CURSO CAMPO DE FORMACION TIPO DE CURSO MICROBIOLOGIA DE SUELO Ciencias Agrícolas. Agronomía - Ing. CRÉDITOS agroforestal Teórico Practico 3 OBJETIVO GENERAL DEL CURSO 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 agro-ecosistemas manejados a través de prácticas sostenibles para la producción agrícola. La intención del curso es, por tanto, proporcionar a los estudiantes una visión introductoria y abordar los 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. 167 El estudiante al finalizar el curso esta 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. 168 UNIDADES DIDÁCTICAS: Primera Unidad Capítulos 1. Desarrollo histórico de la microbiología del suelo Lecciones 1. Importancia de la microbiología del suelo 2. Visión histórica 3. Desarrollo actual 4. Perspectivas de investigación 5. Microbiología Aplicada a La Agricultura 6. 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 12. Mesofauna. 13. Microfauna 14. Principales grupos de microorganismos. 15. Microorganismos y Biodiversidad. Lecciones INTRODUCCION A LA 2. Crecimiento y metabolismo MICROBIOLOGIA DEL microbiano SUELO 3. Los organismos del suelo Segunda Unidad Capítulos EL SUELO ENTORNO MICROBIANO 16. Formación y génesis del suelo 17. Los agregados y poros del suelo 4. El suelo 18. Agua y aire en el suelo 19. Coloides del suelo y microorganismos 20. Diversidad de los microorganismos 21. pH, Temperatura y procesos de oxido COMO 5. Influencias del ambiente reducción sobre los microorganismos 22. El agua del suelo del suelo 23. Ciclo del Nitrógeno 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 Capítulos 7. Interacciones microbianas Lecciones 31. Generalidades. 32. Relaciones entre poblaciones. 33.Control Biológico microorganismos edáficos 34. Suelos supresivos. 35. Relación Suelo-planta- enfermedad. Tercera Unidad INTERACCIONES MICROBIANAS 169 8. Rizósfera 9. Utilidad de microorganismos Nitrógeno como nutriente. 39. La Relación Simbiótica LeguminosaRizobio – Fijación biológica del nitrógeno 40. Complemento - Artículos Relacionados 41. Lombrices y substancias químicas en la los rizósfera 42. Microorganismos, biofertilizantes y biocontrol 43. Biopreparados 44. Algunos indicadores biológicos de calidad del suelo 45. Microorganismos Y Metales Pesados: 36. Generalidades. 37. Micorrizas. 38. Importancia del Una Interacción En Beneficio Del Medio Ambiente 170 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. 171 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. 172 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 usted deberá estar preparado para: • • • • 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. 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 Lección 1. 173 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. 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 ( 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 HCO3- o OH- que 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 SO4-2 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. 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 292 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 SO2 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. 293 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 (SO4-2), luego es reducido e incorporado a compuestos orgánicos. También se absorbe como SO3-2 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: SO 4 −2 + ATP + 8 electrones + 8H + → S + 4 H 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. 294 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. 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 3fosfoadenosin-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 295 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 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, 296 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 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 297 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. 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 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. 298 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 Flúor apatito. (PO4)2Ca3.F2Ca Carbonato apatito. (PO4)2Ca3. CaCO3 Hidroxi-apatito (PO4)2Ca3. Ca(OH)2 Oxi-apatito (PO4)2Ca3.CaO Fosfato tricálcico (PO4)2Ca3. Fosfato bicálcico PO4HCa.2H2O Fosfato (PO4H2)2Ca.H2O monocálcico Compuestos con hierro Aluminio Variscita. PO4Al2.H2O Strengita. PO4Fe.2H2O Vivianita.(PO4)2Fe3.8H2O Dufrenita. (PO4)2Fe2.(OH)3 Wavellita (PO4)2Al3(OH)3.5H2O Taranakita. (PO4)8H6Al5K3.18H2O y 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 299 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 300 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: OH arcilla OH + PO4H-2 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. C a + P O 4H -2 a r c illa a r c illa C a - P O 4H 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 301 incorporan al suelo residuos de enmiendas, estiércol, se agregan orgánicos ricos en fósforo. cosecha, materiales orgánicos, gran cantidad de compuestos 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. 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 CO2 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. 302 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 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. 303 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. 304 CAPITULO 6. MATERIA OR0GANICA 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. El metabolismo puede dar lugar a la minerización (conversión de un compuesto orgánico de carbono para obtener compuestos inorgánicos como el C02 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. 305 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 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 306 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 307 puro, las hemicelulosas son fácilmente descompuestas por bacterias y hongos. 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 N- acetilglucosamina 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 CH4 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 308 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. 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 309 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 CO2 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 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, 1015) 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 310 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 CO2 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 CO2 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. 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. 311 Figura 31. vegetales. Compuestos y composición elemental de los tejidos AGUA 75% MATERIA SECA 25% GRASAS Y OTRAS 2% POLIFENOLES 2% LIGNINA 20% Oxigeno 42% Carbono 42% HEMICELULOSA 18% CELULOSA 45% PROTEINA 8% AZUCAR Y ALMIDON 5% Cenizas 8% Hidrógeno 8% COMPUESTOS COMPOSICION ELEMENTAL Figura 31. 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 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. 312 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 (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). 313 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 CO2, 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. 314 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(478kJmol−1C ) 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 315 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). 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. 316 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 micrositios anaeróbicos por lo que se afecta la descomposición. En el trópico, la colocación en superficie de los residuos orgánicos 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 317 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) Cuadro 8. Contenidos de N, C y relación C/N de algunos materiales orgánicos Material orgánico Aserrín de abeto Paja de trigo Cobertura de centeno (floración) Cobertura de centeno (etapa vegetativa) Algarroba peluda Bacterias Actinomicetos Hongos Capote de bosque tropical siempreverde Horizonte O – espodosol % % C/ C N N 50 0.05 60 0 38 0.5 80 40 1.1 37 40 1.5 26 40 3.5 11 50 10 5 50 8.5 6 50 5 10 50 2 25 50 0.5 90 Horizonte A1 – ultisol 52 2.3 23 Promedio horizonte B 46 5.1 9 Fuente: Brady and Weil, 1999. 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. 318 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. 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). 319 Figura 36. Fuente: N. en el suelo. Adaptado de Brady and Weil, 1999. 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. Residuos de plantas que dejados sobre el suelo, lo enriquecen químicamente, lo adecuan a nivel físico y sirven de sustento y hábitat para microorganismos. 6 320 Figura 37. Parámetros temporales de liberación de N. Fuente: Brady y Weil, 1999. 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 321 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. 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 322 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. 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 323 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. 324 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 325 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. Algunas evidencias que fueron citadas por Waskman en favor de esta teoría son: 1 Ambas, lignina y ácidos húmicos son descompuestos con considerable dificultad por la gran mayoría de los hongos y bacterias 2 Ambas, lignina y ácidos húmicos son solubles en álcalis y precipitan en ácidos 3 Ambas, lignina y ácidos húmicos contienen grupos OCH3; el contenido de dichos grupos disminuye con el estado de descomposición. 4 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. 326 5 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: 1 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. 2 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. 3 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. 327 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 328 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. 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 NO3, NH4, PO4, SO4, CO2 Oscuro Afecta actividad y degradación de pesticidas 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 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. 329 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 " 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 3555 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 330 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. 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. 331 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 descomponen la celulosa. Al bajar de 40 ºC los mesófilos también reinician su actividad y el pH del medio desciende ligeramente. • 332 • 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 333 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 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. 334 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. 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. 335 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. • 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 336 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 (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, 337 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 338 clima y residuo--, siendo preferible utilizar una picadora de 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, 339 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. 340 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. Nutritional ecology of spiders. In Nutritional ecology of insects, mites, spiders and related invertebrates, pp 645 -673 RUSELL, E. J. Y RUSEELL, E.W. 1968. Las condiciones del suelo y el crecimiento de las plantas, Aguilar S.A. de Ediciones. Madrid 801p. IGAC 1995. Suelos de Colombia origen, evolución, clasificación. Distribución y uso. Santa Fe de Bogota 632p. TATE, R 1987. Soil organic Matter Biological and Ecological Efeccts, New Cork, John Wiley & Sons 291p. http://www.unex.es/edafo/ECAP/ECAL6BiolSuelo.htm http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.sagangea.org/portadindex7.gif&imgrefurl=http://www.sagangea.org/&h=188&w=284&sz=19&hl=es&start=3&tbnid=rXVePRpcW8ux 3M:&tbnh=75&tbnw=114&prev=/images%3Fq%3Dorganismos%2Bdel %2Bsuelo%26ndsp%3D20%26svnum%3D10%26hl%3Des%26lr%3D% 26sa%3DN 341 342 Tales interacciones en las cuales uno de los microorganismos es afectado por la acción del otro, incluyen parasitismo, antibiosis y predación. 343 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.ht m 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. 344 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. 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. 345 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. 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: 9 Mientras la germinación de muchos hongos se inhibe, algunos no son afectados. 9 La inhibición ocurre en presencia de actividad microbiana, pero puede removerse por adición de nutrientes como la glucosa o por esterilización del suelo. 9 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 B12, producida en el suelo por Penicillium y Aspergillus. Se ha encontrado biotina y riboflavina en extractos de suelo, pero sus orígenes Sustancia producida por un microorganismo la cual en muy bajas concentraciones puede matar o inhibir el crecimiento de otros organismos. 7 346 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. 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 O2 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) 347 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: ejemplo 1: formación de líquenes por hongos y algas ejemplo 2: Paramecium aurelia en simbiosis con bacterias para formar las cepas asesinas - Ejemplos de simbiosis microorganismo-planta: ejemplo 1: fijación de nitrógeno ejemplo 2 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 vesículoarbusculares - Ejemplos microorganismo-animal ejemplo 1: insectos que cultivan hongos ejemplo 2: rumiantes ejemplo 3: bioluminiscencia 6.- Relación de competencia. Resultado -/Exclusión competitiva 7.- Relación de amensalismo. Resultado -/(0+) Un microorganismo excluye al otro por inhibición 9 antibióticos 348 9 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 (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, 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 350 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 351 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 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. 352 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. 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 353 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 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: 354 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 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. Algunos fumigantes desaparecen rápidamente si el suelo tiene un alto contenido de materia orgánica; la rápida descomposición de estos 355 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 patógeno 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 356 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 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 357 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. Cuadro 10. Agentes potenciadotes de enfermedades Virus Bacterias Toxinas Ricina Botulinica Micotoxinas Ébola, Fiebre amarilla, Bacillus anthracis Viruela, Encefalitis equina, Influenza Yersinia pestis 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. 358 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 equipo 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. 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. 359 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. 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, aireacióndrenaje, pH, compuestos, orgánicos inhibidores, competencia con la rizósfera por los nutrientes, antibiosis de las comunidades microbianas naturales del suelo y del propio huésped, etc. 360 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? 361 Fuentes de supresión: • competición por nutrientes • 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 362 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: – Rotaciones de cultivos – Selección de variedades de plantasresistentes – Pesticidas de síntesis química – Biocontrol 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 9 Sensibilidad a tratamientos antimicrobianos y transferencia de la supresividad. 9 Importancia de textura, contenido de iones minerales, temperatura, humedad, pH del suelo. 9 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). 9 Bacterias que colonizan la superficie de la raíz y se adhieren a la interfase del suelo (rizósfera). 9 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, 363 9 9 9 9 9 9 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. 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. 9 PGPR alcanzan la superficie radical guiados por respuestas quimiotácticas. 9 Componentes importantes de los exudados: ácidos orgánicos, aminoácidos, azúcares específicos. 9 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 364 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 Lección 36. Relación Suelo - Planta – Enfermedad. Tomado de Revista de Investigación UNAD 2007. Autores. Nelson Piraneque Sonia Aguirre. Influencia del ambiente y la nutrición sobre las enfermedades vegetales. 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 365 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 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). 366 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). 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 367 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 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 368 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 CaCO3 (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 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). 369 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 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). 370 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, β-1,3-glucanasa, peroxidasas, β-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 371 la translocación, distribución, la 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). 372 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 nemátodos (Awan y Struchtemeyer, 1957; Hartman y col., 1999). Las aplicaciones de P reducen enfermedades en semillas y raíz, al estimular un desarrollo vigoroso que permite a las plantas evadir las enfermedades (Huber, 1981). Sin embargo, el P es esencial para la multiplicación de los virus y su exceso incrementa la susceptibilidad de las plantas a enfermedades virosas (Huber, 1980; 1981). Con bajo nivel de concentración de P en la solución nutritiva hay menor expresión de síntomas del Virus Mancha Anillada del Tabaco en calabacita (Cucurbita pepo L.) y cuando el nivel es normal, se incrementa la expresión de síntomas (Thomas y McLean, 1967). En estudios sobre el efecto de la fertilización N P K en plantas de papa infestadas con el virus del enrollamiento de la hoja de la papa (PLRV); se encontró que en ausencia de P el rendimiento disminuyó un 40 %. En presencia de PLRV el rendimiento disminuyó más de 50 % en comparación con plantas sanas (Campillo 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) 373 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 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 374 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 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 375 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. 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) 376 SUELO ADYACENTE AMBIENTE RIZOSFERA S U E LO RAICES Y ORGANISMOS 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: 9 9 9 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. 377 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 carbono-nitrógeno 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 y algunos forman toxinas que pueden afectar adversamente el crecimiento de la planta hospedera). Figura 42. Regiones de la rizósfera 378 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. 379 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 Rizodeposicione s Secreciones de células y tejidos Mucílag Exudados de bajo peso molecular Microorganism CO2 Solutos de bajo peso molecular 380 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). 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 Características Funciones 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 Fuentes de materiales orgánicos para las poblaciones microbianas. Hacen parte de los exudados radicales Exudados radicales Diversos, propios de células vivas), con alto y bajo peso molecular Lisados Resultantes de autólisis y degradación de células epidérmicas y corticales senescentes y por acción de metabolitos microbianos Compuestos de alto peso molecular que atraviesan las membranas celulares con gasto de energía (ATP). Secreciones Catalizan la degradación de los materiales orgánicos e inorgánicos presentes naturalmente en el suelo rizosférico o adicionados. Hacen parte de los exudados radicales 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 Protegen y crecimiento absorción de raíz – suelo, partículas del lubrican las zonas de radical. Influyen en la iones al mejorar el contacto y en la agregación de las suelo. Mucílagos Materiales gelatinosos, de alto peso molecular, por ejemplo el ácido poliurónico Comprende la agregación de mucílagos naturales y/o modificados, células microbianas y/o sus productos metabólicos, minerales coloidales y materia orgánica mezclados. Compuestos volátiles de bajo peso molecular que pueden difundirse Mucigel Compuestos Afectan positiva o negativamente la actividad microbiana en la zona rizosferica 381 Gaseosos Nutrientes minerales en el suelo Presentes en los materiales rizodepositados como por ejemplo fósforo, nitrógeno, potasio. y más allá de ella. 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. 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. 382 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 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 intracelular (figuras 47 y 48), la ausencia de manto y de modificaciones 383 morfológicas en las raíces. Los miembros más importantes de las endomicorrizas son las micorrizas vesiculo-arbusculares (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 ectomicorriza de una 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 384 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 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. 385 a 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 386 precipitado con Ca y presenta una reducida difusión que favorece su agotamiento cerca de la zona radical. 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 rizósferah) 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 387 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. 388 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 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 agrícolaganaderos, 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 389 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. 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. 390 Figura 50 Reino: Eubacteria Nombre Científico: Rhizobium trifolii Imagen Cortesía de: Dazzo, Frank Ancho de la Imagen: 2 micrones Tecnología de la Imagen: TEM 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. 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). 391 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 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. 392 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 393 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 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 394 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 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 395 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 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 396 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. 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. 397 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 con las raíces la efectividad de las cepas desciende con la fertilización con componentes nitrogenados Lección 40. Complemento - Artículos Relacionados. A continuación encuentra un listado de artículos que le permitirán ampliar y aclarar 398 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%2 0sistema%20radical.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.pd f 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-bacterianapino/microbiota-bacteriana-pino.shtml Interacción Micorrizas Arbusculares Trichoderma harzianum (Moniliaceae) Y Efectos Sobre El Crecimiento De Brachiaria decumbens (Poaceae) Arbuscular Mycorrhizae-Trichoderma 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%20l a%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/fijacionyestres salino.PDF 399 CAPITULO 9. UTILIDAD DE LOS MICROORGANISMOS. Lección 41. rizósfera. Lombrices y substancias químicas en la 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 400 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 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.. 401 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 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. 402 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 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.. 403 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). Cuadro 12. Importancia de los microorganismos en la agricultura. FACTOR DE IMPORTANCIA Transformación de la materia orgánica 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 del suelo y en el suministro de nutrientes. 3. Participación en la meteorización química de los minerales por la formación de ácidos orgánicos y compuestos reductores. 404 Fuente: Martinez, 1996 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 CO2 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 (azotobacter-planta), antagonismo, parasitismo (control biológico), organismos inducción de resistencia en plantas a patógenos. 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. Si bien hay un elevado número de organismos metabolizan los restos orgánicos, también hay depredación, parasitismo, comensalismo etc. saprófitos que relaciones de 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: 405 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. • Sustancias comunes en los biofertilizantes. Según Martínez, 1996, dentro de las sustancias que se encuentran comúnmente en los biofertilizantes se encuentran: 406 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. 407 Aminoacilasa: Esta enzima, es producida fácilmente por el hongo Aspergillus y Penicillium, es importante para la producción de la metionina biofertilizantes. 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 interesante 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: 408 -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. 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. 409 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. 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. 410 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... 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. 411 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 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 412 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. 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 constituyen 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. 413 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). 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 414 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 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 415 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 de calidad deben cubrir las siguientes 416 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 417 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 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 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. microbiano orgánico 418 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 Estima la productividad potencial y la erosión Potencial de lavado; productividad y erosividad Relación con la retención de agua, transporte, y erosividad; humedad aprovechable, textura y materia orgánica Químicas Materia orgánica (N y C total) pH Define la fertilidad del suelo; estabilidad; erosión Define la actividad química y biológica Define la actividad vegetal y microbiana Kg de C o N ha -1 % de arena, limo y arcilla; pérdida del sitio o posición del paisaje cm o m Profundidad del suelo, suelo superficial y raíces Infiltración y densidad aparente Capacidad de retención de agua minutos/2.5 cm de agua y g/cm 3 3 3 % (cm /cm ), cm de humedad aprovechable/30 cm; intensidad de precipitación comparación entre los límites superiores e inferiores para la actividad vegetal y microbiana dSm ; comparación entre los límites superiores e inferiores para la actividad vegetal y microbiana Kg ha ; niveles suficientes para el desarrollo de los cultivos -1 -1 Conductividad eléctrica P, N, y extractables K Nutrientes disponibles para la planta, pérdida potencial de N; productividad e indicadores de la calidad ambiental Biológicas 419 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 Mide la actividad microbiana; estima la actividad de la biomasa Kg de N o C ha relativo al C y N total o CO producidos 2 -1 Respiración, contenido humedad temperatura de y Kg de C ha d relativo a la actividad de la biomasa microbiana; pérdida de C contra entrada al reservorio total de C Kg de N ha d relativo al contenido de C y N total -1 -1 -1 -1 N potencialmente mineralizable Productividad del suelo suministro potencial de N y 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: 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. 421 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. 422 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 423 PROPIEDADES BIOLOGICAS Procesos Biológicos del Suelo Sanidad Biológica y procesos Ambientales Actividad de especies. Diversidad de macro y mesofauna Actividad de especies. Diversidad de microflora y microfauna Formación de estructura bioporos Reciclaje de nutrientes y transformación de Materia orgánica oxidación, reparación microbiana, fijación Biológica de Nitrógeno Reciclaje de nutrientes, transformación de la materia orgánica Humificación, mineralización descomposición y retención de nutrientes Bioperturbación, Desviación de flujos por macroporos, incremento de la fertilidad del suelo. Patógenos y plagas Calidad Biológica del suelo y condiciones del enraizamiento Calidad/cantidad, contenido de Materia Orgánica. Transformación y ciclaje de nutrientes, transformación enzimática formación de complejo Fuente: Lal, 1994. 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 esenciales como: debe cumplir con ciertas características 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. 424 Algunos Indicadores Biológicos De Calidad / Salud Del Suelo 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). 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. 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 425 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 2-9x109 g-1 HONGOS 1.5 millón de especies 5% descritos 104- 106 g-1 ACTINOMICETOS 105- 108 g-1 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. INDICADORES 1. Microorganismo o grupo de microorganismos 2. Biomasa microbiana 3. Nivel de enzimas 4. 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 426 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 (físicosquímicos). 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. Medianamente sensibles: algas, bacteria y hongos. Poco sensibles: azotobacter, amonificadores y degradadores de proteínas. Cambios en el pH: Azotobacter: sensible a pH ácido. Funciones microbiológicas -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 nutrientes, 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. 427 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. 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 428 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. 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 429 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 µg 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 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. 430 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 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 m2), 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). 431 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. 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. 432 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. 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. 433 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 (