DIVERSIDAD Y FUNCIONALIDAD DE LOS MICROORGANISMOS DEL SUELO

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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 Medellín
• nwosorio_at_unal.edu.co

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Contenido

• Diversidad microbial
• Microorganismos
• Aplicaciones
• Industriales
• Medicina
• Ambientales
• Agricultura nutrición vegetal control
  biológico
• Interacciones entre física del suelo y
  microorganismos
• Remediación de suelos degradados

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Microbiología del Suelo

• Es 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 suelo
• Mejorar la nutrición vegetal
• Bioremediar suelos degradados / contaminados
• Potenciales aplicaciones industriales,
  ambientales, medicina

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Microorganismos del Suelo

• Bacterias, Hongos, Actinomicetos,
• Cianobacterias, Protozoos, Algas

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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.

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Diversidad microbial

• Alta densidad de microorganismos
• En general, en un 1 g
• de suelo seco
• es posible encontrar
• 106-108 bacterias
• 106-107 actinomicetos
• 104105 hongos
• Algas 103-106
• Protozoos 103-105
• Nematodos 101-102

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Diversidad microbial tipo de suelos
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Diversidad microbial tipo de horizonte
Presencia de microorganismos del suelo en
diferentes horizontes de un Inceptisol del
Suroeste Antioqueño. Fuente Lab. Microbiología
del Suelo, Univ. Nacional de Colombia.
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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

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Bacterias del suelo

• Las 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 Azolla
• Azotobacter reduce N2 atmosférico sin establecer
  asociaciones simbióticas.
• Azospirillum reduce N2 atmosférico sin
  establecer asociaciones y estimula el
  crecimiento vegetal
• Nitrosomonas oxida NH4 para formar NO2-.
• Nitrobacter oxida NO2- para formar NO3-.

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Bacterias del suelo

• Thiobacillus oxida S y sulfuros para formar
  SO42-.
• 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).

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Hongos del suelo

• La 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

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Hongos del sueloactividades

• 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)

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Hongos del sueloactividades

• 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)

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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.

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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 .

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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.

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Cianobacterias

• 1-8 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

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Cianobacterias

• Ecológicamente 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)

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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

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Protozoarios del suelo

• Mantienen 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 CN y liberan
  NH4 al suelo.

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Rizosfera

• Volumen 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

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Rizosfera

• Alta 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

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Rizosfera
Rizosfera (1-2 mm)

Rizoplano
Raíz
C
Microorganismos rizosféricos
H
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Rizosfera
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Rizosfera
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Interacciones entre microorganismos rizosfericos
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.
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Antibióticos

• Penicilina hongos del género Penicillium
• A. Flemming
• Estreptomicina actinomiceto Streptomyces
• Selman A. Waskman, microbiólogo del suelo,
  recibió en 1952 el premio Nobel.

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Anticancerígenos

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

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Industria

• Aspergillus niger, Penicillum spp.
• hongos productores de acido cítrico
• Azospirillum brasilense
• bacteria productor bio-polimeros
  (bio-plásticos)
• Levaduras Sacharomyces sp. productoras de alcohol

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Energía

• Bacterias metanogénicas
• productora de metano en ambiente anaeróbicos
• CO2 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

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Ambiental

• Degradación de hidrocarburos (petróleo, ACPM)
• Degradación de TNT
• Microorganismos usados en plantas depuradoras de
  aguas residuales urbanas (biosólido)
• Inmovilizadores de metales pesados

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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

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Nutrición vegetal

• Ciclo biogeoquímico de
• Carbono
• Nitrógeno
• Fósforo
• Azufre
• Hierro y Manganeso

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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
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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
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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

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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
  sedimentos
• SO42- 10H 8e- ? H2S 4H2O

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Nutrición vegetal

• Ciclo biogeoquímico del hierro
• Reducción de hierro
• Fe3 1 e- ? Fe2
• Complejación del hierro
• Microbio libera citrato
• Se forma el complejo citrato-Fe (soluble,
  bio-disponible)

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Nutrición vegetal

• Ciclo biogeoquímico del Manganeso
• Reducción de Mn
• Mn4 2 e- ? Mn2
• Complejación del hierro
• Microbio libera citrato
• Se forma el complejo citrato-Mn (soluble,
  bio-disponible)