Biología del suelo
Luis Hernan Gonzalez S.
Noviembre de 2007
El suelo: Un ecosistema
• El suelos es un ecosistema donde centenares
de organismos interactúan y contribuyen
diferencialmente a la realización de ciclos
globales que hacen posible la vida en el
planeta
• La biomasa producida por los organismos
del suelo constituye del 2 – 5% de su
materia orgánica
Componentes de la fauna del suelo
• Microfauna:
– 20 – 200  . Nematodos, rotíferos, microartrópodos
– Descomponedores primarios de materia orgánica
• Mesofauna:
– 200  - 1 cm. Colémbolos y ácaros
– Consumidores primarios y secundarios: Trituran, ingieren
restos vegetales, lo cual facilita su posterior transformación
– Efectos en la aireación y el drenaje
• Macrofauna:
– > 1cm. Lombrices, insectos, arácnidos, etc.
– Consumidores primarios y secundarios; Trituran, ingieren
restos vegetales, lo cual facilita su posterior transformación
– Efectos en aireación y drenaje
Numero relativo y biomasa de fauna y flora frecuente en la
superficie del suelo
Organismos
Microflora
Bacteria
Actinomicetos
Hongos
Algas
Fauna
Protozoos
Nematodos
Hormigas
Colembola
Lombriz tierra
Otros
Numero
por
2
Por m
gramo
1013 - 1014
1012- 1013
1010- 1011
109 - 1010
108 - 109
107 - 108
105 - 106
104 - 105
109 - 1010
106 - 107
103 - 106
103 - 106
10 - 103
102 - 104
104 - 105
10 - 102
1,0 -10
1,0 - 10
Biomasa
Kg/ha
g/m 2
400 - 5000
40 - 500
400 - 5000
40 - 500
1000 - 20000 100 - 2000
10 - 500
1,0 - 50
20 - 200
10 - 150
5 - 150
5 - 150
100 - 1700
10 - 100
Fuente: Brady and Weil, 1996, pag 333
2,0 - 20
1,0 - 15
0,5 - 1,5
0,5 - 1,5
10 - 170
1,0 - 10
Clasificación Fuente de
de Organismos energía
Fuente de C Especies
Fotoautotróficos
Luz
CO2
(energía solar)
Plantas, algas,
bacterias
Quimioautotróficos
Compuestos
inorgánicos
CO2
Algunas
bacterias
Fotoheterotróficos
Luz
CO2 y
Algas compuestos bacterias
orgánicos
Heterotróficos
Materia
orgánica (M.O)
Preformada
Materia
Animales,
orgánica
hongos,
preformada bacterias,
protozoarios
Fuentes de energía y enzimas
• Luz
• La oxidación de compuestos inorgánicos:
– H2, Fe+2, S, NH4, NO2, FeS2, CuS, H2S
• Las enzimas catalizan las reacciones químicas,
elaboradas por células vivas; se pueden acumular
en el suelo:
– Ureasa, transferasa, hidrolasas, proteinasas, fosfatasas,
etc
– Pueden estar en células muertas o adsorbidas en la fase
sólida, arcillas o coloides orgánicos
Organismo foto-autotróficos en
el suelo
• Algas: Verdes, púrpuras, rojas o cafés
• Bacterias
• Las plantas superiores
Organismos quimio-autotróficos
en el suelo
• Bacterias que oxidan N: Nitrosomonas,
Nitrobacter
• Bacterias que oxidan S: Thiobacillus
+2
• Bacteria que oxidan el Fe : Ferrobacillus
• Bacterias que oxidan metano: Methanobacillus
Organismos Heterotróficos
• Oxidan compuestos orgánicos
• Dependen de los autotróficos
• Saprofagos: Energía a partir de deshechos
muertos
• Biofagos: Energía a partir de desechos vivos
• Incluyen: Animales, protozoarios, bacterias
(Pseudomonas), hongos (Aspergillus),
actinomicetos
Microorganismos autóctonos y
zimógenos
• Autoctonos: Presentes cuando hay un nivel bajo
de actividad pero constante sobre la materia
orgánica
• Zimogenos: Presentes cuando hay un rápido
metabolismo de la materia orgánica disponible
fresca; actividad intermitente, por ejemplo :
Pseudomonas, Bacillus, Penicillum, Aspergillus,
Mucor
Microorganismos y O2
• Aeróbicos: Crecen en presencia de O2 y dependen
de su respiración como fuente de energía
• Anaeróbicos: Inhibidos o mueren por la presencia
del O2, dependen de respiración anaeróbica o
fermentación como fuente de energía
• Microaerófilos: Aeróbicos obligados, pero crecen
mejor a bajas tensiones de O2
• Anaerobios facultativos: Activos bajo condiciones
aeróbicas o anaeróbicas
-6
• 3*10 moles de O2 limite de cantidad de O2 entre
lo aeróbico y lo anaeróbico
Sustratos para el crecimiento
microbial en el suelo
• Fuentes inorgánicas: Fe+2, S, NH4, NO2
• Residuos de cosecha, hojarasca, litter
• Exudados de raíces: Carbohidratos (90%) y
aminoácidos (10%), azucares, aminoácidos,
péptidos, enzimas, vitaminas, ácidos
orgánicos, nucleótidos
• Materia orgánica del suelo
• Otros compuestos orgánicos externos:
Plaguicidas, etc.
La bacterias del suelo
• Las poblaciones pueden fluctuar entre 2 y 10 mil
millones de células por gramo de suelo (± 4500Kg
de peso vivo por ha en un espesor de 15 cm).
• Agrobacterium, Agrobacter, Acinetobacter,
Clostridium, Staphilococcus, Xanthomonas,
Pseudomonas, Streptococcus, Micrococcus,
Flavobacterium, Corynebacterium, Bacillus,
Azotobacter, Chondromyces, Rhizobium, etc.
• Algunas pueden ser fitopatogenicas, generalmente
de “dificil” control.
Las bacterias y las condiciones
medioambientales de actividad
• Humedad: El exceso es perjudicial, debido a
disminución en el O2. Mejor actividad entre
33- 300 KPa.
• Temperatura: Las bacteria mesofilicas son
o
mas importantes (25 – 35 C)
Las bacterias y las condiciones
medioambientales de actividad
• pH: Optimo cercano a la neutralidad.
Thiobacillus thiooxidans cerca a pH = 0.6
• Materia orgánica: Requieren C para suplir
energía, muchas de las bacterias son
heterotróficas. Los microorganismos
fijadores de N2 tienen un gasto teórico
mínimo de 1.7 g C por g de N fijado.
• Nutrientes: Requieren buena cantidad de
nutrientes, macro y micro.
Los actinomicetos del suelo
• Algunos géneros: Streptomyces, Nocardia,
Frankia, Micromonospora, Actinomyces
• Papel importante en la formación del humus y
fijación de Nitrógeno
• Atacan sustancias orgánicas relativamente
resistentes: Celulosa, hemicelulosa, quitina,
queratina, lignina, compuestos nitrogenados
heterocíclicos
• Aeróbicos, excepción de Actinomyces
Los actinomicetos del suelo
• Presentes en los estadios finales del proceso
de descomposición de los materiales
orgánicos
• Producen antibióticos: Streptomicina,
aureomicina, etc
• En el suelo son lo mas abundantes después
de las bacterias
Efecto de las condiciones del
medio en los actinomicetos
• Humedad: Organismos aeróbicos, salvo Actinomyces
• Temperatura: Organismos mesofilos, sin embargo
algunos géneros tienen especies termofilas,
Streptomyces
• pH. No toleran pH bajos, poblaciones abundantes con
pH entre 6.5 - 8.0
• Materia Orgánica: Afectados por la presencia de C
disponible. Son parte de la microflora autóctona del
suelo, entonces su población es relativamente estable.
Diferentes géneros ocupan una variedad de nichos en
el suelo.
Los hongos del suelo
• Algunas especies incluyen: Pythium, Mucor,
Boletus, Saccharomyces, Aspergillus,
Trichoderma, Rhizoctonia, Penicillium,
Fusarium, Verticillium, Fomes,
Sclerotium,Metarrhizum,Gladosporium
• Heterótrofos, predominantemente aeróbicos, se
encuentran cerca a la superficie del suelo
• Algunos son fitopatogenicos, de “dificil” control
• Presentan dormancia o periodos de inactividad
Los hongos del suelo
• Obtienen energía y C de celulosa, grasas,
azucares, ácidos orgánicos, almidón, pectinas y
lignina
• Su fuente de N proviene de fijación de N,
proteínas, ácidos nucleicos, nitratos, amonio.
• Participan en la producción de sustancias
húmicas y en la formación de agregados,
participan en la degradación de la lignina y
algunos producen antibióticos
Las condiciones del medio y la
actividad de los hongos
• Humedad: Si el suministro de agua es bajo su
actividad cesa completamente o es muy baja;
pero sin O2 su actividad también se deteriora,
los hongos filamentosos son estrictamente
aeróbicos
• Temperatura: la mayor parte son mesofilos, si
o
bien hay algunos termofilos (Mucor 60 C), si
o
las temperaturas son muy altas (>20 C), la
actividad de las bacterias es muy alta y menor
la de los hongos, por lo cual la formación de
humus es menor
Las condiciones del medio y la
actividad de los hongos
• pH: Los hongos abundan en medios con pH
bajos
• Materia orgánica: La población esta
determinada por la disponibilidad de un
sustrato carbonáceo, convierten del 30 al
50% de este sustrato en material celular
Las algas del suelo
• Contienen clorofila, sin embargo se encuentran a
profundidades de 10-15 cms, bajo la superficie del
suelo, donde no llega la luz.
• Foto-autotróficas
• Suministran materia orgánica al suelo, inician
proceso de alteración de minerales en rocas
expuestas en superficie, especialmente las que
fijan N2.
• Producen O2
Las algas del suelo
• Chlorofitas (algas verdes):
Chlamydomonas, Chlorella, Ulothrix,etc.
• Cyanophitas (algas azul-verde): Anabaena,
Calothrix, Nostoc, etc
• Diatomeas: Botrydiopsis, Bumilleria, etc.
• Su población fluctúa entre 100.000 y
800.000 por gr de suelo y una biomasa de
7 – 300 Kg/ha
Las condiciones del medio y las
algas del suelo
• Humedad: Mayor actividad con el incremento
de agua disponible, variaciones extremas limitan
su desarrollo, lo cual ocurre en la parte mas
superficial del suelo
• Temperatura: Temperaturas muy altas que
desecan el suelo son fatales. Se ha reportado
actividad de algunas cianofíceas, a temperaturas
o
o
extremas de –11 C y de 87 C
Las condiciones del medio y las
algas del suelo
• pH: En suelos con pH entre 5.5- 8.5 el
crecimiento es optimo. Las diatomeas son
propias de suelos con pH alto, calcáreos,
algunas especies de Chlorophyceae no son
afectadas por el pH y se encuentran en altas
cantidade4s en suelos ácidos.
Los protozoarios del suelo
• Organismos quimio-organotróficos, ingieren
partículas sólidas de origen vegetal y
animal, bacterias, algas, levaduras,etc.
• Pueden encontrarse 10.00 protozoarios /gr
suelo y una biomasa de 5- 20g/m2 (en zonas
templadas)
• Se mueven en el espacio poroso del suelo,
en los que contienen algo de agua
Los protozoarios del suelo
• Solo son activos en películas de agua, pueden
formar quistes, activos cera a la superficie del
suelo
• Asociados a bacterias; se mueven en el espacio
poroso del suelo y para ello requieren humedad
• Algunas especies son: Euglena, Amoebas,
Oicomonas, Paramecium, Vorticella, etc
Las condiciones del medio y la
actividad de los protozoarios
• Humedad: Es el factor mas selectivo, obligatorio
para el movimiento y el crecimiento
o
• Temperatura: Incrementos hasta los 30 C
favorecen su metabolismo, puede producirse la
muerte o el enquistamiento a temperaturas de 35o
40 C
• pH: Rango amplio entre 3.5 - 9.7. No hay mucha
evidencia experimental.
Las lombrices de tierra
• Existen mas de 1800 especies, entre ellas
estan: Lumbricus, Allolobophora, Eisenia,
Andiodrilus, Glossoscolex.
• Consumen detritus y materia orgánica del
suelo y organismos asociados a estos
• Consumen materiales de 2 a 30 veces su
propio peso, en un año ingieren de 50 a
1000 Mg de suelo/ha.
Las lombrices de tierra
• No actúan como fauna fitopatógena
• Afectadas por contenidos de materia
orgánica fresca y humificada, humedad,
pH, contenido de bases, aireación,
contenido de arcilla y limo.
Efectos de las lombrices de
tierra en el suelo
•
•
•
•
Incrementan la disponibilidad de nutrientes: N,P,K
Aceleran la descomposición de la materia orgánica
Mejoran la porosidad y la agregación
Incrementan la actividad de organismos benéficos y
suprimen la actividad de organismos patógenos
• Producción de deyecciones, los cuales son un
microhábitat para otros microartrópodos
• Efecto hormonal que promueve el crecimiento y la
actividad de las raíces
Hymenopteros: Hormigas
• Seleccionan partículas de suelos para su movilización, del
subsuelo al horizonte superficial, formando galerías
• Favorece características físicas, mejorando la circulación del
agua y aire en los poros
• Incrementan el contenido de M.O., tanto en el proceso de
construcción de los nidos, como cuando este es destruido y
redistribuido en el solum.
• Mejoran el contenido de bases y el nivel de fertilidad general:
En algunas regiones de baja fertilidad natural, como en el Choco
se conocen los “Suelos de hormigueros”
• Géneros: Ataenius, Atta, Psammodius, Geotropes
Isopteros: Termites
• Efectos similares a las hormigas, pero los
termiteros son muy altos, se han reportado algunos
de hasta 9 m.
• Los termiteros tienen condiciones físicas y
químicas diferentes a los del suelo adyacente no
afectado
• Tienen efectos pedogénicos,específicamente en la
morfología de lateritas
• Generos: Coptotermes, Nasutitermes,
Materiales que conformana un
termitero, San Martin , Meta. IGAC,
1995, pag 257
Fuente: IGAC, 1995
Medición de la actividad de los
microorganismos
• Respiración
– Producción de CO2. Es una medida de la
mineralización del C orgánico del suelo, es muy
variable espacial y temporalmente
– Consumo de O2
– Producción de calor
• Actividad metabólica especifica
– Producción de catalasas, ureasa, proteasas,
amilasas, etc.
Interacciones de la población
microbial del suelo
• Interacciones con las plantas
– Rizofera
– Micorrizas
• Interacciones con otros microorganismos
–
–
–
–
Comensalismo
Protocooperación
Mutualismo,
Asociaciones simbióticas
– Competición
– Parasitismo
– Amensalismo
La rizosfera
• Es la zona del suelo adyacente a la raíz, que esta
bajo la influencia de su actividad
• Rizosfera interna: Comprende la corteza de la raíz
• Rizosfera externa: Suelo en inmediato contacto
con la raíz (1- 2 mm)
• El efecto de rizosfera convierte a las raíces de las
plantas en uno de los organismos mas importantes
del suelo
• El efecto de rizosfera se traduce en:
– Mayor riqueza energética y de compuestos que
activan el crecimiento (rizodepositación):
• Compuestos de bajo peso molecular: Ácidos
orgánicos, azucares, aminoácido y compuestos
fenolicos (alelopaticos), vitaminas, peptidos,etc.
• Compuestos de alto peso molecular: Mucílagos y
células epidérmicas, que forman un muscigel,
cuando se mezclan partículas de suelo y microbios
• Células de la epidermis y apicales
• Estos compuestos pueden llegar a ser entre un 1030% de la producción de materia seca de una planta
joven. La rizodepositación disminuye con la edad de
la planta
– Mayor población de microorganismos
– Solubilización e inmovilización de nutrientes
Brady, Nyle and Ray, R.Weil. 1996
Las Micorrizas
• Asociación simbiótica de un hongo con una raíz de
una planta, que ocurre cuando aquel invade la raíz
de la planta; combinación de micelio-raíces
• Se desarrollan en células de la corteza, no en tejidos
vasculares
• Endomicorrizas (VA): El hongo crece dentro de las
células, en gramíneas, leguminosas, etc.
• Ectomicorrizas: Las hifas del hongo se desarrollan
en forma intercelular, formadas por basidiomicetos,
no ocurren en monocotiledóneas, frecuentes en
árboles
• Afectan la nutrición mineral de las plantas ,
especialmente a través de afectar la disponibilidad
del fósforo.
Ectomicorrizas
• Propias de especies forestales
• Especies de hongos: Amanita, Boletus, Lycoperdon,
Scleroderma
• Se forma un tejido de hifas encima de la superficie de
la raíz, incrementando la superficie de raíces
• El hongo presenta mayor avidez por el P que las
plantas hospederas,producen fosfatasas extracelulares
• Los hongos pueden disolver minerales del suelo,
“liberando” elementos esenciales para la planta
Endomicorrizas
• Asociación con hongos microscópicos
• El hongo se desarrolla en las células de la corteza de la
raíz (donde pueden formar arbusculos) y se extiende en
el suelo, explorando para la planta mas posibilidades de
nutrición (P,Zn,S,Ca,Mo,B), hasta 1.3 m de hifas
externas por cm de raíz infectada
• Hongos de la familia Endogonaceae, Generos: Glomus,
Endogone, Acaulospora, Glaziella, Entrophospora,
Complexipes, Gigaspora, etc.
• Ocurren en cerca del 80% de las plantas vasculares,
pero no en todas (no en las Crucíferas)
Endomicorrizas: efectos en las plantas
• Se induce síntesis de hormonas
• Mejoras en la resistencia a enfermedades y
aumentan la eficiencia de otros simbiontes
(Rhizobium)
• El Hongo obtiene carbohidratos de la
planta requeridos para su desarrollo
Competencia entre
microorganismos del suelo
• La población de microorganismos esta limitada por la
disponibilidad de un sustrato, lo cual genera
competencia entre las poblaciones
• Tácticas de competencia “desleal”
– Alterar la acidez del medio
– Producción de sustancias siderophoras (ligan el Fe)
– Producción de antibióticos
• Las poblaciones nativas de organismos tienen mayor
adaptación al medio y son mas agresivas, desplazan
poblaciones “ nuevas”
Efectos benéficos de los organismos del
suelo
• Descomposición de la materia orgánica y
producción de sustancias húmicas
• Efectos en propiedades físicas del suelo:
Estructura, porosidad, aireación, etc.
• Efectos en el nivel general de fertilidad y
disponibilidad de nutrientes, ”salud del suelo”:
Fijación de N2 , micorrizas, etc.
Efectos benéficos de los organismos
• Descomposición de tóxicos y pesticidas
• Transformaciones inorgánicas
– Disponibilidad de N, P, S
– Control de la toxicidad del Fe, Mn, Cr, Se
• Fijación de N2 atmosférico
Efectos nocivos de los
organismos del suelo
• Daños físicos a cultivos: Hormiga arriera, larvas
de insectos, nematodos, etc.
• Actividad fitopatógena de hongos, bacterias
– Abandono de campos de cultivo
– Practicas de esterilización
– Reducción en la calidad y cantidad de cosechas
• Competición por nutrientes, durante la
descomposición de la materia nativa o adicionada
• Competencia por O2 en suelos con drenaje pobre
Transformaciones del Nitrógeno
en el suelo
• Fijación de N2
• Mineralización - Inmovilización del Nitrógeno
– Amonificación
– Nitrificación
– Desnitrificación
N Biomasa
microbial
NH
+
Nitrificación
4—
N
N en planta
NO-3— N
Fijación biológica de N2
• Organismos
–
–
–
–
–
–
–
Algas: Anabaena, Nostoc
Actinomicetos: Frankia
Bacterias heterotróficas: Azotobacter, Bacillus
Bacterias autotróficas: Thiobacillus
Bacterias aeróbicas: Pseudomonas
Anaerobicas: Clostridium, Desulfovibrio
Fototroficas: Rhodospirillum
Fijación biológica de N2
• Organismos libres (autotroficos o heterotroficos): Azotobacter,
Trichodesmium, Derxia, Beinjerinckia, Rhodospirillum,
Frankia, Bradyrhizobium, Azospirillum
• Organismos en simbiosis asociativa o suelta
– Acetobacter o Herbaspirillium con caña de azúcar
– Azotobacter paspali con Paspalum notatum
• Organismos en simbiosis especializada
– Rhizobium y nodulos de leguminosa
– Anabaena y Azolla
Quimica de la fijación de N2
• Enzima: Nitrogenasa cataliza la reacción
• N2 +3H2
2NH3 (400oC y 200 atms)
• Nitrogenasa tiene dos componentes
– Proteina MoFe o dinitrogenasa
– Proteina Fe o dinitrogenasa reductasa, dona electrones a
la MoFe proteína
• La nitrogenasa es inactiva en presencia de O2 y los
microorganismos deben protegerla de la
exposición al O2 : Uso de leghemoglobina como
transportador de O2; formación de heterocystos;
fijación de N2 en fase oscura
Factores en la fijación de N2
• Presencia de O2
• Reacción del suelo
• Disponibilidad de elementos en el suelo: N, Ca,
Mg, Fe,S, Mo, V, Al, Mn
• Temperatura y humedad
• Factores bióticos: Competencia y especificidad
Bibliografía
• Brady, Nyle and Ray, R.Weil. 1996. The Nature and
Properties of Soils. Eleventh edition. Prentice Hall, Inc.
USA, 740 p. Chapter 11: 328-359
• Burbano,O.Hernán. 1989. El suelo: Una visión sobre sus
componentes bioorgánicos. Universidad de Nariño. Serie
Investigaciones No1.447p. ISBN958-95216-0-6.
Capítulos 2 y 3. Pag: 35-183
• IGAC. 1996. Suelos de Colombia.Origen, Evolución,
Clasificación, Distribución y uso.632p.Talleres gráficos
Canal Ramírez Antares. Santa Fe de Bogota, Colombia.
ISBN: 958-9067-00-X
Bibliografía
• Jaramillo, J. Daniel. 2001.Introducción a la
Ciencia del Suelo. Universidad Nacional de
Colombia, sede Medellín, 2001593p. Capitulo
15, Pág. 381- 413
• Orozco, Patiño, F. Hernando.1999. Biología del
Nitrógeno.Conceptos básicos sobre sus
transformaciones biológicas.Tomo I.
Universidad Nacional de Colombia.231p
Descargar

Biologia del suelo