Soils in our environment Traducción por M.Sc. Rosendo del Rio Murillo Introducción • Suelo parece ser una mezcla de material inerte y minerales →pero en realidad en este abundan microorganismos y raíces de plantas. • 2 de los procesos mas importantes de la naturaleza son la descomposición y la fotosíntesis. • Los residuos presentes después de las fases iniciales de la descomposición son llamadas humus o materia orgánica del suelo Clasificación general de organismos en el suelo • Animalia, plantae, fungi, protista and monera Animalia: roedores, gusanos e insectos • Animales que escarban, airean pero destruyen y se comen los cultivos • Lombrices de tierra: importantes, se alimentan de residuos de plantas y animales, airean el suelo, algunas especies se entierran hasta 6 metros • Artrópodos: se alimentan de vegetación muerta • Nematodos: minilombrices Plantae: plantas y algas • Las raíces pueden representar del 30-50% del total de la planta (masa) • Las raíces secretan sustancias, como aminoácidos, azucares, ácidos orgánicos, proteínas, sustancias atrayentes y repelentes de microbios, sustancias inhibidoras y fomentadoras de crecimiento • El área en el suelo cerca de las raíces es llamada la rizosfera, y sus propiedades químicas pueden variar del resto del suelo. Fungi: mohos, hongos, setas, levaduras y roya • Organismos que no tienen la habilidad de usar la energía del sol, viven de tejido o muerto de animales y plantas. • Una de los principales indicadores de que ha iniciado la descomposición es con la aparición de micelios fúngicos • Fungi es un descomponedor vigoroso de la materia orgánica: puede descomponer celulosa, ligninas y otros compuestos complejos. Fungi maligno • No todos los descomponedores fúngicos son inocuos. • Por ejemplo las aflatoxinas, son toxinas producidas por mohos que crecen en granos (mayormente Aspergillus flavus). • Algunos de ellos son cancerígenos. Uno de ellos, la Aflatoxina B1 es cancerígeno de hígado mas potente conocido. • Micotoxinas pueden producir defectos de nacimiento, abortos, tumores, cáncer y otros efectos Micorrizas • Micorriza significa raíz de hongo. • Las Micorrizas son interacciones positivas (simbióticas) entre fungi y la raíz de las plantas. • Algunos fungi forman un tipo de envoltura alrededor de la raíz, dándole una apariencia filamentosa o de algodón. • Las plantas le transmiten sustancias al hongo por exudación, y el hongo le ayuda proveyéndole agua y nutrientes a la raíz. • El cordón micelial (hifa) puede extender su longitud 100 veces la longitud de la raiz! Alcanzando suelos más húmedos y ayudando con la absorción de elementos menos móviles, como los fosfatos, zinc, cobre y molibdeno para la transmisión a la planta. • Las micorrizas proveen una cubierta protectora, que incrementan la tolerancia de la plántula a la sequía, altas temperaturas, infecciones por hongos e inclusive a la acides extrema del suelo. 2 tipos de micorrizas que describen los hábitos de crecimiento: • Ectomicorrizas (ecto, fuera) envuelven la raíz anfitriona pero penetran únicamente las capas exteriores de la célula de la capa exterior de la raíz. • Endomicorrizas (endo, dentro) penetran dentro de las células de la raíz anfitriona. Algunas hifas son Vesicular arbuscular mycorrhizae (VAM), las cuales son particularmente útiles en la absorción de fosfato, y son la forma mas común de hifas encontradas en plantas, a pesar de que son las menos visualmente observables. • Cuando algún sustrato para germinación es esterilizado, es recomendable la inoculación con hongos apropiados. • (Pinos trasplantados de estados unidos a puerto rico no crecían, se marchitaban y morían, esto durante varios años. Posteriormente se inoculó el suelo de puerto rico con suelo de USA donde crecían pinos, y finalmente los pinos crecieron 2.4m en 3 años, comparándolos con el suelo no inoculado, donde solo crecieron 30 cm) • Las mayores respuestas por crecimiento gracias a las micorrizas se presentan en plantas en suelos tropicales con un alto grado de intemperismo (nivel de erosión), que tienen nivel bajo de cationes básicos, que son ácidos, bajos en fósforo La asociación simbiótica raíz-hongo, también llamada micorriza, se resume en los siguientes puntos: • Mycorrizae se espera que suceda en la mayoría de las plantas vasculares y probablemente presente en la mayoría de las plantas. • La principal ayuda del fungi es la asimilación aumentada del fosforo en suelos pobres en fósforo, este efecto puede ser causado por: a)exploración de un volumen mas grande de suelo gracias a las hifas fúngicas b) los ácidos orgánicos exudados por el fungi incrementan la solubilidad del fósforo. c) alternación de la concentración de cationes por fungi, por lo tanto, incrementando a solubilidad del fosfato. • Incremento en los niveles de fósforo a un nivel adecuado necesario antes de la fijación del N2 por bacterias • Asociaciones micorrizas ayudan a la absorción del Zinc y del cobre • Protección de la raíz ante patógenos. La colonización de raíces con micorrizas ha reducido el daño en las raíces causada por el patógeno Fusarium en jitomate • Hongos micorrizos reducen el estrés debido a la sequía Protista • Protozoa es un organismo unicelular que se alimenta de bacteria, hongos y otros microbios, larvas y huevos de nemátodos e inclusive protozoa mas pequeños. • A pesar de que causan muy pocos problemas serios en plantas, mayormente afectan a animales Monera: bacteria de suelo y Actinomicetos Bacteria de suelo • Microorganismos unicelulares. El numero de bacterias en el suelo excede el de cualquier otro microorganismo, pero en peso fungi supera a las bacterias • Un gramo de suelo contiene 100 millones de células bacterianas, 1 millón de actinomicetos y 5 metros de micelio fúngico. • Algunas bacterias pueden doblar su población en tan solo 30 minutos, especialmente cuando el suelo tiene en abundancia residuos orgánicos. Sin embargo, la mayoría de las bacterias necesitan varias horas o días para doblar su población en un ambiente natural. • Las bacterias se clasifican según sus patrones nutricionales, requisitos de oxígeno y relaciones simbióticas. Bacteria autótrofa • Obtienen su fuente de carbono nutritiva del CO2, y para energía, grupos específicos pueden oxidar amonio, nitratos, sulfitos, hierro, iones de magnesio, hidrógeno gaseoso, y monóxido de carbono. • La oxidación transforma nitritos, sulfitos, y monóxido de carbono en compuestos mas útiles, como los nitratos, sulfatos y dióxido de carbono. • Probablemente los grupos mas importantes dentro de las autótrofas, son aquellas que oxidan el amonio a nitritos, y posteriormente a nitratos. Estos organismos nitrificantes alcanzan su máximo crecimiento bajo las siguientes condiciones: • Nitrificación es importante por que el nitrato es lavado a aguas subterráneas. A pesar de que altos niveles de nitrato en el agua es bueno para las plantas, en el agua subterránea puede ser un problema de salud para las crías de los mamíferos. • La eutrofización es un incremento en la concentración de nutrientes en el agua, la cual es evidente por un incremento en el número de algas. Las cuales, cuando mueren, al descomponerse consumen el oxígeno necesario para la vida acuática. • Estas oxidan o reducen el monóxido de carbono en dióxido de carbono o metano. Este último en condiciones anaerobias. Bacteria heterotrófica • Son aquellas que dependen de una fuente de materia orgánica para su nutrición. La mayor parte de las bacterias del suelo caen en este grupo. Estas incluyen las fijadoras y nofijadoras de nitrógeno. Y dentro de las bacterias fijadoras estas se dividen en simbióticas y no simbióticas. • La bacteria heterotrófica no fijadora de nitrógeno es la mas prevalente en el suelo, y se encarga de la descomposición de la materia orgánica. Bacteria simbiótica Esta bacteria heterótrofa que fija nitrógeno gas de la atmósfera en los nódulos radiculares la planta, tiene una relación de ayuda mutua con su planta huésped. La fijación de nitrógeno atmosférico es realizada por la enzima nitrogenasa. Esta enzima reduce la energía de activación (necesaria para la reducción). Dicho proceso de reducción tiene las siguientes fases: N=N → HN=NH → H2N-NH2 → finalmente el grupo amida -NH2 es transformado a compuestos orgánicos como los aminoácidos. Todo esto tiene lugar mientras el nitrógeno está ligado a la enzima. La esperanza de vida de una bacteria puede ser únicamente unas pocas horas. Y porciones de la población de bacterias están continuamente muriendo y siendo descompuestas para liberar amonio y iones de nitrato. La otra gran porción del nitrógeno fijado es excretado por las bacterias La descripción de la FAO la recomienda para precipitaciones superiores a 700 mm (Oestes de Aliste y Sanabria) pero menciona producción de grano con sólo 200 mm. Mezquite es una leguminosa ¿pH óptimo para los microorganismos? counties.agrilife.org/gillespie/files/2013/02/Mesquite-Ecology- Bacteria heterotrófica non-simbiótica fijadora de N2 • Estas no necesitan una planta huésped • La anaerobia Clostridium es usualmente mas abundante que la aerobia Azotobacter. En condiciones aerobias en suelos tropicales, la fijadora beijerinckia es más abundante. • Las cantidades fijadas de nitrógeno son variables, pero bajo condicione ideales varía entre 1kg/ha y 15 kg/ha. Actinomicetos • Morfológicamente y taxonómicamente relacionados con bacterias y hongos, pero usualmente clasificados como bacterias. • Ayudan en la descomposición de la materia orgánica, especialmente celulosa y otras moléculas orgánicas resistentes • Llamaron atención en los 50s y 60s ya que se descubrió que producen antibióticos útiles (casi 500 han sido aislados) • En los 70s se descubrió que forman simbiosis con algunas plantas para la fijación de nitrógeno • De interés porque pueden infectar 7 diferentes familias botánicas, mientras que la Rhizobia solo infecta la familia de las leguminosas • Se a encontrado que en simbiosis con algunos árboles puede fijar hasta 168 kg/ha.año Condiciones óptimas para la actividad microbiana • Los microbios están en constante competencia por carbono orgánicamente combinado y otros nutrientes. • Su habilidad para procurar esos materiales para el crecimiento depende de la temperatura, humedad, acidez del suelo, fuente de energía adecuada y la competencia con otros microbios, entre otras. • La competencia es intensa. Generalmente, los microbios son mas abundantes en suelos con una humedad cercana a capacidad de campo, con un pH neutro, un alto contenido de nutrientes y temperaturas cercanas a los 30°C. Condiciones óptimas para la actividad microbiana: humedad y pH • El contenido de agua cercano o inclusive superior a la capacidad de campo (mojado pero bien aireado), es cercano al óptimo para los microorganismos. Escases de agua mata muchos microbios, y muchos otros la toleran desarrollando sepas resistentes o entrando a dormancia • El pH óptimo es cercano a 7. Ya que este es el pH del citoplasma del pH. Bacteria y actinomicetos son por lo regular menos tolerantes a la acidez que los fungi, y pocas crecen a pH menores a 5. Condiciones óptimas para la actividad microbiana: temperatura y otras condiciones • La actividad microbiana acelera rápidamente cuando la temperatura incrementa. Las tasas de reacciones biológicas (enzimáticas) casi se duplican de 10°C a 20°C. • Plantas y la mayoría de los microbios entran en dormancia a temperaturas de congelación. Hay algunas excepciones, las psicrófilas y las termófilas Los microbios tienen altas necesidades nutricionales, especialmente para nitrógeno, fósforo, azufre y calcio. La fuente de carbono (de fuentes orgánicas) es más fácilmente devorada cuando es cuantiosa y de plantas jóvenes jugosas. Influyendo en los microorganismos: Potenciando organismos benéficos 1. Inocular el suelo con el organismo simbiótico deseado (p.ej. Rhizobia y fungi para micorrizas) en un suelo donde la plante huésped no ha crecido en 10 años o no ha crecido nunca. 2. Agregar cal al suelo, para la mayoría de los cultivos, a valores por encima de pH 6. (no aplicar en demasía) 3. Minimizar la esterilización o fumigación del suelo, la cual mata organismos benéficos y dañinos 4. Mantener un nivel elevado de materia orgánica tanto como sea práctico 5. Evitar toda posible fuente de contaminación. (suelo, plantas o equipo contaminado) 6. Evitar causar estrés al suelo, como sequía, acumulación de sal, estancamiento de agua o exceso de fertilizantes. Influyendo en los microorganismos: controlando organismos dañinos 1. Siempre iniciar con plantas limpias y libres de enfermedades, y procurar usar variedades resistentes a enfermedades que pudieran ser un problema en el área de cultivo 2. Mantener cuidadosas prácticas sanitarias. Herramientas, ropa, viento e insectos pueden ser transmitidos por este medio. Esterilización entre parcelas e invernaderos puede ser esencial. 3. Minimizar daño mecánico a hojas o al tejido de la planta. Pueden ser puntos de entrada a esporas o organismos dañinos. 4. Controlar el contenido de agua. La mayoría de las bacterias y hongos requieren grandes cantidades de agua 5. Controlar el pH demasiado alcalino. El ideal es cercano a 6 (~6.5) 6. Controlar pestes y plagas inmediatamente. Composición de la Materia Orgánica • El número de sustancias orgánicas es inmenso, y son tan variables en composición como lo son en número. • La materia orgánica está compuesta principalmente por carbono (40-50%) con menores cantidades de oxígeno e hidrógeno, mas pequeñas cantidades de nitrógeno, fósforo, azufre y muchos otros elementos. • La presencia y acomodo de estos formarán los diferentes grupos de sustancias orgánicas, las cuales son: ligninas, proteínas carbohidratos, aceites, grasas, ceras y muchos otros materiales. • Las sustancias húmicas son materiales cafesosos oscuros, coloidales, amorfos y poliméricos llamadas humus. Molécula de Humus • El humus del suelo, el cual es el conjunto de sustancias resultantes después de la ruptura química y biológica de residuos frescos de plantas y animales, • constituyen del 60 al 70% del contenido total de carbono en el suelo. • El ácido fúlvico y el ácido húmico son solubles en soluciones diluidas de hidróxido de sodio, pero el ácido húmico es mas grande y precipitará cuando la solución se turne ácida. La humina es la porción de humus que es insoluble en hidróxido de sodio. Descomposición de la materia orgánica • Cuando las sustancias orgánicas son producidas por las plantas, el proceso de fotosíntesis almacena la energía proveniente del Sol en los enlaces químicos de las plantas. Cuando las sustancias son degradadas, la energía almacenada es ahora liberada cuando se rompen los enlaces. • Sin embargo, el proceso de degradación tiene una barrera energética, llamada energía de activación, la cual se debe de superar. Cuando se quema madera, la energía de activación es la elevada fuente de calor provista por una flama. Enzimas y las Reacciones Biológicas • Una enzima es una sustancia la cual es capaz de bajar la energía de activación lo suficiente para permitir el rompimiento o formación de un enlace en particular. • Esas reacciones influenciadas por enzimas son llamadas reacciones biológicas. • La enzima hace que el rompimiento sea mas fácil, y la enzima no se destruye o consume en este proceso. Una vez que la reacción es completada, la enzima puede seguir rompiendo enlaces similares. • Un activador o cualquier sustancia que no es consumida o modificada en el proceso, se le denomina catalizador. • Hay una enzima diferente para cada tipo de enlace. A cada enzima se le da el nombre descriptivo de la reacción en particular que realiza, más la terminación -asa. • Estas enzimas son producidas por plantas, animales y microorganismos, y algunas permanecen funcionales fuera de la célula viviente. Diferentes enzimas pueden ser producidas por un organismo, y varios organismos pueden producir la misma enzima. Productos de la Descomposición • En suelos bien aireados los productos de la degradación o la descomposición son: CO2 , NH4+ , NO3- , H2PO4- , SO4- , H2O, residuos resistentes y otros nutrientes esenciales de las plantas presentes en menor cantidad. • Si el suelo no esta bien aireado, resultaran productos menos deseados. Por ejemplo: CH4 , ácidos orgánicos (R-COOH), NH4+ , etc. Acción de la Descomposición • Organismos descomponedores excretan una variedad de enzimas para comenzar la degradación de la materia orgánica. • La velocidad de la descomposición es proporcional al número de microbios presentes. • Estos absorben los nutrientes liberados durante la degradación, particularmente nitrógeno y carbono, y los utilizan para su crecimiento y reproducción. • El nitrógeno usualmente controla la tasa de degradación de la materia orgánica; es necesario para construir nuevas proteínas en las poblaciones bacterianas y fúngicas. • En contenido de nitrógeno en microorganismos y en material orgánico está dado por la relación carbono : nitrógeno (C:N ratio). • Una relación C:N amplia indica que el material tiene relativamente bajo contenido de nitrógeno • Las bacterias al requerir 1 gr de Nitrógeno por cada 5 de Carbono (C:N 5.1), son grandes consumidoras de nitrógeno. • Conforme avanza la degradación de la materia orgánica, el carbono liberado escapa a la atmósfera en dióxido de carbono. Esto reduce la relación C:N en la materia orgánica (la cual incluye los cuerpos de los MO’s), ya que solo una pequeña porción se pierde, mientras que grandes cantidades de carbono se pierden en la atmósfera. • • Poblaciones densas de microrganismos que habitan la parte superior del suelo tienen acceso fácil a fuentes de nitrógeno. Residuos de plantas con relaciones C:N de 20:1 o menores, tienen suficiente nitrógeno para proveer a los microorganismos descomponedores y también liberan nitrógeno para el uso de las plantas. • Residuos con relaciones C:N entre 20:1 y 30:1 proveen suficiente nitrógeno para la descomposición, pero no lo suficiente para la liberación de nitrógeno para la planta en las primeras semanas después de la incorporación (rastreo). • Residuos con relaciones C:N de 30:1 o mayores, se descomponen lentamente debido al poco nitrógeno para los microorganismos, lo cual provoca que los MO´s utilicen el nitrógeno presente en el suelo. Efectos de la materia orgánica • Materia orgánica es fuente del 90 – 95% del nitrógeno en suelos no fertilizados. • La materia orgánica puede ser la fuente principal de fósforo y azufre disponible cuando el humus del suelo está presente en por lo menos 2% • La materia orgánica provee de polisacáridos directa o indirectamente a través de los microorganismos, estos polisacáridos son forman agregados del suelo • La materia orgánica provee del 30-70% del total de la capacidad de intercambio catiónico. La gran superficie con la que cuentan las partículas de humus tiene sitios para el intercambio catiónico y absorbe nutrientes para el uso eventual de las plantas https://www.youtube.com/watch?v=LlgRPOmZmC0 Efectos de la materia orgánica • La materia orgánica incrementa el contenido de agua a capacidad de campo. Incrementa la disponibilidad de agua en suelos arenosos • Materia orgánica actúa como un quelato, ayudando a movilizar iones de micronutrientes metálicos, incrementando su disponibilidad para las plantas. • Materia orgánica funciona como fuente de carbono para microorganismos beneficos • El humus actúa como buffer, controlando los cambios rápidos en acidez, alcalinidad, salinidad y degradación por pesticidas y metales pesados tóxicos. Residuos orgánicos • Muchos residuos orgánicos están disponibles para agregar al suelo. Usualmente son benéficos para el suelo, lo que le da un uso a esos residuos. • Estos incluyen: estiércol animal, lodos residuales, lodos sépticos, aguas residuales, compostas y residuos de procesos alimenticios. • estiércol animal (base seca) promedia 3% en Nitrógenos, 0.8 en Fósforo, 2% en potasio, 25% en carbono orgánico y otras cantidades de diferentes compuestos. Estos difieren en parte a las dietas que consumen los animales. • Respecto a los lodos residuales (PTAR). Estos pueden contener 4% de nitrógeno, 2$ de Fósforo y 0.4% de Potasio. Los patógenos que pueden estar presentes pueden causar colera, diarrea, hepatitis, poliomielitis, solitarias etc. El composteo puede eliminar esos patógnos. Composteo • El composteo es la descomposición microbiana de materia orgánica apilada. Esta descomposición es parcial y es llamada compost o humus. Es un proceso de descomposición enzimática donde varios nutrientes son liberados en formas menos complejas. • El proceso puede ser aerobio o anaerobio, Con condiciones óptimas para el crecimiento microbiano. Pero es mucho mas rápido y menos hediondo aeróbicamente. Mientras que el composteo anaerobio puede producir compuestos tóxicos. • Para destruir patógenos eficientemente se debe alcanzar 71°C durante una hora, lo cual es imposible destruir todos los patógenos porque la parte exterior de la pila es mas fría. • Es proceso de composteo produce calor. • Prácticamente cualquier sustancia puede ser composteada, pero algunas son menos aptas que otras. • Un buen composteo requiere de varias semanas de descomposición aerobia a elevadas temperaturas, alta humedad y alto contenido de nutrientes. Adición de agua y nutrientes a la composta • Si el material a compostear carece de algún nutriente en particular, este puede ser agregado. Nitrógeno, fosfatos y cal son usualmente agregados. • El agua es esencial en cualquier proceso enzimático. Las compostas deben de mantenerse húmedas para asegurar una descomposición rápida. Aspectos sanitarios • El proceso correcto de composteo podría eliminar patógenos. A temperaturas de 65°C a 75°C, la mayoría de los patógenos peligrosos son destruidos en unos días, mientras que a temperaturas d 55°C el tiempo para destruir patógenos puede tomar semanas. Estos patógenos es probable que se encuentren en lodos residuales (PTAR) y alguna basura municipal. • El composteo no remueve elementos inorgánicos como el plomo, cadmio, arsénico, cianuro, ácidos fuertes y otros materiales. Tampoco previene la formación de micotoxinas. Preguntas de repaso
