DIVERSIDAD Y FUNCIONALIDAD DE LOS MICROORGANISMOS DEL SUELO

Walter Osorio, Ph.D.

Profesor Asociado, Facultad de Ciencias Director Grupo de Investigación en Microbiología del Suelo

Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellínnwosorio@unal.edu.co

Contenido• Diversidad microbial

• Microorganismos• Aplicaciones:• Industriales• Medicina• Ambientales• Agricultura: nutrición vegetal & control biológico

• Interacciones entre física del suelo y microorganismos

• Remediación de suelos degradados

Microbiología del SueloEs la ciencia que estudia los microorganismos

del suelo, sus actividades e interacciones con la matriz sólida del suelo, las plantas y sus aplicaciones para:

Mejorar la calidad y salud del sueloMejorar la nutrición vegetalBioremediar suelos degradados /

contaminadosPotenciales aplicaciones industriales,

ambientales, medicina

Microorganismos del SueloBacterias, Hongos, Actinomicetos, Cianobacterias, Protozoos, Algas

Diversidad microbial en el suelo• Torsvik et al. (1990) en un gramo de suelo

puede encontrarse 4,000-10,000 especies diferentes de microorganismos, muchos de ellos no conocidos debido a que no pueden ser cultivados (90%).

• En general, las bacterias son más abundantes, aunque los hongos (por su mayor tamaño) representan alrededor del 70 % de la biomasa.

Diversidad microbialAlta densidad de microorganismosEn general, en un 1 g

de suelo seco es posible encontrar :

106-108 bacterias106-107 actinomicetos104–105 hongosAlgas 103-106

Protozoos 103-105

Nematodos 101-102

Diversidad microbial …tipo de suelos

Tabla 4.1. Presencia de microorganismos en el horizonte A de suelos del trópico (unidades formadoras de colonia, UFC, por g de suelo seco). Fuente: Lab. Microbiología del Suelo, Univ. Nacional de Colombia.

Suelo Bacterias Actinomicetos Hongos

Oxisol (Hawai’i) 54x106 700 6.8x104 Andisol (Colombia) 5x106 15x104 3.5x105 Mollisol (Colombia) 120x106 30x105 3.0x104

Horizonte A

Horizonte B1

Horizonte B2

Horizonte C

Roca

Diversidad microbial …tipo de horizonte

0

2

4

6

8

10

A B C

Bact

eria

s (10

6g-1

suel

o)

Horizonte

0

5

10

15

20

A B C

Hon

gos

(10

3g-1

suel

o)

Horizonte

0

0,25

0,5

0,75

1

A B C

Actin

omic

etos

(10

5g-1

suel

o)

Horizonte

Presencia de microorganismos del suelo en diferentes horizontes de un Inceptisol del Suroeste Antioqueño. Fuente: Lab. Microbiología del Suelo, Univ. Nacional de Colombia.

Bacterias del suelo Más pequeños y numerosos microorganismos del suelo

Viven en forma libre o asociados con las plantas

Se estima que se pueden encontrar 1x109 células bacteriales por g de

suelo seco, sin embargo, en suelos muy fértiles el valor puede llegar

hasta 1x1010.

La biomasa bacterial del suelo en los primeros 15 cm de profundidad es

cerca de 4500 kg ha-1 (350-7000 kg ha-1).

Los géneros más abundantes son Arthrobacter, Pseudomonas y Bacillus,

llegan a representar 75-90 % de la población bacterial del suelo.

Aeróbico/ anaeróbico

Bacterias del sueloLas actividades diversas y, en algunos casos, esenciales para la vida

misma

Rhizobium: reduce N2 atmosférico y establece asociaciones simbióticas con leguminosas.

Anabaena: reduce N2, forma asociación simbiotica con el helecho AzollaAzotobacter: reduce N2 atmosférico sin establecer asociaciones

simbióticas.Azospirillum: reduce N2 atmosférico sin establecer asociaciones y

estimula el crecimiento vegetalNitrosomonas: oxida NH4

+ para formar NO2-.

Nitrobacter: oxida NO2- para formar NO3

-.

Bacterias del sueloThiobacillus: oxida S y sulfuros para formar SO4

2-.

Ferrobacillus: reduce Fe3+ a Fe2+.

Pseudomonas: forma sideróforos que quelatan Fe2+.

Bacillus: solubiliza compuestos fosfatados del suelo.

Geobacter: reduce MnO2 a Mn2+.

Cellulomonas: descompone celulosa.

Otras bacterias participan en la descomposición de materia orgánica, como fitopatógenos de plantas (Xanthomonas campestris, Erwinia), en control biológico de fitopatógenos (Pseudomonas aeruginosa) e insectos plaga (Bacillus thuringiensis).

Hongos del sueloLa masa fúngica usualmente es superior a las bacterias.

Conteos convencionales de hongos en el suelo: 104-105

UFC g-1 suelo

10 m hifa g-1 suelo

biomasa de 500-5000 kg ha-1

Dificultad para hacer conteo de UFC de hongos: al tomar y

preparar la muestra del suelo se puede fragmentar el micelio de un

individuo y cada fragmento se constituiría así en una UFC.

Aeróbicos

Hongos del suelo…actividades Descomposición de la materia orgánica, particularmente en

las primeras etapas (abundan los azucares)

Formar la asociación micorrizal con el 90 % de las plantas) (p.e. Glomus, Gigaspora)

Descomponer lignina Phanaerochaete chrysosporium

Solubilizar fosfatos (Penicillium, Aspergillus, Mortierella)

Producir fosfatasa, fitasa (Penicillium, Aspergillus)

Hongos del suelo…actividades Establecer relaciones fitopatógenas (Fusarium,

Phytophtora, Pythium)

Control biológico de patógenos e insectos plaga (Metharrizum, Trichoderma, Beauveria)

Producción de alimentos (champiñones)

Producción fármacos como el LSD (Basidiomicetos)

Descomponer xenobióticos (remediación)

Actinomicetos/actinobacterias del suelo

Grupo de microorganismos no-taxonómico de los procariotes- bacteriales

Morfología de los hongos

Abundantes en el suelo: 105-108 UFC g-1 (10-50 %)

Heterótrofos

Aeróbicos

Intolerantes a la saturación de agua o a la extrema acidez.

Actinomicetos del suelo Streptomyces es uno de los géneros más importantes en la síntesis

de antibióticos

estreptomicina, neomicina, eritromicina y tetraciclina

70-90% del total de actinomicetos

El olor característico del suelo recién labrado es debido a la

presencia de una sustancia llamada geosmin producida por

actinomicetos

Frankia son capaces de fijar N2 simbióticamente cuando se asocian

con las raíces de algunas especies forestales como Alnus

Otros géneros abundantes son Nocardia que puede representar 10-

30 % y Micronospora 1-15 %.

Algas del suelo 103-106 UFC g-1

Foto-autótrofas

Aeróbicas

Contienen clorofila, crecen en la superficie de suelos húmedos

para así captar la luz solar.

Tolerantes a la salinidad

Productores primarios de materia orgánica.

La biomasa de algas 10 a 300 kg ha-1 y en algunos casos puede

llegar a 1500 kg ha-1.

Cianobacterias1-8 x 105 UFC g-1 de suelo

cianobacterias presentan requerimientos

similares a las algas y por la apariencia

morfológica de sus colonias fueron llamadas

erróneamente y durante mucho tiempo “algas

verde azules”

Clorofila y otros pigmentos fotosintetizadores

Foto-autotrofas

CianobacteriasEcológicamente cumplen tres funciones

importantes: fijan C, por ende, producen materia orgánica fijan N2 atmosférico en forma libre o formando simbiosis

producen O2 durante la fotosíntesis

la simbiosis cianobacteria Anabaena azollae y el helecho acuático Azolla

Género Nostoc forma líquenes con hongos (colonizadores de rocas, corteza de arboles)

Protozoarios del suelo Representan la microfauna del suelo

Heterótrofos, aeróbicos, que participan en la descomposición de

la materia orgánica y depredación sobre poblaciones bacteriales

Conteos tradicionales indican valores de 104-105 protozoos g-1

Biomasa de 50-200 kg ha-1

Su importancia en la descomposición de la materia orgánica es

bien conocida, ellos pueden disolver sustancias orgánicas, sin

embargo su función más destacable esta en la depredación de las

bacterias, hongos, algas y otros microorganismos

Protozoarios del sueloMantienen una población microbial fisiológicamente joven

y más activa

la presencia de protozoarios favorece una descomposición más rápida de la materia orgánica del suelo

Entre el 25 al 75 % del N tomado por las plantas es el resultado de la predación de bacterias por protozoarios

Una vez lo protozoos depredan las bacterias rompen los ciclos bacterianos en los cuales se inmoviliza el N en suelos con alta C:N y liberan NH4

+ al suelo.

RizosferaVolumen del suelo que rodea la raíz y que es

afectado por los exudados radicales. El espesor de la rizosfera es de 1-2 mm (desde la superficie de la raíz).

La rizosfera recibe 10-20% del C fijado por la planta a través de la fotosíntesis

RizosferaAlta densidad de microorganismos: 109 UFC g-1 de

suelo

Ambiente ácido (pH 5-5.5): expulsión de H+ por la raíz y células microbiales

Ambiente ~anaeróbico: alta demanda de O2

Alta biodiversidad

Lugar donde ocurre la nutrición vegetal y múltiples interacciones microbiales

Rizosfera (1-2 mm)

C

Microorganismos rizosféricos

Raíz

Rizoplano

H+

Rizosfera

RizosferaNúmero de bacterias en función de las dis tancia desde la superfic ie de la raíz. Fuente: Paul y Clark (1996).

Distancia (mm) UFCx109 cm-3 suelol Tipos morfológicos 0-1 120 11 1-5 96 12

5-10 41 5 10-15 34 2 15-20 13 2

Rizosfera. Número de microorganismos (UFC g-1 suelo) en la rizosfera (R) de trigo (Triticum aestivum L.)

y en el suelo el no-rizosférico (S) y su relación R/S (modifiicado de Gray y Williams, 1971). Microorganismos Rizosfera Suelo no-rizosferico Relación R/S

Bacterias 1.2 x109 5.3 x107 23 Actinomicetos 4.6 x107 7.0 x106 7

Hongos 1.2 x106 1.0 x105 12 Protozoos 2.4 x103 1.0 x103 2

Algas 5.0 x103 2.7 x104 0.2 Ammonificadores 5.0 x108 4.0 x106 125 Denitrificadores 1.26 x108 1.0 x105 1260

Microorganismos pueden establecer relaciones de competencia por nutrientes (particularmente C) entre sí y parte de tal lucha se hace a través de antibióticos (con aplicaciones en medicina).

Microorganismos se asocian con plantas para establecer relaciones simbióticas-mutualistas, se establece un reconocimiento (dialogo) molecular planta-microbio (con aplicaciones directas en agronomía e indirectas en medicina).

Se producen metabolitos secundarios (ácidos orgánicos , alcoholes, bio-plásticos), gases (metano, H2, O2) con aplicaciones industriales y energéticas.

AntibióticosPenicilina: hongos del género Penicillium

A. Flemming

Estreptomicina: actinomiceto Streptomyces

Selman A. Waskman, microbiólogo del suelo, recibió en 1952 el premio Nobel.

FDA: 60% drogas anti cancerígenas evaluados en USA provenían de sustancias producidas por microorganismos del suelo.

IndustriaAspergillus niger, Penicillum spp.:

hongos productores de acido cítrico

Azospirillum brasilense: bacteria productor bio-polimeros

(bio-plásticos)

Levaduras: Sacharomyces sp. productoras de alcohol

EnergíaBacterias metanogénicas

productora de metano en ambiente anaeróbicosCO2+ 8H+ + 8e- CH4 (g)+ 2H2O

Bacterias productoras de H2: bacteria que reducen protones en ambientes anaeróbicos

2H+ + 2e- H2 (g)

Bacterias con nitrogenasa (p.e. Rhizobium)

N2 + 8H+ + 8 e- 2NH3 + H2

Ambiental

• Degradación de hidrocarburos (petróleo, ACPM)

• Degradación de TNT

• Microorganismos usados en plantas depuradoras de aguas residuales urbanas (biosólido)

• Inmovilizadores de metales pesados

Ambiental• Rehabilitación biológica de suelos degradados

minería

• Restituir ciclos biogeoquímicos en suelos degradados por minería de aluvión en el Bajo Cauca (plantaciones de Acacia mangium & pasturas de Brachiaria y maní)

• Hongos micorrizales• Bacterias fijadoras de N2• Microorganismos solubilizadores de P

Nutrición vegetalCiclo biogeoquímico de:

• Carbono

• Nitrógeno

• Fósforo

• Azufre

• Hierro y Manganeso

Nutrición vegetal Ciclo biogeoquímico de Carbono

• Algas del suelo

• Cianobacterias del suelo

• Respiración microbial del suelo produce CO2 (descomposición de MO)

• Actividad microbial en suelos encharcados y sedimentos permite la producción de CH4 (metanogenicos, zona anaeróbica): [CO2+ 8H+ + 8e- CH4 (g)+ 2H2O]

• Sedimentos (z. aerobica) metanotrofos [CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O]

Fotosíntesis

Nutrición vegetal Ciclo biogeoquímico del nitrógeno

• Fijación biológica de N2 [N2 +8H+ + 8e- + 25 ATP 2NH3 + H2]

• Amonificaciòn: [R-NH2 NH4+]

• Nitrificación: NH4+ + O2 4H + + NO2- + 0.5O2 NO3-

• Desnitrificación: NO3- (-O2) NO2, NO, N2O, N2

2NH4+ Aminoácidos proteínas

Nutrición vegetal Ciclo biogeoquímico del fósforo

• Producción de fosfatasas para liberar fosfato de la materia orgánica[R-H2PO4 + (P-asa) R-OH + H2PO4-]

• PSM: solubilización y desorción : aerobicos

Ca5(PO4)3 (OH) + 7H+ + Oxalato= Oxalato-Ca2+ +3H2PO4- + H2O

[OX-OH Fe & Al]-H2PO4- + Oxalato= [OX-OH Fe & Al]-Oxalato + H2PO4-

• Hongos micorrizales para aumentar la absorción vegetal de fosfato

Nutrición vegetal Ciclo biogeoquímico del azufre

• Producción de sulfatasas para liberar sulfato de la materia orgánica[R-SO4 + (S-asa) R-OH + SO42-]

• Oxidación del S2 y sulfuros (Thiobacillus):S2 + 3O2 + 2H2O 2H2SO4

FeS + 2O2 FeSO4

• Reducción de sulfatos en suelos anaeróbicos & sedimentosSO42-+ 10H+ + 8e- H2S + 4H2O

Nutrición vegetal Ciclo biogeoquímico del hierro

• Reducción de hierroFe3+ + 1 e- Fe2+

• Complejación del hierro :Microbio libera citrato

Se forma el complejo citrato-Fe (soluble, bio-disponible)

Nutrición vegetal Ciclo biogeoquímico del Manganeso

• Reducción de MnMn4+ + 2 e- Mn2+

• Complejación del hierro :Microbio libera citrato

Se forma el complejo citrato-Mn (soluble, bio-disponible)