Los procesos microbiológicos en la actividad agropecuaria (página 5)
Enviado por Dr. C. Pedro Antonio Rodríguez Fernández
De manera general, en los suelos de clima templado es mayor el contenido de materia orgánica que en los de zonas tropicales, pues en estos últimos no se acumula como en aquellos, ya que las condiciones edafoclimáticas de los trópicos, favorecen la mineralización o biodegradación de la materia orgánica por los microorganismos.
Como fuentes de origen de la materia orgánica en los suelos, se tienen:
1. Materia orgánica de origen vegetal.
2. Materia orgánica de origen animal
3. Materia orgánica de origen microbiano.
Materia orgánica de origen vegetal
Es la que llega al suelo a través de los restos vegetales. Este tipo de materia orgánica pude incrementarse a través de la rotación de cultivos, los abonos verdes, aporte de plantas inferiores como las algas y los líquenes, además con la aplicación de subproductos agrícolas como cachaza, paja de caña de azúcar, etc.
Materia orgánica de origen animal
Es la que llega al suelo a través de los restos animales al morir y por sus deyecciones sólidas y liquidas. Ej.: Estiércol y guano de murciélago, humus, lombrices, purín, etc.
Materia orgánica de origen microbiano
Es la que llega al suelo a través de las células al morir y por los metabolitos expulsados al medio.
Composición media de la materia orgánica
La materia orgánica es devuelta al suelo en forma natural o es añadida a éste por el hombre. La misma no llega al suelo dividida en carbonada, nitrogenada, fosforada o azufrada; sino como un complejo único.
Entre los constituyentes de la materia orgánica se pueden citar:
Celulosa.
Hemicelulosas y poliurónidos.
Lignina y quitina.
Almidón, dextrina, inulina y glucógeno.
Elementos solubles en agua tales como azúcares (monosacáridos, disacáridos, trisacáridos), aminoácidos y ácidos alifáticos.
Elementos solubles en éter o alcoholes como: grasas, aceites, ceras, resinas y pigmentos.
Proteínas.
La descomposición de estas sustancias es un proceso complejo resultante de la acción, principalmente, de hongos, bacterias y actinomicetos.
No puede señalarse en la mayoría de los casos un solo organismo como causante de los cambios y aunque se postulan ecuaciones de éstos, vale aclarar que han sido establecidas basadas en el comportamiento de los microorganismos en cultivos puros y sin dudas, el efecto de la población mixta del suelo es diferente en la mayoría de los casos.
Metabolismo de las fuentes de carbono:
Variadas son las reacciones metabólicas que tienen lugar durante la biodegradación de diferentes compuestos carbonados.
La materia orgánica es empleada por los microorganismos en dos procesos:
1- Asimilación: Consiste en la toma de carbono con fines plásticos, es decir, para la elaboración de los constituyentes protoplasmáticos; al tiempo que hay una absorción paralela de N, P, K, S. Estos elementos mantienen entre si las relaciones características del protoplasma. Los microorganismos absorben estos elementos de la solución del suelo, compiten con las plantas y reducen la disponibilidad de ellos.
2- Desasimilación: Provee la energía necesaria para la asimilación. Comprende la utilización de parte del carbono de la materia orgánica en procesos respiratorios y fermentativos, los cuales son llevados a cabo por microorganismos heterótrofos.
El ciclo del carbono, figura en el primer lugar en importancia entre todos los ciclos bioquímicos de la naturaleza, ya que este elemento es el principal componente de la materia orgánica y la fuente de energía más destacada.
Por la heterogeneidad de la materia orgánica en cuanto a su origen y composición, en el suelo van a ser transformados toda una serie de compuestos carbonados.
CICLO DEL CARBONO
En dicho ciclo, el dióxido de carbono es fijado en el proceso de la fotosíntesis por las plantas y otros organismos fotosintéticos por la acción de la luz, transformándose en carbono orgánico; así como los microorganismos autótrofos, que asimilan e incorporan a la materia orgánica del suelo, la cual se enriquece por los restos animales, vegetales y microbianos.
Dicha materia orgánica es mineralizada por los microorganismos heterótrofos que emiten CO2 a la atmósfera, al igual que las plantas y los animales durante la respiración o puede convertirse en un cuerpo heterogéneo rico en carbono, llamado humus o fracción orgánica del suelo.
El ciclo se completa y el carbono se hace disponible en la descomposición final del humus, con producción de CO2 el cual se considera que es aportado en un 85% por los microorganismos heterótrofos al descomponer la materia orgánica.
Biodegradación de los azúcares
Estos compuestos son los primeros atacados por los microorganismos cuando los tejidos vegetales son incorporados al suelo "desapareciendo" en pocos días, mediante reacciones hidrolíticas simples.
Por lo general los hongos y las levaduras emplean estos compuestos más rápidamente que las bacterias y actinomicetos. No obstante, todos ellos participan en su biodegradación.
Los productos finales de la mineralización de los azúcares simples son el CO2 y H2O, pero las etapas y metabolitos intermediarios son muy diferentes, según las condiciones medioambientales y el tipo de microorganismo participante.
La ecuación general de la biodegradación es:
Biodegradación del almidón
El almidón está formado por dos componentes principales: amilasa y amilopectina. El almidón "desaparece" rápidamente cuando es tacado por los microorganismos amilolíticos del suelo.
De un 50 – 80 % de las bacterias y actinomicetos que aparecen el suelo pueden emplear el almidón, de ahí que el número total de amilolíticos sea grande: 1 a 106/gramo de suelo seco.
Entre los microorganismos participantes, están:
Bacterias: Bacillus, Clostridium, Pseudomonas.
Actinomicetos: Nocardia, Streptomyces.
Hongos: Aspergillus, Fusarium.
La ecuación de descomposición, se resume en:
Biodegradación de la celulosa
La celulosa es el producto orgánico más abundante en la naturaleza, constituye aproximadamente la tercera parte de los materiales vegetales, predominando en los materiales fibrosos leñosos, siendo baja su proporción en las plantas jóvenes y abundantes en aquellas en que predominan los azúcares.
La celulosa es un polímero de la glucosa.
Debido a que la celulosa es una molécula de gran tamaño y peso molecular, ésta no puede penetrar en la célula microbiana; debiendo ser hidrolizada. Es resistente a varios agentes oxidantes y sólo se hidroliza por ácidos concentrados, resistiendo también el ataque de la gran mayoría de los microorganismos edáficos, sin embargo, se descompone fácilmente por organismos específicos denominados microorganismos celulolíticos, entre los que se tienen:
Bacterias aerobias: Cellfacicula, Cellvibrio, Cellulomonas.
Mixobacterias: Cytophaga.
Bacterias anaerobias y termófilas: Clostridium, Ruminococcus.
Actinomicetos: Streptomyces, Nocardia.
Hongos filamentosos: Aspergillus, Penicillium, Trichoderma.
Protozoarios: Hartmanella.
Un factor importante en la bioquímica de la descomposición de la celulosa en el suelo, es el efecto de los minerales de la arcilla, ya que los compuestos celulósicos pueden ser adsorbidos o retenidos por las arcillas. Otro factor de mayor importancia es la inactivación parcial de la enzima celulasa por ciertas enzimas.
Ecología de la biodegradación de la celulosa:
Las condiciones de descomposición dependen de los microorganismos y los factores del medio.
Aireación: La biodegradación de la celulosa puede tener lugar en presencia y ausencia de oxígeno.
Los microorganismos aerobios la descomponen completamente:
Los anaerobios, producen glucosa que luego es fermentada:
pH: influye directamente sobre la descomposición, pues según sea ácido, neutro o alcalino; participarán en ella determinados microorganismos. Así a pH ácido, la descomposición se llevara a cabo preferentemente por los hongos.
Temperatura: Este factor tiene gran importancia, pues está demostrado que los aerobios no actúan por enzima de de 320C mientras que los anaerobios efectúan dicho proceso entre los 45 – 600C.
Humedad: El rango óptimo oscila de 65 – 85 % de la capacidad de campo o capacidad máxima de retención de agua en el suelo. Si se produce exceso de humedad, la descomposición será anaerobia.
Factores nutricionales: Tienen gran importancia en la descomposición, especialmente la presencia de formas nitrogenadas utilizables por los microorganismos. Sin la presencia de nitrógeno, la celulosa no se descompone, ya que este elemento es necesario para mantener la relación C/N adecuada al protoplasma de los microorganismos.
Biodegradación de las hemicelulosas
Después de la celulosa, los componentes presentes en mayor proporción en las plantas, son las hemicelulosas, las cuales son compuestos polisacáridos, que poseen más complejidad y difícil descomposición que la celulosa.
Los microorganismos participantes en su descomposición son: hongos, actinomicetos, bacterias (microorganismos hemicelulóticos), los cuales dependen del tipo de hemicelulosas que ataquen. Las enzimas participantes son denominadas citasas y la ecuación general de la descomposición es:
La descomposición es casi tan lenta como la de la celulosa y se plantea, que en condiciones anaerobias son descompuestos en un mes 9.8 % de celulosa y 26.8 % de hemicelulosas y en condiciones aerobias un 62.4 % de celulosa y un 56.2 % de hemicelulosas.
Biodegradación de las sustancias pécticas
Son sustancias que están presentes en proporción del 1 % en la materia orgánica añadida al suelo.
Los carbohidratos pécticos son polisacáridos complejos compuestos de unidades de acido galacturónico unidos en cadenas.
Las bacterias, los hongos y los actinomicetos son los responsables de la hidrólisis de la pectina en suelos que contienen 105 – 106 microorganismos pectolíticos o pectinolíticos / gramo de suelo seco.
Entre las bacterias se tienen especies de los géneros Bacillus, Clostridium y Pseudomonas. Las enzimas pectolíticas son muy frecuentes entre los hongos fitopatógenos, los cuales mediante ellas disuelven la lámina media de la pared celular y parasitan la célula. El Fusarium y Verticillium son ejemplos de tales hongos.
Biodegradación de la lignina
La lignina es muy resistente a la degradación enzimática y de los compuestos de la materia orgánica es el último en descomponerse. Se encuentra en todas las plantas en concentraciones variables.
En condiciones naturales la lignina tiende a acumularse, debido a la resistencia a la degradación, por lo que contribuye a la formación y acumulación del humus en el suelo.
Se puede descomponer tanto aeróbica como anaeróbicamente y la descomposición está afectada por la temperatura, el nitrógeno disponible y otros constituyentes de los restos de las plantas que se están descomponiendo.
En la descomposición aerobia de la lignina a temperaturas medias participan principalmente hongos Basidiomicetos.
Los fitopatólogos dividen los hongos destructores de la madera en dos grupos:
Hongos de la pudrición parda, que afectan la celulosa y no a la lignina.
Hongos de la pudrición blanca, que destruyen tanto a la celulosa como a la lignina.
Biodegradación de los plaguicidas
Aunque la era de la quimización en la agricultura está pasando, aún es importante la cantidad de plaguicidas que se emplean en el combate de plagas, enfermedades y malezas que afectan los cultivos agrícolas. Para muchos la quimioplaguicidas deben "desaparecer" pues de lo contrario ocasionarán graves daños en la naturaleza.
Las vías a través de las cuales los plaguicidas pueden "desaparecer" en el suelo son las siguientes:
Lixiviación (arrastre o lavado por el agua).
Evaporación (por efecto del calor).
Fotodescomposición (por acción de la luz).
Adsorción (retención en las micelas coloidales).
Absorción (por las plantas).
Biodegradación (degradación microbiana).
Si bien estas dos últimas vías son las más importantes, puede afirmarse que la biodegradación por los microorganismos es la más efectiva y la que en mayor grado provoca la permanencia y la pérdida de actividad del plaguicida en el suelo.
Para que un plaguicida sea biodegradado en el suelo, debe cumplirse que:
El plaguicida sea capaz de inducir la síntesis de enzimas necesarias para su degradación.
Los microorganismos capaces de degradarlo, sean propios del suelo o capaces de desarrollarse en él.
El plaguicida se encuentre en forma asequible (no adsorbido) a los microorganismos.
Entre los factores que influyen en la biodegradación de los plaguicidas en el suelo están:
La estructura química del plaguicida.
La complejidad de la molécula influye en el tiempo de persistencia del plaguicida, pues a mayor complejidad mayor tiempo de persistencia.
Ejemplo, el clásico herbicida 2, 4 – D desaparece del suelo en 6 a 8 semanas, mientras que otro clásico como el 2,4,5 – T demora 1 año o más en el suelo. En la estructura de este último existe un átomo más de Cloro.
La dosis de la sustancia activa.
En sentido general, mientras mayor sea la cantidad o dosis de plaguicida aplicado, mayor será su persistencia.
Factores edáficos.
El pH, humedad, temperatura y nivel de nutrientes que favorezcan el crecimiento microbiano en el suelo, influye favorablemente en la descomposición del plaguicida y en su menor permanencia.
Interacción entre los microorganismos edáficos y los plaguicidas.
Tal interacción puede verse en dos sentidos:
Primero: Efectos de los plaguicidas sobre la microflora edáfica y sus actividades:
1. Los plaguicidas pueden modificar la composición cuantitativa y cualitativa de la microflora.
2. Pueden afectar actividades microbianas como la nitrificación, fijación biológica del N2 y la cantidad de CO2 evolucionado.
3. En algunos casos pueden afectarse las estructuras microbianas.
Se ha demostrado, que tales efectos no son permanentes, sino que duran un periodo de tiempo más o menos largo, después del cual el suelo recupera su equilibrio normal.
Segundo: Efectos de la flora microbiana sobre los plaguicidas.
De los plaguicidas, pese a su amplio uso, los más ampliamente investigados han sido los herbicidas, demostrándose que los mismos pueden ser biodegradados por la microflora telúrica.
Algunos autores han encontrado bacterias que descomponen el Dalapón (2,2 Dicloro propano), entre las que se mencionan los géneros Agrobacterium y Pseudomonas.
Otros autores han comprobado que en el suelo ferralítico rojo, especies de Pseudomonas, Arthrobacter como bacterias y Aspergillus y Fusarium como hongos, fueron capaces de descomponer la 3,4 Dicloroanilina en un período de tres semanas.
También se ha comprobado que los actinomicetos en suelos cultivados con arroz, son capaces de degradar el Diazinon.
Evolución del CO2 en los suelos.
El dióxido de carbono es el producto final en la mineralización de los compuestos carbonados en el suelo. Se emplea para la caracterización microbiológica de los suelos, teniendo en cuenta la cantidad de CO2 que se desprende al cual se le denomina también como evolución del CO2 o capacidad respiratoria del suelo y constituye un índice de la actividad degradativa microbiana en los suelos.
La mineralización de los compuestos carbonados es más rápida en los suelos neutros o ligeramente alcalinos, ya que los suelos ácidos impiden la volatilización del CO2.
Factores que influyen en la evolución del CO2.
1. Tipo de material orgánico.
Mientras más complejo sea el material carbonado presente o añadido al suelo, más lenta será su descomposición y menor la cantidad de CO2 evolucionado.
2-Composición cualitativa de la microflora.
No todos los grupos microbianos tienen la misma eficiencia en el metabolismo de los compuestos carbonados, medida dicha eficiencia en % de carbono total transformado en carbono protoplasmático.
Por ejemplo, los hongos toman de 30 a 40% del carbono con fines plásticos, las bacterias aerobias del 5 al 10% y las anaerobias del 2 al 5%. Estas últimas son muy ineficaces y dejan todavía gran cantidad de productos ricos en carbono sin degradar totalmente.
3- El pH del suelo.
Este factor influye notoriamente, ya que afecta la composición cualitativa de los microorganismos del suelo y su actividad enzimática y metabólica.
4- Nivel de nitrógeno mineral en el suelo.
La presencia de suficiente nitrógeno mineral en el suelo, permite altos niveles de descomposición del material carbonado, al posibilitar una adecuada relación C/N en el protoplasma microbiano, aumentando de esta manera el CO2 desprendido producto de la biodegradación microbiana.
Puede señalarse además, que la mayor parte del carbono de la materia orgánica descompuesta por los diferentes microorganismos del suelo, se libera en forma de CO2, pero incorporan cantidades variables de carbono en los compuestos orgánicos de las células microbianas. Para incorporar el carbono en el protoplasma y otros compuestos orgánicos en sus células, los microorganismos deben utilizar, al mismo tiempo, otros elementos nutritivos, de los cuales los más importantes son N, P, y S.
En general los factores antes mencionados, unidos a otros como un fino estado de desintegración del material carbonado y adecuados valores de temperatura (30 a 45ºC), humedad (65 a 85% de la capacidad de campo) que favorezcan las poblaciones microbianas y sus actividades, incrementan el CO2 evolucionado o emitido en los suelos. Tales aspectos deben tenerse muy en cuenta a la hora de estimar el grado de acumulación o descomposición de la materia orgánica.
El CO2 evolucionado, producto de la actividad biológica en los suelos, juega un papel importante en los procesos pedogenéticos o de formación del suelo, pues el mismo se combina con el agua libre formando ácido carbónico:
el cual reacciona con las rocas y minerales, produciéndose nuevos compuestos, fraccionándose las rocas, etc. Este ácido carbónico formado participa también en la solubilización del fósforo insoluble y en la movilización de otros elementos del suelo.
El humus en el suelo y su importancia
La parte menos digerible o biodegradable de los tejidos vegetales como lignina, resina y los esqueletos animales: uñas, cabellos, cuernos y huesos; sufren un proceso de lenta descomposición. La mezcla de estos residuos de descomposición lenta, la cual se acumula en el suelo, produce un material de residuo blando, esponjoso y algáceo de color oscuro o negro denominado HUMUS.
El humus en el suelo:
Ejerce una importante acción física, pues mejora la estructura, aireación, contribuye a la agregación de las partículas, aumenta la capacidad de retención de agua, ayuda a absorber más calor, aumenta la capacidad tampón y evita cambios bruscos de pH.
Produce cambios químicos en los constituyentes del suelo como hacer más solubles el P, Fe y neutralizar sustancias tóxicas a las plantas.
Influye sobre el estado biológico del suelo, al que hace más favorable para el desarrollo del sistema radical de las plantas y para el crecimiento de los microorganismos.
Desde el punto de vista agrícola, la mineralización del humus es importante, ya que aporta la mayoría de los elementos que provienen de la materia orgánica a las plantas y sirve como fuente de reserva de nutrientes como CO2, N asimilable, etc.
Preguntas de comprobación (Ciclo del Carbono)
1- Señale los principales grupos de microorganismos presentes en el suelo y mencione los métodos empleados para su estudio.
2- Cuáles son los productos finales de la biodegradación de los azúcares simples.
3- Qué factores influyen en la biodegradación de la celulosa.
4- Diga dos de los efectos que producen los plaguicidas sobre los microorganismos.
5- Cuál es la importancia de la evolución del CO2 y el humus en el suelo.
Tema III. Microbiología del suelo
Conferencia No. 2
Descomposición de compuestos nitrogenados en los suelos
Contenido:
Descomposición de compuestos nitrogenados en los suelos. La amonificación o mineralización. Microorganismos participantes. Ecología. Concepciones modernas sobre el proceso de nitrificación. La desnitrificación. Microorganismos participantes. Ecología. Significación agronómica de las transformaciones del nitrógeno en los suelos. Microorganismos participantes. Ecología del proceso. Mecanismos de la fijación. La fijación simbiótica. Microorganismos participantes. Ecología. Significación agronómica de la fijación biológica del nitrógeno atmosférico en la biosfera.
Objetivos:
El estudiante debe saber:
Las vías de transformación de los compuestos nitrogenados en el suelo.
Los factores ecológicos que influyen en la biodegradación de dichos compuestos y su importancia agropecuaria.
El papel que juegan en particular los microorganismos nitrofijadores, como vía de ganancia de nitrógeno para el suelo.
DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS
Descomposición de compuestos nitrogenados.
El nitrógeno, tal como se encuentra en los ácidos nucleicos, en las proteínas y en la clorofila, es el elemento más importante para todas las formas de vida; por consiguiente, ninguna bacteria, hongo, planta verde o animal de cualquier tipo sea, puede creer o funcionar si no capta nitrógeno en manera aceptable.
En la atmósfera terrestre, o disuelto en los océanos, existe naturalmente, una gran cantidad de nitrógeno elemental en forma gaseosa, como también en los suelos o en ciertas rocas terrestres o marinas, pero las plantas y animales no pueden, por si mismas, utilizar este nitrógeno que, por consiguiente, está siempre presente, aunque no utilizado, en los espacios aéreos de los tejidos de las plantas; análogamente, los animales inhalan el aire y rechazan el nitrógeno.
Casi todos los organismos utilizan el nitrógeno únicamente en sus formas combinadas: las plantas verdes crecen bien si se suministra a sus raíces nitratos o sales amónicas, que, en condiciones naturales, pueden obtener usualmente de la tierra, o bien del agua, si son plantas acuáticas. Las plantas pueden sintetizar enzimas y; por lo tanto, proteínas y otros compuestos nitrogenados necesarios para su crecimiento. Los animales carecen de esta facultad, y adquieren el nitrógeno, principalmente consumiendo las proteínas que han sido sintetizadas por las plantas.
De los elementos mayores o macroelementos necesarios a las plantas, el nitrógeno es el que está sujeto a más transformaciones microbiológicas. Este elemento es fundamental en la molécula de proteína y es un componente indispensable del protoplasma de las plantas, animales y microorganismos. El nitrógeno sufre una serie de transformaciones, en que participan compuestos orgánicos e inorgánicos y que pueden resumirse en un ciclo biológico.
Numerosas literaturas y autores proponen diferentes esquemas sobre el ciclo del nitrógeno, los cuales poseen mayor o menor grado de complejidad y en virtud son más o menos asequibles al entendimiento. Por eso propondremos uno, ya tradicional en nuestra cátedra de Microbiología, que si bien es sencillo, se exponen no obstante cada una de las fases en que participan los microorganismos: Fijación biológica (FB), mineralización o amonificación (MA), nitrificación (N), desnitrificación (D), reducción de nitratos (RN) e inmovilización biológica (IB).
CICLO DEL NITRÓGENO
Fijación biológica del Nitrógeno:
En el ciclo del nitrógeno, el factor más importante es la fijación del nitrógeno de la atmósfera. Los procesos naturales de fijación, aunque son contiguos, por lo general, demasiado lentos en ciertas zonas de producción agrícola intensiva.
Cast (1976), calculando la fijación física a través de las lluvias y de los relámpagos; la fijación química a través de los volcanes, de la niebla natural o artificial, de los efluentes industriales y del transporte mecánico, y la fijación biológica; comprobó que la cantidad de nitrógeno fijada artificialmente –es decir, por el hombre– es sólo la mitad de la fijada por medios naturales; a pesar de ello, la fijación artificial del nitrógeno modifica considerablemente el ciclo del nitrógeno en el ecosistema natural.
La fijación biológica del nitrógeno atmosférico es un proceso importantísimo, en el ciclo de este elemento, el cual puede dividirse desde el punto de vista ecológico en dos grandes, simbiótica y no simbiótica (Tena y Magallanes, 1985).
Pese a que no se pone en duda la importancia de la fijación simbiótica del nitrógeno no podemos decir lo mismo de la fijación no simbiótica, cuya importancia es uno de los aspectos más discutidos en la rama de la bioquímica del suelo. No obstante se estima, que en algunos casos, la fijación del nitrógeno mediante microorganismos no simbióticos puede jugar un rol relevante en el ciclo del nitrógeno en diferentes ecosistemas (Dobereiner, 1968; Yoshida y Ancajas, 1971; Dommergues et al., 1973; Klubex y Saujins, 1980; Casselman et al., 1981).
Por fijación biológica se entiende el proceso mediante el cual, determinados microorganismos ya de manera aislada (asimbiótica) o en combinación con plantas superiores (simbiótica), fijan el nitrógeno molecular, convirtiéndola en formas asimilables para las plantas, tales como el amonio (Tisdale y Nelson, 1970; Becking, 1971; Dinchev, 1972; Dobereiner, 1977; Treto, 1982).
Fijación asimbiotica del dinitrógeno atmosférico en los suelos. Microorganismos participantes.
Varios son los microorganismos de vida libre que llevan a cabo la fijación del dinitrógeno atmosférico y si anteriormente se destacaban las bacterias de los géneros Azotobacter, Beijerinckia y Clostridium y algunas algas verdes – azules, hoy podemos decir que si bien el Azotobacter continúa aprovechándose como nitrofijador asimbiótico, se le prefiere más bien como bioestimulantes de la germinación, crecimiento, desarrollo y rendimiento de varios cultivos agrícolas; dada la excreción de sustancias fisiológicamente activas resultado de su metabolismo que tienen tales funciones. Actualmente, como fijadores de nitrógeno asociados a gramíneas, se distinguen los géneros bacterianos Azospirillum y Acetobacter, que se emplean como biofertilizantes. También se utilizan con éxito en arrozales el alga verde–azul Anabaena azollae y el helecho Azolla pinnata, quienes se asocian para nitrofijar.
Atendiendo a sus características, los fijadores asimbióticos de nitrógeno podemos agruparlos en:
Bacterias heterótrofas: Achromobacter, Aerobacter, Clostridium, Azotobacter, Azospirillum, Azotomonas, Acetobacter, Bacillus, Beijerinckia, Derxia.
Bacterias autótrofas: Methanobacillus omelianski.
Algas verde–azules: Anabaenopsis, Tolypotrix, Anabaena, Nostoc, Cylindrospermum.
Bacterias fotosintéticas: Chlorobium, Chromatium, Rhodomicrobium, Rhodospirillum.
Helechos: Azolla, como A. pinnata, A. mexicana, A. caroliniana.
Ecología de la fijación asimbiótica.
Los nitrofijadores asimbióticos, pese a tener un denominador común en cuanto al mecanismo bioquímico del proceso, no obstante, los géneros participantes difieren en sus exigencias nutricionales, caracteres morfológicos y factores ecológicos que los gobiernan.
Un gran número de factores ambientales regula la magnitud de la fijación no simbiótica del nitrógeno y la transformación es marcadamente afectada por las características físicas y químicas del hábitat. Los microorganismos que fijan nitrógeno utilizan tanto los nitratos como las sales amónicas, como fuente de nitrógeno, y por lo tanto la presencia de estos compuestos inhibe la fijación. Algunos nutrientes inorgánicos son necesarios para dicha actividad; el Mo por ejemplo se requiere para el metabolismo del nitrógeno, y la enzima nitrogenasa es activada por este elemento.
Si analizamos las particularidades de algunos microorganismos podemos plantear por ejemplo:
Azotobacter: Es aerobio estricto, mesófilo (óptimo 30ºC) y muy sensible a la acidez, no fija nitrógeno a pH por debajo de 6, siéndole favorable valores entre 7 y 8. La escasez de fosfatos en el suelo limita su desarrollo. La mayoría de las especies de Azotobacter no toleran la salinidad.
Rubenckik (1960), citado por Hamdi (1985); estudiando el efecto de la Azotobacteriana en 1 095 experimentos realizados en la URSS sobre la respuesta al rendimiento por Azotobacter, observó que en 890 de ellos (el 81%) aumentó el rendimiento de los cereales, hortalizas y cultivos industriales.
Beijerinckia: Es un género aerobio. Su distribución geográfica es restringida, pues aunque ha sido aislado en suelos no tropicales (de zonas templadas), es en los suelos tropicales donde principalmente se encuentra en cuanto a número de células por cantidad de suelo, y en menor grado, en los suelos subtropicales (Becking, 1977). Con respecto al pH no es sensible a la acidez como el Azotobacter, pudiendo tolerar hasta pH 3. Becking (1961) demostró que las muestras de suelo que contenían la mayor proporción de muestras positivas de Beijerinckia tenían valores de pH de 5 – 5.4; 5.5 – 5.9 y 6 – 6.4. En los experimentos sobre crecimiento en un medio de cultivo, la fijación máxima de nitrógeno se obtuvo con un pH de 4.5. En algunas variedades el pH óptimo fue de 4; observándose una considerable disminución de la fijación a valores mayores y menores del pH; no obstante, algunos estudios señalan que se han aislado a pH de 8.27 y 7.25. Pueden aparecer en diferentes cultivos, tanto en la rizosfera como filosfera.
Clostridium: Son abundantes en los suelos. Se encuentran en valores de pH 5 y pueden crecer hasta un pH 9. Son anaerobios, pero se les puede encontrar en suelos aireados, pero resultan ineficientes en la nitrofijación.
Algas verdes–azules: Pueden vivir en muchos lugares, desde el Antártico hasta los trópicos; pudiendo tolerar tanto bajas como altas temperaturas. Son frecuentes en suelos inundados, como los arrozales.
Las algas verde–azules que fijan el nitrógeno pueden asimilar fácilmente el nitrógeno orgánico, y cuando hay nitrógeno combinado, puede ser asimilado preferentemente inhibiendo así la fijación. En cuanto a los nutrientes De y Sulaiman (1950), citados por Hamdi (1985) han señalado que añadiendo fosfatos a los arrozales, ya sea en forma soluble, como el fosfato potásico, o insoluble, como el fosfato cálcico, se estimula a la nitrofijación. Se ha demostrado que el Ca es necesario para el crecimiento de las algas verde-azules; así como el Co, Mo, B y Mn los cuales son esenciales para el crecimiento y desarrollo de varias especies.
Stewart (1975) ha citado numerosos estudios sobre la relación de la luz y la nitrogenasa con las algas verde–azules que viven independientemente y con los líquenes. Por lo general hay una correlación entre la fijación del nitrógeno y la reducción del acetileno.
Las algas verde–azules son atacadas por diversos organismos, como áfidos, protozoos, hongos, bacterias y virus (Singh, 1978), ataques que se manifiestan en forma de manchas pálidas o blancas, de anillos, o de trozos de algas. La variabilidad, de un campo a otro, de las poblaciones de algas, y su repentina desaparición son atribuibles, en general, a los ataques de estos organismos.
Azospirilum: En 1922, Beijerinck comunicó la existencia de un Spirillum que fijaba el nitrógeno en un cultivo enriquecido con Azotobacter chroococcum: al principio predominado Azotobacter spirillum, pero más tarde, en 1925, lo denominó Spirillum lipoferum. Posteriormente se encontró que el Spirillum era común en suelos con rizosfera o en suelos libres, de climas diferentes y se ha encontrado en asociación con varias plantas. En cuanto a su ubicación taxonómica Krieg (1977) sugirió el nombre genérico de Azospirillum y dio nombre a dos especies: A. lipoferum y A. brasiliensis.
Hay repetidos indicios de que Azospirillum lipoferum está presente en la superficie de las raíces del maíz, de la Digitaria y de otras hierbas, así como dentro de las raíces (Burris, 1977; Dobereiner, 1978).
Según Dobereiner (1966), además de Azotobacter paspali asociada a Paspalum notatum, fueron aisladas, asociadas a gramíneas forrajeras, cuatro especies de Azospirillum; apreciándose A. brasilense en gramíneas de clima templado y A. lipoferum en gramíneas tropicales. A. amazonense fue encontrada en la rizosfera y superficie de gramíneas en la Amazonia y Río de Janeiro (Magalhaes et al.; 1983; Magalhaes y Dobereiner, 1984). Umali – García et al. (1980) observaron infección de raíces de Panicum con A. brasilense y Smith et al. (1978), mostraron efectos de la inoculación en esta gramínea con A. brasilense en condiciones de campo.
Recientemente se ha identificado otra bacteria diazotrófica adaptada a suelos salinos y a altas temperaturas (la óptima es 40ºC) llamada Azospirillum hamalopraeferans (Reinhold et al., 1987), que hasta el momento sólo fue encontrada asociada a una grama forrajera en Pakistán (Leptochloa fuscal).
En cuanto a aspectos ecológicos Azospirillum se desarrolla bien a temperaturas entre 32 y 40ºC. Prefiere un pH entre 6.8 y 7.8. Para el crecimiento de Azospirillum lipoferum (Spirillum lipoferum) en condiciones que requieren fijación del nitrógeno es esencial la regulación de la presión parcial del oxígeno. Si se suministra amoníaco como fuente de nitrógeno, el organismo crece como uno típicamente aerobio; cuando el organismo está fijando nitrógeno, opera como un organismo microaerofílico (Burris, 1977).
Es importante en el futuro en nuestro país, desarrollar trabajos investigativos, sobre la nitrofijación asimbiótica por Azospirillum y Acetobacter dado lo promisorio en este campo de la ciencia.
Bioquímica de la fijación asimbiótica:
Los microorganismos que asimilan biológicamente nitrógeno son únicos, pues este elemento es un gas inerte. La enzima responsable de esta fijación es la nitrogenasa. Los microorganismos que fijan nitrógeno tienen esta enzima y la presencia de hidrógeno impide que sea asimilado. Como se sabe dicha enzima actúa sobre el hidrógeno y lo hace reaccionar con varios compuestos los cuales resultan reducidos. También el óxido nitroso impide la fijación. En el esquema se muestran las reacciones de este proceso.
BIOQUIMICA DE LA FIJACION ASIMBIOTICA
La fijación simbiótica del dinitrógeno atmosférico. Microorganismos participantes.
Una simbiosis se produce cuando dos organismo viven juntos y ambos se benefician. Este es el caso de la unión de las bacterias del género Rhizobium (microsimbionte) con plantas de la familia de las fabáceas (macrosimbionte). Estas bacterias se desarrollan en nódulos producidos en las raíces de las plantas para su nutrición.
Entre los distintos sistemas biológicos que son capaces de fijar N2, la simbiosis Rhizobium-Leguminosas contribuye con la mayor cantidad de nitrógeno al ecosistema y a la producción de alimentos. Se calcula que la fijación de dinitrógeno por las plantas leguminosas alcanza 20% de la cantidad total fijada anualmente sobre el planeta, con valores similares a los de la producción mundial de fertilizantes nitrogenados (Martínez, 1986).
Los macrosimbiontes: Las fabáceas, conocidas anteriormente como leguminosas, nombre muy común en la literatura mundial, hoy se les clasifica como:
División: Spermatophyta
Subdivisión: Magnoliophytina
Clase: Magnoliatae
Orden: Fabales
Familia: Fabaceae
Desde muchos siglos atrás se sabe, que las plantas leguminosas poseen propiedades especiales, las cuales posibilitan el mejoramiento de la fertilidad de los suelos. Esto fue base en la práctica antigua, de la rotación de leguminosas con plantas no leguminosas y la utilización del cultivo intercalado e intercosecha entre leguminosas y no leguminosas, con vistas a incrementar la productividad de los cultivos (Burris, 1982; Saniel, 1982; Cubero, 1983 y otros)
Las plantas leguminosas tienen grandes posibilidades de adaptación, lo cual les permite cultivarse en la mayoría de las zonas climáticas del mundo, pero tal capacidad adaptativa de cada tipo y variedad es muy limitada (Sinha, 1978).
El frijol (Phaseolus vulgaris, L) sufre muchísimo las épocas de sequías, fundamentalmente cuando coincide la floración y el desarrollo de los frutos (Guiurova, 1960). Tales condiciones provocan la caída de flores, frutos y vainas jóvenes, achaparramiento y madurez prematura, fundamentalmente cuando el aire seco está acompañado de altas temperaturas y combinado con fuertes vientos (Guiurova, 1960; Koinov, 1973; López, 1984).
El frijol es mucho más exigente al suelo que otras leguminosas de grano. Exige suelos ligeros, permeables y con aguas freáticas profundas; pero que sean ricos en sustancias nutritivas. Su desarrollo óptimo lo alcanza a pH neutro o ligeramente alcalino, siéndole desfavorable los suelos ácidos y salinos (Koinov, 1973).
Los microsimbiontes: Son en este caso las bacterias del género Rhizobium, que entran en simbiosis con las leguminosas para producir la fijación.
Rhizobium es un género Gram-, esporógeno y cuyas especies móviles tienen forma de bastoncillos. Este género, según el Bergey's manual of determinative bacteriology, 1974 pertenece dentro de la Parte 7 a la Familia III: Rhizobiaceae. En realidad estas bacterias son muy similares en su morfología y fisiología a Agrobacterium radiobacter y sólo se diferencian en la facilidad que tiene Rhizobium para formar nódulos en las leguminosas.
Otra característica de las bacterias del género Rhizobium es la de presentar un marcado polimorfismo. Por ejemplo, cuando se encuentran en los nódulos, estas bacterias pueden tener forma de varilla, X, Y, T o pueden ser ramificadas. Estas formas reciben el nombre de bacteroides y se logran artificialmente añadiendo alcaloides a los medios de cultivo.
Durante la mayor parte de su existencia, los rizobios sobreviven en el suelo como bacterias sin asociarse: en ausencia de una leguminosa huésped, no sólo sobreviven sino que incluso crecen, y cuando la raíz de una leguminosa apropiada se interpone en el medio de los rizobios se produce un fenómeno notable: el reconocimiento mutuo de dos asociados compatibles. La raíz de la leguminosa reconoce, entre todas las otras bacterias, incluidos los demás rizobios vecinos, el tipo de rizobio idóneo, y el rizobio reconoce, a su vez, entre todas las demás raíces que puedan encontrarse en las proximidades, el tipo más idóneo de raíz leguminosa (Schmidt, 1978).
En la fijación simbiótica, algunos tipos microbianos, fundamentalmente del género Rhizobium poseen la capacidad de utilizar el nitrógeno atmosférico; estos microorganismos están obligados a establecer asociación simbiótica con las plantas leguminosas (Becking, 1971; Dinchev, 1972; Bartholomew, 1972; Dobereiner, 1977; Herrera, 1983 y otros).
El género Rhizobium –que se incluye en la familia Rhizobiaceae– está constituido por seis especies, las cuales han recibido sus nombres sobre la base de especies vegetales que las alojan con frecuencia, quedando fuera un gran número de cepas que mantienen relaciones con una amplia variedad de especies vegetales hospedantes, las cuales se han agrupado en las misceláneas cowpea y lotus (Hamdi, 1985, Martínez, 1986) y que algunos autores denominan grupo 7 que incluye el Rhizobium sp, quien puede asociarse a leguminosas como Vigna, maní y otras especies de Phaseolus.
No | Especie de Rh. | Huésped preferido | |||||||||
1 | Rh. leguminosarum | Pisum, Vicia, Lathyrus, Lens | |||||||||
2 | Rh. trifolii | Trifolium | |||||||||
3 | Rh. phaseoli | Phaseolus vulgaris, P. angustifolia | |||||||||
4 | Rh. meliloti | Medicago, Melilotus, Trigonella | |||||||||
5 | Rh. lupini | Lupinus, Ornithopus | |||||||||
6 | Rh. japonicum (Bradyrhizobium japomicum) | Glycine max | |||||||||
7 | Rh, sp. | Vigna, Cowpea | |||||||||
Otro aspecto a señalar sobre ambos simbiontes es lo siguiente: la transferencia genética dentro del género Rhizobium, que según Schwinghamer (1977) examinó varios informes relativos a pruebas de transformación, transducción, conjugación y transferencia de plásmidos dentro del género Rhizobium.
Por otro lado dentro de las leguminosas, existen grupos de inoculación cruzada, que son los grupos de leguminosas que pueden intercambiarse mutuamente: en la actualidad se conocen siete de estos grupos (Hamdi, 1985).
Ecología de la fijación simbiótica:
Si tenemos en cuenta que este proceso es llevado a cabo por dos organismos, los factores ambientales deben favorecer pues a ambos simbiontes, para que se logre una fijación efectiva.
Numerosos autores como Dinchev (1972), Bartholomew (1972) y otros, plantean que las condiciones óptimas para que se lleve a cabo este proceso son: buen desarrollo del sistema radical de la planta; así como fertilidad, humedad y buena aireación en el suelo. Además de eso, es necesario un adecuado suministro de P, K y algunos microelementos como Mo, Co, B; pH favorable y temperatura óptima del suelo.
Por su parte Bartholomew (1972) señala otro factor importante en la simbiosis relacionado con el desarrollo de la planta hospedante, ya que un buen desarrollo de ésta, puede aportar mayor nitrógeno en comparación con otra planta con pobre desarrollo. Este propio autor plantea, que tanto para los procesos simbióticos como no simbióticos, es importante tener en cuenta que la fijación es desfavorecida o impedida por cantidades efectivas de nitrógeno mineral asimilable en el suelo. El llama la atención, que cuanto mayor es el nivel de nitrógeno en el suelo, tanto menor será la cantidad de nitrógeno fijada biológicamente.
Se ha podido comprobar según Hamdi (1985), que el Fe es esencial para los rizobios, y son también beneficiosas las sales, en bajas concentraciones.
Vincent (1977), señala la necesidad del Ca y Mg en concentraciones totales de 0.5 µmoles, valores inferores a 0.025 µmoles Ca y 0.1 µmoles Mg son perniciosos.
Los rizobios necesitan también Zn y Mn pero en bajas concentraciones (0.1 – 1.0 µmoles).
Este género es aerobio y según Graham (1963), en ensayos realizados ningún rizobio creció en anaerobiosis, aunque con menos de 0.01 atm de O2 se obtuvieron crecimientos excelentes.
Con respecto al pH, Hamdi (1985) señala que en general todos los rizobios crecen en un pH comprendido entre 5.5 y 7.5. Su tolerancia a la acidez es por orden decreciente: (R. lupino, R japonicum, R spp) > (R. leguminosarum, R. trifolii, R. Phaseoli) > (R. Meliloti). Su tolerancia a la alcalinidad es en el orden inverso.
Continúa planteando este autor, que según los datos disponibles, los rizobios crecen a temperaturas de 0 – 50º C, con un óptimo entre 20 – 28º C, aproximadamente.
Allison y Ludwig (1934), Virtanen (1947), Waskman (1963), Sypniewska (1968), Raju y Varma (1984) y otros; coinciden en plantear, que la presencia de nitrógeno asimilable en el suelo, disminuye el número y dimensiones de los nódulos radicales.
En la mayoría de las investigaciones ya está establecido, que la inoculación con razas efectivas de Rhizobium contribuye al incremento de los rendimientos en las plantas leguminosas, gracias al resultado de la nodulación así como también por la utilidad de la fijación del nitrógeno (Patil y Medhane, 1974).
Bioquímica de la fijación simbiótica:
Los nódulos de leguminosas que fijan activamente el nitrógeno, son reconocidos por el color rojo escarlata que les suministra una sustancia que contiene Fe denominada Leghemoglobina, cuyo grado de efectividad está en relación con la cantidad que de ella exista en los tejidos celulares.
No se conoce muy bien el papel de ese pigmento en la fijación, aunque se sabe que es reducido por el hidrógeno y oxidado por el nitrógeno.
La vía considerada para explicar esta fijación, es que ocurre mediante la formación de ácido glutámico a partir del nitrógeno molecular, con el amonio como producto intermedio.
Significación agroeconómica de la fijación biológica del dinitrogeno atmosférico en la biosfera.
Este es un aspecto que puede ampliarse bastante, sin embargo nos limitaremos a algunas citas bibliográficas.
Sabido es, que las plantas leguminosas en simbiosis con bacterias nodulares, así como algunos microorganismos de vida libre y algas verdes–azules se nutren del nitrógeno del aire. Ellas pueden incrementar el contenido de nitrógeno en el suelo y contribuir al incremento del rendimiento a los cultivos subsiguientes (Sokolov, 1957).
Según Bartholomew (1972), los procesos biológicos para la fijación del nitrógeno, han sido grandes proveedores de enormes cantidades de nitrógeno para garantizar la producción de los cultivos agrícolas en todo el mundo. Señala además este autor, que la cantidad de nitrógeno fijado sobre una hectárea, varía de algunos Kg/ha en los cultivos leguminosos, hasta 300 – 500 Kg / ha con altos rendimientos en el cultivo de la soya.
Dobereiner (1977) plantea, que la utilización de fertilizantes minerales como suministrador de nitrógeno a los cultivos, provoca algunas limitaciones, como por ejemplo su alto precio, ante todo, en los países subdesarrollados, en los cuales es necesario importarlos del exterior, o procurarse combustible para su producción, así como el riesgo de contaminación ambiental, sobre todo en las regiones tropicales. Asevera este autor, que la utilización de los sistemas biológicos disminuye los costos, la acumulación de nitrógeno en forma mineral es menor y las plantas lo asimilan rápidamente.
La amonificación o mineralización. Microorganismos participantes.
Constituye dentro del ciclo biológico del nitrógeno una fase importantísima, pues como resultado de la acción biodegradativa de diferentes tipos microbianos, el nitrógeno orgánico; ya sea de origen animal, vegetal o microbiano e incluso compuestos sintéticos producidos químicamente por el hombre, son liberados en forma inorgánica amoniacal, el cual puede satisfacer parte de la demanda nutricional de la planta, que como sabemos tiene nutrición autotrófica.
La mineralización comprende reacciones hidrolíticas en las cuales por acción de las enzimas, se forman compuestos micromoleculares sobre los que actúan posteriormente los microorganismos. El proceso, al igual que el de la descomposición de la materia orgánica no nitrogenada, comienza con la hidrólisis de las sustancias macromoleculares seguida de la descomposición de los productos hidrolíticos –principalmente los aminoácidos- lo que da lugar a la amonificación. De acuerdo con las condiciones del medio, los productos finales de la descomposición comprenden –cuando la descomposición es aerobia– amoniaco, anhídrido carbónico, agua, sulfato y ácido sulfúrico, y cuando esta es anaerobia; amoniaco, agua, anhídrido carbónico, mercaptanos, indol y escatol.
No resultaría fácil aludir la amonificación o mineralización de todos los compuestos orgánicos nitrogenados, por eso, haremos hincapié en dos de ellos: las proteínas, componente principal de la materia orgánica y la urea, este último fertilizante nitrogenado orgánico sintético, que aún tiene uso en la agricultura mundial y cubana.
Descomposición de las proteínas.
La descomposición microbiana de las proteínas, es uno de los procesos microbiológicos de mayor importancia en la naturaleza. Esta descomposición hidrolíticamente se realiza por pasos hasta llegar al estado de aminoácidos, unidad estructural de las proteínas:
En cada uno de los pasos del proceso biodegradativo, participan enzimas diferentes, del tipo exoenzimas hidrolíticas, denominadas de manera general como proteolíticas.
En la materia orgánica pueden existir varias clases de proteínas, algunas de las cuales son más resistentes a la hidrólisis que otras, lo que hace que la proteólisis sea un fenómeno bastante complejo, complicándose aún más por el hecho de estar también las proteínas combinadas con otros compuestos tales como lipoproteínas, glucoproteínas y nucleoproteínas.
Todos estos compuestos requieren enzimas diferentes para su descomposición. Los microorganismos participantes en la descomposición son bacterias, hongos y actinomicetos. Aunque los actinomicetos desempeñan un gran papel en la amonificación del producto nitrogenado del humus, en sentido general se estima que en el suelo no pueden competir con los hongos ni con las bacterias como mineralizadores, a causa de su lento crecimiento.
Entre las bacterias tenemos: Bacillus, Bacterium, Pseudomonas, Proteus.
Los hongos más frecuentes son: Trichoderma, Penicillium, Mucor, Aspergillus, Alternaria, Cladosporium.
Después de la hidrólisis inicial, los aminoácidos son desaminados, según los esquemas siguientes:
Como puede apreciarse, los aminoácidos son reducidos a algunos derivados dependiendo del organismo y las condiciones de descomposición. Las enzimas que participan en estas reacciones son endoenzimas. El principal producto de la descomposición de los aminoácidos es el amoníaco, que posteriormente puede ser empleado por las plantas y por los microorganismos, o ser adsorbido a los coloides, u oxidado a nitrato, e incluso ser lavado de los suelos.
Descomposición de la urea.
Este compuesto nitrogenado orgánico puede ser empleado tanto para la nutrición animal como la fertilización de los suelos. Otros por su parte malgastan este producto en el enfriamiento de cervezas y refrescos o lo emplean impunemente para el desarrollo exuberante de hortalizas de hoja.
Además de fertilizante, también puede llegar al suelo en los productos de excreción de los animales y por la destrucción de las bases nitrogenadas contenidas en los ácidos nucleicos.
La urea cuando se añade al suelo es hidrolizada rápidamente. La transformación es un proceso aerobio, sin embargo, puede ocurrir también en condiciones anaerobias ya que la ureasa (exoenzima) puede retenerse en los suelos. Por otra parte, la flora no específica que sintetiza también la enzima y que comprende bacterias, hongos y actinomicetos puede, como en el caso de Pseudomonas fluorescens –anaerobio facultativo-, llevar a cabo, aunque débilmente, el proceso en condiciones anaerobias.
Sin embargo, existen géneros llamados ureolíticos no sólo por su capacidad de hidrolizar la urea, sino por resistir altas concentraciones de ésta y además soportar un medio fuertemente alcalino. Estas verdaderas bacterias ureolíticas están ampliamente diseminadas en la naturaleza, aunque son afectadas por la acidez y por lo tanto no son frecuentes en suelos de pH inferior a 5.5. Abundan en los suelos húmedos, en el estiércol y en las aguas de desecho de las ciudades. Las especies más frecuentes son: Micrococcus ureau, Sarcina ureau, Bacillus pasteurii, Bacillus freudenreichii.
La descomposición de la urea se lleva a cabo en dos etapas:
Ecología de la amonificación:
Los factores ecológicos que tienen influencia en este proceso son:
Humedad y aireación: El proceso, aunque puede llevarse acabo en condiciones aerobias y anaeróbicas; no obstante valores de humedad entre el 65 – 85% CC que posibilite adecuado balance aire – agua en el suelo, favorecen la amonificación.
Reacción del suelo o pH: Ejerce influencia sensible en este proceso, pues puede determinar sobre el tipo de microorganismo actuante y dentro de estos en su intensidad. A pH 7 se favorece.
Relación C/N: Es la relación que existe entre el carbono total y el nitrógeno total presente en el suelo, en un sustrato o en un microorganismo.
Cuando un sustrato orgánico llega al suelo, los microorganismos heterótrofos comienzan a descomponerlo y a utilizar el C y N contenido en él para su nutrición; como consecuencia de ello la población se incrementa, aumentando así la demanda de ambos nutrientes.
Si la relación C/N = 33/1 los microorganismos utilizarán el N para sus necesidades "Inmovilizándolo" en el interior de sus células, no permitiendo liberación al medio de amonio y por ende los otros consumidores de N como son las plantas, se ven privadas de tan importante nutriente. Es decir, ocurre una inmovilización biológica.
Cuando la relación C/N está entre 33/1 y 25/1 se establece un equilibrio entre el N consumido y el liberado.
Si la relación C/N < 25/1 ocurre una franca mineralización, o sea, el N orgánico está siendo transformado o incorporado al medio en forma de N mineral.
Tipo de material nitrogenado: Evidentemente en dependencia de la complejidad del compuesto nitrogenado, así será la velocidad del proceso de mineralización.
Es importante destacar que en los países tropicales y subtropicales como el nuestro a diferencia de los países de zonas templadas, existe una alta mineralización de la materia orgánica y en virtud la relación C/N es baja, oscilando en valores de 10/1 – 15/1; lo cual justifica la necesidad de la fertilización orgánica o la incorporación de materiales orgánicos que enriquezcan el suelo y mantengan su potencial agroproductivo.
Inmovilización biológica del nitrógeno:
Es el proceso mediante el cual los microorganismos incorporan el nitrógeno al protoplasma celular con fines plásticos.
Como ya apuntamos, este proceso se ve favorecido cuando en el suelo existe una alta relación C/N.
En las sustancias alimenticias que utilizan para su desarrollo, los microorganismos activos en la descomposición de la materia orgánica necesitan compuestos orgánicos como fuente de carbono, y compuestos orgánicos nitrogenados, nitratos o sales amónicas, como fuentes de nitrógeno. Además requieren agua, fosfatos, sulfatos, cloruros; así como vestigios de otros elementos.
Si la materia orgánica que los microorganismos descomponen contiene más del 1.7 % de N la cantidad de este elemento es suficiente para servir como alimento para su desarrollo; si la proporción es menor, la cantidad de nitrógeno no es suficiente para satisfacer las necesidades de las células. En estas condiciones, los microorganismos deben utilizar las sales amónicas y los nitratos que existen en el suelo para obtener el nitrógeno que necesitan, inmovilizándolo.
No obstante, las células de los microorganismos viven relativamente poco tiempo, y después de su muerte, los compuestos nitrogenados que contienen son transformados por otros microorganismos. La capacidad de los microorganismos para fijar cantidades considerables de nitratos y sales amónicas a sus células puede tener importancia práctica, pues puede privar a las plantas de los mismos.
La nitrificación. Microorganismos participantes.
La nitrificación es el proceso de transformación biológica mediante el cual el amoníaco o las sales amoniacales, son transformados en nitratos con la producción intermedia de nitritos. Este proceso se realiza según el esquema general siguiente:
La fase I es más lenta que la fase II, razón por la que no se acumulan nitritos en el suelo, lo cual es conveniente, dada la toxicidad del anión NO2-.
Entre los microorganismos participantes se tienen:
Fase I: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosocystis, Nitrosoglea.
Fase II: Nitrobacter, Nitrocystis.
Estas bacterias según el Bergey's manual of determinative bacteriology, 1974 se agrupan en la Parte 7.
De estos géneros sólo Nitrosomonas y Nitrobacter se encuentran con frecuencia y los don son los mayores nitrificantes autotróficos. Del primero, dos especies son reconocidas: Nitrosomonas europea y Nitrosomonas monocella. Las especies de Nitrobacter son N. winogradsky y N. agilis.
Todas las bacterias autótrofas nitrificantes obtienen el carbono del CO2; el N que necesitan para fines sintéticos lo obtiene del amoníaco (Nitrosomonas y Nitrosococcus) o del ácido nitroso (Nitrobacter) y los demás elementos nutritivos necesarios para fines sintéticos los obtienen de sustancias inorgánicas. Las reacciones de oxidación que producen estas bacterias son su única fuente de energía. Los ácidos nitroso y nítrico formados, reaccionan con las bases y ciertas sales del suelo para formar nitritos y nitratos, respectivamente.
Ecología de la nitrificación:
El conocimiento de las condiciones que afectan las actividades y desarrollo de las bacterias nitrificantes, y por consiguiente, la formación de nitratos a partir de sales amónicas, es de gran interés para la agricultura.
Influencia del pH: El pH óptimo del suelo para la respiración y desarrollo de Nitrosomonas, Nitrosococcus y Nitrobacter es 6.5 – 8. Estas bacterias pueden respirar, lentamente, en los suelos ácidos hasta pH 3.5 y en los alcalinos, hasta un pH 10 pero su máxima respiración y desarrollo tienen efecto en medios casi neutros; la diferencia en índice de nitrificación puede ser atribuida a razas adaptadas a diversos niveles de acidez.
Sustancias amortiguadoras o tampón: En ausencia de ellas, los productos ácidos derivados de la nitrificación provocan rápidamente la acidificación del suelo, en grado tal, que se inhiben la respiración y el desarrollo de las bacterias nitrificantes.
La nitrificación se realiza mejor en suelos que contienen abundantes sustancias amortiguadoras, las que resisten un cambio en la concentración de iones hidrógeno provocado por los ácidos nitroso y nítrico.
Humedad: Los valores óptimos deben estar entre 65 – 85 % CC, por encima o por debajo de estos límites resultan perniciosos.
Oxígeno libre: Su presencia las favorece, pues son aeróbicas. La ausencia de éste inhibe su desarrollo.
Sales amónicas: Su presencia estimula el proceso, pues constituyen su sustrato inicial. Sin embargo, una fuerte concentración de iones amonio tiene acción inhibidora sobre Nitrobacter, principalmente en cultivos de laboratorio.
Temperatura: La óptima está entre 30 – 35º C pudiendo variar este rango de acuerdo con las razas existentes, a < 10º C y > 40º C el proceso se hace muy lento.
Materia orgánica: En condiciones de laboratorio, el proceso se ve perjudicado por la presencia de pequeñas cantidades de materia orgánica soluble y es aceptado, generalmente, que esto suceda así. Sin embargo, en condiciones de campo, la adición de materiales orgánicos tiene un efecto beneficioso.
Lo anterior puede explicarse al considerar que en condiciones de laboratorio sea dañino, por tratarse de un sistema limitado en las interacciones mutuas, lo que no sucede en el suelo, que un sistema abierto, donde este tipo de materia es oxidado rápidamente por los microorganismos heterótrofos, beneficiándose en este caso los nitrificantes al aumentar la amonificación.
Concepciones modernas sobre el proceso de la nitrificación:
Como se sabe constituyen los nitratos la forma principal de absorción del nitrógeno por las plantas, esto hace presuponer que si el proceso se intensifica, pudiera mejorarse la nutrición autotrófica de la planta y en virtud incrementarse los rendimientos agrícolas. Sin embargo, debemos analizar los inconvenientes que este proceso entraña.
Los nitratos dado su solubilidad, son fácilmente lixiviables en los suelos. Esto puede dar lugar a que escaseen y además al incorporarse a las aguas freáticas, acumularse y luego resultar tóxicos a la salud humana al ser consumidas por el hombre, las plantas y animales que allí subsistan.
Los nitratos pueden además reducirse totalmente hasta nitrógeno molecular que escapa a la atmósfera, o sufrir una reducción parcial y transformarse en NO2- que son tóxicos a los vegetales, animales y el hombre o convertirse en NH3+ que también escapa a la atmósfera. Todo esto empobrece el suelo en nitrógeno.
Por lo antes expuesto hoy en día en la agricultura moderna, se habla de la inhibición de la nitrificación, mediante sustancias químicas sintetizadas por el hombre en laboratorios científicos, con vistas a eliminar los aspectos desfavorables de este importante proceso dentro del ciclo biológico del nitrógeno.
Algunos trabajos importantes sobre el empleo de inhibidores de la nitrificación han sido desarrollados en Alemania, Bulgaria e incluso Cuba, pero los resultados aún no han sido extendidos a gran escala.
La desnitrificación. Microorganismos participantes.
En condiciones anaerobias, los nitratos pueden ser reducidos por numerosas bacterias heterótrofas. Si los productos de la reducción son nitritos y sales amónicas el proceso se denomina REDUCCION DE LOS NITRATOS. Si la reducción es completa y se forma nitrógeno gaseoso u óxido nitroso (N2O), se llama DESNITRIFICACION. La reducción de los nitratos y la desnitrificación son el resultado de la respiración anaerobia que se verifica en la oxidación – reducción intermolecular.
Las bacterias heterótrofas, facultativas o anaerobias; usan los nitratos como fuente de oxigeno y los reducen en condiciones anaerobias para oxidar compuestos oxidables como monosacáridos, glicerina, ácidos grasos o aminoácidos. Las bacterias autótrofas, facultativas o anaerobias, usan los nitratos como fuente de oxigeno y en condiciones anaerobias los reducen para oxidar elementos o compuestos simples.
El crecimiento de las bacterias participantes en estos procesos no depende de la presencia de nitratos, ya que ellos también son activos en la proteólisis, la amonificación, y otras transformaciones. El número de bacterias desnitrificantes puede sobrepasar el millón en los suelos arables, pero esto no debe interpretarse en el sentido de que pueda haber una gran desnitrificación. La reducción de los nitratos puede ser resultado de la acción de un sin número de géneros, pero la desnitrificación está limitada a los géneros Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus y Micrococcus y a la especie autótrofa Thiobacillus denitrificans.
Dentro de las ecuaciones generales de estos procesos se tienen:
Ecología de la desnitrificación:
Dentro de los factores que favorecen tanto la desnitrificación como la reducción de los nitratos se tienen:
Nitratos y materia oxidable del suelo: Como en su mayor parte las bacterias anaerobias facultativas que hacen la reducción de nitratos y la desnitrificación son heterótrofas, la abundancia de materia orgánica oxidable y de nitratos favorece estos procesos. La abundancia de materia orgánica oxidable, no sólo proporciona alimento energético a estas bacterias, sino que también pueden contribuir a crear las condiciones anaerobias necesarias.
Oxígeno: La ausencia de oxigeno libre favorece ambos procesos y su presencia los inhibe o detiene completamente.
Humedad: En los suelos inundados o anegados (100% CC) se ven favorecidos ambos procesos, no así en suelos relativamente secos donde rara vez ocurre.
pH del suelo: Algunas especies de bacterias pueden producir la reducción de nitratos y la desnitrificación en suelos de acidez hasta pH 2, otras son activas en suelos alcalinos hasta pH 10, pero la mayoría de ellas se desarrollan mejor a pH casi neutro.
Temperatura: Las bacterias de ambos procesos en su mayoría son mesófilas, y por eso estos procesos se realizan más rápidamente entre 15 y 45º C.
Significación agroeconómica de las transformaciones del nitrógeno en los suelos.
Este es un aspecto del cual pudiera hablarse muchísimo, pues se trata de reunir todo lo referido al ciclo biológico del nitrógeno. Sin embargo, sería interesante escuchar la opinión de algunos estudiantes al respecto, como modo de corroborar si la información brindada por el profesor ha sido asequible y si ha existido o no apropiación de conocimientos.
Preguntas de Comprobación (Ciclo del Nitrógeno)
1.- Mencione cuatro procesos microbiológicos que participan en el ciclo del nitrógeno.
2.- Cómo influye el pH del suelo en los procesos de amonificación y nitrificación.
3.- Importancia de la asociación entre el Rhizobium y leguminosas para la producción de granos como alimento humano.
Tema III. Microbiología del Suelo
Conferencia No. 3
El fósforo en la naturaleza
Contenido:
Transformaciones de los compuestos del fósforo en los suelos. Microorganismos participantes. Ecología. Transformaciones de los compuestos azufrados en los suelos. Microorganismos participantes. Ecología. Significación agronómica de ambos procesos.
Las interacciones entre los microorganismos del suelo y las plantas superiores. La espermosfera y la filosfera. Microorganismos participantes. La Rizosfera. Sus componentes. Relaciones entre los microorganismos. Ecología. Las micorrizas. Tipos. Microorganismos participantes. Ecología. Significación agronómica de las interacciones microbianas y las plantas.
Objetivos: El estudiante debe saber:
Las vías de transformación de los compuestos del fósforo y azufre en el suelo.
Los factores ecológicos que influyen en la biodegradación de tales compuestos y su importancia agropecuaria.
Las interacciones mutuas entre las plantas y microorganismos y la importancia agropecuaria de dichas relaciones.
Los factores ecológicos que influyen en dichas interacciones y el papel de las micorrizas en la nutrición y protección de las plantas.
DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS
El fósforo en la naturaleza.
El fósforo se encuentra en la naturaleza contenido en moléculas de muchos compuestos orgánicos e inorgánicos, pudiendo ser incorporadas al suelo a través de los restos de plantas, microorganismos y animales; así como en forma de fertilizantes.
Para algunos autores, los compuestos orgánicos del fósforo pueden llegar a constituir entre el 50 y el 60% de la cantidad total del fósforo del suelo, mientras que otros estiman cantidades superiores y comprendidas entre el 15 y el 80%.
Entre los compuestos orgánicos del fósforo más abundantes en los restos vegetales, animales y microbianos están la fitina, nucleoproteínas, ácidos nucleicos, fosfolípidos y otros.
Las formas minerales del fósforo en los suelos están representadas por las apatitas, hidroxiapatitas, fluorapatitas y oxiapatitas; las que se encuentran formando parte de la roca madre y se caracterizan por su gran insolubilidad.
Un segundo grupo de fosfatos minerales lo constituyen aquellos que se encuentran retenidos en la superficie de los óxidos hidratados de hierro, aluminio y manganeso, que son también poco solubles y asimilables.
Un tercer grupo de fosfatos minerales, algo más solubles que las anteriores y que tienden a predominar en los suelos neutros y alcalinos, lo constituyen los fosfatos cálcicos en sus tres formas: fosfato monocálcico, fosfato dicálcico y fosfato tricálcico. Los dos primeros son medianamente solubles, mientras que el tercero tiene gran insolubilidad y es de difícil asimilación por plantas y microorganismos.
Un último grupo de fosfatos está representado por los fosfatos de sodio, potasio y magnesio; los cuales son muy solubles.
Las plantas absorben su fósforo casi exclusivamente como iones fosfato inorgánicos, probablemente solo como iones PO4H2- y posiblemente a causa de esto es por lo que muchas plantas sufren deficiencia de fosfato sobre suelos alcalinos, pues la proporción de iones fosfato solubles en la forma PO4H2- llega a ser muy pequeña si el pH sube por encima de 8.
CICLO DEL FÓSFORO
Las plantas son relativamente poco eficaces para utilizar los fosfatos del suelo en las condiciones normales de cultivo, raramente absorben más del 20 al 30% de la cantidad suministrada como fertilizante.
Transformaciones de los compuestos del fósforo en los suelos. Microorganismos participantes.
Las transformaciones que sufre este elemento en el suelo, las interconexiones entre las distintas formas o fracciones en las que se encuentra el elemento, etc.; se conoce tradicionalmente como ciclo del fósforo. Lo más notable de este ciclo es, que solo el 1% ó menos del fósforo del suelo es incorporado a la vegetación en el período de cosecha.
Las transformaciones biológicas de los compuestos del fósforo en los suelos pueden tener varios orígenes y están determinadas por las condiciones agrofísicas, agroquímicas y agrobiológicas que incidan en el suelo en un momento dado.
En las transformaciones microbianas del fósforo en los suelos se pueden diferenciar cuatro procesos fundamentales:
1. Mineralización de compuestos orgánicos del fósforo.
2. Inmovilización biológica.
3. Procesos de oxidación y reducción.
4. Solubilización de fosfatos inorgánicos
Mineralización del fósforo orgánico.
Este proceso en el suelo es similar a la amonificación y sulfhidrización.
La mineralización es efectuada por una gran diversidad de microorganismos que liberan formas solubles de fósforo mediante procesos de hidrólisis enzimático. La fitina es abundante en los tejidos vegetales y los microorganismos del suelo son capaces de excretar enzimas desfoforilantes, las que liberan glicerol y fosfatos a partir de los glicerofosfatos; fenol y fosfatos a partir del finilfosfato e inositol y fosfatos a partir de la fitina. La ecuación de degradación de la fitina es:
Los ácidos nucleicos son también degradados por vía biológica con liberación de cuatro moléculas de ácido fosfórico, cuatro de carbohidratos, dos de purinas y dos de pirimidinas.
Microorganismos participantes:
Bacterias: Bacillus micoydes, Bacillus subtilis y Proteus vulgaris; los cuales son capaces de mineralizar en medios de cultivo que contengan ácido nucleico y glucosa.
Levaduras: Saccharomyces ellipsoideus, candida albicans y Hansenula anomala; que degradan los glicerofosfatos.
Hongos: Aspergillus, Penicillium, Alternaria, Rhizopus.
Actinomicetos: Streptomyces.
Con Bacillus meghaterium var fosfaticum se ha ensayado la inoculación de las plantas para aumentarles el suministro de fósforo
Ecología de la mineralización.
Los factores ecológicos que influyen en este proceso son los mismos que determinan la mineralización del carbono, nitrógeno o azufre.
Entre estos factores se tienen:
pH: El más favorable está entre 6 y 7
Temperatura: Valores entre 40 y 50°C favorecen el proceso.
La vegetación: Su microflora rizosférica crea un microhábitat adecuado para el desarrollo de una microflora activa en el proceso.
Humedad y aireación: En suelos que están sujetos a períodos alternados de anaerobiosis y aerobiosis, la mineralización del fósforo es grandemente estimulada.
Inmovilización biológica:
| Página siguiente |