientos de Oxigeno para su crecimiento, Esto es muy importante a la hora de determinar el metabolismo microbiano, a la vez que permite establecer cuándo y donde son activos los microorganismos. Aerobios obligados: requerimiento absoluto de oxigeno. Anaerobios obligados. No requieren oxigeno su presencia les resulta toxica. Microaerófilos: requieren oxigeno, pero este resulta toxico en bajas concentraciones. Anaerobios facultativos: El O2 es el aceptor de electrones preferido, pero existen otras alternativas. El Oxigeno resulta toxico para ciertos organismos porque es un agente oxidante. Cuando este gana un electrón durante el metabolismo microbiano resulta inestable y en un intento y, en un intento por adquirir una forma mas estable, empieza a oxidar todo incluyendo los nucleótidos, los cuales oxidados forman parte de las mutaciones que tienen lugar en el ácido nucleico, resultando letales. 22 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los organismos aeróbicos no pueden evitar que intermediarios tóxicos como el superoxido O2- y el peroxido H202 se formen durante el metabolismo del oxigeno. No obstante los efectos se reducen al eliminare estos compuestos, mediante la acción de las enzimas, como es el caso de la súper oxido dismutasa y la catalasa. Muchos de los organismos aerobios carecen de estas enzimas. Entonces – Si el oxigeno resulta toxico para los anaerobios por qué peden aislarse estos siempre de sueros aerobios? Hasta la fecha se han hallado dos explicaciones, Los suelos tiene zonas a las que el oxigeno no puede entrar o donde la actividad microbiana lo consume rápidamente. Tal es el concepto de la micro-rea anaeróbica; una segunda explicación sostiene que los compuestos tóxicos producidos a partir del oxigeno solo se forman durante el transporte de electrones. Este último tiene lugar exclusivamente en presencia de un donador de electrones (alimento) En consecuencia, los anaerobios obligados pueden permanecer durante largos periodos en ambientes aerobios si no están sometidos a un crecimiento activo. d. Reacciones de Oxidación Reducción (redox). El oxigeno juega un 0papel fundamental en las reacciones redox asociadas al crecimiento microbiano, el potencial redox Eh mide la tendencia de los electrones a desplazarse ente compuestos oxidados y reducidos, se puede decir que es la energía disponible para mover los electrones. Los compuestos oxidados tienen pocos electrones mientras que los reducidos disponen de estos en gran cantidad. Las oxidaciones producen energía Biológica. Por esta razón para que un compuesto orgánico o inorgánico sirva o actué como fuente de energía para un microorganismo, debe tener la capacidad de oxidarse. Qué es la Oxidación? En una oxidación, se cede un electrón. X y RH2 son donadores de electrones agentes reductores en este ejemplo, entonces: X X 2 2e RH 2 R 2H Qué es la reducción? En una reducción se acepta un electrón. R, Fe 3 y Mn++ aceptores de electrones o agentes oxidantes ejemplos. son 2H R RH 2 Fe 3 2e Fe 2 Mn 2e Mn 2 En una reacción redox acolada, un compuesto (el oxidante) oxida otro compuesto y obtiene electrones (se reduce). Un segundo compuesto, el reductor reduce a otro compuesto y pierde electrones (se oxida). En la siguiente redacción redox acoplada, Fe3+ es el oxidante y H2 el reductor. H 2 2H 2electrones 23 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 2Fe 3 2electrones 2Fe 2 2Fe 3 H 2 2Fe 2 2H Un donador de electrones o reductor sirve para reducir compuestos de carbono para la producción de biomasa durante el crecimiento microbiano. Por ejemplo, la fotosíntesis es una reducción en la cual el CO2 se reduce, convirtiéndose en carbohidratos (CH2O)a+. Durante las oxidaciones resulta necesario un aceptor de electrones. Hay que depositar los electrones procedentes de los compuestos reducidos en algún lugar o, de lo contrario, todo lo que hay en la célula se reducirá y los electrones no tenderán a fluir. En los sistemas biológicos el oxigeno es el mayor aceptor de electrones una de las razones por la que resulta muy importante. Lección 7. Métodos Metabólicos. Los microorganismos pueden agruparse de acuerdo con el tipo de aceptor de electrones que utilizan y la clase de actividad metabólica que desarrollan como se observa en el cuadro 1.3. La energía generada por una reacción redox acoplada, que consiste en una reacción química o bioquímica que implica una reacción y una reducción depende de la magnitud de la diferencia entre la capacidad oxidante de un agente para aceptar electrones y la capacidad reductora de otro para donarlos. Recordemos que cuanto mayor es la magnitud <G mayor cantidad de energía generada. Utilicemos la analogía de una corriente de agua que circula en lugar de flujo de electrones. Cuanto mayor es el cambio en la elevación de la corriente más corriente, más rapida girará la notaria y mayor trabajo desarrollará. Cuadro 1.3. Caracterización de los organismos según su tipo metabólico y el aceptor de electrones. Tipo metabólico Aceptor de electrones Fermentación Orgánico Respiración aeróbica O2 Respiración anaeróbica NO3-, NO2-. SO4 2, CO2 Organismos Procariotas, unos cuantos hongos La mayor parte de los procariotas, hongos y todos los animales Sólo los procariotas Existen básicamente tres clases de metabolismo microbiano: La respiración, la fermentación, y el crecimiento fototrópico (figura 1.2) 24 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La respiración utiliza la oxidación de un fuente de electrones orgánica o inorgánica acoplada a la reducción de oxigeno como ultimo aceptor de electrones para generar energía. La teoría quimiosmotica de la respiración microbiana postula que la membrana citoplasmática es impermeable al OH- y al H+. En la membrana celular existe una cadena respiratoria que mueve el H+ desde el interior de la célula al exterior de la misma, a medida que los electrones procedentes de la oxidación de un donador de electrones pasan por el oxigeno. La enzima ATP sintasa aprovecha el gradiente de pH más elevado en relación con el exterior de la misma. El gradiente puede servir para formar ATP que constituye la circulación de la energía celular (una gran cantidad de ATP supone un elevado crecimiento y gran actividad). La respiración utiliza la oxidación de un fuente de electrones orgánica o inorgánica acoplada a la reducción de oxigeno como ultimo aceptor de electrones para generar energía. La teoría quimiosmótica de la respiración microbiana postula que la membrana citoplasmática es impermeable al OH- y al H+. En la membrana celular existe una cadena respiratoria que mueve el H+ desde el interior de la célula al exterior de la misma, a medida que los electrones procedentes de la oxidación de un donador de electrones pasan por el oxigeno. La enzima ATP-sintasa aprovecha el gradiente de pH más elevado en relación con el exterior de la misma. El gradiente puede servir para formar ATP que constituye la circulación de la energía celular (una gran cantidad de ATP supone un elevado crecimiento y gran actividad). Por otra parte el movimiento de los protones desde el interior de la célula al exterior de esta también permite comparar la membrana celular con una pila en miniatura, correspondiendo los polos negativo, y positivo a la parte externa e interna de la célula, respectivamente. El efecto final, es lo que nos concierne a este caso, es que el donador de electrones, un compuesto reducido, se oxida, a la vez que el aceptor de electrones (generalmente 02) se reduce. Los protones son trasladados del interior al exterior de la membrana celular. El gradiente de H+ puede usarse para hacer que la célula trabaje, de modo que esta se desplace o adquiera nutrientes así como para generar ATP. Cuanto mayor es el número de pasos en los que el H+ puede desplazarse hacia el exterior de la célula, mayor es el potencial para la generación de ATP. Figura 1.2. Metabolismo Microbiano. 25 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Flujo de Carbono Compuesto Orgánico Aerobia O2 NO3 Flujo de Carbono SO4 2 CO2 Otros compuestos orgánicos, compuestos inorgánicos, Flujo de Electrones METABOLISMO CO2 CO2 Flujo de Carbono O2 Biosíntesis LUZ CO2 Flujo de Electrones Flujo de Carbono Fototrófico RESPIRACION Flujo de electrones Litótrofo Compuesto Orgánico Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Biosíntesis ATP Fuente: adaptado de Brock y Madigan, 1991. La respiración anaerobia utiliza el mismo principio, con la diferencia de que el aceptor terminal de electrones no es el oxigeno, sino otro ión inorgánico como el NO 3- el Fe3+ o el Mn++. La fermentación ocurre en condiciones anaerobias. Los sustratos que se metabolizan pueden ser tanto dadores como aceptores, de electrones. La fermentación no requiere un aceptor de electrones externo, los sustratos que se metabolizan pueden ser tanto aceptores como dadores de electrones. La fermentación podría si bien no siempre ocurre tener lugar en presencia de oxigeno aunque no lo necesita. No obstante el metabolismo respiratorio genera mucho más energía que la fermentación (ejemplo de esto es el metabolismo de las levaduras). 26 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Figura 1.3. Esquema de la teoría quimiosmótica de la generación de Energía H+ H+ + + + + + + + + + + + + + + Compuestos reducidos Portadores de e- Electrones Portadores de Electrones Citocromos - NADH Compuestos oxidados 2H+ +1/2O2 - H2O ADP + P ATPasa Membrana celular ATP Citoplasma celular Fuente: Adaptado a partir de Gottschalk, 1986. Una consecuencia del cambio de un metabolismo a uno respiratorio es que la evolución del CO2 puede disminuirse. Esto se conoce como el efecto Pasteur. En vista que es más la energía que cabe obtener mediante la reparación que a través de la fermentación el metabolismo de la glucosa decae de tres a cuatro veces, a la vez que la cantidad de CO2 se reduce, por otra parte se reduce la producción de Alcohol. ¿Cuál es el resultado neto de la fermentación? La formación de ATP. Una parte de la molécula orgánica se oxida y suele liberarse en forma de CO 2 otra parte de dicha molécula orgánica se reduce y suele liberarse de la siguiente manera: 1. En forma de alcohol CH3CH2OH (etanol) 2. Como ácido CH3COOH (Ácido acético) y CH3COOH (Ácido butírico) 3. Como una acetona CH3COCH3 (Acetona). ¿Cómo se establece que algo se ha fermentado? Realizando un equilibrio de fermentación. Escriba la reacción y asigne a todos los H un valor de (1) y a todos los O un valor de (-2). Un valor positivo indica que está ante un compuesto reducido, mientras que si es negativo, éste está oxidado. Por ejemplo en la fermentación de una glucosa para formar alcohol: C6H1206 : C6H1206 : 2CH3CH2OH: 2CO2: 2CH3CH2OH + 2CO2. (12HX1)+ (20X-2) = 0 (12HX1) + (20X-2) = 8 (40X2) =-8. 27 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Si bien parte de la glucosa se oxidó en la reacción para formar CO 2 y otra parte se redujo para formar etanol, no se produjo un cambio neto en el número total de electrones, si no que simplemente se intercambiaron y no se utilizo ningún aceptor externo de electrones en el proceso. La fotosíntesis. Los fotótrofos no son tan importantes para la microbiología del suelo como los quimiótrofos, puesto que los primeros pueden fabricar sus propios carbohidratos y generan su propia energía a partir de la luz solar en el proceso conocido como fotosíntesis. De esta manera no necesitan realizar aquellas transformaciones biológicas que contribuyen en el ciclo de nutrientes. El problema que afrontan los fotótrofos es como generar energía y como adquirir un poder reductor suficiente (electrones para donar) para convertir el CO2 en carbohidratos. A continuación, observe dos ejemplos de fotosíntesis y advierta su similitud. Anaerobios 2H2S + 2 NADH+ ____ 2S +2NADH + 2H+ (Procariotas) Aerobios 2H20 + 2 NADH ____ 02+ 2NADH + 2H+ (plantas /procariotas). Los procariotas incluyen organismos que no disponen de núcleo celular. Así las plantas son un ejemplo de eucariota, organismos que si cuentan con un núcleo celular definido. En el primer ejemplo la fotosíntesis anaerobia, el sulfuro de hidrogeno se oxida, formando azufre elemental. En el segundo ejemplo la fotosíntesis aerobia, el agua se oxida formando oxigeno. La fotosíntesis cíclica produce energía en forma de ATP (Figura 1.4). La fotosíntesis no cíclica produce donadores de electrones como NADPH, que cabe usar para fijar el carbono (Figura 1.5). Los fotoheterótrofos, como el Rhodospirillum, obtienen la energía a partir de la fotosíntesis cíclica y del C a partir del carbono orgánico. El ATP se genera desplazando los protones a través de un gradiente químico (quimiósmosis). Durante la fotosíntesis no cíclica en los anaerobios, los electrones son desviados de los centros de reacción y utilizados para formar NADPH. A Continuación los electrones son recolectados para la oxidación del sulfuro de hidrógeno en azufre elemental. 28 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Potencial reductor Elevado (-600 mV) e- Centro de reacción estimulado Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Portador electrones ADP eATP Citocromos Centro de reacción eLUZ Potencial reductor Elevado (-600 mV) Figura 1.4. Esquema de la producción de ATP durante l fosforilación cíclica (adaptación del esquema de Broca y Madigan, 1991) Mark Coiné 2000. Las cianobacterias y otros organismos aeróbicos fotosintéticos también usan fotosíntesis cíclica para generar ATP mediante un mecanismo quimiósmotico. En contraste con los anaeróbicos utilizan dos excitaciones de electrones distintas activados por la luz durante la fotosíntesis no cíclica Los electrones procedentes del primer evento activados por la luz son desviados para reducir el NADPH. Estos electrones son sustituidos por electrones de un centro de reacción distinto que ha sido estimulado por un segundo evento activado por la luz. Los electrones empleados para remplazar estos electrones desviados proceden de la oxidación del agua en O 2. Las cianobacterias al igual que las plantas, usan el NADPH producido para convertir el CO2 en carbohidratos mediante el ciclo Calvin. Muchos litrotófos (autótrofos), que usan el CO2 como fuente de carbono, también usan el ciclo Calvin para fijar CO2. 6CO2 + 12 NADPH+ 18ATP ______ C6H1206 + 12 NADH+ 18 ADP. Crecimiento Microbiano: absorción de nutrientes y sustrato. La membrana celular es diferencialmente permeable o lo que es lo mismo, excluye selectivamente lo que no absorbe. Existe varios métodos de absorción: la difusión pasiva, si la molécula es pequeña y está desprovista de carga; la difusión facilitada por las proteínas alojadas en la membrana celular, y el transporte activo, un transporte que depende de la energía y que atraviesa un gradiente de concentración. Los microorganismos no suelen absorber las macromoléculas. Lo que significa que los compuestos de gran tamaño deben descomponerse fuera de la célula antes de poder utilizado. 29 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Potencial reductor Elevado (-600 mV) Centro de reacción estimulado Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Portador electrones e- NADP+ e- H2S e- Centro de reacción So Citocromos e- NADPH e- Centro de reacción estimulado LUZ O2 2 H20 Aerobios e- LUZ Potencial reductor Elevado (-600 mV) Centro de reacción Figura 1.5. Esquema de la producción de NADPH durante la fotosíntesis no cíclica, Solo los organismos aeróbicos emplean las reacciones activadas por la luz (adaptación del esquema de Broca y Madigan, 1991) Mark Coiné 2000 Los microorganismos pueden ser selectivos con respecto al tipo de sustrato en los que crecen. Se trata de un factor ¿Cómo que refleja capacidad bioquímica del microorganismo como la regulación genética de su metabolismo. El crecimiento microbiano en los distintos sustratos sigue siendo uno de los métodos fundamentales para caracterizar y clasificar los microorganismos, si bien está siendo sustituido por métodos genéticos. RESUMEN. El crecimiento microbiano requiere siete condiciones fundamentales. Resulta fácil recordar los nutrientes inorgánicos principales que los microorganismos necesitan (C, H, O, P, K, N, Ca, Fe, y Mg). Por otra parte, cabe clasificar los microorganismos de acuerdo con sus fuentes energéticas y los requerimientos de carbono en fotótrofos y quimiótrofos, heterótrofos y autótrofos. Así mismo se pueden separar los microorganismos según sus requerimientos de Oxigeno en aerobios, aerobios facultativos y anaerobios. Las reacciones redox resultan esenciales en el metabolismo microbiano. Los compuestos reducidos se oxidan para obtener energía, mientras que los 30 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 oxidados se usan para aceptar electrones durante el metabolismo y se reducen. Las tres clases fundamentales de metabolismo microbiano son: La fermentación, la respiración y el crecimiento fototrópico. La respiración se produce debido a que los microorganismos crean gradientes de protones a través de sus membranas celulares utilizadas para realizar su trabajo. Este proceso denominado quimiósmosis, requiere la presencia de aceptores externos de electrones. La fermentación no precisa estos aceptores y por, lo contrario los electrones se desplazan entre distintos compuestos dentro de la célula. El crecimiento fototrófico, utiliza la luz para generar energía y puede ser cíclico o no. El uso del sustrato es uno de los criterios básicos para caracterizar los cultivos que, de otra manera, serian difíciles de identificar. Lección 8. Enzimas Del Suelo. La Fisiología y el metabolismo de los microorganismos del suelo están regulado por enzimas y el hábitat microbiano del suelo se ve afectado por estas. Si bien las enzimas provienen de los organismos vivos, una vez que estos mueren, algunos resisten y conservan su actividad en el suelo por períodos prolongados. El papel de la investigación de las enzimas consiste en comprender el estado y el comportamiento de las enzimas así como el aplicar este conocimiento a los estudios actuales sobre el medioambiente y la agricultura. ¿Qué es una Enzima? Se pueden definir como proteínas que actúan como catalizadores orgánicos, transformando sustancias orgánicas en inorgánicas sin experimentar cambios en si. Los catalizadores disminuyen la energía de activación de las reacciones químicas, y permiten que dichas reacciones se produzcan a temperaturas y presiones en las que en condiciones normales no tendrían lugar. La energía de activación es la energía necesaria para estabilizar los enlaces químicos de un compuesto, con el objeto de facilitar la formación de un producto, o bien, para colocar los constituyentes químicos en una proximidad adecuada para que las reacciones se produzcan. Las enzimas permiten que estas reacciones químicas ocurran en temperatura y presiones favorables para la vida. Todas las enzimas son proteínas, o lo que es lo mismo, polímeros de aminoácidos, pero no todas las proteínas son enzimas. La forma más sencilla de describir una reacción catalizada por enzimas es: S E ES E P 31 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 El sustrato (S) y la enzima ¿Cómo se combinan para formar un complejo de enzima y sustrato (ES)?. Un sustrato se transforma para liberar un producto (P) y la enzima, que puede ser utilizada para catalizar reacciones adicionales. La interacción entre enzima y sustrato puede ser algunas veces bastante especifica, ocasionada por la interacción precisa de los aminoácidos en el punto de actividad de la enzima con los sustratos de dicha enzima (en otras palabra es un cerradura con una sola llave). El papel de dichas enzimas consiste en garantizar que se optimice estas interacciones entre el punto de contacto y el sustrato durante la reacción. Un cambio o mutación producida por un solo aminoácido pude tener consecuencias para la actividad enzimática. De qué están hechas las enzimas?. Están hechas de aminoácidos unidos entre sí por enlaces peptídicos. Algunas enzimas requieren también la presencia de coenzimas, o cofactores para funcionar. La estructura básica de un aminoácido consiste en un grupo amino, un grupo carboxilo y una cadena lateral distintiva (figura 1.6) http://www.ehu.es/ ipolares as/ENZ/ENZ1.htm#a Los aminoácidos se clasificas en 6 grupos; Neutros, secundarios y los que contienen azufre (cuadro 1.4). Aromáticos, ácidos, básicos, Cuadro1. 4. Clasificación de aminoácidos. Alanina 6.02 Isoleucina 6.02 Valina 5.97 Serina 5.68 Leucina 5.98 Glicina 5.97 Glutamina 5.6 Treonina 6.53 Aromáticos Fenilalanina 5.48 Glutamina 5.65 Asparagina 5.4 Ácidos Aspártico Glutámico Básicos Arginina 10.7 Lisina 9.7 Secundarios Prolina Hidroxiprolina Con Azufre Cisterna Metionina Neutros Histidina 5.75 Figura 1.6 - Estructura de las Enzimas. +OH - +H- NH2 – Grupo Amina COO- Grupo Carboxilo. R- Cadena Lateral. 32 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los aminoácidos son moléculas bipolares, lo que significa que pueden cargase, dependiendo el pH del ambiente. El punto Isoeléctrico (pI) o punto de carga cero, es el pH en que los aminoácidos no tienen carga o es neutro. El P de estos aminoácidos es el número que los acompaña en la tabla 1.4. Si el pH del ambiente es inferior la carga general de los aminoácidos es positiva y el pH es superior al pI, la carga general de los aminoácidos es negativa. Esto implica que las proteínas de las paredes celulares de los microorganismos tienen una carga negativa neta general que se corresponde con el pH de la mayor parte de los ambientes del suelo. Lección 9. Conformación y estructura de las enzimas. La función de las enzimas depende de su estructura primaria, secundaria terciaria y cuaternaria, que dependen a su vez de su pH y la temperatura. La estructura primaria es una secuencia de aminoácidos. La estructura secundaria es la disposición de las cadenas de aminoácidos en forma de trama de láminas alineadas o hélices. La estructura terciaria es la unión intermolecular o entre cadenas de aminoácidos generada por los enlaces de hidrogeno y azufre-azufre. Si se añaden compuestos reductores a las enzimas (donadores de electrones), se las desnaturaliza o desdobla, puesto que rompen los vínculos entre las cadenas que mantienen las enzimas plagadas. La estructura cuaternaria es la orientación específica de las subunidades enzimáticos múltiples en agregados enzimáticos más complejos. Clases de Enzimas. Por las reacciones biológicas contienen 6 grandes grupos: Oxidoreductasas, transferasa, hidrolasas, liasas, isomerasas, y ligasas (figura 1.7) (Mandelstam y Cols, 1982) Oxireductasas. Son enzimas que oxidan un sustrato, eliminando un par de electrones y los átomos de hidrogeno acompañantes. Los electrones deben dirigirse a alguna parte o, de lo contrario, la enzima estaría permanentemente reducida, de manera que son transferidos a otros tipos de compuestos que, a su vez, se reducen, ejemplo de la reacció, XH2+Y ____ X+YH2. La catalasa es un buen ejemplo de oxidoreductasa, 2H20 catalasa 02+2H20. En la respiración aeróbica, los electrones son transferidos de un portador a otro a través de la oxido reductasa, mediante una serie de pasos que implican oxidación y reducción y que finalmente se reducen el 02 a H20 en los organismos aerobios. Figura 1.7. Clasificación de Enzimas 33 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Oxidorreductasas Enzimas Por el tipo de sustrato catalizan Enzimas Por el tipo de reacción catalizan Clasificación Transferasas Hidrolasas Liasas Isomerasas Ligasas Tipo de reacción catalizada Proteasas Celulasa Amilasas Glucosa oxidasa Hemicelulasas Pectoliticas Tipo de sustrato Existen muchas clases de transferasas.las transacetilasas transfieren los grupos de acetilo (CH3COOH); las transaminasas, los grupos amino (NH2); las trnsmetilasas, los grupos metilo (CH3); las transglicosidasas, grupos de azucares, y las cinasas, grupos de fosfatos (PO43-). El grupo transferido puede ser transportado por una coenzima A, CoA- SH. Las hidrolasas rompen las moléculas añadiendo agua a los enlaces. Entre las hidrolasas se incluye las esterasas, las glicosidasas, las lipasas, las peptidasas, las fosfatasas, y la ureasa. La liasas también dividen las moléculas, entre ellas cabe destacar las descarboxilasas, las desaminasas y las aldolasas. Las Isomerasas reordenan los átomos de las moléculas; ejemplo, una de las enzimas clave en el metabolismo de la glucosa de los microorganismos es catalizada por la triosafosfato isomerasa. Las ligasas o sintasas sintetizan o reparan las moléculas. La glutamina sintetasa también cataliza un paso esencial en la asimilación del N inorgánico en las células microbianas. Enzimas en el entorno del suelo. Los procesos que tienen lugar en el ambiente (mineralización, inmovilización, fijación del N, etc.) requieren de as reacciones enzimáticas. Existen muchas enzimas en el suelo (figura 1.8). Oxidoreductasa tales como la urato-oxidasa y el monofenol monoginasa catalizan la oxidación y la reducción de sustratos como el ácido úrico, la cloranilina y el catecol, respectivamente. Estas reacciones son importantes a la hora de descomponer desechos orgánicos en el suelo. 34 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Hidrolasas como la fosfatasa alcalina y ácida liberan fósforo inorgánico de compuestos de fósforo orgánico, lo que resulta importante en la nutrición de las plantas y microbios. Otras hidrolasas como la amilasa y la celulasa hidrolizan enlaces entre polímeros como el almidón y la celulosa y ponen los azúcares a disposición del crecimiento microbiano. Las peptidasas rompen los enlaces peptídicos, mientras que las proteinasas descomponen proteínas complejas como la caseína y la gelatina en aminoácidos que los microorganismos pueden utilizar como fuente de carbono y nitrógeno (Tabatabai y Fung, 1992). Las enzimas se asocian a células vivas, pueden estar ligadas a la pared celular o ser extracelulares por lo cual pueden estar asociadas a células vivas o muertas. Por otra parte se pueden encontrar en sustratos en medio de una reacción enzimática. Se las puede inmovilizar en minerales del suelo o en la materia orgánica, o bien, polimerizar en materia orgánica. La enzima en sí misma produce un efecto sobre los enlaces que dependen se su masa, su punto isoeléctrico, sus puntos de enlace potenciales, su solubilidad y concentración. Estos factores reciben la influencia del pH del suelo. La actividad enzimática varía según las características del suelo. Esta actividad cambia cuando las enzimas son adsorbidas por el suelo por ejemplo, el K m de la fosfatasa alcalina aumenta o disminuye cuando es adsorbida por una serie de minerales arcillosos, lo que significa que requiere más sustrato para alcanzar la mitad de la velocidad de reacción máxima. Enzimas extracelulares. He aquí un enigma: ¿Cómo obtienen los microorganismos sus nutrientes cuando la mayor parte de las fuentes de carbono orgánico son polímetros y estos son demasiado grandes para ser difundidos a través de la membrana celular? ¿De que manera adquiere un organismo su alimento y cuáles son los mecanismos para detectarlo y obtenerlo? Las enzimas extracelulares como la celulasa pueden ser excretadas en el ambiente por los microorganismos para descomponer polímetros grandes en subunidades más manejables. Por ejemplo los microorganismos excretan pocas unidades de enzimas extracelulares. A veces se recogen unas unidades, inductores que indican que existe una fuente cercana de alimento. Un inductor es un compuesto que estimula la síntesis de enzimas adicionales. (como ejemplo, si nuestro olfato percibe el olor a pastel y nos gusta, probablemente nos induce a comer un pedazo). Figura 1.8. Enzimas del suelo. 35 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Fuente: Los autores Desafortunadamente para este propósito, las enzimas extracelulares se pueden desactivar al ser adsorbidas por el suelo, si bien todos los suelos presentan el mismo efecto desactivan en la misma medida. Las enzimas extracelulares también pueden ser desnaturalizadas por factores físicos y químicos y servir como sustratos de crecimiento para otros microorganismos. Después de todo, una enzima es una proteína. Entonces, ¿Cómo pueden los microorganismos obtener el mensaje de que el alimento está presente, sin perder tiempo fabricando enzimas extracelulares? Pueden usar enzimas procedentes de las células muertas o empezar a formar sus propias enzimas extracelulares sólo después de que haya sido obtenido un número suficiente de inductores (figura 1.9). Por otra parte también puede producirse una segmentación no biológica de polímetros en el suelo, liberándose inductores. Figura 1.9. Inducción Enzimática. Inducción Enzimática Potencial Genético , Temperatura – PH – ( ) del sustrato y de la enzima Necesidad Metabólica. Enzimas Intracelulares - endoenzimas Extracelulares - exoezimas Reacciones Catabólicas y de biosíntesis Propician cambios en el sustrato para permitir la entrada a la célula - Alimento 36 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Fuente: Adaptacion por lo autores Resumen. Las enzimas son proteínas (catalizadores orgánicos) que catalizan la transformación de sustancias inorgánicas y orgánicas sin experimentar cambios en si mismas. Están constituidas por aminoácidos unidos entre si por enlaces peptídicos. La función de las enzimas depende de u estructura, sea esta primaria, secundaria, terciaria, o cuaternaria, el cual depende a su vez del pH y la temperatura. Las reacciones biológicas utilizan 6 clases de actividades enzimáticos principales,(Oxidoreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas, y ligasas). La mayor parte de las actividades enzimáticos tiene lugar a velocidad constante y no varia de acuerdo con la concentración del sustrato o bien se producen a una velocidad proporcional a la concentración del sustrato. Esto puede describirse matemáticamente mediante la ecuación de Michaaelis- Menten. Las enzimas están asociadas a las células vivas en el citoplasma y en el periplasma, pueden estar ligadas a la pared celular y pueden ser extracelulares, estar unidas a células vivas o muertas. Por otra parte, se pueden asociar con sustratos, se las puede inmovilizar en arcilla o en humus. Las enzimas extracelulares pueden ser excretadas en el ambiente para descomponer polímeros grandes en subunidades más pequeña para su adsorción. Lección 10. La microbiología del suelo en la era de la biología molecular. La aplicación de técnicas de biología molecular al estudio de la microbiología del suelo ha representado un gran avance en el conocimiento de estos ecosistemas. El reconocimiento de la presencia de una gran diversidad de microorganismos en suelos, que resultaban totalmente desconocidos porque no se habían obtenido en cultivos de laboratorio, es sólo el comienzo de una nueva era en la microbiología molecular de suelos. El gran reto actual es determinar el papel funcional de los diferentes microorganismos que constituyen las comunidades edáficas. La integración de técnicas de estudio de la microbiología más tradicional, junto con metodologías moleculares, incluyendo los avances que suponen las técnicas de genómica y metagenómica sin duda contribuirá a un mejor conocimiento del funcionamiento de las comunidades microbianas del suelo. La microbiología del suelo en la era de la biología molecular: descubriendo la punta del iceberg. http://www.revistaecosistemas.net/pdfs/116.pdf Los microorganismos representan las formas de vida más abundantes en el planeta y así, la mayor proporción de diversidad genética. Se encuentran en todas las regiones y rincones del planeta (ubicuidad). Su presencia es fundamental para la salud y funcionamiento de todos los ecosistemas. Son responsables de las transformaciones 37 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 fundamentales en los ciclos biogeoquímicos (ver capítulo anterior), reciclan materia orgánica (de ahí que el planeta no sea un basurero), degradan xenobiontes, fijan nitrógeno atmosférico (labor indispensable para considerar las rotaciones de cultivos), producen gases relacionados con el efecto invernadero, otros viven en estrecha relación con el hombre, participando en las labores agrícolas, en la elaboración de alimentos y medicinas, intervienen en la aparición y manejo de enfermedades de los animales y las plantas. Esta capacidad de los microorganismos se debe a su gran versatilidad bioquímica basada en el desarrollo de reacciones de oxidación, reducción, inmovilización, precipitación sobre los elementos componentes o metabolismo y de manera directa o indirecta gobiernan todos y cada uno de los procesos del planeta. Los procesos bioquímicos se definen en función de las comunidades microbianas, clave del funcionamiento de la tierra como hábitat para las plantas, animales y el hombre. Sin embargo todas las relaciones de las comunidades y las actividades bioquímicas desarrolladas por los microorganismos son aún poco conocidas dificultando la comprensión de los mecanismos que regulan dichas comunidades. La diversidad microbiana1 (organizada en diferentes condiciones ambientales) juega un papel fundamental en el mantenimiento de un ambiente sano y equilibrado para que plantas y otros organismos (incluyendo al hombre) puedan llevar a cabo sus actividades de crecimiento y desarrollo. Así, las comunidades microbianas pueden ser utilizadas como indicadoras de calidad ambiental. Sin embargo, como la gran mayoría de los microorganismos no pueden ser cultivados en condiciones de laboratorio, su identificación y función en los ecosistemas puede ser posible gracias a la utilización de técnicas avanzadas de biología molecular asociada a técnicas de bioinformática y ecoinformática para análisis de grandes bancos de datos. Siendo específicos para el caso del suelo, se ha estimado que hacia la década de los 80s se conocía el 1% de la diversidad microbiana, sin embargo hoy se cree que se conoce tan solo el 0.1% de ésta. En el presente capítulo se desarrollará el tema de diversidad microbiana, las técnicas de estudio y las perspectivas hacia futuro con énfasis en la existencia de la mayor diversidad genética del planeta, el suelo. Diversidad Microbiana Del Suelo. Desde el punto de vista genético, cada secuencia de ADN es única e irremplazable, de ahí que la intervención del hombre y cada uno de las relaciones entre microorganismos y entre éstos con las plantas y el ambiente son fundamentales para el desarrollo de los procesos que rigen la vida sobre el planeta. De ahí que la desaparición de cualquier especie microbiana (así como cualquier otra) 1 Variedad y variabilidad de todas las formas de vida microbiana, el complejo ecológico en el que están presentes y los procesos de los que forman parte (Atlas, 1984; Olembo, 1991; Olalde y Aguilera, 1998). Número de diferentes especies en una comunidad en un ambiente específico (Rodríguez, 2005). 38 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 implica la pérdida irreversible de un conjunto único de información y de funciones (Rodríguez et al.,2005; Portugal y Aguilera, 1998). Como se mencionó con anterioridad, la comunidad microbiana del suelo esta constituida por los representantes de tres dominios: Bacteria, Archaea y Eucarya, siendo los procariotas (dominios Bacteria y Archaea) los representantes de la mayor biota de la tierra. El número de células procariotas es de 4 – 6x1030 y su biomasa puede estar entre 350 y 550x109 t de C que comparado con el C contenido en la biomasa vegetal, puede representar entre el 60 y el 100% de la misma (Rodríguez et al., 2005; Whitman et al., 1998). Además, la biomasa de los procariotas puede contener 108x109 t de N, y 12x109 t de P representando el mayor contenido de estos nutrientes en organismos vivos. Según Whitman (1998) el 2% de los procariotas se encuentran en el agua oceánica, 4,5 al 6,5% en el suelo y el resto en sub-superficie (debajo de 8 metros en ambientes terrestres y a 10 cm. en sedimentos marinos). Los microorganismos juegan papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos (ver capítulo anterior), de los que muchos aspectos poco se conocen, sin embargo hoy se conocen los mecanismos que controlan cada ciclo. Una alteración en la estructura o actividad microbiana puede tener efectos significativos sobre la estabilidad, funcionamiento y calidad de los ecosistemas terrestres. Por tal razón es fundamental caracterizar la diversidad microbiana de los suelos, lo cual es importante para (Ovreas, 2000): Incrementar el conocimiento de fuentes de diversidad genética en una comunidad. Entender los patrones de distribución de los microorganismos. Incrementar el conocimiento del papel funcional de dicha diversidad. Identificar diferencias en diversidad debida a disturbios causados por prácticas de manejo. Entender la regulación de la biodiversidad. Entender el papel de la biodiversidad en el funcionamiento y la sostenibilidad de ecosistemas. Desde la ecología molecular, biodiversidad se puede definir como el número de secuencias de DNA divergentes presentes en el DNA total extraído de una comunidad, para un ambiente específico (Garbeva et al., 2004). Así, el término estructura de la comunidad microbiana implica la existencia de informaciones sobre el número de individuos de los diferentes taxones y su distribución relativa en la comunidad. Ahora aunque no existe consenso en la definición de especie2 microbiana, se han definido Unidades Taxonómicas Operacionales (UTOs) con base a características específicas utilizadas para describir y comparar poblaciones y comunidades microbianas (Rodríguez et al, 2005; Rosselo-Mora & Amann, 2001). 2 Agrupamiento monofilético y genomicamente coherente de organismos individuales que presentan alto grado de similaridad en varias características independientes, que pueden ser diagnosticados a través de una característica fenotípica discriminativa. 39 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Gracias al desarrollo de las técnicas de clasificación de microorganismos con base a secuencias de nucleótidos de RNAr, el número de especies descritas se ha incrementado enormemente. En 1985 se conocía la existencia de 11 tipos bacterianos. Hoy, después de dos décadas se reconocen 53 tipos (figura 1.10). En el año 2004 se cultivaron y describieron cerca de 6950 especies diferentes de las cuales el 96% pertenecen al dominio Bacteria y el 4% restante al dominio Archaea (Rappe & Giovannoni, 2003): http://www.dsmz.de/bactnom/bactname.htm). Figura 1.10. Evolución en el conocimiento de phyllum bacterianos Es de resaltar que el genoma de la comunidad de procariotas por medio de cultivo in vitro es menor al equivalente a 40 genomas de E. coli. Los suelos agrícolas no perturbados pueden contener hasta 10.000 genomas de E. coli y aquellos contaminados con mentales pesados 350 a 1500 genomas. Esto hace pensar que con los nuevos avances en biología molecular, los tipos de microorganismos podrían aumentar en los próximos años. Hoy se estima que la diversidad de bacterias del suelo puede estar entre 6400 y 38000 especies por gramo de suelo (Curtis et al., 2002). Así, la mayor parte de la comunidad de procariotas del suelo esta compuesta por organismos que no se pueden cultivar o son de difícil cultivo en los medios tradicionalmente utilizados. Se estima que sólo el 0.5 al 1% de los procariotas del suelo pueden cultivarse utilizando los medios tradicionales, dificultando la estimación de su diversidad (Torsvik et al., 1990). En cuanto a los hongos, se conocen 74.000 especies, pero se estima que puede llegar a 1.500.000 (Hawsworth, 2001). En los últimos tiempos muchos estudios se han centrado en la variación de la diversidad de los microorganismos en el suelo y su papel en el funcionamiento de los ecosistemas. De manera general se constata que la organización y funcionamiento de las comunidades microbianas gobiernan las transformaciones bioquímicas que ocurren en el suelo. Las actividades de los microorganismos son esenciales para el ciclaje de la 40 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 materia orgánica, formación del humus y la fijación biológica del N 2, entre otros procesos los cuales intervienen en la disponibilidad de nutrientes para las plantas, la acumulación de elementos tóxicos en el suelo, el el incremento o descenso de gases de efecto invernadero en la atmósfera y de muchos atributos físicos de los suelos. El estudio de la diversidad microbiana es esencial para la definición de estrategias para su preservación y para el desarrollo de indicadores de calidad y/o de alteraciones ambientales asociadas a disturbios, como la presencia de contaminantes o la utilización e sistemas agrícolas no sustentables (Rodríguez et al., 2005). Por otro lado, su conocimiento puede ayudar a descubrir genes que codifican enzimas de interés biotecnológico. Uno de los primeros pasos para la caracterización de un ecosistema, es la descripción de los organismos que lo habitan, estimando la diversidad de las comunidades en relación a las funciones que realicen y la estabilidad del ecosistema (Valinsky et al., 2002). La diversidad genética de los microorganismos y su relación con los procesos biogeoquímicos definen la diversidad funcional de los ecosistemas (Rodríguez et al., 2005). Las nuevas técnicas de biología molecular aplicadas al estudio de la ecología microbiana han revelado la existencia de una gran diversidad no caracterizada en diferentes ambientes. Las granes cantidades de información de secuencias de ADN y herramientas de análisis de datos disponibles han acelerado el desarrollo de nuevos métodos para comparar la diversidad microbiana en diferentes ambientes y así ser asociada a diferentes atributos edáficos. Con estas limitaciones resueltas es posible utilizar la diversidad microbiana como un indicador biológico de calidad de suelos y como indicador de impactos frente a su manejo. Métodos De Estudio De La Diversidad Microbiana Del Suelo. Hasta hace poco, la mayoría de los métodos para el estudio de la diversidad microbiana del suelo se valía del crecimiento del microorganismo en un medio selectivo. Hoy, se utiliza una gran variedad de métodos sin necesidad de cultivos. Métodos dependientes de cultivo. Aislamiento En Medios De Cultivo. La caracterización de la diversidad microbiana de suelos se ha realizado con base al aislamiento de los microorganismos en medios de cultivo con diferentes grados de selectividad (figura 1.11). Este método es rápido y económico y proporciona información sobre grupos de microorganismos cultivables en una muestra de suelo. Por lo anteriormente descrito, este método permite el crecimiento rápido y la selección de especies dependiendo del medio de cultivo, la concentración de nutrientes y las condiciones aeróbicas, presentes en el mismo. Como limitaciones se puede citar la dificultad de excluir microorganismos no deseados, la selectividad del medio, las condiciones óptimas de crecimiento (que favorecen a ciertos organismos y a otros los desfavorece) y las interacciones negativas entre las colonias obtenidas. Así, con estos métodos se sub o sobreestima la abundancia de grupos representativos dificultando la estimación de la estructura de la comunidad microbiana. 41 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Figura 1.11. Medio de cultivo de microorganismos empleado in vitro. Fuente: http://www.qb.fcen.uba.ar/microinmuno/SeminarioMedios.htm Perfil Fisiológico De Comunidades Bacterianas (Biolog). Este método esta determinado por la capacidad de las comunidades para utilizar diferentes fuentes de C in vitro. Dicho en otras palabras, estima la capacidad metabólica de las comunidades, lo que es consecuencia de la diversidad genética, de los efectos ambientales, de la expresión genética y de las interacciones ecológicas entre las diferentes poblaciones microbianas. El principio del método es muy simple: El medio de cultivo con unas cavidades en la microplaca que contiene tetrazolio es inoculado con una suspensión de microorganismos de una muestra de suelo y las microplacas son incubadas en condiciones controladas de temperatura por periodos variables de tiempo. La actividad microbiana es monitoreada por la reducción de tetrazolio por medio de espectrofotometría a 590 nm. Entre las limitaciones del método están: se favorece a células bacterianas heterotróficas aeróbicas y anaeróbicas facultativas de rápido crecimiento, se inhibe el crecimiento de hongos por parte del tetrazolio y el medio es muy sensible a la densidad de inóculo y refleja la diversidad metabólica potencial y no la existente in situ (Garland & Mills, 1991). Métodos Independientes De Cultivo. Las evidencias sobre la existencia de una vasta diversidad microbiana aún sin investigar, han estimulado el desarrollo de nuevas metodologías para su estudio sin la necesidad de cultivos previos. Los métodos actuales exploran las características del RNAr y la composición de los ácidos grasos de las membranas celulares. Estos métodos, junto a los avances en bioinformática y los métodos de análisis estadísticos (biometría), son herramientas cada vez más promisorias para estudios que requieran de la caracterización de la diversidad microbiana y de cómo las comunidades están organizadas en diferentes ambientes. Entre las metodologías utilizadas para la caracterización de la diversidad microbiana se pueden citar: 42 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 PLFA (Phospholipids Fatty Acid). Análisis de ácidos grasos de fosfolípidos). FAME (Fatty Acid Methyl Ester), Analisis de esteres metílicos de ácidos grasos. http://www.apag.org/issues/methyl.htm, http://soil.scijournals.org/cgi/reprint/64/5/1659.pdf, PCR-DGGE (Polimerase Chain Reaction-Denaturing Gradient Gel Electrophoresis). Reacción en cadena de la polimerasa – electroforesis en gel con gradiente denaturante. http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_en_cadena_de_la_polimerasa, http://www.arrakis.es/~ibrabida/vigpcr.html, http://es.wikipedia.org/wiki/Electroforesis_en_gel_con_gradiente_de_desnaturalizaci%C3%B 3n, SSCP (Single Strand Conformation Polymorphism). Polimorfismo de conformación de cadena simple). ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analices). Análisis de restricción de rDNA amplificado. T-RFLP (Terminal-Restriction Fragment Lenght Polymorphism), Polimorfismo terminal de la longitud de fragmentos de restricción. http://www.hpl.umces.edu/faculty/bcrump/TRFLP.pdf, http://www-afac.slu.se/PhDcourse/t_rflp.pdf RISA (Ribosomal Intergenic Spacer Analysis). Análisis de espaciadores intergénicos ribosomales. SARST (Serial Analyses of Ribosomal Sequence Tags). Análisis en serie de etiquetas de secuencias ribosomales. http://www.microbiology.ubc.ca/354.0.html Secuenciamento de clones de rDNA Hibridización en microarreglos (“GeneChips”). http://www.genechips.com/GeneChips.html#What Se recomienda las lecturas vinculadas para mejor comprensión de la biología molecular y para profundización en el caso de aquellas personas que deseen introducirse en este mundo fascinante. Factores Determinantes De La Diversidad Y Estructura Microbiana. El Suelo es un sistema complejo con una gran cantidad de micro-hábitat caracterizados por propiedades físicas, químicas y biológicas propias y únicas. Dichas propiedades presentan gran variabilidad espacial y temporal que dificultan la definición de muestreos representativos para el estudio del sistema. La estructura del suelo parece jugar papel fundamental en la organización de las comunidades microbianas. Se ha determinado que más del 80% de las bacterias se localizan en microporos de micro-agregados estables. Esta estructura puede variar también en función de la fracción granulométrica a la que los microorganismos se asocian, siendo las fracciones limo y arcilla las fracciones a las que en mayor proporción se asocian las bacterias. (Rodríguez et al., 2005; Torsvik, 2002). Por otro lado, se ha comprobado que suelos semejantes presentan similaridad en las comunidades microbianas, por lo que el tipo de suelo puede determinar la actividad y funciones ecológicas de los microorganismos. La cantidad y calidad de materia orgánica afectan considerablemente la diversidad microbiana y la estructura de sus comunidades. El estado nutricional del suelo puede alterar tanto la diversidad como la estructura, siendo las proteobacterias habitantes habituales en suelos con alta 43 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 disponibilidad de de nutrientes por lo que son indicadoras de altos contenidos de materia orgánica y las acidobacterias en suelos con bajas concentraciones de nutrientes y altas de moléculas recalcitrantes, indicando suelos diazotróficos (Rodríguez et al., 2005; McCaig et al., 2002; Smith et al., 2001). La humedad del suelo y la profundidad del perfil influencian significativamente de la distribución de los microorganismos, siendo la sub-superficie con alto grado de saturación, donde se presenta alto grado de dominancia de comunidad bacteriana. El contenido de C, igualmente determina la distribución y estructura de la comunidad. Las comunidades microbianas responden en forma diferencial a factores como difusión de gases, temperatura, pH, textura, mineralogía, concentración de nutrientes, cantidad y calidad de materia orgánica, vegetación y las interferencias antrópicas entre otras. La combinación de todos estos factores resulta en infinitas condiciones ambientales que direccional el proceso de selección y sucesión de poblaciones contribuyendo a la definición de la diversidad genética y funcional. Las diferentes actividades humanas afectan el funcionamiento de los ecosistemas al reducir la biodiversidad, resultando en desequilibrios ecológicos con efectos imprevisibles y la extinción de especies esenciales para la sostenibilidad ecosistémica. CAPITULO 3. LOS ORGANISMOS DEL SUELO. Fuente. http://www.sagan-gea.org/hojaredsuelo/paginas/10hoja.html 44 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 3.1 Introducción. El suelo es un sistema dinámico que contiene organismos vivos, encargados de llevar a cabo diferentes procesos con notable influencia en las propiedades químicas, físicas y biológicas del mismo. Además intervienen en los procesos de formación, estructuración, almacenamiento de agua, intercambio gaseoso, suministro de nutrientes, reacción del suelo (pH) y en la capacidad de intercambio catiónico. En este capítulo estudiaremos los principales grupos de organismos que habitan en el suelo y algunos de sus efectos. 3.2. Logros. Con el estudio de este capítulo usted: Establece la importancia de los organismos del suelo en los procesos que rigen la disponibilidad de agua, aire y nutrientes en el entorno suelo. Determina y reconoce los principales grupos de organismos del suelo. Lección. 11. Mundo animal. Los animales que afectan el suelo constituyen una comunidad biótica que por parte de los pedólogos no ha recibido suficiente atención. Los primeros trabajos sobre animales del suelo los realizo Gilbert White 1720 y Charles Darwin 1809 los cuales evidenciaron el efecto de algunos animales (lombrices) sobre la fertilidad y la estructura del suelo (Hole, 1981). Casi todos los organismos que habitan el suelo (vegetales- animales) modifican su composición, estructura y funcionamiento. Los animales ayudan a diseminar, buscar y transportar reservas orgánicas para la activación de los microorganismos y estos, a su vez, transforman complejos orgánicos en moléculas asimilables y de gran valor para la meso y la macrofauna edáfica (Lavelle, 1985). Las asociaciones entre microorganismos, mesóorganismos y macroorganismos varían de acuerdo al sustrato, a sus entradas y salidas energéticas como sistema abierto y el uso del mismo. La función de los organismos (nicho ecológico) que habitan los diferentes horizontes del suelo se determina conociendo su clasificación taxonómica, su estado de desarrollo, su ubicación en el perfil del suelo y sus requerimientos alimenticios (Castillo y Amat, 1986). La taxonómica según infante 1987 permite determinar caracteres de tipo evolutivo, morfológico y adaptativo y contribuye además a la elaboración de inventarios, censos y comparaciones biogeográficas de poblaciones y comunidades. Los componentes bióticos del suelo constituyen una comunidad organizada entre productores, consumidores y descomponedores, el tamaño de sus poblaciones depende del espacio disponible, del alimento, y de las condiciones climáticas y físicas 45 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 del sustrato, lo que gobierna la tasa de crecimiento. La duración del ciclo de vida y la actividad que desarrollen las poblaciones (Schaller, 1968 citado por Bonilla, 1998). La comunidad biológica del suelo está generalmente conformada por una gran diversidad de organismos los que se pueden clasifica: protistos (microflora y microfauna) y organismos del phyllum Artrópoda, Annélida y Mollusca. La mayor parte de estas comunidades ocupa hábitat como bosques, selvas praderas o sistemas poco intervenidos que garanticen su supervivencia. Los microorganismos, representados por bacterias, hongos, actinomiceto, algas y protozoarios, actúan como descomponedores primarios de la materia orgánica y contribuyen a la formación del humus. Los mesoorganismos están dominados por artrópodos, muchos de ellos como los collémbolos y los ácaros cumplen funciones importantes en cuanto al desarrollo del suelo y al mantenimiento de su fertilidad (Newman, 1988). Entre los invertebrados podemos encontrar individuos pertenecientes a las Clases de los Nematodos, Anélidos, Artrópodos y Moluscos, como más frecuentes. Nematodos, Anélidos, Artrópodos, Moluscos Lección 12. Mesofauna. Este grupo lo constituyen animales denominados endopedónicos que viven dentro del suelo, estos tienen características especiales como son su limitada movilidad, su reducción visual, respiración a través de la piel, incremento en el desarrollo de órganos táctiles, baja resistencia a la desecación y tamaño relativamente pequeño entre otros (Hole, 1981). Lavelle (1985), propuso otra clasificación dependiendo del sitio de localización en el perfil del suelo y su forma de alimentación (cuadro 1.5). Esta clasificación se refiere a las categorías ecológicas o funcionales de los animales del suelo y son: epigeos, los animales que habitan en el horizonte orgánico y se alimentan de él, anémicos se alimentan de la materia orgánica pero habitan los horizontes minerales más profundos y los endógenos que se establecen en horizontes intermedios y se alimentan de materia orgánica. Cuadro 1.5. Clasificación animales endopedónicos Las comunidades faunísticas son muy complejas en los micro y macro hábitat coexisten una gran variedad de animales con una mínima competencia (Wallwork, 1976; Phillipan et al, 1976, citados por Bonilla, 1998). Los limites funcionales entre la fauna del suelo están creados por la bioquímica del suelo, la secuencia climática y las relaciones entre predator-presa, parásito. Hospedero y enfermedad- huésped. 46 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La importancia agrícola de la mesofauna radica en su relación directa con la fertilidad y la estructura del suelo, ejerce una acción benéfica en el drenaje y aireación del suelo, la fauna sirve como auxiliar de la microflora participando en la descomposición de la materia orgánica e indirectamente en el mezclado físico de los residuos de cultivos y hojarasca de tal manera que permite la acción de microorganismos (Alexander, 1980). En resumen se resalta los beneficios de la mesofauna del suelo en el ecosistema (Tate, 1987): 1. 2. 3. 4. 5. Mezcla física de la Materia orgánica dentro del perfil del suelo. Inoculación de poblaciones mineralizadoras con litter de las plantas. Arreglo de las propiedades físicas del suelo. Metabolismo directo de componentes orgánicos. Estimula poblaciones a través de interacciones las cuales incrementan o disminuyen la actividad a varios niveles tróficos. Tomado de Kevan 1962. Principales grupos de Mesoorganismos: Phyllum Arthropoda. Artrópodos Dentro de los artrópodos cabe distinguir algunos grupos con hábitat y acciones muy diferentes entre sí. La mayoría son trituradores de 47 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 los residuos, papel decisivo en la transformación y mineralización de la materia orgánica, pues el incremento superficial es indispensable para una acción intensa de los microorganismos, como ya vimos en su momento. Si no fuese por estos grupos de animales, la tierra moriría sepultada en sus propios desechos. Vamos a analizar la acción de aquellos grupos cuya importancia es mayor, lo que no significa que no existan otros dentro del complejo ecosistema del suelo. Arácnidos, Malacostráceos (Isópodos), Miriápodos, Insectos Clase Miriápoda. Miriápodos, Ecológicamente los miriápodos del suelo se diferencian en dos grupos, de acuerdo a los patrones alimenticios. Un grupo lo conforman las especies consumidoras de materia vegetal y de hongos (diplópodos, syphylidos y paurópodos) y el otro esta conformado por los depredadores entre los que se encuentran los chilópodos (Florez, 1993). Los diplopódos o milpiés son herbívoros. Participan en los procesos de descomposición de la materia orgánica, reciclaje de nutrientes, mineralización y regulación de las poblaciones de hongos asociadas al suelo; excretan material más fragmentado (aunque con pocos cambios químicos), que aprovechan los microorganismos del suelo. Tienen movimientos lentos. Algunos liberan un líquido de olor desagradable a partir de orificios situados a lo largo del cuerpo (Bonilla, 1998). Los symphylidos y paurópodos pueden alcanzar considerables profundidades en virtud de sus tamaños pequeños y a las constantes migraciones verticales relacionadas con las condiciones de humedad y temperatura del suelo. Los Chilópodos o ciempiés son carnívoros (depredadores). La mayor Parte de su alimento lo constituyen pequeños artrópodos aunque algunas especies se alimentan de vegetales, abundan en la materia orgánica del suelo en la madera en descomposición y en lugares protegidos (U. Javeriana, IMCA y CIPAV, 1994 citados por Bonilla, 1998). Phyllum Arthropoda- Clase Arácnida- Arácnidos. Es un grupo frecuente en la vegetación de la superficie del suelo y en el mantillo (figura 1.12). Esta clase comprende escorpiones, arañas, pseudoescorpiones, opiones y ácaros La clase arácnida es el mayor grupo predator de la comunidad bioedáfica; atacan insectos, arácnidos, miriápodos, y pequeños vertebrados (Riechert y Harp, 1987). Figura 1.12. Arácnidos 48 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Insectos, Pueden reducir de forma rápida, importantes niveles de hojarasca en auténticas papillas vegetales. Isópteros, Colémbolos y Otros. Phyllum Arthropoda- clase Insecta- orden Collembola. Colémbolos Son los más abundantes se encuentran en la hojarasca en descomposición (figura 1.13) se encuentran hervideros y carnívoros (Borror et al, 1989). Figura 1.13. Phyllum Arthropoda- clase Insecta- Debido a su gran abundancia, y a sus diferentes hábitos juegan un papel muy importante en la descomposición, de los residuos orgánicos facilitando así el incremento y distribución de la microflor (IGAC, 1995). 49 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Phyllum Arthropoda- clase Insecta- orden Hymenoptera. Este orden comprende las hormigas, las avispas y las abejas. Las hormigas se adaptan con gran facilidad a las condiciones edáficas y de microclima, además debido a sus hábitos alimenticios, las hormigas son reguladoras importantes del flujo de energía en los sistemas que habitan, Las abejas y las avispas son de hábitos alimentarios tipo parásito, las Hormigas y las termitas construyen nidos subterráneos en el suelo y tienen muchos aspectos en común transportan partículas de arena, limo y arcilla desde horizontes subsuperficiales hasta la superficie (IGAC; 1995). Phyllum Arthropoda- clase Insecta- orden Coleóptera. Es el orden más abundante de la clase insecta y uno de los más abundantes del suelo, tienen diferentes hábitos alimenticios, fitófagos, predatores y saprófagos (Borror et al.,1989). La mayor importancia pedobiológica de los coleópteros se atribuyen a sus estados inmaduros, aunque los adultos también desempeñan un papel muy importante, especialmente los coprófagos que participan en la descomposición del estiércol y su posterior incorporación al suelo. Olechowicz 1977, citado por IGAC 1995)La construcción de crotovinas por dichos organismos incorpora materia orgánica en los horizontes interiores además los materiales excretados por los escarabajos aumentan los niveles de fósforo y potasio aprovechables en la relación suelo-planta (Panzón 1976) Phyllum Arthropoda- clase Insecta- orden Díptera. Desarrollan hábitos alimenticios variables. Las larvas coprofagas juegan un papel importante en la descomposición y reciclaje de la materia orgánica; estas larvas pueden liberar hasta el 75% de la energía contenida en su alimento (IGAG 1995). Phyllum Arthropoda- clase Crustacea- orden Isopodos. Malacostráceos (Isópodos). Estos organismos son predominantemente saprofitos o fitófagos, pero se desconoce su importancia en la descomposición de la materia orgánica y en la interacción en la estructura del suelo aunque su intestino puede ser un medio favorable para la humificación de los residuos vegetales (figura 1.14). Pueden ser minadores muy activos durante el verano en suelos semidesérticos, es decir en el periodo en el que las lombrices de tierra están en reposo. Figura 1.14. Isópodo 50 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Phyllum Arthropoda- clase Oligochera- orden Lombrices de tierra. A esta clase pertenecen las lombrices de tierra que son sin duda, los animales más estudiados del suelo por el marcado efecto que ejercen sobre propiedades tales como la estructura, la porosidad, la densidad aparente u el contenido de calcio y de materia orgánica. Las lombrices de tierra son los principales agentes que propician la mezcla de los residuos superficiales muertos con la masa superficial del suelo. Llevan a sus galerías hojas y otros restos, haciéndolos de este modo más accesible al ataque de microorganismos. (Rusell y Russell, 1968). Los anélidos, en general, estimulan la actividad y el metabolismo de la población microbial, lo que incrementa el nivel de nutrientes y los metabolismos disponibles en el suelo. La digestión por parte de las lombrices, induce la fragmentación de los restos orgánicos del suelo debido a la contracción muscular del aparato digestivo. Las lombrices de tierra mejoran la aireación del suelo por dos mecanismos estos son: minan y forman galerías de manera muy extensa, y estas sirven para mejorar el drenaje y la aireación del suelo. Son más activas en las capas superficiales rara vez bajan por debajo de los 20 cm. aunque existen especies que alcanzan profundidades mucho mayor, dejando túneles que sirven de pasadizo para las raíces de las plantas. Los anélidos en general son gusanos cilíndricos, delgados y sin partes externas distinguibles. Su cuerpo está metamerizado, es decir, formado por una serie de anillos semejantes, los metámeros, atravesados por una cadena nerviosa y un tubo digestivo, comunes a todos ellos. Habitan en diferentes medios, si bien los que aparecen en el suelo pertenecen todos a la Clase de los Oligoquetos, que parecen ser los más primitivos del grupo. Los Oligoquetos poseen un pequeño número de quetas dispuestas en cuatro haces por metámero, dos dorsales y dos ventrales. La boca es ventral. Su respiración es cutánea por lo que necesitan mantener la cutícula húmeda, razón por la que no soportan los medios muy secos. Son hermafroditas con reproducción cruzada, aunque también pueden reproducirse de forma asexual. Pueden ser limícolas y terrícolas, que son los de interés edáfico, y dentro de ellos nos referiremos a dos familias: Enquitreidos y Lumbrícidos Phyllum Arthropoda- clase Gasteoropoda Muchos gasterópodos aunque son organismos típicamente acuáticos, y en general marinos, se han adaptado secundariamente a condiciones de vida terrestre (figura 1.15). Entre estos, algunos de los cuales son muy abundantes en la naturaleza, apenas se observan diferencias respecto a las formas marinas, tanto por su aspecto y dimensiones como en su modo de vida. Figura 1.15. Phyllum Arthropoda- clase Gasteoropoda 51 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los dos representantes terrestres de esta clase son las babosas y los caracoles. La mayor parte son fitófagos algunos se alimentan de algas, líquenes y hongos, (Burges y Raw, 1971). La importancia edáfica de estos organismos radica en el aporte que hacen en sus deyecciones de grandes cantidades de restos vegetales desmenuzados, macerados y predigeridos; mediante esta labor ellos impulsan el desarrollo de los ciclos bioedáficos, enriquecen las cadenas alimenticias del sistema e incorporan materia orgánica del suelo. Nemátodos. Los Nemátodos del suelo presentan diferentes hábitos alimenticios; los que viven a expensas de la microflora del suelo y posiblemente de la materia orgánica en descomposición: forman el grupo más numeroso en individuos y especies: los depredadores de la fauna del suelo, incluyendo protozoos, otros nemátodos y oligoquetos; los parásitos de plantas, frecuentemente específicos en sus exigencias alimenticias. La mayoría de los nematodos (figura 1.16) son depredadores de bacteria, algas, protozoos y de otros nematodos, algunos succionan jugos de las raíces de las plantas, y posiblemente de las hifas de los hongos. Muchos investigadores coinciden en que los nematodos del suelo no contribuyen a la descomposición de la materia orgánica, sin embargo esto no significa que no constituyan un nivel trófico de importancia, ya que son una fuente valiosa de alimento para otros miembros de la comunidad edáfica. Figura 1.16. Nematodos. A los nematodos Se les conoce comúnmente como heteroderas o anguílulas. Son pequeños gusanos no segmentados de cuerpo fusiforme. En estado adulto, su tamaño oscila entre 0.5 mm y 1.5 mm de largo, con un diámetro que no pasa de los 30 μm. Se han reconocido alrededor de 10.000 especies de las que solo 2.000 afectan al suelo. La composición de la población del suelo parece que no depende mucho del 52 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 propio suelo o del cultivo a que este sometido. Su población varía. Nielsen y Robertson han encontrado un número de cerca de un millón por metro cuadrado, en suelos de labor, que en peso significa 13 kg.ha-1 mientras que Franz, Nielsen y Stöckli encontraron en suelos de pastos de 2 a 20 millones con un peso de 50 a 200 kg.ha -1. Estos pesos no son muy grandes comparados con los 112-670 kg.ha-1 del resto de la fauna, pero si es notable que su contribución al balance oxígeno-dióxido de carbono es superior a lo que cabria esperar, dado que tienen una intensidad metabólica muy alta. Su hábitat preferido es la zona superficial del suelo y la mayoría se sitúa en los primeros 10 cm del mismo. Al tener una cutícula permeable son muy susceptibles a la deshidratación por lo que no resisten valores de pF inferiores a 3.5 ó 4, si bien pueden mantenerse inactivos pero vivos por debajo de esos valores, pues se han sometido ejemplares de la especie Ditylenchus dipsaci a valores de pF iguales a 6 durante 34 días y al sumergirlos en agua, el 90 % recuperó su actividad. Suelen habitar en los microporos del suelo en las películas liquidas que aparecen en su alrededor, si bien son muy exigentes con el espacio a la hora de multiplicarse. A pesar de su hábitat, son aerobios estrictos y aunque pueden sobrevivir en terrenos encharcados, solo son activos cuando se ha producido el drenaje de los mismos. El espacio y la humedad son los factores críticos de su desarrollo, de modo que solo habitan en los espacios interpedales del suelo, solo pueden penetrar entre las partículas del mismo en los suelos de textura muy gruesa. En suelos arcillosos se restringe su posibilidad de vida a medida que aumenta la profundidad, a 30 cm solo un 5 % del volumen del suelo es habitable para ellos, aumentando hasta el 13 % en la superficie. La mayor parte de las especies se alimentan de plantas, viviendo sobre sus raíces, u otras estructuras subterráneas, de forma ecto o endoparasitaria. Estas especies poseen en la boca lanzas o estiletes que les permiten perforar las células de su huésped, generando problemas difíciles de combatir en muchos cultivos. Algunas especies de Heterodera como la H. schastii, H. major y H. rostochiensis (nematodo dorado de la patata), entre otras, forman quistes llenos de huevos en las raíces de la planta atacada, que pueden permanecer en el suelo hasta más de siete años, eclosionando cuando son estimulados por los exudados de una planta susceptible de ser atacada; pues la mayoría de las especies son muy específicas en lo referente al huésped. Las especies parásitas de plantas, al vivir en los canales radicales de las mismas no presentan las exigencias de espacio y humedad que hemos visto antes. De otra parte, su especificidad haría pensar que la rotación de cultivos sería un buen método de lucha contra ellos, pero la larga pervivencia de sus huevos en el suelo inhabilita a esta técnica de lucha. 53 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La Meloidogine incognita presenta una menor especificidad y es capaz de parasitar a numerosas plantas herbáceas. Las anguílulas, representadas por los géneros Anguillulina, Ditylenchus y Tylenchulus, sueles ser polífagas, aunque algunas son muy específicas de ciertos cereales o de cítricos. Las especies de vida libre suelen alimentarse de bacterias por lo que proliferan sobre plantas muertas y en descomposición, o en otras que presentan heridas causadas por otras plagas o accidentes; estos grupos se consideran como saprófagos. Son el grupo más numeroso en individuos y especies. En otros casos son depredadores que van desde los protozoos hasta otros nematodos. A diferencia de los fitófagos, poseen una armadura dentada alrededor de sus mandíbulas. Las especies con estilete se alimentan de plantas o de otros nematodos y la mayoría de las desprovistas de él lo hacen de bacterias, incluso con una cierta especificidad. Muchas de estas especies pueden utilizar una extensa gama de alimentos, pero algunos, como los dorylainidos mayores, parecen estar restringidos a oligoquetos o a otros grupos específicos de animales. Los nematodos son atacados por algunos hongos a través de hifas pegajosas que los retienen mientras las hifas tróficas penetran en él y se ramifican en el interior del mismo. Se conocen unas 50 especies de hongos que tienen esa capacidad y algunos de ellos son muy frecuentes en los suelos de cultivo, pero ni ellos ni los nematodos caníbales son un arma eficaz contra los parásitos de los cultivos. En los suelos naturales, con una vegetación más diversa, este control natural permite que no se constituyan en una plaga para la vegetación. Actualmente no se dispone de un modo de favorecer el desarrollo de esos enemigos naturales por lo que la lucha biológica no es eficaz. Por ello se ha intentado cambiar las condiciones del suelo con objetos de aumentar el número de depredadores que redujeran a la fauna parásita, pero la alimentación de los depredadores no es selectiva y el proceso no sigue una relación definida. En el suelo, las especies saprófagas realizan una mezcla de los restos orgánicos con los minerales que favorece la transformación de los primeros y la formación de complejos con los segundos; al mismo tiempo realizan una labor minadora que favorece la ventilación del suelo y el intercambio gaseoso con la atmósfera. Las especies bacteriófagas, por su especificidad, ejercen una función de control de la población bacteriana. El papel de los nematodos hay que considerarlo desde dos vertientes. Los parásitos son muy perjudiciales para las cosechas, hasta el punto de poderlas destruir 54 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 totalmente, aparte de por los daños causados por ellos mismos, por las posibles infecciones microbianas o virásicas que pueden facilitar. Desde el punto de vista de su contribución a la génesis del suelo, pueden contribuir a descomponer la materia orgánica, a la mezcla de esta con la parte mineral y parece ser que influyen en la aireación del suelo. Lección 13. Microorganismos. Incluimos en este grupo a los seres microscópicos que habitan en el suelo, no es una clasificación rigurosa desde el punto de vista biológico pues se agrupan individuos pertenecientes a cuatro reinos diferentes: Monera, Protista, Fungi y Plantae. Por su funcionalidad es más útil recurrir a la antigua clasificación de los seres vivos o evitar los reinos; como vimos, este apartado funciona en régimen de república. Vamos a analizar los siguientes grupos: Protozoos, Bacterias, Actinomicetos, Hongos, Algas. Los organismos del suelo incluyen la microflora (Bacterias, hongos, actinomicetos, algas) y la microfauna (protozoos). La mayor densidad microbiana está concentrada en la capa superior del suelo hasta los primeros 10 cm. A medida que se aleja de la superficie el número total de microorganismos disminuye y se modifica también la composición de especies de la comunidad en su conjunto (Bonilla 1998). Figura 1.17. Microorganismos. Corresponde a los microorganismos (figura 1.17) el predominio del suelo, tanto cuantitativa por su número, como cualitativa por las importantes funciones que asumen y entre aquellos destacan los pertenecientes al reino vegetal. 55 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 No obstante, no se debe infravalorar la importante función desarrollada por los organismos animales, especialmente en las primeras fases de descomposición de la materia orgánica. En efecto, si bien las bacterias, los actinomicetos, los hongos y las algas son los organismos que actúan directamente en la destrucción de la materia orgánica, en la síntesis y en la mineralización de los compuestos húmicos, en la fijación de nitrógeno y en otros procesos de vital importancia, los lumbrícidos, los ácaros y los insectos intervienen en transformaciones de carácter químico ligadas a sus procesos de digestión, además de en la estructura física de los horizontes edáficos, que afecta a la aireación, drenaje y mezcla de ellos. Dentro de la población viva del suelo distinguiremos la compuesta por seres pertenecientes al reino animal y de tamaño no microscópico de la que corresponde a organismos microscópicos pues su función está claramente diferenciada, en estos incluimos a elementos pertenecientes a diferentes reinos, de modo que habrá que instituir la república edáfica. Los grupos microbianos se suceden en la utilización y degradación de la materia orgánica. Las fases particulares dentro del proceso de metabolismo comunitario, se asocian e algunos organismos que descomponen determinados materiales orgánicos. Una vez consumidos estos materiales desaparecen los organismos que los utilizaron o permanecen de forma latente durante un periodo hasta que aparezca materia orgánica para descomponer la cual activa su metabolismo. Sin embargo, la predominancia de un grupo está sometida a las fluctuaciones de las condiciones físico – químicas de los suelos y a las condiciones climáticas. Las transformaciones químicas que efectúan los microorganismos del suelo no son necesarias para mantener la fertilidad sino en último termino para el mantenimiento de la fertilidad de los suelos, sino en último término para la continuidad de la existencia de todos los seres vivos. Lección 14. Principales Grupos de Microorganismos. Un microorganismo, también llamado microbio u organismo microscópico, es un ser vivo que sólo puede visualizarse con el microscopio. La ciencia que estudia a los microorganismos es la microbiología.. Algunos microorganismos pueden causar el deterioro de los alimentos entre los cuales se encuentran los microorganismos patógenos, que a su vez pueden ocasionar enfermedades.. Sin embargo, por otro lado existen también algunos microorganismos que son beneficiosos y que pueden ser usados en el procesamiento de los alimentos con la finalidad de prolongar su tiempo de vida o de cambiar las propiedades de los mismos (por ejemplo, para la fermentación llevada a cabo para la elaboración de las salchichas, el yogur y los quesos). La actividad de los microorganismos es muy importante para la transformación y la vida de los suelos. Las bacterias y los hongos participan en los ciclos del carbono, nitrógeno, azufre, fósforo y en la incorporación del potasio y el magnesio, entre otros, para su asimilación por los vegetales. 56 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los procesos biológicos más importantes que se desarrollan en el suelo son: humificación (descomposición de la materia orgánica por hongos, bacterias, actinomicetos, lombrices y termitas), transformaciones del nitrógeno (amonificación, nitrificación, fijación) y mezcla-desplazamiento (lombrices y termitas principalmente). La mayor parte de los organismos del suelo utilizan a los compuestos orgánicos complejos como fuente de energía y carbono a los que se clasifica como heterótrofos. Hay un pequeño grupo de microorganismos que usan al bióxido de carbono como única fuente de carbono y se les clasifica como autótrofo. Existen bacterias fotoautótrofas que aprovechan la energía del sol y las bacterias quimioautótrofas aprovechan la energía de la oxidación de materia orgánica y son de gran importancia para los suelos. Bacterias. Es al forma de vida más antigua y exitosa, ya que tienen casi tres mil millones de años de existencia. Su taxonomía y clasificación varían constantemente, a la vez los métodos de clasificación se basan en la secuencia de ARN. Las bacterias más comunes aisladas del suelo son Arthrobacter, Bacillus y Pseudomonas. No obstante, existe una gran diversidad en la forma y las funciones bacterianas en el ambiente y menos de un 10% de las bacterias de un ambiente son realmente cultivables. Bacterias, Este grupo es el más abundante del suelo y su presencia se ha detectado en los más diversos ecosistemas y regiones geográficas del planeta. Las formas más comunes de las bacterias que se hallan en el suelo son los bacilos, los cocos y los espirilos (Burbano, 1989). Fisiológicamente las bacterias del suelo (figura 1.18), pueden ser anaeróbicas y aeróbicas, neutrófilas, basófilas o acidófolas en cuanto al rango de pH óptimo, psicrófilas, mesófilas y termófilas en relación a la temperatura, autótrofas o heterótrofas en su alimentación (Alexander, 1980). Desde el punto de vista de la descomposición de la materia orgánica uno de los grupos microbianos más significativos es el género Pseudomonas. Compuesto por bacilos gran negativos con flagelación polar y que poseen metabolismo de azucares del tipo oxidativa, entre las especies más frecuentes del suelo encontramos, P. aeruginosa, P fluorescens y P putida. Caracterizadas por un rápido crecimiento y versatilidad ante los nutrientes y factores ambientales (Bonilla 1998). Las bacterias que forman endosporas como el género Bacillus, poseen una amplia distribución geográfica. Son activas descomponedoras de las sustancias que contienen proteína. Además de ello evidencia buena utilización de otras fuentes de carbono y nitrógeno, como azúcares aminoácidos y alcoholes. Figura 1.18. Bacterias 57 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Bacilo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 cianobacterias Otro género importante que forma endosporas es Clostridium, estrictamente anaerobio. El género incluye organismos que cubren un rango fisiológico y ecológico muy amplio. Son capaces de atacar diferentes compuestos orgánicos con una alta velocidad de descomposición. Entre las sustancias que atacan fuertemente se hallan la celuloso y la pectina. La descomposición de la celulosa está acompañada por la liberación de ácidos fórmico acético y butírico, dióxido de carbono e hidrogeno como productos finales (Burbano, 1989). Otras bacterias comunes en el suelo son los que pertenecen a las Mixobacteriales. Se hallan fuertemente sobre residuos celulósicos, en las cortezas o sobre las excretas de animales herbívoros. Son capaces de degradar una amplia variedad de polímeros como celulosa, quitina y bacterianos, entre otros. Las bacterias se pueden dividir en dos grandes grupos con respecto a su nutrición: autótrofas y heterótrofas; las primeras utilizan como fuente de carbono al dióxido de carbono y como fuente de nitrógeno a los nitratos y a los compuestos de amonio; las heterótrofas, que representan la gran mayoría, extraen ambos elementos del material orgánico existente en el suelo. Winogradsky clasificó los microorganismos del suelo en autóctonos o indígenas y zimógenos o fermentadores. El número de los primeros no varía apreciablemente. Los zimógenos suelen ser escasos y florecen abundantemente cuando se añade una determinada cantidad de materia orgánica y luego desaparecen casi al terminarse esta. Dentro de las bacterias autótrofas y dependiendo de la fuente de energía, podemos considerar otros dos grupos: quimiosintéticas, que obtienen la energía mediante la descomposición de sustratos inorgánicos y fotosintéticos, cuya energía la obtienen del sol como los vegetales superiores. La gran riqueza de formas que presentan las bacterias, les permite participar en toda una serie de transformaciones que son indispensables para mantener el suelo en unas condiciones físico-químicas idóneas para el desarrollo de una vegetación superior. Controlan la fijación del nitrógeno molecular, la mineralización del nitrógeno orgánico, la descomposición de residuos animales y vegetales y la síntesis y descomposición de productos húmicos. 58 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Las bacterias quimiolitotróficas o quimioautotróficas solo pertenecen a unas pocas especies pero su importancia agronómica y económica es enorme. Pertenecen a los géneros Nitrosomonas, Nitrobacter, Thiobacillus, Ferrobacillus, Hidrogenomonas, Methanobacillus y Carboxydomonas. La mayor parte son aerobios y los otros necesitan compuestos oxigenados como son los nitratos o el dióxido de carbono para el Methanobacillus. La microflora del suelo actúa sobre la vegetación de dos formas principales, una directa y otra indirecta. La acción directa se realiza poniendo en la solución del suelo y a disposición de la planta, nutrientes minerales solubilizados y moléculas orgánicas absorbibles por las raíces. También se produce una acción indirecta mediante su actuación sobre el medio físico, principalmente en lo que concierne a alteraciones en estructura y textura, también interviene en el medio químico por inmovilización de sustancias nutricias. Actinomiceteos. En 1940, antes del desarrollo de los antibióticos, se describieron cinco géneros de actinomicetos. En la actualidad se han identificado 80 y se dice que hay muchos por identificar, la mayor parte de estos generan antibióticos son tan tóxicos que no solamente atacan la enfermedad sino que puede causar la muerte del paciente. Actinomicetos, Dados las características fisiológicas y morfológicas, estos organismos se encuentran ubicados dentro de las bacterias y los hongos. En cierto modo, constituyen un grupo mal definido de microorganismos que, aunque son unánimemente clasificados dentro de los Esquizomicetos formando el orden Actinomicetales, en general son estudiados separadamente por sus características especiales. Los actinomicetos presentan un típico crecimiento en colonias, pero no es comparable con las colonias de las bacterias, puesto que no constituyen acumulación de muchas células, sino más bien una masa de filamentos ramificados que se originan en una espora o de un fragmento de micelio (Burbano, 1989). Los actinomicetos (figura 1.19) son abundantes y están ampliamente distribuidos en el suelo, así como en las aguas de charcos, lodos y abonos orgánicos. De los géneros el más común es el Streptomyces. Estos organismos son abundantes en los horizontes superficiales del suelo pero a medida que se desciende en el perfil decrece su población. Figura 1.19. Secreción de antibióticos en un cultivo de actinomicetes 59 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Son organismos de nutrición heterótrofa con requerimientos nutricionales muy variados, capaces de utilizar diferentes fuentes de carbono. Son afectados notablemente por el contenido de materia orgánica del suelo y la temperatura, alcanzan grandes densidades poblaciones en suelos con amplias reservas de carbono asimilable y humus. En general los actinomicetos son susceptibles a condiciones de excesiva humedad, pero toleran muy bien la sequedad. Esto es motivado por el metabolismo aerobio de los mismo, lo cual requiere de suelos bien aireados (Alexander, 1980). La mayoría de los estreptomicetos aislados del suelo pueden producir antibióticos de importancia médica e industrial, tales como: estreptomicina, clorafenicol, tetraciclina, neomicina, nistatina y otro bajo condiciones de laboratorio. En el suelo, los antibióticos pueden controlar enfermedades de plantas mediante la acción directa sobre el patógeno, actuando en el hospedero provocando transformaciones de sustancias sin la participación de la planta, neutralizando toxinas secretadas por el patógeno o una combinación (Bonilla 1998). Como fuentes de nitrógeno, utilizan amoniaco, nitratos, aminoácidos, peptonas y proteínas. No asimilan el nitrógeno molecular ni producen desnitrificación. Según Waksman se pueden atribuir a estos microorganismos las siguientes funciones: Descomposición de los residuos animales y vegetales con liberación de ácidos orgánicos de los compuestos carbonados y amoniaco de las sustancias nitrogenadas. Participación activa en los procesos de humificación y en particular en la formación de sustancias melánicas. Mineralización del humus con la consiguiente liberación de principios útiles para la nutrición de las plantas. Secreción de sustancias antibióticas como estreptomicina, tetraciclina y otros, a fin de producir equilibrios genéricos o antagónicos específicos hacia los componentes de la microflora bacteriana. Acción fitopatógena ejercida por algunas especies sobre plantas de interés agrícola. 60 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Por ultimo, su propio micelio representa una interesante materia prima para la síntesis de compuestos húmicos. No resulta claro por qué los actinomiceto producen antibióticos, es probable que estos les proporcionen ciertas ventajas competitivas en el suelo, (Thoashow y col, 1990) la producción de antibióticos en estos organismos ocasiona un crecimiento estacionario, bien los obliga a iniciar una fase de esporulación, los antibióticos no se detectan en el suelo, y es difícil probar su papel. Hongos. En el suelo los hongos (figura 1.20) conforman una importante fracción de la biomasa total microbiana, la cual se deriva de la amplitud del diámetro de sus hifas y de la extensión que alcanza el micelio al desplazarse y ramificarse profundamente (Fernández y Novo 1988) Su participación en la descomposición de los residuos es grande debido a su complicado y efectivo complejo enzimático. Sobre la población de hongos de un suelo determinado, actúan numerosos factores, la abundancia de materia orgánica, la acidez del medio, la humedad y la aireación del suelo, la temperatura, la fertilización la vegetación y la profundidad del perfil. La mayoría de estos microorganismos tienen un rango bastante amplio de tolerancia pH desde 3.0 hasta 9.0 o mayores. La temperatura es uno de los factores físicos limitantes dentro del ambiente y desempeña un papel decisivo en la distribución de los seres vivos, la mayoría de los hongos son mesófilicos en sus requerimientos de temperatura requieren mínimo de 5 a 10°C y toleran un máximo de 35 – 50°C dependiendo la especie, (Bonilla 1998). La nutrición de los hongos es heterótrofa de ahí la importancia de la materia orgánica, los hongos del suelo son capaces de atacar y descomponer la queratina, estos organismos actúan como saprofitos en una variedad de sustratos ricos en queratina como cuernos, plumas, uñas y pelos enterrados en el suelo, algunas especies como Trichophyton, Microsporum y Chrysosporum son potencialmente patógenos al hombre (Burbano 1989). En los suelos bien aireados y cultivados, los hongos llegan a constituir la mayor parte del protoplasma de la microflora total, debido no a su mayor número, sino a su mayor diámetro y extensión de sus hifas. Dominan sobre todo, en las capas orgánicas de los bosques y en los ambientes ácidos. Ningún procedimiento usado por el momento proporciona la composición genética entera de la flora fúngica aunque el más generalizado es el de recuento en placa con medio de agar adecuado, después de hacer diluciones de una muestra dada de suelo. Al medio se le da un pH de 4 que impide que se desarrollen las bacterias y actinomicetos que inhibirían el desarrollo de los hongos. También pueden emplearse agentes bacteriostáticos como penicilina o novobiocina, aunque el sistema habitual es el uso del- Rojo de bengala y estreptomicina. 61 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Este método es desde luego, cuantitativamente muy inexacto y poco indicador de lo que en realidad sucede en la naturaleza. Cada hifa, trozo de hifa o espora que estuviera en el suelo, activa o inactiva, aparecerá como una colonia en el agar. A pesar de los posibles errores apuntados se toma normalmente como un sistema cuantitativo el recuento en placa. Se han hallado desde 20.000 a 1.000.000 de unidades fúngicas por gramo de suelo, bien entendido que se toma cono unidad, toda espora, hifa o trozo de ella que es capaz de dar una colonia. Waksman, consciente de la dudosa validez de estas observaciones, propuso una distinción entra hongos habitantes del suelo y hongos invasores del mismo, concepto ampliado posteriormente por Garret. Al hablar de los habitantes del suelo, Garret incluía a las especies de identificación fácil y cuya presencia era regular, capaces de vivir por tiempo ilimitado es estado saprofito. Entre los invasores del suelo, denominados también habitantes de las raíces incluía aquellos que tras una fase de intenso desarrollo parasitario en las raíces del hospedante vegetal, seguía otra muy corta, saprofita y en progresivo declive. En resumen, Garret integraba en los invasores del suelo a los hongos productores de micorrizas, que viven en simbiosis con las raíces de las plantas herbáceas o arbóreas y a los hongos fitopatógenos especializados, que sin el hospedante vegetal son incapaces de desarrollar por completo su ciclo biológico. En los habitantes del suelo incluía a los hongos parásitos facultativos de los vegetales, que según la ocasión pueden llevar indistintamente vida saprofita y a los hongos saprofitos obligados. Estos últimos son los que desempeñan un papel preponderante en los procesos que acompañan a la formación y a la evolución de un suelo. En resumen los hongos presentan características benéficas y perjudiciales al mismo tiempo, son los principales descomponedores de materia orgánica, distintos de las bacterias puestas que son más grandes eucariota y generalmente filamentosas con morfología muy diversa. Pueden ser microscopio y unicelulares como las levaduras, o bien formar grandes cuerpos carnosos existen varios filos: mixomicetos, oomicetos, zigomicetos, ascomicetos, basiomicetos y deuteromicetos. Los ambientes bien ventilados con buena materia orgánica, favorecen el crecimiento de la mayor parte de los hongos del suelo ya que estos son fundamentalmente saprofitos. Los hongos desarrollan un crecimiento competitivo y rápido, produciendo antibióticos o bien digiriendo resistentes compuestos vegetales. Los hongos ocupan el porcentaje más alto de la biomasa microbiana en el suelo, por lo que representa un gran deposito de nutrientes para el crecimiento potencial de los microorganismos. Los hongos subsisten en el suelo gracias a una serie de mecanismos, entre los que se destacan las esporas y estructura de reposo. Algunos filos de hongos se han adaptado a una alimentación a base de nemátodos, mientras 62 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 que otro son cultivados por el hombre para su consumo. Pero algunos son parásitos endofíticos de cultivos, (viven dentro de otro) deteriorando su hospedero, otros como las micorrizas forman asociaciones simbióticas con las raíces de las plantas. Figura 1.20. Grupo Taxonómicos de hongos Fitopatogenos Los Cromistas: Algas. EL reino Chromistas, propuesto inicialmente por CavalierSmith 1981 representa un intento por agrupar los organismos con características comunes: Eucariotas, con cloroplastos, con uno o más flagelos. Algas. Son organismos unicelulares o pluricelulares con capacidad fotosintetizandora, gracias a que disponen de clorofila. Participan en los procesos de materia orgánica ene. Suelo y en otros ecosistemas (Paul and Clark, 1989). En la distribución de las algas inciden varios factores entre los que se destacan la humedad, temperatura, intensidad de iluminación y abundancia de sales necesarias para la proliferación. De entre esos factores el más importante es la humedad y la luz. Su dependencia de la luz es de gran importancia en su distribución, debido a la dependencia directa que tiene el metabolismo de las algas del proceso de fotosíntesis (Alexander, 1980). Las algas (figura 1.21) aparecen formando poblaciones localizadas en la superficies de las rocas, por lo que se les atribuye un papel importancia en los primeros pasos para la 63 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 acumulación de materia orgánica durante la formación del suelo. Las algas pueden sintetizar materia orgánica a partir de sustratos minerales. Además de incorporar abundantes cantidades de materia orgánica celular, las algas también excretan factores de crecimiento como vitaminas y auxinas. Figura 1.21. Algas Las algas participan en los procesos de inmovilización del nitrógeno mineral del suelo, al acumularlo en sus células, evitando temporalmente su lixiviación por la lluvia a los horizontes inferiores del suelo. Además de la acción inmovilizadora, una parte de las algas verde-azuladas toma parte en los procesos de fijación del nitrógeno atmosférico, con lo cual contribuyen al incremento de la actividad del nitrógeno en el suelo (Paul and Clark, 1989). El pH limita grandemente la población de algas. Las cianofíceas se desarrollan mejor a valores de pH comprendidos entre 7 y 10, desapareciendo cuando se baja de 5. Lo mismo ocurre a las diatomeas, pero las verdes no son apreciablemente modificadas y por tanto dominan la flora de algas en ambientes ácidos, debido a la ausencia de las otras formas. Al aumentar la humedad se aumenta generalmente el desarrollo de las algas. En los suelos agrícolas la humedad no suele ser suficiente y la población sigue las incidencias del clima lluvioso o seco o del riego. Las diatomeas son las más sensibles mientras que las verdes y las azul-verdosas aguantan varios años en estado de resistencia incluso en regiones tropicales. En primavera y otoño las algas muestran su máximo vigor. Las heladas les son muy perjudiciales Grupos importantes de algas en el suelo. Algas verdes. Diatomeas. Algas verde Amarillentas – Xantofilas Algunas algas establecen una relación con hongos y crean organismos denominados líquenes, Las algas y los líquenes contribuyen a la formación del suelo al aumentar la producción de ácidos orgánicos para descomponer la roca. Las Diatomeas son 64 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 interesantes puesto que disponen de una dura pared celular formada por silicatos. La tierra Diatomea esta hecha de estas células y tiene diversos usos en la alfarería, en la fabricación de filtros, o bien como pesticida. Las paredes celulares de sílice son muy duras; más que los exoesqueletos de los insectos. Cuando la tierra diatomea es vertida alrededor de las plantas y los insectos se acerca a estas, las paredes celulares de sílice cortan el exoesqueleto y exponen los fluidos internos a las bacterias. Los brotes de las algas se desarrollan en ambientes húmedos abarrotados de nutrientes que pueden contribuir a un proceso denominado eutroficación. ¿Qué es la eutroficación?. Es el sobre enriquecimiento de nutrientes en el agua ocasionando crecimiento excesivo de plantas, el estancamiento y la muerte de seres acuáticos como los peces. Cuando las plantas mueren y se descomponen el agua pierde oxigeno por acción microbiana el fósforo y el nitrógeno son las causa más importantes de la eutroficación pues cuando son suministrados se incrementa el crecimiento vegetal produciendo problemas ambientales por la liberación de gases tóxicos como el sulfuro de hidrogeno (H2S). Protozoos. Protozoos, Son organismos eucariotas unicelulares; toman parte activa en la descomposición de los residuos vegetales en el suelo. No obstante, su papel en la transformación de la materia orgánica esta restringida por su morfología, su capacidad bioquímica y fisiológica y por su distribución en relación con la morfología y el ciclo de vida de las plantas (Russelly Rusell, 1968). Russell y Hutchinson fueron los primeros en sugerir que los protozoos (figura 1.22) tomaban parte activa en la vida microbiana del suelo, pues supusieron que su actividad podría explicar alguna de las consecuencias de !a esterilización parcial del mismo. Bonnet y Thomas hicieron una lista de 100 especies de testáceos, consideradas corro formadoras de la fauna endógena del suelo. Eran especies propias de suelos minerales, si se hubieran incluido suelos de bosque o turberas, el número seria mucho mayor. Ningún suelo arable, examinado hasta la fecha, se ha visto desprovisto de esta microfauna, si bien pueden faltar algunas especies o géneros en determinados lugares, no han podido establecerse las razones para esta especialidad o tropismo. Podemos considerar tres clases de protozoos importantes en el suelo, según sus medios de transporte: Mastigophora o flagelados, Sarcodina o rizópodos y Ciliata o ciliados. También es importante el hecho de que entre los flagelados existan dos grupos, uno de los cuales contiene clorofila (Phytomastigophora) y son los únicos que se desarrollan fotosintéticamente, mientras que el segundo (Zoomastigophora) se limita a una existencia heterotrófica por carecer de este pigmento. Podemos citar entre los primeros a los géneros Euglena y Chlamydomonas y entre las segundos: Bodo y 65 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Tetranitus entre otros. Entre los Rizópodos citaremos: Amoeba y Euglypha y entre los Ciliados: Colpidium y Vorticella. Figura 1.22. Protozoos Los protozoos son muy selectivos en su alimentación bacteriana. Además de algas y otros protozoos, se alimentan sobre todo de Aerobacter, Agrobacterium, Bacillus, Escherichia, Micrococus y Pseudomonas. Las levaduras y Actinomicetos se escapan de esta acción. En términos generales, los protozoarios son tolerantes a las fluctuaciones de factores ambientales en el suelo, como la humedad, la salinidad, la temperatura, las condiciones oxido-reductoras y la acidez del suelo. Estos organismos afectan los ciclos biogeoquímicos en el suelo, ya que constituyen un elemento esencial dentro de la dinámica de algunos procesos en los ecosistemas edáficos. La permanente predación de bacterias contribuye a movilizar con mayor rapidez los elementos esenciales para la vida y retenidos en el cuerpo de los organismos ingeridos. Así, participan en la renovación parcial de los nutrientes en el ecosistema. Se ha comprobado que lo protozoarios excretan en forma amoniacal parte del nitrógeno bacteriano ingerido el cual es utilizado como nutriente nitrogenado inorgánico por las plantas o puede ser nitrificado. Por acción directa o indirecta de los protozoarios del suelo, se reduce la patogenicidad de ciertos hongos que afectan las raíces de diversas plantas como los patógenos del algodón Rhizoctonia solani y Verticillium dahliae, (Bonilla 1998). Virus. Los virus ejercen actividad parasitaria sobre células de vegetales, animales, bacterias y actinomicetos. Son parásitos intracelulares obligados, que aunque pueden sobrevivir en el medio externo solo se pueden reproducirse en el interior de las células hospederas. Su acción más importante en el suelo es la lisis de las bacterias, a este tipo de virus se les denomina bacteriofagos. Poco se sabe acerca del campo de la ecología de los virus que infectan a los microorganismos del suelo, salvo que sobreviven en el en forma de partículas latentes, que conserva su cualidad parasitaria. Los virus de las plantas rara vez sobreviven en el suelo, mientras que algunos virus específicos de los insectos conservan su capacidad 66 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 infecciosa. Muchos de los virus que habitan el suelo se transmiten a través de los nematodos o de los hongos. Lección 15. Microorganismos y Biodiversidad. Microorganisms and Biodiversity- V. Olalde Portugal1 y L.I. Aguilera Gómez RESUMEN El componente microbiano del suelo es importante para la salud de los ecosistemas. Los procesos agrícolas, así como el manejo de los recursos vegetales inciden sobre este componente afectando tanto su biodiversidad como la densidad de las poblaciones microbianas implicadas; los resultados a mediano y largo plazo pueden ser la pérdida de fertilidad de los suelos y su progresiva pauperización. La sostenibilidad de un agroecosistema yace también en su menor dependencia de fertilizantes y pesticidas químicos. El empleo de cepas de microorganismos con un alto potencial de acción sobre el crecimiento y desarrollo de las plantas y el estudio de la diversidad biológica de sus patógenos son factores clave en su control y, por tanto, en el manejo integral de cultivos. Introducción. Como es bien sabido, los microorganismos son los seres más numerosos que existen en la tierra; son organismos ancestrales que han colonizado exitosamente cada nicho ecológico posible. Los microorganismos se encuentran prácticamente en todas las regiones del planeta, desde los polos, en ambientes bajo el punto de congelación y muy secos, hasta los trópicos con temperaturas altas y con elevada precipitación pluvial. Su presencia y actividad es esencial para la salud y funcionamiento adecuado de todos los ecosistemas (Olembo, 1991). Existen microorganismos que degradan la materia orgánica haciéndola nuevamente disponible para las plantas, actividad sin la cual el mundo sería un enorme basurero; otros han jugado un papel significativo en relación con el hombre y su productividad, participando en la agricultura y en la elaboración de alimentos y medicinas (Tate III, 1995). Algunos, como las levaduras (Saccharomyces cerevisiae) son indispensables en la industria vinícola (a través de la fermentación alcohólica). Tanto bacterias como hongos intervienen en la elaboración de quesos y derivados lácteos. Ciertos hongos del suelo forman parte de un amplio abanico de productores de antibióticos; otros, como 67 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 las bacterias y algas verdeazules, son organismos fijadores del nitrógeno atmosférico, lo cual los hace útiles al planear una adecuada rotación de cultivos (Brock, 1978). La capacidad de los microorganismos para desarrollar tal variedad de funciones se debe a su gran versatilidad bioquímica, basada en la posibilidad de llevar a cabo una enorme cantidad de tipos de reacciones: oxidaciones, reducciones y precipitaciones, sobre los elementos componentes de lo que llamamos vida, y que de manera directa o indirecta gobiernan todos los procesos en la tierra (Atlas, 1984). Biodiversidad. Desde el punto de vista genético se debe tener en mente que cada secuencia de ADN es única e irremplazable, con lo cual la desaparición de cualquier especie biológica implica la pérdida irreversible de un conjunto único de información. Esto es aplicable a todo organismo viviente y, por tanto, también a los microorganismos. El anterior ensamblaje de genética y funcionalidad lleva a hablar de biodiversidad. Pero, ¿que contempla dicho término?; biodiversidad, es la variedad y variabilidad de todas las formas de vida, el complejo ecológico en el cual están presentes y los procesos de los que forman parte (Atlas, 1984; Olembo, 1991). En este sentido, y en relación con los microorganismos, el suelo es un ecosistema de enorme riqueza microbiana y la misma definición de suelo quedaría incompleta si en ella no se considerara la actividad de este componente, entre cuya diversidad, la microflora está bien representada. Las bacterias son los organismos más numerosos en el suelo (entre 106 y 107 bacterias g-1 de suelo), mientras que los hongos dado su mayor tamaño, aunque menor abundancia, tienen la biomasa más significativa (Alexander, 1980; Tate III, 1995). Los estudios sobre los microorganismos del suelo son numerosos, sin embargo, a la fecha no existe ningún ejemplo en el que se haya determinado completamente la biodiversidad de un suelo y aún más, tampoco se sabe cual es la biodiversidad necesaria en cuanto a microorganismos para que un suelo agrícola funcione de manera óptima (Stewart, 1991). En realidad, en el conocimiento actual se ha identificado el significado funcional de grupos particulares que afectan la productividad de las plantas en un contexto agrícola; así se han definido algunas de las actividades en las que participan los microorganismos del suelo: fijación de nitrógeno, degradación de celulosa, incorporación de fósforo a la planta, interacción con otros microorganismos y control biológico. El aprovechamiento de todas estas actividades microbianas de manera directa interviene en hacer realidad lo que se ha llamado agricultura sostenible, que consiste en mantener la producción sin deterioro del ambiente (Stewart, 1991; Bethlenfalvay, 1993). 68 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Gran parte de la significancia de los microorganismos se expresa al mantener un balance adecuado entre el suelo, la planta y la microbiota nativa. El punto en donde se llevan a cabo las interacciones más importantes, es la rizósfera, la zona de influencia de la raíz. De modo que en una manera general se puede decir que la sostenibilidad depende de mantener buenas condiciones físicas, químicas y biológicas en el suelo (Stewart, 1991). Sostenibilidad. Como de alguna manera en esta revisión se ha tratado de relacionar la diversidad microbiana con la agricultura sostenible, un ejemplo que puede dar una idea más real de esta relación es la descripción del trabajo que se está realizando en un Bosque Espinoso dominado por Prosopis laevigata (mezquite) en el norte del estado de Guanajuato, demostrando que puede tratarse de un sistema sustentable (Frías et al., 1993). El Cuadro 1.6 muestra los resultados que el laboratorio de Bioquímica Ecológica del CINVESTAV Unidad Irapuato ha encontrado en cuanto a la productividad de este ecosistema. Junto al predio con mezquite utilizado en este estudio, existe una parcela que fue desmontada y abierta al cultivo hace 14 años y comparando la producción, los beneficios económicos de una hectárea en tales condiciones son mucho menores que en el ecosistema natural bajo un manejo racional de los recursos. El mezquite es un árbol de la familia Leguminosae de 10 a 15 m de alto, que crea bajo su copa condiciones muy favorables para el desarrollo de otras plantas herbáceas cuya cobertura forma islas de fertilidad (Aguilar, 1998). La cobertura vegetal bajo y fuera de la protección de la copa de este árbol difiere, encontrándose las mayores densidades dentro del área de influencia de la copa. Las diferencias que suelen observarse en la vegetación se reflejan también en cambios microbiológicos, puesto que el número de bacterias (60 x 106 .15 x 106 bacterias g-1 de suelo) y de hongos (17 x 104 15 x 104 propágulos g-1 de suelo) Cuadro 1.6. Productividad de un bosque espinoso con mezquite, en un predio de 30 ha, ubicado aprox. a 30 km de Dolores Hidalgo, sobre la carretera Dolores-San Luis de la Paz, en el norte del estado de Guanajuato. Productividad /Ha Cantidad – kg Leña Vaina Herbáceas Nopal Colla Paixate Miel de abejas Polen 15.000 800 2600 2000 940 4000 35 1 69 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Presentes en los suelos bajo el dosel del árbol fue mayor que en los campos que fueron abiertos a la agricultura (20 x 106 ± 5 x 106 bacterias g -1 de suelo y 46 x 103 ± 10 x 103 propágulos g-1 de suelo, respectivamente) (Aguilar, 1998). Dichos resultados hablan claramente de una posible pérdida de biodiversidad microbiana que puede resultar importante en el mantenimiento del ecosistema. Si estos datos parecen alarmantes, cuando se analizaron las datos sobre la presencia de microorganismos simbióticos, se observó que el número de esporas de hongos micorrícico arbusculares existentes en el suelo bajo la copa del mezquite (2100 ± 120 esporas/100 g de suelo) fue mayor que en las zonas aledañas del bosque fuera del área del dosel (1600 ± 85 esporas/100 g de suelo) y se redujo significativamente en el campo abierto a cultivo (930 ± 45 esporas/100 g de suelo) (Aguilar, 1998). Aún más, mientras que en el bosque ya sea bajo la copa o fuera de ella, la diversidad de especies se mantiene con diferencias en número de propágulos, en la parcela abierta a la agricultura se encuentran menos especies indicando una clara pérdida de biodiversidad. El mezquite también se asocia simbióticamente con Rhizobium, una bacteria fijadora de nitrógeno. Entre las bacterias de este género existen cepas que pueden mostrar una serie de efectos distintos sobre las plantas; algunas afectan positivamente su desarrollo de la misma manera que si se hubiese adicionado fertilizante nitrogenado, mientras que otras sólo estimulan con resultados similares a los testigos. Por tanto es muy importante conocer la diversidad bacteriana no solo intragenérica sino también intraespecíficamente (Smit y Swart, 1994). El conocimiento de la diversidad microbiana puede ayudar a definir sistemas de reforestación o rehabilitación de zonas perturbadas puesto que como se ha dicho, los microorganismos ayudan directamente al desarrollo de las plantas por su aporte nutricional o bien mejorando las características del suelo mediante una mejor agregación de partículas, incrementando la retención de suelo, la porosidad, la retención de agua y el control de la erosión (Tate III, 1995). Hablar de agricultura sustentable no solo implica hablar de agroforestería sino también de agricultura intensiva, en donde los microorganismos pueden disminuir el consumo de fertilizante nitrogenado u optimizar su aprovechamiento. Un ejemplo adecuado puede ser el experimento realizado en el mismo laboratorio, en el que se inocularon diferentes cepas de Azospirillum a trigo en campo, ésta es una bacteria de vida libre que fija nitrógeno asociada a las raíces de gramíneas. Algunas de las cepas probadas 70 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 hicieron que las plantas igualaran el crecimiento del estigo con fertilizante, mientras que otras incrementaron el aprovechamiento de nutrimentos en plantas tratadas conjuntamente con Azospirillum y el fertilizante nitrogenado. Una posible explicación de este fenómeno es la producción bacteriana de fitohormonas (Monter, 1993). Por otra parte, los microorganismos pueden ser utilizados en el control de fitopatógenos y, por lo tanto, reducir el uso de pesticidas. Para lograr este tipo de control es necesario aislar del suelo microorganismos antagónicos y enfrentarlos al agente etiológico de la enfermedad. (En ocasiones de cada 1000 aislamientos sólo 1 % inhibe el desarrollo del patógeno in vitro). Los mecanismos que utilizan estos organismos para antagonizar a los fitopatógenos pueden ser la producción de antibióticos, competencia por nutrimentos, competencia por sitios de infección, parasitismo y producción de substancias tóxicas. Por lo general un microorganismo de este tipo presenta un solo tipo de mecanismo o a lo sumo dos de ellos (Krupa y Dommergues, 1979). Sin embargo, los fitopatógenos, entre los cuales destacan los hongos, presentan una enorme diversidad y diferentes comportamientos ecológicos aún tratándose de la misma especie (Garret, 1981). La costra negra de la papa, por ejemplo, es una enfermedad del tubérculo que si se utiliza para sembrar produce grandes pérdidas porque ataca los brotes y los seca. En el Bajío, el agente etiológico, Rhizoctonia solani, presenta dos tipos de infección producidos por dos grupos de anastomosis (Ag4 y Ag3) (Virgen et al., 1996). Un grupo de anastomosis es aquel dentro del cual las hifas de dos aislados diferentes del hongo pueden fusionarse si se les hace crecer en una misma caja petri con medio nutritivo. Existen 11 grupos identificados a nivel mundial en la misma especie del hongo. A simple vista, las costras de la papa parecen iguales ya se trate de uno u otro grupo, pero cada uno mantiene una sensibilidad diferencial a los fungicidas y presenta un comportamiento diferente en su distribución espacial y temporal, lo que ha sido estudiado con éxito en el laboratorio de Bioquímica Ecológica de CINVESTAV, por lo que el conocimiento exacto de este comportamiento permitirá buscar de manera más efectiva las bacterias antagónicas adecuadas para el biocontrol. Otro problema que involucra la diversidad de una especie de fitopatógenos está siendo analizado en dicho laboratorio; la incidencia de la pudrición blanca del ajo se debe a la presencia de Sclerotium cepivorum, un hongo cuyos esclerocios producidos en número de miles en cada planta pueden permanecer viables en el suelo durante un periodo de tiempo de hasta 20 años. 71 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Diferentes aislados de este hongo en un mismo campo de cultivo presentan un patrón diferente de sensibilidad a fungicidas, por lo que el conocimiento de esta diversidad deberá conducir a mejores estrategias de control no solo químico sino también biológico (Pérez et al., 1997). El estudio de la diversidad microbiana no puede llevarse a cabo sin establecer colecciones de microorganismos que se consideren relevantes en una amplia gama de actividades biológicas y en este sentido falta aún mucho por hacer. Así mismo es necesario correlacionar las actividades de los microorganismos con las plantas con las que se asocian y conservar dichos sistemas biológicos. Finalmente, los autores desean dejar a la consideración del lector algunas de las recomendaciones que el Comité Internacional sobre Biodiversidad ha sugerido a fin de llevar a cabo eficientemente esta labor de investigación: Estudiar la distribución y diversidad de los microorganismos nativos. Conocer el efecto de la biodiversidad en los sistemas productivos. Utilizar los conocimientos sobre la diversidad biológica en sistemas de producción sustentable. Conservar los microorganismos en colecciones o en hábitat naturales. Lectura recomendada. Los suelos y sus habitantes microbiológicos. http://www.cinvestav.mx/publicaciones/avayper/novdic/eduardo.pdf A continuación encontrara vínculos de temas que le permiten refrescar algunos conceptos básicos para continuar con la segunda unidad, se recomenda su estudio. Concepto del suelo y Revisión Generalidades. o o o Edafología. Concepto. Concepto de suelo. Génesis del suelo. Formación del suelo. Relaciones ambientales del suelo. El suelo y la Geosfera. El suelo y el clima. El suelo y el paisaje. El suelo y el tiempo. Morfología del suelo. Definición de cada horizonte. Color y Textura. Estructura. Consistencia. 72 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Rasgos edáficos. Cementación. Porosidad. Pedregosidad. Contenido en sales. Presencia de raíces. Otros rasgos de origen biológico. Bibliografía. Unidad 1. BURBANO H.O. El suelo una Vision sobre sus componentes Bioorgánicos. 1989. BROCK,T,D Y M,T MADIGAN,1991. Biology of microorganisms 6 ed. MARK COYNE. Microbiologia del suelo un enfoque exploratorio. 2001. MICHAAELIS- MENTEN.- MAKBOUT, H.E. 1979. Alkaline phosphatase activity and Soil Science 128:129135. SANCHEZ DE P. M., 2006. Manejo ecológico de los suelos. Universidad Nacional de Colombia sede Palmira. 40p. TABATABAI, M.A. 1994. Soil Enzymes, part 2 Microbiological and biochemical properties, R.W, Weaver y cols. 775- 883. Soil Science Soociety of America. TABATABAI, M.A., Y M. FUNG. 1992. Extraction of enzymes from soil. Xol 7 197-227. Nueva York. T.WILLIAMS, TRG. GRAY. Soil microorganisms. USA. Ed. 1991. http://www.ehu.es/biomoleculas/ENZ/ENZ1.htm#a http://www.ehu.es/biomoleculas/ENZ/ENZ3.htm http://www.ehu.es/biomoleculas/ENZ/ENZ.htm http://www.arrakis.es/~lluengo/enzimas.html#GlossA 73 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACION 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. Que es el suelo? Redacte una definición de microbiología del suelo. Quién es el considerado como padre de la microbiología y quién como padre de la microbiología del suelo? Cual fue el principal aporte de Winogradsky a la microbiología? Quién fue Robert Koch y cuáles son sus postulados? Como podría usted aplicar los postuados de Koch? De un ejemplo práctico Que entiende especie microbiana? Que entiende por diversidad de especies? Desde su punto de vista y de manera práctica, esquematice una aplicación de los microorganismos en la agricultura moderna. Cuál es la reacción bioquímica que sustenta la ida sobre el planeta? Que diferencias existe entre respiración y fotosíntesis? Determine la diferencia entre anabolismo y catabolismo. Cuáles son las principales enzimas encontradas en el entorno suelo y sobre qué sustratos actúa? Que es PCR? Enumere cinco aspectos importantes por los que se debe avanzar hacia estudios de biología molecular en los suelos colombianos. Determine la diferencia entre bacteria, hongo y actinomiceto. Si en Colombia la mayor parte de sus suelos presentan reacción ácida, cuáles microorganismos se verían favorecidos y cuáles afectados? Que consecuencias desde el punto de vista biológico tendría la práctica de corrección del pH con la utilización de Cal? Discuta brevemente sobre el papel de los microorganismos en los procesos de estructuración del suelo. Enumere cinco ejemplos prácticos que permitan verificar la importancia de la diversidad microbiana en el suelo. Discuta la relevancia que tienen los conceptos de cantidad y diversidad de especies microbianas en el suelo. 74 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 UNIDAD 2 INTRODUCCION Imagine que el suelo es una casa o un apartamento y los microorganismos del suelo sus habitantes, en la primera unidad encontramos la caracterización de sus habitantes, en esta unidad vamos a describir las instalaciones. Partimos del que el suelo es un organismo vivo, un consorcio de células vivas en una matriz órgano mineral. Ni las células vivas ni la composición de esta matriz son constantes, varían con el tiempo y el lugar. Los factores que influyen en la distribución microbiana del suelo son intrínsicos y extrínsecos. El objetivo de la unidad es establecer de que manera las características del ambiente – Suelo- influyen en la distribución de los microorganismos del suelo y contribuyen a determinar que procesos tendrán lugar y en qué localización. 75 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. CAPITULO 4. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 EL SUELO. El suelo como hábitat. La formación de un suelo a partir de la roca madre implica un conjunto de transformaciones físicas, químicas y biológicas enormes. Entre estas transformaciones, las de carácter biológico adquieren por su importancia y complejidad un papel trascendental. En efecto, los seres vivos, tanto vegetales como animales superiores e inferiores y microorganismos en general, condicionan el aporte de materia orgánica, sin la cual el detritus mineral producido por la desintegración fisicoquímica de las rocas solo representa un sustrato estéril, incapaz de sostener formas de vida organizada. Así pues, el suelo no debe entenderse solamente como un medio de cultivo ideal del cual los vegetales superiores extraen el alimento y sostén, sino también como un complejo sistema de vida en equilibrio, con abundantes formas vegetales y animales de tamaño y actividad muy diversos. Por tanto, al hablar de suelo debe entenderse algo vivo que da la vida a los propios organismos que lo pueblan. Sobre las manifestaciones de esta vida en el suelo, cabe decir que el suelo respira, asimila y desasimila, constituye auténticas reservas como el humus, de naturaleza compleja y mal conocida, que después, lentamente, vuelve a utilizar degradándolas y poniéndolas de nuevo a disposición de las plantas en forma asimilable. Para conseguir esto, el suelo se sirve de verdaderos “órganos”, a los que confía las diversas reacciones biológicas indispensables para el mantenimiento de la vida. Esos “órganos” son grupos de organismos causantes de los fenómenos metabólicos, en diversa medida y a diferentes niveles, a que se ven sometidas las sustancias organices e inorgánicas. Para facilitar su estudio, estos fenómenos son generalmente ordenados en ciclos; así se habla del ciclo del nitrógeno, del ciclo del carbono, etc., entendiendo por ello la cadena de importantes transformaciones que experimentan los compuestos orgánicos en el suelo antes de alcanzar formas minerales utilizables por las plantas. Al grupo de los mesoorganismos, además de las raíces de las plantas, pertenecen en el reino animal: moluscos, miriápodos, insectos, ácaros, nematodos y lumbrícidos fundamentalmente; al grupo de los microorganismos pertenecen: bacterias, actinomicetos, hongos, algas y protozoos. Lección 16. Formación y génesis del suelo. Factores Formadores de los suelos. Jenny, (1937), citado por Castro (1998), define Factor formador (figura 21) como un agente, fuerza o combinación de éstos, que influye o puede influir sobre el material parental de un suelo con el potencial de cambiarlo. Crea la siguiente ecuación para explicar que el suelo es función de factores formadores: 76 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 SUELO f (MP, Cl , Or, R, T ) Donde. MP: Material parental, T: Tiempo. Cl: Clima, Or: Organismos., R. Relieve. Figura 21. Representación gráfica del concepto a partir de factores formadores. Clima: El clima del planeta constituye un medio de alteración actuante sobre la superficie de la corteza terrestre, que ha evolucionado tanto en su aspecto geoquímica como físico. El primer aspecto a tener en cuenta es el clima ambiental, relacionado con aspectos como la precipitación, la evapotranspiración y la temperatura, elementos coadyuvantes de la formación de los suelos. Al ser Colombia un país mayoritariamente húmedo, el exceso de precipitación lava o lixivia las bases que están en el suelo y cationes tales como calcio, magnesio, potasio y sodio. Cuando estos elementos son eliminados, los suelos pasan a tener condiciones ácidas; contrario a lo expresado y, como ejemplos, en la región Caribe y en gran parte de los valles interandinos existen condiciones básicas o alcalinas. Lo primero explica 77 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 que grandes extensiones de Colombia presenten medios ácidos relacionados con el clima. En síntesis, el clima determina no solamente la presencia de organismos relacionados con él y que tienen efectos sobre los materiales de la superficie de la corteza terrestre y, en consecuencia con los suelos, sino con varias características de ellos, entre ellas su fertilidad. (Malagón, 1998; Castro, 1998; Lavelle, 2001). El Material Parental (Geología). Los materiales a partir de los cuales se originan los suelos. Las rocas sedimentarias y los sedimentos constituyen, aproximadamente, un 80% del país; las rocas ígneas y metamórficas de las cordilleras, del escudo Guyanés, Sierra Nevada de Santa Marta y núcleos cristalinos, ocupan el resto del territorio, obviamente referidos al material expuesto en la superficie de la corteza. Las rocas metamórficas en Colombia se ubican principalmente en la Cordillera Central y las rocas ígneas en ésta y en la Cordillera Occidental; no obstante, en ellas, amplias zonas reciben cenizas volcánicas, fenómeno importante para entender los suelos y su potencialidad agrícola en la región andina. El material original constituye un elemento pasivo en la formación del suelo. Sobre él actúan otros factores que lo transforman. El material original representa el estado inicial del sistema, que puede ser una roca, un depósito no consolidado o un suelo preexistente. Podríamos considerarlo como el suelo en el momento cero de su formación. La relación existente entre la formación de un suelo y el material del cual procede se basa en el tipo de material de partida, su comportamiento frente a otros agentes, los productos originados por la acción de la meteorización del material y las condiciones del ecosistema en que nos situamos, en especial régimen de precipitaciones y de temperatura. La meteorización de un material original da lugar a una capa que difiere de aquél en su composición y el tamaño de sus componentes (aumento o disminución de las fracciones correspondientes a arcilla, limo o arena). Las características que aporta el material original al suelo vienen a influir sobre el color, textura, estructura y pH, y esa influencia será más o menos acusada en función de la susceptibilidad de meteorización del material original, de sus características físicas y de las condiciones climáticas del ambiente en que tiene lugar el proceso de meteorización. (Malagón, 1998). Relieve. El factor formador topográfico se relaciona con el relieve y la posición del suelo en el paisaje. El relieve controla la redistribución de masa y energía, de ahí que en un determinado paisaje resulte posible distinguir superficies de erosión y de deposición. Las formas del relieve son cambiantes a lo largo del tiempo y van a afectar, estas variaciones, a los suelos que se formen en ellas. De este modo, en relieves estables los suelos formados alcanzarán mayor grado de desarrollo, en contraposición a los ubicados en topografías inestables. Los parámetros que definen el relieve son pendiente del terreno y longitud de aquella. FAO propone una clasificación del relieve en función de las pendientes observadas. 78 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los suelos ubicados en relieves llanos son profundos y se encuentran sometidos a mayores condiciones de humedad por acción de los niveles freáticos, ya que este se encuentra más próximo a la superficie, los situados en zonas de umbría son más ricos en materia orgánica, de color más claro en las zonas altas que en las llanas, los suelos situados en laderas orientadas al sur están más expuestos a la radiación solar y por tanto la temperatura es superior en ellos. En definitiva, el factor formador topográfico presenta muchas interrelaciones con el resto de factores formadores, lo cual redunda en que a niveles locales o regionales, este factor pueda tener un mayor peso específico en el desarrollo de los suelos. La relación suelo-paisaje no tiene un carácter general, sino que es función de la zona climática considerada. El clima condiciona los procesos de desarrollo edáfico que tienen lugar en las laderas, la meteorización, erosión, transporte y depósito de materiales y, por supuesto, condiciona la presencia de determinado tipo de vegetación de una región. (Malagón,1998; Castro,1998; Brady,1999 y Lavelle, 2001). Organismos. La microflora se encargará de todas las transformaciones bioquímicas sobre los restos orgánicos para poner a disposición de la vegetación los nutrientes en forma que puedan ser asimilados por las plantas. Esta acción también es llevada a cabo, si bien en menor medida, por los componentes de la microfauna. El papel de la meso y macrofauna está más orientado en la trituración de los restos y su mezcla con material mineral. Esta trituración hace que la actividad de los microorganismos aumente consiguiéndose elevadas tasas de actividad biológica y de nivel de nutrientes asimilables para la vegetación. Como principales acciones de los organismos sobre el suelo podemos destacar la aceleración de los procesos de meteorización física, química y biológica; el aporte de materia orgánica en cuanto a cantidad, distribución y naturaleza de los componentes orgánicos del suelo; la capacidad de cohesionar partículas al desarrollar la estructura del suelo por acción de la materia orgánica; la construcción de sistemas de huecos y poros favoreciendo la circulación de agua y aire y el crecimiento de las raíces; la capacidad de actuar como filtro frente a la radiación solar, la lluvia, el viento y sobre la escorrentía. (Malagón, 1998; Castro,1998; Brady,1999; Lavelle, 2001, Bonilla,1998). Tiempo. La evolución del suelo, su estado de desarrollo y madurez han sido durante mucho tiempo conceptos primordiales en la ciencia del suelo. Como ya indicamos al tratar el material original como factor formador de suelos, ese sería el tiempo cero de formación, el punto de partida para el inicio de una sucesión de episodios edáficos que den lugar a la formación de un nuevo suelo. También indicábamos que no necesariamente los suelos se desarrollan a partir de una roca consolidada. Puede ocurrir que un cambio en las condiciones ambientales de lugar a un nuevo ciclo edáfico. Esto puede deberse a la acción de factores ambientales que alteren el carácter y organización del suelo ya formado con anterioridad, dando lugar a la presencia de un material original e iniciándose la formación del individuo suelo. Así, un cambio en la topografía por causas geológicas o provocadas por la acción del hombre al acelerar la intensidad de procesos erosivos, o en la vegetación natural por un cambio climático o debido a talas indiscriminadas con el objetivo de introducir cultivos agrícolas o 79 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 instauración de praderas, o en la aparición de nuevos materiales por sedimentación o deposición, pueden dar lugar al inicio de procesos de formación de nuevos suelos. Los factores formadores del suelo actúan sobre el material original bajo un conjunto de procesos, y a través del tiempo tienden a conferir un estado de madurez al sistema suelo. Procesos de formación de los suelos. Las características climáticas y sus organismos asociados ejercen una acción dinámica sobre los materiales superficiales, especialmente a partir del Terciario y Cuaternario, los períodos más importantes para la formación de los suelos. Por la acción de los organismos en la superficie comienza una adición de materia orgánica sobre los materiales de la corteza, proceso común que actúa con el paso del tiempo y que influye en la transformación de los materiales que conforman el suelo. (Bonilla, 1998). El agua, la temperatura y los organismos ejercen su acción alterante sobre las rocas o sedimentos, considerados materiales parentales de estos cuerpos naturales; estas interacciones, con el tiempo, generan los suelos. Las etapas que se suceden para formar un suelo se observan en la figura 22. Cuando las rocas empiezan a desagregarse, los minerales presentes se alteran formando nuevos minerales y los elementos empiezan a tener su dinámica propia en el medio. Ciertos compuestos o minerales, junto con las arcillas formadas, pueden pasar de un horizonte a otro, originando acumulaciones en zonas específicas y generando otros horizontes. Muestra la figura un perfil de suelo que empieza a enriquecerse con materiales, tanto en superficie como en profundidad, de modo que, al avanzar el tiempo, se generan horizontes de acumulación específicos. A su vez, si hay exceso de agua en el suelo, pueden presentarse pérdidas relacionadas con lixiviación; adicionalmente, si el suelo no está protegido y se ubica en pendientes pronunciadas pueden presentarse pérdidas por erosión. (Paul y Clark, 1989; Bonilla, 1998). Horizontes Maestros. Las letras O, L, A, E, B, C, R, y W representan los horizontes maestros de los suelos (SSS, 2003). Horizontes O: Estrato dominado por material orgánico. Algunos están saturados con agua por largos periodos o estuvieron saturados pero drenados artificialmente; otros nunca han sido saturados. 80 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Figura 22. Procesos básicos en la formación del suelo. Procesos básicos en la formación del suelo. A= Aportes Fragmentación P= Perdidas T= Transformaciones Alteración Química. R= Reorganización Mezcla Agregación Translocación. Diferenciación. Procesos Básicos Fuente: adaptado de UGR, 2003 Horizontes A: Horizontes minerales formados en la superficie o por debajo de un horizonte O. Exhiben alteración de todo o gran parte de la estructura rocosa origina y presentan uno o ambas condiciones siguientes: (1) Una acumulación de materia orgánica humificada en mezcla con la fracción mineral y no esta dominado por propiedades o características de horizontes E o B o (2) Propiedades resultantes de practicas agrícolas, pastorea o formas similares de disturbación. Horizontes E: Horizontes minerales en los que la principal característica es la pérdida de arcilla silicatada, hierro, aluminio o alguna combinación de ellos dejando una concentración de partículas de arena y limo. Horizontes B: Horizontes que se han formado bajo un horizonte A, E, u O. están dominados por la destrucción de toda o gran parte de la estructura de roca original y muestran una o más de las siguientes características: Concentración iluvial de arcillas silicatadas, hierro, aluminio, humus, carbonatos, yeso o sílice, solos o en combinación. Evidencia de remoción o adición de carbonatos. Concentración residual de óxidos. Revestimientos de sesquioxidos que hacen que el horizonte presente valores de value bajo, alto croma, o más rojo en hue, sin iluviación aparente de hierro. 81 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Alteración que forma arcilla silicatada u óxidos libres o ambos y que forman estructuras granulares, blocosas o prismáticas si los cambios en volumen están acompañados por cambios en el contenido de humedad. Friable Fuerte gleyzación. Horizontes C: Horizontes excluyendo aquellos fuertemente cementados y roca endurecida que están poco afectados por procesos pedogenéticos y carecen de propiedades de horizontes O, A, E o B. El material de éste horizonte puede o no ser el material a partir del cual presumiblemente se ha formado el suelo. El horizonte C puede haber sido modificado aún sin presentar evidencias de pedogénesis. Estrato R: Fuertemente cementado o roca endurecida. El suelo como soporte de vegetación. La vegetación muestra su principal influencia sobre el horizonte A que es predominantemente orgánico dentro de los horizontes minerales. En él se produce el depósito de los restos vegetales, su descomposición, su humificación y eventualmente la formación de complejos con el material mineral. Los restos vegetales, cuando se depositan en la superficie del suelo, sufren un proceso de trituración por parte de, la micro y mesofauna del suelo, al tiempo que ellos mismos desarrollan un proceso de autólisis como les ocurre a todos los seres vivos cuando dejan de serlo. Los restos triturados junto con las deyecciones de los animales, en las que éstos aparecen íntimamente mezclados con los microorganismos presentes. El aumento de superficie que provoca la trituración favorece el ataque de las bacterias y principalmente, en esta primera etapa, de los hongos, que atacando la lignina y la celulosa, van destruyendo las paredes celulares y haciendo cada vez más irreconocible la estructura vegetal original. En esta etapa se va consumiendo carbono, que es utilizado como combustible para la obtención de energía por los microorganismos y el nitrógeno se va incorporando a la nueva biomasa formada, si bien éste permanece en el suelo, lo que conlleva una disminución de la relación C/N. Esta relación es un buen parámetro para evaluar el grado de transformación de los restos vegetales Pasada esta primera fase, intervienen otros miembros de la fauna que no viven en la hojarasca sino en el suelo mineral y que se desplazan verticalmente con los cambios de humedad y temperatura, lo que favorece la incorporación de la materia orgánica a zonas más profundas, a la vez que favorecen la intervención de las bacterias que realizan una transformación más profunda, éstas van atacando las proteínas y otros compuestos y liberando nitrógeno orgánico, que permita su asimilación por parte de los hongos, que son incapaces de asimilarlo en forma mineral. Cuando se adicionan al suelo restos orgánicos muy pobres en nitrógeno, los microorganismos deben tomarlo del que existe en el suelo como compuestos húmicos 82 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 y, si éste es escaso, la actividad biológica se atenúa o desaparece y los materiales añadidos no pueden transformarse. De cualquier manera se produce una competencia entre los microorganismos y los vegetales superiores que presentarían carencias en este nutriente. Los restos vegetales poseen compuestos aromáticos constituidos fundamentalmente por lignina, taninos, esencias, resinas, etc. y por compuestos alifáticos cuyos principales representantes son la celulosa, los azúcares y las proteínas. Los primeros generan por polimerización, grandes macromoléculas aromáticas que sirven de núcleo a las sustancias húmicas propias del suelo. De los compuestos alifáticos se forman azúcares sencillos y aminoácidos que se incorporan a los cuerpos bacterianos, que van excretando nitrógeno mineral capaz de absorberse por las plantas superiores. En este proceso puede incorporarse nitrógeno atmosférico si existen fijadores del mismo, libres o simbiontes con raíces, bien bacterias u hongos micorrícicos. De los compuestos húmicos formados podemos destacar dos grandes grupos, los precursores constituidos por ácidos polialcohólicos sencillos con un fuerte carácter complejante, que son capaces de movilizar elementos tan poco solubles como el hierro o el aluminio en forma de quelatos que alcanzan la parte inferior del suelo en donde se descomponen y forman horizontes profundos ricos en materia orgánica que se conocen como horizontes “B espódicos” que caracterizan a los suelos denominados “podsoles” o “espodosoles”, según la clasificación. Los compuestos húmicos polimerizados y condensados también forman complejos con la parte mineral del suelo, si es con la arcilla, los complejos son inmóviles y permanecen en el horizonte A y si lo hacen con los óxidos y oxihidróxidos citados su movilidad está en función de la relación anión/catión, que si es baja los hace inmóviles y si es alta los hace móviles y semejantes a los ya citados. Lo ya expuesto se puede comprobar en algunas áreas de esta Comunidad y sobre todo en suelos sobre granito. Con una vegetación fuertemente acidificante como el brezo, cuyos restos son muy ricos en lignina y esencias muy difíciles de humificar y que generan precursores húmicos con gran profusión, el proceso de queluviación es predominante y aparece como suelo típico el podsol ya citado. A medida que la vegetación se hace menos acidificante como es el caso del roble el horizonte B espódico se hace menos conspicuo e incluso desaparece y queda un horizonte B cámbico en el que no hay movimiento de coloides y el horizonte A adquiere un notable espesor por la permanencia de los complejos formados. La introducción del cultivo (cerezo) no modifica sensiblemente los horizontes inferiores pero sí hace disminuir el espesor y oscuridad del horizonte superior, en parte porque la adición de restos vegetales al suelo se hace menor y, sobre todo, porque la labranza airea el suelo y favorece los procesos oxidativos de mineralización de la materia orgánica reduciendo su tiempo de renovación y por tanto bajando su contenido 83 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La relación de las plantas superiores con el suelo es tan amplia y completa que la estudiamos a lo largo de los diferentes capítulos del programa. Además el papel fundamental del estudio del suelo es hacer de él un hábitat óptimo para las plantas, de aquí que todo gire en torno a la planta aunque no podamos reducir la relación suelo planta a un epígrafe sencillo dentro del contexto general del suelo como hábitat. Existe un intercambio continuo de sustancia entre el suelo y la planta, pero son fundamentalmente sus raíces las que, al estar en íntimo contacto con el suelo, afectan de forma más intensa a la formación, la evolución y la degradación de este. En la relación suelo planta se han de considerar dos aspectos primordiales: Suelo como soporte de la Vegetación. Soporte físico y como aportante de nutrientes. Aporte de Nutrientes: La fertilidad de un suelo depende de la cantidad, disponibilidad y relación entre los diferentes elementos nutritivos, además de una serie de factores físicos. La presencia de nutrientes esta ligada a los procesos bioquímicas que tienen lugar en el suelo y de los que son actores principales los microorganismos. Fauna del suelo. En el suelo están representados una gran mayoría de los componentes del reino animal, si bien el predominio corresponde a los invertebrados. Entre ellos la mayoría de las clases de vida terrestre aparecen en el suelo y algunos con una importancia decisiva en la formación de éste estando en continuo contacto y por tanto, existiendo diferentes factores que influencian su presencia (figura 23). Su principal acción es la relacionada con la transformación de la materia orgánica si bien actúan también como minadores, favoreciendo la formación de estructuras estables en los horizontes superficiales. También los vertebrados aparecen en el suelo pero con una frecuencia mucho menor. Excepto los peces, todos los restantes poseen especies que habitan en el suelo de forma permanente o esporádica. Los más abundantes y notorios son los mamíferos como el topo, cuya vida la desarrolla íntegramente en el suelo, el ratón, el conejo, que lo utilizan como asiento de sus moradas. También lo hacen algunos reptiles e incluso ciertas aves, si bien no pueden considerarse como fauna edáfica. En algunos suelos no perturbados se presentan animales de la familia de los múridos en número apreciable, principalmente ratones y topos; esto ocurre fundamentalmente en los suelos forestales y de pradera y en menor grado en algunos pastos. Aunque el peso total por hectárea es pequeño, del orden de unos 6 kg en los suelos forestales y hasta 11 en las superficies abiertas, pueden ser causa muy importante de la soltura de las capas superficiales del suelo al perforar con sus túneles y nidos; muchos de ellos transportan también cantidades apreciables de suelo profundo o de subsuelo y lo dejan sobre la superficie formando montículos. En algunos suelos semiáridos los mamíferos horadan las capas mas profundas del subsuelo y estos túneles se llenan a lo largo del tiempo con suelo superficial rico en 84 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 humus; muestran así numerosas galerías de suelo oscuro en el espesor del subsuelo muy claro y pobre en humus. La importancia de los vertebrados estriba en su carácter minador y mezclador de los diferentes componentes del suelo aparte de constituir una buena fuente de residuos orgánicos. A pesar de su gran masa unitaria ninguna especie supera en masa total a la existente de invertebrados. Realmente el único vertebrado que ejerce una fuerte acción sobre el suelo es... el hombre. Factores que influyen en la distribución microbiana del suelo. Intrínsicos. Relacionados Extrínsecos. Proceden del con estructura y función de los microorganismos 1. Mecanismos de persistencia (esporas). 2. El tamaño. 3. La motilidad. 4. pH del suelo. 5. Características estructurales ( tallos, zarcillos, filamentos). 6. Las cualidades bioquímicas. suelo y del ambiente 1. Estructura del suelo. 2. La atmósfera del suelo 3. Precipitación y agua del suelo. 4. pH del suelo. 5. La temperatura atmosférica y del suelo. 6. El potencial de oxidación y reducción del suelo. 7. La radiación solar. 8. El viento y la humedad relativa. Figura 23. Factores que influyen en la distribución microbiana del suelo. Lección 17. Los agregados y poros del suelo. El suelo esta compuesto por, material mineral, materia orgánica, aire y agua figura 24, El material mineral del suelo está compuesto por tres fracciones; arena limo y arcilla. La textura de un suelo se refiere a la cantidad de estos materiales en el suelo. Las partículas se han clasificado de acuerdo al tamaño de su diámetro: Arena. (2.00 - 0.05 mm, USDA) (2.00-0.02 mm, ISSS) Limo. (0.05 - 0.002 mm, USDA) (0.02-0.002 mm, ISSS) Arcilla. (< 0.002 mm) 85 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Y la proporción de cada fracción determina la textura del suelo. La arena, limo y FASE GASEOSA arcilla se adhieren entre si y forman agregados. FASE LIQUIDA Agua FASE SÓLIDA •Componente mineral •Componente orgánico •Aire SUELO Materia Orgánica Minerales Agua Aire Figura 24. Composición del suelo. Los agregados no presentan un aspecto uniforme y su tamaño varia enormemente. De esta manera los micro agregados tienen un diámetro inferior a 250mm, mientras que los macro agregados un diámetro superior a este. El adhesivo que mantiene unidos los agregados esta compuesto por minerales inorgánicos precipitados o sustancias humitas. Los macroagregados presentan poros más grandes, una mayor ventilación, mayor movimiento de agua, difusión y ocupación microbiana. Tienden a sujetarse entre si mediante las raíces, hifas y polisacáridos. Poseen alta actividad metabólica comparada con los microagregados. La formación de agregados empieza cuando la microflora y las raíces producen filamentos y polisacaridos que se combinan con las partículas del suelo, como las arcillas para formar complejos de materia orgánica y mineral. Los agregados tienen formas y tamaños distintos de acuerdo con la acción de las fuerzas físicas: Procesos de secado y mojado Contracción y expansión. Congelación y descongelación. Crecimiento de las raíces. Movimiento animal. Compacidad Actividades propias de arado en suelos agrícolas. Los Poros. Los agregados no son enteramente sólidos, contienen espacios abiertos denominados poros, el tamaño de los poros es importante, ya que regula la entrada y la 86 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 colonización de los microorganismos. Por otra parte el tamaño de los poros influye en la difusión del agua y el aire a través de los agregados. La población de microorganismos de los agregados es regulada por el agua del suelo y el tamaño de los poros. Los microorganismos suelen ocupar entre 0,2 y 0,4% del espacio correspondiente de los poros de los agregados, si bien resulta más habitual encontrarlos en el exterior. Los organismos presentes en el interior de los agregados pueden haberse quedado atrapados cuando estos se formaron y permanecer allí hasta que se dispersen. Por otra parte los microorganismos presentes dentro o sobre los agregados pueden ser metabolitamente activos, dependiendo de la disponibilidad del carbono, los hongos pueden situarse en el exterior de los agregados. Lección 18. Agua y aire en el suelo. Atmósferas del Suelo. Los poros están llenos de agua y gas. Los gases más importantes de la atmósfera también están presentes en el suelo. En los suelos bien ventilados esto significa que los gases más importantes son: el nitrógeno 79%, el oxigeno 20%, y el dióxido de carbono (CO2) de 1- 10 % este elemento es mas concentrado en el suelo que en la atmósfera donde su concentración es de 0.03% o 300ppm. El oxigeno disminuye puesto que es consumido por los microorganismos y por su parte la concentración de CO2 aumenta debido a la respiración. En un suelo con un elevado contenido de arcilla, o con considerable respiración microbiana y de materia orgánica, el CO2 puede llegar hacer del 10% de la atmósfera del suelo. El dióxido de carbono desaparece la mayor parte de las veces mediante la difusión atmosférica, si bien parte de el se disuelve en el agua del suelo, de modo que el ácido carbónico resultante (H2CO3) contribuye a la disolución gradual de los minerales en el suelo. Otros gases que se forman mediante la actividad metabólica microbiana son: Metano (CH2), el oxido nítrico (NO), Oxido nitroso (N20), el etileno (C2H2) y el hidrogeno gaseoso (H2). Existe limitaciones físicas respecto al movimiento de los gases en el suelo, particularmente los gases disueltos en el agua, la solución del gas en el agua depende de: 1. Tipo de gas (gases ionizables; CO2, NH3, y el H2S son más solubles que gases como el N2. 2. La temperatura, la solubilidad decrece a medida que aumenta la temperatura. 3. La salinidad. 4. La concentración de gas en la atmósfera. La difusión de los gases a través del agua es mucho más lenta que a través del aire, la razón por la cual la gente se ahoga no es porque el agua carezca de oxigeno, sino a que el oxigeno del agua no puede difundirse con la suficiente rapidez el tejido pulmonar como para contribuir a la vida. Un espacio poroso con menos de 10% de aire indica una ventilación pobre para los organismos que requieren oxigeno como las plantas., y 87 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 por otra parte las transformación de las condiciones del suelo (de aerobio a anaerobio) tiene lugar en un poro tonel 1% de aire. Algunas plantas acuáticas, están adaptadas a condiciones de anegamiento, ya que contienen en sus tallos unas cámaras de aire llamadas aerénquimas que son transportadores de oxigeno de las hojas a las raíces. El intercambio de la atmósfera del suelo con el aire superficial varía de acuerdo con: El contenido de humedad. El grado de agregación de las partículas del suelo y el tamaño de los poros. Los gradientes térmicos. Condiciones climáticas (viento) El tipo de manto vegetal. Asimismo, existe un control biológico del gas atmosférico del suelo a través de la respiración de las raíces. De la respiración total que tiene lugar en los suelos, entre el 20 y el 40% se debe a la respiración de la raíces, mientras que el resto es de origen microbiano. Los gases asociados con el metabolismo anaerobio suelen observarse en suelos bien ventilados. Esto sugiere que existen fuentes aerobias de estos gases o bien que el suelo no esta bien ventilado. Efectivamente las dos condiciones pueden ocurrir. Las poblaciones de bacterias anaerobias pueden ser 10 veces más elevadas en las capas superficiales del suelo, debido a su supuesta buena aireación, que en las capas inferiores. ¿Por qué razón? Una teoría explica que se trata de bacterias metabólicamente inactivas que reviven solo cuando se cultivan en condiciones anaeróbicas durante su cuantificación. Otra teoría sostiene que viven y crecen en micro áreas anaerobias. Superficie del suelo. Los microorganismos no están regularmente distribuidos por la superficie de los minerales del suelo. Estos suelen encontrarse en micro-colonias que mas adelante pueden convertirse en biopeliculas, fundamentalmente en ambiente acuáticos. La colonización microbiana ocurre en manchas. Así los microorganismos tienden a formar bloques y solo son metabolitamente activos en presencia de agua tipo oasis favorables al crecimiento y reproducción con disponibilidad de carbono. A demás de proporcionar a los microorganismos una superficie a la cual fijarse, los suelos presentan o tros efectos sobre los microorganismos, estos pueden ser positivos y negativos. De esta manera, los efectos indirectos son la conservación de pH, así como la protección contra el desecamiento, los virus, los protozoos, la cloración y la radiación. 88 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Lección 19. Coloides del suelo y microorganismos . La arcilla y los Microorganismos del suelo. La arcilla es el componente mineral dominante que influye en los microorganismos de la mayor parte de los suelos. Los histosoles, que son fundamentalmente orgánicos, constituyen la excepción que confirman la regla. Las partículas de arcillas tienen un diámetro de 2mm tamaño cercano al de los microorganismos. Presentan un alto poder de dispersión y una elevada superficie por masa unitaria, así como una carga negativa neta. Las arcillas son muy reactivas químicamente pero a veces por su tamaño se condensan firmemente, limitando el espacio entre poros. Las arcillas influyen en la actividad microbiana, modificando las características físicas y químicas del hábitat microbiano. Existen informes contradictorios acerca de la forma como las arcillas afecta el metabolismo microbiano. Todo depende de las condiciones del experimento. El efecto de una arcilla específica sobre un microorganismo puede estar enmascarado ya que suele medirse el metabolismo combinado de todos los microorganismos del suelo. El agua adsorbida a las superficies de las arcillas es más viscosa y se congela a temperaturas más bajas en comparación con el agua que circunda libremente. Esto hace que el agua adsorbida esté menos disponible para el metabolismo de los microorganismos. De hecho algunos prefieren crecer en la superficie de las arcillas donde el agua resulta fisiológicamente más disponible. Hasta la fecha no se conoce si la arcilla tiene algún efecto sobre la fijación del nitrógeno, la conversión del amonio en nitrato, ni acerca de la disponibilidad de nutrientes esenciales. Por otra parte las arcillas ofrecen cierta protección contra el desecamiento. Los compuestos orgánicos que están firmemente adheridos a las arcillas no están disponibles como nutrientes. Materia orgánica. La materia orgánica del suelo procede de los restos de organismos caídos sobre su superficie, principalmente hojas y residuos de plantas. Este material recién incorporado es el que se conoce como “materia orgánica fresca” y su cantidad varía con el uso o vegetación que cubra al suelo. La materia viva en el momento en que deja de serlo, comienza un proceso de descomposición o autolisis provocado por los propios sistemas enzimáticos del organismo muerto. Además sirve de alimento a numerosos individuos animales que habitan en la interfase entre el suelo y los detritus que lo cubren. En esta fauna predominan artrópodos de diversas clases y gran número de larvas, sobre todo de insectos. El papel de esta fauna es doble, por una parte digieren los restos y los transforman dejando en su lugar sus excretas, en las que aparecen sustancias más sencillas mezcladas con microorganismos de su intestino y del propio suelo, que fueron ingeridos con los restos; de otra parte realizan una función de trituración que provoca un incremento notable de la superficie de los restos y que ayuda al ataque de los microorganismos de vida libre que habitan en la hojarasca o en las capas altas del 89 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 suelo. Estos primeros fragmentos presentan una estructura vegetal reconocible hasta que se inicia el ataque de los hongos, que son los primeros microorganismos que se implantan sobre los restos vegetales Ahora bien la materia orgánica no se acumula indefinidamente en el suelo sino que los procesos de oxidación, dan lugar a las sustancias húmicas, continúan, así como la acción microbiana, que puede utilizar las sustancias húmicas formadas como sustrato nutritivo y provocar su descomposición y “mineralización”, con lo que se cerraría el ciclo biogeoquímico de los elementos. Lección 20. Diversidad y Distribución de los Microorganismos. Un concepto de interés creciente es la salud del suelo o la calidad del suelo. El número, la diversidad, y la distribución de los microorganismos reflejan la productividad general del suelo. Los microorganismos participan en la génesis de su ambiente así forman parte de la biota en la ecuación de Jenny relacionada con los factores de formación del suelo ¿Cuáles son las características de un suelo fértil y productivo? En términos de calidad del suelo constituyen la cualidad de funcionar dentro de las fronteras de un ecosistema para sostener la actividad biológica, mantener la calidad ambiental y promover las salud vegetal y animal,(Sims y cols, 1997). En el suelo los microorganismos son menos numerosos a mayor profundidad, fundamentalmente porque disponen de menor cantidad de materia orgánica para su desarrollo. Al mismo tiempo se a identificado mayor población en suelos ricos en arcillas y limos que en suelos arenosos, los materiales de textura más finos suelen almacenar mayor cantidad de alimento a si mismo generalmente estos son mas abundantes en la primeras capas freáticas. La filosfera: Un buen numero de habitantes del suelo, microorganismos habitan en la superficie de las hojas de las plantas, la filosfera. Estos microorganismos dependen del clima y del tipo de planta. Por otra parte la mayor parte de la planta contienen endositos, bacterias y hongos que viven en espacios intracelulares de tallos pecíolos, raíces y hojas, (Carroll, 1988). Pero los organismos situados a unos cuantos centímetros de allí, en el interior del suelo pueden diferir sustancialmente del grupo de la filosfera y entre si debido a la presencia de raíces de las plantas, de esta manera estas poblaciones se ven afectada por la especie vegetal esto se conoce como el efecto de la rizosfera, que divide el suelo en tres partes. La masa del suelo, No afectada por plantas a menos de 5 milímetros de la raíz. El suelo de la rizósfera, es el área alrededor de las raíces de las plantas afectada por la actividad metabólica (respiración, exudados), tratándose generalmente al suelo que se adhiere a las raíces. El Rizoplano el área de interacción de la planta y el suelo, conocido también como histofera o cortosfera). 90 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los microorganismos de la rizósfera, se caracterizan por ser saprofitos y patógenos, alóctonos y autóctonos maximizan su tasa de crecimiento a costa de la supervivencia cuando escasea la fuente de alimento y aprovechan mejor los recursos disponibles, generalmente prefieren carbono orgánico como fuente energética. La relación raíz/suelo R/S, refleja la población de microorganismos alrededor de la raiz, En comparación con la masa del suelo. Dicha relación suele ser de 10 a 50, lo que significa que existe de 10 a 50 veces más microorganismos en el área que rodea la raíz que en el suelo circundante. Rizósfera. En un sentido estricto, la rizósfera es la parte del suelo inmediata a las raíces, tal que al extraer una raíz, es aquella porción de tierra que resta adherida a la misma. Se considera así dado que las características químicas y biológicas de la rizósfera se manifiestan en una porción de apenas 1 mm de espesor a partir de las raíces. Sin embargo, debido a la densidad de raíces que emiten las plantas, se puede considerar la rizósfera de una forma más amplia, como la porción de suelo que en la que están las raíces de las plantas. En esta zona se dan toda una serie de relaciones físicas y químicas que afectan a la estructura del suelo y a los organismos que viven en él, proporcionándole unas propiedades diferentes. Se pueden destacar dos características de la rizósfera: Presencia de numerosos organismos en mayor densidad que en el suelo normal. Organismos como bacterias, hongos (micorrícicos o no), y microfauna, como por ejemplo nematodos. La otra característica notable es la estabilidad de las partículas de suelo, tanto por la acción mecánica de las raíces, como por la acción agregante de los exudados de los diferentes organismos presentes (plantas y microorganismos). La concentración de raicillas, y por tanto la superficie absorbente, varía bastante según las condiciones del medio o el estado vegetativo de la planta. La deficiencia alimenticia incide en el desarrollo de la planta, y por ello también de sus raíces. Por ejemplo, una baja presencia de calcio en el suelo limita el desarrollo radical. Otro ejemplo es la respuesta negativa ante condiciones de sequedad o de saturación del suelo. También indicar que la distribución de las raíces también varía según la fructificación. En una experiencia con manzanos de Crimea con deficiencias minerales, se comparó su rizósfera con la de árboles sanos. Los investigadores observaron que en la rizósfera de los árboles con problemas había mayor cantidad de bacterias desnitrificadoras, así como actinomicetos y hongos. También se indicó una mayor actividad alelopática. 91 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Convivencia en la rizósfera. Sin considerar a los insectos, en el suelo deben convivir, por una parte, las raíces de las plantas, en competición por los recursos, y, por otra parte una enorme cantidad de microorganismos. Estos aumentan en número relativo en la cercanía de las raíces. Por lo que respecta a la convivencia entre plantas, a medida que aumenta la proximidad entre raíces, la competencia por el espacio, y por tanto por agua y alimento, se hace mayor. En la zona común que engloba la rizósfera de ambos vegetales, la emisión al suelo de substancias alelopáticas está justificada. En ocasiones, a través de las micorrizas hay una cierta conexión entre raíces de diferentes plantas, por lo que entre otras substancias, las alelopatinas pasan de uno a otro vegetal. Respecto a los microorganismos, en la proximidad de las raíces suele hallarse gran cantidad de bacterias con mayor o menor especificidad respecto dicha zona del suelo. Se comprueba la importancia de las relaciones entre plantas y otros organismos en la rizósfera. Por ejemplo, en una experiencia de inoculación bacteriana en el suelo previamente esterilizado de un cultivo de trigo, se observó como la presencia de Azotobacter chroococcum, Azospirillum brasilense, o Streptomices mutabilis, incrementaba el crecimiento de las plantas. Además de estimular el crecimiento de las plantas, se observó que la presencia bacteriana aumenta la cantidad de nitrógeno, fósforo y magnesio, así como de azúcares en los tallos de trigo. También se observó que la cantidad de ácido indolacético en los tallos de trigo y en la rizósfera aumentaba. El investigador, El Shanshoury, indica una interacción entre las bacterias cuando la inoculación es dual, aumentando o disminuyendo las poblaciones relativas. Es de gran interés destacar que diversas bacterias de la rizósfera muestran antagonismo hacia hongos patógenos. Por ejemplo, en una experiencia, M.Yasuda y K.Katoh, contabilizaron los tipos de bacterias presentes en el suelo de cultivo de melocotoneros y de manzanos, observando que de 142 tipos de bacterias aeróbicas halladas, 51 lo fueron en las raíces de melocotonero, 48 en las de manzano, y 43 en el suelo. La mayoría de cepas bacterianas aisladas en las raíces fueron del género Agrobacterium, de las cuales aproximadamente el 40% mostraron antagonismo hacia Rosellinia necatrix. La aplicación de pesticidas y fertilizantes afectan bastante a la población de la rizósfera, tanto en su cantidad como en la presencia de especies concretas. Si bien la fertilización mineral, aplicada con mesura, suele tener un efecto beneficioso respecto la población microbiana, propiciando su desarrollo, altera la proporción de las especies presentes. Por lo que respecta a la mesofauna, generalmente se ve perjudicada por la toxicidad y salinidad puntualmente propiciadas. Productos bioquímicos exudados al suelo. Además de los productos liberados al suelo por los microorganismos, las plantas emiten por sus raíces multitud de substancias, tanto de desecho como con fines concretos. Entre estas últimas hay 92 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 productos atrayentes de bacterias y hongos de la rizósfera, atrayentes de bacterias simbiontes por parte de las leguminosas, alelopaticas, etc. Entre los exudados vegetales se distinguen, según su naturaleza, azúcares, aminoácidos, ácidos orgánicos, lípidos, vitaminas, proteínas (enzimas), etc. El tipo y cantidad de estos compuestos varía bastante de una planta a otra. También debe tenerse en cuenta que, junto a las substancias exudadas, también se liberan a la rizósfera los restos orgánicos de las raíces en sus procesos de crecimiento. Según su función, entre los múltiples exudados de los organismos de la rizósfera se puede destacar: Mucílagos y otros productos con capacidad de agregación de partículas del suelo. Atrayentes (podrían considerarse alelosubstancias) Enzimas. Fito-hormonas. Compuestos con función secuestrante o disolvente de elementos minerales. Diversos componentes de los exudados de las plantas tienen una influencia notable sobre los agregados del suelo, y por ello en la estructura del mismo. También muchos exudados microbianos cumplen esta función. Los atrayentes segregados por los vegetales tienen como misión atraer y favorecer el establecimiento de colonias de bacterias u hongos simbióticos o favorecedores para el vegetal. Por ello, los atrayentes pueden considerarse como alelosubstancias. Por otra parte, la capacidad de crecimiento bacteriano se ve favorecida por la presencia de las plantas y sus exudados, observándose incluso una correlación entre la biomasa de raíces y la biomasa microbiana. Los enzimas, producidos básicamente por microorganismos pero asimismo por plantas, también están presentes en la rizósfera. Por ejemplo, se han identificado fosfatasas, proteasas, ureasas, glutaminasas, o deshidrogenasas. La acción de estas proteínas acelera el aprovechamiento de moléculas orgánicas presentes en el suelo. En el caso de los vegetales, la rotura de cadenas orgánicas y macromoléculas facilita su absorción por las raíces. Las enzimas ven su actividad favorecida o limitada en función de las condiciones del ambiente (pH, temperatura, aireación, textura del suelo, etc.). A su vez, las plantas tienen capacidad para variar el pH del suelo, y por ello influir en la presencia de microorganismos. Diversos microorganismos del suelo son capaces de producir y segregar las diferentes hormonas vegetales. Por ejemplo, se pueden citar algunas bacterias de los géneros Azotobacter y Pseudomonas como productoras de citoquininas, principalmente a partir de la adenina. El ácido indol acético parece ser un producto habitual del metabolismo de los microorganismos del suelo, tanto hongos como bacterias. 93 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Por otra parte, la síntesis de etileno es bastante común en la rizósfera, a partir de los exudados vegetales. Las plantas también exudan por las raíces pequeñas cantidades de hormonas vegetales capaces de afectar a otros vegetales inmediatos. Se ha observado cómo las plantas son capaces de emitir pos sus raíces substancias con una acción más o menos secuestrante o complejante de elementos metálicos, generalmente ácidos orgánicos. Mediante una acción sobre el pH de la rizósfera y los agentes complejantes, los vegetales pueden aprovechar mejor los metales presentes en el suelo. Las investigaciones principalmente se centran en la capacidad de aprovechar el hierro, de ahí que a estas substancias con capacidad secuestrante se les llame sideróforas. Sin embargo, este nombre está pasando a denominar genéricamente las substancias capaces de solubilizar metales, poniéndolos al alcance de las plantas o bacterias. En el caso de plantas se les da el nombre de substancias fitosideróforas. Además de las substancias sideróforas, la modificación del pH y del potencial redox del suelo por parte de las plantas también influye en la accesibilidad de diferentes elementos minerales. La capacidad de modificación del pH y la extensión de ésta depende de la especie en concreto, tal como indican los investigadores R.A. Youssef y M. Chino. Por ejemplo, en la rizósfera, el potasio y el calcio están más disponibles para los vegetales que en el resto del suelo. Esta capacidad varía según la planta y el momento vegetativo, tal que unas especies tienen más capacidad que otras para mantener disponibles dichos cationes. Por otra parte, se puede citar los trabajos de E. Lykhmus sobre la variación del potencial redox en una comunidad con especies dominantes del gen. Myrtillus. Dicho investigador observó cómo había notables variaciones en el potencial de un año al siguiente, así como durante la época de crecimiento. Estas variaciones eran debido al efecto de las plantas, ya que se constató una considerable diferencia de influencia entre las diferentes asociaciones vegetales. Aparte de sus diferentes funciones, el conjunto de estos exudados actúa como señal química no deseada frente a nematodos y patógenos. Estos tienden a localizar las raíces a través de sus exudados, y se localizan allí donde éstos se liberan en mayor cantidad. Según diferentes investigaciones, es en la zona meristemática adyacente a la radícula donde la exudación es mayor. Es interesante señalar que en ocasiones algunos compuestos pulverizados a las hojas se translocan por la planta y en parte son excretados por las raíces. Algunas veces la cantidad exudada es suficientemente grande como para afectar a plantas vecinas. Debe considerarse el efecto de las aplicaciones fertilizantes a las hojas, tan frecuentes para corregir carencias minerales. El efecto de esta aplicación es la modificación de los procesos biosintéticos, de manera que también se modifica la excreción, enriqueciéndose en unas substancias y empobreciéndose en otras, según el 94 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 fertilizante. La modificación de los exudados de las raíces causa una modificación de la distribución y densidades de los microorganismos de la rizósfera. Gases en la rizósfera. En la rizósfera también se da una producción de gases, como son el metano, el hidrógeno y el anhídrido carbónico. En el caso del arroz, el metano se sintetiza principalmente en la zona de la rizósfera pero no en las raíces, mientras que el hidrógeno y el anhídrido carbónico son liberados tanto por parte de los microorganismos como de las raíces. El comportamiento de los gases en la rizósfera y en el suelo en general es poco conocido, pero puede deducirse de su estructura química. Así por ejemplo, las moléculas de poco peso molecular y poca polaridad deben distribuirse por la atmósfera del suelo mediante procesos de difusión. En cambio, es muy probable que las moléculas mayores y/o con polaridad sean adsorbidas con mayor o menor fuerza por la materia orgánica, y en los lugares de intercambio catiónico. En una experiencia, C.W. English y R.C. Loehr investigaron el comportamiento en el suelo de tres moléculas orgánicas volátiles, el benceno, el tricloroetileno, y el oxileno. Dichos investigadores indicaron que en el paso de estas substancias a través del suelo se da una disminución de la cantidad. Se deduce por ello la adsorción de parte de las moléculas. Entre los compuestos volátiles presentes en la rizosfera también hay alelosubstancias, como se desprende de la experiencia de J.M. Bradow y W.J. Connick Jr.. Estos investigadores observaron cómo la germinación y desarrollo de diferentes semillas (algodón, zanahoria y tomate) eran inhibidos por diferentes compuestos volátiles emitidos a partir de restos de diversas malas hierbas y cultivos. Ciclo de nutrientes. El ciclo de nutrientes de los ecosistemas terrestres tiene en la rizosfera un punto de gran importancia. Los elementos extraídos del suelo por las plantas y utilizados en la biosíntesis, vuelven al suelo como materia orgánica, que se descompone en las capas superiores y, tras sucesivos ciclos de degradación, pasa a formar parte integrante del humus, o se mineraliza. Pueden volver entonces a ser utilizados por los vegetales, cerrándose el ciclo. Debe indicarse la capacidad de los vegetales para enriquecer las capas superficiales del suelo, ya que toman elementos desde horizontes más profundos y los incorporan a sus tejidos. Estos al morir pasan a formar parte de los horizontes superficiales. Gracias al ciclo de nutrientes los suelos no se empobrecen con el tiempo, a menos que las condiciones de percolación, arrastre, o erosión superficial sean severas. Se puede indicar el caso de las selvas tropicales, donde, a pesar de la lluvia diaria, se mantiene la riqueza global de elementos minerales. Estos no están en el suelo sino en las plantas, y merced al ciclo de nutrientes, se puede mantener un gran crecimiento vegetal, ya que los restos orgánicos son inmediatamente aprovechados. La desaparición de la cubierta vegetal implica la pérdida de la riqueza mineral, además de la desprotección del terreno. Aunque de forma no tan acusada, este fenómeno también se da en bosques de zonas templadas y frías. 95 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Por otra parte, aunque no participen directamente en el ciclo de nutrientes, todos los organismos del suelo se benefician de éste. Por ello, numerosas propiedades del suelo, entre ellas su estructuración gracias a los exudados orgánicos, se ven beneficiadas si la vida del suelo se mantiene en buenas condiciones. Los microorganismos que participan en la degradación de substancias orgánicas son también muy beneficiosos gracias a su acción detoxificadora, tanto de alelopatinas como de plaguicidas y otros tóxicos externos. En los cultivos, la necesidad de abonado se debe, por un lado, a la salida de cosechas, y con frecuencia, de restos vegetales fuera del terreno de cultivo. Con ello hay una pérdida de elementos minerales que deben ser repuestos. Por otra parte se debe a la disminución de la eficacia del ciclo de nutrientes debido a la acción de plaguicidas y exceso de abono sobre los insectos y microorganismos. Cuando las prácticas de cultivo, entre ellas el abonado, se realizan respetando a los organismos capaces de degradar y reutilizar la materia orgánica, la salud y fertilidad del suelo se ve beneficiada. Si el terreno aporta al ciclo de nutrientes fósforo, potasio, metales y otros microelementos, los vegetales aportan C, H, O y N (las leguminosas). A su vez, el suelo de la rizósfera es mucho más rico en microorganismos, que almacenan nutrientes en sus tejidos, y que son capaces de aprovechar mejor que las plantas algunos recursos. Por ejemplo, las plantas se favorecen de los hongos para conseguir fósforo y metales.Tras la llegada de restos orgánicos tiene lugar una sucesión de fenómenos de degradación que comprenden la labor de diferentes organismos. En esta descomposición tienen un papel importante la mesofauna y la microfauna del suelo, que intervienen en los primeros estadios de degradación. La acción de la mesofauna, además de influir en la rapidez de la descomposición, también influye en la formación y tipo de humus. La principal influencia parece que deriva de su mayor o menor presencia, de forma que los restos orgánicos llegan más o menos disgregados a la acción microbiana. Por otra parte, la accesibilidad de alimentos disgregados influye sobre la dimensión de la población microbiana. Substancias producto de la descomposición. Además de la incorporación de los tejidos microbianos, en su descomposición, la materia orgánica procedente de las plantas produce, entre otros productos, las substancias putrescina y cadaverina. Estas tienen actividad alelopática inhibiendo por ejemplo el crecimiento de raíces próximas. No necesariamente estas moléculas se producen en la materia orgánica en descomposición. Por ejemplo, el estrés o una carencia mineral pueden ser causa de que estas se originen en las propias plantas. Se puede citar la experiencia de H.J. Jager y A. Priebe, en la que se observó como la salinidad debida a NaCl causaba la acumulación de putrescina en guisantes. Otra experiencia en la que el 96 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 estrés causa la síntesis de putrescina es la realizada por L.B. Turner y G.R. Stewart en avena. En esta se vio como el estrés hídrico causaba la acumulación de putrescina en las hojas de avena. Desde hace unos años se investiga la acción de la putrescina en las relaciones micorríticas, y entre plantas y hongos en general, ya que por ejemplo se ha observado una correlación entre la presencia de esta molécula y un incremento de la micorrización. CAPITULO 5. INFLUENCIAS DEL AMBIENTE SOBRE LOS MICROORGANISMOS DEL SUELO. Los microorganismo ejerce poco o ningún control sobre la temperatura de su entorno y, en consecuencia, sobre la termodinámica de su metabolismo. En vista de que la temperatura, afecta a todas las reacciones químicas, los microorganismos ejercen escaso control sobre la velocidad con que tienen lugar sus propios procesos metabólicos. La actividad enzimática y la estructura también se ven afectadas por la temperatura, así como de la fluidez de la membrana. De esta manera, la temperatura constituye un factor ambiental extremadamente importante que regula la vida microbiana. El pH del suelo, o lo que es lo mismo el grado de acidez o alcalinidad, constituye una característica fundamental del ambiente. El pH del ambiente de un microorganismo tiene un efecto sobre la manera de cómo vive y sobrevive este. Y lo que es más importante el pH es uno de los factores ambientales de los sistemas de suelo que suele manipularse en mayor medida para favorecer el crecimiento vegetal. El potencian de oxido- reducción (redox) mide el nivel de oxidación o reducción del ambiente. Así, dicho potencial constituye un medio para determinar si un suelo esta bien oxigenado, un suelo oxigenado presenta un elevado potencial de oxido – reducción. De este modo este potencial supone un factor ambiental crítico, ya que determina la forma química de muchos compuestos inorgánicos y su disponibilidad, a la vez que influye en los productos del metabolismo microbiano del suelo. Lección 21. pH, Temperatura y procesos de oxido reducción. Relaciones de Temperatura. La temperatura que cabe encontrar en la superficie del suelo suele situarse entre 0 -60 grados centígrados, estando sujeta a variaciones diurnas, semanales y estacionales. La temperatura del suelo recibe la influencia del ángulo de la radiación solar, el aspecto del suelo (la dirección en que esta orientada la pendiente del terreno), la sombra, el color, la profundidad y la humedad del mismo. 97 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La sombra y el requerimiento del suelo afectan a su temperatura, ya que la planta y el detritus vegetal intercepta la radiación solar. El color del suelo también afecta la temperatura de éste debido al efecto del albedo (la reflectancia de los materiales). Los suelos oscuros presentan un albedo bajo y absorben mayor energía que los suelos claros. En el hemisferio Norte, los suelos suelen ser más húmedos y fríos en la primavera y en el otoño, así como más secos y calurosos durante el verano. Esto se debe a que la evaporación del agua consume energía. De esta manera cuanto mayor es la cantidad de agua en el suelo, mayor será la evaporación en lugar de producirse el calentamiento del suelo. Efecto de la temperatura sobre los microorganismos. La mayor parte de los microorganismos pueden crecer a un rango térmico cercano a los 40 oC. Algunos crecen a más de 90 y otros cercanos a -10oC. El agua se trasforma en hielo cerca de los 0oC, pero en una escala microbiana puede permanecer liquida por debajo de esta temperatura debido a un aumento en los solutos alrededor y dentro de las células microbianas, (descenso en el punto de congelación). Los microorganismos se agrupan en 3 clases, según su respuesta de crecimiento a la temperatura: Termófilos, (amantes del calor).Mesófilos, (prefieren la temperatura templada) y los Criófilos o psicrófilos, (amantes al frió). Para la mayor parte de los microorganismos, las altas temperaturas pueden causar una desnaturalización de las proteínas, (como ocurre en el huevo que no recupera su estado natural una vez es revuelto) por otra parte las altas temperaturas altera la permeabilidad de las membranas celulares microbianas (Ingraham y col, 1993). Las membranas deben permanecer en un estado semisólido (gelatinoso) para funcionar adecuadamente. Si son demasiado liquidas, el contenido de la célula se difunde, si son demasiado sólidas las membranas se quiebran, A medida que aumenta la temperatura adquieren una consistencia más fluida. A temperaturas bajan las membranas resultan mucho más rígidas. En cualquier suelo existe una gran diversidad de microorganismos con la misma diversidad de limitaciones térmicas. Cada grupo microbiano funciona en un rango térmico en el cual sus miembros crecen, así como un rango óptimo en el que se desarrollan al máximo. Potencial de oxido reducción (redox). ¿Qué es una reacción redox? Este proceso puede definirse como una transferencia de electrones de un compuesto (A) a otro (B). Durante esta reacción A se oxida pierde electrones y B se reduce gana electrones. Los microorganismos adquieren energía mediante la oxidación del material reducido. 98 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. A reducido ---------- A Electrón (-e).+B A reducido +B oxidado oxidado Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 + electrón Oxidado------- --------------- A B (-e). reducido oxidado +B reducido El origen del material reducido (en el caso de ser orgánico) suele ser la fotosíntesis de las plantas, los elementos que participan en la mayor parte de los casos en las reacciones de oxido- reducción son H, C, N, O, S, Fe y Mn. El potencial de oxido reducción (Eh) describe la tendencia de los electrones a fluir entre los compuestos. Los electrones fluyen de un compuesto reducido rico en electrones y con bajo (Eh) a un compuesto oxidado, pobre en electrones y con (E h) elevado. El potencial de oxidación reducción refleja un potencial eléctrico. El potencial necesario para reducir electrones y se mide en Voltios. Cuando más positivo es el valor mayor es la capacidad de oxidación. Los microorganismos conservan y retienen este flujo de electrones para generar energía. Cuanto mayor sea la diferencia de (E h) entre dos compuestos, mayor es la energía que puede ser generada. El potencial de oxidorreducción del suelo esta regulado por el agente más oxidante y más poderoso presente en el ambiente. El oxigeno es un agente oxidante muy fuerte y muestra una gran afinidad por los electrones. Siempre que el suelo este bien ventilado, el oxigeno tendrá una concentración elevada y mantiene el (E h) alto lo que significa que los compuestos tienden a oxidarse cediendo sus electrones al 0 2 El aceptor de electrones más importante suele ser el oxigeno, no obstante los microorganismos también usan el NO3, el Fe3+ el Mn4+ y el SO42 como aceptor de electrones. ¿Qué ocurre cuando se obstaculiza el suministro de 02? La mayor parte de 02 en el sistema se consume. En términos de (Eh) el oxigeno acepta electrones y se reduce formando H20. Cuando el O2 desaparece se usa el siguiente agente oxidante más fuerte el (E h) desciende y el suelo adquiere un carácter cada vez más anaerobio y se reduce. Cuando el O2 regresa, los aceptores de electrones previamente reducidos empiezan simultáneamente a reoxidarse. Cualquier ambiente que contenga microorganismos que respiren activamente y consuman oxigeno puede volverse rápidamente anaeróbico. Esto genera micro áreas anaerobias en suelos aeróbicos. La gleización es un ejemplo del proceso mediante el cual los microorganismos del suelo ayudan a crear compuestos reducidos que influyen en el ambiente del suelo. 99 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 pH en el suelo. Se mide utilizando el electrodo y es –log (H+) como resultado su determinación es bastante ambigua. La mayor parte de los suelos agrícolas tienen un pH de 4 a 8.5 una acidez o alcalinidad excesiva hacen del suelo un terreno inhóspito para la vida, los microorganismos son metabolitamente intolerantes a un pH bajo. Las enzimas microbianas dependen del pH y se desdoblan a medida que esta varia reduciendo su actividad. Así aumenta la solubilidad del Al y el Mn elementos que resultan t6oxicos para los microorganismos. La tolerancia microbiana a la acidez varia según la especie, los hongos son más tolerantes que las bacterias, las cuales a su vez resultan más importantes que los actinomicetos. Pero siempre hay excepciones, y en condiciones de acidez extrema se suelen encontrar más bacterias que hongos, por ejemplo el Thiobacillus desulfuricans puede crecer en ambientes con pH cercanos 0.6 Zonas volcánicas o azufradas, suelos sulfatados ácidos. Los organismos se clasifican de acuerdo al pH en: Ácidofilos, Neutrofilos y alcalófilos La mayor parte de los microorganismos crecen el pH cercano a 7 reflejado por las poblaciones y cuantificación de estas en diferentes experimentos. Se han observado microorganismos que no pueden crecer en cultivos de solución con un pH similar al del suelo del cual fueron aislados. Así, por ejemplo la nitrificación es un proceso sensible al pH. No obstante la nitrificación en los bosques se observe a un pH 4, mientras que en laboratorio necesita un pH cercano a 6. El pH de la superficie de las arcillas cargadas pueden presentar un grado de acidez mucho mayor que la solución de suelo adyacente. El nivel más elevado de (H+) diez a cien veces mayor que la solución de masa del suelo. El pH más bajo está cerca de la superficie de arcilla. Lección 22. El Agua Del Suelo. El agua liquida es uno de los factores que distinguen en mayor medida a la tierra de otros planetas. El agua del suelo presenta un efecto fundamental sobre los factores ambientales (factores extrínsecos) que influyen en la actividad microbiana, como: La temperatura del suelo, La ventilación del suelo, la naturaleza y la solubilidad de los compuestos, el grado de salinidad, el pH de la solución del suelo. ¿Como afecta el agua a los microorganismos del suelo? de nutrientes, y el movimiento de microorganismos. El agua afecta el movimiento Los factores predominantes que controlan la difusión de nutrientes, y la movilidad en el suelo son el espesor de la capa de agua y la continuidad de estas capas. A medida que el suelo se seca, las capas de agua se adelgazan rápidamente, ralentizándose la difusión. Esta reducción del grosor de la capa de agua impide la movilización de las bacterias y los protozoos. Una capa restringida de agua retrasa la difusión y la disponibilidad de los nutrientes. Las partículas del suelo están cubiertas por una fina capa de agua en la que los microorganismos se mueven, si esta capa es discontinua, los microorganismos se atascan o se desplazan por caminos por los que el agua circula. 100 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 ¿Cómo podemos describir la disponibilidad del agua en el suelo?- Los conceptos de capacidad de campo agua gravitatoria, agua capilar y agua giroscópica sirven para explicar la disponibilidad de agua. El agua gravitatoria es la que sale de los poros del suelo. La capacidad de campo es el agua contenida en el suelo una vez que todos los poros de mayor tamaño se ven vaciados. El agua capilar esta almacenada en los poros y en las superficies minerales. El agua capilar puede estar disponible o no para las plantas y el punto en el cual deja de estar disponible para las plantas se denomina índice de marchitamiento permanente. El agua higroscópica es aquella que se obtiene secando el suelo totalmente, o bien el agua que permanece en el y que se ha secado por acción del aire. También existen descripciones cuantitativas del agua que los microorganismos suelen emplear. El contenido de agua gravimétrico describe el peso del agua en masa de suelo específica. Gramos de agua/ gramos de suelo secado totalmente. El agua volumétrica = Gramos de agua/ Volumen de suelo. Suele expresarse en términos de porcentaje Cabe obtener el contenido volumétrico de agua multiplicando el contenido gravimétrico de agua por la densidad de la masa: Donde Wpb = contenido volumétrico de agua (θ) Gramosdeagua Gramosdesuelo Wpb 3 Gramosdesuelo cm desuelo El espacio porcentual de poros llenos de agua se obtiene como: 100 (θ). / Porosidad total (PT). La Porosidad total (PT).= (1-Pb/Pp) 100. Pb es la densidad de las partículas y suele ser de 2.65 g/cm3 en la mayor parte de los suelos donde predomina los silicatos minerales. Todos estos términos reflejan la influencia de la estructura del suelo y la mineralogía en la disponibilidad del agua. Pero tanto la estructura como la mineralogía de cada suelo es única y se relacionan directamente con la disponibilidad de agua. Potencial de agua (Ψ). Es una descripción matemática de la disponibilidad de agua. El agua fluye hasta las raíces de las plantas y los microorganismos a través de los gradientes de energía libre, el potencial de agua (Ψ) mide la tendencia de esta a fluir cuanto mayor es su tendencia a subir es mayor su disponibilidad. En términos mas exactos el potencial de agua (Ψ) mide la energía potencial del agua pura y libre, (Papendick y Cambell, 1981). El flujo de agua es espontáneo cuando se da de un potencial de agua, elevado a uno inferior. El potencial de agua (Ψ) casi siempre negativo, puesto que en el momento en que se añade algo al agua, las moléculas de agua empiezan a interaccionar con ello y realizan menos trabajo de modo que se mueven con menor libertad. Las unidades que 101 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 mas se una para designar el (Ψ) se dan en megapascales (MPa) equivalen a 1X10 5 Pascales. Una atmósfera = 1,013 bar =101.3 x!0 3 Pa = 0 0.1013 MPa. Los componentes del potencial de agua (Ψ) en el suelo. Los componentes importantes del potencial de agua en el suelo se describen a continuación. (Ψ)suelo = ∑ Ψ∏ +Ψm+Ψg En otras palabras, el potencial total de agua en el suelo (Ψ)suelo equivale a la suma del potencial osmótica (Ψ)p, un potencial matricial Ψm, y un potencial gravitatorio Ψg, Un potencial de agua elevado ((Ψ)suelo mayor que -03 atm) supone un suelo libre de tensión. Un potencial de agua bajo (Ψ)suelo menor que -03 atm) implica un suelo con tensión. El potencial osmótica Ψ∏ siempre es negativo y se debe a los solutos presentes en el agua del suelo el potencial osmótica es más negativo a medida que se añaden más solutos al suelo y adquiere mayor salinidad. El potencial matricial Ψm siempre es negativo y se debe a la adsorción por parte de la fase sólida del suelo. A medida que aumenta la superficie del suelo, Ψm Tiene un valor más negativo. El potencial gravitacional Ψg puede ser positivo o negativo dependiendo la posición del agua en un campo gravitatorio relativo al nivel de referencia. El Ψg es por otra parte proporcional a las diferencias de elevación del nivel de referencia y suele ser positivo con respecto a los microorganismos del suelo. El potencial matricial Ψm es el componente más importante del potencial de agua en un suelo no saturado. Cuando hay saturación Ψm =0. Con un potencial matricial elevado Ψm =0 a 0.1 MPa la cantidad e agua retenida por el suelo esta altamente influida por la estructura del suelo. La actividad microbiana se reduce mucho más disminuyendo el potencial métrico Ψm que reduciendo el potencial gravitacional Ψg. La difusión se ve directamente afectada, a Ψm =0.1 a 1.0 MPa. El potencial osmótico es importante en los suelos salinos o en suelos fertilizados. Los microorganismos del suelo tienen su propio potencial de agua. Los componentes del potencial de agua importantes para estos microorganismos son el potencial osmótico Ψ∏ y el potencial de presión Ψp (presión de turgencia). El potencial osmótico en los microorganismos es negativo y se debe a los solutos que hay en el citoplasma, el potencial de presión Ψp (presión de turgencia) es positivo. El potencial de agua en los microorganismos del suelo Ψmicroosganismos esta en equilibrio con el ambiente, puesto que la membrana celular es relativamente permeable al agua. Respuesta de los microorganismos a los cambios en el potencial de agua (Ψ). El agua se desplaza dentro y fuera de los microorganismos en respuesta a los cambios que se producen en los gradientes del potencial de agua de su entorno (figura 25). 102 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La perdida de agua aumenta la concentración interna del soluto en un microorganismo y el Ψp lo hace descender. A medida que el agua abandona la célula y la sal entra en ella, la membrana se distorsiona. Los microorganismos podrían perder agua y adquirir solutos hasta que Ψmicroorganismos = (Ψ)suelo Esto tendrá efectos nocivos, puesto que la toxicidad de la sal puede llegar hacer un problema. La concentraciones elevadas de sal interrumpen el metabolismo celular, ya que las enzimas celulares podrían dejar de funcionar adecuadamente en concentraciones elevadas de sal. H20 I (Ψ)suelo = ΨMicrobio H2 0 II (Ψ)suelo < ΨMicrobio Sales H20 III (Ψ)suelo >ΨMicrobio Figura 25. Diagrama que ilustra la respuesta celular microbiana a un descenso en el potencial del suelo de su ambiente. Este ambiente también requiere más energía puesto que los microorganismos crean gradientes de concentración artificiales. Una perdida excesiva de agua hace que la membrana celular se despegue de la pared celular proceso conocido como plasmolisis. Es de recordar que entes de existir la refrigeración uno de los sistemas de conservación de la carne era salarla o secarla al sol para frenar la acción microbiana. Los microorganismos han sobrevivido y desarrollado diversas estrategias para sobrevivir a la tensión del agua. Así acumulan solutos de tensión (Na +, Cl-, K-) De esta manera, forman solutos compatibles (aminoácidos como la prolina, y el ácido glutámico azucares y polioles como el glicerol) Estos acumulan de forma consecutiva solutos como el glutamato y el arabitol. La acumulación constitutiva de solutos significa que el Ψp microbiano interno se mantiene muy bajo. En consecuencia, el potencial de presión interna (presión turgencia o Ψp) debe ser muy elevado para equilibrarlo. El papel principal de la pared celular es el de proteger la célula, y proporcional la rigidez estructural necesaria para evitar que la célula se estalle, debido a un exceso de presión de turgencia. Las paredes celulares tienen una permeabilidad selectiva limitada. Así, las células Gram-positivas tienen paredes gruesas que les confiere su rigidez característica. 103 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Actividad Microbiana. La actividad microbiana resulta óptima en un potencial de agua de -0.01 MPa (-0,1 atm o capacidad de campo). Por ejemplo, la descomposición de la paja a avena desciende a medida que la paja se seca y cuando el potencial de agua disminuye. En potenciales de agua elevados, la ventilación constituye un problema, puesto que la difusión del O2 resulta obstaculizada. Los organismos menos tolerantes a la tensión del agua maximizan el crecimiento y sacrifican la xerotolerancia (tolerancia a la escasez de agua) al no mantener un potencial de agua interno bajo. Los microorganismos más tolerantes a la tensión del agua sacrifican su crecimiento manteniendo elevadas concentraciones internas de soluto frente al gradiente de concentración, pero maximizan su tolerancia a la tensión del agua. Resumen: El agua es importante para los microorganismos del suelo. Si bien estos organismos pueden obtener nutrientes mediante el flujo de masas y la intercepción, la difusión es el medio mas importante para la obtención de nutrientes. A medida que las capas de agua alrededor de las partículas del suelo resultan más delgadas, los nutrientes y los microorganismos deben recorrer caminos más tortuosos. El agua del suelo puede describirse como “agua gravitatoria”, si bien desde el punto de vista matemático constituye “contenido de agua gavimétrico”. No obstante, el concepto que mejor describe la disponibilidad de agua y que tienen en cuenta las diferencias de dicha disponibilidad en los diversos tipos de suelo, es el “potencial de agua“Ψ este es la descripción matemática del potencial que presenta el agua para fluir del suelo. El agua fluye de un potencial elevado a uno menor. El potencial d e agua“Ψ esta compuesto por componentes osmóticos, matriciales, de presión y gravitatorios, pero solo los tres primeros tienen importancia para los microorganismos del suelo. El potencial osmótico refleja la aportación de solutos, el matricial indica la aportación de sólidos y el de presión refleja la aportación de las membranas celulares a las paredes celulares. Una actividad microbiana óptima es la que se sitúa aproximadamente en -0,01MPa y desciende rápidamente a medida que el suelo se seca. En respuesta al proceso de secado, los microorganismos presentan numerosas estrategias que incluyen la adquisición de solutos externos y la síntesis de solutos internos según la demanda o de forma constitutiva. Los microorganismos más resistentes a la tensión del agua son los hongos, los cuales pueden soportar tensiones de agua de – 40MPa. Lección 23. El Nitrógeno. El nitrógeno es el nutriente mineral más demandado por las plantas al mismo tiempo este es el constituyente más habitual de las plantas, después del carbono y el oxigeno. De esta manera resulta importante saber acerca de sus transformaciones microbianas en el suelo. La mineralización es la descomposición de compuestos orgánicos de nitrógeno para liberar compuestos inorgánicos. La amonificación es otro término utilizado para este proceso, puesto que el producto 104 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 inmediato es el amoniaco. La descomposición es un término que suele asociarse a la minerización. El efecto del ambiente sobre el nitrógeno del suelo. El nitrógeno total mineralizable presente en el suelo depende de su contenido original de nitrógeno orgánico. El contenido total del nitrógeno, a su vez, depende del clima, la vegetación, la topografía, la edad, y la administración del suelo (Jenny, 1930). Por regla general el nitrógeno (N) del suelo disminuye a medida que la temperatura media del suelo aumenta. Por cada 10°C de aumento en la temperatura media del suelo la cantidad de nitrógeno es de dos a tres veces más baja (Stevenson, 1982). El descenso se debe en parte, a que los niveles de mineralización microbiana del N aumentan al doble por cada ascenso térmico de 10°C en un rango que va de 20 a 60 °C. La mineralización del nitrógeno aumenta a medida que lo hace la temperatura, hasta un punto en el que el crecimiento microbiano se ve afectado. La temperatura óptima para la minerización se sitúa entre 40 y 60°C una temperatura sustancialmente elevada con respecto a la de la mayor parte de los suelos. En consecuencia el NH 4 + se acumula en pilas de compost conservadas a 65°C Temperatura demasiado elevada para los procesos en los que se elimina el amonio NH4 +. Por otra parte el N del suelo aumenta a medida que aumenta la humedad del suelo (figura 26). El contenido optimo de agua para la minerización se sitúa entre 50 y 75% de la capacidad de almacenamiento de agua, o bien cerca de -001MPa (-0.1 atm). Por regla general, hay más N de suelo bajo la vegetación permanente que en los suelos forestales. La densa rizósfera que se desarrolla en suelos de pradera fomenta la formación de humus, la cual a su vez favorece la inmovilización del N (Stevenson, 1982). Temperatura media anual del suelo (°C) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 5 10 Semiárido 15 20 Semihúmedo Figura 26. Relación entre el N del suelo y la temperatura media de esté con los suelos de las praderas (adaptación ilustración Stevenson, 1982). 105 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Nitrógeno orgánico en el suelo. Las formas predominantes de Nitrógeno orgánico en el suelo son las proteínas, ácidos nucleicos, quitina y peptidoglicano, así como amino azúcares. Las bacterias, por ejemplo están formadas por 50% de proteínas, un 25 % de ARN. y un 3% ADN en peso seco, (Ingraham y Cols 1983). Mineralización del Nitrógeno. La mineralización es la descomposición de compuestos orgánicos de Nitrógeno para liberar Nitrógeno inorgánico. La amonificación es otro término con que se designa este proceso. La mineralización nunca se elimina de los suelos fértiles, ya que aproximadamente 105 a 107 microorganismos por gramo de suelo son agentes mineralizantes activos. En la minerización del nitrógeno, Las macromoléculas se descomponen en subunidades y estas últimas, a su vez, se descomponen para liberar NH 4+. La urea es mineralizada por una enzima llamada Ureasa, para producir C02 y NH4. La ureasa suele encontrarse en las bacterias del suelo y como enzima extracelular de dicho entorno. Una vez que se produce NH4+ este tiene múltiples destinos: Es absorbido por las plantas, inmovilizado en las arcillas, incorporado a materiales húmicos, volatilizado y oxidado. La mineralización del Nitrógeno se describe adecuadamente mediante la cinética. Todas las clases de Nitrógeno Orgánico del suelo no están disponibles en forma equivalente ni se mineraliza a la misma velocidad. El Ciclo del Nitrógeno. La nitrificación, es la oxidación microbiana del NH4 y el N orgánico en NO2- y NO3- la naturaleza estrictamente biológica de la nitrificación y los organismos implicados en ella fueron identificados en 1889 -1890 por Serge Winogradsky. Se reconocen dos clases de nitrificación autotrófica y heterotrófica, si bien el resultado final es prácticamente el mismo se trata de dos procesos distintos. La nitrificación quimioautotrófica es exclusiva de las bacterias litotróficas (Nitrosomas, Nitrosolobus, Nitrosospira, Nitrosovibrio, Nitrosococus, Nitrobacter y Nitrospina), una característica, es que se inhibe por bajas concentraciones de acetileno. La nitrificación heterotrófica la llevan a cabo diversas bacterias y hongos heterótrofos. El N es el nutriente más limitante en los sistemas de cultivo, existiendo varias fuentes orgánicas e inorgánicas para su suministro. El ciclo del N involucra varias transformaciones entre formas orgánicas e inorgánicas. Este pede dividirse en entradas o ganancias (fijación biológica, industrial, eléctrica y por combustión, abono animal y residuos de cultivos), salidas o perdidas (Absorción por las plantas, desnitrificación, volatilización, lixiviación y fijación de NH4+) y ciclaje del N en el suelo, donde no hay ganancia ni perdida neta (inmovilización, amonificación y nitrificación). Todos los procesos involucrados en el ciclo ocurren en forma natural (figura 2.1.), excepto para la fijación industrial; sin embargo, todos ellos pueden ser influenciados (o alterados) por a acción del hombre, a fin de optimizar su disponibilidad para las plantas. Ciclo del Nitrógeno. 106 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Amonificación. Es el paso de nitrógeno orgánico a formas inorgánicas de NH 4+ que la planta puede utilizar en su nutrición. Este proceso es realizado por microorganismos presentes en el suelo. La amonificación se ve influenciada por la temperatura, humedad del suelo y pH, en suelos húmedos y calidos, con pH casi neutro, el amonio se oxida en poco tiempo (días). El NH4+ producido en esta parte del ciclo (figura 27) puede seguir varias vías: Avanzar a la siguiente etapa y ser convertido en NO2- o NO3- (nitrificación) Ser absorbido directamente por las plantas (absorción). Ser utilizado por bacterias heterotróficas para descomponer residuos (inmovilización) Fijado como N biológicamente no disponible en el látice de minerales arcillosos (Fijación) o Convertido a NH3 y lentamente ser liberado a la atmósfera (Volatilización) Figura 27. Ciclo del nitrógeno. 107 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Nitrificación. Es la oxidación del amonio a NO2- y NO3- por bacterias autótrofas3 sirve para proporcionar energía a los microorganismos y se da en dos etapas. Etapa 1. as NH 4 O2 Nitrosomon NO2 2H H 2 O 275 kj (energía) Etapa 2. Nitrobacter NO2 1 O2 NO3 76 kj (energía) 2 A partir de lo anterior, de deduce que el proceso de nitrificación se presenta únicamente en presencia de amonio disponible para su utilización por parte de las bacterias nitrificantes; por tanto, residuos con altas relaciones C/N reducen la liberación de NH4+. Sin embargo, altos niveles de NH3 (amoniaco) inhiben la nitrificación. Las bacterias nitrificantes son organismos aeróbicos y requieren oxígeno para producir iones NO2- y NO3-; así, la aireación del suelo y un buen drenaje promueve la nitrificación. Alto contenido de humedad en el suelo desfavorece el proceso En suelos ácidos y fríos, las bacterias nitrificantes son menos abundantes y eficaces por lo que el amonio se comporta como la fuente nitrogenada más estable que el nitrato. En suelos forestales y de pantano los árboles absorben amonio. Para limitar la nitrificación en el suelo se usan fertilizantes de liberación lenta como la urea recubierta de azufre, puesto que reducen la velocidad a la que el NH4+ resulta disponible para los organismos nitrificantes. También existen muchos inhibidores específicos de la nitrificación con sistemas de actuación diversos. Los agentes de quelación eliminan el cofactor Cu en el amonio monooxigenasa (AMO). He aquí algunos ejemplos de agentes de quelatación: Hidracinacarbotiamida NH2CSNNH2 Dietilditiocarbamato (C2H5)2NS2Na Tiourea H2NCSNH2 3 Se dice que son autótrofas debido a que obtienen su energía a partir de formas oxidadas de amonio en mayor proporción que de la materia orgánica. 108 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Otros compuestos químicos también quelan el Cu en el amonio monooxigenasa e interfieren en el transporte de electrones realizado por los citocromos. Entre éstos destacan la ácida de sodio (NaN3) y el cianuro de potasio (KCN). Los compuestos de piridina interactúan con el área activa del amonio monooxigenasa. Entre estos cabe señalar la piridina, la nitraiprina y el acido picolínico. El inhibidor de la nitrificación química de mayor aplicación comercial en la agricultura es la nitraiprina 2cloro6(tricolrometil) piridina), que suele adquirise bajo el nombre de N-Serve. El gas acetileno en bajas concentraciones también inhibe la nitrificación. Prácticamente todos los inhibidores químicos impiden la nitrificación a nivel de la oxidación del NH4. Desnitrificación. El N se puede perder a la atmósfera cuando los iones nitrato pasan a formas gaseosas por una serie de reacciones bioquímicas de reducción. Es un proceso cuya responsabilidad es de bacterias heterótrofas4 anaeróbicas (géneros Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus y Achromobacter) y las reacciones generales son del siguiente orden. NO3- NO2- N2O NO N2 Las bacterias utilizan el NO3 en lugar del oxigeno como aceptor de electrones durante la respiración y así obtener energía y sobrevivir. La desnitrificación se da generalmente a profundidades considerables donde la presencia de oxigeno es limitada por cualquier tipo de problema, eso implica que también se puede presentar en superficie. Lixiviación, inmovilización y volatilización. El NO3- es muy soluble en agua y no es adsorbido con fuerza en el suelo. Así, éste tiene alta movilidad y puede estar sujeto a pérdidas por lixiviación. La lixiviación se considerada como la mayor vía de pérdida de N del sistema, la cual debe ser controlada para evitar daños severos en el ambiente. Los altos niveles de NO3-, unidos a un elevado contenido de humedad del suelo, pueden percolar a través del mismo y contaminar fuentes hídricas y estimular el crecimiento de plantas indeseadas y algas en lagos y reservorios. Ciertos minerales arcillosos como la vermiculita y las micas son capaces de fijar NH 4+ mediante el reemplazo con cationes (Ca++, Mg++, Na+, H+) durante su expansión. El contenido de humedad y la temperatura del suelo son factores que afectan la fijación de N. La presencia de K+ restringe la fijación de NH4+, debido a que puede ocupar todos los sitios de fijación. Esto es de gran interés agronómico ya que una fertilización 4 Obtienen su energía y carbono a partir de la oxidación de compuestos orgánicos 109 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 con K+ y posterior aplicación de NH4+, reduce la fijación de éste último. La fijación es un proceso que provee en algún grado, protección contra una rápida desnitrificación y lixiviación. El NH3 es producto de la mineralización del N el cual puede ser volatilizado en pequeñas cantidades. Un buen conocimiento del suelo, manejo de fertilizantes y de las reacciones que se suceden es esencial para minimizar las pérdidas por este mecanismo. La volatilización ocurre principalmente a pH > 7.5, cuando se suministran fertilizantes ricos en NH4+ a suelos con pH>7.5, cuando se colocan los fertilizantes ricos en amonio sobre la superficie y predominio de alta humedad en el suelo. Formas de absorción por las plantas. Las raíces de las plantas absorben N a partir de la solución del suelo principalmente como iones nitrato (NO3-) y amonio (NH4+). Aunque algunas plantas crecen mejor con alguna de las dos fuentes mencionadas, una mezcla de los dos iones han dado buenos resultados con la mayoría de los vegetales. Los dos iones tienen un efecto marcado y diferente en el pH de la rizósfera (capítulo 4). Los iones nitrato (cargados negativamente) se mueven con facilidad hacia la raíz con el flujo del agua en el suelo e intercambia en la superficie radical con iones HCO 3- o OHque a su vez, estimulan el aumento en el valor del pH de la solución del suelo en contacto con la raíz. Contrario a esto, cationes amonio (iones cargados positivamente) intercambian en la superficie de la raíz con iones H+, por lo que el valor del pH en la solución baja. Lección 24. El Ciclo del Azufre S. El ciclo del S fue descrito por primera vez por Martinus Beijerinck y Serge Winogradsky a finales de 1880. La fuente original del S en el suelo son minerales que contienen sulfuros que, al ser expuestos a la acción de los agentes atmosféricos, el S -2 oxida a SO4-2 que puede ser precipitado como sal soluble o insoluble en climas áridos o semiáridos, utilizado por los microorganismos, reducido por los mismos a S -2 o S0 bajo condiciones anaeróbicas o transportado a través de la lluvia al mar. Los mares contienen aproximadamente 2700 ppm de SO4-2, mientras que en aguas dulces continentales puede variar de 0.5 a 50 ppm, pero puede encontrarse hasta 60000 ppm en lagos salinos y sedimentos. Se encuentra presente en formas orgánicas e inorgánicas donde el 90% del S total en suelos no calcáreos se presenta en formas orgánicas. El SO 4-2 tanto adsorbido como en solución, representa la forma disponible para las plantas. El ciclaje de este elemento (figura 28) en el sistema suelo – planta – atmósfera al igual que el del N, se encuentra asociado a los contenidos de materia orgánica. 110 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 El principal reservorio de azufre de la biosfera lo constituye el mar. El sulfato puede ser metabolizado por las plantas superiores y por microorganismos, en lo que se denomina reducción asimiladora de los sulfatos. Bacterias, levaduras, hongos y algas son capaces de utilizar los sulfatos como fuente de azufre, y producir sulfuro de hidrógeno (H2S). Las bacterias reductoras de sulfato realizan esta transformación en un medio anaerobio. Las plantas superiores absorben sulfatos por las raíces, incorporándolos directamente en los compuestos orgánicos o manteniéndolo en forma libre como ión, interviniendo en la regulación osmótica celular. Las plantas también pueden oxidar y reducir los sulfatos para incorporar el azufre a otros compuestos orgánicos (aminoácidos como la cisteína o la metionina). Así mismo, las plantas superiores absorben por las hojas el SO 2 atmosférico que proviene de las emisiones, de origen antrópico, de óxidos de azufre procedentes de procesos de combustión y, en menor medida, de procesos naturales a través de la emisión volcánica de diversos gases sulfurados. Por otra parte, la reducción no asimiladora del sulfato es un proceso de transformación de éste a iones sulfuro, cuya finalidad es el suministro de energía a las células; es llevada a cabo por ciertas bacterias anaerobias, por ejemplo del género Desulfovibrio. Los compuestos orgánicos generados (algunos esenciales para los animales como la metionina) pasan a los animales a través de la cadena alimentaria, ya que no pueden ser sintetizados por ellos mismos. Continuando el ciclo, los procesos de descomposición de animales y plantas por parte de los microorganismos generan sulfuro de hidrógeno. Éste puede ser oxidado por bacterias oxidadoras de sulfuro, catalizando su oxidación a azufre elemental, inorgánico, tanto en medios aerobios como anaerobios. Pero también el sulfuro puede ser transformado por la acción microbiana en dimetilsulfuro, que se difunde a la atmósfera. Por último, la oxidación de azufre elemental también puede ser realizada por bacterias oxidadoras del azufre, sobre todo del género Thiobacillus, originando iones sulfato e hidrógeno, cerrando así el ciclo. La fase sedimentaria del ciclo, correspondiente a la precipitación del azufre, puede producirse bajo condiciones anaerobias y en presencia de hierro, a partir de sulfuro de hidrógeno, produciéndose una acumulación lenta y continua en los sedimentos profundos, originando sulfuros metálicos y carbones. El azufre también puede precipitar bajo condiciones aerobias pasando a formar parte de las denominadas rocas salinas o evaporitas, en forma de sulfato sódico. 111 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Figura 28. Ciclo del Azufre. Dinámica en la planta. Desde los tiempos de Liebig se sabe que los sulfatos son necesarios para el crecimiento vegetal. El azufre es absorbido por las plantas principalmente en la forma inorgánica como sulfato (SO 4-2), luego es reducido e incorporado a compuestos orgánicos. También se absorbe como SO 3-2 y de la atmósfera como dióxido de azufre a través de los estomas. Gran parte del azufre en forma de sulfatos se reduce a las formas sulfhidrilo (-SH) o disulfuro (-S-S-) en la planta y pasa a los compuestos orgánicos. En términos generales la reacción de reducción de sulfatos es la siguiente: SO4 2 ATP 8electrones 8H S 4H 2 O AMP ppi La mayor parte del azufre que se transporta por el xilema esta en forma de sulfato. Otra parte se incorpora tal como es absorbida y se distribuye a través del floema ya sea como sulfatos libre o compuestos azufrados, así contribuye a la regulación osmótica celular. Una ves reducido puede ser nuevamente reoxidado a sulfatos y permanecer en la planta como reserva en tallos, hojas, raíces etc. En el reciclaje del azufre este retorna al suelo en la forma orgánica, donde se mineraliza por acción de microorganismos antes de ser utilizado por las plantas superiores. 112 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 El azufre se encuentra bajo las formas orgánicas de los aminoácidos, cisteína, cistina y metionina que pueden representar hasta el 7,2% de las proteínas, así como en compuestos de azufre activados análogos al ATP o (APS) y 3'-fosfoadenosin 5'fosfosulfato (PAPS). Forma parte de tiamina y la biotina que actúan como coenzimas, Ácidos alfaacetoacidos y ácido aspártico. El azufre participa como un ligando en un gran número de enzimas y metalo-proteinas, de forma resaltante en ferro-sulfo-proteínas y en cupro-proteínas. Como grupo sulfhidrilo (-SH) participa directamente en reacciones de oxido-reducción, y es constituyente del ácido lipoico y de la coenzima A. Los grupos sulfhídrilos pueden ser sitios reactivos de enzimas o coenzimas, ejemplo: 3-fosfogliceraldehido deshidrogenasa y coenzima A. Muchas enzimas son inhibidas de forma no competitiva por reactivos que se unen a los grupos sulfhidrilos, ejemplo: Pb, Hg, As, Ag. Además, el azufre se encuentra en una variedad de esteres de sulfato, tales como el sulfato de colina, glucósidos del aceite de mostaza y sulfatos de polisacáridos. En términos generales participa en la biosíntesis de lípidos, clorofila, carotenos y ácidos orgánicos. Cómo se integra el azufre en los compuestos orgánicos. Primero debe ser absorbido en forma de sulfato, luego este es reducido a sulfuros y así se incorpora a los aminoácidos. Primera fase. Fijación del sulfato: El sulfato reacciona con ATP para formar adenosin-5-fosfosulfato o APS y ppi, reacción catalizada por la enzima ATPsulfurilasa, luego el APS es activado por la enzima APSquinasa y Mg+2, formándose el sulfato 3-fosfoadenosin-5-fosfosulfato o PAPS. Segunda fase. Reducción del SO4-2 a S-2: El azufre del APS se reduce en los cloroplastos con ayuda de la ferredoxina reducida, y en los plastidios, quien dona los electrones es el NADPH. La reacción de los cloroplastos implica, primero que el sulfato del APS se transfiere al átomo de azufre de una molécula aceptora sin identificar por medio de la enzima APSsulfotranferasa, el aceptor mas la molécula de sulfato queda como X-S-SO3, es aquí que se produce la reducción del azufre del grupo SO3 Tercera fase. Incorporación del S2- a los aminoácidos: El sulfuro libre que resulta de la reducción del APS no se acumula, ya que se convierte rápidamente en compuestos orgánicos azufrados, comúnmente cisteína y metionina. El aminoácido aceptor de S-2 es la o-acetilserina, del cual se origina la cisteína, en una reacción catalizada por la cisteína sintetasa. Luego se da una transulfuración entre la homoserina y la cisteína que conduce a la formación de homocisteina y se regenera la serina. La metilación de la 113 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 homocisteina origina la metionina y por condensación de la cisteína se forma la cistina. Una vez que se forma o sintetiza la cistina, las plantas pueden a partir de ella sintetizar el resto de compuestos azufrados que necesita, entre ellos biotina, coenzima A, acido lipoico, glucósidos y otros. El 90% del S vegetal se encuentra en la cisteína o en la metionina de las proteínas, una pequeña parte de la cisteína se incorpora a la coenzima A . Trazas de metionina forman S-adenosil-metionina, estos compuestos son de importancia dado que el grupo metilo puede transferirse para ayudar a formar las ligninas y las pectinas de las paredes celulares. También ayuda a formar el etileno una hormona vegetal. Lección 25. El Ciclo del Fósforo P. Después del nitrógeno el fósforo es el segundo nutriente inorgánico necesario para las plantas y los microorganismos. Se trata de un componente esencial del ARN, el ADN y el ATP, asi como de los fosfolípidos. El fósforo se encuentra en la naturaleza principalmente en forma de rocas fosfóricas y apatita. A partir de estas rocas, y debido a procesos de meteorización, el fósforo se transforma en ion fosfato y queda disponible para que pueda ser absorbido por los vegetales (Figura 29). A partir de las plantas, el fósforo pasa a los animales, volviendo de nuevo al medio tras la muerte de éstos y de los vegetales, así como por la eliminación continua de fosfatos en los excrementos. Un caso especial lo constituyen los excrementos de las aves, que en zonas donde son particularmente abundantes forman auténticos “yacimientos” de fósforo, conocidos como guano. El fósforo proveniente de las rocas puede ser arrastrado por las aguas, llegando a los océanos. Parte de este fósforo puede sedimentar en el fondo del mar formando grandes depósitos que, en muchos casos, constituyen reservas que resultan inaccesibles, ya que tardarán millones de años en volver a emerger y liberar estas sales de fósforo, generalmente gracias a movimientos orogénicos. Pero no todo el fósforo que es arrastrado hasta el mar queda inmovilizado, ya que parte es absorbido por el fitoplancton, pasando a través de la cadena alimentaria hasta los peces, que posteriormente son ingeridos por los seres humanos o constituyen la fuente de alimento de numerosas aves. En el suelo puede seguir varias rutas: absorbido por las plantas, adsorbido por compuestos orgánicos e inorgánicos (fósforo lábil), precipitar como 114 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio en condiciones ácidas y fijado por compuestos ricos en calcio en condiciones alcalinas (pH >8.0). Los microorganismos del suelo utilizan el elemento (inmovilización) para sus requerimientos nutricionales, lo mineralizan para ser posteriormente liberado a la solución del suelo quedando nuevamente disponible para los vegetales. Figura 29. Ciclo del Fósforo en la naturaleza. Los fertilizantes solubles en agua, pueden incrementar las reservas de P en el suelo, de ahí la importancia de su manejo en especial en condiciones de deficiencia (acidez, altos valores de Fe y Al). El mantenimiento de la concentración de P en la solución del suelo (factor intensidad) para un adecuado suministro del elemento a las plantas, depende de la cantidad de P lábil presente en el suelo (factor intensidad), de su capacidad para suministrarlo y de las estrategias que utilice las plantas para adquirirlo (Ej. Asociación con hongos micorrizógenos). Formas de absorción por las plantas. La concentración del elemento en las plantas se encuentra entre 0.1 y 0.5% de la materia seca, siendo considerablemente más bajo que N y K. Las plantas lo absorben como H2PO4- y HPO42- (ión ortofosfato) dependiendo del pH del suelo. También lo absorben como compuestos orgánicos de bajo peso molecular (ej. Ácidos nucleicos y fitina5), producto de la descomposición de la materia orgánica. 5 Reserva de fósforo de hasta el 22% en algunos granos, tubérculos y rizomas, el cual desaparece del grano durante la germinación asegurando el desarrollo de la nueva planta. 115 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Funciones. Puede decirse que ningún vegetal ni animal puede crecer sin fósforo. Es esencial en varios procesos vitales para el crecimiento y desarrollo vegetal. Es un factor importante en la fotosíntesis, transformación y transporte de energía (ADP o ATP) en las dos fases del proceso. Es constituyente de ácidos nucleicos (ADN y ARN), lípidos y vitaminas Síntesis de clorofila y compuestos carotenoides. Estimula el desarrollo de la raíz. Interviene en la formación de órganos de reproducción de la planta (frutos, semillas, etc.). Estimula la floración, madurez y la formación de la semilla. El fósforo en el suelo. Fósforo en solución. La cantidad de H2PO4- y HPO42- presente en solución depende del pH del suelo. A pH 7.2 las cantidades de H2PO4- y HPO42- son iguales, por debajo de este pH, H2PO4- > HPO42- y HPO42->H2PO4- a pH > 7.2 . La cantidad de P en solución se encuentra al rededor de 0.05 ppm y varía ampliamente dependiendo del tipo de suelo. Las cantidades requeridas por la mayoría de las plantas varía entre 0.003 y 0.3 ppm y depende de la especie sembrada y del nivel de producción que se desee obtener. A medida que las plantas absorben P de la solución, éste es transportado por difusión y flujo de masa a la superficie radical. En suelos con bajos contenidos del elemento, el flujo de masa provee sólo una pequeña fracción del requerido por las plantas. Fósforo inorgánico. El P orgánico es mineralizado por los microorganismos a formas inorgánicas. El P adicionado al suelo vía fertilizantes y que no es absorbido por las plantas o inmovilizado por los microorganismos puede ser adsorbido a la superficie mineral (fósforo lábil) o precipitado como compuestos secundarios. En suelos ácidos, el P inorgánico (cuadro 7) precipita como minerales secundarios de Fe y/o Al o puede ser adsorbido a la superficie de óxidos de Fe, Al o minerales arcillosos. En suelos calcáreos el P precipita como minerales secundarios de Ca y Mg o adsorbido a las superficies de los minerales arcillosos y del CaCO3. Cuadro 7. Compuestos inorgánicos que contienen calcio. Compuestos con Calcio Compuestos con hierro y Aluminio Flúor apatito. (PO4)2Ca3.F2Ca Carbonato apatito. (PO4)2Ca3. CaCO3 Variscita. PO4Al2.H2O Strengita. PO4Fe.2H2O Hidroxi-apatito (PO4)2Ca3. Ca(OH)2 Vivianita.(PO4)2Fe3.8H2O Oxi-apatito (PO4)2Ca3.CaO Dufrenita. (PO4)2Fe .(OH)3 Fosfato tricálcico (PO4)2Ca3. Wavellita (PO4)2Al (OH)3.5H2O Fosfato bicálcico PO4HCa.2H2O Taranakita. (PO4)8H6Al5K3.18H2O 2 3 Fosfato monocálcico (PO4H2)2Ca.H2O 116 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Entre los fosfatos de calcio el mas insoluble es el flúor-apatito y por lo tanto el menos aprovechable por las plantas, lo contrario sucre con los fosfatos mono y bicálcico que son fácilmente asimilables. Los fosfatos de hierro y aluminio son extremadamente insolubles y muy estables en suelos ácidos. Fósforo orgánico. Representa cerca del 50% del P total en el suelo y puede variar entre el 15 – 80%. En cuanto a los compuestos orgánicos que contienen fósforo se pueden clasificar bajo tres formas: Los fosfolípidos. La colina, un derivado de la lecitina se ha aislado en extractos del suelo. Las cantidades de estos compuestos raras veces exceden de 3 ppm. Ácidos nucleicos. La presencia de los ácidos nucleicos ha sido deducida indirectamente al encontrarse compuestos que hacen parte de este, entre ellos ácido fosfórico, azúcar en forma de pentosas, adenina, uracilo, estos hallazgos sugieren la presencia, pero en realidad no prueban su existencia de estos ácidos en forma intacta. Fitina y derivados. Los fosfatos de inositol se han encontrado en cantidades superiores a los ácidos nucleicos y a los fosfolípidos, estos se surgieren que son de origen microbiológico. Es importante recalcar que del total del fósforo orgánico se ha identificado el 40 a 50 % como ácidos nucleicos, fosfatos de inositol y fosfolípidos, el restante porcentaje esta sin identificar Dinámica del fósforo en el suelo. La limitante numero uno por la cual las plantas no pueden absorber la cantidad de fósforo presente en el suelo es debido a su insolubilidad. Es importante recordar que para que las plantas absorban el fósforo, debe estar como ortofosfato primario o secundario y que la cantidad de fósforo asimilable presente en el suelos es muy pequeña dependiendo del equilibrio que se establezca entre las diferentes formas presentes en el suelo, es decir compuestos orgánicos en formación y la descomposición, los compuestos inorgánicos insolubles y los fijados por otra parte. Factores que afectan la solubilidad del fósforo. De todos los factores presentes, es el pH del suelo el que condiciona el tipo de reacciones a que este elemento es sometido y porque no decirlo el que define el aprovechamiento de las formas asimilables del fósforo. Fijación de fosfatos por las arcillas. Quizá el mecanismo que mejor explica la fijación de fosfatos por las arcillas es el reemplazo de grupos OH, por los aniones fosfatos en la superficie de las arcillas, este tipo de reacciones tiende a ser mayor en suelos de carácter ácido. Las reacciones se ilustran a continuación: 117 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. OH arcilla OH + PO4H-2 Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 arcilla PO4H + 2OH- El poder de fijación depende del tipo de arcilla que predomine en el suelo, siendo la caolinita y la halloisita las que más fijación tienen. Otra de las formas de fijación de fosfatos a las arcillas mediante los cationes adsorbidos, los cuales actúan como puentes entre la arcilla y el anión, los cationes involucrados son Ca++, Mg++, Al+3 y Fe+3. arcilla Ca + PO4H-2 arcilla CaCa- PO4H Las reacciones del fósforo orgánico. Otra forma de fijación de los fosfatos se da por el humus para suelos neutros o poco alcalinos, el carácter ácido del humus debido a la presencia de grupos –COOH mas la adición de calcio de cualquier fuente puede provocar fijación de los aniones fosfato en la forma similar al caso de las arcillas. Hay que hacer mención que también el fósforo mineral presenta transformaciones por acción de los microorganismos del suelo, entre los cuales los proceso comunes son: a. Transformación de los metafosfatos en ortofosfatos. b. Reducción de fosfatos a fosfitos, hipofosfitos y fosfuros. c. La solubilización de los fosfatos insolubles por acción del CO2. Microorganismos que transforman el fósforo. La movilización del fósforo en la naturaleza lo hacen los microorganismos, ya que participan en la disolución y transformación del elemento hasta combinaciones asimilables por las plantas y también en la fijación temporal. Cuando se incorporan al suelo residuos de cosecha, materiales orgánicos, enmiendas, estiércol, se agregan gran cantidad de compuestos orgánicos ricos en fósforo. El fosfato orgánico es hidrolizado por la enzima fosfatasa que segregan los microorganismos y libera el fosfato, para que sea asimilado por la planta. Las bacterias Bacillus megaterium, Bacillus mesentericus y Pseudomona putida solubilizan las formas orgánicas del fósforo y las transforman a fosfatos asimilables por las plantas. Los hongos del género Aspergillus, Penicillium y Rhizopus degradan ácidos nucleicos y glicerofósfatos a fosfatos simples. Las levaduras del género Saccharomyces y Rhodotorula cumplen la misma función que los hongos. El actinomiceto Streptomyces destruye las moléculas orgánicas fosfatadas liberando así el fósforo. Las bacterias de los géneros Pseudomonas, Achromobacter, Micrococcus, Aerobacter solubilizan fosfatos inorgánicos en el suelo. Los hongos Aspergillus, Penicillium y Rhizopus, solubilizan fosfatos tricálcicos y rocas fosfóricas. 118 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 En condiciones aeróbicas la degradación de la materia orgánica libera grandes cantidades de CO2 como producto de la actividad respiratoria de los microorganismos y que al reaccionar con el agua y los fosfatos insolubles los transforma en fosfatos solubles. En condiciones anaerobias (anegamiento, compactación) en la degradación de la materia orgánica se liberan ácidos orgánicos como el ácido málico, ácido tartárico, ácido cítrico, ácido butírico, los cuales solubilizan los fosfatos de hierro y aluminio. Estos ácidos también solubilizan la roca fosfórica. Ninguna discusión acerca del fósforo estaría completa sin incluir las micorrizas, son hongos que infectan las raíces de las plantas, en ocasiones en relaciones simbióticas obligatorias. Así las micorrizas colaboran en la nutrición vegetal generalmente en la absorción del fósforo mediante cuatro mecanismos fundamentales. Solubilizan el fósforo mineral, produciendo ácidos orgánicos y CO 2 durante la respiración. Las micorrizas expanden el volumen de suelo desde el cual se adsorbe el fósforo, puesto que crecen a partir de las raíces de las plantas que se extienden por la superficie disponible para el contacto con los minerales que contienen fósforo. La adquisición del fósforo puede producirse en menores concentraciones de fósforo en las micorrizas que en las raíces de las plantas. Algunas micorrizas pueden liberar fosfatasas que mineralizan fósforo orgánico en el suelo. La micorrización es un fenómeno usual en las raíces de las plantas. Esta asociación entre el hongo y la planta beneficia a ambos, y permite al vegetal explotar mejor los recursos de su entorno, así como verse más protegido del ataque de patógenos. En mayor o menor medida, prácticamente todas las plantas son micorrizadas en una relación de simbiosis. Las micorrizas o raíces fúngicas establecen contacto con las raíces de la planta, dándose lugar un intercambio de substancias, además de aumentar mucho la superficie de absorción del vegetal. Dependiendo del tipo de hongo, la relación es poco o muy específica (en general, cada especie fúngica puede relacionarse con decenas de especies vegetales, aunque tenga preferencia por alguna determinada). En muchos casos esta relación es además muy necesaria para la planta, por lo que ésta incluso emite substancias atrayentes. Por otra parte, con frecuencia el hongo micorrícico es incapaz de subsistir fuera de la simbiosis. En la simbiosis, el vegetal cede al hongo hidratos de carbono, y el hongo facilita a la planta un mejor abastecimiento mineral, especialmente de fósforo. También proporcionan tolerancia a la sequía. El incremento de producción de los vegetales es variable pero siempre mayor respecto una planta no micorrizada. Según P.M. Attiwill y MA. Adams, si bien en bosques de zonas templadas y frías, el factor limitante en la descomposición de restos orgánicos es el nitrógeno, en muchos otros bosques, especialmente aquellos asentados en suelos antiguos, parece ser el 119 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 fósforo el factor limitante. No sólo de la descomposición de restos orgánicos, sino también del crecimiento de las plantas. Dichos investigadores indican que en la superficie del suelo de los bosques, más del 50% del fósforo presente está bajo forma orgánica, a veces inmovilizado en las primeras fases de la descomposición de restos. La disponibilidad del fósforo parece ser el producto de su aprovechamiento por parte de los organismos detritívoros por una parte, y por otra influida por los posibles enlaces químicos e insolubilización que pueda sufrir. Debe indicarse que los fertilizantes causan un descenso de la actividad micorrítica, pudiéndose llegar a inhibirse dichos hongos en suelos excesivamente fértiles. A su vez los numerosos plaguicidas y fungicidas provenientes de las aplicaciones a los cultivos causan también una depresión en la actividad micorrítica. La micorrización también es un blanco de las alelosubstancias, siendo éste uno de los factores que influyen en la presencia o no de esta relación en una planta. Las plantas de la familia de las Ericáceas, productoras de alelosubstancias contra micorrizas ajenas, suelen estar muy micorrizadas, generalmente por hongos endotróficos. En ocasiones se ha observado cómo las micorrizas conectan a las ericáceas con las coníferas. CAPITULO 6. MATERIA ORGANICA Lección 26. El Ciclo del Carbono. La minerización del carbono y la descomposición de residuos son características fundamentales del ciclo de nutrientes (figura 30). El carbono orgánico de los residuos vegetales es la fuente principal de energía para el crecimiento celular y el metabolismo del suelo. El metabolismo del Carbono pretende en gran medida de si los microorganismos requieren compuestos que contienen carbono para su crecimiento y como fuente de energía, si requieren los compuestos como bloques de construcción o si los necesitan como fuente otros nutrientes como el fósforo y el nitrógeno o el azufre. Mineralización del Carbono y crecimiento. Cuando el carbono orgánico sostiene el crecimiento microbiano la población microbiana aumenta. Este proceso puede utilizarse para aislar microorganismos específicos si los compuestos de carbono suministrados son aquellos que éstos pueden asimilar. El proceso se conoce como enriquecimiento cultural y no requiere la presencia de carbono orgánico. Winogradsky aisló los primeros agentes nitrificantes mediante el enriquecimiento cultural en medio salino simple. 120 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 El metabolismo puede dar lugar a la minerización (conversión de un compuesto orgánico de carbono para obtener compuestos inorgánicos como el C0 2 y la liberación de otros nutrientes inorgánicos como el NH4+ el P04 3- y el S042- que los compuestos de carbono orgánico contienen. La señal más evidente de la minerización en el suelo es la respiración. El metabolismo puede dar lugar a la modificación: producción de compuestos biológicamente activos o inactivos. También puede generar la incorporación de la materia orgánica del suelo. La celulosa y su descomposición. La celulosa se encuentra en las plantas, los árboles y las paredes celulares de algunos hongos. Se trata del constituyente más abundante de los residuos vegetales y conforman un tercio de la biomasa de las plantas anuales, así como la mitad de la biomasa de la vegetación perenne. La celulosa es probablemente el compuesto de carbono más abundante de la tierra es un polímetro lineal de descomposición lenta en relación con otros compuestos de carbono. Si bien existen muchos microorganismos que descomponen la celulosa muy pocos descomponen la lignina que la acompañan. Tanto las bacterias aeróbicas (Pseudomonas, Chromobacterias) como las bacterias anaerobias (Clostridium) descomponen la celulosa. La descomposición de la celulosa también se produce entre los actinomicetos (Streptomyces) y las mixobacterias. Cytophaga es un importante separador bacteriano de celulosa de los suelos tratados con abono o paja. Figura 30. Ciclo del Carbono. Los Protozoos especialmente los que habitan en los intestinos de las termitas, también degradan la celulosa. Sin su presencia, las termitas no podrían vivir de la madera. La 121 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 capacidad metabólica de la descomposición de la celulosa es, sin embargo, más habitual en los hongos que en las bacterias, entre algunos ejemplos de hongos capaces de descomponer la celulosa están Trichoderma, Chaetomium y Penicillium. La descomposición de la celulosa tiene lugar a través de las enzimas extracelulares llamadas celulasas, La célula microbiana es impermeable a la celulosa puesto que esta ultima es una molécula tan grande que son las enzimas extracelulares las que comienzan el proceso de descomposición. La descomposición de la celulosa presenta etapas distintas. En la primera se rompen los enlaces cruzados entre los polímeros de celulosa, en la segunda, tiene lugar la despolimerización de la celulosa y de los polímetros de la celulosa son hidrolizados por enzimas tales como la celobiasa, para liberar celobiosa y glucosa. La celulosa, enzima que participa en la despolimerización de la celulosa durante esta segunda etapa, es en realidad un complejo enzimático que consta al menos de tres enzimas, hasta obtener moléculas finalmente moléculas suficientemente pequeñas como para atravesar la membrana celular. La hemicelulosa y el almidón. La hemicelulosa es un importante producto vegetal, se encuentra mezclado con una serie de compuestos y no participa en la biosíntesis de la celulosa. La hemicelulosa es compleja de hecho están formadas por 50 a 200 unidades de azucares que pueden estar vinculados en una configuración lineal o ramificada. Las subunidades más comunes de hemicelulosa son la xilosa y la manosa. Los xilianos conforman un 30% de las duras y el 12% de las maderas blandas. La manosa es reserva de alimento. Los galactanos se encuentran en la madera elástica en las ramas de ciertos árboles. El almidón es una reserva de alimento de las plantas. Esta hecho por los polímeros de glucosa y amilosa y amilopectina. Los polímeros de la glucosa presentan enlaces (1-4) y @(1-6). Lo que tiene importantes consecuencias en términos de degradación enzimático, puesto que son más los microorganismos que tienen enzimas que hidrolizan estos enlaces a que los enlaces B de la celulosa. Si bien la composición del almidón y la celulosa es prácticamente la misma desde el punto de vista químico, el almidón se descompone más rápidamente por esta simple razón bioquímica. El almidón es procesado por enzimas hidrolíticas extracelulares como la amilasa. Pectina y otros Polímeros. La descomposición de la pectina (ácido poligalacturónico) se estudia debido su importancia en la lamela media de la pared celular de las plantas. Las pectinasas usadas por las micorrizas y el Rhizobium para iniciar la simbiosis también son utilizadas por los agentes patógenos de las plantas para infectar los tejidos de éstas. La hemicelulosa de la naturaleza suele combinarse con otras sustancias, las cuales hacen la degradación más difícil. En un estado puro, las hemicelulosas son fácilmente descompuestas por bacterias y hongos. 122 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La quitina es el elemento estructural de las paredes celulares, de los hongos y de los exoesqueletos de los insectos. Se trata de un polímetro de las subunidades de Nacetilglucosamina vinculada en una conformación lineal por enlaces B (1-4). La quitina es descompuesta por la quitinasa. Las cuales son las enzimas características presentes en muchos actinomicetos. Descomposición de la Lignina. La variedad de enlaces entre monómeros difiere enormemente en su resistencia relativa a la división celular. La ligninas suelen incrustasen en la celulosa y en la hemicelulosa, aumentando su resistencia a la descomposición. La descomposición de la lignina es producida por hongos, la descomposición anaeróbica de la lignina no ha sido confirmada aun. El metabolismo de la lignina es un mecanismo activado por la escasez de N, S o carbono, Los hongos blancos se inhiben frente a la concentración de N, la descomposición de la lignina no es inductiva de modo que su solo incorporación no desencadena un proceso de descomposición y de hecho muy poco carbono de lignina se encuentra en las células de los hongos lignoliticos. La lignina marcada con carbono 14 resulta evidente en la materia orgánica del suelo, pero no en la biomasa microbiana. Hidrocarburos. Tratemos los hidrocarburos de los más simples a los más complejos, debido a su importante efecto sobre la calidad del ambiente. La formula típica del hidrocarburo puede generalizarse como CnH2n+2- Los hidrocarburos que contienen de uno a cuatro carbonos son gases, metano, etano, propano y butano. Con una cantidad de 4 a 20 carbonos los hidrocarburos están en estado liquido, a temperatura ambiente con 20 C son sólidos, todos son biodegradables. Los hidrocarburos constituyen un problema ambiental, por ejemplo CH 4 contribuye al calentamiento de la tierra. A la vez que el petróleo liberado al ambiente mata los peces, la aves y los mariscos. Los compuestos aromáticos disueltos en el petróleo aun en niveles bajos, interrumpen el crecimiento de algunos organismos entre esos el coral. La limpieza por galón derramado suele constar de 15´- 15 dólares precio muy elevado. Sustancias orgánicas. Por definición, toda sustancia orgánica contiene carbono. La materia orgánica de los suelos contiene tres veces más carbono que toda la vegetación de la corteza terrestre. De esta forma, juega un papel crítico en el balance del carbono, que a su vez es el principal responsable del calentamiento global y del efecto invernadero. Aunque sólo comprende una pequeña fracción de la masa del suelo, ejerce influencia sobre las propiedades físicas, químicas y biológicas. La materia orgánica del suelo comprende una mezcla variada de sustancias orgánicas. Provee capacidad de intercambio de iones y de almacenamiento de agua. Algunos de sus componentes son responsables de la formación y estabilización de los agregados del suelo. También contiene grandes cantidades de nutrientes vegetales y actúa como su dispensador, especialmente para nitrógeno. Por otro lado, suministra la energía y los constituyentes celulares que los microorganismos requieren para realizar su actividad. 123 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Ciertos componentes de la materia orgánica tienen efectos estimulantes para el crecimiento vegetal. Por todo lo anterior, el incremento en cantidad y calidad de la materia orgánica, es un factor de gran importancia que define la calidad del suelo. El carbono es la base de la vida en el planeta. Desde la celulosa hasta la clorofila, los compuestos que hacen parte de los tejidos vivos están hechos de átomos de carbono arreglados en cadenas o anillos y asociados con muchos otros elementos. Discutir del ciclo del carbono, es lo mismo que hablar de la historia de la vida en el planeta; involucra al suelo, todo tipo de plantas superiores y todos los animales vivos, incluyendo al hombre. El rompimiento del ciclo puede tener consecuencias desastrosas para todos los organismos vivos. Las plantas toman el dióxido de carbono proveniente de la atmósfera. Luego, a través del proceso fotosintético, la energía solar es atrapada en las uniones carbono – carbono de las moléculas orgánicas, las que son usadas como fuentes de energía (vía respiración) por las mismas plantas (especialmente por las raíces de las mismas) y de allí regresa parte de éste como CO2 a la atmósfera. Los constituyentes orgánicos se encuentran almacenados temporalmente como constituyentes de la vegetación, la cual se adiciona al suelo ya sea como residuos de plantas o como rizodepositados. Parte de los materiales vegetales puede ser utilizado en la alimentación por parte de los animales (incluyendo el hombre), donde cerca de la mitad del carbono consumido es nuevamente exhalado a la atmósfera como CO2. El carbono no retornado a la atmósfera eventualmente se retorna al suelo como desechos o tejidos de plantas o animales, los cuales una vez depositados sobre o dentro de él, son metabolizados (digeridos) por los organismos del suelo, regresando gradualmente este carbono a la atmósfera en la forma de CO2. Pequeñas cantidades de CO2 reaccionan en el suelo para producir ácido carbónico (H2CO3) y los carbonatos y bicarbonatos de calcio, potasio, magnesio principalmente. Los bicarbonatos son solubles y pueden removerse vía agua de drenaje. Eventualmente, parte de este carbono presente en carbonatos y bicarbonatos puede ser devuelto a la atmósfera como CO2. El metabolismo microbiano en el suelo produce algunos compuestos orgánicos altamente estables pudiendo pasar décadas o siglos antes de que el CO 2 pase de nuevo a la atmósfera. Dicha resistencia a la degradación es la responsable de la acumulación de la materia orgánica en los suelos. Fuentes De Carbono. La fuente original de la materia orgánica en el suelo lo constituyen los tejidos vegetales. Bajo condiciones naturales las copas y raíces de árboles, arbustos, pastos y otras plantas nativas suministran anualmente grandes cantidades de residuos orgánicos. Una décima parte o dos terceras partes de los 124 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 cultivos cosechados son incorporados al suelo como residuos. A excepción de los cultivos como yuca, remolacha y zanahoria, todos los demás dejan la raíz en el suelo. Los animales son la segunda fuente de materia orgánica. Al consumir tejidos vegetales, producen desechos y dejan sus cuerpos cuando mueren. Ciertos organismos como las lombrices, termitas y hormigas juegan un papel fundamental en la incorporación y translocación de residuos orgánicos. En forma global, cerca de 2400 petagramos (Pg, 10 15) de carbono se encuentra almacenado en la materia orgánica del suelo (excluyendo el liter superficial). 700 Pg se encuentran almacenados como carbonatos que pueden liberar CO2 mediante procesos de meteorización. En conjunto, cerca del doble del carbono esta almacenado en el suelo, en comparación con la vegetación y la atmósfera juntas. La liberación de carbono como CO2 a partir de un ecosistema natural o un agro ecosistema estable, a partir de la oxidación de la materia orgánica del suelo (principalmente por respiración microbiana) es balanceada debido a las entradas de residuos vegetales al suelo (y en pequeño porcentaje, residuos animales). Sin embargo, la perturbación del eco o agro ecosistema por medio de tala, la labranza inadecuada, las quemas y el drenaje artificial, pueden incrementar las perdidas netas de carbono del sistema suelo. La figura: muestra como la liberación de carbono desde el suelo hacia la atmósfera es cerca de 62 Pg/año, mientras que desde ésta última 60 Pg/año entran al suelo, observándose un imbalance de 2 Pg, sin tener en cuenta 5 Pg contenidos en los materiales fósiles combustibles enterrados (carbón secuestrado hace millones de años)lo cual es parcialmente compensado por la absorción del CO 2 atmosférico por parte del océano. Los combustibles fósiles enterrados y las prácticas que aceleran de la degradación de la tierra han incrementado la concentración de CO 2 en la atmósfera, acentuado desde la revolución industrial, hace cerca de 400 años. Los niveles han incrementado de 290 a 370 ppm sólo durante el último siglo. El proceso de descomposición. Composición de los residuos vegetales. Los tejidos verdes de las plantas se encuentran constituidos principalmente de agua, variando desde el 60 hasta el 90% en contenido de humedad (Figura…)Cuando los tejidos se secan, el análisis de materia seca muestra que, en base a peso, el 90 al 95% de esta se encuentra conformada por carbono, oxigeno e hidrógeno. 125 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 En las cenizas de los residuos vegetales (5 – 10%), se encuentran varios de los nutrientes que la planta toma del suelo y, aunque ellos se encuentran en pequeñas cantidades, juegan un papel vital en la nutrición de vegetales y animales y por otro lado son la fuente abastecedora de los requerimientos de los microorganismos. Compuestos orgánicos presentes en los residuos de las plantas. Los compuestos orgánicos encontrados en os tejidos vegetales puede agruparse de diversas maneras. Los porcentajes representativos de ellos, se muestran en la figura 31, sin embargo, éstos difieren de una planta a otra y más aún, de una parte de la planta a otra (raíz, hojas, flores, frutos, tallos, etc.), siendo los carbohidratos (azucares simples, almidón, celulosa, etc.) los compuestos orgánicos más abundantes dentro de los vegetales. Figura 31. Compuestos y composición elemental de los tejidos vegetales. AGUA 75% MATERIA SECA 25% GRASAS Y OTRAS 2% POLIFENOLES 2% LIGNINA 20% Oxigeno 42% HEMICELULOSA 18% CELULOSA 45% Carbono 42% PROTEINA 8% Cenizas 8% AZUCAR Y ALMIDON 5% Hidrógeno 8% COMPUESTOS COMPOSICION ELEMENTAL . Fuente: Adaptado de Brady and Weil, 1999 Lignina. Compuestos complejos con forma de anillos o estructura fenólica, componente esencial de la pared celular. Su contenido se incrementa con la madurez 126 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 de la planta y es esencialmente abundante en los tallos de árboles forestales. Otros polifenoles como los taninos están presentes en las hojas y corteza de ciertas plantas (ej. El color que toma el té, se debe a la presencia de taninos). Tanto la lignina como los taninos son altamente resistentes a la descomposición. Ciertas partes de las plantas como las semillas contienen significantes cantidades de grasas, ceras y aceites los que son más complejos que los carbohidratos, pero menos que las ligninas. Las proteínas contienen cerca del 16% de nitrógeno y pequeñas cantidades de otros elementos esenciales como azufre, manganeso, cobre y hierro. La descomposición de las proteínas simples libera nitrógeno fácilmente, mientras que algunas complejas son más resistentes a la degradación Tasa de descomposición de residuos orgánicos. Los compuestos orgánicos se pueden clasificar de acuerdo a la facilidad de descomposición (figura 32). Figura 32. Velocidad de descomposición de residuos orgánicos Evolución de los constituyentes orgánicos. Dependiendo de las características del suelo y de la naturaleza de los restos vegetales aportados dominará la humificación (responsable de la acumulación de la materia orgánica en el suelo) o la mineralización 127 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 (que conduce a su destrucción) aunque siempre se dan los dos procesos con mayor o menor intensidad (figura 33). Las transformaciones más importantes en los procesos de la mineralización y la humificación son de naturaleza bioquímica. Después de la destrucción mecánica y física de los restos vegetales y animales se produce el ataque por microorganismos que a base de sus jugos digestivos y enzimas llevan a la destrucción de los compuestos orgánicos y a la liberación de minerales. Así, en la transformación de los restos orgánicos se pueden diferenciar tres etapas (figura 33). Descomposición aeróbica de compuestos orgánicos en el suelo. Cuando los residuos orgánicos se adicionan a suelos bien aireados, se presentan tres reacciones: 1. Los compuestos carbonados son oxidados enzimáticamente para producir CO 2, agua, energía y biomasa microbiana. 2. Mediante reacciones especificas para cada elemento, son liberados y/o inmovilizados nutrientes esenciales como nitrógeno, fósforo y azufre. 3. Se forman compuestos altamente resistentes a la degradación microbiana bien sea por la modificación de los compuestos originales presentes en los tejidos o por síntesis microbiana. Figura 33. Etapas en la transformación de los residuos orgánicos. 128 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 a. Transformación química inicial. Alteración que sufren los restos vegetales antes de caer al suelo (como biomasa en pie). Las hojas son atacadas por los microorganismos en el mismo árbol y se producen importantes transformaciones en su composición y estructura. Consiste en pérdida de sustancias orgánicas y elementos minerales P, N, K, Na. b. Acumulación y destrucción mecánica. La hojarasca, ramas, tallos, etc, se acumulan sobre el suelo y se van destruyendo mecánicamente, fundamentalmente por la acción de los animales que reducen su tamaño, lo mezclan con la fracción mineral y lo preparan para la posterior etapa. c. Alteración química. En esta etapa se produce una intensa transformación de los materiales orgánicos y su mezcla e infiltración en el suelo (se integran totalmente con la fracción mineral); se alteran a un material amorfo que va adquiriendo un color cada vez más negro, con una constitución y composición absolutamente distintos de los originales. En suelos bien aireados, todos los compuestos orgánicos encontrados en los residuos vegetales se encuentran sujetos a oxidación (Figura 34) Como la fracción orgánica de los vegetales esta compuesta por carbono e hidrógeno, su oxidación puede representarse como sigue: nzimática R (C,4H ) O2 Oxidacióne CO2 2H 2 O energía(478kJmol1C) 129 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Existen varias etapas intermedias en esta reacción y se encuentran acompañadas por otros elementos diferentes a carbono e hidrógeno. Aun así, se constituye en la reacción básica del proceso de descomposición de la materia orgánica en el suelo. Descomposición de Proteínas. Las proteínas vegetales también sucumben a la acción microbiana, produciendo no sólo CO2 y agua, sino también aminoácidos como glicina y cisteina. A su vez, estos compuestos nitrogenados y azufrados son descompuestos hasta iones inorgánicos simples como amonio (NH4+), nitrato (NO3-) y sulfato (SO42-, formas disponibles para la nutrición de plantas. Descomposición de Lignina. Las moléculas de lignina son muy largas y complejas, se encuentran compuestas por cientos de subunidades de anillos fenólicos cuyas uniones son variadas y fuertes, por lo que sólo unos pocos microorganismos (principalmente hongos) pueden actuar sobre ellos para desdoblarlos. El proceso de descomposición es muy lento al principio, siendo asistida por actividades físicas de la fauna del suelo. Una vez las subunidades de lignina son liberadas, varios tipos de microorganismos participan en su descomposición. Los organismos utilizan algunas de las estructuras anilladas para sintetizar la materia orgánica estable en el suelo. Descomposición anaeróbica de compuestos orgánicos en el suelo. Cuando el aire del suelo es desplazada por el agua, llenando los poros del mismo, se produce una deficiencia de oxigeno, por lo que los microorganismos aeróbicos disminuyen su actividad, así los organismos anaeróbicos y facultativos incrementan su acción que es más lenta que en condiciones aeróbicas. Por lo anterior, los suelos húmedos y poco aireados, tienden a acumular grandes cantidades de materia orgánica (figura 34). 130 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 a. La degradación de la materia orgánica es más eficiente cuando predominan los procesos aeróbicos. b. Los proceso anaeróbicos favorecen la acumulación de materia orgánica. Figura 34. Descomposición aeróbica y anaeróbica de residuos orgánicos en el suelo. Fuente: Brady y Weil, 1999 Los productos de la descomposición anaeróbica incluyen una amplia variedad de compuestos parcialmente oxidados tales como ácidos orgánicos, alcoholes y gas metano. La liberación de energía en este tipo de descomposición es muy baja. El gas metano producido en condiciones de alta humedad es uno de los principales responsables del efecto invernadero. Factores que controlan el proceso de descomposición y mineralización. El tiempo requerido para completar los procesos de descomposición y mineralización puede varias desde días hasta años, dependiendo principalmente de los factores ambientales presentes en el suelo y de la calidad de los residuos y fuentes alimenticias para los microorganismos. Las condiciones ambientales que conducen a una rápida descomposición y mineralización incluyen pH cercano a la neutralidad, humedad suficiente, buena aireación (cercana al 50% de los poros llenos de aire) y temperaturas entre 25 y 35°C. Factores físicos que influencian la calidad de los residuos. La colocación de los residuos en o sobre el suelo, es un parámetro físico de gran impacto en el proceso de descomposición y mineralización. Los residuos que son incorporados al suelo favorecen la aparición de micro-sitios anaeróbicos por lo que se afecta la descomposición. En el trópico, la colocación en superficie de los residuos orgánicos 131 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 tiene efectos que van desde la protección el suelo y los organismos que el él habitan, hasta la disminución de procesos erosivos. Otro factor importante es el del tamaño de partícula (entre más pequeña, más rápida será su descomposición), que depende de la naturaleza de los residuos pudiendo recibir tratamientos mecánicos (Trituración, corte, etc.) o por acción directa de la fauna del suelo. La reducción del tamaño de partícula, en términos físicos, consiste en la exposición de mayor área superficial que los microorganismos pueden atacar al igual que favorece el rompimiento de materiales lignificados como paredes celulares a fin de exponer los tejidos y contenidos celulares. Lección 27. Relación Carbono: Nitrógeno (C/N). El contenido de carbono de una planta se encuentra cercano al 42%, mientras que el de la materia orgánica del suelo varía entre 40 y 58%. Contrario a esto, el contenido de nitrógeno en los residuos vegetales es mucho más bajo y varía ampliamente (desde < 1 hasta el 6%). La relación C/N de los residuos aplicados al suelo es importante debido a la intensa competencia de los microorganismos por nitrógeno disponible, sobre todo cuando los residuos tienen alto valor en la relación. Por tal razón, la relación C/N determina no solo la tasa de descomposición de los residuos, sino también la tasa a la cual el nitrógeno se hace disponible para las plantas. La relación C/N en los residuos vegetales varía desde 10:1 hasta 30:1 en leguminosas y partes jóvenes de las plantas y llega hasta 600:1 en algunos tipos de aserrín (Cuadro 8). Generalmente, con la madurez de la planta, los contenidos proteicos disminuyen, mientras que los de celulosa, lignina y la relación C/N se incrementan, con efectos pronunciados en la tasa de descomposición cuando se adicionan residuos al suelo (Figura 35). 132 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Cuadro 8. Contenidos de N, C y relación C/N de algunos materiales orgánicos Material orgánico %C %N C/N Aserrín de abeto 50 0.05 600 Paja de trigo 38 0.5 80 Cobertura de centeno (floración) 40 1.1 37 Cobertura de centeno (etapa vegetativa) 40 1.5 26 Algarroba peluda 40 3.5 11 Bacterias 50 10 5 Actinomicetos 50 8.5 6 Hongos 50 5 10 Capote de bosque tropical siempreverde 50 2 25 Horizonte O – espodosol 50 0.5 90 Horizonte A1 – ultisol 52 2.3 23 46 Fuente: Brady and Weil, 1999. 5.1 9 Promedio horizonte B En los cuerpos y células de microorganismos, la relación C/N no solo es menos variable, sino que también es más baja variando entre 5:1 y 10:1. Entre los microorganismos, las bacterias poseen mayor contenido de proteínas y por tanto la relación C/N es más baja que en los hongos. Figura 35. Tasa de descomposición de dos materiales Entre más bajo el valor de la relación C/N, más rápido será el proceso de descomposición. La leguminosa (algarroba) presenta menor relación C/N que el cereal. 133 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los organismos del suelo requieren de un balance de nutrientes para el correcto funcionamiento celular y la extracción de energía. La mayoría de éstos, metabolizan materiales para obtener carbono para la construcción de compuestos orgánicos esenciales y obtener energía para sus procesos vitales, por lo que la ausencia de éstos materiales traen como consecuencia la falta de crecimiento, multiplicación y por ende de actividad de los organismos en el suelo. También requieren la obtención de nitrógeno en cantidades suficientes para sintetizar compuestos y componentes celulares como aminoácidos, enzimas y ADN. En promedio, los microorganismos incorporan a sus células ocho partes de carbono por una de nitrógeno. Sólo una tercera parte del carbono metabolizado se incorpora a los componentes celulares (el resto se respira y se pierde como CO2), por lo que en este caso se demanda de 24 partes de C por cada unidad de N asimilado en sus cuerpos. Estos requerimientos tienen dos implicaciones prácticas: Si la relación C/N > 25:1, los organismos tienden a obtener N a partir de la solución del suelo, por lo que la incorporación de residuos con alta relación C/N trae consigo la disminución del nitrógeno soluble disponible para las plantas, ocasionando su deficiencia con implicaciones directas sobre la producción. Por otro lado, si no existe suficiente nitrógeno para soportar el crecimiento microbiano y para que mantenga cantidades adecuadas en la solución del suelo, el proceso de descomposición puede verse reducido (figura 36). Figura 36. Fuente: N. en el suelo. Adaptado de Brady and Weil, 1999. 134 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Influencia del contenido de Lignina y Polifenoles. El contenido de lignina en la hojarasca varía desde el 2% hasta el 50%, siendo materiales que se descomponen muy lentamente. Los polifenoles encontrados en los mismos materiales pueden inhibir la descomposición, con frecuencia son solubles en agua y se encuentran presentes en concentraciones que varían entre el 5 al 10% en base seca. Pueden combinarse mediante diferentes reacciones con proteínas durante el proceso de descomposición, reduciendo de manera notoria la mineralización de nitrógeno y la oxidación del carbono. Altos contenidos de ligninas y polifenoles en la hojarasca (figura 37), hacen de este un material de pobres características para los organismos del suelo, el ciclo del carbono y de los nutrientes. El contenido de estos compuestos, también influencia la descomposición y liberación de nitrógeno a partir de abonos verdes6. Por ejemplo, en ciertas leguminosas, la relación C/N es muy estrecha pero el contenido de polifenoles es elevado, de tal forma que cuando éstas se adicionan al suelo, el N es liberado muy lentamente, lo que es desfavorable para cumplir con los requerimientos nutricionales de cultivos semestrales, pero se convierte en una ventaja para cultivos anuales. Figura 37. Parámetros temporales de liberación de N. Fuente: Brady y Weil, 1999. 6 Residuos de plantas que dejados sobre el suelo, lo enriquecen químicamente, lo adecuan a nivel físico y sirven de sustento y hábitat para microorganismos. 135 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Lección 28. El Humus Del Suelo. El término “materia orgánica” (figura 38) engloba todos los componentes orgánicos de un suelo: a) biomasa viva (tejidos de platas, animales y microorganismos), b) tejidos muertos de plantas aún reconocibles y c) sustancias compleja, amorfas y de tipo coloidal no identificables como tejidos. A esta última categoría se le refiere bajo la denominación de humus. Transformación microbiana. Con la descomposición de los residuos vegetales, los microorganismos rompen y van liberando lentamente compuestos complejos hacia componentes simples. Es en este proceso en el que la lignina es dividida en subunidades fenolicas, facilitando la labor desintegradora de los microorganismos del suelo. Utilizando parte del carbono que no se pierde en la respiración, con el nitrógeno, azufre y oxigeno obtenidos de dichos compuestos, los microorganismos sintetizan nuevos componentes celulares y biomoléculas. Parte de la lignina original no se rompe completamente, pero es parcialmente modificada para formar moléculas complejas residuales con ciertas características del compuesto carbonado. Los microorganismos polimerizan cada compuesto simple (unen uno a otro), formando un compuesto de cadenas complejas resistentes a la descomposición denominados sustancias húmicas. Esos complejos de alto eso molecular interactúan con el nitrógeno contenido en aminoácidos dando origen al humus. El término sustancias no húmicas se refiere al grupo de biomoléculas identificables producidas por acción microbiana y menos resistentes a la descomposición. Figura 38. Componentes de la materia orgánica del suelo. 136 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Sustancias Húmicas. Las sustancias húmicas comprenden aproximadamente el 70% de la materia orgánica del suelo. Compuestas por grandes moléculas con estructura y composición variables. Se caracterizan por tener estructura en anillo, de origen aromático, incluyendo polifenoles y poliquinonas, de colores oscuros, amorfas de alto peso molecular (2000 – 300.000 g mol-1). Gracias a su complejidad, son los materiales orgánicos más resistentes al ataque de los microorganismos. Las sustancias húmicas han sido clasificadas en tres grupos químicos, de acuerdo a su solubilidad (figura 39): Ácido fúlvico, de bajo peso molecular colores claros, solubles en ácido y álcali y susceptibles al ataque microbiano; 2) Ácido húmico, de mayor peso molecular y más oscuros que los anteriores, soluble en álcali pero insoluble en ácido con mediana resistencia a la degradación; y 3) Huminas, Con el mayor peso molecular, color más oscuro, insoluble tanto en ácido y álcali y altamente resistente al ataque microbiano. Las características de este grupo de sustancias se resumen en la figura 39. Los tres grupos de sustancias húmicas son relativamente estables en el suelo, aún el ácido fúlvico – que es el más fácil de degradar- es más resistente a la acción microbiana que la mayoría de los residuos vegetales aplicados al suelo. Dependiendo del ambiente, la vida media de un ácido fúlvico puede ser de 30 – 50 años, mientras que para un ácido húmico se mide en siglos. Figura 39. Características físicas y químicas de las sustancias húmicas. Biológico Biológico Sustancias no húmicas. Comprenden Cerca del 20 al 30% el humus en el suelo. Son menos complejas y por tanto menos resistentes a la acción microbiana que las sustancias húmicas. A diferencia de éstas últimas, las sustancias no húmicas comprende un grupo de biomoléculas con propiedades físicas y químicas definidas. 137 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Algunas son compuestos vegetales modificadas vía microbiana, mientras que otras son sintetizadas por los microorganismos como producto de la descomposición. Entre estas se encuentran polisacaridos o polímeros con estructura azucarada, importantes para el mantenimiento e incremento de la agregación y de la estabilidad estructural del suelo. Hacen parte de este grupo algunas sustancias como ácidos orgánicos de bajo peso molecular y algunos materiales de naturaleza proteica. Aunque sus cantidades presentes en el suelo son mínimas, pueden afectar directamente la disponibilidad de nutrientes como el nitrógeno y el hierro, así como el crecimiento de las plantas. Características coloidales del humus. El humus es de naturaleza coloidal. Su área superficial es alta, siendo mayor que la de las arcillas silicatadas, cargada negativamente como resultado de la disociación de H+ a partir de grupos carboxílicos (COOH) o fenólicos (-OH). La carga negativa neta es pH dependiente a valores altos de pH, la capacidad de intercambio catiónico del humus (150 – 300 cmol kg-1) en base a masa excede al que se presenta en la mayoría de las arcillas silicatadas, sin embargo, debido a que es menos denso, cuando esta CIC se expresa en base a volumen, es similar a la de aquellas 40 – 80 cmol L-1). Las reacciones de intercambio son las mismas que para las arcillas, absorbiendo cationes en superficie, los cales son intercambiados con la solución del suelo. La capacidad de almacenamiento de agua del humus en base a masa (pero no en base a volumen) es cuatro o cinco veces la de las arcillas. El humus juega un papel importante en la formación de agregados y en la estabilidad estructural, por otro lado, contiene estructuras complejas que absorben casi toda la longitud de onda de la luz visible, confiriendo a la sustancia un color negro característico. Los principales caminos en la síntesis del humus. Varios caminos existen para la formación de sustancias húmicas (figura 40) durante la descomposición de residuos de plantas y animales. Figura 40. Mecanismos para la formación de sustancias húmicas en el suelo. 138 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La teoría clásica popularizada por Waksmane en 1932 es que las sustancias húmicas representan ligninas modificadas, pero la mayoría de los investigadores actualmente consideran mecanismos que involucran quininas. En la práctica los cuatro caminos deben ser considerados como probables mecanismos para la síntesis de ácidos húmicos y fúlvicos en la naturaleza, incluyendo la condensación de azúcares y compuestos aminados. Por muchos años se pensó que las sustancias húmicas eran derivadas de la lignina. De acuerdo a esta teoría la lignina es incompletamente utilizada por los microorganismos y el residuo es transformado en parte en el Humus del suelo. Modificaciones en la lignina incluyendo pérdidas de grupos metoxil (OCH3) con la generación de O-hidroxifenoles y la oxidación de la parte alifática de la cadena para formar grupos COOH. El material modificado está sujeto a posteriores cambios no conocidos, para producir primero ácidos húmicos y luego ácidos fúlvicos. En el camino descrito para descomposición de la lignina, este compuesto juega un rol importante en la síntesis del humus, pero en diferente forma. En este caso aldehídos fenólicos y ácidos liberados de la lignina durante el ataque microbiano, sufren la conversión enzimática a quinonas, las cuales se polimerizan en presencia o ausencia de compuestos aminados para formar macromoléculas precursoras del humus. El camino de los polifenoles es algo similar al camino anterior excepto que los polifenoles son sintetizados por microorganismos a partir de fuentes carbonadas diferentes de la lignina (por ejemplo: celulosa). Los polifenoles son entonces oxidados enzimaticamente a quinonas y convertidos en sustancias húmicas. Las vías de los polifenoles y la descomposición de la lignina, forman la base de la ahora popular teoría de los polifenoles. A diferencia de la teoría de la lignina, el material de partida consiste de compuestos orgánicos de bajo peso molecular a partir de los cuales grandes moléculas son formadas a través de la condensación y polimerización. Los cuatro caminos sugeridos en la figura 40 pueden operar en todos los suelos, pero no con la misma intensidad o importancia. El camino de la lignina puede predominar en suelos pobremente drenados y sedimentos húmedos (ej. pantanos), mientras que la síntesis a partir de polifenoles puede ser considerada importante en ciertos suelos forestales. Las frecuentes y agudas fluctuaciones en temperatura e irradiación de la superficie del suelo bajo un rígido clima continental, puede favorecer la síntesis del humus por condensación amino-azúcares. Teoría de la lignina. Esta teoría fue popularizada por W. Waksman, quien concluyó que el contenido de N en los ácidos húmicos resulta de la condensación de la lignina modificada con proteínas, siendo esta última un producto de la síntesis microbiana: (lignina modificada)-CHO + RNH2 ----(lignina modificada)-C=NHR + H2O. 139 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Algunas evidencias que fueron citadas por Waskman en favor de esta teoría son: Ambas, lignina y ácidos húmicos son descompuestos con considerable dificultad por la gran mayoría de los hongos y bacterias Ambas, lignina y ácidos húmicos son solubles en álcalis y precipitan en ácidos Ambas, lignina y ácidos húmicos contienen grupos OCH3; el contenido de dichos grupos disminuye con el estado de descomposición. Ambas, lignina y ácidos húmicos son ácidos en la naturaleza; ambos son posibles de combinar con bases y ambos son caracterizados por su capacidad de intercambiar bases. Los ácidos húmicos tienen similares propiedades que las ligninas oxidadas. En suelos normalmente aeróbicos la lignina puede ser descompuesta en productos de bajo peso molecular previo a la síntesis de humus. Por otro lado los hongos que degradan la lignina no son normalmente encontrados en sedimentos excesivamente húmedos. En efecto esto parece lógico para asumir que ligninas modificadas pueden hacer una mayor contribución al humus de turba, sedimentos lacustres y suelos pobremente drenados. Teoría de los polifenoles. La clásica teoría de Lignina-proteína de Waskman es ahora considerada obsoleta por muchos investigadores. De acuerdo a los conceptos actuales, las quinonas que tienen su origen en las ligninas, junto con aquellas sintetizadas por los microorganismos, son las más importantes a partir de las cuales las sustancias húmicas son formadas. Fuentes de los polifenoles. Las posibles fuentes de los polifenoles para la síntesis del humus incluyen: lignina, microorganismos, fenoles no combinados en las plantas, glucósidos y taninos. De éstos solo los dos primeros reciben la mayor atención. Los conceptos de la formación del humus, son los siguientes: La lignina libre de su unión con la celulosa durante la descomposición de los residuos de plantas está sujeta a una hidrólisis (desdoblamiento) oxidativo, con la formación de unidades estructurales primarias. El lado de las cadenas de unidades constituídas de lignina son oxidadas, ocurriendo una demetilación y los resultantes polifenoles son convertidos en quinonas por enzimas polifenoloxidasas. Las quinonas de las ligninas parecen reaccionar con compuestos que contienen N para formar polímeros coloreados (oscuros). Condensación de amino-azúcares. La producción de polímeros nitrogenados oscuros por la condensación de azúcares reductores y aminas (por ej. aminoácidos) ocurren intensivamente en la deshidratación de productos alimenticios a temperaturas medias y esta reacción ha sido postulada ser de importancia en la formación de sustancias húmicas en el suelo. 140 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La mayor objeción a la teoría es que esta reacción no ocurre sino lentamente a temperaturas encontradas bajo las condiciones normales del suelo. Sin embargo drásticos y frecuentes cambios en el ambiente del suelo (congelamiento y descongelamiento, humedecimiento y secado, etc.) junto con reacciones con el material mineral, que tendría propiedades catalícas, pueden facilitar la condensación. Un atractivo rasgo de la teoría de la condensación es que los reactivos (azúcares, aminoácidos, etc.) son producidos en abundancia a través de las actividades de los microorganismos. Influencia de la materia orgánica sobre las propiedades del suelo. Influencia sobre propiedades físicas. Confiere al suelo color oscuro, las sustancias húmicas tienen un poder aglomerante, las cuales se unen a la fracción mineral originando una estructura grumosa estable, eleva porosidad, lo que implica que la permeabilidad del suelo sea mayor. La temperatura del suelo es mayor debido a que los colores oscuros absorben más radiaciones que los claros. Tiene una gran capacidad de retención de agua lo que facilita el asentamiento de la vegetación, dificultando la acción de los agentes erosivos. La fracción húmica ayuda a reducir la plasticidad y cohesión de los suelos arcillosos confiriéndoles facilidad para el laboreo y flujo del agua. Influencia sobre propiedades químicas. Las sustancias húmicas tienen propiedades coloidales, debido a su tamaño y carga (retienen agua, hinchan, contraen, fijan soluciones en superficie, dispersan y floculan). La materia orgánica es por tanto una fase que reacciona con la solución del suelo y con las raíces, fija iones de la solución del suelo, los cuales están en posición de cambio, evita por tanto que se produzcan pérdidas de nutrientes en el suelo (La capacidad de cambio es de 3 a 5 veces superior a la de las arcillas, es por tanto una buena reserva de nutrientes). Influye en el pH, produce compuestos orgánicos que tienden a acidificar el suelo constituyéndose en un agente de alteración por su carácter ácido, influye en el estado de dispersión/floculación del suelo y colabora en la descomposición de minerales liberando nutrientes esenciales, haciéndolos disponibles para las plantas. En suelos ácidos, contribuye a reducir la toxicidad por aluminio. Influencia sobre propiedades biológicas. La materia orgánica tiene influencia directa sobre las propiedades biológicas del suelo ya que provee de nutrientes a los microorganismos, es fuente de energía y gas carbónico que contribuye a solubilizar elementos minerales y favorecer su absorción, tiene efectos sobre la fisiología vegetal: Acción rizógena (favorece formación y desarrollo de raíces) y acción estimulante (mayor absorción de nutrientes y su mejor uso en la planta). Por lo anterior, la calidad y cantidad de los residuos aportados al suelo y por tanto la materia orgánica, afecta marcadamente las tasas de descomposición y por tanto las de mineralización o humificación. Algunas propiedades de la materia orgánica en el suelo se resumen en el cuadro 9. 141 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Cuadro 9. Algunas propiedades de la materia orgánica en el suelo. PROPIEDAD Retención de agua Combinación con materiales arcillosos Acción quelatante Acción amortiguadora Capacidad de Intercambio Mineralización Color Combinación con moléculas orgánicas OBSERVACION 20 veces su peso Cementación de partículasagregación Forma complejos con Fe, Al, Cu, Zn, Mn En ciertos rangos de acidez 300 – 1400 cmol(+)kg -1 EFECTO EN EL SUELO Retiene humedad Estabilidad estructural, intercambio de gases Puede limitar la disponibilidad de nutrientes. Mantiene la reacción del suelo Incrementa la CIC NO3, NH4, PO4, SO4, CO2 Oscuro Afecta actividad y degradación de pesticidas Incrementa la disponibilidad de nutrientes. Facilita el calentamiento Modifica dosificación de pesticidas. Lección 29. El Compots. QUÉ ES EL COMPOSTAJE? El compostaje o “composting” es el proceso biológico aeróbico, mediante el cual los microorganismos actúan sobre la materia rápidamente biodegradable (restos de cosecha, excrementos de animales y residuos urbanos), permitiendo obtener "compost", abono excelente para la agricultura. El compost o mantillo se puede definir como el resultado de un proceso de humificación de la materia orgánica, bajo condiciones controladas y en ausencia de suelo. El compost es un nutriente para el suelo que mejora la estructura y ayuda a reducir la erosión y ayuda a la absorción de agua y nutrientes por parte de las plantas. En las producciones agrícolas tradicionales pequeñas la mayor parte de los desechos orgánicos sólidos se descomponen y se reciclan como fertilizantes. El compost implica simplemente una aceleración de procesos naturales de mineralización de la materia orgánica. El compost satisface diversos beneficios para quienes practican su fabricación. Reduce La cantidad de los desechos, limita la demanda biológica de los desechos, mejora las características biológicas de estos facilitando su manipulación, reduce patógenos y semillas de arvenses. El compostaje que se practica en la actualidad es un proceso aeróbico que combina fases mesófilas (15 a 45 ºC) y termófilas (45 a 70 ºC) para conseguir la transformación de un residuo orgánico en un producto estable, aplicable al suelo como abono. La definición más aceptada es " La descomposición biológica aeróbica de residuos orgánicos en condiciones controladas " 142 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Si tenemos en cuenta que en el proceso de compostaje, los responsables o agentes de la transformación son los microorganismos, todos aquellos factores que puedan limitar su vida y desarrollo lo serán del propio proceso. Son muchos y muy complejos los factores que intervienen en cualquier proceso biológico de transformación, siendo los más importantes: Temperatura, Humedad, pH, Oxígeno, Nutrientes, Población microbiana. Todas estas variables, están a su vez influenciadas por las condiciones ambientales, tipo de residuo a tratar y tipo de técnica de compostaje. Temperatura Se consideran óptimas las temperaturas del intervalo 35-55 ºC para conseguir la eliminación de patógenos, parásitos y semillas de malas hierbas. A temperaturas muy altas, muchos microorganismos interesantes para el proceso mueren. Humedad. En la práctica del compostaje siempre se ha de evitar una humedad elevada ya que desplazaría al aire de los espacios entre partículas del residuo y el proceso pasaría a ser anaeróbico. Por otro lado, si la humedad es excesivamente baja disminuye la actividad de los microorganismos y el proceso es más lento. Se consideran niveles óptimos, humedades del 40-60 %, variando en función de los materiales. Para materiales fibrosos o residuos forestales gruesos la humedad máxima permisible es del 75-85 % mientras que para material vegetal fresco, ésta oscila entre 50-60%. Para conseguir la humedad adecuada se puede mezclar distintos tipos de residuos y triturar o desfibrar los materiales. pH-. Influye en el proceso debido a su acción sobre microorganismos. En general los hongos toleran un margen de pH entre 5-8, mientras que las bacterias tienen menor capacidad de tolerancia ( pH= 6-7,5 ) Oxígeno, Asegurar la presencia de oxígeno necesario para el desarrollo del proceso es imprescindible para obtener un buen y rápido compost y evitar al máximo problemas de malos olores. No existe un intervalo óptimo de concentración de oxígeno, dependiendo del tipo de material, textura, humedad, frecuencia de volteo y presencia/ausencia de aireación forzada. El volteo de la pila es la forma más rápida y económica de garantizar la presencia de oxígeno en el proceso de compostaje, además de homogeneizar la mezcla e intentar que todas las zonas de la pila tengan una temperatura uniforme. Otra forma de oxigenar la pila de compost son los métodos de aireación directa, ya sea por succión o por presión. Nutrientes. Todos los organismos necesitan de nutrientes para crecer y reproducirse. Las cantidades varían de elemento a elemento, manteniendo una relación constante unos con respecto a otros. El mantenimiento de este balance es especialmente importante para los macronutrientes carbono y nitrógeno y donde la cantidad de carbono es considerablemente superior a la de nitrógeno. 143 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Teóricamente una relación C/N de 25-35 es la adecuada, si bien en la práctica esto no es así, ya que no todos los residuos tienen un mismo tipo de materia orgánica con la misma biodegradabilidad. Si la relación C/N es muy elevada, disminuye la actividad biológica, sin embargo si la materia orgánica a compostar es poco biodegradable, la lentitud del proceso será causa de ello y no de la falta de nitrógeno. Una relación C/N muy baja no afecta al proceso de compostaje, perdiendo el exceso de nitrógeno en forma de amoniaco. No obstante, y dado que uno de los objetivos del compostaje es la conservación de nutrientes, no podemos permitir esta pérdida. La mezcla de distintos residuos con diferentes relaciones C/N puede solucionar el problema. Población microbiana. Como ya hemos comentado, el compostaje es un proceso dinámico debido a las actividades combinadas de una amplia gama de poblaciones de bacterias, hongos y actinomicetes, ligados a una sucesión de ambientes. Y por eso, una población comienza a aparecer mientras otros están en su máximo o ya están desapareciendo, complementándose las actividades de los diferentes grupos. En la primera etapa del compostaje aparecen las bacterias y hongos mesófilos, con predominio de los primeros. Cuando la temperatura llega alrededor de los 40 ºC aparecen las bacterias y los hongos termófilos, además de los primeros actinomicetes. Por arriba de los 70 ºC cesa la actividad microbiana. A lo largo del proceso van apareciendo formas resistentes de los microorganismos cuando las condiciones de temperatura hacen inviable su actividad. Cuando la temperatura vuelve a bajar, reaparecen las formas activas, presentando entonces mucha actividad los protozoos, nemátodos, miriápodos, etc. El proceso de compostaje. El proceso de composting o compostaje puede dividirse en cuatro períodos, atendiendo a la evolución de la temperatura: Mesofílico. La masa vegetal está a temperatura ambiente y los microorganismos mesófilos se multiplican rápidamente. Como consecuencia de la actividad metabólica la temperatura se eleva y se producen ácidos orgánicos que hacen bajar el pH. Termofílico. Cuando se alcanza una temperatura de 40 ºC, los microorganismos termófilos actúan transformando el nitrógeno en amoníaco y el pH del medio se hace alcalino. A los 60 ºC estos hongos termófilos desaparecen y aparecen las bacterias esporígenas y actinomicetos. Estos microorganismos son los encargados de descomponer las ceras, proteínas y hemicelulosas. De enfriamiento. Cuando la temperatura es menor de 60 ºC, reaparecen los hongos termófilos que reinvaden el mantillo y 144 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 descomponen la celulosa. Al bajar de 40 ºC los mesófilos también reinician su actividad y el pH del medio desciende ligeramente. De maduración. Es un periodo que requiere meses a temperatura ambiente, durante los cuales se producen reacciones secundarias de condensación y polimerización del humus. Fabricación De Compost. Compostaje en montón. Es la técnica más conocida y se basa en la construcción de un montón formado por las diferentes materias primas, y en el que es importante: Realizar una mezcla correcta. Los materiales deben estar bien mezclados y homogeneizados, por lo que se recomienda una trituración previa de los restos de cosecha leñosos, ya que la rapidez de formación del compost es inversamente proporcional al tamaño de los materiales. Cuando los restos son demasiado grandes se corre el peligro de una aireación y desecación excesiva del montón lo que perjudica el proceso de compostaje Es importante que la relación C/N esté equilibrada, ya que una relación elevada retrasa la velocidad de humificación y un exceso de N ocasiona fermentaciones no deseables. La mezcla debe ser rica en celulosa, lignina (restos de poda, pajas y hojas muertas) y en azúcares (hierba verde, restos de hortalizas y orujos de frutas). El nitrógeno será aportado por el estiércol, el purín, las leguminosas verdes y los restos de animales de mataderos. Mezclaremos de manera tan homogénea como sea posibles materiales pobres y ricos en nitrógeno, y materiales secos y húmedos. Formar el montón con las proporciones convenientes. El montón debe tener el suficiente volumen para conseguir un adecuado equilibrio entre humedad y aireación y deber estar en contacto directo con el suelo. Para ello se intercalarán entre los materiales vegetales algunas capas de suelo fértil. La ubicación del montón dependerá de las condiciones climáticas de cada lugar y del momento del año en que se elabore. En climas fríos y húmedos conviene situarlo al sol y al abrigo del viento, protegiéndolo de la lluvia con una lámina de plástico o similar que permita la oxigenación. En zonas más calurosas conviene situarlo a la sombra durante los meses de verano. Se recomienda la construcción de montones alargados, de sección triangular o trapezoidal, con una altura de 1,5 metros, con una anchura de base no superior a su altura. Es importante intercalar cada 20-30 cm de altura una fina capa de de 2-3 cm de espesor de compost maduro o de estiércol para la facilitar la colonización del montón por parte de los microorganismos. Manejo adecuado del montón. Una vez formado el montón es importante realizar un manejo adecuado del mismo, ya que de él dependerá la calidad final del compost. El 145 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 montón debe airearse frecuentemente para favorecer la actividad de la oxidasa por parte de los microorganismos descomponedores. El volteo de la pila es la forma más rápida y económica de garantizar la presencia de oxígeno en el proceso de compostaje, además de homogeneizar la mezcla e intentar que todas las zonas de la pila tengan una temperatura uniforme. La humedad debe mantenerse entre el 40 y 60%. Si el montón está muy apelmazado, tiene demasiada agua o la mezcla no es la adecuada se pueden producir fermentaciones indeseables que dan lugar a sustancias tóxicas para las plantas. En general, un mantillo bien elaborado tiene un olor característico. El manejo del montón dependerá de la estación del año, del clima y de las condiciones del lugar. Normalmente se voltea cuando han transcurrido entre 4 y 8 semanas, repitiendo la operación dos o tres veces cada 15 días. Así, transcurridos unos 2-3 meses obtendremos un compost joven pero que puede emplearse semienterrado. Resumen Propiedades del compost 1. Mejora las propiedades físicas del suelo. La materia orgánica favorece la estabilidad de la estructura de los agregados del suelo agrícola, reduce la densidad aparente, aumenta la porosidad y permeabilidad, y aumenta su capacidad de retención de agua en el suelo. Se obtienen suelos más esponjosos y con mayor retención de agua. 2. Mejora las propiedades químicas. Aumenta el contenido en macronutrientes N, P, K, y micronutrientes, la capacidad de intercambio catiónico (C.I.C.) y es fuente y almacén de nutrientes para los cultivos. 3. Mejora la actividad biológica del suelo. Actúa como soporte y alimento de los microorganismos ya que viven a expensas del humus y contribuyen a su mineralización. 4. La población microbiana es un indicador de la fertilidad del suelo. Propiedades de la materia orgánica. Materia orgánica tiene una gran importancia en la génesis y fertilidad del suelo. Propiedades físicas. Confiere al suelo un determinado color oscuro Estructura. Da lugar a una buena estructura, estable. Las sustancias húmicas tienen un poder aglomerante, las cuales se unen a la fracción mineral y dan buenos flóculos en el suelo originando una estructura grumosa estable, de elevada porosidad, lo que implica que la permeabilidad del suelo sea mayor. Tiene una gran capacidad de retención de agua lo que facilita el asentamiento de la vegetación, dificultando la acción de los agentes erosivos La temperatura del suelo es mayor debido a que los colores oscuros absorben más radiaciones que los claros. 146 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Protege al suelo de la erosión. Los restos vegetales y animales depositados sobre la superficie del suelo lo protegen de la erosión hídrica y eólica. Por otra parte, como ya hemos mencionado, el humus tiene un poder aglomerante y da agregados que protegen a sus partículas elementales de la erosión. Protege al suelo de la contaminación. La materia orgánica adsorbe plaguicidas y otros contaminantes y evita que estos percolen hacia los acuíferos. Propiedades químicas y fisicoquímicas. Las sustancias húmicas tienen propiedades coloidales, debido a su tamaño y carga (retienen agua, hinchan, contraen, fijan soluciones en superficie, dispersan y floculan). La materia orgánica es por tanto una fase que reacciona con la solución del suelo y con las raíces. Capacidad de cambio. La materia orgánica fija iones de la solución del suelo, los cuales quedan débilmente retenidos, están en posición de cambio, evita por tanto que se produzcan pérdidas de nutrientes en el suelo. La capacidad de cambio es de 3 a 5 veces superior a la de las arcillas, es por tanto una buena reserva de nutrientes. Influye en el pH. Produce compuestos orgánicos que tienden a acidificar el suelo. Influye en el estado de dispersión/floculación del suelo. Es un agente de alteración por su carácter ácido. Descompone los minerales. Propiedades biológicas Aporte de nutrientes a los microorganismos y fuente de energía. Lección 30. Abonos verdes. Cuando hablamos de "abonado en verde" hacemos referencia a la utilización de cultivos de vegetación rápida, que se cortan y se entierran en el mismo lugar donde han sido sembrados y que están destinados especialmente a mejorar las propiedades físicas del suelo, a enriquecerlo con un "humus joven" de evolución rápida además de otros nutrientes minerales y sustancias fisiológicamente activas, así como a activar la población microbiana del suelo. En líneas generales, los efectos favorables del abonado verde no acaban en el aspecto nutricional sobre el vegetal, sino que alcanzan a todos los componentes relacionados con la fertilidad global del suelo agrícola ya que: Estimulan de forma inmediata la actividad biológica y mejoran la estructura del suelo, por la acción mecánica de las raíces, por los exudados radicales, por la formación de sustancias prehúmicas al descomponerse y por la acción directa de las células microbianas y micelios de hongos. Protegen al suelo de la erosión y la desecación durante el desarrollo vegetativo, y mejoran la circulación del agua en el mismo. Aseguran la renovación del humus estable, acelerando su mineralización mediante el aporte de un humus más "joven" y más activo. 147 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Enriquecen al suelo en nitrógeno, si se trata de leguminosas, e impiden, en gran medida la lixiviación del mismo y de otros elementos fertilizantes. En su descomposición, se liberan o sintetizan sustancias orgánicas fisiológicamente activas, que tienen una acción favorable sobre el crecimiento de las plantas y su resistencia al parasitismo. En los sistemas cerealistas, aseguran una mejor descomposición de la paja del cereal, al mantener el medio más húmedo, equilibrar la relación C/N y activar los microorganismos responsables de la misma. Limitan el desarrollo de malezas, directamente por el efecto de la cubierta vegetal en sí misma e indirectamente porque ciertos abonos verdes tienen poder desherbante, como el alforfón (Fagopyrum esculentum), o la facelia (hacelia tanacetifolia). Especies Utilizadas Como Abonos Verdes. Aunque se pueden utilizar un número considerable de especies vegetales como abonos verdes, las tres familias de plantas más utilizadas para tal fin, son las leguminosas, las crucíferas y las gramíneas. Las leguminosas son las más empleadas dada su capacidad para fijar el nitrógeno atmosférico, en favor de los cultivos siguientes. Hay autores que afirman que las leguminosas además mejoran el terreno con la penetración de sus raíces y que incluso llegan a romper los terrenos más duros (las raíces de las leguminosas tienen más de 1 m de longitud). Se emplean principalmente las especies de trébol blanco enano (Trifolium repens), trébol violeta (T. pratense), veza vellosa (Vicia villosa), habas (Vicia faba), altramuces (Lupinus sp.), meliloto amarillo (Melilotus officinalis), serradella (Ornithopus sativus), etc.; además de otras leguminosas tradicionales de interés para el sudeste español como los yeros (Vicia ervilia), las algarrobas (Vicia monanthos) y la almorta (Lathyrus satirum). Es frecuente el cultivo de leguminosas mezcladas con cereales u otras gramíneas: Veza+cebada; veza+avena; tréboles+raygrass; guisante forrajero+veza, etc. En Chile se ha probado la utilización de la arveja (Pisum sativum L.) y la vicia (Vicia atropurpurea) como abonos verdes. Las gramíneas sembradas con las leguminosas, mejoran mucho el terreno y forman humus estable. Las raíces de las gramíneas mejoran el terreno ablandándolo en la superficie. En particular el centeno (Secale cereale) está indicado para siembra otoñal asociado a algarroba o habas. La avena (Avena sativa) está indicada para siembra de primavera, asociada con algarroba y guisante. Las crucíferas tienen un desarrollo muy rápido proporcionando un buen abono verde cuando se dispone de poco tiempo entre cultivos. Son capaces de utilizar las reservas minerales mejor que la mayor parte de las plantas gracias a la longitud de su sistema radicular, acumulando importantes cantidades de elementos en sus partes aéreas que luego serán devueltos al suelo. Como especies más utilizadas está el nabo forrajero (Brassica napus var. Oleífera), la mostaza blanca (Sinapis alba), el rábano forrajero 148 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 (Raphanus raphanistrum), etc. Se ha planteado también que las plantas de esta familia, con la acción de sus raíces, hacen asimilable por otras plantas el fósforo presente en el terreno en estado insoluble. Características deseables en un abono verde. Un abono verde ideal posee tres características importantes: Un crecimiento rápido, Follaje abundante y suculento, Habilidad de crecer bien en suelos pobres. A más rápido crecimiento, mayor es la posibilidad de aptitud para ser introducido en una rotación y uso económico como medios de mejoramiento del suelo. Follaje abundante y raíces poderosas son, desde luego, algo necesario, y, como ya se ha mencionado antes, a mayor contenido de humedad en el abono verde, más rápida es la descomposición y más pronto se obtienen beneficios. Como la necesidad de materia orgánica es urgente, en especial en la tierra pobre, un cultivo jugoso tendrá grandes ventajas. Cuando las demás condiciones son iguales, es mejor hacer uso de las leguminosas en el abono verde, preferentemente a las no legumbres, a causa del Nitrógeno ganado por el suelo y la actividad orgánica que provocan. Es a veces de extraordinaria importancia una pequeña adición de Nitrógeno. Sin embargo, a veces es difícil obtener un cultivo intercalado de legumbres, pues pueden ser tan valiosos como alimento de ganado, que sería antieconómico usarlo como abono verde. Además, las semillas de las legumbres son caras, casi prohibitivo su uso para los abonos verdes. Por otro lado, algunas legumbres no encajan dentro de las rotaciones comunes de tal forma que puedan ser luego enterradas convenientemente como abono verde. Consideraciones prácticas. Cada abono verde, tanto si es como cultivo principal como si es cultivo asociado, tiene unas características específicas definidas por su masa vegetativa, su rapidez de crecimiento, la cantidad de residuos que aporta, la incompatibilidad con el cultivo anterior o siguiente en la rotación, los diferentes requerimientos nutricionales, de pH y texturales, su rusticidad, su capacidad desherbante, etc.; todo esto habrá que tener presente a la hora de elegir un abono verde. Aunque el cultivo de las plantas para abono verde no presenta grandes diferencias con el mismo para su aprovechamiento para grano, sí debemos tener presente algunos aspectos como: utilizar mayor densidad de siembra --de20 a 50% más para abonado verde--; incorporarlo al suelo en un estado avanzado de vegetación, preferentemente en la floración o justo al inicio de la misma; incorporarlo superficialmente pasados unos días del corte --3 a 4 según clima y residuo--, siendo preferible utilizar una picadora de 149 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 restos de cosecha o en su defecto el arado de discos que pica la vegetación y al mismo tiempo produce un pequeño volteo de la tierra, posteriormente los restos ya más descompuestos se mezclan en el suelo con un cultivador entre 10 y 15 cm. A veces es conveniente aportar sobre el abonado verde, los fertilizantes destinados para el cultivo siguiente o bien, si se va a estercolar, realizar el aporte, al mismo tiempo que se va a incorporar el abonado en verde --una vez seco y picado. Las posibilidades de cultivar un abonado en verde --además de las vistas-- son muy numerosas, lo que amplia las técnicas de manejo y la utilidad, de esta práctica tan interesante, algunas de ellas hacen referencia a: La siembra intercalada también denominada "sobresiembra", que consiste en sembrar una variedad o una mezcla de variedades --generalmente tréboles y otras especies de porte bajo-- entre líneas de cereales ya crecidos. Las ventajas de esta actuación están enfocadas a la protección del suelo y al control de las malas hierbas y finalmente cuando el cereal se recoja, a fertilizar el suelo una vez triturado el abono verde, junto con el rastrojo y mezclado con el suelo. Es necesario que el abonado en verde germine rápido, que presente un gran desarrollo radicular, que sea de porte bajo --no superando los 30 cm de altura--, que no forme demasiada masa verde y que se desarrolle normalmente en mezcla con otras variedades. La sobresiembra ha tenido gran éxito en el cultivo de maíz, sembrándose ésta, cuando el maíz presenta cuatro hojas y el máximo desarrollo de 1 m de altura. El cultivo de corta duración. Sembrando el abono verde en períodos de tiempo cortos, entre cultivos que han dejado libre el suelo tempranamente. Existe la dificultad añadida de que hay que mantener una gran sincronización en la rotación de cultivos y que hay que escoger variedades de rápido crecimiento -generalmente crucíferas. El cultivo de larga duración. En esta práctica, el abonado en verde forma parte de la rotación como un cultivo más, o bien se utiliza para intercalar con cultivos como frutales o viñas. Si para el caso del abonado en verde como cultivo de la rotación de manera general se utilizan leguminosas o mezcla de leguminosa+crucífera, para el intercalado en cultivos de larga duración en general se suelen sembrar "mezclas" de distintas plantas, teniendo muy presente los condicionantes edáficos y climáticos que antes se ha enumerado y tomando como ejemplo para la selección, las mezclas que de manera natural se dan entre la vegetación silvestre que se encuentre en el entorno del terreno. Aunque son numerosos los aspectos positivos de la utilización del abono verde, sin embargo su uso supone un cierto riesgo mínimo, en caso so de que puedan existir competencia por el agua, la luz, o el alimento con el cultivo principal y también cuando haya invasiones repetitivas de malezas. 150 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 BIBLIOGRAFIA UNIDAD 2. ALEXANDER, M. 1980. Introducción a la Microbiología. AGT- Editor. 491p. BONILLA C. CARMEN ROSA. 1998. Notas Preliminares sobre Biología del Suelo. Universidad Nacional sede Palmira. 1-75p. BORROR, F.: AND JOHNSON N. 1989. An introduction to the study of insects. Saunders College Publishing. Philadelphia, 875 p. BURBANO H. 1989. El Suelo, Una visión sobre sus componentes biogarnicos. Universidad de Nariño, Pasto. 447p. FERNÁNDEZ, C. Y NOVO R. 1988. Vida microbiana en el suelo, Editorial Pueblo y Educación. 523p. FLOREZ, E. 1993 Arácnidos y miriápodos en el suelo. En: Memorias curso Biología del s0uelo, vol 2. Universidad nacional de Colombia sede Palmira. HOLE, F. D. 1981. Effects of animal son soil. Geoderma, 25:75 112. LAVALLE, P. 1985. The soil fauna of tropical savannas, in: Ecosystems of the world 13.Bourliere Elsevier, Amsterda. pp, 485-504. RIECHERT, S. AND HARP J, 1987. 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Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 UNIDAD 3. Tales interacciones en las cuales uno de los microorganismos es afectado por la acción del otro, incluyen parasitismo, antibiosis y predación. 152 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Pero no todas las relaciones existentes entre los organismos del suelo son de este tipo, existen otras en las que el accionar del uno puede beneficiar el desarrollo y/o actividad del otro (simbiosis). Estas relaciones antagónicas o no, varían considerablemente en especificidad. Mientras que una relación parasítica o simbiótica es altamente específica, los efectos de los antibióticos y promotores de crecimiento sobre las poblaciones del suelo, pueden ser muy variables. http://www.um.es/gtiweb/adrico/medioambiente/matorral%20florida.htm CAPITULO 7. INTERACCIONES MICROBIANAS. Lección 31. Generalidades. El estudio sistemático de interacciones ha concentrado el interés de ecólogos, microbiólogos, bioquímicos, fisiólogos, etc, permitiendo desarrollar campos de investigación tendientes a evaluar sus posibles aplicaciones en la industria, agricultura, salud. De esta manera las investigaciones no limitan su importancia a un laboratorio, sino que son relevantes directa o indirectamente al resto de la población. Estas aplicaciones pueden resultar tan beneficiosas como perjudiciales. Desde hace tiempo se conoce la capacidad de ciertos microorganismos de degradar el petróleo, recalcitrantes, xenobióticos y su aplicación en la biorremediación de sitios contaminados, otros son útiles para el incremento en la fertilidad de suelos agrícolas. En contraste, desde la antigüedad se conocen ejemplos del uso de agentes biológicos con fines bélicos, aunque su identificación y desarrollo son posteriores, alcanzando su máxime en la actualidad. De la amplia gama de aplicaciones actuales, destacamos el uso de microorganismos como agentes de biocontrol y como armas biológicas. La población microbial del suelo en un medio que por su propia naturaleza es completamente dinámico, a la vez, lo que significa que se ve obligada a interactuar entre sí con resultados favorables para algunas especies. La presencia de las plantas y más directamente de sus sistemas de raíces da lugar a modificaciones sustanciales de las condiciones en que los microorganismos presentes se desenvuelven, llevando por tanto a generar relaciones de convivencia favorables o desfavorables tanto para el microbio como para la planta. Los microorganismos rara vez ocurren solos, normalmente se presentan como poblaciones de comunidades complejas, pero que permiten enunciar principios fundamentales de la ecología y del equilibrio biológico del suelo, entre ellas están el comensalismo, la protocooperación, el mutualismo, neutralismo, amensalismo, parasitismo y predación entre otras. 153 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Parasitismo. Interacción en la cual la población que parasita se beneficia y la hospedera, se afecta. Los patógenos de las plantas constituyen la relación típica y aunque se conoce como una interacción negativa, puede convertirse en benéfica cuando el patógeno es parasitazo por otra población, controlando su desarrollo e impidiéndole actuar como fitoparásito. Trichoderma ha sido registrado como micoparásito de Rhizoctonia solani, Sclerotium rofsii, Phytophthora sp, Pythium sp y Armillaria melea entre otros. (Sánchez y Prager, 2001). Predación. Relación ecológica en la cual un organismo, el predador, ingiere y digiere otro organismo, la presa. Puede ser holozoica (ingestión inmediata de la presa) o lítica, en cuyo caso los predadores emiten enzimas líticas que la destruyen y posteriormente consumen los productos de la lisis. Los protozoarios ilustran el primer tipo y los hongos (predadores de nemátodos), el segundo. Los nemátodos, pueden ser atacados por una amplia variedad de organismos del suelo, incluyendo hongos predadores con adaptaciones estructurales que les permite atrapar y penetrar a los nemátodos, incluyendo la producción de abundante micelio, esporas y estructuras que los estrangulan. Por otro lado, una gran variedad de ácaros y colémbolos se alimentan de hongos y bacterias y podrían tener valor como agentes de biocontrol. Mutualismo. Se conoce de relaciones mutualistas entre plantas y organismos (ej. micorrizas y nódulos fijadores de N2) y entre microorganismo y microorganismo (ej. líquenes). Este tipo de relación la colaboración y ayuda mutua entre dos organismos, es decir, los dos se benefician. Este tipo de relación es de gran importancia en los ciclos biogeoquímicos de los elementos. El mutualismo es una interacción biológica en la que ambos organismos de una relación íntima obtienen algún grado de beneficio. Interacciones inespecíficas. Antibiosis. Interacción negativa en la cual una población microbiana produce una sustancia capaz de inhibir a otras poblaciones. Diversas especies de actinomicetos son capaces de sintetizar antibióticos7. De los 6000 antimicrobianos conocidos, el 67% son producidos por actinomicetos y cerca del 90% proviene de diversas especies de Streptomyces. Ejemplo se dichas sustancias son conocidas la estreptomicina, cloranfenicol, cicloheximida y clorotetraciclina. 7 Sustancia producida por un microorganismo la cual en muy bajas concentraciones puede matar o inhibir el crecimiento de otros organismos. 154 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Todos los antibióticos son en algún modo, específicos en su efecto. Sin embargo, algunos tienen un amplio espectro. Por ejemplo, la estreptomicina presenta acción sobre bacterias gram positivas y gram negativas y actinomicetes, mientras otras tienen un espectro más limitado, ej. La viomicina, es activa principalmente contra especies de Mycobacterias. Fungistásis. La germinación de esporas de hongos puede verse afectada por factores aún desconocidos en el suelo. Para comprobar este fenómeno, se requiere de los siguientes parámetros: Mientras la germinación de muchos hongos se inhibe, algunos no son afectados. La inhibición ocurre en presencia de actividad microbiana, pero puede removerse por adición de nutrientes como la glucosa o por esterilización del suelo. El principio inhibitorio es hidrosoluble y difusible. Lo anterior sugiere que los efectos de fungistásis tienen origen microbiano. Efectos Promotores de crecimiento. La actividad de los microorganismos sobre un substrato en el suelo, cuyo efecto es la liberación de nutrientes, es la forma más ampliamente conocida de promoción de crecimiento de las poblaciones. Sin embargo, algunos microorganismos pueden sintetizar vitaminas que estimulan el crecimiento de poblaciones incapaces de sintetizarlas. Los promotores de crecimiento mas frecuentemente encontrados en la rizósfera, incluyen riboflavina y ácido nicotínico. Varios hongos producen promotores de crecimiento, como la vitamina B 12, producida en el suelo por Penicillium y Aspergillus. Se ha encontrado biotina y riboflavina en extractos de suelo, pero sus orígenes no son del todo claros, ya que pueden tener origen microbiano, pero por otro lado, puede estar directamente relacionado al proceso de rizodeposicion. Lección 32. Relaciones entre poblaciones Otra forma de determinar La interrelaciones entre los microorganismos es: 1.- Interacciones entre poblaciones Relaciones positivas permiten ocupar nuevos nichos Relaciones negativas: eliminar poblaciones poco adaptadas, mantener equilibrio entre poblaciones proteger las poblaciones de la llegada de especies intrusas 2.- Relación de neutralismo. 155 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Dos poblaciones se encuentran simultáneamente en el ambiente sin que exista relación entre ellas Tipo O. De relación poco frecuente, se puede producir cuando la densidad de población es baja pero no siempre que es baja la densidad de población se produce neutralismo Relaciones a distancia: por ejemplo H2S Las fases de latencia favorecen el neutralismo la baja actividad metabólica de la fase de latencia favorece el neutralismo las excepciones son entre cuando existen organismos capaces de atacar las fases de latencia de otros la fase de latencia favorece que no ocupen el mismo nicho dos comunidades diferentes simultáneamente, sino que lo hagan de forma separada en el tiempo. 3.- Relación de comensalismo. Resultado +/0. Una primera población modifica el ambiente y favorece el crecimiento de la segunda que, a su vez, no ejerce acción ninguna sobre la primera ejemplo 1: anaerobios facultativos cuya actividad respiratoria baja los niveles de O 2 y favorece el crecimiento de anaerobios estrictos Ejemplo 2: una infección debilita al huésped de manera que se facilita el establecimiento de una infección secundaria por un oportunista Ejemplo 3: liberación de factores de crecimiento Ejemplo 4: oxidaciones gratuitas de nutrientes: (sinergismo entre Mycobacterium vaccae y Pseudomonas) Ejemplo 5: hongos coprófagos Ejemplo 6: eliminación de substancias tóxicas por bacterias (ejemplo H2S) Ejemplo 7: flora de la piel y flora epifita 4.- Relación de sinergismo. Dos poblaciones se favorecen mutuamente de forma no obligatoria, Se denomina también protocooperación. Resultado +/+ Ejemplo 1: sintropismo (alimentación cruzada) entre E. coli y S. faecalis Ejemplo 2: formación de la rizósfera en las plantas efecto de rizosfera bacteria planta: eliminación de H2S solubilización de nutrientes suministro de vitaminas y aminoácidos antagonismo frente a patógenos vegetales planta bacteria: liberación de factores de crecimiento Substancias alelopáticas: evitan la invasión del hábitat por especies alóctonas. 5.- Relación de mutualismo o simbiosis. Resultado +/+ Su establecimiento es obligatorio para la adquisición de nuevas propiedades Motor evolutivo ejemplo: protozoos en simbiosis con espiroquetas - Ejemplos de simbiosis microorganismo-microorganismo: 1: formación de líquenes por hongos y algas 2: Paramecium aurelia en simbiosis con bacterias para formar las cepas asesinas 156 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 - Ejemplos de simbiosis microorganismo-planta: Fijación de nitrógeno Micorrizas - Simbiosis entre hongo y planta. el 95% de las plantas forman micorrizas tipos: ectomicrorrizas: en robles, hayas y coníferas, endomicorrizas: en plantas herbáceas (patata, trigo, maiz, soja, etc.), estructuras vesículo-arbusculares - Ejemplos microorganismo-animal Insectos que cultivan hongos Rumiantes Bioluminiscencia 6.- Relación de competencia. Resultado -/Exclusión competitiva 7.- Relación de amensalismo. Resultado -/(0+) Un microorganismo excluye al otro por inhibición antibióticos ácido láctico (antagonismo láctico) 8.- Relación de parasitismo. Resultado -/+ Son específicas Larga duración 9.- Relación de depredación. Resultado +/Ejemplo: apacentamiento de los protozoos Localización De Los Microorganismos En El Suelo. Los microorganismos edáficos no se encuentran ocupando todo el volumen interparticular en el suelo sino que se localizan adheridos a la superficie de las partículas del suelo. Esto supone una fracción relativamente pequeña (<1%). El proceso de adsorción de los microorganismos a la superficie de las partículas es complejo y no completamente comprendido: parece ser que las interacciones electrostáticas entre las partículas de arcilla y las paredes celulares bacterianas son de gran importancia; pero no siempre pueden explicarse por interacción electrostática simple la retención de las bacterias por el suelo y hay que considerar otras fuerzas débiles como las interacciones de van der Waals. Por otra parte, en ciertos casos se producen estructuras de los microorganismos que coadyuvan a su fijación al substrato, estas estructuras son del tipo de fimbrias y Pili en las bacterias. En cualquier caso, la organización de los microorganismos en biopelículas («biofilms») en los suelos es de importancia capital para entender la biología de estos ecosistemas. 157 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 En las biopelículas se alcanzan concentraciones elevadas de nutrientes fijados que en disoluciones se encuentran demasiado diluidos como para permitir el crecimiento normal de los microorganismos. Un aspecto importante de la adsorción de los microorganismos por interacciones electrostáticas con los materiales del suelo (lo que explica que suelos orgánicos o arcillosos puedan presentar recuentos microbianos muy superiores a los de suelos arenosos, por ejemplo) es el efecto de tampón que desempeñan las arcilla. Las superficies fuertemente cargadas, como la arcillosa, desempeña un doble papel: (1º) aporta nutrientes para el crecimiento de los microorganismos actuando como intercambiador iónico, lo que incrementa la concentración efectiva de los nutrientes; y (2º) actúa como tampón que permite eliminar o disminuir los efectos nocivos de una excesiva acidificación del microambiente bacteriano del suelo producido por la excreción de ácidos por las bacterias. En este sentido, se ha relacionado en ciertos suelos el predominio de hongos patógenos (Fusarium oxysporum var. cubana, causante de la roña de la banana; e Histoplasma capsulatum causante de la histoplasmosis humana) con los bajos niveles de arcillas de forma que las poblaciones bacterianas estaban desfavorecidas en estos suelos como consecuencia de la acidificación del microambiente, mientras que en suelos más arcillosos el efecto tampón de la arcilla permite que las poblaciones bacterianas predominen y controlen la proliferación de estos hongos indeseables. La atmósfera del suelo: La difusión del oxígeno está muy limitada por lo que se produce rápidamente una situación de, al menos, microaerofília en el suelo. Como consecuencia de las actividades respiratorias de los microorganismos las concentraciones de CO2 pueden ser suficientemente altas para dificultar el crecimiento de ciertas formas bacterianas aerobias al mismo tiempo que estimulan el crecimiento de ciertas especies fúngicas que crecen mejor en estas tensiones de CO 2 relativamente elevadas que en las más bajas de la atmósfera normal. Existen otros gases en el suelo cuyo efecto puede ser variado sobre los microorganismos. Por otra parte, ciertos microorganismos pueden producir gases que tienen importancia agrícola: así, ciertas bacterias y hongos son capaces de producir etileno (C2H4) que es un regulador del crecimiento vegetal y a concentraciones relativamente altas (>5ppm) puede inhibir el desarrollo y crecimiento de los nódulos radicales. Distribución y composición de la microflora del suelo: Como se ha indicado anteriormente, el aislamiento, recuento e identificación de los microorganismos del suelo plantea problemas de gran complejidad, Por esto, los resultados de los estudios de recuentos de poblaciones microbianas del suelo son de difícil interpretación desde el punto de vista estadístico y, con seguridad, olvidan muchos tipos de microorganismos no cultivables en absoluto. Se ha intentado en muchas ocasiones realizar estudios sistemáticos de la relación entre la abundancia microbiana y las características del suelo. Como era de esperar, 158 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 los suelos neutros, húmedos y con gran contenido en materia orgánica presentan recuentos microbianos superiores a los de suelos menos propicios para organismos quimioorganótrofos. Sin embargo, no debemos olvidar que, probablemente, nuestros sistemas de cultivo y enumeración seleccionen preferentemente el tipo de microorganismos que podemos encontrar en estos tipos de suelos. Dentro de un suelo determinado se ha comprobado que los estratos superiores de cada horizonte (A, húmico; B húmico inferior) presentan recuentos bacterianos superiores a los estratos inferiores de cada horizonte. Actualmente no es posible delimitar un límite inferior para la aparición de formas microbianas; por debajo de los estratos profundos, en situaciones de presiones muy elevadas se han podido detectar bacterias y arqueobacterias; asimismo se han podido detectar arqueobacterias en depósitos petrolíferos, aunque la interpretación de estos resultados es complicada por la posibilidad de contaminaciones con organismos de estratos superiores arrastrados a los más profundos durante la perforación. Se han observado variaciones estacionales en los niveles de las poblaciones bacterianas: en general, los niveles son mayores durante el verano que durante el invierno; lo que es explicable en términos de efecto de la temperatura sobre el crecimiento. Asimismo, se han encontrado incrementos importantes del número de microorganismos durante el periodo de deshielo primaveral. Esto puede ser debido al acceso de los restos orgánicos que han estado congelados durante el invierno y que se liberan a causa de la disgregación física del suelo producida por el deshielo. Un efecto similar a este lo produce el arado del terreno y, presumiblemente, efectos similares se produzcan en cualquier tipo de tratamiento que suponga una mezcla de los componentes de los diferentes estratos edáficos puesto que, de esta forma, las atmósferas anaerobias creadas por la respiración y el agotamiento de los nutrientes orgánicos quedan eliminados o notablemente reducidos. En este sentido, a modo de ejemplo, considérese que la fermentación producida durante un proceso de compostaje puede dirigirse hacia procesos aerobios (bacilos) o anaerobios (enterobacterias) alterando el régimen de volteo del compost, lo que, al variar la disponibilidad de oxígeno, determina las poblaciones bacterianas predominantes. Desde el punto de vista de los tipos de microorganismos predominantes hay que estudiar varios aspectos: (1º), si consideramos la biomasa, el grupo principal de microorganismos lo constituyen los hongos (Penicillium, Cladosporium, Cephalosporium, Aspergillus). Este tipo de microorganismos no es fácilmente cuantificable en recuentos estándar puesto que, en este caso, se enumeran únicamente las esporas y no la biomasa total y, por otra parte, existe un número importante de especies fúngicas no aislables (hongos micorriza no cultivables). (2º) La mayor riqueza en biodiversidad la presentan las bacterias que incluyen un número muy grande de especies. Como ya se ha indicado en otra parte, hay que considerar que, además de las especies actualmente conocidas (en torno a las 5000) probablemente existe un número aún mayor de especies no cultivables que forman parte de la microflora edáfica. Los grupos principales pertenecen a bacterias Gram-positivas de los géneros Bacillus, Micrococcus 159 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 y a diversos tipos de bacterias corineformes de los que puede ser un ejemplo Arthrobacter y Nocardia. Son muy importantes en el suelo los estreptomicetos productores del típico olor a tierra húmeda e importantes industrialmente como fuente de metabolitos secundarios entre los que destacan antibióticos. Por último, hay que considerar importante la presencia en estratos anaerobios de bacterias del género Clostridium. Las bacterias Gram-negativas están representadas principalmente por el género Pseudomonas que coloniza una gran variedad de microambientes debido a su versatilidad nutricional. A pesar de su número no excesivamente alto tienen importancia ecológica dos grupos de bacterias Gram-negativas: las cianobacterias, colonizadoras primarias de nuevos suelos y las bacterias nitrificadoras (Nitrosomonas, Nitrobacter), los grupos oxidantes de azufre, bacterias fijadoras de nitrógeno, etc. Finalmente, (3º) se pueden detectar en el suelo especies de algas y de protozoos que no difieren notablemente de las encontradas en medios acuáticos. Sin embargo, en el caso de las algas, su identificación puede ser especialmente difícil debido a que presentan morfologías aberrantes con frecuencia. Es importante valorar los ritmos de crecimiento microbiano en el suelo. Los estudios más finos realizados sobre la tasa de crecimiento bacteriano en el suelo permiten suponer que, en promedio, el tiempo de generación ronda los diez días. De hecho, se considera que en la mayor parte de los casos las bacterias se encuentran en una fase de latencia permanente (que sería relativamente equivalente a la fase estacionaria o al periodo de adaptación previo al crecimiento exponencial) durante largos periodos de tiempo. Es más: en algunos casos se ha podido estimar que la absorción de nutrientes por los microorganismos del suelo no les permite crecer sino que toda la energía se dirige hacia las reacciones de mantenimiento. En este sentido, el crecimiento de los microorganismos en el suelo se produciría por fases de «estallido» que seguirían inmediatamente a los aportes de elementos nutritivos limitantes. Lección. 33. Control Biológico Generalidades. Alrededor del mundo, las enfermedades de los cultivos ocasionan pérdidas estimadas del 12% del total producido, y las pérdidas en postcosecha se encuentran entre el 10 y 50%. Por lo tanto, es necesario hallar formas de prevenir el daño causado por microorganismos, con el fin de asegurar una provisión estable de alimentos. Una forma de realizarlo es mediante el uso de agroquímicos (pesticidas y fertilizantes), sin embargo estos contribuyen a la acumulación de residuos tóxicos en las cosechas y en el ambiente, con serias consecuencias para la salud humana. Además los pesticidas no permiten un control efectivo de muchas enfermedades producidas por fitopatógenos del suelo. La utilización de microorganismos antagonistas o enmiendas orgánicas es una alternativa para mejorar la nutrición y resistencia de las plantas así como disminuir la incidencia de enfermedades. 160 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La estabilidad ecológica inherente a los ecosistemas naturales y su autorregulación característica, se pierden cuando el hombre modifica las comunidades naturales a través de la ruptura del frágil tejido de interacciones a nivel de comunidades. De todas formas, esta ruptura puede ser reparada restituyendo los elementos reguladores perdidos en la comunidad. A través de la adición o el incremento de la biodiversidad que funcionan en los ecosistemas agrícolas. Una de las razones más importantes para restaurar y/o mantener la biodiversidad en la agricultura, es que presta una gran variedad de servicios ecológicos. Uno de estos servicios es la regulación de la abundancia de organismos indeseables a través de la predación, el parasitismo y la competencia. Predadores, parásitos y patógenos actúan como agentes de control natural que, bien manejados, pueden regular la población de componentes indeseables o no aptos en un agroecosistema particular. Esta regulación se llama "control biológico" y DeBach (1964) la define como "la acción de parásitos, predadores o patógenos que mantiene la densidad de la población de un organismo plaga en un promedio menor del que ocurriría en su ausencia". En la naturaleza existe una interacción continua entre los potenciales patógenos y sus antagonistas de forma tal que estos últimos contribuyen a que no haya enfermedad en la mayoría de los casos; es decir, el control biológico funciona naturalmente. La observación de este hecho natural permite el aislamiento de un biocontrolador de un mismo ambiente donde prolifera el patógeno. Se han descrito varios mecanismos de acción de los antagonistas para controlar el desarrollo de patógenos. Ellos son: antibiosis, competencia por espacio o por nutrientes, interacciones directas con el patógeno (micoparasitismo, lisis enzimática). Un importante y posible mecanismo de acción antagónica es la competencia. Se puede definir competencia como el desigual comportamiento de dos o más organismos ante un mismo requerimiento, siempre y cuando la utilización del mismo por uno de los organismos reduzca la cantidad disponible para los demás. Un factor esencial para que exista competencia es que haya "escasez" de un elemento, si hay exceso no hay competencia. La competencia más común es por nutrientes, oxígeno o espacio. La competencia por espacio también ha sido reportada; se menciona que las levaduras son efectivas colonizadoras de la superficie de plantas y se destaca la producción de materiales extracelulares (en especial polisacáridos) que restringen el espacio para la colonización por otros microorganismos. Otro mecanismo de biocontrol es la interacción directa con el patógeno. Existen dos tipos de interacciones directas entre los antagonistas y los patógenos. Ellas son el parasitismo y la predación: Parasitismo: El término parasitismo se refiere al hecho de que un microorganismo parasite a otro. El parasitismo consiste en la utilización del patógeno como alimento por su antagonista. Generalmente se ven implicadas enzimas extracelulares tales como quitinasas, celulasas, Beta-1-3-glucanasas y proteasas que rompen las estructuras de los hongos parasitados. Hongos hiperparásitos Los ejemplos más conocidos de hongos 161 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 hiperparásitos son Trichoderma y Gliocladium. Ambos ejercen su acción mediante varios mecanismos entre los que juega un rol importante el parasitismo. Hongos del género Trichoderma han sido muy estudiados como antagonistas de patógenos de suelos como Rizoctonia solani, Sclerotium rolfsii y Sclerotium cepivorum y existen varias formulaciones comerciales desarrolladas a partir de ellos. Predación: En el caso de la predación el antagonista se alimenta de materia orgánica entre la cual ocasionalmente se encuentra el patógeno. Para ser más eficaces, los antagonistas deben ser: Genéticamente estables. Efectivos a bajas concentraciones. Fáciles de reproducir en medios de cultivo económicos. Efectivos para controlar un amplio rango de patógenos. Preparados para ser distribuidos en una forma fácil. No tóxicos para los seres humanos. Resistentes a los pesticidas. Compatible con otros tratamientos (químicos y físicos). No patogénico para las plantas. Activos contra el patógeno de múltiples formas Bajo condiciones ideales, como en el laboratorio, los antagonistas pueden proteger completamente a las plantas de los patógenos. En el campo, el control de enfermedades es un poco menos exitoso. Los factores críticos incluyen a la humedad, disponibilidad de nutrientes y pH. También es importante seleccionar una cepa agresiva del antagonista. Control biológico de microorganismos patógenos: Control biológico de Sclerotium rolfsii Sacc. en Phaseolus vulgaris mediante la utilización de Penicillium notatum. Es un patógeno relevante de plantas con importancia económica en zonas tropicales. Se han aplicado algunas medidas de control sin obtenerse resultados suficientemente satisfactorios: PCNB (Pentacloro-nitrobenceno) aplicado al suelo, el cual presentó un buen efecto fungistático en la superficie, pero debajo de ésta provocó un crecimiento micelial vigoroso y abundante formación de esclerocios. La aplicación de este producto constituye además una presión selectiva favorable para hongos de géneros tales como Fusarium y Pythium, causando al mismo tiempo una reducción en otros sectores de la microflora. Igualmente, se ha señalado que algunos de estos productos pueden afectar las poblaciones de saprófitos y actinomicetes, reconocidos antagonistas de fitopatógenos, lo cual crea una situación potencialmente peligrosa. En pruebas de campo, DCNA (2, 6-Dicloro-4-Nitroanilina) disminuye la incidencia de la enfermedad y contribuye así al incremento en la producción de maní. Sin embargo, en la mayoría de los casos la información obtenida en pruebas de laboratorio es contradictoria cuando se compara con los resultados de campo. 162 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Algunos fumigantes desaparecen rápidamente si el suelo tiene un alto contenido de materia orgánica; la rápida descomposición de estos productos se debe a la actividad microbiana. Como alternativa para el control de este importante grupo de patógenos, se seleccionó Penicillium notatum como biocontrolador, el cual mostró en pruebas de laboratorio e invernadero una acción antagónica que se expresa en inhibición de la germinación de esclerocios, invasión y maceración de éstos, supresión del crecimiento saprofítico y de la producción de esclerocios del patógeno (Díaz y col., 1974) (Díaz y col., 1977). El aislamiento de Penicillium notatum, probado en trabajos posteriores, demostró ser un antagonista efectivo para el control biológico de Sclerotium rolfsii en suelo natural y condiciones de campo. Penicillium. notatum induce una maceración y por lo tanto desintegración de los tejidos de los esclerocios de Sclerotium rolfsii siendo su efecto antagónico un caso típico de hiperparasitismo (Pineda y Polanco, 1982). Control biológico de insectos plaga: Los artrópodos plaga (insectos y ácaros) pueden ser infectados por microorganismos que les ocasionan enfermedades como bacterias, virus y hongos. Bajo ciertas condiciones, como la humedad elevada o abundancia de la plaga, estos organismos de ocurrencia natural pueden multiplicarse y ocasionar brotes de enfermedades o epizootias que pueden acabar con una población. Las enfermedades pueden ser un control natural muy importante de algunos artrópodos plaga. Algunos patógenos han sido producidos en masa y se encuentran disponibles en formulaciones comerciales. Estos productos, son llamados insecticidas microbiológicos, bioremediadores o bioinsecticidas. Algunos de estos todavía se encuentran en fases experimentales, otros ya están disponibles por muchos años. Formulaciones de la bacteria Bacillus thuringiensis o Bt, por ejemplo, son ampliamente usadas por los productores. La mayoría de patógenos de los artrópodos son específicos a ciertos grupos y a ciertas etapas de vida de los insectos. Los productos microbiológicos no afectan directamente a los insectos benéficos y, por lo general, no son tóxicos para los seres humanos y para las otras especies. Control de plantaciones ilícitas Este ejemplo nos pareció particularmente interesante porque a diferencia del concepto original de biocontrol no se controla ninguna plaga ni patógena y además se utiliza como biocontrolador un agente que frecuentemente es el patógeno a controlar. Los EE. UU. Aisló una especie de Fusarium que provoca enfermedad en la planta de coca y pensaba liberarla en Colombia. Este hongo se ha venido estudiando desde los años 60 cuando de manera accidental se relacionó su acción devastadora sobre plantas de coca (Erytroxylum coca) cuando una importante compañía mundial de gaseosas, cultivaba plantas de coca en una estación experimental en Hawai y éstas se marchitaban y luego morían una vez germinaban; se importaron nuevas plantas y también morían, pero no atacaban las plantaciones nativas. En los años 70 y muy temprano en la década de los años 80s algunas agencias gubernamentales como la USDA-ARS (Departamento de Agricultura de los Estados Unidos-Servicio de investigaciones Agropecuarias) duplicaron las investigaciones y aislaron las especies patogénicas de Fusarium oxysporum como 163 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Fusarium oxysporum f.sp.erythroxyli. La cepa más conocida se denominó EN-4 y fue aislada por el Dr. David Sands. Fusarium oxysporum f.sp.erythroxyli. La utilización de Fusarium como micoherbicida es un tanto irresponsable, prematura y de alto riesgo. La no especificidad del hongo, su largo período de permanencia en suelo, su gran capacidad de cambiar d una forma metabólica a otra y su alta toxicidad (es productor de micotoxinas y distintos metabolitos tóxicos para el hombre y animales) son suficientes argumentos que hablan en su contra. Mucho más si se tratara de especies introducidas o manipuladas genéticamente. Este hecho respalda las acusaciones realizadas por parte del gobierno cubano, el que denuncia a los EE.UU por la liberación de un agente patógeno activo contra las plantaciones de tabaco, principal cultivo de la isla. Armas biológicas. Otras de las interacciones que ocurren naturalmente es la producción de enfermedades por parte de microorganismos a otros organismos vivos, incluyendo al hombre. En esta interacción se basa el desarrollo de una "nueva" tecnología bélica: las armas biológicas. Se trata de armas hechas con agentes infecciosos -como bacterias, hongos y virus- o sus metabolitos que provocan enfermedades humanas o plagas en los cultivos y en el ganado. Algunos de los agentes que se prestan al uso como armas biológicas (cuadro 10) son los mismos microorganismos vivientes, o las toxinas producidas como consecuencia del metabolismo de microbios, plantas y animales. Algunos autores consideran a las toxinas como agentes químicos; sin embargo, en 1972 fueron incluidas dentro del listado de la Convención de Armas Biológicas. En ese sentido se define como guerra biológica al desarrollo y la multiplicación y la posterior utilización de microorganismos patógenos, es decir productores de enfermedades, con el fin de atacar una población y ocasionar su destrucción mediante la dispersión de tales agentes. La guerra biológica como tal es más antigua que lo que creemos. En épocas antiguas, cuando una ciudad era sitiada por invasores, estos utilizaban catapultas para arrojar por sobre las murallas los cuerpos de los enfermos – por ejemplo de peste bubónica- con el fin de diseminar le enfermedad en la ciudad atacada. Sin embargo, ha adquirido una nueva dimensión en estos días, puesto que la facilidad de su producción las hace accesibles para los grupos terroristas. Las características de las armas biológicas son, como analizaremos posteriormente, perfectamente compatible con el modus operandi de los terrorista y constituyen no sólo un arma de destrucción masiva sino también una forma de infundir el pánico en la población (basta citar el ejemplo del terror de la población norteamericana ante la aparición de casos de carbunco). Sumado a esta situación, el profundo avance en los conocimientos genéticos y moleculares de los organismos vivos potencia la peligrosidad de estos agentes. 164 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Cuadro 10. Agentes potenciadotes de enfermedades Virus Ébola, Fiebre amarilla, Viruela, Encefalitis equina, Influenza Bacterias Bacillus anthracis Toxinas Ricina Botulinica Yersinia pestis Micotoxinas En general, las bacterias son más fácilmente utilizables que los virus. Esto es porque la manipulación de agentes virales altamente peligrosos debe hacerse en un laboratorio correctamente equipado (clase 4); de lo contrario, un escape accidental podría tener consecuencias devastadoras para la misma comunidad terrorista que pretende utilizarlo. Es valido agregar que muchas de las enfermedades infecciosas asociadas a la guerra biológica son endémicas en la mayoría de los lugares sospechosos de desarrollar un arma biológica. Otra situación interesante es la posibilidad de utilizar el virus Viruela, este es el argumento que esgrimen lo EE. UU. y la ex URSS contra la destrucción de las únicas cepas de virus que teóricamente existen en el mundo. Interacciones a nivel genético. Las interacciones entre los organismos no se limitan a un intercambio bioquímico, mucho menos a un contacto físico sino que además existen estrechas relaciones genéticas, el antecedente más espectacular lo constituye el origen endosimbionte de las mitocondrias, hecho que se ha podido constatar con la secuenciación del genoma de Rickettsia, que ha resultado extraordinariamente semejante al de las mitocondrias. Todavía, las bacterias y los virus continúan intercambiando genes, regulando ecosistemas y manteniendo la complejidad. Existen ejemplos de microorganismos que establecen una relación genética con artrópodos que deriva en la alteración del curso normal de su ontogenia. Wolbachia. En la década de los cincuenta un equipos de científicos se encontró con dificultades inesperadas al intentar cruzar dos razas distintas de una misma especie de mosquito. Durante unos 20 años la causa de esta incompatibilidad constituyó un misterio. Finalmente, en 1971, Janice Yen y Ralph Barr (Universidad de California) establecieron que una bacteria del género Wolbachia es la culpable del fenómeno hoy conocido como "incompatibilidad citoplasmática.'' Yen y Barr demostraron que la incompatibilidad citoplasmática tiene lugar cuando machos infectados por Wolbachia se aparean con hembras no portadoras de la bacteria. En este tipo de cruces o no se produce descendencia o ésta es muy reducida. Los investigadores comprobaron que la barrera reproductiva puede ser eliminada mediante un tratamiento antibiótico que libere a los mosquitos de sus endosimbiontes bacterianos. 165 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Las bacterias del género Wolbachia son microorganismos capaces de infectar células de testículos y ovarios de muchas especies de insectos y de otros artrópodos, alterando profundamente la reproducción de sus hospedadores. Dependiendo de la especie afectada, la presencia de Wolbachia puede conllevar distintas anomalías. Así, en Insectos, los microorganismos suelen causar la muerte de los embriones de uno de los dos sexos, generalmente del masculino. En cambio, en Isópodos (crustáceos con todas sus patas iguales) y Anfípodos (malacostráceos acuáticos sin caparazón) la infección por Wolbachia transforma machos genéticos en hembras morfológicas y funcionales. En especies gonocorísticas, el incremento de la proporción de hembras inducida por la bacteria, podría derivar en extinción en caso de extenderse demasiado el efecto feminizante. Según palabras de Lynn Margulis los "organismos vivos visibles funcionan sólo gracias a sus bien desarrolladas conexiones con la red de vida bacteriana (...) toda la vida está embebida en una red bacteriana autoorganizadora que incluye complicadas redes de sistemas sensores y de control que tan sólo empezamos a percibir", como ejemplo de ello los suelos terrestres se hallan plagados de bacterias en su mayor parte desconocidas, que cumplen funciones fundamentales en la degradación de sustancias toxicas o en la fijación de nitrógeno y en la regeneración de suelos y ecosistemas marinos y terrestres. Además, diferentes especies microbianas viven en el interior de organismos superiores colaborando con la degradación de sustancias que no pueden digerir o con la producción de otras imprescindibles para el organismo. Algunas de estas interacciones han resultado beneficiosas, aplicándose para controlar las plagas y malezas de una forma "natural", evitando los problemas asociados al uso intensivo de compuestos químicos para tal fin. Sin embargo esto requiere de un uso racional, debido a que en otros casos los microorganismos patógenos son fuente de una nueva arma de destrucción masiva. El estudio minucioso de las interacciones ha permitido encontrar ejemplos asombrosos de participación de microorganismos tanto en la regulación génica como en la dirección evolutiva. Se manifiesta así la importancia de las mismas y su implicancia en los mecanismos evolutivos, orientando los estudios hacia una nueva Biología. Lección 35. Suelos supresivos. Desde hace algún tiempo, se sabe que ciertos suelos son “inmunes” a diversas enfermedades, a pesar de que la planta se encuentre en condiciones de padecerlas. Tales suelos son denominados supresivos. Probablemente, existan distintas razones de tal inmunidad que actúen, según las circunstancias ambientales, individual o sinérgicamente. 166 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 En otras ocasiones, el patógeno aparece y ataca a los cultivos, pero no genera enfermedad alguna, o lo hace durante algún tiempo, tras el cual pierde su virulencia. Se han propuesto diversos factores como posibles responsables de la enfermedad, tales como: granulometría, aireación-drenaje, pH, compuestos, orgánicos inhibidores, competencia con la rizósfera por los nutrientes, antibiosis de las comunidades microbianas naturales del suelo y del propio huésped, etc. En general, se investiga preferentemente en los presuntos orígenes biólogos de la enfermedad, aunque también se indaga sobre el papel de ciertas variables abióticas. Más raros son los enfoques que buscan la supresividad vs conductividad de determinados tipos de suelo o edafotaxa a una determinada enfermedad. Así, por ejemplo, en el sur de Chile (Campillo et al. 2001) detectaron que los Ultisoles se comportaban como suelos supresivos respecto a una determinada patología, mientras que los Andisoles demostraban ser fuertemente conductores o susceptibles a la misma. Es evidente que se trata de un ámbito de exploración difícil, pero también pluridisciplinar y novedoso. Bien pudiera ser que la supresividad fuera condicionada por las características inherentes de determinados edafotaxa (al menos ante ciertos patógenos). De ser así, relacionar que edafotaxa son supresivos y cuales conductores, mediante bases de datos y cartografías de suelos, pudiera dar lugar a desglosar la edafodiversidad de un territorio bajo esta óptica más utilitarista. Tal iniciativa ayudaría en gran medida a paliar las graves pérdidas económicas que se generan en la producción agraria. Se trata de una línea de investigación que aun se encuentra en su infancia respecto a la supresividad de supuesto origen biológico. Cuando la planta ayuda a la supresividad del suelo, de le denomina resistencia inducida y al parecer ocurre debido a que el cultivar acarrea parte de la rizósfera que lleva una cepa escasamente virulenta del patógeno. Veamos, que en términos coloquiales, los suelos también pueden ser vacunados al estilo de los seres humanos ¿Sorprendente no? En cualquier caso, lo más común es asumir que, la supresividad puede estar inducida por diversos factores simultáneamente, tales como la biología del suelo, incluyendo sus rizosferas y micorrizas. Del mismo modo, la textura el drenaje-aireación de un suelo, su contenido de nutrientes y materia orgánica, el pH y otras variables abióticas, también pueden ser de suma importancia. Por tanto, tales propiedades pueden ser beneficiosas en ciertos edafotaxa, mientras que en otros no. Ahora bien, también se puede tratar al paciente tomando las medidas terapéuticas oportunas. Como en el caso de la piel y el tracto intestinal, mantener una microflora saludable se considera el sistema más eficiente. Pero, ¿Por qué? Fuentes de supresión: competición por nutrientes 167 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 antibiosis de planta o microflora asociada parasitismo por otros microorganismos del suelo Propiedades del suelo. Se considera que una poblada y diversa rizósfera y una intensa actividad micorrícica son fundamentales, ya sea por la competencia por los nutrientes con el patógeno y/o debido a que algunos microorganismos generen antibióticos, o sean parasitarios, o bien actúen como depredadores. Por ejemplo, las micorrizas son especialmente efectivas con vistas a eliminar enfermedades infecciosas de las raíces del suelo. Sin embargo, también se puede acudir a técnicas físicas, tales como la solarización (cubrir el suelo con un plástico de tal modo que se caliente y se engañen a los huevos del patógeno respecto a la estación climática en que se encuentran, eclosionando inoportunamente para su desgracia). La biofumigación es otro procedimiento que consiste, más o menos, en añadir “ciertas” enmiendas al suelo que, al descomponerse, desprendan gases naturales letales para el patógeno. Debido a que una actividad biológica intensa y diversificada parece ser fundamental, las enmiendas orgánicas son utilizadas con vistas a nutrir bien al enemigo de los perversos patógenos. Del mismo modo, retornar la mayor cantidad de restos del cultivo (rastrojos) al suelo, es otra estrategia empleada. El laboreo mínimo, agricultura con labranza “0”, o la rotación de cultivos son otras alternativas propuestas en la bibliografía. Rotación de Cultivos. Cabe mencionar que todos los suelos en estado natural (sin cultivar) parecen atesorar un cierto grado de supresividad, empero el arado, los monocultivos, etc. destruyen tal equilibrio natural, como en la piel y el tracto digestivo del ser humano otros agentes, e incluso un exceso de higiene. A veces, la supresividad de un suelo concierne a varios potenciales patógenos simultáneamente. Como una vacuna polivalente. Different levels of soil biota in suppressive and non-suppressive soil at Avon SA Patógenos del suelo. Entre el grupo de Bacterias, hongos, nemátodos se encuentran algunas especies que causan enfermedad y son difíciles de controlar, por lo que se recomienda: o o o o Rotaciones de cultivos Selección de variedades de plantasresistentes Pesticidas de síntesis química Biocontrol 168 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 El control biológico puede definirse como el “uso de organismos naturales o modificados, genes o productos de genes, para reducir los efectos de organismos indeseados (pestes) y favorecer a organismos deseables como cultivos vegetales, animales o microorganismos.” National Academy of Science (1987). El Biocontrol • Cumple un rol importante desde el comienzo de la agricultura • Perspectivas para el siglo XXI: – Aumentará la producción agrícola, disminuirá el uso de pesticidas y la agricultura dependerá mucho del C.B. como componente mayor del manejo integrado de plagas • El C.B., componente más antiguo del manejo integrado de plagas, es una tecnología en desarrollo. Características de los suelos supresivos Sensibilidad a tratamientos antimicrobianos y transferencia de la supresividad. Importancia de textura, contenido de iones minerales, temperatura, humedad, pH del suelo. Años de monocultivo pueden inducir supresividad en algunos suelos (take-all del trigo en E.U.A., Australia, Holanda) ¿Cómo explicarlo? • Esos suelos tendrían microorganismos (Bacillus, Pseudomonas, Streptomyces spp.) productores de antibióticos • ¿Los antibióticos se producen en el suelo? • ¿Son ellos responsables de la supresividad? • Búsqueda de antibióticos en las proximidades de la planta. • Técnicas más sensibles: HPLC • Mutantes Una de las caracteristicas de los suelos supresivos es la producción de sustancias promotoras de crecimiento. PGPR (plant-growth promoting rhizobacteria). Bacterias que colonizan la superficie de la raíz y se adhieren a la interfase del suelo (rizósfera). Algunas PGPR pueden penetrar la raíz: endófitas. Muchas atraviesan tejidos y entran en el sistema vascular, y se localizan en tallo, hoja, etc. También pueden provenir de filosfera, espermosfera, etc. Rizobacterias libres y endófitas usan algunos mecanismos comunes para promover crecimiento de plantas y control de fitopatógenos • Biofertilizantes. Predomina la promoción del crecimiento de la planta: fijación de N2, solubilización de fosfato, producción de fitohormonas, producción de compuestos volátiles estimulantes del crecimiento (etileno, 2,3butanodiol) Biopesticidas. Predomina el antagonismo frente a patógenos. Géneros bacterianos: Pseudomonas y Bacillus spp., antagonistas de patógenos de raíz. 169 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Hongos: Fusarium y Tricoderma spp. No patogénicos Mecanismos de biocontrol mediados por PGPR Competencia por nicho ecológico o sustrato • Producción de aleloquímicos inhibidores Inducción de resistencia sistémica (ISR). Competencia rizosférica. La colonización de la raíz combinada con la habilidad para sobrevivir y proliferar a lo largo de las raíces de la planta en crecimiento por un período considerable y en presencia de la microflora indígena. Rizosfera: zona densamente poblada, las raíces en crecimiento deben competir con sistemas radicales de plantas vecinas y con otros organismos, incluyendo bacterias y hongos. Exudados radicales. PGPR alcanzan la superficie radical guiados por respuestas quimiotácticas. Componentes importantes de los exudados: ácidos orgánicos, aminoácidos, azúcares específicos. Los exudados están bajo control genético y ambiental. ¿Cómo se estudia la colonización de raíz a nivel molecular? Mutantes en características esperadas, mutantes al azar y evaluación posterior de su capacidad colonizadora Actividad biocontroladora mediada por síntesis de aleloquímicos ¿Cómo realizan las PGPR una colonización ofensiva? ¿Cómo defienden los nichos rizosféricos? Produciendo aleloquímicos: Sideróforos, Antibióticos, Biocidas volátiles, Enzimas líticas y Enzimas detoxificantes Antibióticos producidos por Pseudomonas spp: 2,4-DAPG, Pioluteorina (Plt), Pirrolnitrina (Prn), Fenazinas (Phz), Lipopéptidos cíclicos, HCN y furanonas Producción de enzimas líticas: Hidrolasas que degradan paredes celulares de fitopatógenos, Quitinasas, Proteasas, β-1,3- Glucanasas y Celulasas Detoxificación y degradación de factores de patogenicidad: Degradación de ácido fusárico, fitotoxina y factor de patogenicidad, producido por varias especies de Fusarium spp., Algunas PGPR degradan las señales autoinductoras (quorum sensing) del patógeno, bloqueando la expresión de numerosos genes de patogenicidad. http://www.mag.go.cr/rev_agr/v21n01_025.pdf http://www.mag.go.cr/congreso_agronomico_X/a50-2388-I_081.pdf 170 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Lección 36. Relación Suelo - Planta – Enfermedad. Influencia del ambiente y la nutrición sobre las enfermedades vegetales. Tomado de Revista de Investigación UNAD 2007. Autores. Nelson Piraneque - Sonia Aguirre. Introducción. La agricultura convencional utiliza al suelo como soporte físico de la planta, desconociendo su potencial y funciones. El equilibrio biológico natural entre predadores, parásitos, resistencia y susceptibilidad, es el reto cuando se Introducen agentes externos (agroquímicos) en el sistema de producción. La resistencia o sensibilidad de la planta a plagas esta íntimamente relacionada con la nutrición y el manejo cultural del sistema. Las plagas sólo afectan a plantas que han sido mal tratadas (desequilibradas) lo que causa una alteración en su metabolismo atrayendo o convirtiéndolas en sustrato alimenticio y hábitat adecuado para la reproducción de patógenos. Las enfermedades de plantas son de gran interés puesto que los vegetales son sustento de la alimentación a nivel mundial. Las pérdidas causadas por las enfermedades varían según el tipo de vegetal, el patógeno, el lugar, el ambiente, prácticas agronómicas y la combinación de dichos factores. Así, una planta puede enfermar cuando es atacada por un agente biótico denominado patógeno o es afectada por algún agente abiótico (Déficit o exceso de nutrientes, temperatura, alta humedad, sequedad, cambios en el pH), entre otros. La interacción ambiente, patógeno y hospedero determina la severidad con que la planta puede ser afectada. Este desorden fisiológico o anormalidad estructural perjudicial es común en los trópicos (alta humedad relativa, alta temperatura, baja fertilidad de los suelos) para la mayoría de las especies sembradas (Díaz-Zorita, 2006). Es en éste sistema, donde las plantas entran en estrecho contacto con su entorno de mayor actividad física, química y biológica (Siquiera y Franco, 1988) y representa la interfase de comunicación entre el vegetal y el suelo. Los factores ambientales que más inciden en la presencia y establecimiento de un patógeno son la temperatura, la humedad superficial de las plantas y los nutrientes del suelo (Huber, 1997). Por tanto, para que una enfermedad se desarrolle se debe presentar la interacción entre ambiente adecuado, planta susceptible y el patógeno con capacidad de producir infección (Agrios, 1997; Ávila, 1991). Desde el concepto sistémico, las plagas son indicador de manejo donde la alteración de cualquier factor está íntimamente asociada al ciclo productivo. En la actualidad es un reto la producción de alimentos, pero también la sostenibilidad de los recursos. El objetivo del presente artículo es realizar una revisión de la influencia de los factores 171 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 ambientales y del suelo sobre el desarrollo y diseminación de enfermedades en plantas. La identificación de estos factores puede permitir el establecimiento de criterios para el manejo técnico y uso racional de los insumos de producción. Factores Físicos Y Enfermedades En Plantas. Temperatura. Las plantas y los microorganismos, requieren de una temperatura adecuada para desarrollar sus actividades. Ejemplo de ello lo constituye la gota de la papa (Solanum tuberosum), ocasionado por Phytophthora infestans, que requiere para desarrollarse temperaturas medias entre 15 y 20°C. Se pueden encontrar microorganismos con preferencia por altas o bajas temperaturas, afectando el número de esporas por unidad de área del vegetal y el número de estas liberadas por unidad de tiempo. p.e. Phytophthora, se desenvuelve mejor a bajas temperaturas y otras como antracnosis (Colletotrichum sp) y la pudrición bacterial (Pseudomonas solanacearum) son favorecidas por las temperaturas elevadas predominantes en zonas tropicales y subtropicales. (Agrios, 1997). Humedad. Con la temperatura, inicia el proceso infeccioso; es indispensable para la germinación de las esporas y para la penetración del patógeno. Juega papel importante en la multiplicación y distribución de las estructuras reproductivas y de los organismos causantes de enfermedad, y puede afectar la formación de estructuras reproductivas, la longevidad y la germinación (Hoeft et al., 2000).. Incrementa la suculencia de las plantas, haciéndolas susceptibles a patógenos. Se ha encontrado estrecha correlación entre enfermedades vegetales con el contenido de humedad y con la presencia y distribución de eventos lluviosos. P. infestans, requiere una humedad relativa mayor al 80% y una fina película de agua sobre la superficie foliar para que sus esporas germinen e infecten el hospedero. Viento. Su influencia se observa en la dispersión y diseminación de los patógenos y en menor grado, sobre los cambios de humedad en la superficie del vegetal (Agrios, 1997). Las uredosporas y varios tipos de conidias pueden ser transportadas varios kilómetros, sin perder su capacidad para producir infección. Este factor puede ser más importante cuando esta acompañado por lluvias, que colaboran en la liberación de las esporas de los tejidos donde están depositadas y llevadas a sitios dentro del hospedero o a otras plantas susceptibles (Agrios, 1997; Pérez, 1994). El viento puede dañar la superficie de los vegetales cuando éstos son movidos, ocasionando roce entre ellos o a través de heridas por el choque de partículas de arena facilitando la entrada de los patógenos al vegetal. Pese a todo lo enunciado, este factor puede contrarrestar la infección de las plantas, mediante desecación de las superficies foliares (Pérez, 1994, Manners, 1986). 172 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Luz. Su efecto en el desarrollo de enfermedades, bajo condiciones naturales, es mucho menor que los producidos por la humedad y la temperatura. Se conoce de patógenos que pueden aumentar o decrecer su acción, dependiendo de la intensidad y la duración lumínica (Agrios, 1997). Cuando la luz es limitada, se producen plantas con mayor susceptibilidad a patógenos no obligados como es le caso de Botrytis en lechuga (Lactuca sp) o Fusarium en tomate (L. esculentum), pero decrece su susceptibilidad a parásitos obligados como Puccinia en trigo (Triticum sp.). (Agrios, 1997). Existen además reportes de otros factores del suelo con impacto sobre el daño potencial de patógenos. Monfort et al. (2005), demostraron la influencia de la textura sobre la severidad de Meloidogyne incognita en algodón. Harikrishnan y Del Río (2005), encontraron que existe una estrecha relación entre las condiciones de humedad y la presencia, diseminación y ataque del moho blanco (Sclerotinia sclerotiorum). Ambiente nutrimental. La nutrición de las plantas puede ser drásticamente alterada por patógenos y frecuentemente es difícil diferenciar entre factores bióticos (Balachandran et al., 1997) y abióticos que interactúan para ocasionar una deficiencia o exceso nutrimental (Bergman y Boyle, 1962). Un cambio en cualquier factor ambiental puede favorecer al huésped, al patógeno o a ambos, e incluso más a uno que al otro, por lo que se afecta el curso de una enfermedad (Agrios, 1997). El ambiente nutrimental dado por el huésped es especialmente crítico para los parásitos obligados. Los excesos y deficiencias minerales afectan el crecimiento vegetativo y pueden reducir la concentración de virus en los tejidos, por lo tanto, los períodos más intensos para la síntesis de virus corresponden a la máxima deficiencia de proteínas en tejidos de las plantas, debido a que éstos se apropian de los nutrimentos preferenciales del huésped (Huber, 1978). La suma de interacciones entre patógeno, huésped, ambiente y tiempo, determina cómo una enfermedad se afecta por la nutrición. Factores Edáficos Y Enfermedades En Plantas. A nivel edáfico existen factores que afectan de diversas maneras la aparición de eventos infecciosos en los vegetales: pH. La reacción del suelo influye en la ocurrencia y severidad de las enfermedades de las plantas causadas por patógenos del suelo. Ejemplo de ello lo constituye la pudrición radical de las crucíferas (Plasmodiophora brassicae) que es más severa a pH cercano a 5.7, la formación de cuerpos fructíferos se lleva a cabo a valores de 5.7 a 6.2 y su acción se interrumpe a pH de 7.8; la roña de la papa (Streptomyces scabies), puede ser severo en pH que va desde 5.2 hasta 8.0, pero la formación de cuerpos fructíferos sólo se da en pH de 5.2 (Agrios, 1997). Puede perturbar en gran medida la nutrición de las plantas contrarrestando los patógenos o colaborando en su aparición y/o severidad. pH mayor de 7.5 favorece la aparición de clorosis férrica confiriendo susceptibilidad a patógenos foliares pero controla enfermedades edáficas como Pythium causante del 173 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Damping off en trigo, arveja, soya, tomate y cebolla (Ivancovich, 1996; Ko and Ching, 1989). Disponibilidad de nutrientes en el suelo. El análisis de suelos indica la capacidad de éstos para suministrar nutrientes a las plantas, pero no caracteriza la movilidad de los mismos en el sistema. La disponibilidad de nutrientes esta afectada por el ambiente del suelo (pH, humedad, temperatura), por el íntimo contacto con las raíces de las plantas y por los organismos que en él se encuentran (Sánchez, 2005; Sánchez de P., 1999). La adquisición de los nutrientes se ve afectada o favorecida por diversos factores entre los que se encuentran la alta heterogeneidad espacial de los suelos, la solución química en relación a la distancia y el área de absorción: sistema de raíces y área ectomicorrícica. Existen varios procesos químicos que ocurren en la vecindad de las raíces influenciando el movimiento, dinámica y por tanto la absorción de nutrimentos por parte de las plantas. (Hinsinger, 1998; Hinsinger y Jailard, 1993). Desde el punto de vista de la dinámica de nutrientes, la absorción de agua y de iones conlleva a periodos de suficiencia e insuficiencia, los que generan procesos específicos de movilización hacia las raíces, conocidos como intercepción (Ca +2 y Mg+2, principalmente) difusión (K+ y en menor proporción N y P) y flujo de masa (Ca +2, Mg+2, N, S,) (Barber, 1995). La disponibilidad de los nutrientes puede incidir sobre la predisposición a la infección (Gilbert et al., 2001) afectando el vigor, las características anatómicas, histológicas, fisiología y eficiencia en el uso de agua (Diaz-Zorita, 2006). Cuando el flujo es mayor al consumo por parte de la planta, se produce acumulación de nutrientes en la zona rizosférica, como es el caso del CaCO 3 (que frena el crecimiento de la planta y/o produce clorosis), del Na+ y el Cl- (que presentes en grandes concentraciones producen sales como el NaCl) que conllevan el incremento del potencial osmótico, afectando directamente la absorción de agua, deteniendo el crecimiento vegetal y en casos extremos, produciendo la muerte del mismo (Sánchez, 2005). Nutrición y tolerancia a enfermedades de las plantas. La nutrición mineral de las plantas, considerada como un factor exógeno, puede manejarse y constituye un punto fundamental complementario para enfrentar las enfermedades (Velasco, 1999). Los nutrimentos influyen en el crecimiento y la supervivencia de los patógenos, en la predisposición, tolerancia y resistencia de las plantas dependiendo del nutriente, del estado nutricional de las mismas, la especie hospedera y el tipo de patógeno. De igual 174 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 forma, las enfermedades alteran la absorción, translocación y concentración de nutrimentos en los tejidos vegetales. Sin embargo, las plantas enfermas acompañadas de una nutrición balanceada pueden resistir más el efecto de los patógenos, lo que se traduce en mejor desarrollo y rendimiento (Marschner, 2003; Agrios, 1997; Chaboussou, 1987; Huber, 1981 y Huber y Arny, 1985). El manejo nutrimental a través de la fertilización constituye un control cultural poco estudiado de enfermedades vegetales (Sánchez de P., 2001, Fageria et al. 1997 y Huber, 1989). Las plantas que reciben nutrición mineral balanceada son más tolerantes a enfermedades, es decir, tienen mayor capacidad para protegerse de nuevas infecciones y de limitar las ya existentes, que cuando uno o más nutrimentos son abastecidos en cantidades excesivas o deficientes (Huber, 1989). Aunque la resistencia o tolerancia son genéticamente controladas, están influenciadas por diferentes factores. Desde este punto de vista, la nutrición mineral de plantas puede ser manipulada con relativa facilidad, aunque con frecuencia se desconoce su aporte como parte fundamental del manejo de enfermedades (Marschner, 2003). Los nutrimentos pueden, incrementar o disminuir la resistencia (habilidad del huésped para limitar la penetración, el desarrollo y/o reproducción del patógeno invasor, así como limitar la alimentación de las plagas) o tolerancia (capacidad del huésped para mantener su crecimiento, no obstante la presencia de infección o ataque de plagas) de los cultivos a los patógenos. (Marschner, 2003; Ceballos, 2002). La resistencia puede mejorarse por cambios en la anatomía (por ejemplo, células epidermales gruesas con alto grado de lignificación y/o silificación) y en las propiedades fisiológicas y bioquímicas (por ejemplo, alta producción de inhibidores o substancias repelentes). La resistencia puede particularmente incrementarse cuando la planta responde al ataque de parásitos a través de la formación de barreras mecánicas (lignificación) y la síntesis de toxinas (fitoalexinas). Adicional a lo enunciado, como regla, la influencia de la nutrición mineral sobre la resistencia del vegetal, es muy baja en cultivares altamente susceptibles o altamente tolerantes, pero muy substancial en aquellos moderadamente susceptibles o parcialmente tolerantes (Marschner, 2003). Enfermedades causadas por deficiencias minerales. La deficiencia o exceso de nutrimentos esenciales causa enfermedades, las que se corrigen mediante el suministro o reducción de su concentración. Los tipos de síntomas dependen principalmente de las funciones que desempeñe cada nutrimento en la planta. La deficiencia de potasio, por ejemplo, causa acumulación de compuestos solubles 175 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 nitrogenados resultando manchas necróticas en las hojas, similares a los síntomas producidos por patógenos foliares. El achaparramiento, enrosetamiento y el efecto del bronceado son síntomas comunes de infección de virus y pueden ser corregidos por adición de zinc (Huber, 1978; 1981). Una deficiencia de calcio tiende a incrementar la susceptibilidad de la planta a patógenos invasores de tejidos mediante la producción de enzimas pectolíticas como la poligalacturonasa, que ataca los poligalacturonatos de calcio, requeridos en la lamella media para dar estabilidad a la pared celular (Marschner, 2003). De la misma manera, la deficiencia de este elemento resulta en la invasión por patógenos como Fusarium sp. que coloniza e invade los vasos conductores impidiendo la circulación de agua y nutrientes, mostrando síntomas característicos de marchitez. El silicio es un elemento que se acumula en plantas, principalmente en monocotiledoneas. Su deficiencia causa la aparición de enfermedades como la roya; de aquí que se considere al silicio como nutriente que aumenta la resistencia principalmente de hojas jóvenes a los diferentes patógenos. En trigo (Triticum aestivum L) se han encontrado evidencias del papel del elemento como mediador de tolerancia vegetal frente a la infección y colonización del hongo (Blumeria graminis DCf. Sp. Tritici Em. Marchal), confirmando así numerosas observaciones del papel benéfico del silicio en monocotiledóneas (Bélanger et al, 2003); sin embargo, su modo de acción no esta completamente entendido (Nanayakara y Datnoff, 2004). En arroz y pepino (Cucumis sativus L.) se ha determinado la producción de sustancias de resistencia (fitoalexinas y compuestos fenólicos) cuando son tratadas con silicio (Fawe et al., 1998; Seebold et al., 2000). Otro efecto del silicio es la activación de defensas químicas y bioquímicas incrementando el contenido de fenoles, la actividad de quitinazas, -1,3-glucanasa, peroxidasas, -glicocidos, fenilamonio liasa y polifenoloxidasa (Fawe et al., 1998; Bélanger y Menzies., 2003). Los patógenos y deficiencias minerales. Los Factores fisiológicos y patológicos que ocasionan disturbios en la nutrición mineral, pueden tener un mecanismo común de acción. El problema patogénico de alterar la nutrición mineral reside en la imposibilidad de satisfacer una necesidad específica adecuada (Sánchez de P., 1999). Resulta evidente que la interferencia que ocasionan los patógenos sobre el movimiento ascendente del agua y los nutrimentos inorgánicos o sobre el movimiento descendente de las substancias orgánicas, ocasionará la enfermedad (por deficiencia) de la planta reflejándose en disponibilidad alterada de nutrimentos para su utilización por la célula, con graves consecuencias en su metabolismo (Huber, 1978; Agrios, 1997). Los hongos ocasionan inmovilización de nutrimentos; los nemátodos alteran la solubilización, absorción y distribución de ellos; las bacterias alteran la translocación, distribución, la 176 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 demanda y la eficiencia metabólica; y los virus afectan la absorción, translocación y concentración de ellos en la planta (Velasco, 1999; González, 1996; Huber, 1985). Por ejemplo, en climas cálidos deficientes en potasio, plantas de las familias crucífera, solanácea y leguminosa son altamente susceptibles a la marchitez causada por Fusarium oxysporum, invasor de vasos conductores, ocasionando bloqueo o taponamiento de los mismos impidiendo el normal abastecimiento de agua y nutrientes en el vegetal, quien finalmente muere (Pérez, 1994). Nutrición y Enfermedades de plantas. La nutrición mineral influye en el crecimiento y supervivencia del patógeno, predisposición del hospedero al ataque, tolerancia y resistencia de la planta (Huber 1981; Agrios, 1997). Muchos de los elementos minerales, requeridos por la planta para su crecimiento, incrementan o disminuyen la severidad de algunas enfermedades. Los efectos de N, P y K en las enfermedades son los más reportados, debido a su limitada disponibilidad en muchos suelos y a la gran cantidad requerida por las plantas (Huber, 1980; 1981). Varias de las funciones de los micronutrientes en las reacciones metabólicas relacionadas con la resistencia de las enfermedades, sobre todo virales, aún no están determinadas (Marschner, 2003). Nitrógeno. El N ha sido estudiado en relación a la nutrición del huésped y a la severidad de las enfermedades, debido a que es esencial para el crecimiento de las plantas, a su limitada disponibilidad en el suelo y a su efecto en el tamaño y grosor de la pared celular. La forma disponible más que la cantidad de N determina la severidad de la enfermedad (Huber y Watson, 1974). El N aumenta la tasa de crecimiento y la proporción de tejido joven que es más susceptible al ataque de patógenos. El incremento en la concentración de aminoácidos en el apoplasto y en la superficie foliar tiene influencia en el aumento de la concentración de azúcar que influye en la germinación y crecimiento de conidias. Plantas sometidas a altas concentraciones de N reducen la producción de materia seca (Salazar – Arias, 1977), las actividades de algunas enzimas específicas para el metabolismo de los fenoles y el contenido de fenoles y de lignina se deprime, debido a que los primeros son precursores para la formación de esta última (Aguirre, 2006; Aguirre et al., 2006). Altos suministros de N, incrementan la severidad de infección por parásitos obligados, contrario a lo que ocurre con parásitos facultativos como Alternaria y Fusarium (Juarez et al., 2001; Marschner, 2003 citando a Kiraly, 1976 y Perrenoud, 1977). 177 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Fósforo. El fósforo y el potasio, en general incrementan la resistencia a las enfermedades y son importantes para lograr un mejor manejo de enfermedades como pústula y tizón bacteriano (Pseudomonas syringae y Xanthomonas campestris), podredumbre carbonosa del tallo (Macrophomina phaseolina), fusariosis (F. oxysporum), cancro del tallo (Diaporthe), podredumbre violeta de la raíz y la base del tallo (Rhizoctonia solani) y neillo et al., 1981). En papaya, el exceso de fertilización fosforada predispone al ataque de virus (Sánchez de P, 2001). Los resultados del efecto del P sobre la resistencia a enfermedades son contradictorios. Por un lado, baja disponibilidad del nutriente provocaría una alta susceptibilidad a enfermedades y por el otro, se esperaría mayor infección de las raíces por hongos micorrícicos, mejorando su sanidad (Yamada, 2005). Potasio. La compleja relación de la nutrición del K con las funciones metabólicas y el crecimiento, así como su interrelación con otros nutrimentos en la planta y el suelo, permiten al K modificar la resistencia o susceptibilidad a las enfermedades. Ejerce un gran efecto sobre la enfermedad, a través de una función metabólica específica que altera la compatibilidad de la relación ambiental parásito-huésped (Huber y Arny, 1985). La alta susceptibilidad a la deficiencia de K en plantas enfermas se relaciona con las funciones metabólicas del potasio. En plantas deficientes, se deprime la síntesis de compuestos de alto peso molecular (proteínas. almidón- y celulosa) y se acumulan compuestos orgánicos de bajo peso molecular (Yamada, 2005). Su deficiencia trae como consecuencia descenso inespecífico en el contenido de otros elementos minerales (disolución por crecimiento) más allá del máximo crecimiento; ellos pueden continuar y descender a niveles bajos de otros cationes como el Ca +2 y el Mg+2 debido a la competencia por los sitios de absorción de las raíces (Marschner, 2003). El K tiene un papel claro y bien definido en la resistencia de las plantas a patógenos, influyendo en factores como la dureza y espesor de la cutícula, permeabilidad de la membrana y funcionamiento de estomas, entre otras funciones. La severidad de la podredumbre marrón del tallo (Sclerotinia sclerotiorumk) se reduce cuando existen altas concentraciones del elemento (Vallone, 2003). Calcio. Su contenido en los tejidos vegetales afecta o incide sobre las enfermedades parásitas siendo esencial en la estabilidad de la biomembrana - cuando el contenido de Ca+2 es bajo se incrementa el eflujo en los compuestos de bajo peso molecular (azúcar) desde el citoplasma al apoplasma- y el poligalacturonato de calcio es requerido en el micelio de la lamella de la pared celular para darle estabilidad a la 178 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 membrana (Marschner, 2003). Reduce la severidad de varias enfermedades causadas por patógenos de la raíz y tallo como Rhizoctonia, Sclerotium y Botrytis (Elad y Kirshner, 1992), F. oxysporum y el nematodo Ditylenchus dipsaci, pero incrementa la gota del tabaco (P. parasitica var nicotianae) y la roña común de la papa (S. scabies). (Agrios, 1997). Micronutrientes. Los efectos del boro, del manganeso y del cobre (B, Mn y Cu) han sido identificados y juegan un papel importante en la síntesis y en el metabolismo de fenoles y lignina en la planta para tolerar parásitos y enfermedades. Su deficiencia afecta los mecanismos de defensa y hace de la planta un mejor sustrato alimenticio para patógenos (Graham, 1983). Una mayor cantidad de microelementos puede estar asociada a la inducción de resistencia sistémica (Bélanger & Menzies, 2003) y contribuye a mantener una nutrición más balanceada en la planta (Pozza et al., 2004). El Mn es uno de los micronutrientes más importantes en cuanto a funciones directas sobre el desarrollo de enfermedades (Graham y Webb, 1991). Juega un papel fundamental en la fotosíntesis, el metabolismo del C y del N, las interacciones hormonales y la resistencia a enfermedades (Yamada, 2005). Varios procesos vinculados con el comportamiento sanitario de las plantas han sido relacionados con la disponibilidad de este elemento, entre los que se encuentran: la lignificación (barrera física), la formación de fenoles solubles (aporte a la lignificación), la inhibición de la aminopeptidasa (menor producción de aminoácidos para el crecimiento de hongos), la inhibición de la metilestearasa de la pectina (interviene en la degradación de la pared celular), la actividad de la fotosintetasa y la inhibición directa del crecimiento de hongos por toxicidad en presencia de concentraciones relativamente altas (Malavolta y col. 1997). El zinc y el boro (ZN y B) actúan directamente sobre la estabilidad de la pared celular e indirectamente, reducen la presencia de exudados atractivos para patógenos (Yamada, 2005). En deficiencia de Zn se filtra azúcar en la superficie de la hoja e incrementa la severidad de la infección de Oidium en plantas de trigo. Igualmente, una deficiencia en B incrementa el porcentaje de infección con mildeo polvoso y el hongo se disemina rápidamente. El Cu aplicado sobre el suelo es más efectivo y suprime la presencia del hongo (Agrios, 1997). Nutrición y enfermedades edáficas. La nutrición mineral afecta las poblaciones de patógenos del suelo. Cuando a las plantas se les suministra altas cantidades de Mn y 179 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 bajas de N tanto el contenido de nutrientes como la actividad fungistática de la corteza interna se incrementan. La incidencia de la roña de la papa se reduce a pH bajo o por la aplicación de Mn que aumenta la resistencia del tejido del tubérculo al hongo y también inhibe el crecimiento vegetativo de S. scabies antes de que se produzca la infección. (Mortvedt et al 1963; Agrios, 1997). En trigo la deficiencia de Zn potencia la severidad de Rhizoctonia y su suministro reduce la enfermedad (Thongbai et al., 1993). La producción de sustancias toxicas como cianuro, en particular por P. fluoresences puede estar involucrada a la supresión de contenidos de Mn. En suelos con alto pH, la supresión de G. graminis por la aplicación de fertilizantes amoniacales está relacionada a la acidificación de la de la rizosfera y a cambios cualitativos y cuantitativos de P. fluoresences y de sus poblaciones, la cual es un antagonista de G. graminis (Sarniguet el at 1992). La capacidad de P. fluoresences para producir sideróforos ha sido considerada como factor importante en la supresión de patógenos del suelo mediante la privación de Fe para los mismos y la producción de toxinas como cianuro. La infección radical con micorrizas vesiculo asbusculares es otro factor que puede suprimir patógenos del suelo como el F. oxysporum en tomate (Sánchez, 2005) o la enfermedad de la marchitez de casuarina. En plantas con deficiencia de Cu se altera la biosíntesis de lignina lo que predispone la planta al efecto nocivo de patógenos. Sin embargo, el uso indiscriminado de este elemento altera las interacciones entre los organismos del suelo (Sánchez de P. y Prager, 2001) incrementando los patógenos y reduciendo las poblaciones de microorganismos de acción antagónica (Aguirre, 2006; Aguirre et al., 2006). Conclusiones. La respuesta sanitaria de cultivos esta relacionada con su manejo nutricional (oferta de nutrientes del suelo, fertilización e inoculación). Los efectos de los nutrientes sobre el comportamiento frente a la ocurrencia de enfermedades son explicados por efectos directos e indirectos a partir de mejoras en las condiciones de crecimiento de las plantas. El efecto que puede causar un nutrimento en plantas enfermas por patógenos, depende del tipo y estado de desarrollo de la planta, el tipo de patógeno, las condiciones ambientales tanto para la planta como para el patógeno, el manejo del cultivo y la disponibilidad de los nutrimentos. Dichos factores determinan en gran medida que un mismo nutrimento estimule o contrarreste el efecto de las enfermedades. 180 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 CAPITULO 8. RIZOSFERA Lección 36. Generalidades. El término rizósfera se deriva de la palabra griega “rhizo”, que significa raíz y de “sphere” que denota el entorno de influencia de dicha raíz con características específicas. La relación existente entre el suelo y la raíz es de doble vía, mediada por las condiciones ambientales y el sistema planta. Por lo tanto, la rizósfera es el “entorno de mayor actividad física, química, y, principalmente, biológica, de gran interés agronómico y ecológico, pues representa una interfase (figura 41) de comunicación entre plantas terrestres y su sustrato, el suelo”. Figura 41. Interfase de comunicación entre la raíz, el suelo y el medio ambiente (rizósfera) SUELO ADYACENTE AMBIENTE RIZOSFERA SU EL RAICES Y ORGANISMOS O Fuente: Sánchez de P.,2006 La rizósfera es una parte del suelo inmediata a las raíces donde tiene lugar una interacción dinámica con los microorganismos. Las características químicas y biológicas de la rizósfera se manifiestan en una porción de apenas 1 mm de espesor a partir de las raíces. En un sentido más amplio, la rizósfera se puede considerar como la porción de suelo en la que están las raíces de las plantas, ya que es un zona donde se dan toda una serie de relaciones físicas y químicas que afectan a la estructura del suelo y a los organismos que viven en él, proporcionándole unas propiedades diferentes. Se pueden destacar dos características de la rizósfera: 181 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Presencia de numerosos organismos en mayor densidad que en el suelo normal, como pueden ser bacterias, hongos y microfauna (por ejemplo nematodos, ácaros, insectos). Estabilidad de las partículas de suelo, tanto por la acción mecánica de las raíces, como por la acción agregante de los exudados de los diferentes organismos presentes (plantas y microorganismos). Es el lugar de destino de carbohidratos productos de la fotosíntesis y que, las plantas exudan por sus raíces para proveer energía a los microorganismos, quienes en retribución protegen a las raíces de organismos patógenos y además solubilizan minerales haciéndolos más asimilables. Se estima que al menos un tercio de los fotosintatos son exudados para este propósito. La rizósfera provee un complejo y dinámico microambiente, donde bacterias y hongos, en asociación con las raíces, forman comunidades únicas con un considerable potencial para la detoxificación de compuestos orgánicos nocivos. Regiones En La Rizosfera. La rizósfera no es una zona uniforme, es posible diferenciar en ella algunas regiones: rizósfera, rizoplano y endorrizósfera (Figura 42). Rizósfera. Es la región más externa a la raíz, constituye el área de mayor contacto en la interfase raíz-suelo. Su delimitación no es clara, algunos autores suponen un alcance de 1-2 mm de espesor, otros le calculan hasta 3 mm, y, en algunos cultivos como las gramíneas con sistemas radicales fasciculados muy ramificados, constituye prácticamente la mayoría del suelo bajo su influencia. Rizoplano. Ubicado sobre la superficie de la raíz. Endorrizósfera. Abarca el tejido cortical como se aprecia en la Figura 42. Los microorganismos que se establecen en cada una de estas regiones se han especializado en estos hábitat a través de procesos coevolutivos y varían dependiendo de las especies de plantas, edad, condiciones sanitarias y ambientales, entre otros factores Algunos de los organismos que habitan la endorrizosfera establecen simbiosis mutualistas con la planta hospedera (entran en relaciones íntimas con el hospedero y, mientras usan las fuentes de energía de la raíz, proveen beneficio a la planta, estableciendo complemento en ciclos nutricionales como por ejemplo carbononitrógeno y carbono-fósforo – que son dos de los casos más frecuentes en la naturaleza. Las bacterias y actinomicetos fijadores de N2, proveen a la raíz con nitrógeno y le crean independencia a la planta, del nitrógeno del suelo), otros parasitan el tejido vegetal (invaden los tejidos radicales y viven a expensas de los nutrientes de la raíz o digieren activamente los tejidos vivos del hospedero) y, aquellos que viven de los tejidos muertos de la raíz o saprofitos (digieren cualquier tejido muerto en el hospedero 182 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 y algunos forman toxinas que pueden afectar adversamente el crecimiento de la planta hospedera). Figura 42. Regiones de la rizósfera SUELO Rizoplan o Fuente: Adaptado de Siqueira y Franco, 1988; Cardozo y Freitas, 1992. Efecto rizosférico. El suelo rizosférico contiene mayor cantidad de microorganismos que el resto del volumen del suelo; así se puede establecer un efecto rizosférico R/S para cada planta, que varía según genotipo, especie y condiciones ambientales. Este término relaciona los organismos presentes en la rizósfera (R) con los organismos presentes en el suelo no rizosférico (S). Donde eventualmente se puede encontrar hongos benéficos como Trichoderma, o por el contrario, patógenos como Fusarium. Todas las poblaciones de microorganismos presentes en la rizósfera, se encuentran en un continuo equilibrio, produciéndose verdaderas cadenas tróficas que de forma directa o indirecta pueden afectar el crecimiento, desarrollo y la nutrición vegetal. Rizodeposicion. Las plantas trasladan a la raíz entre el 30 y 60 % del carbono neto proveniente de la fotosíntesis, el cual invierte en el crecimiento radical. Sin embargo, buena parte de él se libera en la rizósfera como carbono orgánico. Este carbono liberado a través de los exudados radicales se conoce como rizodeposición (Figura 43) y puede llegar a representar entre el 40 y 70 % del trasladado al sistema radical. El C restante, lo consume la planta en la respiración y crecimiento. Figura 43. Microfotografía que muestra la rizodeposición. 183 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Fuente: Sánchez de P., Mondragón y Ceballos, 2005 Estas rizodeposiciones (Figura 44) son principalmente exudados de alto y bajo peso molecular Algunos ácidos orgánicos de bajo peso molecular pueden movilizar directamente los nutrientes en la rizósfera, mientras que mucílagos y materiales degradados de las células y tejidos se constituyen en sustratos de carbono para los microorganismos de la rizósfera − los cuales intervienen en la movilización de nutrientes minerales provenientes del suelo o de metabolitos de su propia actividad −. Por ejemplo, algunos exudados radicales de bajo peso molecular pueden ser transformados por los microorganismos rizosféricos en compuestos con alta actividad fisiológica, como es el caso de las fitohormonas. Figura 44. Rizodeposición y su vínculo con el ciclo del Carbono. CO2 Rizodeposiciones Secreciones de células y tejidos Mucílago s Exudados de bajo peso molecular Microorganismos CO2 Solutos de bajo peso molecular Composición de los exudados radicales. Los exudados radicales contienen gran variedad de compuestos y moléculas orgánicas de alto y bajo peso molecular, que proveen en forma directa fuentes de carbono y nitrógeno rápidamente asequibles para el crecimiento de los microorganismos y que luego de mineralizados, sirven como nutrientes para aprovechamiento de los mismos vegetales (cuadro 11). 184 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los ácidos orgánicos, juegan papel importante en el metabolismo celular, afectan el pH de la rizósfera y la actividad microbiana. Se ha observado que muchas plantas son capaces de secretar vía raíces, sustancias − generalmente ácidos orgánicos − con acción secuestrante o quelatante de elementos metálicos. En esta forma, mediante acción sobre el pH de la rizósfera y los agentes complejantes, los vegetales pueden aprovechar mejor los metales presentes en el suelo. Cuadro 11. Caracterización de algunas rizodeposiciones Compuesto Exudados radicales Lisados Secreciones Mucílagos Mucigel Compuestos Gaseosos Nutrientes minerales Características Funciones Diversos, propios de células vivas), con alto y bajo peso molecular Movilizan directa e indirecta de nutrientes, matriz de protección y lubricación que facilita la colonización de las raíces en el suelo. Modifican la estructuración y actividad biológica del suelo. Algunos de ellos constituyen base de fitohormonas y otros, por ejemplo las vitaminas, factores de crecimiento Resultantes de autólisis y degradación de células epidérmicas y corticales senescentes y por acción de metabolitos microbianos Fuentes de materiales orgánicos para las poblaciones microbianas. Hacen parte de los exudados radicales Compuestos de alto peso molecular que atraviesan las membranas celulares con gasto de energía (ATP). Catalizan la degradación de los materiales orgánicos e inorgánicos presentes naturalmente en el suelo rizosférico o adicionados. Hacen parte de los exudados radicales Materiales gelatinosos, de alto peso molecular, por ejemplo el ácido poliurónico Protegen y lubrican las zonas de crecimiento radical. Intervienen en la disponibilidad y absorción de minerales, en la formación de agregados en el suelo. Hacen parte de los exudados radicales Comprende la agregación de mucílagos naturales y/o modificados, células microbianas y/o sus productos metabólicos, minerales coloidales y materia orgánica mezclados. Protegen y lubrican las zonas de crecimiento radical. Influyen en la absorción de iones al mejorar el contacto raíz – suelo, y en la agregación de las partículas del suelo. Compuestos volátiles de bajo peso molecular que pueden difundirse en el suelo Afectan positiva o negativamente la actividad microbiana en la zona rizosferica y más allá de ella. Presentes en los materiales rizodepositados como por ejemplo fósforo, nitrógeno, potasio. Contribuyen a la nutrición mineral de la planta y son muy importantes en condiciones de deficiencia de estos elementos en el suelo Fuente: Sánchez de P., 2006 citando a Curl y Truelove, 1986; Siqueira y Franco, 1988; Cardoso y Freitas, 1992; Marschner, 1995. 185 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Las investigaciones se centran principalmente en la capacidad de aprovechar el hierro, de ahí que a estas substancias con capacidad secuestrante se les llame sideróforas. Sin embargo, este nombre se ha utilizado para denominar genéricamente las substancias capaces de solubilizar metales – no solo hierro, si no también Mn ó Cu, por ejemplo –, poniéndolos al alcance de las plantas o bacterias. En el caso de plantas se les da el nombre de sustancias fitosideróforas Lección 37. Las Micorrizas. Una de las más importantes actividades de los organismos del suelo tanto a nivel económico y ecológico lo constituye la asociación mutualista entre ciertos hongos y las raíces de plantas superiores. Esta asociación (simbiótica – mutualista) se denomina micorriza la cual se forma cuando hongos apropiados invaden el tejido radical de las plantas en un proceso similar a la infección de hongos patogénicos. Sin embargo, en la asociación micorrícica, la planta y hongo han coevolucionado en tal forma que tanto macro como micro-simbionte, se benefician de su interrelación y el uno no podría sobrevivir sin el otro. En forma natural, la mayoría de las plantas (83% de las dicotiledóneas, 79% de las monocotiledóneas y todas las gimnospermas), incluyendo aquellas importantes económicamente dependen de relaciones con hongos micorrícicos. El término micorriza fue propuesto por el botánico alemán Albert Bernard Frank en 1885 y representan un fenómeno de ocurrencia generalizada, resultante de la unión orgánica entre las raíces y el micelio de un hongo, con independencia morfológica, pero con dependencia fisiológica íntima y recíproca. Los hongos micorrícicos obtienen azúcares directamente de la planta, la cual puede aportar entre el 5 y 10% de sus fotosintatos al hongo simbionte. En retorno, la planta recibe algunos beneficios invaluables. Las hifas fungosas crecen en el suelo 5 a 15 cm a partir de la raíz infectada, siendo capaces de entrara aún en los poros más pequeños del suelo, que en forma natural, las plantas no podrían alcanzar con sus pelos radicales. La extensión del sistema radical amplía 10 veces su eficiencia gracias al incremento en el área de absorción. Las micorrizas incrementan en las plantas la capacidad para absorber fósforo y otros nutrientes que son relativamente inmóviles o que se encuentran en bajas concentraciones en la solución del suelo. Previenen la absorción excesiva de sales y metales tóxicos en suelos salinos, ácidos o contaminados. El incremento de la superficie de contacto, se ve reflejada en mayor absorción de agua, brindando al vegetal, resistencia a estrés por sequía y, debido a la infección, el hongo simbionte compite por sitios y fotosintatos con otros organismos del suelo, desfavoreciendo a 186 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 aquellos que producen enfermedades, por lo tanto, uno de los principales efectos de esta asociación mutualista es el incremento de la resistencia y/o tolerancia a enfermedades. La simbiosis no se presenta en aquellos suelos salinos, inundados, extremadamente secos o donde la fertilidad es extremadamente alta o baja. Tipos de micorrizas. Las micorrizas han sido agrupadas con base a la anatomía de las raíces colonizadas en: Ectomicorrizas. Dentro de este grupo se incluyen cientos de diferentes especies de hongos asociados a raíces de plantas en zonas boscosas o selvas (Ej. Pinos) y ocasionalmente en herbáceas y gramíneas perennes. Los hongos, estimulados por exudados radicales, cubren la superficie de la raíz que aporta los exudados con un manto fungoso y sus hifas penetran el tejido radical desarrollándose en el espacio libre alrededor de las células del cortex sin penetrar sus células (de ahí el sufijo ecto) formando una trama de micelio fungoso denominado red de Hartig (Figuras 45 y 46) que envuelve el cortex e incrementa el área de contacto de la raíz con el suelo. La mayoría de los hongos ectomicorricicos son basidiomicetes, pero algunos son ascomycetes muchos de los cuales son facultativos (pueden vivir independientemente en el suelo) y así, pueden cultivarse en medios artificiales. Endomicorrizas. Caracterizadas por la penetración inter e intra-celular (figuras 47 y 48), la ausencia de manto y de modificaciones morfológicas en las raíces. Los miembros más importantes de las endomicorrizas son las micorrizas vesiculoarbusculares (MVA) que, cuando penetran las paredes celulares del cortex y se encuentra en el interior de la célula, forma pequeñas estructuras altamente ramificadas conocidas como arbúsculos. Figura 45. Proceso de infección y estructuras típicas de una ectomicorriza 187 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Figura 46. Estructura de ectomicorrizas. a b a. Presencia de manto (flecha roja) y red de Hartig (flechas amarillas) e hifas emanantes o externas que se proyectan desde el manto hacia el espacio circundante (flecha blanca) b. detalle de la red envolviendo las paredes de las células epidermales alongadas Fuente: Rendimiento de Quercus humboldtii Bonpland (Roble) en condiciones de interacción micorrizas ectotroficas-humus. Lyda M. Zarate Quiroga. Tesis de pregrado en Biología. Dichas estructuras sirven para transferir nutrientes desde el hongo hacia la planta y azúcares desde ésta última hacia el hongo. Ocasionalmente se forman unas 188 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 estructuras denominadas vesículas cuya función es la de constituirse en órgano de almacenamiento de las micorrizas. Figura 47. Proceso de infección de una MVA y formación de arbúsculos Las MVA son de ocurrencia generalizada y son el grupo más comúnmente encontrado, de las cuales se ha identificado cerca de 100 especies en suelos tropicales. Las raíces de la mayoría de los cultivos de importancia agronómica como maíz, algodón, trigo, papa, soya, alfalfa, caña de azúcar, yuca, arroz de secano, hortalizas, frutales como el manzano y cítricos y frutales como cacao, café y caucho, forman MVA. Las crucíferas (repollo, canola y brócoli) y las quenopodiáceas (remolacha y espinaca) no forman micorrizas. Funciones de las micorrizas en el crecimiento vegetal. Los efectos de las micorrizas han sido objeto de investigación en los últimos tiempos y su uso se ha generalizado gracias a las posibilidades de exploración, recuperación ecológica, e incremento de la producción de fibras, alimentos y maderas. Figura 48. Endomicorrizas en cebolla de bulbo y lechuga. 189 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. a Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 b a) Raíz de cebolla de bulbo (Allium cepa) y b) Raíz de lechuga Fuente: Ceballos, Mondragón, Sánchez de P., M. 2005 Los beneficios para la planta hospedera se denota en el mejoramiento del estado nutricional, mejor adaptación a los ecosistemas, incremento del porcentaje de sobrevivencia de plántulas en campo, reducción de pérdidas provocadas por factores bióticos (plagas y enfermedades), mayor productividad en suelos pobres y condiciones adversas y mayor tolerancia de la planta a estrés abiótico. Efectos nutricionales. Los efectos más notorios y evidentes de las micorrizas son los nutricionales, manifestados en mayor crecimiento y producción de plantas. Dichas ventajas se dan por acción directa del hongo en la absorción de nutrientes e indirecta, mediante la fijación biológica de nitrógeno, mineralización y/o solubilización de nutrientes en la rizósfera y modificaciones en la translocación y eficiencia en el uso de los nutrientes absorbidos por las raíces o las micorrizas. Las plantas micorrizadas absorben mayores cantidades de macro y micronutrientes (P, N, Ca, K, Zn, Cu) como también de elementos benéficos como el Br, Na y Si (figura 4.14) dependiendo de la especie y de la disponibilidad de nutrientes en el suelo. Por otro lado, acumulan más materia seca que las plantas no micorrizadas. De estos efectos el más consistente y de mayor interés práctico es el mejoramiento de la absorción y utilización de nutrientes (figura 49) especialmente del P, que limita el crecimiento y la producción de la mayoría de los suelos que, aunque se encuentre en grandes cantidades, su accesibilidad es limitada para la mayoría de las plantas debido a las interacciones con coloides, óxidos e hidróxidos de Fe y/o Al, es precipitado con Ca y presenta una reducida difusión que favorece su agotamiento cerca de la zona radical. 190 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Figura. 49. Las plantas micorrizadas utilizan mejor el N del suelo ya que favorece la fijación y absorción biológica, principalmente en la simbiosis de leguminosas con Rhizobium. El mejoramiento de la absorción de nutrientes vía micorrizas es muy complejo y es el resultado de varios mecanismos entre los que se pueden mencionar: a) Incremento de la superficie de absorción y exploración de suelo (efecto físico). b) Aumento de la capacidad de absorción de la raíz (efecto fisiológico). c) modificaciones morfológicas y fisiológicas adicionales en la planta y especiales y temporales en las raíces micorrizadas. d) absorción de nutrientes disponibles no accesibles para las raíces no micorrizadas, directamente por las hifas o indirectamente a través del mejoramiento del funcionamiento del sistema radical. e) Utilización de formas no disponibles para raíces carentes de micorrización a través de solubilización y/o mineralización en el caso de ectomicorrizas y de modificaciones en la dinámica del equilibrio de nutrientes entre las fases sólida y líquida en el caso de las MVA. f) Almacenamiento temporal de nutrientes en la biomasa fúngica o en las raíces, evitando su inmovilización química o biológica y lixiviación. g) Beneficio para microorganismos mineralizadores y solubilizadores de nutrientes en la rizósfera- 191 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 h) Disminución de los efectos adversos del pH, Al, Fe, Mn, metales pesados, salinidad, estrés hídrico y ataque de patógenos al sistema radical, sobre la absorción de nutrientes. El incremento de la absorción es el resultado de modificaciones morfológicas. Las hifas tanto de las ectomicorrizas como de las MVA crecen dentro del suelo, aumentando el volumen de suelo explorado permitiendo la absorción de nutrientes fuera de la zona de agotamiento. Además, as hifas pueden explorar micrositios ricos en nutrientes que no son explorados por raíces no micorrizadas Lección 38. Importancia del Nitrógeno como nutriente. El Nitrógeno, como elemento limitante de la producción de cultivos y pasturas, es uno de los más escasos en el suelo y de los más caros como fertilizante químico. A su vez, el suelo no tiene mecanismos de retención: el Nitrógeno que no utilizan las plantas se pierde por lavado. Por su parte, el aire está compuesto mayoritariamente (78%) por nitrógeno, pero las plantas no pueden aprovechar ese nitrógeno directamente. Sin embargo, algunos microorganismos del suelo pueden utilizar el nitrógeno de la atmósfera para producir compuestos nitrogenados que quedan disponibles para las plantas, proceso denominado Fijación Biológica del Nitrógeno. De esos microorganismos, los más importantes son los rizobios, bacterias capaces de vivir dentro de formaciones especializadas de la raíz de la mayoría de las leguminosas, llamadas nódulos. Entre las leguminosas y los rizobios se establece una simbiosis o sea una relación de beneficio mutuo: las bacterias utilizan el nitrógeno del aire y lo convierten en compuestos nitrogenados asimilables por las plantas y éstas, a su vez, le suministran a las bacterias carbohidratos originados en la fotosíntesis, como fuente de energía. Fijación Biológica del Nitrógeno. Algunas bacterias producen nitrogenasa que es una enzima que reduce el N2 de la atmósfera a NH3, esta capacidad se conoce como fijación biológica de nitrógeno o diazotrofismo y puede ser llevada a cabo mediante tres sistemas: En forma Libre, por asociación con una planta o en simbiosis, también con una planta. La Fijación Biológica del Nitrógeno beneficia no sólo a las leguminosas sino también a las especies asociadas (pasturas mezcla de gramíneas y leguminosas) y a los cultivos siguientes (rotaciones). Algunos resultados de la investigación permiten cuantificar los efectos agronómicos de la Fijación Biológica del Nitrógeno, que contribuyen decisivamente con la sustentabilidad de los sistemas de producción. En soja, la Fijación Biológica del Nitrógeno es responsable de incrementos en el rendimiento del orden de 800 a 1.000 Kgs/há/año, en chacras sin historia previa de 192 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 este cultivo. Estos aumentos en el rendimiento se acompañan con mayor peso de los granos y mayores porcentajes de proteína en la hoja y en el grano. En arveja, parcelas de observación instalada en un cultivo comercial en Young, Río Negro, mostraron incrementos en el rendimiento de 240%, lo que significó pasar de 980 kg/ha a 3.300 kg/ha por efecto de la Fijación Biológica del Nitrógeno. Este mayor rendimiento fue determinado por aumentos de 184% en el número de vainas por planta y 29% en el número de granos por vaina, y estuvo asociado a una rápida aparición de nódulos efectivos desde las primeras etapas del cultivo. En las leguminosas forrajeras existe una relación muy estrecha entre la producción de materia seca y la cantidad total de nitrógeno fijado. En nuestro país, por cada tonelada de materia seca producida por la leguminosa, se fijan aproximadamente 30 kg de nitrógeno. Por ejemplo, en una pastura de segundo año, con una producción de 12 toneladas de materia seca por hectárea, donde las leguminosas representan el 60%, se fijarían 216 kg de nitrógeno por hectárea, que equivalen a 470 kg de urea. En consecuencia, la principal limitante de la cantidad total de nitrógeno fijado en una pastura se relaciona con el porcentaje de la componente leguminosa en la mezcla y su productividad. En las rotaciones de cultivos y pasturas de los sistemas agrícola-ganaderos, el impacto del nitrógeno fijado durante la fase de pasturas fue demostrado a partir de los ensayos de rotaciones iniciados en 1963 por el CIAAB (hoy INIA). Aquellas rotaciones con 50% del tiempo bajo pasturas mezcla de gramíneas con leguminosas y 50% bajo cultivos lograron un balance final con escasas pérdidas de nitrógeno en el suelo, mientras que en los sistemas con agricultura continua hubo pérdidas aproximadas a los 50 Kg. de nitrógeno por hectárea y por año. Por su parte, en los sistemas con pasturas que incluyen leguminosas en la rotación, el suelo perdió 8 veces menos materia orgánica que en los casos de agricultura continua, pérdida debida especialmente a la erosión. Las rotaciones con pasturas presentaron una mayor producción acumulada de grano para todo el período analizado (l963-l989), con rendimientos promedio mayores y más estables, y además, la obtención de forraje como producto adicional, todo lo cual redundó en mayor margen bruto y menor riesgo por la diversificación de rubros. La productividad del cultivo posterior presentó una correlación altamente significativa con la producción de materia seca de la pastura en el año previo, pues como ya se dijo, este parámetro está directamente relacionado con la cantidad de nitrógeno fijado. Así, diferencias por hectárea de 10 toneladas de materia seca de forraje significaron 250 kgs/há de nitrógeno fijado y 1000 kg/ha de incremento en el rendimiento del cultivo de trigo posterior. Se demostró también que los rendimientos de grano de los sistemas con pasturas son superiores y no se pueden equiparar mediante el agregado de fertilizantes; esto implica que existe un efecto de las pasturas que no sólo está dado por la fijación del nitrógeno atmosférico (ahorro de fertilizante nitrogenado) sino también, por una acción beneficiosa sobre las propiedades físicas del suelo, que entre otras cosas, permite mayor desarrollo radicular y mejor aprovechamiento del agua y de los nutrientes. 193 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Todas estas cifras han representado para el sector agropecuario y para el país, un ahorro anual de millones de dólares por sustitución parcial de fertilizantes nitrogenados, que hubiera sido necesario importar para intentar alcanzar los niveles de productividad de las pasturas y de los cultivos. Aun así, estos sistemas no hubieran sido sustentables en el tiempo, puesto que el mecanismo de fijación biológica es ecológicamente más estable y hace uso de un recurso natural renovable Rizobio en el suelo. Rizobio es una bacteria que vive en el suelo, alrededor o en el interior de las raíces de ciertas plantas (leguminosas). Este es un Rizobio en su estado libre en el suelo, rodeado por una cápsula compuesta por exopolisacáridos, que evita su desecación. Dicha cápsula permite que la bacteria se adhiera a los pelos de las raíces durante otras etapas de su ciclo de vida, cuando el rizobio (figura 50) forma una asociación simbiótica con plantas como los tréboles. Figura 50 Reino: Eubacteria Nombre Científico: Rhizobium trifolii Imagen Cortesía de: Dazzo, Frank de la Imagen: 2 micrones Tecnología de la Imagen: TEM Ancho Reino: Eubacteria Nombre Cinentífico: Rhizobium trifolii Imagen Cortesía de: Dazzo, Frank Ancho de la Imagen: 12 micrones Tecnología de la Imagen: SEM El objeto grande en el centro de la foto es la punta de un pelo de raíz de trébol. En la parte superior, con forma de cilindro, aparecen los rizobios, bacterias que viven en una relación simbiótica con el trébol. Los rizobios mostrados aquí están agrupados en la superficie de la raíz. Pronto invadirán las raíces y comenzarán una asociación simbiótica que beneficiará ambos organismos. Azospirillum brasilense. Esta bacteria (figura 51) vive en el suelo o en la rizósfera. Es útil para los productores porque tener la capacidad de combinarse con el Nitrógeno. 194 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Figura 51 Nombre Científico: Azospirillum brasilense Reino: Eubacteria Imagen cortesía de: Krieg y Doebereiner, Bergey’s Trust Ancho de Imagen: 7 micrones Tecnología de la Imagen: TEM Lección 39. La Relación Simbiótica Leguminosa-Rizobio. Nodulación. Los rizobios son bacterias del suelo que se caracterizan por su habilidad para infectar los pelos radicales de las leguminosas e inducir la formación de estructuras especializadas en las raíces llamadas nódulos (figura 52). La mayoría de las leguminosas son “huéspedes específicos”, es decir que sólo pueden ser noduladas por algunas cepas de rizobios. A su vez, para todos los géneros y en algunos casos, especies de leguminosas, existen cepas de rizobios que producen nodulación, pero que difieren en la cantidad de nitrógeno fijado, o sea en su eficiencia. Ambos aspectos, especificidad y eficiencia, justifican el Programa Nacional de Selección de Cepas de Rizobios para su uso en la fabricación de inoculantes de leguminosas. En nuestros suelos existen naturalmente rizobios (cepas nativas), pero a menudo fallan en producir nodulación efectiva, ya sea por su escaso número o porque no pueden establecer una simbiosis efectiva con la leguminosa que se siembra; por lo tanto, se debe recurrir a la inoculación de la semilla para asegurar que los rizobios específicos estén presentes en el lugar (sobre la semilla) y en las cantidades adecuadas. Después de la germinación de la semilla inoculada, crece la primera raíz y se generan los sitios de nodulación. Los rizobios se multiplican en la rizósfera, penetran en la raíz, se reproducen y luego de 3-4 semanas, los nódulos se desarrollan completamente. Los nódulos varían ampliamente en forma, tamaño, color, turgencia y distribución. La forma de los nódulos efectivos está determinada principalmente por la planta huésped o sea que son característicos para cada leguminosa. El tamaño, color, turgencia y distribución de los nódulos reflejan el tipo de asociación rizobio-leguminosa y su eficiencia en la fijación de nitrógeno. Los nódulos efectivos son generalmente grandes y firmes, y principalmente se agrupan próximos a la corona; por el contrario, los nódulos inefectivos son pequeños, numerosos y con frecuencia distribuidos en todo el sistema radicular. En cuanto al color, los nódulos efectivos tiene internamente un color rosado intenso: el pigmento rojo 195 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 se asocia con una fijación de nitrógeno activa y se transforma en verde a medida que los nódulos envejecen. Los nódulos inefectivos son internamente de color blanco a verde pálido y no cambian de color con la edad. El examen visual de los nódulos para analizar el éxito de la inoculación debe hacerse luego de las 4 semanas posteriores a la emergencia de las plantas. Figura 52. Raíz nodulada de trébol blanco y soja. Fertilización con nitrógeno. El uso de fertilizantes nitrogenados en leguminosas afecta negativamente la nodulación (número y peso de nódulos) y en consecuencia, la fijación de nitrógeno. La magnitud de este efecto depende de: a) el nitrógeno disponible en el suelo. b) el tipo, dosis, época y forma de aplicación del fertilizante nitrogenado. c) en el caso de las leguminosas forrajeras, además de esos factores importa la composición botánica: el efecto perjudicial es mayor en cultivos puros de leguminosas que en pasturas mezcla, y en éstas, disminuye ese efecto a medida que aumenta el porcentaje de gramíneas; en siembras asociadas con cereales, el efecto es aun menor. Por lo tanto, no se recomienda la fertilización nitrogenada en semilleros de leguminosas forrajeras. Genética Molecular De La Infeccion De Las Leguminosas Por Rhizobium Introducción. El proceso de simbiosis entre los rizobios (bacterias de los géneros Rhizobium, Bradyrhizobium y Azorhizobium) y las plantas con la que se asocian específicamente está controlado genéticamente. La capacidad de establecer simbiosis fijadoras de nitrógeno se limita a las leguminosas (familia Leguminisae) y al género Parasponia de la familia de las Ulmaceae infectada por el género Bradyrhizobium. Existe otra bacteria capaz de formar nódulos fijadores de nitrógeno (Frankia, del grupo de los actinomicetos) en simbiosis con ciertos árboles. La simbiosis entre los rizobios y las leguminosas no es debida a una especialización de un nicho ecológico particular puesto que la distribución de las leguminosas es muy amplia, sino que se trata de una relación debida a características genéticas particulares de las 196 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 leguminosas que no se presentan en otros grupos de plantas y que durante la evolución no han aparecido más de una vez. Los tres géneros de rizobios se han clasificado durante mucho tiempo junto con las bacterias del género Agrobacterium en la familia Rhizobiaceae. Sin embargo, por análisis molecular se ha comprobado que el grupo no es homogéneo: (1º) la distancia entre Rhizobium y Bradyrhizobium es grande y, (2º), existen bacterias muy relacionadas filogenéticamente (alta homología de ADN o de ARN ribosomal) que no son caapaces de establecersimbiosis ni de fijar nitrógeno. Por otra parte, la denominación de las especies del grupo se ha realizado considerando la planta con la que formaba simbiosis; sin embargo, se ha visto que el espectro de especies vegetales con el que un rizobio puede establecer simbiosis varía mucho dependiendo del rizobio de que se trate y que cambios simples en ciertos genes involucrados en la interacción entre el rizobio y la planta pueden tener efectos drásticos en el perfil del espectro de interacción: la especificidd de la simbiosis es mucho más compleja de lo que se había pensado. Infección de la raíz por los rizobios. La infección consta de dos etapas: (1º) la preinfección o atracción quimiotáctica de la bacteria por la planta seguida de la inducción de cambios estructurales en los pelos radicales. La atracción quimiotáctica se debe a que la planta exuda compuestos tales como amoinoácidos y ácidos dicarboxílicos que actúan como atrayentes nutritivos; también liberan compuestos de tipo flavonoide que no son nutritivos. La quimiotaxis por sí no es necesaria para la infección, sólo es necesaria para que las bacterias entren en contacto con la planta. La bacteria entra en contacto con los pelos radicales jóvenes de la planta (se suelen infectar los que aparecen justo encima del meristemo apical; los pelos maduros raramente son infectados): en primer lugar se establece una unión muy débil entre la bacteria y el pelo radicular y, posteriormente, se agregan otras muchas bacterias al sitio de unión y ésta se hace mucho más fuerte. Cuando la bacteria se aproxima o entra en contacto con la raíz que va a infectar, secreta un compuesto lipopolisacarídico denominado factor NOD que induce una serie de deformaciones en los pelos radicales que permitirán el progreso de la segunda etapa. (2º) La infección: la bacteria entra en el pelo y forma canales, recubiertos por nuevo material de pared celular, que van ramificándose. Estos canales de infección van entrando en la raíz al mismo tiempo que las células corticales de la raíz comienzan a dividirse para formar el primordio de nódulo. El canal de infección se dirige entonces hacia este primordio de nódulo en formación, los rizobios en ellos se dividen varias veces y se transforman en bacteroides que quedan rodeados por una membrana bacteriana denominada peribacteroidal. En los cacahuetes (Arachis hypogaea) no se induce formación de nódulos a través de los pelos radiculares sino que los rizobios pueden infectar raíces laterales jóvenes a través de heridas que producen en ellas. En Mimosa la entrada de los rizobios se 197 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 produce directamente a través de la epidermis. Por consiguiente, Existen diferentes mecanismos de entrada de los rizobios en las plantas. La ruta de entrada es específica de cada planta puesto que una bacteria determinada puede utilizar rutas de entrada distintas en diferentes plantas. Genes de la nodulación. La planta huésped tiene la información genética para la infección simbiótica y para la nodulación. El papel de la bacteria es sólo el de disparar el proceso. Los elementos genéticos bacterianos cuyos productos intervienen en la infección simbiótica pueden estar colocados en megaplásmidos (como en el género Rhizobium) o ser de localización genómica (como en los géneros Bradyrhizobium y Azorhizobium). Los plásmidos que contienen la información para la asociación se llaman plásmidos pSym y en ellos se encuentran los genes responsables de la nodulación (genes nod) y los de la fijación de nitrógeno (genes nif y fix). Se pueden distinguir cinco grupos de genes involucrados en la fijación del nitrógeno a nivel de la bacteria: (1º) Genes «nod comunes»: (nodABC) son genes imprescindibles para la modulación, están conservados en todos los rizobios y pueden intercambiarse entre especies y géneros. Su ausencia impide el proceso de infección. (2º) Genes «nod específicos» (nodFE, nodH, nodPQ) no necesariamente presentes en todos los rizobios. Son los responsables de la especificidad de huésped: mutaciones en ellos alteran o amplían el rango de huésped puesto que hay genes nod específicos que amplían el rango de especificidad y otros que lo reducen impidiendo que un rizobio determinado infecte una planta dada. (3º) Genes responsables de la síntesis del exopolisacárido (exo), del lipopolisacárido (lps), de glucanos y de polisacáridos capsulares (antígenos K). Los productos de estos genes son importantes para formar los canales de infección. (4º) Genes que permiten una ocupación más eficiente del módulo. (5º) Genes que permiten la infección de un tipo determinado de genotipo de la planta. Regulación de la expresión de los genes de la modulación. La expresión de los genes bacterianos que intervienen en el establecimiento de la simbiosis se proproduce como consecuencia de que la planta libera al medio favonoides (Flavonas e Isoflavonas) que en la bacteria interaccionan con la proteína Nod D. Nod D es un factor de transcripción presente en todas las especies de rizobios. Es un factor de transcripción que regula operones inducibles y estimula la transcipción de nodABC (genes nod comunes) y de otros genes nod esenciales. La proteína Nod D reconoce la «caja Nod» presente en los genes de tipo nod. El factor Nod D responde a la unión de flavonoides o de betaínas a uno de los extrmos de su cadena peptídica, el extremo más variable. Se trata de una proteína de membrana que recibe la señal del flavonoide a través de la capa lipídica. Para que se produzca la infección la propteína Nod D tiene que ser activada y para esto tiene que interaccionar con el flavonoide específico. Por esto, los factores Nod D son 198 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 determinantes de la especificidad de huésped. Se han encontrado mutaciones puntuales en Nod D que amplían el rango de infección a especies no leguminosas. La proteína Nod D puede regular la expresión de otros genes nod en función del nitrógeno combinado presente. De esta forma se puede conseguir un control fino de la expresión de la batería de genes de fijación de nitrógeno. Los genes nod inducibles dejan de expresarse cuando el rizobio es liberado en el nódulo y se transforma en bacteroide. Esto se produce porque la proteína Nod D deja de interaccionar con la «caja nod». El factor NOD. Una de las funciones de los genes nodABC es formar el factor NOD, tetrapentasacárido modificado que libera la bacteria como respuesta en la presencia de flavonoides. Los factores NOD funcionan de una forma similar a como lo hacen las hormonas vegetales de las que son análogos estructurales. La composición de las cadenas laterales de los factores NOD es específica de cada tipo de rizobio. Los genes nodEF, nodM y nodPQ modifican el factor NOD haciéndolo específico. No se sabe donde actúa el factor NOD en la planta; pero la presencia de los factores NOD es imprescindible para que tengan lugar los cambios de la planta durante la fase tempranas de la infección, aunque su sola presencia no es suficiente para que se produzcan todos los efectos de la inducción del nódulo. En la rizósfera pueden existir quitinasas y otras enzimas capaces de degradar selectivamente factores NOD determinados. De esta forma se logra también una especificidad de infección. En algunos casos se ha demostrado la inducción de la producción de nodulinas (productos génicos de las plantas responsables de la formación de los nódulos) por el factor Nod. En otros se ha visto que algunas nodulinas se expresan como consecuencia de la inhibición del transporte hormonal en la planta, por esto se ha supuesto que el factor Nod puede interferir este transporte dando lugar a desequilibrios hormonales. Complemento. Sobre Fijación De Nitrógeno Proceso bioquímico. Reducción del nitrógeno atmosférico por la nitrogenasa, proceso anaerobio, proceso de alto consumo energético Microorganismos fijadores de nitrógeno. Bacterias libres, Bacterias simbióticas. Fijación Simbiótica De Nitrógeno. Dos grupos de organismos: Rizobios. Bacterias del suelo móviles atraídas hacia la raíz por compuestos que ésta libera. Pertenecen al grupo de quimioorganotrofos aerobios. A este grupo pertenecen Rhizobium, Azorhizobium y Bradyrhizobium. 199 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Formadores de nódulos en raíces. Rhizobium Nodulan leguminosas de climas templados y subtropicales Cuatro especies: R. leguminosarum var. Viciae, var. Trifoli, var. phaseoli R. meliloti que nodula Melilotus y Mendicago R. Loti que nodula Lotus, Cicer, Lupinus, Mimosa, etc. R. fredii nodula soja Bradyrhizobium nodula soja. Formadores de nódulos en tallos y raíces Azorhizobium. Nodula la planta tropical Sesbania rostrata (leguminosa) Otros formadores de nódulos de fijación de nitrógeno dudosa. Phyllobacterium. Forma nódulos en tallos y hojas de mirsináceas y rubiáceas. Agrobacterium. Se han descrito casos en los que parece haber fijación de nitrógeno. Frankia. Actinomicetos que nodulan raíces de muchos árboles y arbustos (más de 140 especies). No forma micelio aéreo y sus esporas son inmóviles. Nodula los géneros alnus, Myrca, Casuarina, etc. Es muy importancia para plantas leñosas perennes porque aporta nitrógeno al suelo en zonas pobres o replobladas. Interacción de Frankia con la planta. El micelio de Frankia alcanza un pelo radicular de la planta y lo invade. Se suele inducir luego la formación de una raiz secundaria que también resulta invadida La simbiosis no es obligada para que se produzca fijación de nitrógeno. La simbiosis se establece principalmente con el género alnus (aliso). Esta simbiosis es mucho menos específica que la de rhizobium - Diazótrofos libres que no nodulan. Hay una serie de diazótrofos libres que no forman nódulos, pero pueden colonizar las raíces, el rizoplano, penetrar en la zona intercelular más externa del córtex y pueden ceder N a la planta sin producir ninguna patología, tienen excedentes de componentes nitrogenados que ceden a la rizósfera y son aprovechados por las plantas. Son bacterias del tipo: Azotobacter, Sacarobacter, Beijerinkia. No forman la típica asociación simbiótica. Se ven atraídas inespecíficamente por los exudados de las raíces de las plantas. Sacarobacter tiene cepas que viven intracelularmente de forma saprófita en los tallos de la caña de azúcar, recogen los excedentes de azúcar de la caña y cede componentes nitrogenados. Actúa a pH ácido. Los factores medio-ambientales son importantes para aprovechar esta capacidad (igual que con Rhizobium). Hay cepas de diazótrofos resistentes a temperaturas extremas, pH extremos,..., esto es bueno para aprovechar estas cepas. En diazótrofos asociados 200 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 con las raíces la efectividad de las cepas desciende con la fertilización con componentes nitrogenados Lección 40. Complemento - Artículos Relacionados a los temas. A continuación encuentra un listado de artículos que le permitirán ampliar y aclarar conceptos, elija uno de los leídos analícelo, y realice un cuadro resumen para ser socializado con los compañeros del grupo. Micorrizas En La Agricultura: Contexto Mundial E Investigación realizada En Costa Rica. http://www.mag.go.cr/rev_agr/v21n01_055.pdf Efecto del sistema radical de siete líneas de Maíz en los cambios de pH de la rhizosfera y su influencia en la disponibilidad del fósforo. http://pegasus.ucla.edu.ve/BIOAGRO/Rev13(1)/1.%20Efecto%20del%20sistema%20ra dical.pdf Flora fúngica de la rizósfera de Phaseolus lunatus «pallar» en Ica, Perú Fungal flora of rizosphere of Phaseolus lunatus «pallar» from Ica, Peru. http://sisbib.unmsm.edu.pe/bvrevistas/biologia/v12n3/pdf/v12n3a12.pdf La microflora bacteriana y fúngica de la rizósfera del pino (Abies vejari. L) en la sierra la Carolina de la Marta, municipio de Arteaga, Coah., México. http://www.monografias.com/trabajos33/microbiota-bacteriana-pino/microbiotabacteriana-pino.shtml Interacción Micorrizas Arbusculares Trichoderma harzianum (Moniliaceae) Y Efectos Sobre El Crecimiento De Brachiaria decumbens (Poaceae) Arbuscular MycorrhizaeTrichoderma harzianum (Moniliaceae) Interaction and Effects on Brachiaria decumbens (Poaceae)’s Growth http://www.scielo.org.co/pdf/abc/v11n1/v11n1a04.pdf Evaluación de la Inoculación con Micorrizas en Maíz bajo diferentes Ambientes de Fertilidad. http://www.elsitioagricola.com/articulos/ferraris/Evaluacion%20de%20la%20Inoculacion %20con%20Micorrizas.asp Efecto de la inoculación de rizobios y Micorrizas en la producción de forraje. http://www.corpoica.org.co/Archivos/Revista/6_efectoDobleInocul_pp52-59_v6n2.PDF Fijación simbiótica de nitrógeno y estrés salino. http://www.uam.es/docencia/LAvanFis/guiones_archivos/fijacionyestressalino.PDF 201 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 CAPITULO 9. UTILIDAD DE LOS MICROORGANISMOS. Lección 41. Lombrices y substancias químicas en la rizósfera. Lombrices. En el ciclo de nutrientes las lombrices también juegan un papel importante, ya que contribuyen a la disgregación y descomposición de restos orgánicos, y a la formación de galerías por las que circula el agua y el aire. Debido la digestión de los restos orgánicos, la tierra excretada por las lombrices es más rica en fósforo y nitrógeno que la ingerida, y a muy largo plazo también más rica en carbono. En una experiencia, los investigadores T.B. Parkin y E.C. Berry, aportaron materia orgánica bajo diferentes formas a un medio con tres especies de lombrices. Se observó cómo los residuos de las lombrices eran más ricos en nitratos y amonio que la materia orgánica original. También se observó que la riqueza relativa de nitrógeno en los tejidos de las lombrices reflejaba la riqueza en nitrógeno de los restos orgánicos añadidos. La tierra excretada por las lombrices es rica en microorganismos detritívoros que prosiguen el ciclo de humificación. Se puede concluir que las lombrices se ven implicadas en los ciclos del carbono y el nitrógeno en el suelo, ya que aceleran la descomposición de los residuos orgánicos. Por ello, también se puede indicar que un efecto, directa o indirectamente debido a las lombrices, es la detoxificación de suelos con presencia de substancias orgánicas, como pueden ser alelopatinas provenientes de exudados y restos de plantas. Las lombrices también juegan un papel importante en la aireación del suelo y en el movimiento de agua en el mismo. Las galerías que forman dichos gusanos se pueden considerar como macroporos por los que se mueve el agua con mucha facilidad. En dicho movimiento del agua deben considerarse también las substancias solubles en ésta, como son nutrientes, pesticidas, y también alelosubstancias solubles. Debe indicarse que los macroporos no sólo son creados por las lombrices, también pueden tener origen en cambios de temperatura, la acción de las raíces, o la acción de insectos. En función del tipo de manejo de suelo, la presencia de lombrices se verá favorecida o no, y con ello su influencia física y química sobre el suelo. Por ejemplo, la aplicación de fertilizantes inorgánicos y pesticidas desfavorece el desarrollo de poblaciones de lombrices. Así, una menor población de lombrices tiene repercusión, por ejemplo, en los macroporos del suelo. Los investigadores W. Munyankusi, S.C. Gupta, J.F. Moncrief, y E.C. Berry, en una investigación a largo término sobre los efectos del manejo del suelo 202 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 sobre los macroporos, y, en consecuencia en el movimiento de agua, observaron que el número y tamaño de éstos en la zona superficial era similar con un uso estricto de fertilizantes inorgánicos que con abonos orgánicos. Sin embargo, la continuidad hacia zonas más profundas del suelo es menor en el caso de un manejo con fertilizantes inorgánicos. Los anteriores científicos también indican que, aunque el movimiento de agua por los poros es muy similar en ambas parcelas, en la de manejo orgánico la velocidad del agua es mayor. Alelosubstancias. Al igual que los demás seres vivos, los vegetales también compiten entre ellos por los recursos (agua, alimentos, luz). Pero a diferencia de los animales, las plantas están fijas en una parcela de suelo, por lo que no pueden desplazar a la planta vecina o moverse ellas mismas. Por ello sus estrategias de competencia deben o dirigirse a favorecer la próxima generación, o tratar de minimizar la presencia de vegetales competidores, y pueden hacerlo mediante estrategias biológicas (dispersión de semillas, época de floración, etc.), acciones físicas (sombreamiento) o acciones químicas (emisión de alelosubstancias).. Muchas plantas, o posiblemente en mayor o menor medida, todas, sintetizan y liberan productos químicos que modifican el crecimiento (generalmente perjudican) de los vegetales vecinos y por ello permiten al productor disponer de más recursos. Se puede observar como una inversión por parte de la planta la síntesis de substancias no estrictamente relacionadas con el crecimiento y la reproducción, inversión que debe dar un rendimiento adecuado al consumo de energía y alimento efectuados. En este sentido puede comentarse que muchas de las plantas consideradas malas hierbas han sido investigadas para conocer su capacidad de emitir alelosubstancias, con resultados positivos. Esta capacidad les facilita la colonización rápida de terrenos donde no hay comunidades vegetales estables, como son los cultivos.. Las alelosubstancias o substancias alelopáticas son productos sintetizados por las plantas y también por microorganismos del suelo (un ejemplo de alelosubstancia sintetizada por un microorganismo es la penicilina), con función de competencia y relación entre ellos. Teniendo la capacidad de, a muy bajas concentraciones, modificar el desarrollo de los vegetales, pueden calificarse como fitoreguladores.. El estudio de estos productos es complejo, puesto que sus efectos se solapan e interfieren con otros efectos sobre las plantas debidos al clima, plagas, enfermedades, competencia física entre vegetales, interacción con animales, etc. Los investigadores deben verificar que las substancias de estudio tienen un verdadero efecto, y que las plantas las utilizan en sus relaciones químicas (las substancias con efecto alelopático investigadas pueden no ser liberadas al medio por los vegetales, sino que ser productos biosintéticos de uso propio de la planta). Por otra parte, se debe indicar que las plantas suelen producir mezclas de productos con acción alelopática, que liberan al 203 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 medio de las más diversas maneras, desde a partir de la descomposición de los restos vegetales, a la secreción al suelo desde las raíces, pasando por la volatilización, o incluso la biosíntesis de polen alelopático. Las alelosubstancias no siempre afectan a las plantas directamente, sino que con mucha frecuencia la acción es más sutil, afectando a las micorrizas u otros organismos de la rizósfera de la planta competidora. Debe recordarse que los vegetales dependen más de lo que suele pensarse del equilibrio en su rizósfera, así como de la micorrización. La alteración de estos supone un claro perjuicio para las mismas, puesto que los microorganismos del suelo son mucho más importantes de lo que puede suponerse. En un suelo ecológicamente equilibrado, aquellos permiten que los ciclos de nutrientes se efectúen adecuadamente, y la incidencia de enfermedades es menor que en un suelo empobrecido de vida. Especialmente la zona de la rizósfera (zona del suelo inmediata a las raíces) es muy rica en microorganismos, los cuales almacenan nutrientes en sus tejidos, y con frecuencia son capaces de aprovechar mejor que las plantas algunos recursos.. Los microorganismos que participan en la degradación de las substancias orgánicas son también muy beneficiosos gracias a su acción detoxificadora, tanto de alelosubstancias como de plaguicidas u otros productos, con la diferencia que las alelosubstancia son rápidamente degradadas en comparación con los productos fitosanitarios. En cualquier caso, a las concentraciones presentes en el suelo son productos inocuos para los animales. La eliminación de las alelopatinas de un suelo es sencilla y rápida, puesto que sólo hay que dejar que los microorganismos las descompongan. En un sistema agrícola, donde el tiempo no sobra y los microorganismos del suelo ven sus poblaciones alteradas en variedad y cantidad, las rotaciones de cultivos ayudan a evitar una presencia continuada de un mismo vegetal y con ello una concentración creciente de alelopatinas. Ello es más importante de lo que se cree, puesto que con relativa frecuencia, las alelosubstancias son autotóxicas. Esto ocurre, por ejemplo, en espárrago, girasol, alfalfa, café, o en frutales como el manzano o el melocotonero, donde las alelosubstancias, junto a problemas de plagas y nematodos, dificultan el mantenimiento del cultivo o la replantación. En otros casos es la rotación la que se puede ver afectada, por ejemplo en cultivos de lechuga después de apio, donde la primera tiene problemas de nascencia y crecimiento. En definitiva, aunque se lleva décadas investigando a las alelosubstancias, aún queda mucho por hacer para conseguir un manejo favorable de las mismas. Hay diversos países donde se investiga no sólo los aspectos básicos de las alelosubstancias, como pueden ser nuevos vegetales productores y nuevos productos, sino que se trabaja buscando resultados prácticos y aplicables. En este sentido práctico, se trabaja en tres líneas principales. La primera es buscando nuevas moléculas con capacidad fitosanitaria (fungicida, herbicida, etc.), cuya principal 204 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 ventaja es la de ser productos de origen natural, poco tóxicos, que actúan a baja concentración, y fácilmente degradables. El principal inconveniente es hallar un producto estable en el tiempo y con una efectividad tan evidente como los fitosanitarios habituales.. La segunda línea de acción es la selección de variedades vegetales (por ejemplo ya se trabaja en arroz, maíz, trigo, avena, centeno, acelga, guisante, pepino, altramuz, etc.) con capacidad de competir de forma natural contra las malas hierbas. Puede citarse por ejemplo que la mayoría de gramíneas cultivadas (trigo, cebada, avena, centeno, arroz, sorgo) parecen tener capacidad alelopática. A diferencia de las plantas transgénicas, e incluso a diferencia de un cultivo no transgénico, una variedad alelopáticamente activa no precisa un manejo del suelo que resulte especialmente agresivo respecto a la microfauna y microflora del suelo.. La tercera vía de trabajo procura profundizar los conocimientos de las interacciones entre plantas para mejorar las rotaciones o introducir coberteras adecuadas para los cultivos pero perjudiciales para las principales malas hierbas. Se ha experimentado las sucesiones de cultivos y la utilización de cultivos mixtos como forma de sortear a las malas hierbas. Siendo muchas plantas cultivadas potenciales productoras de alelopatinas, capaces de afectar a las malas hierbas, hay diferentes ensayos que indican acertada la utilización de residuos de determinadas cosechas para minimizar la nascencia de malas hierbas, o incluso cultivos de invierno que se añadirán al suelo como cobertera, antes de la siembra en primavera. En este sentido destaca la utilización de centeno más una leguminosa, que muestra un efecto destacado contra la nascencia de plantas de los géneros Amaranthus y Chenopodium. También se ha mostrado adecuada para limitar el crecimiento de malas hierbas y el mantenimiento del suelo la sucesión de cultivos concretos. Por ejemplo, diversas experiencias indican un efecto destacable en la sucesión en un mismo año de cereales de invierno y de verano (cebada y maíz, cebada y arroz, por ejemplo), dejando los residuos de cosecha en el suelo. Siendo las producciones individuales menores, la suma de reducciones es mayor. Lección 42. Microorganismos, biofertilizantes y biocontrol. El suelo no sólo es un soporte, es un ecosistema. Las relaciones entre sus habitantes son complejas y determinan las características y propiedades edáficas así como el establecimiento de las comunidades vegetales. Su importancia en la agricultura se puede apreciar en el cuadro 12 (Martínez, 1996). 205 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Cuadro 12. Importancia de los microorganismos en la agricultura. FACTOR DE IMPORTANCIA OBSERVACIONES 1. Mantenimiento de los ciclos biogeoquímicos 2. Formación de sustancia húmicas o condiciones favorables para su formación con el consecuente mejoramiento de la estructura Transformación de la del suelo y en el suministro de nutrientes. materia orgánica 3. Participación en la meteorización química de los minerales por la formación de ácidos orgánicos y compuestos reductores. 4. Oxidación y reducción de metales como hierro y manganeso. 1. Estabilización de la estructura, por medio de mucilago bacteriano (polisacaridos cementantes) pseudomicelios de actinomicetes e hifas de los hongos. Mejoramiento de la 2. Creación de macroporos por desprendimiento de gases (CO2) estructura del suelo durante la descomposición de la materia orgánica. 3. Formación de humus estable o sus compuestos precursores y la posterior creación de complejos organominerales, como elementos estructurales. 1. Incorporación de residuos vegetales o animales al suelo mineral. Transporte de materias 2. Incorporación de elemenmtos químicos al suelo (N atmosférico). 1. Influencia en la nutrición de los cultivos 2. Mineralización y aprovechamiento de sustancias de difícil descomposición. 3. Producción de nitrógeno asimilable por parte de microorganismos que encuentran en la rizosfera nichos apropiados para su establecimiento. 4. Cambios del pH del suelo y por ende en la solubilización de Efectos mutuos en las sustancias nutritivas. asociaciones biológicas 5. Producción de sustancias estimulantes del crecimiento vegetal (fitohormonas, vitaminas, antibióticos y quelatos). 6. Inhibición del crecimiento vegetal por el exceso de CO 2 liberado a la atmósfera del suelo. 7. Creación de condiciones anaeróbicas por el consumo de oxígeno que influye en una redu8cción de elementos menores que pueden ser transformados en sustancias tóxicas. Se pueden presentar asociaciones mutualistas simbióticas Influencia mutua entre los (micorriza-MV-planta, Rhizobium-leguminosas), no simbióticas organismos (azotobacter-planta), antagonismo, parasitismo (control biológico), inducción de resistencia en plantas a patógenos. Fuente: Martinez, 1996 Como integrantes del sistema, las raíces vegetales participan en la transformación del suelo, disgregándolo, tomando elementos minerales, y aportando restos orgánicos, exudados, etc. Las relaciones entre ellas y con otros organismos son complejas de carácter bioquímico. 206 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Si bien hay un elevado número de organismos saprófitos que metabolizan los restos orgánicos, también hay relaciones de depredación, parasitismo, comensalismo etc. Organismos saprófitos. Existen una numerosa población, la cual tienen un papel importante en la transformación de los residuos a materia orgánica con el acompañamiento de la acción de los microorganismos. La acción de los saprófitos es interesante por dos motivos: a) Reciclaje de restos orgánicos, facilitando la formación de ácidos húmicos y fúlvicos, mejorando la cadena que devuelve los nutrientes al suelo. b) Favorecen la competencia de los microorganismos saprófitos, frente a los parásitos de plantas. Se pueden mencionar como saprófitos: los ácaros oribátidos, insectos de los órdenes Thysanura, Diplura y Protura, algunos insectos de los órdenes Collembola y Ephemeroptera, entre otros. Existe una estrecha relación entre el tipo de suelo y humus y las especies y poblaciones existentes. (RODIGUEZ Y GARCIA, 1992), (Siquiera, 1988) Los ácaros oribátidos son los que están en mayor número en el suelo, si este tiene materia orgánica y el microclima es adecuado. En ocasiones también se pueden encontrar en las partes bajas de las plantas, pero sin apenas causar daño a las mismas. En el orden Collembola también se encuentran especies que se alimentan de las plantas, y en el orden Ephemeroptera se pueden hallar unas pocas especies predadoras. Biopreparados. Los biofertilizantes o biopreparados se originan a partir de la fermentación de materiales orgánicos, como estiércoles de animales, plantas verdes y frutos. La fermentación puede ocurrir con la presencia de oxigeno. Caso en el cual se llama aeróbica, o sin su presencia caso en el cual se denomina anaeróbica. Tienen una intensa actividad de microorganismos, que se encuentran disponibles y gratuitos en la naturaleza. Estos pueden ser aplicados directamente sobre los cultivos vía foliar, a nivel del suelo o directamente sobre las aboneras para enriquecerlas. (Martínez, 1996) Los microorganismos transforman los materiales orgánicos como el estiércol el suero, la leche, el jugo de caña, las pajas y las cenizas, y producen vitaminas ácidos y minerales complejos indispensables al metabolismo y perfecto equilibrio nutricional de la planta. Las sustancias que se originan a partir de la fermentación son muy ricas en energía libre, y al ser absorbidas directamente por las hojas tonifican las plantas e impiden el desarrollo de enfermedades y el constante ataque de los insectos. 207 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Sustancias comunes en los biofertilizantes. Según Martínez, 1996, dentro de las sustancias que se encuentran comúnmente en los biofertilizantes se encuentran: Tiamina: Nutre el metabolismo de los carbohidratos y la función respiratoria, biosintetizada por microorganismos y plantas y convertida en tiamina difosfato, desempeña un papel importante en la trofobiosis, al aumentar la inmunidad adquirida en los vegetales. Piridoxina o piridoxol: Es biosintetizada por microorganismos, principalmente por levaduras: Es estable a la acción de la luz y el calor. Ácido nicotínico: También conocido como niacina, es precursor de enzimas esenciales al ciclo de la respiración y al metabolismo de los carbohidratos. Ácido pantoténico: Se encuentran en todas las células vivas. Es producido por microorganismos e insectos y es esencial para la síntesis de coenzimas, principalmente la A. Riboflavina: Promueve el crecimiento mediante la acción de oxirreducción. Producida por muchas bacterias y unida al ácido fosfórico, forma coenzimas como la flavina adenina-dinucleótico (FAD) o la flavina adenina mononucleótido también denominadas de fermentos respiratorios amarillos con importante acción sobre el metabolismo de las proteínas y de los carbohidratos. Cianocobalamina: Producida por bacterias, como Streptomyces, Bacillus y Pseudomonas. También la producen los actinomicetos. Químicamente es un complejo de varias sustancias similarmente activas. Ácido ascórbico: Resulta de la fermentación microbiológica de la glucosa a través del Bacillus y Aspergillus. Es soluble en agua y etanol. Es sensible a la luz, pero es resistente al calor. Ácido fólico: Producido por varios microorganismos, principalmente por los que están presentes en la leche, como Streeptococus, Streptomyces y Lactobacillus. Alfa amilasa: Se obtiene industrialmente a partir de Bacillus subtilis. Se encuentra en abundancia en los primeros siete días de la fermentación del estiércol fresco, que naturalmente ha sido inoculado con esta bacteria. Aminoacilasa: Esta enzima, es producida fácilmente por el hongo Aspergillus y Penicillium, es importante para la producción de la metionina biofertilizantes. 208 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Aminoácidos: Los biofertilizantes tienen todos los aminoácidos posibles, producidos por los microorganismos en cantidades muy variables formando macromoléculas de acción muy importante en las aplicaciones foliares. En realidad los biofertilizantes no es nada más que el producto de la fermentación de un sustrato orgánico por medio de la actividad de microorganismos vivos. Sustancias Reguladoras Del Crecimiento De Las Plantas: El crecimiento y desarrollo de las plantas, está regulado por cierto número de sustancias químicas que en conjunto, ejercen una compleja interacción para cubrir las necesidades de la planta. Se han establecido cinco grupos de hormonas vegetales: auxinas, giberelinas, citokininas, ácido abscísico y sus derivados y etileno. Estas sustancias están ampliamente distribuidas y pueden, en efecto hallarse en todas las plantas superiores. Son específicas en cuanto a su acción y ejercen su actividad a muy bajas concentraciones, regulan el crecimiento de las células, la división y la diferenciación celular, así como el órgano génesis, la senescencia y el estado de latencia. Su acción es probablemente secuencial. Los efectos de estas sustancias, activas sobre la producción de metabolitos secundarios, especialmente desde el punto de vista de la consecución de plantas con elevada proporción de su contenido en principios activos, son interesantes para los farmacólogos. Auxinas: Estas sustancias estimulantes del crecimiento fueron estudiadas por primera vez en 1931 por investigadores holandeses que aislaron dos ácidos reguladores del crecimiento (auxina-a y auxina-b, obtenidas de la orina humana y de cereales, respectivamente. Posteriormente notaron que las mencionadas sustancias poseían propiedades similares al ácido indol-3-acético (AIA), compuesto que actualmente se considera como la auxina principal de las plantas y encontrando, sobre todo, en tejidos en crecimiento activo. Estos compuestos, derivan todos en los vegetales. Los efectos típicos de las auxinas son: Alargamiento de las células. Incremento de la longitud del tallo. Inhibición del crecimiento de la raíz. Producción de raíces adventicias. Desarrollo del fruto en ausencia de polinización. 209 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los principales usos de las auxinas son: En bajas concentraciones, acelera el enrizamiento. En concentraciones más elevadas, actúan como herbicidas selectivos. Se han publicado varias revisiones sobre los efectos de las auxinas, respecto a la formación de metabolitos secundarios en plantas medicinales. La siembra por semillas y por plantas jóvenes de Menta piperina, previamente tratados con derivados de ANA, producen en las plantas tratadas, un crecimiento del desarrollo (30-50%) de esencias, que a su vez contienen un 4,5-9,0 % más mentol que los controles. El estudio de los efectos de las auxinas sobre la formación de alcaloides, se ha dirigido principalmente hacia los alcaloides del género Datura, observándose cambios morfológicos como producción de formas anormales y extrañas, incremento de la producción de tricomas, frutos lisos distintos de los otros, espinosos, proliferación del tejido vascular. Giberilinas: Este grupo de reguladores del crecimiento de las plantas, fue descubierto por investigadores japoneses en relación con la enfermedad, del arroz denominada "Bakanae" (Semillas bobas). En esta enfermedad las plantas afectadas se hacen excesivamente altas y son incapaces de sostenerse por si mismas, la combinación de la subsigiente debilidad y el daño del parásito, provocan eventualmente la muerte de la planta. El organismo causante de la enfermedad es la Gibberella fugikuroi, y en 1926, se observó que los extractos del hongo, eran capaces de iniciar los síntomas de la enfermedad cuando se aplicaban a las plantas de arroz sanas. Posteriormente, se aisló una sustancia cristalizada, a la que se llamó "Giberilina". En la actualidad se han detectado unas 70 clases de giberilinas, de las que la mitad proceden del hongo citado y la otra mitad de plantas superiores. Se sintetizan en las hojas, y se almacenan en cantidades relativamente grandes en las semillas y frutos inmaduros de algunas plantas. Sus acciones son: Inducen el crecimiento y la floración. Inician la síntesis de enzimas hidrolíticas y proteolíticas, de las que dependen la germinación de las semillas, y el establecimiento de la maduración de las mismas. Provocan el alargamiento celular. 210 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los efectos de giberilinas y axinas, parecen ser complementarios, requiriéndose ambas hormonas para la estimulación total del alargamiento, de forma que cada una requiere la presencia de la otra. Citokininas (hormonas de la división celular): Las auxinas y las giberelinas están muy relacionadas con el alargamiento celular; y aunque influyen en los procesos de multiplicación, hay otras sustancias que ejercen un efecto más específico sobre la división celular (citoquinesis), regulan el tipo y la frecuencia de producción de órganos, así como su posición y forma. Muestran un efecto inhibidor sobre el envejecimiento. Inhibidores Del Crecimiento: Ácido Abscisico: En las plantas existen inhibidores naturales del crecimiento que afectan a la apertura de las yemas, a la germinación de las semillas y al desarrollo de latencia. En 1965 se aisló e identificó una sustancia de este tipo, el ácido abscísico, aislado recientemente del hongo Cenospora rosicola. Etileno: Desde hace muchos años se sabe que el etileno induce respuestas de crecimiento en las plantas; en 1932, se demostró que dicho cuerpo, formado en manzanas almacenadas, inhibía el crecimiento de brotes de patatas almacenadas con ellas. En la actualidad se mantenía la idea de que este sencillo compuesto, puede ser incluido entre las hormonas vegetales naturales. Entre sus acciones destaca, que a baja concentración, incrementa el contenido de cenósidos de la Cassia angustifoli; Incrementa el flujo del látex del caucho, nebulizado sobre la corteza raspada del árbol del caucho, se incrementa el rendimiento en látex entre un 36 y un 130%. Algunos biopreparados son elaborados y utilizados en cultivos hortícolas, entre ellos el cultivo de cebolla de bulbo, existe una investigación realizada por el Grupo Manejo Biológico de Cultivos de la UPTC los cuales utilizaron el purin de ortiga, el S4, el caldo de rizósfera y el bocashi con buenos resultados como acondicionadote físicos de suelo, siempre y cuando su preparación sea correcta. Lección 43. Biopreparados. Elaboración y preparación de caldo Super4. Se utilizan los siguientes Insumos minerales: Sulfato de Zinc, Sulfato de Magnesio, Sulfato de Cobre, Bórax; estiércol fresco de bovino, melaza, leche, sangre y agua. Se utilizó fertilizante 15-15-15 como parámetro o testigo químico entre las herramientas utilizadas están: Caneca plástica de 55 galones, agitador, frascos, materas de 5 Kg, semillas sexual de cebolla de bulbo (Allium cepa). Palas, azadones, balde... 211 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Preparación S4: En una caneca plástica de 55 galones se colocaron 3 Kg de estiércol fresco y se completo con agua hasta 120 Lt. Cada 5 días se adiciono uno de los siguientes elementos en la mezcla: 1 kg de sulfato de Zinc, 1kg de Sulfato de Magnesio, 0.3 kg de Sulfato de Cobre, 1 kg de Bórax. Cada vez que se adiciona uno de los productos de esta lista, se incremento: 20 kg de estiércol fresco, 20 Lt de agua, 1 Lt de leche de vaca, 1 Lt de melaza de caña 100 ml de sangre, al final de la serie se completo con agua hasta 250 Lt (Figura 53). Elaboración de “caldo de rhizosfera”. Se utilizan los siguientes ingredientes: Plantas sanas de Ortiga, (Urtica urens) Borraja (Borrago oficinalis) y Limonaria, yogurt natural, melaza o miel de purga, harina de soya, fríjol, arveja o trigo, agua y Oxigeno C-250. Herramientas: Agitador, frascos, caneca, licuadora, botellas de 2 litros, jeringas, algodón. Preparación: Se peso un kilogramo de raíces de las plantas de Ortiga, Limonaria y Borraja, se licuo hasta formar una papilla, se filtro para obtener la mayor cantidad de zumo posible, se almaceno el sumo en una botella de 2 litros. Con una jeringa se agrego al zumo 2 cc de yogurt natural, 2 cc de melaza, 3 gr de harina y una gota de oxigeno C-250 se revolvió y se agrego agua hasta obtener un litro y medio de la mezcla. La botella se tapo con un algodón y se dejo en un sitio fresco agitando de manera continua. Ocho días después se paso el contenido de la botella a una caneca, se agrego 4 cc de yogurt, 4 cc de melaza, 8 gr de harina y 1 ½ litro de agua natural, se agitó y se agregó 2 gotas de oxigeno, se tapo la caneca y se dejo en un lugar fresco. Después de ocho días se agregaron 8 cc de yogurt, 8 cc de melaza y 15 gr de harina, 3 litros de agua, 3 gotas de oxigeno y se mezclo bien. Figura 53. Preparación del super 4. FUENTE: Los autores A la semana siguiente se adicionaron 16 cc de yogurt, 16 cc de melaza, 30 gr. de harina, 6 ½ litros de agua, 6 gotas de oxigeno, se agitó, y una semana después se adiciono 25 cc de yogurt, 25 cc de melaza, 60 gr. de harina, 12 litros de agua, 12 gotas 212 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 de oxigeno. Ocho días después se agregaron 50 cc de yogurt, 50 cc de melaza, 125 gr de harina, 25 litros de agua, 25 gotas de oxigeno. A la semana siguiente se agrego 100 cc de yogurt, 100 cc de melaza, 250 gr. de harina, 50 litros de agua, 50 gotas de oxigeno, se agitó y tapó. Una semana después aumento el doble de la cantidad de los componentes. A los ocho días de la última aplicación el caldo de rizosfera estuvo listo para ser utilizado. Cuando tomo un color amarillo lechoso y una lana felpuda espesa de color habano de 2 cm de espesor. Una vez se prepara el caldo se recolecto la muestra para ser enviado al laboratorio con el fin de identificar sus propiedades químicas y biológicas. Purín de ortiga Preparación: Se utilizaron vasijas plásticas, olla de barro, ortiga, (Urtica urens), agua natural, navaja, 10 cm de caldo de rizosfera elaborado anteriormente. Se seleccionaron 500 gr de ortiga, se corto en trozos pequeños y se coloco en la olla de barro con 4 litros de agua, se agregaron 10 cm de caldo de rizosfera y se dejo fermentar por espacio de 20 días (figura 54). Figura 54. Preparación de purín de ortiga. Fuente: los autores. Aplicaciones. En caso de hortalizas se pueden realizar tres aplicaciones de los biopreparados dirigidas al suelo por planta, a los 20, 40 y 60 días del transplante, empleando una solución de 460 cm de agua y 40 cm del biopreparado Caldo de Rizósfera, Super Cuatro, y Purín de Ortiga según el tratamiento de tal manera que se complete 500 cm. Para el testigo químico se utilizó tres gramos de fertilizante 15-15-15. Al testigo absoluto se le aplico 500 cm de agua. 213 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Lección 44. Algunos indicadores biológicos de calidad del suelo. ¿Qué es la calidad del suelo? La calidad y la salud del suelo son conceptos equivalentes, no siempre considerados sinónimos (Doran y Parkin, 1994). La calidad debe interpretarse como la utilidad del suelo para un propósito específico en una escala amplia de tiempo (Carter et al., 1997). El estado de las propiedades dinámicas del suelo como contenido de materia orgánica, diversidad de organismos, o productos microbianos en un tiempo particular constituye la salud del suelo (Romig et al., 1995). La preocupación por la calidad del suelo no es nueva (Lowdermilk, 1953; Doran et al., 1996; Karlen et al., 1997; Singer y Ewing, 2000). En el pasado, este concepto fue equiparado con el de productividad agrícola por la poca diferenciación que se hacía entre tierras y suelo. Tierras de buena calidad eran aquéllas que permitían maximizar la producción y minimizar la erosión. Para clasificarlas se generaron sistemas basados en esas ideas (Doran y Parkin, 1994). Esos incluían términos como tierras agrícolas de primera calidad. El concepto de calidad del suelo ha estado asociado con el de sostenibilidad, pero éste último tiene varias acepciones. Para Budd (1992), es el número de individuos que se pueden mantener en un área dada. En cambio, para Buol (1995), el uso del suelo se debe de basar en la capacidad de éste para proporcionar elementos esenciales, pues éstos son finitos y limitan, por ende, la productividad. La calidad del suelo, ha sido percibida de muchas formas desde que este concepto se popularizó en la década anterior (Karlen et al., 1997). Este concepto ha sido relacionado con la capacidad del suelo para funcionar. Incluye atributos como fertilidad, productividad potencial, sostenibilidad y calidad ambiental. Simultáneamente, calidad del suelo es un instrumento que sirve para comprender la utilidad y salud de este recurso. A pesar de su importancia, la ciencia del suelo no ha avanzado lo suficiente para definir claramente lo que se entiende por calidad. El término calidad del suelo se empezó a acotar al reconocer las funciones del suelo: (1) promover la productividad del sistema sin perder sus propiedades físicas, químicas y biológicas (productividad biológica sostenible); (2) atenuar contaminantes ambientales y patógenos (calidad ambiental); y (3) favorecer la salud de plantas, animales y humanos (Doran y Parkin, 1994; Karlen et al., 1997) Al desarrollar este concepto, también se ha considerado que el suelo es el substrato básico para las plantas; capta, retiene y emite agua; y es un filtro ambiental efectivo (Larson y Pierce, 1991; Buol, 1995). En consecuencia, este concepto refleja la capacidad del suelo para funcionar dentro de los límites del ecosistema del cual forma parte y con el que interactúa (Parr et al., 1992). 214 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Para Gregorich et al. (1994) la calidad de suelo es una medida de su capacidad para funcionar adecuadamente con relación a un uso específico. Arshad y Coen (1992) le dieron a este concepto una connotación más ecológica; la definieron como su capacidad para aceptar, almacenar y reciclar agua, minerales y energía para la producción de cultivos, preservando un ambiente sano. Las definiciones más recientes de calidad del suelo se basan en la multifuncionalidad del suelo y no sólo en un uso específico, pero este concepto continúa evolucionando (Singer y Ewing, 2000). Estas definiciones fueron sintetizadas por el Comité para la Salud del Suelo de la Soil Science Society of America (Karlen et al., 1997) como la capacidad del suelo para funcionar dentro de los límites de un ecosistema natural o manejado, sostener la productividad de plantas y animales, mantener o mejorar la calidad del aire y del agua, y sostener la salud humana y el hábitat. Algunas contradicciones conceptuales acerca del paradigma de la calidad del suelo. Según Sojka y Upchurch (1999) las definiciones de calidad del suelo son contextuales y subjetivas. Estos autores consideran necesaria la unificación de criterios sobre su significado, importancia y medición, como lo hacen Singer y Ewing (2000). Su principal objeción es que ninguna evaluación de la calidad edáfica considera, de manera objetiva y simultánea, los resultados potenciales, positivos o negativos, de todos los indicadores empleados en la evaluación de los elementos de la multifuncionalidad (producción, sostenibilidad y calidad ambiental, etc). A menudo, se reconocen sólo los resultados positivos de ciertos indicadores, tales como el contenido de materia orgánica y la cantidad de lombrices, o sólo los negativos de aspectos como la salinidad o la compactación (Sojka y Upchurch, 1999). Así, la materia orgánica proporciona muchos beneficios al suelo, pero también puede tener impactos negativos ambientales y agrícolas, rara vez considerados en la evaluación de la calidad edáfica. Al incrementarse la materia orgánica se deben aumentar las dosis de aplicación de muchos pesticidas, lo que conlleva obvias repercusiones negativas económicas, ambientales y de salud. Otro ejemplo de efectos negativos, escasamente reconocidos en el contexto de la calidad edáfica, es la cantidad de lombrices. Por una parte, estos invertebrados benefician de manera importante la producción agrícola, pero por otra, incrementan el flujo y movimiento rápido de contaminantes aplicados superficialmente hacia el subsuelo y actúan como vectores de enfermedades vegetales (Sojka y Upchurch, 1999). Indicadores de la calidad del suelo. A pesar de la preocupación creciente acerca de la degradación del suelo, de la disminución en su calidad y de su impacto en el bienestar de la humanidad y el ambiente, aún no hay criterios universales para evaluar los cambios en la calidad del suelo (Arshad y Coen, 1992). Para hacer operativo este 215 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 concepto, es preciso contar con variables que puedan servir para evaluar la condición del suelo. Estas variables se conocen como indicadores, pues representan una condición y conllevan información acerca de los cambios o tendencias de esa condición (Dumanski et al., 1998). Según Adriaanse (1993) los indicadores son instrumentos de análisis que permiten simplificar, cuantificar y comunicar fenómenos complejos. Tales indicadores se aplican en muchos campos del conocimiento (economía, salud, recursos naturales, etc). Los indicadores de calidad del suelo pueden ser propiedades físicas, químicas y biológicas, o procesos que ocurren en él (SQI, 1996). Para Dumanski et al. (1998) dichos indicadores, no podrían ser un grupo seleccionado ad hoc para cada situación particular, sino que deben ser los mismos en todos los casos. Esto con el propósito de facilitar y hacer válidas las comparaciones a nivel nacional e internacional. Tal posición no es compartida por los autores del presente trabajo, quienes sostienen que los indicadores que se empleen deben reflejar las principales restricciones del suelo, en congruencia con la función o las funciones principales que se evalúan, como lo ha sugerido Astier et al. (2002). Hünnemeyer et al. (1997) establecieron que los indicadores deberían permitir: (a) analizar la situación actual e identificar los puntos críticos con respecto al desarrollo sostenible; (b) analizar los posibles impactos antes de una intervención; (c) monitorear el impacto de las intervenciones antrópicas; y (d) ayudar a determinar si el uso del recurso es sostenible. Hay tres elementos implícitos en el concepto sostenibilidad: la dimensión económica, la social y la ecológica (Goodland y Daly, 1996; Hünnemeyer et al., 1997). La sostenibilidad ecológica se refiere a las características fundamentales para la supervivencia que deben mantener los ecosistemas a través del tiempo en cuanto a componentes e interacciones. La sostenibilidad económica implica la producción a una rentabilidad razonable y estable a través del tiempo, lo cual haga atractivo continuar con dicho manejo. Y, la sostenibilidad social aspira a que la forma de manejo permita a la organización social un grado aceptable de satisfacción de sus necesidades. El manejo sostenible puede, por lo tanto, significar distintas cosas según la función principal del recurso o del momento histórico en que se hace una evaluación. El desarrollo agrícola sostenible abarca las tres vertientes. No parece posible optimizar simultáneamente cada uno de los tres componentes de la definición anterior, lo más conveniente es definir ciertos límites aceptables para cada uno de ellos y optimizar primero uno, procurando que la intensidad de los otros dos se ubique en el límite aceptable para ese momento y condición particulares. Condiciones que deben cumplir los indicadores de calidad del suelo .- Para que las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo sean consideradas indicadores 216 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 de calidad deben cubrir las siguientes condiciones (Doran y Parkin, 1994): a) describir los procesos del ecosistema; b) integrar propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo; c) reflejar los atributos de sostenibilidad que se quieren medir; d) ser sensitivas a variaciones de clima y manejo; e) ser accesibles a muchos usuarios y aplicables a condiciones de campo; f) ser reproducibles; g) ser fáciles de entender; h) ser sensitivas a los cambios en el suelo que ocurren como resultado de la degradación antropogénica; i) y, cuando sea posible, ser componentes de una base de datos del suelo ya existente. En virtud de que existen muchas propiedades alternativas para evaluar la calidad del suelo, Larson y Pierce (1991); Doran y Parkin (1994) y Seybold et al. (1997) plantearon un conjunto mínimo de propiedades del suelo para ser usadas como indicadores para evaluar los cambios que ocurren en el suelo con respecto al tiempo. Los indicadores disponibles para evaluar la calidad de suelo pueden variar de localidad a localidad dependiendo del tipo y uso, función y factores de formación del suelo (Arshad y Coen, 1992). La identificación efectiva de indicadores apropiados para evaluar la calidad del suelo depende del objetivo, que debe considerar los múltiples componentes de la función del suelo, en particular, el productivo y el ambiental. La identificación es compleja por la multiplicidad de factores químicos, físicos y biológicos que controlan los procesos biogeoquímicos y su variación en intensidad con respecto al tiempo y espacio (Doran et al., 1996). Indicadores físicos Las características físicas del suelo son una parte necesaria en la evaluación de la calidad de este recurso porque no se pueden mejorar fácilmente (Singer y Ewing, 2000). Las propiedades físicas que pueden ser utilizadas como indicadores de la calidad del suelo son aquellas que reflejan la manera en que este recurso acepta, retiene y transmite agua a las plantas, así como las limitaciones que se pueden encontrar en el crecimiento de las raíces, la emergencia de las plántulas, la infiltración o el movimiento del agua dentro del perfil y que además estén relacionadas con el arreglo de las partículas y los poros. La estructura, densidad aparente, estabilidad de agregados, infiltración, profundidad del suelo superficial, capacidad de almacenamiento del agua y conductividad hidráulica saturada son las características físicas del suelo que se han propuesto como indicadores de su calidad. Indicadores químicos. Los indicadores químicos propuestos (Cuadro 13) se refieren a condiciones de este tipo que afectan las relaciones suelo-planta, la calidad del agua, la capacidad amortiguadora del suelo, la disponibilidad de agua y nutrimentos para las plantas y microorganismos (SQI, 1996). Algunos indicadores son la disponibilidad de nutrimentos, carbono orgánico total, carbono orgánico lábil, pH, conductividad eléctrica, capacidad de adsorción de fosfatos, capacidad de 217 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 intercambio de cationes, cambios en la materia orgánica, nitrógeno total y nitrógeno mineralizable. Indicadores biológicos. Los indicadores biológicos propuestos (Cuadro 13) integran gran cantidad de factores que afectan la calidad del suelo como la abundancia y subproductos de micro y macroorganismos, incluidos bacterias, hongos, nemátodos, lombrices, anélidos y artrópodos. Incluyen funciones como la tasa de respiración, ergosterol y otros subproductos de los hongos, tasas de descomposición de los residuos vegetales, N y C de la biomasa microbiana (SQI, 1996; Karlen et al., 1997). Como la biomasa microbiana es mucho más sensible al cambio que el C total se ha propuesto la relación C :C del suelo para detectar cambios tempranos en microbiano orgánico la dinámica de la materia orgánica (Sparling, 1997). INDICADORES BIOLOGICOS DE CALIDAD DEL SUELO La salud del suelo es definida como la capacidad de éste para funcionar como sistema vivo, dentro de los límites del ecosistema o agrosistema, para sostener la productividad biológica, promover la calidad del aire y el agua y mantener la salud vegetal, animal y humana (figura 55). Figura 55. Presentación esquemática de la definición y funciones de la calidad del suelo. 218 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Cuadro 13. Conjunto de indicadores físicos, químicos y biológicos propuesto para monitorear los cambios que ocurrenen el suelo (Larson y Pierce, 1991; Doran y Parkin, 1994; Seybold et al., 1997). Propiedad Relación con la condición y función del suelo Valores o unidades relevantes ecológicamente; comparaciones para evaluación Físicas Textura Retención y transporte de agua y compuestos químicos; erosión del suelo % de arena, limo y arcilla; pérdida del sitio o posición del paisaje Profundidad del suelo, suelo superficial y raíces Estima la productividad potencial y la erosión cm o m Infiltración y densidad aparente Potencial de lavado; productividad y erosividad minutos/2.5 cm de agua y g/cm Capacidad de retención de agua Relación con la retención de agua, transporte, y erosividad; humedad aprovechable, textura y materia orgánica % (cm /cm ), cm de humedad aprovechable/30 cm; intensidad de precipitación 3 3 3 Químicas Materia orgánica (N y C total) pH Define la fertilidad del suelo; estabilidad; erosión Kg de C o N ha -1 Define la actividad química y biológica comparación entre los límites superiores e inferiores para la actividad vegetal y microbiana Conductividad eléctrica Define la actividad vegetal y microbiana dSm ; comparación entre los límites superiores e inferiores para la actividad vegetal y microbiana P, N, y K extractables Nutrientes disponibles para la planta, pérdida potencial de N; productividad e indicadores de la calidad ambiental Biológicas 219 -1 -1 Kg ha ; niveles suficientes para el desarrollo de los cultivos UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 -1 C y N de la biomasa microbiana Potencial microbiano catalítico y depósito para el C y N, cambios tempranos de los efectos del manejo sobre la materia orgánica Kg de N o C ha relativo al C y N total o CO producidos Respiración, contenido de humedad y temperatura Mide la actividad microbiana; estima la actividad de la biomasa Kg de C ha d relativo a la actividad de la biomasa microbiana; pérdida de C contra entrada al reservorio total de C N potencialmente mineralizable Productividad del suelo y suministro potencial de N Kg de N ha d relativo al contenido de C y N total 2 -1 -1 -1 -1 El incremento de la población humana, la inestabilidad social y el deterioro progresivo de los recursos naturales, se presentan como grandes amenazas de los procesos naturales que gobiernan la corteza terrestre y la vida del planeta. El sector agrícola y la sociedad en general, están cambiando sus modelos productivos mediante estrategias sostenibles que conserven los recursos naturales no renovables como el suelo, incrementando el uso de aquellos que son renovables de acuerdo con los procesos naturales de la tierra. El cambio que se requiere para asegurar la sostenibilidad de la vida, demanda una nueva visión con aproximación holística por parte de quienes manejen los ecosistemas y renovación de normas y fundamentos entre la sociedad y la ciencia. El suelo es un recurso dinámico y vivo cuya condición es vital tanto para la producción de fibras y alimentos, como para el balance global y el funcionamiento de los ecosistemas terrestres (Doran et al., 1996). Así, la calidad del suelo lleva implícita la sostenibilidad, calidad ambiental y como consecuencia la salud vegetal, animal y humana. De acuerdo con esto, la calidad del suelo se puede definir como la capacidad del mismo para funcionar de acuerdo a su potencial y los cambios en el tiempo debidos al uso, manejo y eventos naturales. Así, la salud del suelo puede incrementarse o verse deteriorada de acuerdo con las decisiones de manejo. Existen seis funciones que describen la sostenibilidad y resiliencia del suelo: 220 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Funciones Ecológicas: 1) Producción de biomasa (alimentos, fibra, energía) 2) Filtro, amortiguador y transformador de MO para proteger el ambiente, el agua subterránea y la cadena trófica. 3) El suelo es un hábitat biológico y una reserva genética para plantas, animales y organismos. Funciones relacionadas con actividad antrópica: 4) Es un medio físico, base para establecimiento de industrias e infraestructuras, así como para actividades socioeconómicas (vivienda, desarrollo industrial, sistemas de transporte, recreación, etc). 5) Fuente de materiales (arena, arcilla, agua, minerales.etc). 6) Herencia cultural, contiene tesoros arqueológicos y antropológicos para preservar la historia de la tierra y la humanidad. La calidad del suelo es tomada con frecuencia como una característica abstracta que no puede fácilmente ser definida debido a que depende de factores externos como uso de la tierra y prácticas de manejo, interacciones ecosistema-ambiente, prioridades políticas, socioeconómicas y otras. Sin embargo, para manejar y mantener el suelo en aceptables condiciones para el futuro, la calidad del suelo debe ser definida y la definición debe ser lo suficientemente amplia para involucrar las diferentes funciones del suelo. El suelo como cuerpo natural tiene importancia y valor en sí mismo independientemente del uso o manejo que se le de. Calidad: Es la capacidad del suelo de realizar su función, dentro de los límites de un ecosistema y prácticas de manejo, para sostener la productividad, mantener la calidad ambiental y promover la salud humana, animal y de las plantas (Doran and Parkin, 1994). Salud Del Suelo. La definición de salud del suelo debe incluir: Reflejar el suelo como un sistema vivo. Considerar todas las funciones del suelo en el paisaje. Comparar la condición de un suelo dado frente a su potencial único o exclusivo, bajo unos patrones específicos de clima, paisaje y vegetación. De alguna manera debe permitir la evaluación de tendencias significativas de cambio en las características del suelo. 221 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Por tanto, se puede definir como “La continua capacidad del suelo de realizar su función como un sistema vivo, dentro de unos límites de ecosistema y uso de la tierra, para sostener la productividad biológica, promover la calidad de los ambientes aire y agua y mantener la salud de plantas, animales y hombre”. Indicadores Biológicos Relacionados Con Calidad Y Salud Del Suelo Los bioindicadores son propiedades o procesos biológicos dentro del componente del suelo de un ecosistema que permiten o indican el estado del Ecosistema. (Doran and Parkin, 1994, Turco, 1994). Es necesario realizar evaluaciones retrospectivas durante varios años para poder determinar calidad/salud del suelo. Por ser un sistema extremadamente complejo y diverso es necesario contar con varios indicadores para lograr un acercamiento a su estado real. Medir directamente la calidad o salud del suelo, no es posible. Por lo tanto es necesario tomar componentes o procesos sobre los cuales se realicen las evaluaciones para definir indicadores o validar/aplicar el (los) indicador (es) seleccionado (s). Adicionalmente es conveniente contar con indicadores relacionados con el ambiente y con la productividad del suelo, y con las múltiples dimensiones de función de los suelos, los múltiples factores físicos, químicos y biológicos, y su alta variabilidad en intensidad en el tiempo y en el espacio. (Elliot, 1997). Los indicadores deben permitir identificar el problema y realizar un seguimiento a las prácticas asociadas en la solución del mismo. Los atributos seleccionados como indicadores deben ser sensibles a los cambios que sufre el suelo tanto en los procesos de degradación, como en los procesos de recuperación. Deben presentar una alta correlación con los procesos del ecosistema (esto favorece procesos de modelamiento) Deben integrar (en lo posible) procesos y propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo y servir como entradas básicas para la estimación de propiedades o funciones del suelo que son difíciles de medir directamente. Deben se relativamente fáciles de medir bajo condiciones de campo tanto por productores como por especialistas. Deben ser sensibles a variaciones de manejo y de clima. Preferiblemente los indicadores deben ser sensibles a cambios en el mediano y largo plazo, pero no tan sensibles a cambios puntuales. Si es posible, se deben tener registros del (los) indicador (es) seleccionado (s) en bases de datos existentes. 222 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Procesos Y Propiedades Como Indicadores. Las propiedades son expresadas como una cantidad por unidad de área y puede ser cualquier componente del sistema. Los procesos son expresados como el cambio (cantidad) por unidad de área en un tiempo dado. La cantidad de material dentro de un componente en cualquier tiempo es el resultado neto de la suma de todas las entradas del componente, menos la suma de todos los procesos que generan salidas desde el componente. Las entradas y salidas desde el componente son controladas por el proceso. Como resultado, uno puede medir el proceso como indicador o puede medir la propiedad en sí misma. Cuales son las propiedades de un buen indicador de la calidad y salud del suelo? La presencia o ausencia de algún organismo indica algo, pero qué y cual es su valor? El suelo como un todo y sus partes constituyentes, reflejan la influencia de otras propiedades de los ecosistemas (figura 56). Como los sistemas varían geográficamente, los suelos se afectan directa e indirectamente reflejando cambios en la totalidad del sistema. Los bioindicadores pueden reflejar muchos de estos cambios. Si uno emplea un componente del suelo como indicador a través de un sistema, el indicador puede reflejar las respuestas de cada uno de los componentes a través de todo el ecosistema de interés. Figura 56. Propiedades biológicas y procesos relacionados con la calidad y sostenibilidad del suelo PROPIEDADES BIOLOGICAS Actividad de especies. Diversidad de macro y mesofauna Formación de estructura bioporos Reciclaje de nutrientes y transformación de Materia Actividad de especies. Diversidad de microflora y microfauna orgánica oxidación, reparación microbiana, fijación Biológica de Nitrógeno Reciclaje de nutrientes, transformación de la materia orgánica Calidad/cantidad, contenido de Materia Orgánica. Sanidad Biológica y procesos Ambientales Procesos Biológicos del Suelo Humificación, mineralización descomposición y Bioperturbación, Desviación de flujos por macroporos, lavado Incremento de la Fertilidad del suelo. Patógenos y plagas Calidad Biológica del suelo y condiciones del enraizamiento Transformación y ciclaje De nutrientes, transformación enzimática Formación de complejo organominerales retención de nutrientes Fuente: Lal, 1994. 223 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Componentes genéricos, como contenidos de MO, pueden ser más útiles que componentes más específicos, como composición de una especie. Por el contrario, indicadores más específicos pueden tener un mayor valor si los ecosistemas evaluados son menos variables. Propiedades De Los Indicadores. Al acercarnos al término y su aplicación, un indicador debe cumplir con ciertas características esenciales como: Simple y fácil de medir. Especialmente en condiciones de campo, en donde la logística para utilizar equipos y técnicas sofisticadas puede no ser viable. Aplicable a través de escalas. Las propiedades y procesos para ser medidos deben ser aplicables a través de escalas (temporal, sistémica y espacial). Extrapolable y predecible. Los indicadores deben ser extrapolables para predecir en suelos y ecorregiones similares. Versátil. El indicador seleccionado debe dar una medida de varios atributos y procesos interrelacionados, debe ser importante para un amplio rango de atributos incluyendo propiedades físicas, químicas y biológicas. Fácil de analizar e interpretar. En términos de diagnosticar los procesos degradativos predominantes. Relevante para las condiciones ecológicas. No todos son relevantes para todas las biomas, ecorregiones y órdenes de suelos. Orientado a procesos. Los indicadores elegidos deben ser relevantes para los principales procesos degradativos observados en la microcuenca y/ región.(Lal, 1994). Algunos Indicadores Biológicos De Calidad / Salud Del Suelo Microorganismos Del Suelo: Microflora. La microflora del suelo, incluyendo bacterias, hongos y algas se constituye en indicador fundamental de la calidad de un suelo. Se ha calculado que los microorganismos constituyen cerca de la cuarta parte de la biomasa terrestre, son responsables de la descomposición y transformación de la materia orgánica, incluyendo casi todas las transformaciones del nitrógeno y el carbono. La descomposición de compuestos carbonados como celulosa, hemicelulosa, polisacáridos y lignina provee la energía para organismos heterotróficos responsables de otras transformaciones (fijación simbiótica de nitrógeno, descomposición de aminoácidos y proteínas, mineralización e inmovilización del nitrógeno y transformaciones minerales como P, S, Fe, K, Ca, Mg, Mn, Al, Zn) (figura 57). Figura. 57. Modelo conceptual que muestra algunos factores de la biota del suelo que afectan el suministro de nutrientes a la planta. 224 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Lo enunciado tiene profundas implicaciones en la disponibilidad de nutrientes y por tanto en la calidad del suelo. El componente biológico por tanto es igualmente importante para el funcionamiento de los ecosistemas y se constituye en el componente del suelo que es más susceptible a cualquier cambio o perturbación del mismo (figura 58). Figura 58. Microorganismos del suelo: diversidad, total descritas y cantidad encontrada en el suelo. MICROORGANISMOS DEL SUELO BACTERIAS 1 millón de especies 3100 decritas 9 -1 2-9x10 g ACTINOMICETOS HONGOS 1.5 millón de especies 5% descritos 4 6 -1 10 - 10 g 5 8 -1 10 - 10 g La utilización de los microorganismos del suelo se fundamenta en su alta diversidad molecular y química, la utilización por parte de los mismos de un amplio espectro de fuentes de energía y se encuentran presentes en todos los ecosistemas terrestres. 225 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 INDICADORES Microorganismo o grupo de microorganismos Biomasa microbiana Nivel de enzimas Presencia y regulación de genes. Microorganismo O Grupo De Microorganismos. El tamaño y composición de las poblaciones microbianas se han usado para observar los cambios en la biota edáfica en respuesta al manejo del recurso y por tanto, se constituye un indicador del estatus del suelo. Sin embargo, existe la limitante de que no todos los microorganismos pueden ser cultivados en condiciones de laboratorio. Por otro lado, las propiedades físico-químicas del suelo ejercen gran influencia sobre el crecimiento y sobrevivencia de grupos específicos de microorganismos. La caracterización microbiológica permite el conocimiento de atributos específicos que permiten distinguir un individuo o un grupo de individuos de otros teniendo presente que existe en el suelo alta diversidad microbiana, alta dinámica microbiana (tiempo espacio), los procesos evolutivos de los microorganismos son rápidos, poseen alta capacidad de adaptación a diversas condiciones edafo-climáticas e intervienen en procesos edáficos de importancia como formación, reciclaje, fijación biológica, mineralización e inmovilización de nutrientes y en actividades de bioremediación y mejoramiento de calidad de suelos (físicos-químicos). Hoy se conoce que existe un amplio universo de microorganismos. Mediante las modernas técnicas moleculares se ha evidenciado la existencia de 104-106 especies de microorganismos por gramo de suelo. El 80 - 90 % de los microorganismos del suelo no han sido identificados, solamente 1 - 10% se pueden aislar y cultivar debido a la alta dependencia de sustrato utilizado. Se deben seleccionar grupos o microorganismos específicos frente a diferentes tipos de perturbaciones: Uso de agroquímicos Altamente sensibles: bacterias nitrificantes, bacterias, Fijadoras de nitrógeno, actinomicetos, Degradadores de MO, organismos nitrificantes y organismos fijadores N2. 226 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Medianamente sensibles: algas, bacteria y hongos. Poco sensibles: azotobacter, amonificadores y degradadores de proteínas. Cambios en el pH: Azotobacter: sensible a pH ácido. Funciones microbiológica. -Transformadores de C. El mayor atributo de los microorganismos del suelo es la descomposición de la materia orgánica. La mayor parte de los organismos del suelo son heterotróficos. Los procesos que involucran la mineralización de carbono orgánico y nutriente, presentan gran impacto sobre las funciones de las comunidades microbianas. En el suelo existe una amplia variedad de organismos responsables de la descomposición del carbono orgánico, entre los que se encuentran el 90% de los hongos y numerosas bacterias que utilizan celulosa para suplir sus necesidades. -Transformadores de N. El nitrógeno es quiza el más importante de los nutrientes de los sistemas vivos, por tanto el efecto de la degradación del suelo sobre el ciclo del N (amonificación, nitrificación, desnitrificación y fijación biológica) ha sido sugerido como una medida importante de la calidad del suelo. Amonificación. Es la primera etapa de la mineralización del nitrógeno a partir de compuestos orgánicos. Es desarrollada por una amplia variedad de microorganismos del suelo incluyendo bacterias, hongos y actinomicetos. Nitrificación: Es el paso de amonio a nitritos y nitratos. Es llevada a acabo por pocas bacterias (9 géneros), incluyendo nitrosomonas (encargadas de la oxidación del amonio) y nitrobacter (responable de laoxidación de nitritos). Debido al pequeño número de organismos involucrados, la nitrificación es muy sensible a disturbios ambientales como la aplicación de agroquímicos, por tanto se convierte en una medida importante de la calidad del suelo. Fijación de nitrógeno: Existen dos formas de fijación del N en el suelo: simbiótica y Asimbiótica. La primera con pocos géneros sensibles a la aplicación de agroquímicos, presencia de metales pesados y a cambios en el pH se constituye en medida de la calidad del suelo, mientras que la segunda, con mayor número de géneros es menos sensible a perturbaciones ambientales, sin embargo es recomendado como indicador en suelos contaminados con metales pesados debido a inconsistencias en la actividad de fijación de N bajo diferentes condiciones. 227 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Desnitrificación: La reducción de nitritos y nitratos a nitrógeno gaseoso es realizada por 23 géneros de bacterias con moderada sensibilidad a perturbaciones en el suelo. El proceso se limita con la disponibilidad de carbono en el suelo, las poblaciones desnitrificantes se limitan a pH menor a 5.5, la concentración de oxigeno es un factor determinante debido a que el proceso es anaeróbico, pero la presencia de oxigeno se requiere para la formación de NO2 y NO3, necesitados para la desnitrificación, por tanto se requiere de micrositios aeróbicos y anaeróbicos en el suelo para que se sucedan los dos fenómenos. Micorrización y Absorción de nutrientes: Las micorrizas cumplen rol fundamental en el transporte de nutrientes hacia la planta, especialmente del fósforo. Depende de las características del suelo (suelos con alto contenido de P, disminuye la simbiosis con hongos micorrizógenos) y prácticas de manejo. Determinación: La determinación de los individuos o poblaciones de éstos se puede realizar por métodos convencionales mediante técnicas y medios de cultivo con lo que se puede establecer: Morfología, fisiología, y Metabolismo microbiano. Pare ello existen técnicas como los marcadores isotópicos, cromatografía de gases, espectrometría de masas, evolución de CO2, recuento en caja de petri y pruebas serológicas. Igualmente existen métodos no convencionales que permiten determinar poblaciones, actividad, género y especie entre los que se encuentran: 1- Extracción de DNA total organismos del suelo. Detección de secuencias específicas y genes particulares 2- Uso de PCR para amplificación de rRNA (ssu), secuenciación y evaluación de relaciones filogenéticas 3- Uso de genes de región 16s del rRNA, clonación y uso de sondas específicas para cada especie. Biomasa Y Actividad Microbiana. Una amplia gama de microorganismos residen en forma natural en el suelo y desarrollan múltiples funciones esenciales para mantener la calidad y salud del recurso. Los microorganismos del suelo descomponen materia orgánica, liberan nutrientes en formas disponibles para las plantas y degradan residuos tóxicos. También forman asociaciones simbióticas con raíces, actúan como antagonistas de patógenos, influencian la meteorización y solubilización de minerales y contribuyen en la estructuración y agregación del suelo. Por esto, se convierte en un indicador sensible de los cambios que se suceden en el suelo. 228 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 La biomasa microbiana se define como el componente vivo de la Materia Orgánica del suelo (excluyendo meso y macro fauna y raíces). Los métodos típicos de determinación son: fumigación –incubación y fumigación – extracción o por respiración inducida del sustrato (Sparling and Ross,1993). La respiración microbiana es un parámetro que sirve para monitorear la descomposición, por tanto depende de la disponibilidad de sustrato, humedad y temperatura. Los microorganismos responden rápidamente a cambios ambientales, y en pocas horas se observa un cambio en respiración y mineralización del C y N de la MO, aunque hayan permanecido inactivos. Las altas variaciones en las tasas espiratorias dificultan su uso como indicador. Para tener comparaciones válidas es necesario llevar experimentos bajo condiciones controladas sin limitaciones de humedad y temperatura. El cociente microbiano es la proporción del C orgánico total representado por C microbiano (carbono microbiano/carbono total), indica cambios en los procesos y salud del suelo y es sensible que cambios en carbono microbiano o carbono total considerados en forma individual. Es útil para determinar tendencias en el tiempo y comparar suelos. El Cociente respiratorio (qCO2). También denominada tasa específica de respiración se expresa como g CO2-C.h-1mg C de biomasa microbiana. Utilizado para determinar el desarrollo de un suelo, la calidad del substrato, la calidad del ecosistema y respuestas a diferentes tipos de estrés (contaminación por metales pesados, aplicación de agroquímicos Índices de materia orgánica y biomasa microbiana. Son especialmente útiles para realizar comparaciones con suelos no alterados., en los cuales con bajos niveles de nutrientes se encuentra una alta Biomasa Bacterial, y los nutrientes están inmovilizados en la biomasa viva. En términos generales, la cantidad total de biomasa microbiana en un suelo es el reflejo de sus contenidos de MO. Entre el 1-5% del C y el 1-6% del N orgánico corresponden a biomasa microbiana. La biomasa puede ser modificada por textura, mineralogía, clima y uso del suelo y se reduce con la profundidad del suelo. Es conveniente tener un patrón de comparación para Diferentes suelos, climas y patrones tecnológicos. No existe un valor ideal de biomasa microbiana la biomasa microbiana es un indicador sensible de cambios en los procesos del suelo ya que su respuesta es mas rápida que los cambios en MO total y puede predecir tendencias de cambio en la MO del suelo. Existe una fuerte interacción entre Biomasa microbiana y fertilidad de suelos, especialmente con relación a contenidos potenciales de N disponible. Con P no se ha 229 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 observado correlación. La presencia de metales pesados reduce significativamente la Biomasa Total. La presencia de plaguicidas, especialmente insecticidas y fungicidas afecta los contenidos de biomasa microbiana. Los herbicidas no tienen efecto sobre este parámetro. Actividad Enzimática. Las enzimas del suelo (intracelulares o extracelulares) son mediadores o catalizadores de diferentes procesos en el suelo, tales como: 1. Descomposición de residuos orgánicos, 2. Transformación de MO del suelo, 3. Liberación de nutrientes inorgánicos para crecimiento de plantas, 4. Fijación de nitrógeno, 5. Detoxificación de xenobióticos 6. Nitrificación, y 7. Denitrificación. Los enzimas del suelo son integradores potenciales del estado biológico del suelo o de la capacidad del mismo para desarrollar algún proceso que requiera la mediación enzimática. Se mide la actividad de la enzima ya que la extracción y cuantificación de enzimas del suelo es compleja, costosa y su evaluación debe hacerse bajo condiciones controladas. Es difícil separar actividad de enzimas intracelulares de extracelulares. La actividad de las enzimas puede relacionarse con: 1. Productividad de plantas 2. Biomasa microbiana 3. Potencial biogeoquímico de ciclaje de nutrientes 4. Impactos de contaminación 5. Estado de recuperación de suelos y prácticas culturales. Se considera un indicador de interés dado que permite Hacer una evaluación integral de la calidad/salud del suelo. Microfauna Del Suelo. La biota del suelo regula la mayoría de los procesos que determinan el crecimiento vegetal en los ecosistemas terrestres y un sistema ecológicamente sano, es esencial para mantener la productividad sin deteriorar el ambiente (Gupta and Yeates, 1997). La microfauna esta constituida por Protozoarios, nematodos, pequeños colémbola, ácaros y otros que forman un perfecto enlace entre los descomponedores primarios de MO (microflora) y macrofauna en la cadena alimenticia del suelo. Son los primeros agentes que liberan nutrientes inmovilizados por la microflora. Los microorganismos se encuentran involucrados en diversos procesos ecosistémicos que incluyen:1. Descomposición y ciclaje de Materia orgánica, 2. Mineralización de 230 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 nutrientes, 3. Regulación de densidad de poblaciones de microflora (incluye patógenos) y 4. Descomposición de agroquímicos. Parámetros que se deben evaluar: 1. Población total (por gamo o m 2), 2. Grupos taxonómicos (descripción taxonómica), 3.Grupos ecológicos funcionales (Diversidad trófica, proporción fungívoros/bacterívoros, proporción Bacterívoros/parásitos de plantas, Relación entre organismos que sobreviven en suelos ácidos/neutros). 4.Índices de diversidad (Número, abundancia y uniformidad de especies, Diversidad, Índice de Madurez: persistencia/colonización, IM no parásitos, IM parásitos de plantas). Se ha demostrado que los nemátodos y protozoarios responden a cambios en las condiciones del suelo. Como grupos individuales, parece que presentan los requisitos para ser considerados indicadores biológicos de la calidad del suelo como: a) cumplen rol importante en el funcionamiento del sistema suelo, b) se encuentran en grandes números y ampliamente distribuidos, c) Existen técnicas fáciles para su conteo y d) son extremadamente sensibles a cambios en las practicas de manejo). La dinámica poblacional depende de la temperatura (°C), humedad y cultivo. Están localizados entre 0- 5 cm de profundidad. Las prácticas culturales afectan tamaño, actividad y estructura de la población debido a: disponibilidad de alimento, cambio en poblaciones macro -mesofauna y microflora, -cambio en propiedades físicas del suelo y cambio en residuos y contenidos de MO. Los protozoarios presentan un alto potencial de para detectar el impacto de Metales pesados gracias a que presentan membranas externas sensibles, son fáciles de enumerar y observar en cultivo puro, su corto tiempo de generación y alta respuesta a la perturbación. Estructura De La Comunidad De Artrópodos Del Suelo. Muchos artrópodos del suelo (Collémbola, Oribátida, Isópodo, Diplópoda) presentan vida sedentaria lo que refleja las condiciones del hábitat y las relaciones entre los factores edáficos y la comunidad de microartrópodos (Figura 59). Figura 59. Bioindicadores según influencias ambientales. 231 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Estabilidad de la comunidad: La composición de la comunidad debe ser específica para un sitio y estable en el tiempo, siempre y cuando las características del Ambiente no cambien. Las poblaciones son estables entre años, pero con alta variedad estacional para especies específicas. Valor de especies en la comunidad. La composición de especies en una comunidad pude expresarse mediante índices de diversidad (especie específica). La abundancia de una especie puede medir cambios en el suelo. Evaluación de grupos de especies. Permite un análisis Integral de más de un factor de cambio en el suelo. Evaluación de comunidades de microartrópodos como bioindicadores. No siempre es deseable la especificidad de un bioindicador. El suelo esta sujeto a cambios y por lo tanto es mejor la utilización de indicadores no específicos los cuales son efecto de múltiples factores e indican de forma general el estado y/o la calidad del suelo (figura 60). Figura 60. Comunidad Microartropodos. 232 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Especificidad a un factor (+) y a múltiples Factores (-) y su habilidad para detectar cambios pequeños (resolución -) o grandes cambios (resolución +). Actividad De Macrofauna. Comprende organismos con tamaño mayor a 2mm como hormigas, termitas, cienpies, milpies, adultos y larvas de insectos, lombrices y otros. Fragmentan y redistribuyen residuos orgánicos, incrementan actividad microbial, favorecen la descomposición de MO y la disponibilidad de nutrientes en la rizósfera y mejoran la estructura del suelo (Doube and Scmidt, 1998). La macrofauna del suelo está en el tope de la cadena alimenticia del suelo. Su dieta consiste en descomponedores primarios (bacterias, hongos y actinomicetos) y secundarios (protozoarios) y su abundancia refleja la interacción de varios procesos del suelo. Aunque ocupan una porción pequeña del suelo (< 0.5%) están asociados y localizados en áreas donde hay residuos orgánicos. A pesar de la diversidad en macrofauna, muchos de los organismos no son representativos de agroecosistemas o se consideran plagas (por lo que se ha reducido su población). Indicador macrofauna: lombrices. La población de lombrices y su actividad es un buen indicador de la salud/calidad del suelo, con efectos sobre la estructura, fertilidad, ciclaje de nutrientes y la penetración de raíces. No existe una clara correlación entre número de lombrices y productividad agrícola ya que existen limitantes como clima, sustrato, composición del suelo y Manejo del suelo. Su distribución espacial es amplia a nivel geográfico, aunque se ha reducido por intervención del hombre en ecosistemas existiendo lombrices colonizadoras (peregrinas); por otro lado se presenta diversidad de tamaños, su localización en el perfil de suelo se encuentra directamente relacionada con su comportamiento alimenticio, el potencial de reproducción y diferentes estrategias adaptativas y de supervivencia. Entre los parámetros que se pueden evaluar se encuentran: Abundancia: Número de individuos, biomasa (individual o poblaciónal) Composición de la comunidad: Edad y especies Actividad. Ventajas del Indicador: Tiempos de generación relativamente largos y estables. Se necesitan de 1-2 muestreos/año. Fáciles de identificar, contar y clasificar. Taxonomía relativamente simple. Baja diversidad de especies por localidad (<10), con 1-3 especies dominantes. 233 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Biomasa total (reduce dificultades de conteo, tamaño y taxonomía) es estable y mide impacto de lombrices. Determinantes de abundancia: Contenidos de materia orgánica, Textura, Profundidad, pH, Precipitación, Temperatura, Cultivo/ residuos, Sistemas de Labranza, Predación y Parasitismo. Las poblaciones de lombrices responden positivamente a las prácticas de conservación de suelos y las respuestas son más rápidas e intensas a las condiciones ambientales que los cultivos. La biología de suelos ofrece una serie de posibles indicadores de calidad que permiten tener una visión integral de los procesos que ocurren en este complejo sistema. Sin embargo, el establecimiento de estos indicadores se dificulta por diversos motivos, entre los cuales se encuentran: No existen para todos los suelos patrones biológicos (línea base) de comparación entre suelos, No existen “niveles críticos” biológicos, que permitan definir (sin un patrón) los procesos de degradación –recuperación, No es claro por tanto definir limitantes biológicas de calidad de los suelos, No existe en la mayoría de los casos una relación entre poblaciones y la respuesta de procesos con productividad de suelos, Existen problemas asociados con muestreo, medidas y patrones de variabilidad espacial y temporal de organismos, propiedades y procesos, las Metodologías son complejas y requieren experiencia técnica para obtener información confiable, por otro lado existen Altos niveles de heterogeneidad espacial y temporal que afectan las mediciones en la mayoría de los sistemas y Falta validar indicadores biológicos bajo diversas condiciones. El sistema suelo y su componente biológico son extremadamente complejos, por lo cual no es fácil entender procesos a partir de indicadores individuales. Generalmente se requiere trabajar con varios indicadores. Por lo anterior se requiere incrementar la investigación sobre conocimiento básico de los organismos del suelo y procesos en que intervienen, su relación con cambios químicos, físicos y biológicos del mismo, así como su efecto en calidad, sostenibilidad y productividad en sistemas de producción. Estandarizar y validar metodologías que permitan en el corto, mediano y largo plazo evaluar aspectos biológicos del suelo. Evaluar, seleccionar e identificar posibles indicadores biológicos relacionados con calidad, sostenibilidad y productividad de suelos del trópico. Validar a nivel de diferentes agroecosistemas los indicadores seleccionados, considerando la alta variabilidad espacio – temporal de los posibles indicadores y Profundizar el conocimiento sobre análisis e interpretación de indicadores biológicos en diferentes ambientes y por diferentes actores. 234 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Lección. 45. Microorganismos Y Metales Pesados: Una Interacción En Beneficio Del Medio Ambiente. Tomado de Dra. Diana L. Vullo* La acumulación de desechos, sobre todo en áreas urbanas, genera la dispersión de gran diversidad de compuestos en suelos, aguas superficiales y aire, con la consecuente filtración de los mismos hacia las aguas subterráneas: los acuíferos que constituyen la reserva de agua potable. ¿Cómo solucionamos el problema generado por la dispersión de contaminantes en el medio ambiente? La respuesta es lo que llamamos remediación. Para definir este término podemos decir que es el uso intencional de procesos de degradación químicos o biológicos para eliminar sustancias contaminantes ambientales que han sido vertidos con conocimiento o accidentalmente en el medio ambiente. Los procesos de remediación pueden efectuarse in situ, o sea en el mismo lugar donde ha ocurrido el derrame, o bien ex situ, separando la porción contaminada y trasladándola a un reactor. Tal es el caso de efluentes industriales o domiciliarios que se tratan previamente al vertido al medio ambiente. Cuando escuchamos la radio, usamos una linterna, arrancamos el motor de nuestro automóvil, nunca pensamos que todos estos elementos contienen metales pesados. ¿Somos conscientes del destino que corren cuando se descarten? ¿Sabemos qué ocurre cuando tiramos apenas una pila a la basura? ¿Cuál es el destino de los metales pesados durante la fabricación de pilas y baterías y en otros procesos industriales? Las actividades industriales generan una contaminación a gran escala con metales pesados (Cu, Zn, Pb, Cd, Cr, Ni, Hg, Co, Ag, Au) y radionuclidos (U, Th) en el medio ambiente. En el caso particular de los suelos, suelen afectar la fertilidad y/o el uso posterior de los mismos, mientras que en el caso de los acuíferos y aguas superficiales, pueden comprometer seriamente el uso de este recurso como fuente de agua para el consumo humano. La remediación de estos ambientes contaminados mediante la utilización de métodos químicos involucra procesos de costos excesivamente altos debido a la especificidad requerida. Además, este tipo de solución no es aplicable en procesos de remediación in situ, ya que es imposible tratar un metal determinado debido a la competencia existente por la presencia de otros. La aplicación de métodos de remediación efectivos depende del 235 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 conocimiento de los factores hidrológicos y geológicos del sitio, la solubilidad y especiación de los metales pesados, los procesos de atenuación e inmovilización y la medida en que los metales puedan dispersarse tanto horizontal como verticalmente a medida que migran por el suelo. Por otra parte, la utilización de métodos biológicos para remediar un ambiente contaminado (biorremediación) ofrece una alta especificidad en la remoción del metal de interés con flexibilidad operacional, tanto en sistemas in situ como ex situ. Impacto Ambiental. El impacto ambiental de los contaminantes metálicos en suelos y sedimentos es estrictamente dependiente de la capacidad de complejamiento de éstos con componentes del medio ambiente y su respuesta a las condiciones fisicoquímicas y biológicas de su entorno. Los metales son especies químicas no degradables. Por tal motivo, una vez volcados al medio ambiente, sólo pueden distribuirse entre los entornos aire - agua - suelo, a veces cambiando su estado de oxidación, o incorporarse a los seres vivos. Los procesos de adsorción y la formación de complejos en medios naturales son responsables de que la mayor parte de los vestigios de metales pesados se acumulen en los sólidos en suspensión, incorporándose rápidamente a los sedimentos, donde se presentan los mayores niveles de concentración de estos contaminantes. Como resultado de estas interacciones, los sedimentos juegan un papel muy importante en la regulación de la calidad del agua. Por su parte, las aguas intersticiales, en contacto directo con los sedimentos, actúan como fuente o sumidero de estos contaminantes y en ellas se observan concentraciones intermedias entre las aguas superficiales y los sedimentos. Biodisponibilidad. La toxicidad de los metales pesados es muy alta. Su acción directa sobre los seres vivos ocurre a través del bloqueo de las actividades biológicas, es decir, la inactivación enzimática por la formación de enlaces entre el metal y los grupos -SH (sulfhidrilos) de las proteínas, causando daños irreversibles en los diferentes organismos. Para que los metales pesados puedan ejercer su toxicidad sobre un ser vivo, éstos deben encontrarse disponibles para ser captados por éste, es decir que el metal debe estar biodisponible. El concepto de biodisponibilidad se encuentra íntimamente relacionado con las condiciones físicoquímicas del ambiente, que determinan la especiación y por lo tanto la concentración de metal libre y lábil. Por ello es fundamental al determinar el grado de contaminación por metales pesados de un ambiente, conocer su biodisponibilidad, es decir, la concentración de metal libre y lábil presente en la muestra. 236 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Los métodos electroquímicos permiten determinar la especiación de un metal y analizar la disponibilidad del mismo en diferentes ambientes. En particular la aplicación de las técnicas de Voltamperometría de Preconcentración que permiten evaluar la existencia de complejos entre el metal y ligandos presentes en el medio ambiente natural y la labilidad de los mismos. Por medio de las curvas de intensidad de corriente registrada en una muestra en función del potencial aplicado a la misma, se evidencia la presencia de metales a través de la aparición de picos, cuyas áreas y alturas son proporcionales a las concentraciones de los mismos en estado libre en esas condiciones de lectura. Las Figuras 61A., 61B y 61C muestran una serie de voltamperogramas realizados en nuestro laboratorio de Electroquímica, para muestras naturales de aguas subterráneas intersticiales y superficiales, con y sin tratamiento de destrucción fotoquímica de materia orgánica de manera de eliminar todo ligando presente, en las cuales se evaluó la presencia de Cu, Cd, Pb y Zn. Figura 61. Voltamperogramas, para muestras naturales de aguas subterráneas intersticiales y superficiales, con y sin tratamiento de destrucción fotoquímica de materia orgánica. 237 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Se ve claramente como cambia el perfil de las muestras antes y después de la destrucción de ligandos de origen orgánico, como consecuencia de la liberación de metales de sus complejos estables. Es decir que en toda muestra natural la concentración de metal total se halla alejada de la disponible y ese alejamiento se debe al complejamiento existente con los componentes naturales de la muestra. 238 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Transformaciones Mediadas Por Microorganismos. Todas las interacciones entre los microorganismos y los metales u otros elementos como carbono, nitrógeno, azufre y fósforo son componentes fundamentales de los ciclos biogeoquímicos. Las interacciones metal-microbiota son estudiadas entonces en profundidad en el contexto de la biotecnología ambiental, con el objeto de implementar métodos de remoción, recuperación o detoxificación de metales pesados y radionúclidos. Dependiendo del estado de oxidación que se presente un metal y la especie que esté conformando, un microorganismo puede realizar dos transformaciones posibles. Una correspondería a la movilización del metal, es decir el pasaje de un estado insoluble inicial (metales asociados a suelos, sulfuros u óxidos metálicos, por ejemplo) correspondiente a una fase sólida, a un estado soluble final, en fase acuosa. Este proceso se conoce con el nombre de lixiviación microbiana. El otro corresponde a la inmovilización del metal, es decir el pasaje de un estado soluble inicial en fase acuosa a uno insoluble final en fase sólida. A su vez existen en la naturaleza diferentes mecanismos por los cuales la inmovilización del metal puede llegar a ocurrir. Veamos entonces un poco más en detalle estas interacciones metales pesadosmicroorganismos. Movilización De Los Metales Pesados. Biolixiviación Este mecanismo de solubilización es utilizado en la industria minera. Por intermedio de la acción microbiana, los metales presentes en los minerales resultan extraídos en fase acuosa (figura 62). Tal es el caso de la obtención de Cu por la oxidación de las menas de Cu2S (calcocita) a CuSO4 por intermedio de la acción de las bacterias Thiobacillus ferroxidans y Thiobacillus thiooxidans. Figura 62. Biolixiviación. 239 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 Desde el punto de vista de la biorremediación, el biolixiviado puede utilizarse dentro de la perspectiva de la hidrometalurgia, recuperando metales a partir de materiales sólidos contaminados como suelos, cenizas resultantes de quema de desechos, sedimentos acuáticos, etc. Este proceso se ha aplicado con éxito utilizando bacterias oxidadoras del hierro o sulfuros, como Thiobacillus ferroxidans o Thiobacillus thiooxidans, respectivamente, en la recuperación de Cu, Ni, Zn y Cd, tanto en condiciones aerobias como anaerobias, ya que estos microorganismos pueden utilizar el catión Fe 3+ como último aceptor de electrones en lugar del O2. Las bacterias del género Thiobacillus son microorganismos acidófilos, es decir, requieren un pH = 2,5 para crecer en condiciones óptimas, lo cual resulta adecuado para mantener a los metales en solución, sobre todo al Fe3+. Con valores de pH mayores a 5,5, estos microorganismos no se desarrollan, por lo tanto la lixiviación no sería efectiva. Pero como era de esperar, existen otros microorganismos en la naturaleza capaces de lograr una solubilización efectiva de metales tales como Mn, Fe, Zn, Cd y Pb a pH mayores a través un mecanismo diferente. Se ha comprobado que este mecanismo ocurre a través de la liberación de compuestos orgánicos capaces de complejar y así solubilizar metales, tales como ácidos carboxílicos o los compuestos llamados sideróforos. Algunos hongos como Trichoderma harzianum pueden solubilizar MnO2, Fe2O3 y Zn metálico mediante la liberación de agentes quelantes. Ralstonia eutropha (Alcaligenes eutrophus) es una bacteria capaz de acumular metales pesados, previa solubilización de los mismos mediante la liberación de sideróforos. Los sideróforos son péptidos con capacidad complejante que son liberados al medio con el objeto de captar Fe, que es utilizado como oligoelemento dentro del metabolismo celular. La biosíntesis de sideróforos, si bien se induce en ausencia de Fe en el medio, también ocurre en presencia de otros metales, con el fin de detoxificar el entorno celular. Otro caso interesante resulta la utilización de una combinación de la solubilización microbiana del Pb de la piromorfita, Pb5(PO4)3Cl, mediada por el hongo Aspergillus niger con la acumulación del metal disuelto por parte de plantas que crecen en suelos contaminados con dicho mineral. Este último fenómeno es conocido por fitorremediación, donde la retención del metal es mediada por la acumulación en vegetales. Inmovilización De Metales Pesados. Dentro de la amplia diversidad microbiana, existen microorganismos resistentes y microorganismos tolerantes a metales. Los resistentes se caracterizan por poseer mecanismos de detoxificación codificados genéticamente, inducidos por la presencia del metal. En cambio, los tolerantes son 240 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 indiferentes a la presencia o ausencia de metal. Tanto los microorganismos resistentes como tolerantes son de particular interés como captores de metales en sitios contaminados, debido a que ambos pueden extraer los contaminantes. La resistencia o tolerancia experimentada por microorganismos es posible gracias a la acción de diferentes mecanismos. Estos fenómenos son: biosorción, bioacumulación, biomineralización, biotransformación y quimiosorción mediada por microorganismos. Biosorción. La biosorción es un fenómeno ampliamente estudiado en la biorremediación de diversos metales pesados como el cadmio, cromo, plomo, níquel, zinc y cobre. Los microorganismos utilizados como biosorbentes, aislados a partir de ecosistemas contaminados, retienen los metales pesados a intervalos de tiempo relativamente cortos al entrar en contacto con soluciones de dichos metales. Esto minimiza los costos en un proceso de remediación, ya que no requiere el agregado de nutrientes al sistema, al no requerir un metabolismo microbiano activo. La biomasa capaz de participar en estos procesos es fácilmente extraíble de sistemas acuosos como cursos de aguas o efluentes de diversos orígenes, por lo que el proceso global de biorremediación sería rentable. Es por ello que la búsqueda de este tipo de microorganismos se encuentra en crecimiento constante, junto con el estudio de sistemas biosorbentes como por ejemplo la utilización de consorcios microbianos, o sistemas mixtos formados por microorganismos y macromoléculas (polímeros) sorbentes, que incrementarían los rendimientos en la captación de mezclas de metales pesados. Los fenómenos de biosorción se caracterizan por la retención del metal mediante una interacción físicoquímica del metal con ligandos pertenecientes a la superficie celular. Esta interacción se produce con grupos funcionales expuestos hacia el exterior celular pertenecientes a partes de moléculas componentes de las paredes celulares, como por ejemplo carboxilo, amino, hidroxilo, fosfato y sulfhidrilo. Es un mecanismo de cinética rápida que no presenta una alta dependencia con la temperatura y en muchos casos puede estudiarse en detalle mediante la construcción de los modelos de isotermas de Langmuir y Freundlich. Bioacumulación. Este mecanismo celular involucra un sistema de transporte de membrana que internaliza al metal pesado presente en el entorno celular con gasto de energía. Este consumo energético se genera a través del sistema H+-ATPasa. Una vez incorporado el metal pesado al citoplasma, éste es secuestrado por la presencia de proteínas ricas en grupos sulfhidrilos llamadas metalotioneínas o también puede ser compartimentalizado dentro de una vacuola, como ocurre en hongos. Algunos ejemplos de este proceso son muy interesantes, como el caso de acumulación de 241 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 uranio por la bacteria Pseudomonas aeruginosa, el cual fue detectado íntegramente en el citoplasma, al igual que en la levadura Saccaromyces cerevisiae. Biomineralización. Los microorganismos son capaces de precipitar metales y radionuclidos como carbonatos e hidróxidos, mediante un mecanismo de resistencia codificado en plásmidos. Este mecanismo aparece por el funcionamiento de una bomba que expulsa el metal tóxico presente en el citoplasma hacia el exterior celular en contracorriente a un flujo de H+ hacia el interior celular. Esto produce una alcalinización localizada sobre la superficie celular externa y por lo tanto la precipitación del metal pesado. Otra forma de precipitar los metales es a través de la formación de sulfuros o fosfatos, como resultado de alguna actividad enzimática celular. Un ejemplo de ello es la precipitación de sulfuros metálicos en reactores con cultivos mixtos de bacterias reductoras de sulfato o la acumulación de CdS en la pared celular de las bacterias Klebsiella planticola y Pseudomonas aeruginosa. Biotransformación. Este es un proceso que involucra un cambio químico sobre el metal pesado, como por ejemplo en el estado de oxidación o metilación. Esta transformación biológica de los metales pesados que resultan tóxicos mediada por enzimas microbianas puede dar como resultado compuestos poco solubles en agua o bien compuestos volátiles. El ejemplo más claro es el ciclo del Hg en la naturaleza, donde la bacteria Pseudomonas aeruginosa puede reducir el catión Hg2+ a Hg0, y otros organismos pueden luego metilarlo dando como producto el CH 3Hg+ y (CH3)2Hg, que son volátiles y aún más tóxicos que el propio Hg. Las reducciones de V(V) a V(III), Au(III) a Au(0) y Cr(VI) a Cr(III), conducen a la precipitación del metal bajo condiciones fisiológicas. Entre estos últimos el Cr es el metal más ampliamente utilizado en la industria de aceros, automóviles, equipamiento de hospitales y curtiembres, entre otras. El Cr(VI) es un contaminante de prioridad 1 catalogado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA: www.epa.gov), ya que es estable en solución acuosa y por lo tanto de alta movilidad en diferentes ambientes, con un alto potencial mutagénico y carcinogénico. El pasaje a Cr(III) produce la inmovilización por precipitación de hidróxidos y la disminución en la mutagenicidad. La utilización de microorganismos resitentes a Cr con capacidad de bioconversión Cr(VI) en Cr(III) es de fundamental importancia en el tratamiento biológico de efluentes industriales. Quimiosorción mediada por microorganismos. Dentro de este término se pueden describir aquella clase de reacciones en donde los microorganismos biomineralizan un 242 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 metal, formando un depósito primario. Este depósito primario funciona como núcleo de cristalización, con la subsecuente deposición del metal de interés, promoviendo y acelerando así el mecanismo de mineralización. Un ejemplo de este proceso es el agregado de Fe en un efluente a tratar, en presencia de bacterias reductoras del sulfato. Estos microorganismos producen sulfuros que precipitan en forma de FeS, sobre la superficie celular. Los otros metales contaminantes utilizan el FeS formado como soporte y cristalizan sobre sus cristales. Luego, aprovechando las propiedades magnéticas del Fe, pueden separarse fácilmente de la fase soluble, decontaminando así el material. Cualquiera de los mecanismos microbianos descriptos remueve los metales pesados de efluentes contaminados. Los microorganismos autóctonos que sobreviven en sitios contaminados han desarrollado mecanismos de resistencia y/o tolerancia que nos son útiles a la hora de la implementación de procesos de biorremediación. Pseudomonas fluorescens 200H, aislada en nuestro laboratorio a partir de aguas superficiales contaminadas del arroyo Las Catonas (Partido de Moreno, Buenos Aires) logra la separación de la fase acuosa del 65% de Cd y 32% de Zn presentes en el medio de cultivo Si bien la mayor parte de Cd y Zn aparece retenida en las fracciones correspondientes a pared celular, experimentos posteriores nos revelaron que el porcentaje de metal biosorbido es muy bajo, alrededor del 7%. Evidentemente existe la posibilidad de que ocurra una biomineralización del metal, la cual requiere un metabolismo celular activo, que tendremos que estudiar más a fondo. Éste es sólo un ejemplo. A diario realizamos nuevos aislamientos, con el objeto de reunir la mayor cantidad de microorganismos que en cultivos puros o mixtos logren una separación eficiente de los metales de nuestro estudio, Cu, Pb, Cd y Zn y con ellos diseñar sistemas de biorremediación ex situ de efluentes líquidos. En conclusión, el rol de los microorganismos es fundamental en los ciclos biogeoquímicos de los metales y su utilización en los procesos de biorremediación de desechos sólidos y líquidos es esencial para el cuidado del medio ambiente. 243 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Ambiente. Contenido didáctico del curso de Microbiología del Suelo. Sonia Aguirre –Nelson Piraneque Actualizado segundo semestre 2013 BIBLIOGRAFIA Unidad 3. AGRIOS, G.N. 1997. Plant Pathology. Fourth edition.Academic Press. San Diego California Estados Unidos. Chapter seven. P. 143-152 AGUIRRE, S. 2006. 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