UNIVERSIDAD DE ALMERÍA
TESIS DOCTORAL
EVALUACIÓN Y MEJORA DE TÉ DE VERMICOMPOST
COMO FUENTE ORGÁNICA DE NUTRIENTES PARA LA
PREPARACIÓN
DE
SOLUCIONES
NUTRITIVAS
EN
HORTICULTURA
JOSÉ LUIS RUIZ ZUBIATE
UNIVERSIDAD DE ALMERIA
DOCTORADO EN AGRICULTURA PROTEGIDA
TESÍS DOCTORAL
EVALUACIÓN Y MEJORA DE TÉ DE VERMICOMPOST COMO
FUENTE ORGÁNICA DE NUTRIENTES PARA LA
PREPARACIÓN
DE
SOLUCIONES
NUTRITIVAS
EN
HORTICULTURA
JOSÉ LUIS RUIZ ZUBIATE
Departamento de Agronomía
EVALUACIÓN Y MEJORA DE TÉ DE VERMICOMPOST COMO FUENTE
ORGÁNICA DE NUTRIENTES PARA LA PREPARACIÓN DE
SOLUCIONES NUTRITIVAS EN HORTICULTURA
EVALUATION AND IMPROVEMENT OF VERMICOMPOST TEA AS AN
ORGANIC SOURCE OF NUTRIENTS FOR THE PREPARATION OF
NUTRITIVE SOLUTIONS IN HORTICULTURE
Universidad de Almería
Programa de Doctorado en Agricultura Protegida
Doctorando: José Luis Ruiz Zubiate
Director: Dra. María del Carmen Salas Sanjuan
Departamento de Agronomía de la Universidad de Almería, como directora de la Tesis Doctoral titulada “Evaluación y mejora de té de vermicompost como fuente orgánica
de nutrientes para la preparación de soluciones nutritivas en horticultura”, realizada
por D. JOSÉ LUIS RUIZ ZUBIATE, alumno del Programa de Doctorado en Agricultura Protegida, para aspirar al grado de Doctor por la Universidad de Almería.
AUTORIZA:
La presentación de dicha Tesis para que se proceda al trámite de su lectura y defensa ante el tribunal correspondiente. Y para que así conste, expido la presente autorización en Almería, a 20 de septiembre de 2019.
AGRADECIMIENTOS
A la Dra. Maria del Carmen Salas por dirigir este proyecto de tesis, expreso mi profundo agradecimiento por sus valiosas aportaciones científicas, por su profesionalismo, dedicación y confianza durante estos últimos años, por darme la oportunidad de integrarme al equipo de investigación, por su constante apoyo y por todas sus contribuciones en esta etapa de mi formación profesional.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México, por la beca otorgada para la realización de mis estudios de Posgrado en la Universidad de Almería y fomentar el conocimiento científico en todas las áreas de estudio.
A mi familia, principal soporte de la vida, mi total gratitud por su incondicional apoyo y motivación y en especial a mi esposa por ser parte esencial para el logro de esta meta.
RESUMEN
El reciclaje de los recursos orgánicos en los sistemas de producción intensivos es un principio fundamental para la agricultura sostenible. Esto engloba un concepto amplio que implica potenciar la eficiencia en las prácticas culturales y en el uso de los insumos empleados en la producción de alimentos, minimizando el impacto ambiental. Bajo este contexto, se establecieron los criterios para el desarrollo de esta investigación, centrándonos en la utilización de los recursos locales. El trabajo fue estructurado en seis capítulos que abarcan la valoración del potencial de explotación de los restos orgánicos generados en las más de 30.000 ha de cultivo hortícola bajo invernadero en la provincia de Almería, y la viabilidad de su reincorporación como insumo al sistema productivo.
El objetivo principal es la búsqueda de materiales orgánicos como fuente de nutrientes en combinación con microorganismos promotores del crecimiento vegetal para su uso como sustrato y solución nutritiva en contenedor en horticultura intensiva. Conseguir soluciones nutritivas equilibradas a base de extractos acuosos permite optimizar el uso de los nutrientes al poder aplicarse por fertirrigación.
En la primera parte de la investigación se caracterizaron los extractos acuosos a base de dos materiales orgánicos: vermicompost de estiércol bovino y de restos vegetales de cultivos hortícolas. Se consideraron factores propios del proceso de obtención como la aireación, adición de microorganismos, acidificación, conductividad eléctrica y uso de aditivos, buscando incrementar los nutrientes en el extracto en formas minerales para ser usado como fuente de nutrientes en horticultura. Se identificaron los grupos funcionales de los microorganismos relacionados con el ciclo de los principales macroelementos presentes en el extracto orgánico.
Finalizada esta etapa fue posible obtener un equilibrio nutricional adecuado para utilizar en fertirrigación en cultivos hortícolas en contenedor, al solubilizar vermicompost de restos vegetales hortícolas en agua (CE 2.2 dS m-1) durante 16 días de extracción con aireación permanente. Únicamente la concentración fósforo fue inferior a la recomendada para hortícolas. No obstante, la concentración de H2PO4- aumenta al aplicar la bacteria solubilizadoras de fosfatos Bacillus megaterium durante el proceso de preparación del té.
ABSTRACT
Recycling organic resources in intensive production systems is the main basis for sustainable agriculture. This encompasses a broad concept that does not imply a specific methodology but emphasizes to enhance the efficiency to the greatest extent possible of food production practices and supplies, minimizing environmental impact. Under these contexts the development of this research was established, focusing on the use of local resources. The work was structured in six chapters that cover the assessment of the potential for exploitation of organic waste generated in the more than 30.000 hectares of horticultural crops under greenhouse in the province of Almeria, and the viability of its reintegration into the productive system.
The main objective is the search for organic materials as a source of nutrients in combination of plant growth promoting microorganisms for use in soilless crops in intensive horticulture. Achieving balanced nutritional solutions based on aqueous extracts allows the use of nutrients to be optimized by being able to be applied by fertigation. In the first part of the investigation, the organic solution obtained was characterized according to the characteristics of the organic material used, vermicomposting of cattle manure and vegetable waste of horticultural crops. Factors such as aeration, addition of exogenous microorganisms, acidification, electrical conductivity and use of additives, seeking to increase the nutrients in the extract in mineral forms to be used as a source of nutrients in horticulture were considered. The functional groups of the cycle-related microorganisms of the main macroelements present in the organic extract were identified.
At the end of this stage it was possible to obtain an adequate nutritional balance to be used in fertigation in containerized horticultural crops, by solubilizing vermicompost of vegetable waste in water (EC 2.2 dS m-1) during 16 days of extraction with
permanent aeration. Only the phosphorus concentration was lower than those recommended for horticultural crops. However, an increase in H2PO4- content was detected by applying Bacillus megaterium phosphate solubilizing bacteria during the tea preparation process.
CAPÍTULO I: MATERIALES ORGÁNICOS COMO FUENTE DE
NUTRIENTES EN HORTICULTURA ... 1
1.1 Introducción ... 1
1.1.1 Sustratos ... 2
1.1.2 Extractos acuosos ... 3
1.2 Microorganismos como herramienta de biofertilización ... 6
1.2.1 Azospirillum ... 7 1.2.2 Azotobacter vinelandii ... 7 1.2.3 Bacillus megaterium ... 7 1.2.4 Frateuria aurantia ... 8 1.2.5 Mecanismos de acción. ... 8 1.3 Interés y objetivos ... 12
CAPÍTULO II: ELABORACÓN Y MEJORA DE EXTRACTOS ACUOSOS COMO FUENTE DE NUTRIENTES EN HORTICULTURA. ... 14
2.1 Resumen ... 14
2.2 Introducción ... 15
2.3 Material y Métodos ... 16
2.3.1 Diseño experimental y análisis estadístico ... 20
2.4 Resultados y Discusión ... 21
2.4.1 Efecto PGPB y el tiempo ... 21
2.4.2 Actividad microbiana: deshidrogenasa ... 30
2.4.3 Conteo de poblaciones microbianas e identificación de grupos funcionales ... 30
2.4.4 Efecto de la aireación ... 33
2.4.5 Efecto de la acidificación ... 35
2.4.6 Efecto de la dosis de microorganismos en el extracto acuoso sobre la disponibilidad de nutrientes. ... 37
2.4.7 Efecto de la conductividad eléctrica ... 39
2.4.8 Efecto de la aplicación de aditivos durante el proceso extractivo ... 42
2.5 Conclusiones ... 43
CAPÍTULO III: VALORACIÓN DEL USO DE BIONUTRIENTES EN HIDROPONÍA ... 45
3.1 Introducción ... 45
3.2 Material y Métodos ... 46
3.2.1 Diseño experimental y análisis estadístico ... 46
3.3.1 Solución nutritiva ... 49
3.3.2 Características nutricionales del cultivo: Análisis de ECP ... 53
3.3.3 Generación de biomasa ... 54
3.3.4 Producción y calidad ... 56
3.4 Conclusiones ... 58
CAPÍTULO IV: VALORACIÓN DE SUSTRATOS ORGÁNICOS Y MICROORGANISMOS PGPB COMO HERRAMIENTA DE BIOFERTILIZACIÓN EN HORTICULTURA BAJO INVERNADERO. ... 59
4.1 Resumen... 59 4.2 Introducción ... 60 4.3 Material y Métodos ... 61 4.3.1 Parámetros evaluados ... 63 4.3.2 Análisis estadístico ... 64 4.4 Resultados y Discusión ... 64
4.4.1 Propiedades físico-químicas de los sustratos ... 64
4.4.2 Efecto del sustrato y PGPB en la producción ... 66
4.4.3 Actividad microbiana ... 67
4.5 Conclusiones ... 79
CAPÍTULO V: EFECTO DE LA DOSIS DE PGPB SOBRE LA ACTIVIDAD MICROBIANA Y PRODUCCIÓN DE CULTIVOS EN CONTENEDOR BAJO INVERNADERO ... 80 5.1 Resumen... 80 5.2 Introducción ... 80 5.3 Material y Métodos ... 82 5.3.1 Análisis estadístico ... 83 5.4 Resultados y Discusión ... 83 5.4.1 Producción ... 83
5.4.2 Análisis de calidad de fruto ... 85
5.4.3 Efecto del PGPB en el estado nutricional ... 86
5.4.4 Actividad enzimática ... 88
5.5 Conclusiones ... 91
CAPÍTULO VI: DISCUSIÓN GENERAL Y CONCLUSIONES ... 92
BIBLIOGRAFIA ... 99
CAPÍTULO I
MATERIALES ORGÁNICOS COMO
FUENTE DE NUTRIENTES EN
HORTICULTURA
1
CAPÍTULO I: MATERIALES ORGÁNICOS COMO FUENTE DE
NUTRIENTES EN HORTICULTURA
1.1 Introducción
La incorporación al suelo de materia orgánica combinada con microorganismos conocida como biofertilización es una práctica cada vez más extendida (Mejía y Salas, 2016). Estos materiales se denominan biofertilizantes y son elaborados a partir de materiales orgánicos de diferentes orígenes que contienen microorganismos con capacidad para mejorar la disponibilidad y el suministro de nutrientes necesarios para el desarrollo de los cultivos (Bhattacharjee y Dey, 2014). El uso de microorganismos en la agricultura actual se asocia a la mejora de la sanidad vegetal y al aumento del rendimiento y calidad de los frutos, debido a que la actividad microbiana favorece la disponibilidad y absorción de los elementos esenciales en forma iónica (Ingham, 2005; Pant et al., 2009, 2011; Grobelak et al., 2015) por lo cual se han identificado como una alternativa a la fertilización mineral para incrementar la fertilidad del suelo y aumentar la producción en un entorno sostenible (Wu et al., 2005; Sánchez et al., 2019).
2
Particularmente en la zona de estudio, el sudeste español, con más de 30.000 ha de cultivo de hortalizas en invernadero (Junta de Andalucía, 2017; Egea et al., 2018) se generan más de un millón de toneladas en peso freso de restos vegetales al año (Tolón-Becerra y Lastra-Bravo, 2010; Egea et al., 2018), siendo el compostaje y el vermicompostaje la mejor opción para el procesamiento de estos materiales (Fernández-Gómez et al., 2010; Hernández et al., 2016), porque ofrecen la posibilidad de reincorporarse a los sistemas intensivos de producción como fuente de nutrientes en enmiendas orgánicas, sustratos, extractos acuosos, etc.
1.1.1 Sustratos
Esencialmente, un sustrato como medio de cultivo en contenedor debe poseer propiedades físicas que le permitan tener un balance adecuado entre retención de agua y capacidad de aireación. A su vez, podría interesar determinadas propiedades químicas y biológicas que presenten una fuente de nutrientes de lenta liberación y que además permita el desarrollo de microorganismos para promover los procesos de mineralización y solubilización de nutrientes en el medio de cultivo. Las propiedades físicas de referencia para un sustrato de cultivo en contenedor describen una densidad aparente <400 g L-1, porosidad total >85% (v:v), capacidad de aireación entre 20 y 30% (v:v), agua fácilmente disponible de 20-30% (v:v), agua de reserva 4-10% (v:v), mientras que para las propiedades químicas se menciona una capacidad de intercambio catiónico <20 (mmol 100 g-1), conductividad eléctrica de 0.75 a 1.99 dS m-1, pH 5.2 a 6.3, relación C/N <40 y una materia orgánica >80% (ms) (Abad et al., 2004). Estas propiedades actúan como soporte y participan en la gestión de la disponibilidad y reserva de nutrientes aportados por el fertirriego (López et al., 2015).
Además de una estructura adecuada, un medio de cultivo también debe cumplir con los requisitos prácticos y económicos del productor; en resumen, debe ser asequible, fácil de obtener y manejable (Barret et al., 2016).
La integración de los materiales vermicompostados al ciclo de producción es la alternativa más eficaz en el manejo sostenible de su potencial como sustrato de cultivo (Carlile et al., 2019).
3 no existen valores de referencia sobre las propiedades físico-químicas de sustratos orgánicos en cultivo sin suelo enfocados a la supervivencia y desarrollo de los microorganismos promotores del crecimiento vegetal por lo que se destaca la importancia de caracterizar estos valores.
Cuando trabajamos en cultivo en contenedor con sustratos orgánicos, una forma de mejorar la eficiencia en el suministro de nutrientes procedentes del vermicompost es la combinación de su uso en forma líquida y como sustrato de cultivo (Burnett et al., 2016).
1.1.2 Extractos acuosos
Los biofertilizantes provenientes de materia orgánica líquida representan una alternativa para satisfacer las necesidades nutricionales de los cultivos, disminuir los costos de producción y la dependencia de los fertilizantes minerales (González et al., 2013a; Hernández et al., 2016). En general, los extractos acuosos provenientes de compost y vermicompost son las soluciones nutritivas orgánicas más utilizadas. El té de vermicompost es un extracto acuoso de alta calidad biológica que se consigue por una fermentación aeróbica del vermicompost y es producido al solubilizar vermicompost con agua (González et al., 2013). Los nutrientes solubles en el té son absorbidos por la planta, y al mismo tiempo favorecen el desarrollo de los microorganismos benéficos que permiten suprimir enfermedades en los cultivos, por lo que las plantas son más sanas y se reduce la aplicación de fertilizantes minerales. Las características químicas y biológicas de los diferentes tés de vermicompost varían dependiendo de las características del vermicompost usado (Tabla 1.1), así como del sistema y proceso de elaboración del producto y de los diferentes factores que lo afectan (Çakmakçi et al., 2006; Ahmad et al., 2008; Compant et al., 2010; Egamberdieva, 2011; Kim et al., 2007; Tabassum et al., 2017).
Tabla 1.1. CE y concentración de macronutrientes en los extractos acuosos según el material empleado para su elaboración. Datos presentados en mg L-1.
Materia orgánica CE (dS m-1) NH4+ NO3- P K+ Ca2+ Mg2+ Na+ 1Restos vegetales y estiércol 2.8 35.8 258.9 26.2 184.8 61.9 80.1 116.9 2Pasto + mezclas de estiércol 4.5 51.3 387.5 19.2 436.2 83.6 46.3 149.7 3Compost de estiércol - 1.62 122.0 30.9 230.0 41.50 35.7 29.2 4Estiércol de aves 6.1 3.3 289.2 14.8 1198.9 152.6 138.3 -
1 2González et al., 2013a;3Hargreaves et al., 2009; 4Pant et al., 2012.
4
Mejorar el contenido de macronutrientes en formas iónicas a partir de materiales orgánicos representa un desafío para la agricultura moderna que plantea la necesidad investigar nuevas fuentes de nutrientes más sostenibles y la búsqueda de procesos de obtención más eficientes.
1.1.2.1 Factores abióticos a considerar en la elaboración de extractos acuosos
Las propiedades biológicas y químicas finales de los tés de compost y vermicompost se encuentran condicionadas por una serie de factores que son necesarios tener en consideración durante la elaboración de los extractos acuosos orgánicos. El objetivo de monitorear y controlar cada uno de los parámetros es conseguir la mayor cantidad de nutrientes en formas iónicas en equilibrios adecuados para nutrir cultivos. Cada variable del proceso tiene un efecto directo o indirecto en la calidad final del extracto. Dentro de los factores a considerar se encuentran las características químicas de la materia orgánica, la aireación durante el proceso extractivo, tiempo de extracción, el pH del medio líquido, la adición de aditivos como ácidos húmicos, algas marinas, azúcares, la conductividad eléctrica, entre otros, (Scheuerell, 2004; Ingham, 2005; Durán y Henríquez, 2007; González et al., 2013a). Conocer sus efectos nos permitiría optimizar el proceso de solubilización y mineralización de los nutrientes, así como caracterizar el proceso en condiciones acuosas.
1.1.2.2 Relación C/N
El proceso para mejorar la disponibilidad de nutrientes para las plantas no solo depende del tipo de microorganismo presente sino también de las características físicas, químicas y biológicas de la MO empleada. Una de las características determinantes es la capacidad de mineralización del material orgánico que está directamente influenciada por la relación C/N, la cual proporciona información sobre su potencial para mineralizar N. Cuando la relación C/N es menor de 20 se presentará una mayor velocidad y magnitud de descomposición, por el contrario, si la relación C/N es mayor de 25 el proceso de descomposición es lento lo que genera inmovilización de N por parte de los microorganismos (Feral et al., 2003; Cerrato et al., 2007). A su vez, conocer la relación C/N de los materiales orgánicos es necesario para determinar la tasa de mineralización de N en un periodo de tiempo específico.
1.1.2.3 Conductividad eléctrica
5 comúnmente usada es de 1:3 a 1:10 (Scheuerell y Mahaffee, 2004), e inclusive 1:100 (Shresta et al., 2011) aunque una relación de dilución muy elevada tendrá evidentemente una reducción drástica en las propiedades microbiológicas, así como de nutrientes. A su vez, el uso de concentraciones elevadas puede afectar la actividad de microorganismos, además, la CE máxima estará limitada por la capacidad de solubilización de un material en agua sin limitar el estado líquido y su correcta aireación durante el proceso extractivo.
1.1.2.4 Oxígeno disuelto
El oxígeno presente en la elaboración del té de compost influye en la aceleración de procesos de mineralización de nutrientes por parte de microorganismos (Ingham, 2005). Cuando el nivel de oxígeno es una limitante, los nutrientes se pueden perder y pueden desarrollarse microorganismos causantes de enfermedades en los cultivos (Ingham, 2005). Mantener condiciones aeróbicas superiores a 4.5 mg L-1 O2 disuelto promueve el desarrollo microorganismos benéficos que compiten con microorganismos patógenos y mejora directamente la actividad microbiana y los procesos de nitrificación en los extractos acuosos (Serrano et al., 2004). Los resultados publicados en la elaboración de extractos acuosos aireados y sin aireación han sido muy variables, a su vez, no se ha establecido clasificación sobre la concentración mínima de oxígeno disuelto para distinguir un té de vermicompost aireado de uno sin aireación (St. Martin et al., 2012), sin embargo, el efecto de la aireación permite mantener por más tiempo el proceso extractivo a diferencias de la fermentación anaeróbica.
1.1.2.5 Tiempo
Representa un factor determinante en los procesos de fermentación aeróbica para la elaboración de los extractos acuosos de compost o vermicompost. Actualmente no se tiene un consenso en cuanto al tiempo adecuado en los procesos aeróbicos, debido a la alta variabilidad de materiales empleados en estos procesos por lo cual se pretende conocer el tiempo necesario según el tipo de materia orgánica, composición y microorganismos. Los procesos de extracción pueden extenderse desde 24 horas hasta 3 semanas (Ingham, 2005).
1.1.2.6 Aplicación de aditivos
6
procesos de mineralización de nutrientes, por lo que el efecto que tiene la adición de aditivos sobre las poblaciones de microorganismo estará en función de la calidad de extracto en cuanto cantidad de nutrientes minerales (Pant et al., 2009).
1.1.2.7 pH
Los materiales orgánicos derivados de procesos de compostaje generalmente poseen un pH alcalino que puede limitar la cantidad de nutrientes disponibles en los compost, y está asociado a la presencia de cantidades sustanciales de carbonatos (García de la Fuente et al., 2007). Por otra parte, el pH es un parámetro crítico en la reproducción de microrganismos ya que su actividad se optimiza en un rango estrecho. Los rangos óptimos de pH se determinan en función del tipo de microorganismos, los cuales se dividen en acidófilos que pueden llegar a sobreviven en pH menores a 5 y los alcalóflilos que se desarrollan en ambientes con valores de pH superiores a 9.0 (Ramírez et al., 2006). Además del efecto del pH en la actividad microbiana, se debe considerar la disponibilidad/solubilidad de nutrientes en función del pH para evitar la precipitación de elementos.
1.2
Microorganismos como herramienta de biofertilizaciónLas bacterias y hongos son los microorganismos más utilizados en agricultura por su capacidad de mejorar la nutrición de las plantas (Gadagi et al., 2004; Wu et al., 2005; Theunissen et al., 2010; Bharathiraja et al., 2012; Ponmurugan et al., 2012; Ahemad y Kibret, 2014; Geddes et al., 2015), entre los que destacan las bacterias conocidas como promotoras del crecimiento de las plantas o PGPB (Plant Growth Promoting Bacteria) (Glick, 2012). La inoculación de PGPB durante la elaboración de soluciones nutritivas orgánicas es una práctica que se ha estudiado para mejorar la calidad final del extracto, sin embargo, su grado de efectividad no está asegurado al depender de la interacción con los factores físicos, químicos y biológicos.
7
1.2.1 Azospirillum
Dentro del género Azospirillum se incluyen una gran cantidad de especies de bacterias de vida libre que pueden ser encontradas en los suelos y tienen la capacidad para colonizar la rizosfera de las plantas en relación simbiótica por lo que actualmente es una de las bacterias PGPB más utilizadas para la biofertilización (Ferreira et al., 2019).
El efecto estimulador ejercido por Azospirillum también se ha atribuido a la secreción de fitohormonas como ácido giberélico y ácido indolacético (Sahoo et al., 2014). Estudios también han asociado la capacidad promotora de Azospirillum los fitorreguladores como los responsables del aumento del crecimiento y la producción de los cultivos debido a la una gran variabilidad en la capacidad de fijar nitrógeno en plantas según la cepa de Azospirillum con la que son inoculadas (Gadagi et al., 2004).
1.2.2 Azotobacter vinelandii
Azotobacter sp. es una bacteria de vida libre que se desarrolla en medios aeróbicos y contribuye a la fijación de nitrógeno atmosférico (Geddes et al., 2015) y a la solubilización de los fosfatos minerales, por lo tanto, puede mejorar el crecimiento de las plantas especialmente en suelos con gran cantidad de fosfato precipitado (Rodríguez et al., 2004).
Las bacterias del género Azotobacter crecen en medios con un rango de pH de 5.5 a 8.5 (Sheraz et al., 2010). Específicamente la bacteria Azotobacter vinelandii utiliza el nitrógeno atmosférico para la síntesis de sus proteínas, las mismas que se mineralizan en el suelo después de su muerte, contribuyendo así con la disponibilidad de nitrógeno para las plantas. Este género de bacterias es de gran importancia para el ambiente y el ciclo biológico de nutrientes debido a que se encuentra de forma natural en los suelos y tiene una gran capacidad de fijación de N gracias a que posee una alta tasa metabólica de tres enzimas nitrogenasas (McRose et al., 2017). Además, algunas especies promueven la solubilización del fósforo por medio de la secreción de ácidos orgánicos que liberan fosfatos precipitados en el suelo para el mejor el aprovechamiento de este elemento por las plantas (Rodríguez et al., 2004). Así mismo, se ha detectado que algunas especies de Azotobacter producen reguladores de crecimiento vegetal como el ácido indolacético y la producción de sideróforos (Ponmurugan et al., 2012). Además de los mecanismos directos en la mejora del crecimiento vegetal asociados a Azotobacter, se ha caracterizado su capacidad como un agente de control biológico (Chauhan et al., 2012).
1.2.3 Bacillus megaterium
8
condiciones favorables para su crecimiento y tienen una gran capacidad metabólica que conlleva a que su colonización de la rizosfera sea exitosa. Son bacterias pertenecientes a la familia Bacillaceae, son aerobias o anaerobias facultativas (Wu et al., 2005; Bharathiraja et al., 2012) que se desarrollan favorablemente en ambientes con pH ácido y básico entre un rango de 5.5 - 8.5 (Corrales et al., 2014).
1.2.4 Frateuria aurantia
Frateuria aurantia es una proteobacteria del orden Xanthomonadales que tiene la capacidad de colonizar la rizosfera estimulando el desarrollo radicular (Bharathiraja et al., 2012) y solubilizar el potasio contenido en el suelo en formas no asimilables por los cultivos, mediante la producción de ácidos orgánicos y proteínas que facilitan la absorción de K+ en el suelo (Subhashini, 2016). Las cepas clasificadas como Frateuria aurantia se aislaron inicialmente de la flor del lirio (Lilium auratum) y del fruto de la frambuesa (Rubus parvifolius) y más recientemente fue aislada de un suelo ácido (Curtis et al., 2002). Frateuria aurantia es una bacteria móvil, en forma de bastón que pertenece a la familia Pseudomonaceae. Esta bacteria tiene gran capacidad de crecimiento de forma exponencial bajo un rango amplio de temperatura (10-36° C) y de pH (3.5-11) (Joyeux et al., 2004; Murugesan, 2008). Su principal capacidad en la promoción del crecimiento vegetal está asociada a la movilización del K+. Eso implica la producción de ácidos orgánicos para liberar el potasio que puede estar retenido, haciéndolo disponible para las plantas (Anisa et al., 2016). Además, su efectividad se ve mejorada en suelos con bajo contenido en K+. En algunos estudios se ha demostrado la aplicación de Frateuria aurantia permite reducir la cantidad de fertilizantes minerales de K+ en un 50-60% (Chandra et al., 2005).
1.2.5 Mecanismos de acción.
Conseguir máximos beneficios en términos de ahorro de fertilizantes y mejores producciones, mediante la tecnología de inoculación basada en PGPB eficientes puede considerarse una estrategia importante para la gestión sostenible y para reducir los problemas ambientales al disminuir el uso de fertilizantes químicos (Alves et al., 2004; Adesemoye et al., 2009).
Centrándonos en las bacterias y los mecanismos para mejorar la disponibilidad de nutrientes para las plantas destacaremos aquellos procesos y bacterias directamente relacionados con los principales macronutrientes.
1.2.5.1 Fijación y mineralización de N
9 microorganismos fijadores de nitrógeno, que están ampliamente distribuidos en la naturaleza y transforman el N en NH4+ por medio un sistema enzimático conocido como nitrogenasa (Oldroyd y Dixon, 2013; Santi et al., 2013). Los organismos fijadores de nitrógeno se clasifican generalmente como bacterias fijadoras de N simbióticas que pueden ser asociativas y endófitas o de vida libre (Goswami et al., 2016; Tabassum et al., 2017).
Con respecto a la mineralización, el N que se encuentra en el suelo o en los materiales orgánicos está como proteínas y péptidos, formas no disponibles para las plantas, por lo que necesita descomponerse por acción de los microorganismos, pasando a N mineral, por medio del proceso de amonificación y de nitrificación (Sánchez-Monedero et al., 2001). La amonificación es el proceso en donde se obtiene amoniaco (NH3+) a partir del N orgánico (Norg). La nitrificación se produce en dos fases; inicialmente el NH3+ se oxida a nitrito (NO2-) por acción de bacterias del género
Nitrosomonas y posteriormente el NO2- es transformado a NO3- por bacterias del género
Nitrobacter (Cáceres et al., 2017). Tanto la nitrificación como la mineralización del nitrógeno orgánico en el suelo se ven afectadas por la humedad, la temperatura y factores químicos entre los que se encuentra el pH, la salinidad, compuestos inorgánicos y microorganismos (Sikora y Szmidt, 2004), así como también por la relación C/N y el aporte de nutrientes esenciales (Vernimmen et al., 2007). Strayer et al. (1997) mencionan una eficiencia menor al 30% en la transformación de N orgánico a mineral, por lo cual es necesario buscar métodos que permitan hacer más eficientes los procesos de transformación del nitrógeno orgánico a formas minerales.
El N potencialmente mineralizable es la máxima cantidad de N que puede ser liberado por un material orgánico después de su descomposición por acción de los microorganismos (Cerrato et al., 2007), conocida como mineralización acumulada (cantidad de N liberado en un periodo de tiempo) (Brady y Weil, 1999). La tasa de mineralización de N es la velocidad o grado de mineralización y se interpreta como el porcentaje de N que se mineraliza y que permite conocer cuanto está siendo liberado en forma disponible en un periodo de tiempo determinado (Cerrato et al., 2007). González et al. (1995) mencionan que el contenido óptimo de humedad para la mineralización es 75% de la capacidad de retención de humedad del material orgánico y Benítez et al. (1998) mencionan que a 30°C se obtiene la mayor velocidad de mineralización.
Dentro de los procesos anteriormente descritos, participan las bacterias del género Azotobacter que han sido identificadas como promotoras del crecimiento vegetal al participar en los procesos de fijación (Bhattacharjee y Dey, 2014; Geddes et al., 2015) y las bacterias del género Azospirillum en fijación y mineralización del N (Gadagi et al., 2004; Bharathiraja et al., 2012), ambas bacterias colonizan los suelos libremente.
1.2.5.2 Solubilización y mineralización de fosfatos
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aplicar fertilizantes para mantener los niveles de producción. La necesidad de formas alternativas que faciliten la disponibilidad de fósforo en el suelo y minimicen el efecto adverso de la aplicación de fertilizantes es cada vez mayor; por ello, el uso de microorganismos que solubilicen el fósforo presente en el suelo o en materiales orgánicos es cada vez más demandado (Wei et al., 2016). La disponibilidad del P presente en el suelo para la planta es escasa debido a los procesos químicos que retienen el fósforo en formas insolubles no aptas para la nutrición vegetal, por ejemplo, la formación de fosfatos de calcio en suelos alcalinos y los fosfatos de hierro y aluminio en suelos ácidos (Rodríguez y Fraga, 1999).
El P puede encontrarse en formas asimilables para las plantas como dibásico o monobásico (H2PO4- y HPO42-) a partir de dos procesos: solubilización y mineralización. El principal mecanismo de solubilización del fósforo desde compuestos insolubles de fosfato inorgánico (fosfato di cálcico, fosfato tricálcico y roca fosfórica) a formas asimilables se produce como consecuencia de la producción y liberación de ácidos orgánicos (Vyas y Gulati, 2009) de los cuales el oxálico y cítrico son considerados los mejores para solubilizar P (Kim et al., 1997). Este proceso es generado por las bacterias pertenecientes a los géneros: Azospirillum (Santi et al., 2013), Bacillus (Wu et al., 2005; Ahmad et al., 2008), Azotobacter (Ponmurugan et al., 2012; Ahemad y Kibret, 2014), Erwinia, Alcaligenes, Enterobacter, Serratia, Arthrobacter, Acinetobacter, Flavobacterium, Pseudomonas, Burkholderia, Rhizobium (Rodríguez y Fraga, 1999; Sharma et al., 2013).
La mineralización es la conversión microbiana de fósforo orgánico a las formas iónicas disponibles para las plantas (Rodríguez y Fraga, 1999). Se produce a través de la síntesis de una variedad de enzimas fosfatasas producidas por microrganismos que catalizan la liberación de fósforo mineral a partir del contenido de P orgánico (Glick, 2012). Es importante destacar que la solubilización y mineralización de fosfato pueden coexistir en la misma cepa bacteriana (Tao et al., 2008). En ese sentido en este estudio nos enfocamos el género Bacillus con la especie megaterium.
1.2.5.3 Solubilización de potasio
Debido a la deficiencia de potasio en los suelos cultivados, son numerosos los trabajos de investigación sobre la aplicación de bacterias solubilizadoras de K+ como biofertilizantes para determinar su potencial en la solubilización de los minerales que contienen potasio en los suelos y su efecto sobre el crecimiento, el rendimiento y la calidad de las plantas (Bharathiraja et al., 2012; Subhashini, 2016).
11 Las bacterias solubilizadoras de potasio se utilizan para mejorar la disponibilidad en los cultivos y promover el desarrollo vegetal, al ser aplicados junto con materiales minerales que contienen K+ inorgánico, con lo que se puede proveer un suministro constante de potasio para aumentar los rendimientos (Shindu et al., 2016).
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1.3 Interés y objetivos
La generación de biomasa a partir de los cultivos hortícolas en las más 30.000 hectáreas de invernadero en la provincia de Almería se estima en 1.3 millones de toneladas anuales, considerando que normalmente se hacen dos o tres ciclos de cultivo por año (Egea et al., 2018). Estos desechos vegetales ocasionan problemas asociados a la contaminación de suelos, agua, y aire cuando no son gestionados correctamente o cuando los volúmenes superan la capacidad de procesamiento (Milinkovic et al., 2019). Por otra parte, el uso continuo de fertilizantes minerales ó de síntesis en el sector está teniendo repercusión en la degradación, salinización y pérdida de calidad biológica de los suelos agrícolas (Hernández et al., 2016).
Derivado de estos efectos negativos, surge la necesidad de encontrar alternativas de manejo que hagan que el sistema de producción sea más eficiente disminuyendo su impacto ambiental con respecto al método tradicional de producción de alimentos. La tendencia a corto plazo marca la necesidad esencial del uso de los recursos locales como fuente de nutrientes para los cultivos, teniendo en cuenta el coste económico y ambiental de los fertilizantes convencionales. Para minimizar la aplicación de fertilizantes de síntesis en la agricultura, está el enfoque integrado de la gestión de nutrientes. En este sentido, destaca la utilización de materiales locales vermicompostados y bacterias promotoras del crecimiento de las plantas (PGPB) como una herramienta para aumentar la producción y conseguir un manejo más sostenible del medio ambiente.
Los fertilizantes orgánicos, en formulaciones líquidas, tienen concentraciones de elementos nutritivos muy inferiores a los fertilizantes minerale, que además necesitan ser mineralizados por los microorganismos una vez que son aplicados a los cultivos para que sean asimilados por las plantas (Hernández et al., 2016). Los microorganismos presentes en el suelo tienen la capacidad de mineralizar los nutrientes a formas asimilables por los cultivos a través del ciclo biológico de nutrientes. Sin embargo, este es un proceso lento y puede derivar en deficiencias nutricionales en cultivos hortícolas intensivos con altos requerimientos de nutrientes (Burnett et al., 2016). Obtener un fertilizante líquido de origen orgánico - biofertilizante con una riqueza elemental en iones en formas asimilables para las plantas y acorde a los requerimientos de los cultivos intensivos, permitiría obtener producciones similares a la agricultura convencional, y ser utilizado en fertirrigación – Biofertirrigación- en sistemas de cultivo sin suelo.
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Objetivo general
Obtener una solución nutritiva orgánica equilibrada en los principales macronutrientes para su uso en fertirrigación a base de un extracto acuoso de materia orgánica vermicompostada y valorar su efecto como solución nutritiva en fertirrigación, en cultivo en contenedor utilizando como sustrato vermicompost de restos vegetales hortícolas, y bacterias promotoras del crecimiento que colaboren como fuente auxiliar de nutrientes a la solución orgánica.
Objetivos específicos
Sobre el proceso de fabricación del extracto acuoso
• Caracterizar y optimizar el proceso de obtención de extractos acuosos que mejoren su eficiencia nutritiva como soluciones orgánicas con equilibrios nutrimentales aptos para fertirrigación en cultivo sin suelo para cultivos hortícolas, partiendo de vermicompost de estiércol y de restos vegetales hortícolas.
• Valorar durante el proceso de extracción el efecto de la aireación, el pH, la conductividad eléctrica, el tiempo, y la incorporación de aditivos en generar macronutrientes en formas iónicas (NO3-, NH4+, H2PO4-, K+, Ca2+, Mg2+) disponibles para las plantas.
• Identificar y cuantificar durante el proceso de extracción la evolución de los grupos funcionales de microorganismos.
• Determinar la capacidad de diferentes bacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPB) en generar macronutrientes en formas iónicas disponibles para las plantas.
Sobre las mezclas de sustratos y PGPB
• Determinar la mezcla de sustrato adecuada a base de vermicompost de residuos vegetales hortícolas y fibra de coco, para ser usada como fuente de nutrientes auxiliar a la solución orgánica aplicada en fertirrigación en cultivo en contenedor de tomate y melón, según su efecto en la actividad microbiana, el estado nutricional del cultivo, y la producción.
CAPÍTULO II
FABRICACIÓN DE EXTRACTOS
ACUOSOS COMO FUENTE DE
NUTRIENTES EN HORTICULTURA
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CAPÍTULO II:
ELABORACÓN Y MEJORA DE EXTRACTOS
ACUOSOS
COMO
FUENTE
DE
NUTRIENTES
EN
HORTICULTURA.
2.1 Resumen
El objetivo de este estudio fue desarrollar una solución nutritiva orgánica basada en los equilibrios recomendados para fertirrigación como alternativa a los fertilizantes de síntesis. Evaluamos la capacidad de las bacterias Azotobacter vinelandii, Azospirillum
sp., Bacillus megaterium y Frateruria aurantia por su capacidad reconocida para mejorar
el crecimiento de plantas (PGPB) en dos dosis (105, 108 unidades formadoras de colonias,
UFC) para generar macronutrientes en formas iónicas asimilables en extractos acuosos elaborados a base de vermicompost de estiércol bovino y de restos de cultivos hortícolas. También se valoraron modificaciones en el proceso de extracción de nutrientes que permitieran mejorar las condiciones de la solución nutritiva final. Las características de la materia orgánica (MO) utilizadas en el proceso de elaboración de soluciones orgánicas, así como la duración de dicho proceso, fueron factores clave para determinar la concentración de elementos minerales en las formas disponibles para las plantas.
El extracto acuoso elaborado con vermicompost vegetal demostró tener suficientes poblaciones de bacterias y hongos endógenos incluyendo grupos funcionales de fijadores de nitrógeno, solubilizadores de fosfatos, nitrificantes y amonificantes. Por consecuencia, en las condiciones del experimento fue posible obtener una solución nutritiva equilibrada con una concentración adecuada de elementos minerales a partir de vermicompost de origen vegetal aireado durante al menos 12-16 días. No se observó una mejora en la disponibilidad de elementos nutritivos al adicionar bacterias exógenas a excepción de la
aplicación de la bacteria Bacillus megaterium, la cual registró un aumento significativo en la concentración de H2PO4-. A su vez, se optimiza el proceso de preparación de la
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2.2 Introducción
Los microorganismos trabajan facilitando la disponibilidad de los nutrientes a las plantas, ya sea solubilizándolos, fijándolos o mineralizándolos (Shinohara et al., 2011). Sin embargo, es indiscutible que una vez son aplicados al medio radicular su efectividad no es homogénea al depender de numerosos factores involucrados: tipo de suelo, aireación, pH, disponibilidad de agua, temperatura, especie cultivada, aplicación de fitosanitarios, las interacciones de la comunidad bacteriana, la fase de crecimiento de la planta, la fase de crecimiento del inóculo bacteriano (Hegazy et al., 2015). Estos factores tienen consecuencias difíciles de prever en la actividad de los microorganismos una vez son aplicados al medio de cultivo. Aunque los mecanismos involucrados en la interacción microorganismo-planta no son claros, se ha demostrado repetidamente que determinados microorganismos y algunas bacterias en especial tienen demostrados sus efectos positivos sobre el crecimiento de las plantas y son conocidas como Bacterias promotoras del crecimiento de las plantas (PGPB).
Conseguir soluciones nutritivas orgánicas combinadas con microorganismos capaces de mineralizar los iones nutritivos antes de estar en contacto con el medio radicular permitiría asegurar la disponibilidad de nutrientes en forma asimilable para las plantas. Esta solución biofertilizante aplicada mediante el riego, biofertirrigación, permite asegurar que contiene los nutrientes en concentraciones suficientes y los microorganismos beneficiosos para continuar su trabajo una vez estén en contacto con el sustrato o suelo. En esta línea destacan los biofertilizantes provenientes de materia orgánica líquida como alternativa para satisfacer las necesidades nutricionales de los cultivos, disminuir los costos de producción y la dependencia de los fertilizantes minerales (González et al., 2013a).
El uso de biofertilizantes constituye una alternativa viable para mejorar el rendimiento de los cultivos sin hacer uso de fertilizantes minerales por lo que representa una importante opción para limitar el uso de abonos químicos, a la vez que reduce su negativo impacto ambiental y mejora la producción de los cultivos.
En los últimos años se han evaluado los extractos líquidos de vermicompost denominados tés y lixiviados (González et al., 2013a) debido a que es posible obtener un abono orgánico, de gran bioestabilidad que de acuerdo con Atiyeh et al. (2000), se evita su putrefacción al contener una carga enzimática y bacteriana que incrementa la solubilidad de los elementos nutritivos para favorecer el crecimiento de las plantas.
16 cultivos hortícolas se consideran como referencia los equilibrios de macronutrientes tradicionalmente utilizados para la mayoría de las especies cultivadas (Tabla 2.1). Tabla 2.1. Niveles de referencia de iones nutritivos (mmol L-1) en soluciones nutritivas
recomendados para fertirrigación de cultivos hortícolas.
Fuente NO3- H2PO4- NH4+ Ca2+ Mg2+ K+ Cultivo
Sonneveld (1980) 10.5 1.5 0.5 3.75 1.0 7.0 Tomate
Cadahía (1995) 7.5 2.0 - 4.5 1.5 7.0 Tomate
Escobar (1993) 13.5 1.5 - 4.50 1.5 5.5 Pimiento
Sonneveld y Straver (1994) 12.0 1.25 1.0 3.25 1.25 5.5 Judía Pardossi et al. (2017) 5-15 1-2 1-3 3-8 1-2 5-10 Hortícolas
Para ello es necesario estudiar fuentes de materia orgánica, tipos de microrganismos y procesos que permitan solubilizar los nutrientes pasándolos de sus formas orgánicas a inorgánicas. Partiendo de los equilibrios de macronutrientes establecidos para hortícolas y que tradicionalmente se consiguen mediante las fuentes de fertilizantes minerales.
Considerando la posibilidad de que se pueden conseguir equilibrios de macronutrientes para ser usados como soluciones nutritivas a partir de fuentes orgánicas, en este experimento se plantea la producción de soluciones nutritivas equilibradas para fertirrigación (bionutritivas-biofertilizantes) mediante el uso combinado de materiales provenientes de restos locales vermicompostados y microorganismos. El objetivo de este trabajo es determinar la capacidad de diferentes bacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPB) en generar macronutrientes en formas iónicas (NO3-, NH4+, H2PO4-, K+, Ca2+, Mg2+) disponibles para las plantas en función del tipo de material orgánico de partida (vermicompost de origen animal y vegetal) así como valorar el efecto de la aireación, el pH, conductividad eléctrica y la adición de aditivos durante el proceso de fabricación del extracto acuoso, siempre teniendo como objetivo obtener equilibrios iónicos y concentraciones aptas para fertirrigación en cultivos hortícolas.
2.3 Material y Métodos
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En la búsqueda de obtener una solución nutritiva equilibrada y con riqueza mineral adecuada para hortícolas se establecieron 6 experimentos a partir de los extractos acuosos A y V (Tabla 2.2) donde en función del experimento se valoró la inoculación de PGPB, aireación, pH de extracto, dosis de PGPB, CE y aplicación de aditivos al comienzo del proceso extractivo. Cada tratamiento tuvo una duración de 16 días de extracción.
Tabla 2.2. Concentración inicial de iones (mmol L-1), pH y CE del extracto acuoso inicial (día 0) para la preparación de los tratamientos y análisis del agua empleada para su elaboración. MO g MS L-1 NO 3- H2PO4- Cl- NH4+ K+ Ca2+ Na+ Mg2+ pH CE (dS m-1) V 54.4 1.5 0.5 7.6 0.3 4.8 2.3 6.2 1.3 7.7 2.3 A 82.9 1.9 0.3 9.4 0.6 6.9 2.1 3.6 1.2 7.2 2.3 Agua - 0.3 - 6.0 0.0 0.1 2.0 2.3 0.7 7.8 1.1
MO, materia orgánica; V, vermicompost de restos vegetales hortícolas; A, vermicompost de estiércol bovino. MS, materia seca.
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Experimento 1. Efecto del PGPB y tiempo en dos materiales orgánicos.
En este estudio se analizó el efecto que tiene la adición de PGPB sobre la disponibilidad de nutrientes en dos extractos acuosos a base de vermicompost de origen vegetal (V) y animal (A) durante 16 días de extracción. Se establecieron 6 tratamientos que se diferenciaron según el tipo de bacteria inoculada al extracto de la siguiente manera: T0, Control; T1, Azotobacter vinelandii; T2, Azospirillum sp; T3, Bacillus megaterium; T4, Frateuria aurantia; T5, Azotobacter v + Azospirillum + Frateuria a. La dosis aplicada fue de 108 UFC para cada tratamiento (Ahmed et al., 2008). El tratamiento Control (T0) se estableció para valorar la efectividad de los microorganismos endógenos del vermicompost frente a la aplicación de microorganismos exógenos. De tal manera, se dispuso de 18 contenedores para los 6 tratamientos con 3 repeticiones para la solución V, y otros 18 para la A. El conteo de las poblaciones totales de hongos y bacterias, así como fijadores de nitrógeno y solubilizadores se realizó mediante el método de conteo de unidades formadoras de colonias (UFC) en placa mediante diluciones en serie para cuantificar poblaciones presentes en cada tratamiento. Para ello, se colocaron 100μL de suspensión en cada placa con medio de cultivo específico y se colocaron en cámara de incubación por 72 horas para hongos y 48 para bacterias (Pykovskaya, 1948; Wilson y Knight, 1952). Para el recuento de microorganismos amonificantes y nitrificantes se utilizó el método de número más probable NMP (Herigstad et al., 2001). Se caracterizó además la actividad metabólica de la enzima deshidrogenasa para cada tipo de vermicompost mediante el método propuesto por Casida (1977) debido a que esta enzima está directamente relacionada en procesos de oxidación de los compuestos orgánicos y es un indicador en la mineralización de la MO y la tasa de actividad microbiana.
Experimento 2. Efecto de la aireación
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Experimento 3. Efecto de la acidificación
El objetivo de este estudio fue valorar el efecto del pH durante la extracción de la solución nutritiva. Para mantener el origen orgánico (Norg) de la solución nutritiva, se utilizó ácido acético (Capulín et al., 2007) mediante aplicaciones frecuentes para mantener el pH del extracto a 5.5 considerado adecuado para cultivos hortícolas al aumentar la disponibilidad de nutrientes (Resh, 1991). Para ello se establecieron 5 tratamientos con tres repeticiones a base del extracto acuoso vegetal al cual se inocularon las baterías Azotobacter vinelandii, Azospirillum sp, Bacillus megaterium y Frateuria Aurantia a una dosis de 108 UFC por tratamiento, además de un tratamiento Control sin adición de bacterias. Se analizó la concentración de NO3-, y H2PO4- al final del proceso extractivo (16 días).
Experimento 4. Efecto de la dosis de PGPB
Este estudio se desarrolló en condiciones similares al experimento 1, usando el extracto V con aireación, pero con una dosis de PGPB mil veces menor (105 UFC tratamiento-1). Se analizó la concentración de NO3-, y H2PO4- después de 16 días de extracción con Azotobacter vinelandii; Azospirillum sp, Bacillus megaterium, y Frateuria Aurantia. Los resultados se analizan estadísticamente mediante la comparación entre PGPB, y con la dosis de 108 UFC. Se consideró una prueba de rangos múltiples con índice mínimo de significancia estadística de 95% de acuerdo al análisis de la varianza ANOVA.
Experimento 5. Efecto de la conductividad eléctrica
Las CE recomendadas para cultivos hortícolas en fertirrigación varían entre 1.5-2.3 (Tabla 2.1), sin embargo, aumentar la concentración de nutrientes durante el proceso de fabricación del extracto acuoso permitiría almacenar soluciones concentradas que serían diluidas previamente al fertirriego. No obstante, el efecto del aumento de la concentración del material orgánico modifica las características del extracto que puede afectar a la actividad microbiana y finalmente a la concentración de nutrientes. Aunado a ello, el aumento en la concentración también puede provocar concentraciones fitotóxicas de elementos como el Na+. Por ello se realizó un experimento utilizando como base vermicompost V disuelto en agua en distintas proporciones hasta obtener CE de 2.0, 3.0, 4.0, 6.0 y 8.0 dS m-1. En este experimento se analizaron las concentraciones de NO
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Experimento 6. Efecto de los aditivos
El uso de aditivos en fabricación de tés de compost y vermicompost es una práctica común para promover la multiplicación de microorganismos mediante el suministro de diversos suplementos que son fuentes de energía para la totalidad de la microbiota (Shrestha et al., 2011). En este experimento fue valorado el efecto de la aplicación ácidos húmicos, extractos de algas marinas, azúcar y peróxido de hidrógeno al ser estos los aditivos más comunes (Pant et al., 2009). Los aditivos se aplicaron al inicio del proceso a una dosis de 2g L-1 para azúcar y algas (Kannangara et al., 2006) mientras que los ácidos húmicos y el peróxido de hidrógeno se aplicaron a 1 mL L-1 (Mikutta et al., 2005; Shrestha et al., 2011), y un tratamiento Control. Se utilizó el extracto V al cual se le aplicaron los aditivos al inicio del proceso extractivo con aireación y se caracterizó la concentración de NO3-, y H2PO4- a los 4, 8, 12 y 16 DDE.
2.3.1 Diseño experimental y análisis estadístico
Se realizaron seis experimentos independientes en función del origen de la materia orgánica empleada (vermicompost V y A) para la preparación del extracto acuoso. Para cada experimento se realizó el análisis estadístico en función de la aplicación o no de bacterias, la adicción de aditivos, CE, pH, tiempo de extracción y concentración de oxígeno (Tabla 2.3), mediante un análisis multifactorial que permitiera determinar las interacciones entre las variables, así como el momento de muestreo durante el experimento. El procedimiento elegido para el análisis de los parámetros evaluados fue el análisis de la varianza (ANOVA) a un nivel de confianza del 95.0% ante las pruebas de rango múltiples para conocer el grado de significación mediante la diferencia mínima significativa (DMS) de Fisher con el programa informático STATGRAPHICS Centurion XVII.
Tabla 2.3. Descripción de los experimentos durante la fabricación de extractos acuosos de acuerdo a la variable de estudio y características principales
Experimento Tratamientos Materia
orgánica PGPB pH CE Tiempo-PGPB1 0-4-8-12-16 días y tipo de PGPB1 V 3 - A4 108 UFC >8 2.3 Acidificación pH 5.5 - >8 y tipo de PGPB1 V 10 8 UFC 5.5 2.3
Dosis PGPB1 105-108 UFC V 108 UFC >8 2.3
Aireación Con y sin aireación V - >8 2.3
CE 2-3-4-6-8 dS m-1 V - >8 2-8
Aditivos2 Materias (4) V - >8 2.3
1Azospirillum sp, Azotobacter v, Bacillus m, Frateuria a. 2Ácidos húmicos, extracto de algas,
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2.4 Resultados y Discusión
2.4.1 Efecto PGPB y el tiempo
Los resultados obtenidos en las muestras de té tomadas durante el experimento muestran una alta variabilidad en la evolución de las concentraciones de los iones analizados, encontrándose diferencias significativas en función del tratamiento aplicado (tipo de PGPB), el tiempo de elaboración y tipo de materia orgánica utilizada, siendo todos ellos factores determinantes para la concentración de todos los iones en la solución de vermicompost. Se observa un aumento en la concentración de NO3-con el paso del tiempo, obteniéndose valores máximos a los 16 días desde el inicio del proceso de extracción (DDE) (Fig. 2.1), coincidiendo con los resultados de Figueroa-Barrera et al. (2012) al lograr la mayor tasa de mineralización de N en la segunda semana. Este aumento de NO3- se observa con los dos tipos de materia orgánica, destacando el vermicompost de origen vegetal (V) con la mayor concentración de NO3- cuando no son aplicadas bacterias exógenamente (T0), y con diferencias significativas al 95%.
El nitrógeno es un factor limitante en la agricultura ecológica, debido a que, en la aplicación de fertilizantes ecológicos, el N se encuentra comúnmente en cantidades inferiores a los requerimientos de los cultivos o en formas químicas no asimilables.
En los dos experimentos la mayor concentración de NO3-, con diferencias estadísticamente significativas, se obtiene en el tratamiento T0 (sin aplicar PGPB) en las dos fuentes de MO (A y V) a los 16 DDE (Fig. 2.1). Estos resultados corroboran que el vermicompost contiene bacterias nitrificantes (Mejía et al., 2018). La mayor concentración de NO3- se alcanza en T0 para V con 8 mmol L-1, valor suficiente para su uso como solución nutritiva en hortícolas (Tabla 2.1). En la solución A, las concentraciones de NO3- no superan 4 mmol L-1 en ninguno de los tratamientos, siempre inferiores a las de V y a las recomendadas para las soluciones nutritivas.
En T1 y T2 se aplicaron a la solución de vermicompost las bacterias Azospirillum sp. y Azotobacter vinelandii, respectivamente las que han sido identificadas en procesos de fijación de nitrógeno, y la última también en mineralización de N (Bharathiraja et al., 2012). Sin embargo, según los resultados no se observa un incremento en la concentración de N en comparación con T0, posiblemente por su limitada eficiencia en medios acuosos y su capacidad limitada al ser asociativas (Loredo-Osti et al., 2004). También otros autores destacan que algunas cepas de Azospirillum producen una alta cantidad de reguladores del crecimiento (IAA y GA) en medios líquidos, pero son pobres en fijación de N (Gadagi et al., 2002).
22 de microorganismos y materia orgánica. Tal vez aplicar una concentración menor de PGPB puede mejorar la concentración final de nutrientes en la solución orgánica.
Fig. 2.1. Concentración de NO3-y NH4+en la solución según los días de extracción (DDE) para
cada tipo de vermicompost (animal-A y vegetal-V) según el PGPB añadido (T0, Control; T1, Azospirillum sp; T2, Azotobacter vinelandii; T3, Bacillus megaterium; T4, Frateuria
aurantia; T5, mezcla de bacterias). Letras diferentes expresan diferencias estadísticamente
significativas (DMS 95%) en leyenda entre PGPB y en el eje de abscisas entre días de extracción.
La aplicación de PGPB a la concentración de 108 UFC L-1 en los extractos acuosos de vermicompost con aireación, no mejora la concentración de NO3-. Por el contrario, la concentración disminuye respecto al tratamiento Control, respondiendo así a un posible fenómeno de competencia microbiana por el N.
Se demuestra en base a los análisis químicos del extracto que las características químicas del material V y la microbiota endógena de este, son suficientes para obtener las mejores concentraciones de NO3-, dentro de rangos aceptables para ser utilizado como solución nutritiva para fertirrigación de cultivos hortícolas.
El potencial de mineralización de N se define como la cantidad máxima de N disponible que puede ser liberado después de un período de tiempo específico por acción de los microorganismos mientras que la tasa de mineralización se interpreta como el porcentaje de N que se mineraliza y que permite conocer cuánto está siendo liberado en forma disponible en períodos específicos de tiempo (Cerrato et al., 2007). En este experimento el vermicompost V con una relación C/N de 7.70 tiene mayor potencial de mineralización que A con casi el doble de C/N (13.90), lo que se manifiesta en la mayor concentración de NO3- en la todos los tratamientos elaborados a base de vermicompost V
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(Fig. 2.1). Corroborando que un material orgánico con una relación C/N <11 es apropiado para generar nitrato (Shinohara et al., 2011). Considerando que la mayor concentración alcanzada de NO3- fue 8.00 y 3.53 mmol L-1 en T0 para V y A, respectivamente, es posible determinar el potencial y la tasa de mineralización en función del tipo de materia orgánica al final del experimento (16 DDE). Partiendo de que el material vegetal (V) contiene un 1.11% de Norg y se aplicaron 54.4 g MS de V L-1 equivalente a 600 mg Norg L-1; que si convertimos a N (N:14) supondrían 42.85 mmol L-1 de Npotencialmente mineralizable. El porcentaje de mineralización para esta materia orgánica vegetal fue 18.6% si se considera 8 mmol L-1 como valor máximo alcanzado. En el caso del material A, contiene 1.70% MS de Norg, por lo que al aplicar 82.9 g L-1, equivale a 1400 mg Norg, siendo 100 mmol L-1 el potencial mineralizable de NO3-, sin embargo, solo se mineralizó un 3.5% del potencial en esta MO. De lo que se evidencia que la mayor tasa de mineralización se obtiene en el vermicompost V permitiendo alcanzar mayores concentraciones en la solución al final del experimento. Según los resultados se reafirma, la importancia de conocer las características físicas, químicas y biológicas de los materiales orgánicos antes de ser utilizados, y que no solo están determinados por su microbiota total sino también por el tipo de grupos funcionales presentes como son los solubilizadores de fosfatos, fijadores de nitrógeno, nitrificantes y amonificantes. Estos resultados coinciden con Strayer et al. (1997) quienes publican una eficiencia menor al 30% en la transformación de N orgánico a mineral. Según los resultados para NO3- se hace necesario buscar métodos, materiales orgánicos, microorganismos y sus concentraciones y condiciones de trabajo, etc., que hagan más eficientes los procesos de transformación del nitrógeno orgánico a formas minerales.
El contenido de NH4+ (Fig. 2.1) igualmente se vió afectado por paso del tiempo. La solución nutritiva a base de vermicompost vegetal (V) sufre una disminución en el contenido de NH4+, lo contrario ocurre en este mismo periodo en el contenido de NO3- lo cual se debe posiblemente a un proceso de nitrificación de NH4+ a NO3- por parte de microorganismos en presencia de oxígeno (Sánchez-Monedero et al., 2001). La concentración final de amonio en la solución nutritiva está en función de la concentración inicial de N orgánico presente en la materia orgánica (Figueroa-Barrera et al., 2012). En el caso del vermicompost de origen animal, al proceder del compostaje de estiércol, el contenido inicial de NH4+ fue mayor y no se observó una disminución en su concentración durante el experimento, siendo esto un indicador de la baja tasa de mineralización de N al mantener siempre un aumento en la concentración de NH4+, y baja concentración de NO3- en este material. La concentración en NH4+ en la solución con vermicompost A alcanza valores de hasta 1 mmol L-1 siendo una concentración adecuada en solución nutritiva para la mayoría de los cultivos hortícolas (Tabla 2.1). No se aprecian diferencias considerables entre tratamientos según las bacterias aplicadas durante todo el experimento en la solución elaborada con materia vegetal (V). En ningún caso, V y A, se aprecian concentraciones de NH4+ que puedan afectar al desarrollo normal del cultivo, al ser aplicado el extracto acuoso como solución en fertirriego.
24 tipo de vermicompost empleado (Fig. 2.1). Después de este momento disminuye considerablemente la concentración, probablemente por precipitación en forma de fosfato cálcico, ya que el Ca2+ muestra un comportamiento similar en los experimentos (Fig. 2.3). El T3 inoculado con la bacteria solubilizadora de fósforo, Bacillus megaterium, tiene la mayor cantidad de H2PO4- a los 12 DDE, llegando a valores de 0.81 mmol L-1 en V y mientras que, con A, se alcanza un máximo de 0.41 mmol L-1. Se observa un incremento estadísticamente significativo en la concentración de P al emplear la bacteria B. megaterium, lo cual es un indicador de su capacidad para la solubilización de este elemento mediante la producción de ácidos orgánicos (Sharma et al., 2013) y enzimas hidrolíticas que incrementan la movilización y disponibilidad de P (Mardad et al., 2013). Sin embargo, y a pesar de la mejoría al usar B. megaterium en T3, las concentraciones de H2PO4- se encuentran en valores nutricionales inferiores a las requeridas por la mayoría de los cultivos hortícolas (Tabla 2.1). En consecuencia, se hace necesario corregir la deficiencia de este elemento mediante la adición de P a partir de otras fuentes como son la roca mineral con inoculación de microorganismos solubilizadores de fósforo (Kaur y Reddy, 2015). Aunado a esto, es de suma importancia determinar las concentraciones de PGPB a aplicar y sus condiciones óptimas de trabajo, para asegurar su supervivencia y eficiencia en la fijación, mineralización y solubilización de elementos.
Un factor que limita la disponibilidad de fósforo es el pH. Las formas inorgánicas en las que se encuentra el P están ligadas a complejos formados con Al3+, Fe3+, Mn2+ en suelos ácidos mientras que en suelo alcalino el fósforo se encuentra fuertemente ligado a Ca+2 (Khan et al., 2014) coincidiendo con el comportamiento de P y Ca+2 al mantenerse un pH básico cuantificado durante todo el experimento en los extractos acuosos de V y A.
La Fig. 2.2 expresa la concentración de K+ en función del tiempo y tratamiento, donde se observan diferencias significativas entre PGPB y momento de muestreo. Los dos tipos de MO no presentan un comportamiento similar, el factor tiempo aumenta significativamente la concentración de potasio únicamente con el material A, mientras que con V se mantiene la concentración con el paso del tiempo. La solución elaborada a base de vermicompost de origen animal presentó las mayores concentraciones de K+ durante todo el experimento. Las máximas concentraciones se registraron al final del experimento (16 DDE), en el caso de A sobrepasando ampliamente los valores de referencias para cultivos hortícolas con concentraciones que alcanzan los 14 mmol L-1, mientras que en V la máxima concentración alcanzada (16 DDE) se puede considerar adecuada de acuerdo a los parámetros de referencia (Tabla 2.1) con valores medios de 6 mmol L-1. La concentración de K+ está directamente relacionada con la CE, por lo que según se observa el material A, llega a valores de 5 dS m-1 mientras que el material V se mantiene entre 2.5 y 3 dS m-1 (Fig. 2.5).
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elaborada con vermicompost de estiércol. La diferencia en el contenido en K+ en MS del material original coincide con la diferencia en la concentración de la solución.
La mayor concentración en K+ en el vermicompost A se obtuvo al utilizar Azotobacter vinelandii (T2) y Bacillus megaterium (T3), mientras que en V solo se aprecian diferencias significativas en T3. Diep y Hieu (2013) encontraron que el aislado de Bacillus megaterium tiene capacidad de solubilizar P y K+. El tiempo óptimo para obtener la concentración recomendada de K+ de acuerdo a las soluciones nutritivas de referencia (Tabla 2.1) es a los 4 días de extracción cuando se usa el vermicompost A, mientras que en V es a partir del día 8. En el caso del T4 inoculado con la bacteria Frateuria aurantia como movilizadora de K+ (Bharathiraja et al., 2012) no se observa el efecto esperado en su concentración. Es importante destacar que las máximas concentraciones que se obtienen en A sobrepasan los valores recomendados de K+ (Tabla 2.1) pudiendo considerarse como una solución nutritiva rica en K+ para ser aplicada después de 16 DDE como corrector de deficiencias de este elemento en los cultivos. Según los resultados y considerando que la concentración de K+ en la solución es suficiente para el uso como solución nutritiva en cultivos hortícolas, no se aprecian las ventajas del uso de PGPB para este elemento.
Fig. 2.2. Concentración de H2PO4- y K+ en la solución según los días de extracción (DDE) para
cada tipo de vermicompost (animal-A y vegetal-V) y tratamiento en función del PGPB añadido (T0, Control; T1, Azospirillum sp; T2, Azotobacter vinelandii; T3, Bacillus
megaterium; T4, Frateuria aurantia; T5, mezcla de bacterias). Letras diferentes expresan
diferencias estadísticamente significativas (DMS 95%).
