UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLÁS DE HIDALGO INSTITUTO DE INVESTIGACIONES AGROPECUARIA Y FORESTAL LOS MICROORGANISMOS DEL SUELO EN LA NUTRICION VEGETAL Samuel Córdova Sánchez H. Cárdenas, Tabasco 13/05/2013 CONTENIDO INTRODUCCIÓN DISTRIBUCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS EN EL SUELO BACTERIAS ACTINOMICETOS HONGOS MICROORGANISMOS FIJADORES DE NITRÓGENO NO SIMBIÓTICO MICROORGANISMOS NITROFIJADORES SIMBIÓTICOS MICROORGANISMOS SOLUBILIZADORES DE LA UREA LA NITRIFICACIÓN MICROORGANISMOS QUE TRANSFORMAN EL FÓSFORO MICROORGANISMOS QUE TRANSFORMAN EL AZUFRE MICROORGANISMOS QUE MOVILIZAN EL POTASIO 13/05/2013 INTRODUCCIÓN Los microorganismos son los componentes más importantes del suelo. Constituyen su parte viva y son los responsables de la dinámica de transformación y desarrollo. La mayor actividad de los microorganismos se realiza desde la superficie del suelo hasta unos 20 centímetros de profundidad. Las colonias de microorganismos permanecen adheridas a las partículas de arcilla y humus (fracción coloidal) y a las raíces de las plantas que les suministran sustancias orgánicas que les sirven de alimento y estimulan su reproducción. 13/05/2013 La microflora del suelo está compuesta por bacterias, actinomicetos, hongos, algas, virus y protozoarios. Entre las funciones más importantes que cumplen asociadamente en los procesos de transformación están: I. Suministro directo de nutrientes (Fijación de nitrógeno). II. Transformación de compuestos orgánicos que la planta no puede tomar a formas inorgánicas que si pueden ser asimiladas (Mineralización). Ejemplo: Proteína hasta aminoácidos y a nitratos. III. Solubilización de compuestos inorgánicos para facilitar la absorción por las plantas. Ejemplo. Fosfato tricálcico a Fosfato monocálcico. IV. Cambios químicos en compuestos inorgánicos debido a procesos de oxidación y reducción. Ejemplo. Oxidación del azufre mineral a sulfato. Oxidación del nitrógeno amoniacal a nitrato. V. Aumento del desarrollo radicular en la planta que mejora la asimilación de nutrientes, la capacidad de campo y el desarrollo. VI. Reacciones antagónicas, parasitismo y control de fitopatógenos. VII.Mejoramiento de las propiedades físicas del suelo. 13/05/2013 Distribución de microorganismos en el suelo 13/05/2013 LAS BACTERIAS Los microorganismos más abundantes y pequeños (0,1 a 1 micras). Pueden ser aerobias (crecen con oxígeno), anaerobias (crecen sin oxígeno) o facultativas (crecen con o sin oxígeno). Si las bacterias se alimentan de compuestos orgánicos son heterótrofas. Si se alimentan de inorgánicos, son autótrofas. Los géneros bacterianos más importantes (agrícola) que transforman los compuestos orgánicos e inorgánicos y que favorecen la nutrición de las plantas están: Bacillus, Pseudomonas, Azotobacter, Azospirillum, Beijerinckia, Nitrosomonas, Nitrobacter, Clostridium, Thiobacillus, Lactobacillus, y Rhyzobium. Nitrosomonas Nitrobacter Azotobacter 13/05/2013 Rhyzobium ACTINOMICETOS Microorganismos que se parecen a los hongos y a las bacterias. Crecen a manera de micelio radial, forman conidias como los hongos pero las características morfológicas de sus células son similares a las de las bacterias. Se encuentran en el suelo, en aguas estancadas, el lodo y los materiales orgánicos en degradación. Se nutren de materiales orgánicos (heterótrofos). Degradan desde azúcares simples, proteínas, ácidos orgánicos hasta substratos muy complejos compuestos por hemicelulosas, ligninas, quitinas y parafinas. En suelos bien aireados con alto contenido de materia orgánica alcanzan poblaciones muy altas. Constituyen del 10 al 50% de la comunidad microbiana del suelo. Se desarrollan bien en suelos con pH desde 5 a 7. 13/05/2013 Algunos actinomicetos producen antibióticos que regulan los patógenos de las plantas que están en el suelo. Al agregar conidias de actinomicetos en un suelo contaminado con bacterias y hongos fitopatógenos, crecen inhibiendo las poblaciones de los patógenos, regulando los problemas hasta alcanzar un balance que le permita a las plantas obtener nutrientes y desarrollarse. Los géneros de actinomicetos del suelo más importantes para la nutrición de las plantas son: Streptomyces, Nocardia, Micromonospora, Thermoactinomices, Frankia y Actinomyces. Streptomyces Actinomyces Frankia Micromonospora 13/05/2013 Nocardia HONGOS Conforman una importante fracción de la biomasa total microbiana del suelo. Crecen en forma de red extendiéndose como micelio hasta su estado reproductivo donde dan origen a esporas sexuales o asexuales. Son importantes degradadores aerobios de material vegetal en descomposición en suelos ácidos. Los hongos metabolizan compuestos carbonados de muy difícil degradación como las celulosas, las hemicelulosas y las ligninas. También degradan azúcares simples, alcoholes, aminoácidos y ácidos nucleicos. Pueden ser parásitos o saprofiticos. Son muy importantes en suelos con desechos de cosecha. Los hongos movilizan nutrientes minerales hacia las raíces de las plantas, aumentan la capacidad de retener agua en sequía, fijan nitrógeno y fósforo y protegen las raíces de fitopatógenos por espacio y emitiendo sustancias que los inhiben. 13/05/2013 Algunos hongos entran en simbiosis con las raíces llamadas micorrizas. Son más activos en suelos arenosos y pobres en materia orgánica. La simbiosis se ve favorecida por la pobreza mineral del suelo. Los géneros de hongos más importantes asociados a las raíces de las plantas son Aspergillus, Penicillium, Rhizopus y Trichoderma. El Aspergillus y el Penicillium movilizan el fósforo y el nitrógeno del suelo. El Trichoderma sostiene la humedad en las raíces en condiciones de sequía. Aspergillus Trichoderma 13/05/2013 Degradación de material vegetal 13/05/2013 Ejemplo de microorganismos en la rhizosfera de trigo 13/05/2013 Microorganismos que digieren celulosa 13/05/2013 Fijación Biológica de Nitrógeno: Es la transformación del N2 atmosférico en amonio a partir de procesos en los que intervienen microorganismos de vida libre o en simbiosis con plantas superiores. Descubrimiento: 1886 Frances Jean Batiste y los Alemanes Herman Hellriegel y H. Wilfart Organismos Procariotas: Bacterias Actnomicetes Cianobacterias Bacillus radicicola en Vicia fava por Beijerick, M. W., 1888. Tipos de asociaciones Mutualista Comensalismo Parasitismo 13/05/2013 MICROORGANISMOS FIJADORES DE NITRÓGENO NO SIMBIÓTICO Son la fuente primaria del suministro de nitrógeno a las plantas. Son fijadores del nitrógeno atmosférico. Algunas bacterias, actinomicetos y algas verde azules (cianofíceas) reducen el nitrógeno atmosférico a nitrógeno amoniacal y lo incorporan al suelo. Entre los géneros de bacterias aerobias nitrofijadoras están Azotobacter , Azospirillum, Beijerinckia, Derxia, Azomonas, y Oscillatoria. Las bacterias del género Azotobacter tienen movimiento y forman quistes cuando encuentran condiciones difíciles. Pueden fijar 40 kilogramos de nitrógeno por hectárea equivalente a 200 kilogramos de sulfato de amonio. Las bacterias del genero Azospirillum son móviles y crecen en suelos con pH cercanos a neutro. En gramíneas actúan muy bien A. lipoferum y A. brasilense . 13/05/2013 Las bacterias del genero Clostridium pasterianum son anaerobias, que crecen en suelos anegados, compactados y en sitios donde se dificulta la circulación de aire en el suelo. Toleran una acidez alta (hasta 4) y fijan entre 3 y 10 miligramos de nitrógeno por gramo de fuente de carbono consumido. Las algas realizan fotosíntesis y fijan al suelo entre 25 y 50 kilogramos de nitrógeno por hectárea en un año. Azospirillum liporferum Clostridium pasteurianum 13/05/2013 Beijerinckia Las bacterias nitrofijadoras también actúan en las hojas de las plantas. Se desarrollan poblaciones de las bacterias Pseudomonas, Azotobacter, Beijerinckia y también del actinomiceto Streptomyces . A partir de las exudaciones foliares estas forman nódulos en las hojas para fijar el nitrógeno, degradan los materiales orgánicos que se depositan sobre ellas, producen enzimas de crecimiento para la planta y segregan antibióticos que protegen las hojas de los ataques de los fitopatógenos. Se han reportado fijaciones hasta de 100 kilogramos de nitrógeno por hectárea. Pseudomonas Nostoc 13/05/2013 MICROORGANISMOS FIJADORES DE NITROGENO SIMBIÓTICO 13/05/2013 Simbioticos Rhizobium - Leguminosas Actinomiceto - Frankia – Forestales Cianobacterias – Nostoc - Helechos Organismos fijadores Azotobacter Suelo, Restos vegetales, etc No simbioticos Clostridium Actualmente 5 géneros: Rhizobium (0.5-1.0 m) y Zinorhyzobium (0.5-1.0 m) (rápidos) Mesorhizobium (0.4 – 0.9 m) (intermedio) Bradyrhizobium (0.5-0.9 m) y Azorhizobium (0.5-0.6 µm) (lentos) 13/05/2013 Esquema de infección de Rhizobium-Leguminosa para la formación de nódulos Pasos de infección: 1. Reconocimiento, 2. Adherencia, 3. Enroscamiento de los pelos absorbentes, 4. Invasión del pelo radical y formación de un cordón infeccioso, 5. Desplazamiento, 6. Ingreso de las bacterias a las células de la raíz, y 7. Establecimiento del nódulo funcional maduro: (Bacteroide). 13/05/2013 Los nódulos se clasifican en dos grupos: Determinados: Estos nódulos no tienen un meristemo y las células infectadas carecen de vacuolas, tienen un sistema vascular cerrado y la infección de otras células ocurre por división de las células preinfectadas; sus productos nitrogenados de exportación son básicamente ureidos. Este tipo de estructura es característica de leguminosas tropicales tales como Glycine, Vicia fava, y Vigna (Streeter, 1991). Indeterminados: Las células infectadas de este tipo de nódulos normalmente tienen vacuolas, con un sistema vascular abierto y un proceso infectivo de otras células vegetales por medio de un cordón de infección que se ramifica y sus productos de exportación son amidas, principalmente asparagina. Ejemplo de leguminosas con nódulos indeterminados son los géneros Medicago, Pisum y Trifolium, es decir, leguminosas de ecosistemas templados (Streeter, 1991). 13/05/2013 Factores que inhiben la nodulacíon: Competencia entre cepas inoculadas y nativas La luz Amonificación Desnitrificación La temperatura pH y disponibilidad de P La humedad o lluvias Practicas de manejo de suelo Compuestos de nitrógeno Otros nutrimentos minerales y reguladores de la nitrogenasa (Pérez y Torralba 13/05/2013 Gasto de energía por Habber-bosh y FBN Habber-Bosh Emplea temperaturas de unos 500ºC y P=200 atm: N2 + 3H2=====2NH3 FBN Se enfrenta a las misma barreras energéticas, pero opera en una manera más sutil a temperatura ambiente y a presión parcial de N2 de 0.78 atm. Esto gracias al complejo enzimático de la nitrogenasa (NASA) N2 + 16ATP + 8e- + 8H+ = 2NH3 + 8H2 + 16ADP + 16Pi N2 - 2NH3 Sustrato: C2H2 - C2H4 N2O - N2 + H2O 13/05/2013 Métodos para medir FBN: Técnicas isotópicas: Isótopos estables e Isótopos radioactios Los átomos del mismo elemento que contienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones, y que por tanto tienen diferentes números de masa, se denominan isótopos. No obstante, algunos isótopos con demasiados neutrones son inestables y tienden a degradarse al formar un isótopo más estable (por lo común se convierte en otro elemento). Esos isótopos se denominan radionúclidos (o radioisótopos), ya que emiten radiaciones de alta energía al desintegrarse. Nombre del Núclido Vida Media Abundancia (%) Masa Atómica (uma) Nitrógeno-13 9,97 minutos 0,00 13.0000 Nitrógeno-14 Estable 99,64 14.0031 Nitrógeno-15 Nitrógeno-16 Estable 7,13 segundos 0,3663 0,00 15.0001 16.0000 13/05/2013 Método de la dilución de 15N Requiere la aplicación al suelo de una pequeña dosis de fertilizante enriquecido con 15N previo a la siembra: 1-10 kg N ha-1 con 1 a 10 % de exceso de átomos 15N, a fin de reducir cualquier interferencia con la fijación de N2 de la leguminosa. El enriquecimiento de las muestras de plantas se expresa como porcentaje de átomos 15N en exceso, y se estima de la siguiente forma: % átomos 15N en exceso = (% átomos 15N muestra − % átomos 15N en N2 del aire) % átomos 15N en exceso en leg P = 1− 100 % átomos 15N en exceso en ref McAuliffe et al., 1958) 13/05/2013 Método de abundancia natural de 15N Es una variación de la técnica de dilución de isótopos, basada en pequeñas diferencias en la abundancia natural de 15N entre el N2 atmosférico (0.3663% átomos 15N) y el N del suelo. Estas diferencias se expresan como delta (δ)15N o partes por mil (‰) relativo a la composición de 15N en el N2 atmosférico (Shearer y Kohl, 1986) y se calcula de la siguiente forma: % átomos 15N (muestra) – % átomos 15N (std) δ 15N(‰) = 1000 % átomos 15N (std) δ 15N ref − δ 15N leg P= 100 δ 15N ref − B B es el δ 15N de la leguminosa que crece con N2 atmosférico como la única fuente de nitrógeno, Shearer y Kohl, 1986 Método del Valor-A %15N a.e CF %Ndda= 100 1- 1 + N%15N a.e CNF %15N a.e CF n- n = Dosis N leguminosa N = Dosis N cultivo de referencia a.e.= átomos en exceso 1 13/05/2013 Hardarson y Danso, 19939 El método de la diferencia total de N N= N total Leguminosa - N total referencia Giller y Wilson, 1991 El método por reducción de acetileno: Puesto que la nitrogenasa (enzima responsable de la fijación de N2) puede reducir otros substratos con triple enlace tales como acetileno (C2H2) a etileno (C2H4), esta última reacción es la base del método por reducción de acetileno. (Hardy y Knight, 1966). El método de ureidos: Es posible utilizar la abundancia de ureidos en la savia del xylema como medida indirecta de la proporción de N de la planta derivado de la fijación de N2. Muchas leguminosas tropicales, principalmente Phaseoleae y Desmodieae, transportan los productos de la fijación de N2 desde los nódulos a otras partes de la planta en forma de ureidos, alantoina y ácido alantoico. Giller y Wilson, 1991 13/05/2013 Sustentabilidad (%Ndda) Porcentaje de N en la planta leguminosa derivado de la atmósfera (Medición Isotópica) Indice de Cosecha de Nitrógeno (ICN) % del N total de la planta que es cosechado o exportado, generalmente en grano. 13/05/2013 FBN - Sustentabilidad Beneficio al suelo Leg 1 50 % Ndda 50 % Ndds ICN 50 % Leg 2 75 % Ndda 25 % Ndds ICN 50 % Balance Positivo (25%) Leg 2 25 % Ndda Balance (0) 75 % ICN 50 % Balance Negativo Ndds (-50%) 13/05/2013 13/05/2013 Valores medios de FBN de algunas leguminosas que se utilizan en la agricultura 300 250 250 FBN Kg Ha-1 año-1 200 150 100 150 150 125 120 100 100 90 80 50 50 0 Leguminosas 13/05/2013 Sanginga, 1995. N-fijado por especies de leguminosas en Huimanguillo, Tabasco Cultivo Uso N kg ha-1 Abono Verde Alim.Humano Alim. Animal Mejorador Suelo Contra Erosión 366 53 170 55 21 + Fósfoto C. ensiformis V. umbellata C. cajan A. pintoi C. juncea - Fósforo C. ensiformis V. umbellata C. cajan A. pintoi C. juncea 258 16 133 28 25 13/05/2013 Peña, et al., 2003 N total y N2 fijado en tejido de leguminosas en monocultivo y asociadas con maíz en la sabana de Tabasco, México. 700 Monocultivo 500 13/05/2013 162 211 N total L3+(M1) 363 L2+(M1) 250 L1+VS-536(M1) 121 M. deerengiana (L3) 495 C.cajan (L2) 0 298 100 222 200 273 340 300 402 400 C. ensiformis (L1) Kg ha-1 Asociación 597 600 N2 Fijado Peña y Col., 2006 LOS MICROORGANISMOS SOLUBILIZADORES DE LA UREA Al aplicar la urea al suelo se hidroliza y para su solubilización necesita la presencia de la enzima Ureasa que es producida por las bacterias, actinomicetos y hongos. Con la reacción de la enzima, la urea se transforma en amonio y se fija a los complejos minerales del suelo donde luego es nitrificado por los microorganismos. Las urobacterias son aerobias y actúan con la alcalinización que causa la urea al aplicarse al suelo. Los géneros más importantes son: Bacillus, Clostridium, Pseudomonas, Micrococcus, Acromobacter y Sarcina. 13/05/2013 LA NITRIFICACIÓN El Nitrógeno del suelo se encuentra presente como diferentes compuestos químicos, pero la mayor parte forma compuestos orgánicos (materia orgánica del suelo). Solo del 5 al 10% del nitrógeno total se encuentra como formas inorgánicas: Amónio (NH4 +), Nitrito (NO2 -) y Nitrato (NO3-). El Nitrito y el Nitrato se encuentran en la solución del suelo, mientras que el amónio (catión) se encuentra como intercambiable o fijado a la estructura de algunos minerales. La nitrificación es un proceso bacterial y aeróbico . Las bacterias nitrificantes más importantes son Nitrosomas europaea y Nitrobacter winogradski . Las primeras oxidan Amónio a Nitrato y las segundas oxidan Nitrito a Nitrato, haciendo disponible el nitrógeno para las plantas. Hay otros microorganismos que también oxidan los substratos nitrogenados a Nitritos y Nitratos. Entre las bacterias están los géneros Bacillus, Pseudomonas y Clostridium . Los actinomicetos nitrificadores son Streptomyces y Nocardia y los hongos Aspergillus y Penicillium 13/05/2013 Producción de nitrógeno a nivel mundial 12% Haber-bosh 70x106 32% 28% 28% Olivares, 2007 Obtención Industrial Gas Temperatura presión Transporte 13/05/2013 Aplicación Perdidas de Nitrógeno: Vía Desnitrificación Cosechas Cantidad 15Mg año-1 0.83Mg Ha-1 Volatilización 23Mg año-1 Lixuviación 30Mg año-1 Erosión 20Mg año-1 13/05/2013 MICROORGANISMOS QUE TRANSFORMAN EL FÓSFORO Cuando se incorporan al suelo residuos de cosecha, materiales orgánicos, enmiendas, estiércol, se agregan gran cantidad de compuestos órganofósforados. 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 (ortofósfato) 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 fósfatadas liberando así el fósforo. En los suelos de reacción ácida predominan los fosfatos insolubles de hierro y de aluminio. Cuando se han utilizado enmiendas cálcicas se fija el fósforo como fosfato tricálcico. 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. 13/05/2013 MICROORGANISMOS QUE TRANSFORMAN EL AZUFRE El azufre es esencial en la nutrición de las plantas pues participa en la formación de aminoácidos y vitaminas. Las plantas lo asimilan como sulfato. La descomposición de la materia orgánica por los microorganismos trae la degradación de aminoácidos hasta obtener sulfatos. También se degradan sulfatos orgánicos. Las bacterias del género Thiobacillus oxidan a sulfato el sulfuro que produce en condiciones de anegamiento y que es tóxico para las plantas. Además oxidan a sulfato el azufre elemental, compuestos de azufre como tiosulfato, tetrationato y sulfito a sulfato. Se desarrollan en medios aerobios con pH ácidos y extremadamente ácidos (4), forman ácido sulfúrico en la oxidación para aumentar la acidez. Las bacterias de los géneros Bacillus, Pseudomonas, Artrobacter convierten el azufre elemental y el tiosulfato a sulfato. Los hongos del género Aspergillus oxidan el azufre en polvo. 13/05/2013 MICROORGANISMOS QUE MOVILIZAN EL POTASIO El potasio es retenido por los constituyentes del suelo, pero sólo una parte es soluble y otra gran fracción se fija quedando no intercambiable. Bacterias de los géneros Bacillus, Pseudomonas, y Clostridium y hongos como Aspergillus, Penicillium y Mucor solubilizan el potasio mediante la liberación de ácidos orgánicos o inorgánicos que reaccionan con los minerales que los contienen. Estos microorganismos descomponen minerales de aluminosilicato y liberan parte del potasio contenido en ellos. 13/05/2013 Saber no es suficiente; tenemos que aplicarlo. Tener voluntad no es suficiente: tenemos que implementarla. (Goethe ) Por su atención Gracias La desesperanza está fundada en lo que sabemos, que es nada, y la esperanza sobre lo que ignoramos, que es todo. (Anónimo) 13/05/2013
