ECOLOGÍA MICROBIANA ECOLOGÍA MICROBIANA
El suelo y el agua como ambiente para los microorganismos, factores que afectan su distribución. Los microorganismos y su microambiente, ecosistemas y nichos ecológicos. Interacción de los microorganismos entre sí y con su entorno (competencia, cooperación). Importancia de la ocupación de diferentes nichos ecológicos naturales por parte de los microorganismos y la modificación de los mismos. Microorganismos de la rizosfera y su interacción con la planta. Nichos ecológicos de importancia agrícola; actividad microbiana y fertilidad del suelo. Rol de los microorganismos en procesos de degradación de sistemas acuáticos con relevancia ambiental y agronómica. Metodología comúnmente utilizada para el estudio de los microorganismos en el suelo y en el agua.
I - INTRODUCCIÓN I - INTRODUCCIÓN
Ya en el año 1676 Antonius van Leeuwenhoek describió la presencia de pequeños “animáculos”
en la materia orgánica en descomposición. Sin embargo se considera como padre de la microbiología del suelo a Sergei Winogradsky (1856-1953) en reconocimiento a sus muchas contribuciones a esta emergente ciencia. Entre otras cosas descubrió las bacterias nitrificadoras, y su papel en el fenómeno de la nitrificación. En 1888 Beijerink aisló bacterias fijadoras de nitrógeno del género Rhizobium.
En el comienzo del siglo XX, la microbiología del suelo ya estaba firmemente establecida como ciencia, dándose mayor énfasis a la fijación simbiótica del nitrógeno, la degradación de la materia orgánica y a las transformaciones del nitrógeno. Asimismo, en esa época se llevaban a cabo esfuerzos considerables haciendo censos y recuentos de los microorganismos del suelo, para utilizarlos como índices de la fertilidad del suelo. Estos esfuerzos fueron vanos, ya que no
se tenía en cuenta que los “propágulos” capaces de formar colonias en cultivo representan solo
una pequeña fracción de los microorganismos del suelo, y que además existen otros factores que limitan la fertilidad del suelo.
Durante el desarrollo del siglo XX se llegó al entendimiento de gran parte de los procesos microbiológicos que ocurren en el suelo. Hacia finales del mismo una serie de nuevos desarrollos y tecnologías han influenciado la microbiología del suelo. Entre los avances más relevantes podemos citar, por un lado, la introducción de la computación para el procesamiento de la información y, por otro lado, el reconocimiento de la participación de los microorganismos en una importante cantidad de procesos ambientales. Además, de la necesidad de técnicas de manejo agropecuario más eficientes surge la aplicación de nuevos métodos en la agricultura, como la labranza cero.
El desarrollo de técnicas de ingeniería genética es el desafío más grande de este momento para producir y emplear organismos con sus genomas modificados artificialmente. La utilización de estos organismos en el mejoramiento del ambiente requiere un profundo conocimiento de las características básicas de los microorganismos del suelo.
Los nuevos microorganismos podrían ser capaces no solo de realizar más eficientemente diferentes procesos, como la fijación biológica de nitrógeno y la degradación de la materia orgánica, sino que además podrían producirse organismos capaces de llevar a cabo el control de pestes, o de realizar procesos como la degradación de restos de pesticidas o insecticidas tóxicos
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II -
II - El SUELO COMO AMBIENTE PARA LOS MICROORGANISMOSEl SUELO COMO AMBIENTE PARA LOS MICROORGANISMOS II.1
II.1 – Introducción: el suelo como Introducción: el suelo como ecosistemaecosistema
La microbiología del suelo pone énfasis en las actividades metabólicas de los microorganismos, así como en su papel en el flujo de energía y en la biotransformación de nutrientes asociados con la productividad primaria del ecosistema. También se ocupa del impacto ambiental, favorable o desfavorable, de los organismos del suelo y de los procesos que ellos llevan a cabo. En gran parte, la microbiología del suelo está ligada a la bioquímica del suelo (i.e., a las reacciones de índole biológica que ocurren en éste), sin embargo, se ha enfatizado cada vez más la importancia del aspecto ecológico, el cual estudia las interacciones de los microorganismos entre sí y con el medio edáfico.
El suelo es un ecosistema donde conviven organismos muy disímiles en estrecha dependencia. No es posible el desarrollo de un suelo sin la presencia de microorganismos, ya que los nutrientes quedarían retenidos en la materia orgánica sin descomponer, sin que las plantas pudieran utilizarlos. Tampoco puede haber desarrollo de microorganismos sin la presencia de plantas que fijan la energía solar en forma de energía química, haciéndola disponible para los
organismos heterótrofos.
El desarrollo de microorganismos en el suelo está determinado por las condiciones físicas del mismo, como porosidad, humedad, pH, disponibilidad de nutrientes y de O2. Asimismo, los microorganismos interactúan con el medio físico, alterándolo mediante procesos como la meteorización (degradación de minerales), liberación de sustancias al medio, agregación de partículas, y transformación de la materia orgánica.
Las principales limitaciones que sufren los organismos del suelo son:
La dificultad para desplazarse en un medio tan compacto debido al pequeño tamaño de los poros.
La ocurrencia de condiciones microclimáticas desfavorables, como estrés hídrico, anegamiento y anaerobiosis.
La relativamente baja cantidad de nutrientes y sustratos orgánicos fácilmente digeribles. La actividad de la biomasa microbiana en condiciones de campo es 1.000 a 10.000 veces menor que en condiciones de laboratorio. Esto sugiere que en el suelo los microorganismos están activos solamente durante períodos cortos, en un número limitado de micrositios. La comunidad microbiana es una población mayoritariamente latente, con una enorme riqueza de especies, que se desarrolla solamente en condiciones favorables.
Actualmente se conoce solo una pequeña fracción de los microorganismos del suelo, debido a que aún no se han desarrollado medios sintéticos en los que la fracción restante pueda ser cultivada.
II.2
II.2 – Microorganismos del sueloMicroorganismos del suelo
El suelo es un medio extremadamente complejo, que contiene una enorme cantidad de microorganismos. Un gramo de suelo seco contiene aproximadamente 107 bacterias, 106 actinomicetes, 105 hongos, 105 protozoos y 104algas. Describimos los principales grupos microbianos:
Bacterias
Bacterias: procarióticos y unicelulares, las bacterias constituyen el grupo de organismos más numeroso del suelo. Pueden ser heterótrofas, quimioautótrofas o fotosintéticas. Llevan a
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cabo numerosas funciones en el suelo, tales como la degradación de la materia orgánica, fijación de nitrógeno y desnitrificación. Viven en forma libre o interactuando con los vegetales u otros organismos, pudiendo incluso ser patógenos. Entre las bacterias cultivables, el género Arthrobacter es el más abundante en los suelos agrícolas, constituyendo hasta el 40% del contenido total de microorganismos en el suelo. Otros géneros abundantes son
Pseudomonas y Bacillus. Actinomicetes
Actinomicetes: Son organismos procariontes, filamentosos, de vida libre (Streptomyces) o simbiontes ( Frankia). Participan en la degradación de la materia orgánica y la fijación de nitrógeno atmosférico.
Hongos
Hongos: Son organismos eucariontes, saprófitos o simbiontes. Tienen una estructura en forma de micelio filamentoso. Son importantes en la degradación de la materia orgánica. Algunos son patógenos de importancia y otros son benéficos. Entre estos últimos se encuentran aquellos que se asocian simbióticamente con las raíces y forman las micorrizas.
Cianobacterias
Cianobacterias: Son organismos procariontes fotosintéticos. Pueden ser de crecimiento libre o en asociación simbiótica con hongos o helechos, formando líquenes. Son fijadoras de nitrógeno atmosférico.
Estos microorganismos conviven en el suelo con numerosas especies de insectos, ácaros, vermes, entre otros.
II.3 - Distribución de los microorganismos en el suelo II.3 - Distribución de los microorganismos en el suelo
La distribución de los microorganismos en el suelo es extremadamente heterogénea. Está determinada por diversos factores, pero el factor preponderante es la presencia de materia orgánica, que actúa como fuente de energía, carbono y nutrientes. Debido a esto, la cantidad de microorganismos disminuye con la profundidad en el perfil del suelo igual que la disponibilidad de la materia orgánica. Esto no significa que las zonas sin aportes orgánicos no presenten microorganismos; en el suelo también existen microorganismos autótrofos, cuyo metabolismo es independiente de fuentes de carbono orgánicas. Por ende, al alejarnos de zonas con alto contenido de sustratos orgánicos, no sólo disminuirá el número de microorganismos sino que también aumentará la proporción de autótrofos.
Para el estudio de la distribución de los microorganismos, el perfil de suelo puede dividirse teóricamente en dos sectores: aquel no influenciado directamente por las raíces vegetales y el suelo rizosférico, en el cual los microorganismos interactúan con las raíces vegetales. Esta última zona, en la proximidad de las raíces vegetales, es conocida comorizosferarizosfera. La rizosfera alberga la mayor densidad microbiana del suelo debido a que actúa como hot spot 1, con un aporte continuo de fuentes carbonadas y de nutrientes preponderantemente de srcen vegetal (ver apartado correspondiente). En el resto del suelo, los microorganismos no están uniformemente distribuidos, sino que se encuentran congregados junto a los restos de materia orgánica en descomposición, o en los poros del suelo. En la matriz del suelo, la mayor biomasa de microorganismos corresponde a los hongos, que se encuentran ubicados preferentemente por fuera de los agregados del suelo, y en los poros mayores entre los agregados estabilizando los agregados de mayor tamaño (figura 1).
Las bacterias son las dominantes en número. También se encuentran en los poros entre los agregados pero siempre adsorbidas a la superficie de las partículas minerales u orgánicas del suelo, por lo cual no son fácilmente separadas del suelo. Los poros pueden tener una o varias 1 El términohotspoten ecología microbiana de suelos se refiere a la zona de alta actividad microbiana, en
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entradas, y pueden estar conectados por canales. Las bacterias se pueden encontrar como células aisladas, pero lo más frecuente es que se encuentren en pequeñas colonias de un solo tipo de células (especialmente, entre las cultivables, Bacillus y Arthrobacter sp.). Algunas veces las bacterias pueden estar completamente recubiertas por polisacáridos y por laminillas de arcilla,
formando microagregados menores de 20 µm.
II.4 - Factores que determinan la distribución de los microorganismos en el II.4 - Factores que determinan la distribución de los microorganismos en el suelosuelo Además de la vegetación, son las características físicas y químicas del suelo las que determinan la distribución de los microorganismos en el perfil. Entre ellas podemos citar:
La atmósfera del suelo
La atmósfera del suelo: La composición de la atmósfera del suelo es un factor determinante para la actividad de los microorganismos. Los gases más abundantes en este ambiente son el N2, O2 y el CO2. Otros gases provenientes de la actividad microbiana, como los óxidos de nitrógeno, el H2, etc., pueden estar presentes, aunque desaparecen rápidamente por su reactividad con los componentes del suelo. En suelos bien aireados, la concentración de O2 oscila entre 18-20%, y la de CO2 entre 1-2%. Sin embargo, en un suelo arcilloso con contenido alto de humedad la concentración de CO2 puede alcanzar al 10%. La difusión de los gases en el suelo sigue la ley de Fick:
qi = Dsai .ci /zi
Donde:qqii es la velocidad de difusión (g cm-2seg-1) del gas,DsaDsaii es la constante de difusión en el suelo (cm-2 seg-1), ccii la concentración del gas en la atmósfera del suelo (g cm-3), y zzii la profundidad (cm).
Los parámetros que rigen la difusión de los gases en el suelo van a ser afectados por condiciones edáficas, como la textura, y la cantidad de macro y microporos, y especialmente por el contenido de agua. Los macroporos mayores a 10 µm en diámetro permiten la rápida difusión del aire y la infiltración y drenaje del agua. Se considera que para tener una buena aireación el suelo no debe tener menos del 10-15% de los macroporos ocupados por aire. Los microporos (<10 µm) son importantes para la retención del agua disponible para las plantas y para la provisión de un hábitat acuoso para los microorganismos. Los microporos menores a 5 µm, en
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general, no son hábitat para la mayoría de los microorganismos y pueden ser muy pequeños para sus exoenzimas.
El O2 en el aire o en el agua del suelo puede ser consumido en pocas horas por los microorganismos pero al mismo tiempo, ser repuesto por difusión. Si la difusión del O2 en el suelo se haya restringida debido a un anegamiento, a alta proporción de arcilla o compactación del mismo, las condiciones serán anaeróbicas. La actividad microbiana dependerá de la disponibilidad de otros aceptores de electrones, diferentes al O2. Este cambio en los aceptores de electrones promueve la reducción de varios elementos importantes en el suelo, entre ellos el nitrógeno, manganeso, hierro y azufre, en procesos conocidos como respiración anaeróbica y metanogénesis del CO2. El cambio de metabolismo aerobio a anaerobio se produce con concentraciones de O2 menores a 1%. La actividad de los organismos aeróbicos y facultativos es dominante en suelos bien drenados, mientras que al reducirse la concentración de O2 aumenta la actividad de los anaerobios obligados y fermentadores.
La aireación total del suelo no es tan determinante como la aireación de los agregados individuales. La ocurrencia de procesos anaerobios como la desnitrificación y la reducción del sulfato (respiración anaerobia) en suelos bien aireados esta indicando que existen micrositios con condiciones anaeróbicas. Otra prueba de la existencia de micrositios anaerobios es la presencia de bacterias anaeróbicas comoClostridium en los estratos superiores del suelo.
Estructura del suelo
Estructura del suelo: Es fundamental para la actividad de los microorganismos. La materia orgánica no se degrada si no hay contacto físico con los microorganismos. Ésta se acompleja con la arcilla formando agregados de diferentes tamaños, dejando poros entre ellos. La mayoría de los organismos del suelo se encuentran sobre el lado externo de los agregados, sólo unos pocos residen dentro de los agregados y corresponden a aquéllos que quedaron atrapados adentro cuando el agregado se formó. Fotografías de microscopia electrónica y cálculos de densidad microbiana indican que los microorganismos ocupan menos del 1% del espacio poroso total. Los poros de unos pocos micrones están llenos de agua y son colonizados por bacterias, ya que en estos hábitats van a encontrar suficiente humedad y materia orgánica para su desarrollo. Los hongos, por su tamaño y debido a la formación de micelios, invaden los poros mayores. Estos juegan un rol muy importante en la formación y mantenimiento de la estructura del suelo cementando agregados (figura 1). Similarmente, las bacterias secretan mucílagos y gomas bacterianas, a las cuales se unen las arcillas, formando y estabilizando los agregados.
Características de las arcillas
Características de las arcillas: La adhesión de los microorganismos a las arcillas modifica varios aspectos de sus funciones biológicas. Las arcillas al igual que las bacterias poseen cargas negativas en sus bordes. Sin embargo, debido a la presencia de mucigel y extensiones de las paredes celulares llamadas fibrillas ocurre la adsorción de las bacterias a las arcillas del suelo. Las cargas de las arcillas también pueden tener importancia en regular el pH en determinados microclimas, ya que les confieren capacidad buffer. Por otro lado, la materia orgánica también se cubre de laminillas de arcilla, haciéndola entonces inaccesible a los microorganismos, impidiendo su degradación (estabilización).
Potencial agua
Potencial agua: En general se encuentra una buena correlación entre el potencial agua y el número y actividad de los microorganismos. La actividad microbiana disminuye en forma lineal con la reducción del potencial agua, siendo extremadamente baja por debajo de -10 MPa y con un valor límite de -40 MPa. Sin embargo los valores de potencial agua de los suelos agrícolas se encuentran entre la saturación y los -4.5 MPa. Los niveles más altos de respiración microbiana, nitrificación y mineralización ocurren cuando el contenido de agua del suelo se mantiene en el máximo posible sin que disminuya la aireación. Esto ocurre cuando el suelo se encuentra
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aproximadamente 60% de la capacidad de retención de agua. En la mayoría de los suelos este valor oscila entre -0,01 a -0,03 MPa.
El efecto del potencial agua es diferente según los diferentes tipos de microorganismos. Las bacterias son más sensibles a un potencial de agua bajo que los hongos y los actinomicetes. La mayoría de los hongos pueden crecer sin inconvenientes a tensiones mayores a -1.5 MPa. Por otro lado, cada especie de microorganismo tiene un potencial agua máximo y mínimo para su crecimiento.
pH
pH: El pH afecta en forma importante el desarrollo de los microorganismos. Los hongos se desarrollan preferentemente en hábitats de pH ácidos, en tanto que las bacterias y los actinomicetes se desarrollan mejor en pH alcalinos (figura 2). Sin embargo, esto no implica que no se encuentren bacterias en suelos ácidos, o que no se encuentren hongos en suelos alcalinos. El pH del suelo incide en numerosos factores que afectan a la actividad microbiana, por ejemplo, en la solubilidad e ionización de constituyentes orgánicos e inorgánicos presentes en la solución del suelo, afectando las actividades enzimáticas. A modo de ejemplo se puede citar a la nitrificación como una de las biotransformaciones más sensibles al pH. Sin embargo, en suelos de bosque con valores de pH menores a 4 se ha detectado nitrificación, a pesar de que in vitro este proceso no ocurre a valores de pH por debajo de 6. Esto se explica, en parte, por la existencia de micrositios, donde la descomposición de la materia orgánica podría liberar NH3, el cual al formar NH4+alcaliniza el medio, desarrollándose un pH adecuado para la nitrificación. Otra explicación para la nitrificación a pH ácido, en ambientes acuáticos y suelos, es el descubrimiento de la presencia de arqueobacterias nitrificadoras con sistemas enzimáticos menos sensibles al pH (Lehninger, 1978).
Figura 2. Efecto del pH del suelo . Efecto del pH del suelo sobre la densidad desobre la densidad de mic
microrooror ananisismomos.s. Adaptado de Frioni, 1990.
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Temperatura
Temperatura: El aumento de la temperatura, dentro de ciertos límites, incrementa la mineralización o descomposición de la materia orgánica por acelerar las reacciones enzimáticas y la difusión de los sustratos solubles en el suelo. Sin embargo, mientras que la velocidad de difusión molecular aumenta con el aumento de la temperatura, la solubilidad de los gases en la solución del suelo no, y aún puede disminuir haciendo más lenta la actividad microbiana. Una temperatura baja reduce la velocidad de las reacciones enzimáticas y hasta las detiene, en tanto que una muy alta desnaturaliza las enzimas. Existen estudios que han demostrado que 10ºC de aumento de la temperatura de 15 a 25ºC puede aumentar tres veces la tasa de mineralización de C y N del suelo. El aumento en las actividades biológicas a mayores temperaturas probablemente se deba al cambio en la estructura de la comunidad microbiana
En general, la mayor actividad microbiana en los suelos se verifica entre 20 y 40ºC, aunque existen microorganismos que toleran temperaturas extremadamente altas, entre 45 a 65ºC, y algunos termófilos obligados son incapaces de crecer por debajo de 40ºC.
La actividad microbiana en los suelos es más lenta a temperaturas por debajo de 5ºC. Sin embargo, se ha registrado actividad microbiana incluso en suelos con temperaturas menores a 0ºC. Los organismos psicrófilos son capaces de crecer a bajas temperaturas porque ajustan la concentración osmótica de sus constituyentes citoplásmicos, manteniendo de este modo su citoplasma sin congelar. Muy pocos suelos mantienen una temperatura uniforme en sus estratos