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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
[email protected]
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 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
Microorganismos del Suelo
 Bacterias, 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 microbial
 Alta densidad de microorganismos
 En general, en un 1 g






de suelo seco
es posible encontrar :
106-108 bacterias
106-107 actinomicetos
104–105 hongos
Algas 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)
Andisol (Colombia)
Mollisol (Colombia)
54x106
5x106
120x106
700
15x104
30x105
Horizonte A
Horizonte B1
Horizonte B2
Horizonte C
6.8x104
3.5x105
3.0x104
Diversidad microbial …tipo de horizonte
10
1
Actinomicetos (10 5 g-1 suelo)
8
Hongos (10 3 g-1 suelo)
Bacterias (10 6 g-1 suelo)
20
6
4
2
15
10
5
A
B
Horizonte
C
0,5
0,25
0
0
0
0,75
A
B
Horizonte
C
A
B
Horizonte
Presencia de microorganismos del suelo en diferentes horizontes de
un Inceptisol del Suroeste Antioqueño. Fuente: Lab. Microbiología del
Suelo, Univ. Nacional de Colombia.
C
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 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-.
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).
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
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.
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
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)
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 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 C:N y
liberan NH4+ al suelo.
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
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
Rizosfera
Rizosfera (1-2 mm)
Rizoplano
C
H+
Raíz
Microorganismos
rizosféricos
Rizosfera
Número de bacterias en función de las distancia desde la superficie de la raíz. Fuente: Paul y C
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
5.3 x107
23
1.2 x109
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
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, bioplásticos), gases (metano, H2, O2) con aplicaciones industriales y
energéticas.
Antibióticos
 Penicilina: hongos del género Penicillium
A. Flemming
 Estreptomicina: actinomiceto Streptomyces
Selman A. Waskman, microbiólogo del suelo, recibió en
1952 el premio Nobel.
Anticancerígenos
 FDA: 60% drogas anti cancerígenas evaluados en USA
provenían de sustancias producidas por
microorganismos del suelo.
Industria
 Aspergillus niger, Penicillum spp.:
hongos productores de acido cítrico
 Azospirillum brasilense:
bacteria productor bio-polimeros
(bio-plásticos)
 Levaduras: Sacharomyces sp. productoras de alcohol
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
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 vegetal
 Ciclo biogeoquímico de:
• Carbono
• Nitrógeno
• Fósforo
• Azufre
• Hierro y Manganeso
Nutrición vegetal
 Ciclo biogeoquímico de Carbono
• Algas del suelo
• Cianobacterias del suelo
Fotosíntesis
• 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]
Nutrición vegetal
 Ciclo biogeoquímico del nitrógeno
•
Fijación biológica de N2 [N2 +8H+ + 8e- + 25 ATP  2NH3 + H2]
2NH4+  Aminoácidos  proteínas
• Amonificaciòn: [R-NH2  NH4+]
• Nitrificación: NH4+ + O2
•
 4H + + NO2- + 0.5O2  NO3-
Desnitrificación: NO3- (-O2)  NO2, NO, N2O, N2
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 & sedimentos
SO42-+ 10H+ + 8e-  H2S + 4H2O
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)
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)