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4. Biología del sueloOrganismos del suelo. Clasificación. Actividad. Aplicaciones

agronómicas.

Edafología y Climatología Agrícola (Módulo de Edafología)Grado en Ingeniería Agrícola

ETS de Ingeniería Agronómica (Universidad de Sevilla)

Actividad biológica en el suelo, Artemi Cerdà / Imaggeo

Funciones generales de los microorganismos del suelo

Mezcla del material del suelo. Turrículas de lombrices.

Mejora de la estructura del suelo. Mucílagos y exudados de organismos

en la rizosfera. Polisacáridos de bacterisas. Micelios de hongos.

Regulación de los ciclos de energía y materia.

Descomposición de la materia orgánica.

Reciclado de nutrientes.

Acción sobre otros organismos. Síntesis de vitaminas. Síntesis de antibióticos. Síntesis de enzimas y otras sustancias

orgánicas. Transmisión de enfermedades.

Fijación de nitrógeno. Simbiosis entre plantas y bacterias.

Mejora de la absorción de nutrientes y agua.

Micorrizas.

Biodegradación de compuestos xenobióticos.

Fitosanitarios. Herbicidas. Fertilizantes. Contaminantes.

Ciclo delcarbono

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Clasificación de los organismos del suelo

Organismos del suelo

Fuente de energía

Ecología

Otros…Taxonomía

Tamaño

(*)

Organismos del sueloMacrobiota (6 – 200 mm)

Macrofauna. Vertebrados pequeños zapadores, como topos, ratones o conejos que viven total o parcialmente en el suelo. Pueden tener un papel importante en la aireación, la

permeabilidad del suelo e incluso consecuencias importantes desde el punto de vista de la erosión del suelo.

Iguanas negras (Ctenosaura pectinata) (México), Antonio Jordán / Imaggeo

Organismos del sueloMacrobiota (6 – 200 mm)

Macroflora: plantas. A excepción de las plantas de tallos

subterráneos, esta clase está constituida fundamentalmente por las raíces de las plantas superiores.

Las raíces constituyen una de las fuentes más importantes de residuos orgánicos del suelo, sobre todo en las capas inferiores.

Contribuyen a la estabilidad de los agregados del suelo debido a su estructura.

La actividad respiratoria de las raíces contribuye a la formación de la atmósfera del suelo.

Favorecen el desarrollo de microfloraedáfica en sus inmediaciones.

Retiran nutrientes del medio. Contribuyen a fragmentar la roca

madre.

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Raíces en un Podzol (Parque Natural Südheide, Alemania), Katja Walter / Imaggeo Efectos químicos de una raíz en un Estagnosol Léptico (Polonia), Cezary Kabala / Imaggeo

J. Antonio González (IRNAS-CSIC) mostrando un mesoporo en un agregado arenoso (cerca de Perth, Australia), Antonio Jordán / Imaggeo

Organismos del sueloMesobiota (200 – 6000 μm)

Mesofauna. Pequeños invertebrados como artrópodos, anélidos, nematodos y moluscos.

Los animales excavadores como las lombrices, por ejemplo, mejoran la porosidad y la agregación del suelo.

Por otro lado, los organismos saprofitos inician los procesos de degradación de los residuos orgánicos, facilitando la acción de otros organismos como los hongos.

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Organismos del sueloMicrobiota (< 200 μm)

Microflora. Bacterias, actinomicetos, hongos y algas. Las algas son autótrofas. No tienen incidencia en la mineralización de la materia orgánica,

pero son organismos productores y fijadores de nitrógeno atmosférico. En la superficie, su número puede oscilar entre 100.000 y 800.000 por gramo de suelo.

Los hongos juegan un papel muy importante en la descomposición de la materia orgánica. Puede existir hasta un millón de individuos por gramo de suelo. Son generalmente aerobios. Resisten bien las condiciones extremas de temperatura y acidez del suelo.

Los actinomicetos son responsables en gran parte de la descomposición de los residuos orgánicos y en la síntesis de algunas sustancias, pero no contribuyen a la mineralización del humus.

Algunos actinomicetos secretan sustancias probióticas o antibióticas al medio. Otros son parásitos de plantas superiores. En un gramo de suelo pueden existir entre 15 y 20 millones de actinomicetos.

Organismos del sueloMicrobiota (< 200 μm)

Microflora. Bacterias, actinomicetos, hongos y algas. Las bacterias son un grupo muy diversificado y numeroso en

el suelo. Existen 60 – 3.000 millones de bacterias por gramo de suelo. Poseen un papel importante en la fragmentación, humificación y

mineralización de la materia orgánica fresca. También contribuyen de manera importante al ciclo de nutrientes

como el nitrógeno y el azufre en el suelo.

Organismos del sueloMicrobiota (< 200 μm)

Microfauna: protozoos y algunos nematodos. Animales de muy pequeño tamaño, como los rotíferos,

los protozoos y los nematodos de tamaño más pequeño. En un gramo de suelo puede haber de 40 a 50

nematodos. Algunos de los componentes de la microfauna son

saprofitos o parásitos de las plantas superiores.

Escarabajo (P.N. de Doñana, Huelva), Antonio Jordán / Imaggeo

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Dos aceiteras comunes (P.N. Sierra Norte de Sevilla), Antonio Jordán / Imaggeo Nidos y galerías excavadas en un Phaeozem gréyico (P.N. Los Alcornocales, Cádiz), Antonio Jordán / Imaggeo

Nidos de arañas en un perfil de suelo (P.N. Los Alcornocales, Cádiz), Antonio Jordán / Imaggeo Larvas de hormiga debajo de una piedra (P.N. Los Alcornocales, Cádiz), Ángel Gordillo-Rivero / Imaggeo

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Hormiguero (P.N. de Doñana), Antonio Jordán / Imaggeo Material acumulado por lombrices (P.N. de Doñana), Antonio Jordán / Imaggeo

Hongo (P.N. Los Alcornocales), Antonio Jordán / Imaggeo Hifas de hongo en suelos de la Vega de Granada, Francisco Comino / Imaggeo

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Microbios del suelo (EEUU), Alice Dohnalkova / Imaggeo Concentracion diferencial de polisacáridos en microagregados de suelo , María Hernández-Soriano / Imaggeo

Ecología de los organismos del sueloDisponibilidad de energía y nutrientes

Las principales fuentes de energía para los microorganismos del suelo son: La luz solar (microorganismos fotosintéticos).

Compuestos orgánicos (autótrofos).

Determinados compuestos minerales (quimiolitotrófos).

Sustancias aceptoras de electrones, que intervienen en reacciones redox son el O2, algunos compuestos orgánicos, el NO3

-, NO2-, SO4

2-, etc.

Ecología de los organismos del sueloDisponibilidad de energía y nutrientes

Como fuentes de carbono, los organismos pueden utilizar compuestos inorgánicos, como el CO2 o HCO3

-, así como compuestos orgánicos.

Factores de crecimiento: Vitaminas.

Aminoácidos.

Elementos esenciales: C, H, O, N, P, K, S, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, etc.

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Ecología de los organismos del sueloLa temperatura

Porcentaje del máximo crecimiento

Psicrófilos

< 20 oC

Mesófilos

15 – 45 oC

Termófilos

45 – 65 oC

Temperatura

Gran Fuente Prismática (P.N. Yellowstone, USA), David Mencin / Imaggeo

Gran Fuente Prismática (P.N. Yellowstone, USA), Ioannis Daglis / Imaggeo

Zona azul: sin vida

Zona verde: organismos con

clorofilaZona rojiza: organismos con

carotenos

Ecología de los organismos del sueloCondiciones del medio

Disponibilidad de agua.

Disponibilidad de oxígeno: Aerobios estrictos: se desarrollan en presencia de

oxígeno como aceptor final de electrones en la respiración.

Aerobios facultativos. Microaerófilos: requieren concentraciones bajas de

oxígeno. Anaerobios: se desarrollan en ausencia de oxígeno, que

resulta tóxico para ellos. En lugar de oxígeno, como aceptores de electrones utilizan nitratos, sulfatos, hierro, CO2 y otros compuestos.

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Cristales de calcita formados por oxidación anaeróbica de metano (Suecia), Henrik Drake / Imaggeo Bacterias (Leptothrix spp.) capaces de oxidar Fe2+ y Mn2+, Bertram Schmidt / Imaggeo

Cianobacterias, capaces de realizar fotosíntesis, protegidas de la luz solar y la sequedad entre dos costras de líquenes, Vincent Felde / Imaggeo

Ecología de los organismos del sueloDisponibilidad de oxígeno

21 %

15 %

10 %

5 %

0 %

10 mm

Gradiente de concentración de O2 en un agregado de suelo.

Condiciones aerobias

Condiciones anaerobias

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Ecología de los organismos del sueloAcidez

Acidez del suelo: cada tipo de organismo se desarrolla también dentro de determinados intervalos de pH del suelo:

Neutrófilos (como Azotobacter y Nitrobacter). Basófilos. Acidófilos (como las bacterias del azufre y la mayoría de los hongos). Indiferentes (como las bacterias amonificantes).

Porcentaje

del máximo crecimiento

Acidófilos Neutrófilos Basófilos

pH

Indiferentes

Tipos de organismos según su metabolismo

Autótrofos. Entre estos organismos se encuentran las algas, las bacterias fotosintéticas o las plantas superiores.

Heterótrofos. Los organismos heterótrofos requieren el aporte de los compuestos orgánicos

que les sirven como fuente de energía y de carbono. Son responsables de la destrucción mecánica de los residuos orgánicos. Obtienen la energía mediante la oxidación de moléculas hidrocarbonadas ricas

en energía, con desprendimiento de CO2.

Quimiolitótrofos. Obtienen energía a partir de reacciones químicas, y fijan el carbono a partir del CO2 atmosférico.

Organismos anaeróbicos:

SO42− → HSO3

− → S3O32− → HS−

Organismos aeróbicos:

NH4+𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑜𝑚𝑜𝑛𝑎𝑠

NO2−𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟

NO3−

Tipos de organismos según su metabolismo

Simbióticos. Interacciones entre microorganismos. Determinados

microorganismos pueden aprovecharse de la presencia de otros. Algunas bacterias aprovechan las sustancias excretadas al medio por otras,

tales como vitaminas, sustancias que estimulan el crecimiento, antibióticos, etc.

En otros casos, las bacterias pueden actuar como depredadoras de otras. Del mismo modo, existen determinadas especies de hongos cuya fuente

de alimento es la depredación de especies de nematodos. Interacciones entre microorganismos y fauna del suelo.

Las lombrices contribuyen tanto a la formación del suelo como a su estructuración. En el tubo digestivo de las lombrices existe una importante flora microbiana que participa en la liberación de nutrientes contenidos en los restos vegetales.

Interacciones entre microorganismos y plantas. Micorrización.

Endomicorrizas. Ectomicorrizas

Ectomicorrizas

Hifa

Pelo radical

Esporas

Rizodermis Endodermis

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Endomicorrizas

Hifa

Pelo radical

Rizodermis Endodermis

Simbiosis entre Rhizobium y leguminosas

Rhizobium

Pelo radicular

I. Reconocimiento químico

Mitosis inducida por Rhizobium

II. Curvamiento del pelo inducido por hormonas

secretadas por Rhizobium

III. La infección llega hasta el córtex, induciendo la división

celular

IV. Formación del nódulo

Raíces de Vicia sepium, Frank Vincentz / Wikimedia Commons

Nódulo (infección por

Rhizobium)Sección longitudinal de un nódulo causado por Rhizobium, Martin Schneider / Imaggeo

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Simbiosis entre algas y hongos (líquenes)

MICELIO DEL HONGO

ESPORAS (CUERPOS REPRODUCTIVOS DEL HONGO)

CAPA DE CÉLULAS DEL

ALGA

Líquenes (Ciudad Real), Juan Antonio Campos / Imaggeo

Alteración de la roca por parte de los líquenes (Irlanda del Norte), Christine Braban / Imaggeo Costra formada por cianobacterias y líquenes (probablemente Collema tenax) (Italia), Vincent Felde / Imaggeo

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Los organismos del suelo como factor formador

Actividad mecánica. Fragmentación.

Bioturbación del material del suelo.

Modificación del espacio poroso.

Fragmentacion de la roca por raíces, Sameh Abdelmabod / Imaggeo

Escarabajo pelotero (P.N. de Doñana, Huelva), Antonio Jordán / Imaggeo Bioturbación de la superficie del suelo por jabalíes (P.N. de Doñana, Huelva), Antonio Jordán / Imaggeo

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Transporte de semillas en un hormiguero (Olivares, Sevilla), Antonio Jordán / Imaggeo Canal en un agregado arcilloso (P.N. Los Alcornocales, Cádiz), Antonio Jordán / Imaggeo

Los organismos del suelo como factor formador

Actividad química. Secreción de productos orgánicos que facilitan la

alteración química de la roca.

La actividad enzimática de los organismos permite la degradación de los compuestos orgánicos a moléculas más sencillas.

Los hongos y otros microorganismos llevan a cabo la mineralización de los componentes orgánicos.

Fragmentación de la roca por las raíces, Antonio Jordán / Imaggeo

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Los organismos del suelo como factor formador

Actividad química. Síntesis y excreción de productos orgánicos en el suelo,

como los mucopolisacáridos.

Fijación biológica de nitrógeno. El nitrógeno atmosférico puede ser fijado por los seres vivos como Azotobacter o Clostridium o mediante simbiosis entre las plantas leguminosas y las bacterias del género Rhizobium.

Los organismos del suelo como factor formador

La actividad de los microorganismos sobre los compuestos orgánicos en el suelo comprende un conjunto complejo de procesos que afectan al desarrollo del suelo y al ciclo de la materia orgánica.

Los organismos del suelo intervienen en el ciclo de numerosos elementos en el suelo. Algunos de estos elementos son el C, N, S, P, Ca, Fe, o Mn.

Los principales procesos químicos que ocurren como consecuencia de la actividad bioquímica en el suelo son los siguientes: Procesos que afectan al ciclo del carbono. Procesos que afectan al ciclo del nitrógeno. Procesos que afectan al ciclo del azufre.

Procesos que afectan al ciclo del carbonoCelulolísis: hidrólisis parcial del almidón

Amilasa

Amilosa

Procesos que afectan al ciclo del carbonoCelulolisis: hidrólisis parcial de la celulosa

Celulosa

GlucosaMaltosaMaltotriosa y otros azúcares

Bacterias, algúnos hongos y actinomicetos

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Procesos que afectan al ciclo del carbonoCelulolisis: hidrólisis completa de la celulosa

CO2 + CH4

CH2OH

OH

OH

O

CH2OH

OH

O

O

CH2OH

OH

OH

O

O

OH

OH

n

HO

CH4

Fermentación por parte deClostridium y Plectricidiumbajo condiciones anaerobias

CO2

4 H2

CH4 + H2O

Procesos que afectan al ciclo del carbonoLigninolisis

Principalmente actúan hongos y la degradación es muy lenta.

Complejos polifenol-proteína

Péptidos

Lignina

Compuestos fenólicos

Procesos que afectan al ciclo del nitrógenoHidrólisis de proteínas

C C

CH2

H

O

H2N C C

CH2

H

O

N

H

HO

R1 R2

H20

Dipéptido Aminoácidos

Proteasa

R2

C C

CH2

H

O

H2N OH

R1

C C

CH2

H

O

H2N OH

Procesos que afectan al ciclo del nitrógeno

+ CH2OH + CO2 + NH3

Bacterias, actinomicetos y hongos

Amonificación

R

C C

CH2

H

O

H2N OH

R

CH2

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Procesos que afectan al ciclo del nitrógeno

NO3− → NO2

− → NO → N2O→ N2

DesnitrificaciónBacterias autótrofas, heterótrofas, aerobias o aerobias facultativas (Pseudomonas, Paraccocus, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus)

NH4++

1

2O2

𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑜𝑚𝑜𝑛𝑎𝑠NO2

− + H3O+

NO2− +

1

2O2

𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟NO3

−

Nitrificación

Procesos que afectan al ciclo del azufre

2S + 3O2 + 2H2O𝑇. 𝑡ℎ𝑖𝑜𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑛𝑠

2H2SO4

S2− → SO32− → SO4

2−

Thiobacillus

2FeS2 + 7O2 + 2H2O𝑇. 𝑓𝑒𝑟𝑟𝑜𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑛𝑠

2FeSO4 + 2H2SO4

SO42− → SO3

2− → S3O62− → S2O3

2− → S2−Desulfovibrio desulfuricans