COMPENDIO MICROBIOLOGIA DEL SUELO - Ministerio de ...

161 downloads 4990 Views 6MB Size Report
Suelo gris desértico o serasem, - Composición química del hu- mus en los .... inició una nueva rama' de la Ciencia, la Microbiología del suelo (lla- mada en un  ...
,----,,--_.. - - - - ," ' -

FELIX GALLEGO QUERa

COMPENDIO DE

MICROBIOLOGIA DEL SUELO

PR.IMER.A PAl{TE

PROCESOS BIOLOGICOS DEL SUELO

INSTITUTO

-...~,',." -'.......

FORESTAL

DE

INVESTIGACiONES

- MADRID.>f

Y EXPERIENCIA.S

194,j NÚM. 29

COMPENDIO l'

DE

")."

(rj..J

MICROBIOlOGIA DEL SUELO

PRIMERA

PARTE

PROCESOS BIOlOGICOS DEL SUELO" POR

FELlX GAllEGO Y QUERO

tt'

..r""

"~t

I

INSTITUTO FORESTAL DE INVESTIGACIONES Y EXPERIENCIAS

MADRID AÑO XIV

-*

1943 NÚM. 29

j

:

'

..'

«La tierra, todos los años sin cesar, nos da abundancia de trigo, de vino, de aceite, de frutas, de legumbres y de pasto para mantenimiento de los animales que nos sirven. Pasan los hombres fácilmente por estas cosas, y ni consideran esta maravillosa fertilidad que el Creador dió a la tierra, ni la virtud admirable que puso en un grano de trigo y en todas las otras semillas, porque la costumbre de ver esto cada día quitó la admiración a cosas tan admirables.i (FRAY J,UIS DI~ GRANADA,

en la Introducción al Símbolo de la Fe. Salamanca, 15S3.)

INDICE DE :MATERIAS I:-O'rKOUCCClÓl'J.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CApiTel,O 1. -

7

El suelo considerado biológicamente. Fot"mació'l del suelo.

Formación del suelo. nismos. -

El suelo, como medio de vida para los microorgaPoblación microbiana del suelo ,...

CAPiTULO l l . - Procesos bioltigicos del suelo. --

1.

19

Demolición de la ma-

teria orgánica. Demolición de la materia orgánica.-Composición química de los vegetales. Descomposición microbiana de la celulosa. - Descomposición núcrobiana de las hemicelulosas. _.- Descomposición microbiana de la lignína. - Descomposición microbiana del almidón. - Descomposición microbiana de los heterósidos y de las osas o monosacáridos. - Descomposición mícrobiana de los ácidos orgánicos. - Descomposición microbiana de las grasus y ceras. --- Descomposición microbiana de los prótidos . . . . . . . . . . CAPin;w Ill. -

33

El humus: Su constitucion y propiedades.

Definición del humus. - Constitución química del humus. - Influencia del humus en los tipos de suelo. - Turberas. - Podsol. - Tierra negra o chernosem . .- Suelo gris desértico o serasem, - Composición química del humus en los tipos ele suelo. - Humus de los suelos forestales y brezales. Estudios de diversos tipos de suelos forestales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

CAI'i'rlJI.o IV. -- Procesos biológicos del suelo (Continuación). -- 2. Nitt"i[icacion. - 3. Fijación del nitrógeno atmosférico. - 4. Transformaciones de los nitratos y desnitrificacián, - 5. Transformaciones de las sustancias minerales. Nitrlficación. - Pijacíón del nitrógeno atmosférico. - Fijación del nitrógeno atmosférico por bacterias libres. - Fijación del nitrógeno atmosférico por bacterias simbióticas. - Transformaciones de los nitratos y desnitrificación.-Asimilación de nitratos por los microorganismos.-Reducción de nitratos por los mícroorganísmos, - Desnitrificación. - Arrastre por las aguas de infiltración. - Transformaciones de las sustancias minerales. . . INDICE BIBI.IOGKÁFICO

, . . .. . . . . . •. . .. . . . . ... •. . . . •. . . . ... .. . .

99

133.

IN'I'I\OnUCCION

Raras veces el profano en las Ciencias biológicas para su atención en la existencia de los seres imperceptibles a simple vista; a 10 sumo, tiene una vaga noción de la existencia de los microbios, ligada a su intervención como causantes d~ enfermedades contagiosas, ignorando que es infinito el número de los microbios que trabajan incesantemente para el mantenimiento de la vida de los seres superiores. V, sin embargo, cuando nos adentramos en el mundo de los seres infinitamente pequeños, vislumbramos, a pesar de 10 limitado de nuestra inteligencia y de 10 imperfecto de nuestros medios de observación y conocimiento, la maravilla admirable de la Creación, reflejo de la infinita sabiduría del Creador, que constituye un todo armónico y perfecto, en el que cada elemento, hasta el minúsculo e' imperceptible, el insignificante, tiene una misión definida y concreta a desarrollar, que, en multitud de casos, escapa a nuestro conocimiento y estudio; en otros, anonada nuestra razón con su grandiosidad y perfección, y en muchos nos tortura con 10 paradójico de sus actuaciones, inexplicables para nuestra imperfecta inteligencia humana, que, incapaz de abarcar el todo y la idea que ha presidido en su creación, no puede comprender el porqué de la necesidad de cada una de las partes. La fertilidad, esa propiedad inherente al suelo que le permite sustentar ininterrumpidamente una inmensa población vegetal, tan rica y variada, a cuyo sostenimiento contribuye en gran medida, nos ofrece uno de los más acabados ejemplos de la perfecta e insustituíble labor de los microorganismos en el servicio de los seres superiores. Durante muchos años, parte por un espíritu utilitario y parte por carecer de medios adecuados para otras investigaciones, el hombre dedicó atención preferente al estudio de las plantas superiores, por los beneficios que, directa o indirectamente, recibía de ellas, encontrando natural, sin duda por la casi universalidad del fenómeno, la -9-

fertilidad del suelo, sin pretender explicarse las causas de ella, ni sospechar que fácilmente un mal uso del suelo podría amenguarla e incluso anularla. Si el suelo hubiera estado dotado de fertilidad solamente en zonas reducidas de la tierra, el contraste entre la exuberante vegetación asentada en ellas con la mísera del resto, hubiera llamado la atención y provocado el estudio de la razón de tales diferencias. No obstante, algunos espíritus selectos, dotados de un fino espíritu de observación, como el maestro Fray Luis de Granada, mostraron su asombro ante la maravillosa fertilidad de que estaba dotada la tierra y también ante la indiferencia de los hombres, «que andando nadando entre tantas maravillas de Dios, ni tenemos ojos para verlas, ni oídos para oír 10 que callando nos ,predican, ni corazones para levantar nuestro espíritu al conocimiento del Hacedor por el artificio admirable de sus hechuras•. Con el transcurso del tiempo y a causa de la perturbación en el orden de la naturaleza ocasionada por la intervención del hombre mediante talas y destrucciones del bosque, así como por la generalización de los cultivos intensivos y agotadores de cereales, fué apareciendo el cansancio y la esterilidad de los suelos destinados al cultivo agrícola, con la consiguiente disminución de las cosechas, y empezó a abordarse el estudio de los suelos agrícolas. No entra en nuestros propósitos seguir el proceso histórico de la evolución de las teorías y estudios sobre el suelo en sus relaciones con la nutrición de las plantas superiores; sin embargo, pasaremos una rápida revista a algunas de sus principales etapas. Durante la Antigüedad y en la Edad Media se creía que la nutrición de las plantas era semejante a la de los animales, tomando del medio exterior los alimentos ya formados, los cuales sufrían diversas modificaciones en el interior del vegetal. considerándose a la tierra como uno de los principales elementos, que en unión de los otros tres-agua, aire y fuego--, servía para la alimentación de las plantas. Aun conociéndose muy poco sobre la existencia del humus en el suelo y sobre su significación en los procesos del mismo, era ya costumbre entre los romanos utilizar la coloración del suelo para juzgar sobre su calidad. Los fisiólogos vegetales del siglo XVII continuaban aún en la creencia de que los vegetales tomaban del suelo sus alimentos orgánicos, siendo muy vagas las ideas existentes sobre la naturaleza de las mar terias absorbidas del suelo; así, mientras unos (rr) hadan referencia a los jugos de la tierra, otros (140) hablaban de diminutas partículas -

ro-

del suelo. Algunos consideraban que las diversas plantas, al igual que los animales, demostraban preferencia por determinadas partículas del suelo, y con ello explicaban los resultados favorables que se obtenían mediante la rotación de cultivos. En 1761, un profesor de química de Upsala, Wallerius (151), afirmó que la nutrición de las plantas sólo podía realizarse con sustancias homogéneas, y considerando de esta naturaleza al humus le atribuía el papel de único y verdadero alimento de las plantas nutritivas, asignando a los restantes constituyentes del suelo el papel de ínstrumentalia, que preparan y facilitan su penetración en las raíces, siendo, por tanto, la fertilidad del suelo proporcional a su contenido en humus. Teodoro de Saussure (1804) y Boussingault posteriormente, mediante las primeras experiencias agrícolas realizadas con un criterio científico, utilizando métodos cuantitativos, demostraron que el carbono de los vegetales procedía del anhídrido carbónico del aire y no del suelo, opinión que fué rechazada por la mayoría de los agrónomos de la época, que, apoyados por el gran químico Berzelius, continuaron en la creencia de que las plantas obtenían su carbono y otros elementos nutritivos del humus del suelo, hasta que los trabajos de Liebig, iniciados en 1840, hicieron abandonar definitivamente la teoría del humus, que fué sustituída por la teoría mineral, en la que los estudios de la fertilidad del suelo se basaban exclusivamente en su análisis químico. Como consecuencia de este criterio analítico se introdujo el abonado químico, por entender que era preciso restituir a las tierras los componentes minerales que se extraían con la recolección de las cosechas, para evitar la disminución de la fertilidad. Estas ideas, beneficiosas por la introducción de los abonos minerales en el cultivo agrícola, fueron exageradas y deformadas hasta el extremo de que Georges Ville, en sus conferencias de la Granja Experimental de Vincennes (i868), afirmaba que el «abono químico es estiércol despojado de toda materia inútils, definición en la que sólo se concedía importancia al estiércol por su contenido en elementos minerales, no dando valor alguno al papel del contenido orgánico y biológico del mismo en el mantenimiento de fa fertilidad del suelo. El principal error de las teorías de Liebig consistió en descono-. cer la intervención de los microorganismos en el mantenimiento de la fertilidad del suelo y en no relacionar la nutrición nitrogenada de los vegetales con la formación de nitratos en la descomposición de la materia orgánica animal y vegetal, proceso este último conocido -

tI-

de antiguo y utilizado en los siglos XVII y XVIII para la fabricación de pólvoras. Liebig creía que las plantas tomaban la mayor parte de su nitrógeno bajo forma amoniacal, bien del existente en el suelo o en los abonos adicionados al mismo, o bien del amoníaco existente en el aire; incluso, más tarde (Farmers Magazine, 1847, pág. SIl), no consideraba ya indispensables los abonos amoniacales y decía que esi el terreno es conveniente y posee una cantidad suficiente de álcalis. fosfatos y sulfatos, no carecerá de nada. Las plantas obtendrán su amoníaco de la atmósfera, como 10 hacen para el ácido carbónico•. Boussingault (1853) fué el primero en señalar la relación entre la nitrificación y la fertilidad del suelo, idea que aun cuando al principio fué combatida, especialmente por los agricultores ingleses, se vió confirmada poco después Con auxilio de los cultivos de vegetales en medios líquidos llevados a cabo por Sachs y Knop. Reconocida la importancia de la nitrificación, se desconocía, sin embargo, el mecanismo mediante el cual se efectuaba; Pasteur, en 1862, al estudiar la depuración de aguas residuales, había sugerido la idea de que la nitrificación era probablemente un proceso biológico, 10 que fué plenamente comprobado por Schloesing y Müntz (en 1877). mediante su clásica experiencia de hacer pasar muy lentamente. a través de una columna de arena y caliza, una corriente de aguas residuales que se deseaba purificar; el amoníaco contenido en ellas no era atacado al principio; pero, al cabo de unos veinte días. empezaba a ser convertido en nitratos, y finalmente desaparecía todo el amoníaco durante el paso del agua por la columna, encontrándose en el agua de salida nitratos únicamente. El retraso de veinte días antes de que se verificase la nitrificación.sasf como el que el proceso se detuviese por la presencia de vapores de cloroformo y que, una vez eliminados éstos, se reanudase por la adición de un poco de suelo, demostraron que no se trataba de una simple oxidación química, sino de un proceso microbiológico. La aplicación de este descubrimiento a los procesos del suelo fué hecha por Warington (1878-84), quien encontró que las sales amónicas en solución pueden cambiarse en nitratos por la adición de un poco de suelo y que el proceso de nitrificación se detenía en el suelo .por la adición de cloroformo o de bisulfuro de carbono. Llegó a distinguir las dos fases de la nitrificación: conversión del amoníaco en nitritos y de los nitritos en .nitratos; pero fué incapaz de aislar las bacterias agentes del proceso, 10 que fué realizado en 1890 por Winogradsky. -

12-

Al mismo tiempo (1885), Berthelot, considerando que el suelo sufría bastantes pérdidas de nitrógeno, a consecuencia de las cuales se hubieran agotado sus existencias si no existiera adición de compuestos nitrogenados, emitió la hipótesis de que existía una fijación del nitrógeno atmosférico realizada por intermedio de bacterias, hipótesis confirmada más tarde por Winogradsky (1893) y Beijerinck (1901), cuando consiguieron aislar del suelo las bacterias anaerobias y aerobias fijadoras de nitrógeno atmosférico. Con estos descubrimientos, unidos al de Hellriegel y Wilfarth (r888), de las bacterias fijadoras de nitrógeno que viven en simbiosis con las plantas leguminosas, a las que deben éstas su poder fertilizante, puesto de manifiesto en la rotación de cultivos empleada desde antiguo, se inició una nueva rama' de la Ciencia, la Microbiología del suelo (llamada en un principio. Bacteriología), cuyos cimientos se establecieron .sólidamente en ese período de 1880-1895, merced a los importantísimos descubrimientos realizados por investigadores de toda Europa, principalmente franceses, estimulados y orientados por el genio creador de Pasteur. A partir de esa época, la Microbiología del suelo ha ido aumentando su contenido, apoyándose en las Ciencias afines - Botánica, Zoología, Microbiología general, Química, Física, etc.-, y aun cuando se· encuentra todavía en período de formación, 'nuevas aportaciones van descubriendo amplios horizontes pródigos en promesas, no sólo para los investigadores, sino para los agricultores y forestales. El suelo es la base de la Agricultura y la Selvicultura; la población microbiana del suelo, como dice Waksrnan, hace de él, lo que es y antes o después se reconocerá que el estudio de esta población microbiana es de la máxima importancia para el progreso de la Agricultura y la Selvicultura. Sin la existencia de los inicroorganismos del suelo, la superficie terrestre quedaría pronto cubierta de una espesa capa de residuos y cadáveres de animales y vegetales, que permanecerían casi inalterados; la vida vegetal cesaría a consecuencia de la falta de los elementos nutritivos indispensables en forma asimilable, cesando también la vida animal, toda vez que los animales, por su incapacidad para llevar a cabo' la síntesis de la materia orgánica a partir de los elementos minerales, para su nutrición dependen, directa o indirectamente, de los vegetales. Un sencillo ejemplo puntualizará mejor estas ideas sobre el importantísimo papel que desempeñan los microorganismos del suelo en el -q-

mantenimiento de la vida sobre la superficie terrestre. El carbono forma, aproximadamente, el So por lOO de la materia orgánica vegetal, siendo tomado del eo, existente en la atmósfera, mediante la función clorofílica. El CO, se encuentra en la atmósfera actualmente en la proporción de 0,03 por lOO, y aun cuando la proporción óptima para la asimilación del carbono es, aproximadamente, del 7 por 100, la proporción actual es suficiente para el desarrollo de la vegetación. La cantidad total de anhídrido carbónico contenida en la. atmósfera terrestre, que ha sido calculada en 2,100 billones de kilogramos, sería consumida por los vegetales superiores que pueblan la Tierra en un período alrededor de treinta y cinco años; sin embargo, durante los últimos ciento cincuenta años esta cantidad no ha variado sensiblemente, compensando en su mayor parte el enorme consumo anual de la vegetación la actividad de los microorganismos del suelo, quienes desprenden grandes cantidades de CO" a la vez que llevan a cabo, la demolición de las complejas moléculas orgánicas que en forma de residuos y cadáveres llegan al suelo, mineralizando, por así decirlo, sus elementos para ponerlos en condiciones de ser nuevamente utilizados por la vegetación, permitiendo el ilimitado desarrollo de ésta, con una cantidad limitada de materia mantenida en constante circulación. El estudio de la Microbiología del suelo tiene, como se ve, una gran importancia, no sólo desde el punto de vista puramente científico del conocimiento de los seres que habitan en la capa externa de la corteza terrestre, sino desde el de aplicación práctica, ya que de ese conocimiento, del de las actividades que dichos seres desarrollan y de los medios para modificarlas, se están derivando constantemente enseñanzas que conducen al conocimiento del estado de fertilidad del suelo y mejor aprovechamiento del mismo, sobre el que han de apoyarse la Agricultura y la Selvicultura. En los montes, la relación entre la Selvicultura y el suelo se ha establecido muy vagamente y, sin embargo, la conservación de la fertilidad del suelo es más importante en Selvicultura que en Agricultura. El agrónomo dispone de gran variedad de medios artificiales (cultivo mecánico, rotación de cultivos, enmiendas y abonos, etcétera) para aumentar la fertilidad del suelo, a los que el selvicultor, por regla general, no puede recurrir, debiendo confiar al monte mismo la misión de conservar, y aun mejorar, las condiciones de fertilidad del suelo, lo que podrá lograr manteniendo una espesura" de masa adecuada a las condiciones del suelo, creando subpisos, controlando, en suma, la composición y la forma de la masa forestal. -14-

.;

¡

'-C .

I'",,,~'

... ;

;

qUe:.k.u~lo·

El Ingeniero de Monte, debe tener fijamente presente y el vuelo están íntimamente ligados y, por tanto, .atender no ~ iI:L efecto del suelo sobre la composición y forma de la masa, sino tanibién al efecto recíproco de éstas sobre el suelo mismo. En la actualidad, nuestros conocimientos sobre ambos efectos son incompletos y empíricos, y hace falta una cuidadosa y prolongada experimentación que, creando una ciencia del suelo forestal, establezca las bases científicas para las prácticas selvícolas. Por ejemplo: la atención de los selvicultores se ha dirigido, con éxito evidente, al estudio del crecimiento de las masas forestales. Las Estaciones de Experimentación forestal han perfeccionado extraordinariamente los métodos de obtención de tablas de producción, expresando en fórmulas matemáticas las leyes de crecimiento de las masas. Sin embargo, han descuidado los estudios paralelos del suelo y de los restantes factores a los que se deben las diferencias en crecimiento de las mismas especies en diferentes regiones o sitios. En Dasonomía, la masa misma o, más exactamente, elementos de ella, tales como el volumen, el crecimiento medio o la altura, se usan como expresión de la calidad del rodal, y sobre esta base se acostumbra a reconocer cinco clases de suelo, observándose entre los forestales cierto escepticismo hacia las tentativas de estudiar las características del suelo y las restantes condiciones que afectan al crecimiento, fundándose para ello en la complejidad de las condiciones en que se desarrolla el monte y en los pobres resultados que han suministrado tales intentos. Hay que reconocer que nuestra experimentación en dicho sentido ha sido pequeña y extremadamente unilateral; bajo la influencia de Liebig, los forestales han estudiado principalmente las condiciones químicas y geológicas de los suelos forestales que, en la mayoría de los casos, son de menor importancia para la vegetación forestal que las condiciones físicas y biológicas del suelo del monte. Otro tema al que las estaciones de experimentación han concedido extraordinaria atención ha sido al efecto de la intensidad de las claras sobre el crecimiento de las masas.. Al igual que en el caso de las tablas de producción, se han realizado las observaciones más cui. dadosas sobre las variaciones de crecimiento de las masas aclaradas, descuidando el estudio de los cambios que se han verificado en las condiciones físicas y biológicas del suelo como consecuencia del aclareo y disminución de la espesura (considerable aumento de la actividad microbiana del suelo, acompañada de mayor velocidad en la descomposición o mineralización de la materia orgánica y aumento -

J.~-

l¡,

"'I'~

de la proporción de anhídrido carbónico en la atmósfera del monte), a los que se deben las variaciones del crecimiento. Otro tanto podría decirse respecto a muchos problemas selvícolas; por abreviar, sólo mencionaremos la influencia de los distintos métodos de corta sobre la repoblación natural de la masa y los fracasos de muchas repoblaciones artificiales, casos ambos en los que presenta el mayor interés el estudio de las condiciones físicas y biológicas del suelo, que ha sido prácticamente descuidado. Este estado anormal de cosas obedece, probablemente, a que en la casi totalidad de las Escuelas Forestales se ha descuidado, hasta hace muy poco tiempo, el estudio físico y biológico del suelo, limitándose, a 10 sumo, a dar unas ligeras nociones sobre suelos dentro d~l . curso de Geología, cosa que, lógicamente, ha desviado la atención de los forestales del papel importante del suelo en la Selvicultura y de las influencias recíprocas entre el suelo y la masa forestal que sustenta, con evidente perjuicio para el desarrollo de la ciencia foresta1. La convicción de que para el forestal es de gran trascendencia el estudio microbiológico del suelo, que en opinión de algunos eminentes edafólogos permite una más exacta determinación de sus condiciones de fertilidad que los métodos físicos y químicos, me ha determinado a publicar el presente trabajo, sin ningún valor original, en el que he procurado exponer en forma compendiada el estado actual de los conocimientos sobre Microbiología del suelo, con el deseo de despertar en los forestales españoles, y sobre todo en nuestra juventud estudiosa, la afición a esta Ciencia, difícil y compleja, pero atrayente como todas las relacionadas con la Biología, de cuyos adelantos han de derivarse grandes beneficios para el progreso económico de un país como el nuestro, eminentemente forestal y agrícola. El presente trabajo, que trata de los «Procesos biológicos del suelo», irá seguido de otros referentes a «Bacterias del suelo» y «Hongos, Algas y Microfauna del suelo», constituyendo una especie de introducción a sucesivas publicaciones en las que se darán a conocer no s6lo los resultados de los trabajos del Grupo de Experiencias de Edafología del Instituto Forestal de Investigaciones y Experiencias, sino los trabajos más interesantes que fuera de España se lleven a cabo en relación con la Microbiología de los suelos forestales.

-

16-

XOTA

Han servido de base para la redacción de este trabajo las guientes obras:

SI-

AI.BAREDA (J. M.a). - El suelo. Estudio físico-químico y biológico de su constitución y formación. - Saeta. Madrid, 1940. I~ERSON (P.). Principies 01 Soil Technology.,- The Macmillan Ca. Nueva York, 1930.

FEHER (Ph. D.). - Untersuchungen über die Mikrobiologie des Waldbodens. - Juli~ • Springer. Berlín, 1933. RU'PIU.. 0\.). - Die bioloeische Beschallenheit des Bodens, En el tomo VII de la obra Handbuck der Bodenlehre, dirigida por el Dr. E. BI,A~K. - Julius Springer. Berlín, 1931. RIPPEI.. (A.). - ,Uikrobiologie des Bodens. En el primer suplemento del Handbuch der Bodenlehre, del Dr. E. BLANK. -- Julius Springer. Berlín, 1939. RUSSEI..L (E. J.). - Tbe Micro-Orgonisms 01 the Soil, - Longmans, Green & Co, Londres, 1933. RUSSELI. (E. J.). - Soil condüions and plant grotuth, Séptima edición. - Longmans, Green & Co. Londres, 1942. THAYSEN (A. C.) Y BUNKER (H. J.). - The microbiologv 01 cellulose, bemiceuuloses, putin and gums. - Oxford University Press. Londres, 1927. 1'HAYSEN (A. C.) Y GALLOWAY (L. D.). - The microbiology 01 starch. and sugars.Oxford University Press. Londres, 1930. WAKSMAN (S. A.). - Principies 01 soil microbiology. Segunda edición. - 1'he Williams & Wilkins Ca. Baltimore, 1932. W AKSMAN (S. A.). - Humus. Origin, chemical composition and importance in nature. Segunda edición. - Bailliére. T'índal & Cox. Londres, 1938. \'v·.-I.KSMAN (S. A.) Y STARKEY (R. I...). - Soil and the microbe. - John Wiley & Sons, Inc. Nuevá York, 1931.

Al final de esta primera parte se incluye un índice bibliográfico que comprende los trabajos más importantes relacionados con las materias tratadas en la misma, en los que el lector puede encontrar una más amplia imformación sobre los diversos temas.

-

17-

CAPITULO

I

EL SUEI.O. CONSIDERADO, BIOLÓGICAMENTE. FORMACIÓN DEL SUELO

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1

1

~.

}

u

Para Ramann, el suelo es el resultado de la erosión de las rocas, modificado por la presencia de la vida orgánica y de los residuos de organismos anteriores. Dependiendo ambos ciclos de las condiciones climáticas, es natural que el suelo dependa en gran parte del clima. Así se observa que cuanto más extremado es el clima tanto más uniformes son las condiciones de los suelos, pudiendo llegar, en el límite, al extremo de no ejercer influencia la naturaleza de la roca madre ni la configuración del terreno, encontrándose grandísimas extensiones de tierra que, como las estepas del Oriente europeo y las praderas de Norteamérica, presentan el mismo tipo de suelo: las tierras negras, tan conocidas por su fertilidad. Los suelos de las regiones templadas, en las que los cambios de clima debidos a las estaciones son más marcados, presentan una mayor variedad (n6). En el proceso de formación del suelo intervienen los siguientes agentes: 1. o La erosión física o mecánica, en la cual las rocas madres son desmenuzadas y pulverizadas sin alteración de su composición química. 2. 0 La erosión química, procedente de la descomposición de las rocas, con intervención del agua, y 3. 0 La acción biológica. La erosión tísica o mecánica es producida: . a) Por cambios de volumen debidos a variaciones de temperatura. b) Por la acción de las heladas, durante las cuales el agua que llena las grietas o cavidades de las rocas aumenta de volumen al convertirse en hielo, provocando la ruptura y desmenuzamiento de las rocas. c) Por la pulverización de las rocas al ser arrastradas por el hielo (glaciares) y el agua corriente. d) Por la arena que, arrastrada por el viento, raya y desgasta las rocas expuestas a su acción. -21-

"

La eroston química comprende todas las reacciones químicas que transforman los materiales de la superficie terrestre en combinaciones más estables, dadas las condiciones externas que predominan. Entre los agentes químicos más importantes ha de señalarse el agua, que en el suelo puede considerarse bajo tres aspectos (u6): Agua higroscópica, equivalente .al contenido en agua del suelo desecado al aire, formando una película de vapor de agua condensado alrededor de las partículas del suelo, a las que está ligada intensamente por fuerzas moleculares. Agua capilar, constituída por la porción de agua del suelo distinta de la higroscópica, que, mantenida por fuerzas de tensión superficial, no desciende por la acción de la gravedad y es movilizable cuando la evaporación en la superficie o la absorción por las plantas destruye el equilibrio. A gua de gravitación, formada por la porción de agua del suelo que por la acción de la gravedad desciende a través de él, verificando su lavado, con formación de depósitos en capas más profundas. El agua no sólo actúa físicamente como disolvente, sino que obra por hidrólisis sobre los silicatos, que constituyen la mayor parte de la corteza terrestre, provocando su desa1calinización y la pérdida de ácido silícico (3), que son procesos importantes en la formación de las arcillas. Ejercen también erosión química los cuerpos disueltos en el agua, tales como sales, anhídrido carbónico, materias orgánicas - sobre todo las del humus ácido-, que ejercen una marcada acción corrosiva, y los ácidos, como el sulfúrico, procedentes de oxidaciones de albuminoides de la materia orgánica. En la acción biológica desempeña un papel preponderante la vegetación, correspondiendo a los animales un papel secundario. Los animales afectan al suelo por sus actividades cavadoras y minadoras, por sus deyecciones y cadáveres, y mediante la destrucción de partes vivas y muertas de vegetales. La intervención de los vegetales en el proceso de formación y evolución del suelo es múltiple y compleja; ejercen acciones mecánicas y químicas por mediación de su sistema radical; los líquenes pueden vivir sobre la roca desnuda erosionándola y abriendo paso a la lenta y sucesiva implantación de una vegetación de musgos, pequeñas gramíneas y herbáceas, que en el transcurso de los siglos forman suelo susceptible de mantener una vegetación más elevada; los vegetales aportan al suelo sus restos y cadáveres, que son punto de -

22-



partida de la formación del humus, y mediante la acción de vegetales de organización inferior, de microorganismos, llevan a cabo el complicado proceso de la demolición y mineralización de los restos animaIesy vegetales para incorporarlos de nuevo al ciclo de la matena VIva. A los fines de nuestro trabajo, interesa solamente el estudio de esta última parte de la acción biológica en el proceso de formación del suelo. Aquellos lectores que deseen profundizar en el estudio físico-químico de la formación y constitución del suelo, encontrarán en castellano una completa y detallada información en la obra del profesor Albareda mencionada en la Bibliografía.

EL SUELO, COMO MEDIO DE VIDA PARA LOS MICROORGANISMOS.El suelo (145) es un sistema complejo formado por: a) partículas minerales procedentes de la erosión mecánica y química de los minerales constitutivos de la roca madre; b) materia, orgánica de origen animal, vegetal y microbiano en vías de descomposición; e) compuestos formados por la reacción de las sustancias producidas por la descomposición de la materia orgánica, con las procedentes de la desintegración de' los complejos minerales del suelo; d) agua del suelo conteniendo en disolución anhídrido carbónico, oxígeno y otros gases, así como diversos compuestos orgánicos y sales minerales, y, finalmente, e) la atmósfera del suelo. Podemos considerar en el suelo tres fases definidas-e-sólida, liquida y gaseosa-, que influyen individual y colectivamente sobre la distribución y actividades de los microorganismos. La fase sólida está constituída por partículas minerales y materia orgánica, en proporciones variables según la naturaleza del terreno. La parte mineral influye sobre la actividad microbiana" modificando las condiciones mecánicas del suelo; formando sustancias que por sí mismas, o reaccionando con algunos compuestos orgánicos, constituyen la materia coloidal del suelo, en la que tienen lugar la mayor parte de las transformaciones microbianas del mismo; ofreciendo alimentos minerales a los microorganismos, y, finalmente, combinándose con algunos productos del metabolismo microbiano, tales como los ácidos orgánicos e inorgánicos. La parte orgánica - que está formada por restos recientes de animales y vegetales aun sin descomponer, por los productos de la descomposición total o parcial de residuos anteriores y por las células vivas y muertas de los microorganismos y los productos de su descomposición - desempeña un papel primordial en el suelo, en-

23-

contrando en ella la mayor parte de los microorganismos, no sólo su fuente de energía, sino diversos alimentos. Los residuos de animales y vegetales añadidos al suelo contienen numerosos complejos (proteidos, celulosas, almidón y lignina) en estado coloidal. Cuando estos complejos son atacados por los microorganismos, se transforman, en el transcurso del tiempo, parte en cristaloides y parte en nuevos coloides, especialmente en la materia orgánica del suelo o humus, material imperfectamente conocido, de coloración parda, pobre en celulosa, con mayor cantidad de hemicelulosas, conteniendo algunas sustancias grasas y resinosas, y especialmente rico en compuestos orgánicos nitrogenados, o complejos de tipo proteídico, yen complejos de lignina modificada, constituyendo un material mucho más resistente a la descomposición que las sustancias animales y vegetales de que procede (145). A consecuencia de la formación del humus, una parte de los elementos esenciales para la vida orgánica, principalmente carbono, nitrógeno, fósforo, azufre y potasio, toman formas no asimilables, siendo, por así decirlo, retirados de la circulación, lo que a primera vista representa una restricción para el desarrollo de la vegetación, ya que algunos de estos elementos, como el carbono, el nitrógeno combinado y el fósforo asimilable, se encuentran en cantidades limitadas en la Naturaleza. Sin embargo, como el humus en condiciones favorables es descompuesto lentamente por la acción de los microorganismos, suministrando a la vegetación de un modo lento, pero continuo, los elementos indispensables, en realidad desempeña el papel de depósito regulador de las reservas necesarias para la vida orgánica, evitando una rápida descomposición de los residuos orgánicos, que al liberar en forma asimilable los elementos esenciales para la vegetación en cantidades superiores a la capacidad de asimilación de ésta, pudiera ocasionar su pérdida. El humus desempeña, además, un papel preponderante en la formación de la mayoría de los suelos, sobre los que ejerce una serie de influencias físicas, químicas y biológicas, convirtiéndolos en un substrato adecuado al desarrollo de la vegetación superior. Nemec (roo) observó en los bosques de Checoeslovaquia que la extracción de la cubierta muerta del suelo de los mismos, disminuía el contenido en nitrógeno del suelo, lo que ocasionaba una disminución del 12,2 por roo del contenido en nitrógeno de las hojas y del 40 por roo del crecimiento anual del arbolado. La proporción actual de materia orgánica bajo forma de humus

existente en el suelo y en el mar excede en mucho a la' (!ue ofrecen todos los animales y vegetales vivos, según \Vaksman (146), quien presenta el siguiente estado referente al contenido en carbono de las varias formas de humus del planeta terrestre, así como el contenido en la atmósfera y en todos los seres vivos, formado de acuerdo con recientes cálculos (28), (86) Y (141). TO:\HI.AJ>.\ S

Contenido en carbono de la atmósfera . Contenido en carbono de la hidrosfera . Contenido en carbono de la antracita . Contenido en carbono del carbón bituminoso . Contenido en carbono de carbones pardos '.' . Contenido en carbono de todas las formas de turba , . Contenido en carbono de todos los suelos hasta una profundidad de 30 cms . Contenido en carbono (le toda la materia viva .

~

600.000.000.000 16.400.000.000.000 422.000.000.000 2.732.000.000.000 1.499.000.000.000 1.123.000.000.000

400.000.000.000 700.000.000.000

La jase líquida está formada por agua, que lleva en disolución gases de la atmósfera del suelo y diversas sustancias, como nitrato cálcico y bicarbonatos, materia orgánica, sodio, magnesio, silicio, cloro, SO.. pequeñas cantidades de potasio y trazas de amoníaco y fosfatos (123). La presión osmótica de la solución del suelo varía entre 0,1 y 1 atmósfera en los suelos normales, y 4,5 y 16,5 atmósferas en suelos con escaso contenido de humedad. La cantidad de humedad del suelo afecta grandemente a la fauna y flora del mismo, influyendo sobre los procesos que se desarrollan en él, dependiendo la cantidad de agua que puede retener del tamaño de sus partículas, disminuyendo a medida que aumentan las dimensiones de éstas. Las condiciones óptimas de humedad se alcanzan, para la mayoría de los microorganismos, cuando el agua ocupa, aproximadamente, la mitad de los espacios que quedan entre las partículas del suelo; un exceso de agua, al limitar la cantidad de oxígeno del suelo, es desfavorable para los organismos aerobios, favoreciendo, en cambio, el desarrollo de las bacterias anaerobias. Tanto la cantidad de humedad mínima, como la óptima para el desarrollo de las actividades de los microorganismos del suelo, depende, además de la naturaleza del mismo, de su contenido coloidal; los microorganismos viven principalmente en la delgada película coloidal que rodea las partículas del terreno, de la que obtienen gran parte de sus alimentos y en la que depositan sus sustancias de excreción; :Z5 -

por tanto, cuanto más bajo sea el contenido coloidal del suelo, menor será la cantidad de agua necesaria para el logro de condiciones favorables a la actividad microbiana. La [ase gaseosa está constituída por una mezcla de gases que en las capas superiores de la mayoría de los suelos es análoga a la del aire atmosférico, aunque su composición no presenta la fijeza que en este último, variando constantemente, en parte a causa de los procesos químicos que se desarrollan en el suelo, y sobre todo, por las actividades biológicas, dependientes a su vez de la cantidad y naturaleza de la materia orgánica del suelo y de las condiciones del medio. Por término medio, la atmósfera del suelo agrícola suele contener del 0,15 al 0,65 por 100 de COI (el aire atmosférico contiene 0,03 por 100) y un 20,6 por 100 de oxígeno (el aire atmosférico contiene un 21 por 100). Durante las estaciones secas, en las que la oxidación de la materia orgánica se verifica lentamente, los gases del suelo son pobres en anhídrido carbónico y ricos en oxígeno; después de las grandes. lluvias, el contenido de oxígeno disminuye rápidamente, mientras que, a causa de la rápida oxidación de la materia orgánica, aumenta la proporción de CO2 (142). Según las experiencias de Lehrnann (82), realizadas durante fuertes lluvias de verano tras un largo período de sequía, el contenido de COI del suelo, a 10 cms. de profundidad, desciende después de la lluvia, para subir luego lentamente. Los gases formados en condiciones anaerobias, como en los suelos encharcados de los arrozales, son principalmente metano, hidrógeno, anhídrido carbónico y nitrógeno (58). . La conjunción de las tres fases, sólida, líquida y gaseosa, del suelo, proporciona un medio. adecuado para la vida de los microorganismos, que encuentran en él, no sólo la materia necesaria para la síntesis de sus células, sino la energía necesaria para sus actividades vitales, gran parte de la cual procede de los residuos de las plantas muertas, que durante la vida han estado sintetizando almidón, celulosa, proteínas y otras sustancias, las cuales introducen en el suelo una considerable cantidad de energía acumulada, procedente de la energía solar, fijada por la clorofila en el proceso de fotosíntesis. POBLACIÓN MICROBIANA DEL SUELO. - El complejo proceso de demolición de la materia orgánica de origen animal y vegetal es llevado a cabo en el suelo por la fauna y la flora del mismo, sobre -

26-

CWlotltus

tLoUFlCtlS

(Aw&AJUUS)

( 11.614 VlRlll$)

DlATDMEM

.,

...,¡

lEVAllIÍ~'(

"~UITliiDo NITRÓ6ENO

ANAL060$

CDM&IMAeO

A'c*'~ U~~

AUTÓTROrA&

__ ' ~~~

f:\ }··~·l ::~

~

~.

.

:,;~_:~~/ _.

~~

~~

-

.

PRooucToRAS

DE NITRITOS Y NITRATOS

8ACTE~llS

FE RRU6INO$l$

OXIDANTEs DEl

/\

~.

y SO$ ODM'OtsTOS

I

AA[~ A~

AEIlOWS

~

ANAER06lAS

_. j

--'

{lli-

." ~'

.

r,,~

E""

FIG.

I. -

Microf1ora y microfauna del suelo (Waksman).

EN

~IUOS

~~

cuya composición y relaciones biológicas da una clara representación esquemática el gráfico de Waksman (145). que reproducimos (fig. 1). Los animales están representados en el suelo por protozoos, nemátodos, rotíferos, gusanos de tierra .Y otros gusanos e insectos. Los nematodos se encuentran abundantemente en todos los suelos, pero especialmente en los invernaderos y suelos infectados. Los protozoos son muy abundantes, encontrándose numerosas especies de amibas, ciliadas y flagelados. Los vegetales del suelo pertenecen a las algas, hongos y bacterias, citados en orden de su creciente número y actividades. Entre las algas tienen la mayor representación las cianofíceas y c1orofíceas. Los hongos del suelo pueden dividirse en los siguientes grupos: I,0 Levaduras y hongos análogos, como Monilia y Oidium. 2.° Mohos y otros Eumicetos. Aquí se encuentran los Mucorales, representados por los géneros Rhizopus, Mucor, Zygorhynchus y otros Ficomicetos. Varios Ascomicetos, incluyendo los géneros Chaelomium y otros; Hifales, representados por Mucedináceos (Aspergillus, Penicillium, Sporotrichum, Botrytis, Trichoderma, Verticillium, etc.), Demaciáceos, Estilbáceos y Tuberculariáceos. 3.° Actinomicetos. Del 10 al 50 por 100 de las colonias que se desarrollan en cultivos de suelo sobre agar o gelatina, pertenecen a este importante grupo de organismos del suelo (clasificados ordinariamente entre las bacterias por los bacteriólogos, pero que en la actualidad se consideran como hongos), incluyéndose los conocidos hasta ahora en el suelo, en el extenso género Actinomices. +0 8asidiomicetos. Este grupo comprende los macrohongos u hongos de sombrerillo, estando bien representado en el suelo; en los suelos forestales forman grandes micelios, que predominan sobre los de los restantes grupos de hongos. Muchos de los hongos que forman micorrizas pertenecen a este grupo. Las bacterias predominan en el suelo sobre los demás grupos de microorganismos, tanto por su número como por la variedad de sus actividades. No coincidiendo las agrupaciones taxonómicas de las bacterias con sus actividades en el suelo, Waksman y varios autores, acostumbran a clasificarlos atendiendo a su fisiología en dos grandes grupos: bacterias autátroias y heterótrojas. Las bacterias autótrofas son organismos que, como las plantas verdes, pueden vivir a expensas de sustancias inorgánicas, obteniendo el carbono· que necesitan del COI atmosférico o disuelto, con la diferencia de que, mientras (lue las plantas verdes utilizan como fuente de energía la luz solar mediante -

28-

un proceso de fotosíntesis, las bacterias la derivan quimiosintéticamente mediante procesos de oxidación de elementos químicos o compuestos sencillos. Las bacterias heterótrofas necesitan materia orgánica, elaborada por otros organismos, que utilizan para la construcción de sus células y para obtener la energía necesaria para sus funciones vitales. Estas bacterias obtienen su energía de los hidratos de carbono, proteidos y otros compuestos complejos de carbono, bien por oxidación directa (aerobiosis), bien por procesos de óxido-reducción (anaerobiosis). En la utilización de la materia orgánica por las bacterias heterótrofas se observan dos fases: una primera fase de descomposición o demolición mediante hidrólisis, oxidaciones y reducciones, y una segunda fase de asimilación o síntesis, durante la cual construyen sus células a' expensas de las sustancias disociadas en la primera fase. Las bacterias heterótrofas pueden dividirse en dos grupos, atendiendo a su modo de utilizar el nitrógeno. En el primero se incluyen aquellas bacterias que son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico cuando disponen como fuentes de energía de hidratos de carbono, grupo importante para el incremento de nitrógeno en los suelos, que comprende las bacterias simbióticas de los nódulos de las leguminosas y las bacterias libres, aerobias y anaerobias, fijadoras de nitrógeno. En el segundo grupo figuran aquellas bacterias que dependen, para su metabolismo, de la presencia en el suelo de nitrógeno en forma orgánica o inorgánica, grupo que puede subdividirse atendiendo a las necesidades de oxígeno libre o combinado y a la formación de esporas. Las bacterias autótrofas, aunque se encuentran en el suelo en menor número y con menos especies que las heterótrofas, desempeñan, sin embargo, un papel importante en los procesos biológicos del suelo, especialmente las que llevan a cabo las oxidaciones de las sales amoniacales en nitritos, de éstos en nitratos y del azufre y sus compuestos en sulfatos. La abundancia de bacterias y hongos en los suelos forestales de Europa Central y del Norte, se refleja en el siguiente' cuadro (38):

-

29-

DISTRIBUCION DE HONGOS Y BACTERIAS EN SUE

------_._--_..

_-~----.~

Nllmero de hongo"

LatItud

Lug-,ar .---_.,

Número de bacterias

Fijadora. de N. 11 11

Aerob. \

----- -----

8.6,,'..' ......

_'J".p..().....J. boo... lDa

""'IIIl:

~

s

15

10

25

.30

TI~MDO

35

40

(OlAS)

Relación entre el nitrógeno fijado y el hidrato de carbono descompuesto. (Omeliansky)

nes, que, por el contrario, favorecen grandemente su desarrollo, sino a que para sus necesidades utilizan con preferencia el nitrógeno combinado que encuentran a su alcance. Según Bonazzi (20), las bacterias aerobias fijan el nitrógeno atmosférico en ausencia de nitrógeno combinado, y actúan como organismos desnitrijicantes en presencia de nitratos. El nitrógeno del humus, a consecuencia probablemente de su difícil asimilación, no perturba la fijación de nitrógeno atmosférico, excepto a elevadas concentraciones. -

IT2 -

Necesitando las bacterias fósforo para la síntesis de sus células, se comprende que la presencia de compuestos fosforados en el medio acelere su actividad, sobre todo cuando se trata de fosfatos fácilmente solubles. En presencia de un exceso de materia energética asimilable se ha observado que existe una proporcionalidad entre el contenido en fósforo del suelo y el desarrollo bacteriano (II7), hecho que ha servido de basé a un método biológico para la determinación de la riqueza en fósforo de los suelos, del que nos ocuparemos al estudiar las bacterias aerobias fijadoras de nitrógeno. Las sales de hierro ejercen también una influencia favorable en . el desarrollo de las bacterias fijadoras de nitrógeno, habiéndose observado que la adición de sulfato de hierro a un medio de cultivo en el que se empleaba la manita como elemento energético, aumentaba de 2,23 miligramos a 10,3 miligramos la cantidad de nitrógeno fijado por gramo de' manita. Se supone que el hierro coloidal absorbe el nitrógeno y el oxígeno del aire poniéndolos en íntimo contacto con las células bacterianas. Respecto a la reacción del medio más favorable para la fijación del nitrógeno atmosférico por las bacterias libres, se han observado diferencias entre las bacterias aerobias y las anaerobias; las primeras se desarrollan en un margen estrecho, entre' pH = 6,6 a 8,8, con el óptimo para un pH = 7 a 7,8, mientras que las segundas son más tolerantes para la acidez, habiéndose encontrado en suelos de pH = 5 a 5,2, y presentando su óptimo entre pH = 6,9 Y pH = 7,3. Las condiciones de temperatura óptimas para la fijación del nitrógeno se encuentran alrededor de los 280 , siendo las temperaturas límites para el proceso 90 y 33 0 , aunque las bacterias pueden resistir temperaturas más elevadas, sobre todo las anaerobias, capaces de soportar una temperatura de 750 durante más de cinco horas. Las bacterias fijadoras de nitrógeno pueden resistir la desecación durante largo tiempo merced a la protección que les proporcionan las sustancias coloidales del suelo, principalmente la arcilla; pero para desarrollar su función fijadora requieren un cierto grado de humedad, variable con la naturaleza del suelo, aumentando las necesidades de humedad con el contenido de materia orgánica del mismo. Un grado de humedad excesivo, próximo a la saturación, detiene la acción' de las bacterias aerobias , estimulando, por el contrario, el desarrollo de las bacterias anaerobias. Por esta causa, al aumentar progresivamente la humedad del suelo se encuentran frecuentemente dos máximos -

rr3 -

de fijación del nitrógeno, correspondiendo el primero a la actividad de las bacterias aerobias y el segundo a la de las anaerobias. Fijación del nitr6geno atmosférico por bacterias sz·mbi6ticas.Desde tiempo inmemorial eran conocidas por los agricultores las propiedades fertilizantes del cultivo de las leguminosas; según Teofrasto (300 años a. de ]. C.), en Macedonia y Tesalia practicaban ya el abonado en verde de las tierras de cultivo, enterrando las leguminosas cuando estaban en flor, y en las obras de Plinio, Virgilio y otros escritores de la Edad Antigua, ·son frecuentes las citas referentes al enriquecimiento del suelo mediante los cultivos de plantas leguminosas, siendo Boussingault (1838) el primero que, en el curso de sus experiencias sobre nutrición vegetal, comprobó que por el cultivo de plantas leguminosas el suelo se enriquecía no sólo en carbono, oxígeno e hidrógeno, sino en grandes cantidades de nitrógeno, cosa que no ocurría con el cultivo de los cereales. Este enriquecimiento lo atribuyó a que las leguminosas podían tomar el nitrógeno del aire, facultad de que carecían los cereales. Igualmente eran conocidas las nudosidades que aparecen en las raíces de las leguminosas, descritas y dibujadas por Malpighi (90) (siglo xvn), entre otros, que eran consideradas por todos como agallas o cecidias de origen patológico, sin que a ninguno se le ocurriera establecer la relación que existía entre la fijación del nitrógeno atmosférico por las leguminosas y las bacterias que por algunos habían sido observadas en las nudosidades de sus raíces, hasta que los magníficos trabajos de Hellriegel y Wilfarth (59) demostraron que las nudosidades de las raíces de las leguminosas eran ocasionadas por una infección bacteriana beneficiosa para la planta, porque en el interior de dichas nudosidades llevaban a cabo las bacterias la fijación del nitró- . geno atmosférico. En suelos esterilizados, en los que no se formaban nudosidades en las raíces, las plantas, una vez agotadas las reservas nitrogenadas de los cotiledones, sufrían hambre de nitrógeno y morían, a menos que se añadiesen nitratos o se agregase agua llevando en suspensión tierra en que se hubiesen cultivado leguminosas, en cuyo caso, al cabo de un cierto tiempo, las plantas empezaban a revigorizarse, pudiendo observarse la formación de nudosidades en las raíces. En suelos no esterilizados, en los que las nudosidades se forman . desde un principio, las leguminosas se desarrollan normalmente, aun cuando en el suelo existan tan sólo vestigios de nitrógeno combinado.

Las bacterias productoras de las nudosidades fueron aisladas en 1888 por Beijerinck (14); estas bacterias penetran en la planta hospitalaria a través de los pelos absorbentes de la raíz, probablemente atraídas quirniotrópicamente por alguna sustancia segregada por ellos; una vez en el interior de la raíz, las células invadidas por las bacterias aumentan de tamaño, mientras que las de los tejidos contiguos, al reaccionar, se proliferan abundantemente, constituyendo la nudosidad. En la nudosidad se desarrollan haces libero-leñosos, en comunicación con los de la raíz, por los que reciben las bacterias los hidratos de carbono elaborados por fotosíntesis en la planta hospitalaria, que aquéllas utilizan como fuente de energía, obteniendo de la atmósfera el nitrógeno que necesitan; a su vez, la planta hospitalaria aprovecha el nitrógeno fijado por las bacterias, bien por autolisis de las nudosidades o mediante la producción de diastasas bacteriolíticas (53), estableciéndose de este modo un estado de simbiosis. Para explicar las relaciones entre las bacterias y la planta hospitalaria se han emitido diversas teorías, pareciendo una de las más aceptables la del equilibrio de Süchting (63 y 163), que supone se establece un estado de equilibrio entre el poder invasor de las bacterias y el de resistencia de 'la planta, debido, probablemente, a la elaboración de una toxina por las bacterias y una antitoxina por la planta; la provisión de nitrógeno en la planta viene regulada por la formación del anticuerpo, ya que la intensidad de la producción de nódulos depende del grado de equilibrio alcanzado. Las leguminosas que sé desarrollan en suelos con suficiente cantidad de nitratos poseen un mayor poder de resistencia a la invasión de las bacterias que cuando crecen en suelos desprovistos de nitrógeno combinado. Sin embargo, en algunos casos ha podido comprobarse que la presencia de pequeñas cantidades de sustancias nitrogenadas estimulan el crecimiento de la planta y la formación de nódulos; esto se verifica, sobre todo, con leguminosas como la alfalfa y los tréboles, en las que las reservas nitrogenadas contenidas en sus diminutas semillas son insuficientes para permitir a las plantitas recién germinadas desarrollar su sistema ra- . dical sin tomar algún nitrógeno del suelo. Una vez desarrollado adecuadamente el sistema radical y formadas sobre él las nudosidades, deja de ser necesaria la presencia de nitrógeno combinado en el suelo. I..as leguminosas como las judías, guisantes, etc., cuyas semillas son grandes y poseen la suficiente cantidad de reservas nitrogenadas -

JI.OS-

para permitir el normal desarrollo del sistema radical, no son afectadas por la presencia o ausencia de pequeñas cantidades de nitrógeno combinado en el suelo. En la hipótesis de que, al igual que hemos visto ocurre con las bacterias fijadoras libres, las simbióticas necesitasen cien partes de elementos energéticos para fijar una parte de nitrógeno atmosférico, como la cantidad de nitrógeno fijado por el cultivo de leguminosas en buenas condiciones puede alcanzar a 200 kilogramos por hectárea, las bacterias simbióticas necesitarían 20.000 kilogramos de sustancias carbonadas por hectárea, que habrían de suministrar las leguminosas; como esta cantidad representa de dos a cuatro veces la total cosecha de leguminosas por hectárea, hay que suponer que las bacterias simbióticas utilizan mucho más económicamente la energía suministrada por la planta hospitalaria o que, como opinan algunos (23 y 27), la fijación del nitrógeno atmosférico por las bacte rias de las leguminosas sea un proceso exotérmico. En este caso, la energía liberada debe ser pequeña e insuficiente para cubrir las necesidades del metabolismo de las bacterias, por 10 que éstas cubren el déficit utilizando algunos de los hidratos de carbono elaborados por la planta hospitalaria. Se sabe muy poco sobre el mecanismo de fijación del nitrógeno atmosférico por las bacterias simbióticas, ignorándose las transformaciones que en los medios de cultivo sufren los hidratos de carbono suponiéndose que el producto final del proceso de fijación sea una proteína soluble. Los compuestos cálcicos, los fosfatos y los hidratos de carbono estimulan la formación de nudosidades. Las bacterias simbióticas pueden vivir libremente en el terreno, aun después de diez o más años, sin que se hayan cultivado en él plantas leguminosas (159), y aunque se supone que pueden fijar el nitrógeno durante esta vida independiente, el hecho no ha podido ser comprobado. En medios artificiales de cultivo, para asimilar nitrógeno en cantidades apreciables requieren que la proporción de azúcar en el medio sea elevada, habiendo determinadoMazé que para la fija. ción de un gramo de nitrógeno consumen 60 gramos de azúcar. (91). Como veremos detalladamente al hacer el estudio de estas bacterias, no existe una sola especie de bacterias simbióticas capaz de producir nudosidades en cualquier especie leguminosa, sino diversas estirpes bacterianas con preferencias específicas perfectamente definidas.

4.

TRANSFORMACIONES DE LOS NITRATOS Y DESNITRIFICACIÓN.-

1I6-

1,0s nitratos' formados en el suelo" por la actividad microbiana pueden disminuir por las siguientes causas: 1.& Asimilación por las plantas superiores, para su desarrollo. 2.& Asimilación por los microorganismos. 3.& Descomposición por la acción microbiana. 4.& Arrastrados por las aguas de infiltración y de drenaje a capas profundas. El estudio de la primera causa está fuera del plan de este trabajo, y por ello solamente nos ocuparemos de las tres últimas causas de desaparición, si bien haciendo la salvedad previa de que aun cuando suelen englobarse bajo la denominación común de desnitrilicación los procesos segundo y tercero, en realidad, ni la asimilación de los nitratos por los microorganismos, ni su reducción a nitritos o amoníaco, lleva consigo pérdidas de nitrógeno en el suelo, sino que simplemente representan el que parte de los nitratos han sido retirados momentáneamente de la circulación bajo formas de las que puede nnuevamente regenerarse dichos nitratos. Por ello, nosotros emplearemos la palabra desnitrificación para designar exclusivamente la reducción completa de los nitratos a nitrógeno libre u óxidos de nitrógeno, denominando los otros procesos asimilación y reducción de niiratos, Asimilación de nitratos por los microorganismos. - Un gran número de microorganismos del suelo, entre los que se encuentran bacterias, actinomicetos, hongos y algas, son capaces, en presencia de una fuente de energía adecuada, de utilizar los nitratos como fuente de nitrógeno, transformándolos en prótidos, existiendo, por regla general, una relación entre la cantidad de nitrato asimilado y la de materia orgánica oxidada, y dependiendo el proceso de la naturaleza de los organismos y de las condiciones del medio. Entre las bacterias es escaso el número de grupos capaces de utilizar esta fuente de nitrógeno. Los hongos utilizan más frecuentemente el nitrógeno nítrico, aun cuando no tanto como el nitrógeno amoniacal (72); los nitratos, por lo general, son reducidos por los hongos a amoníaco antes de. su asimilación, habiéndose observado que para la asimilación de una parte de nitrógeno son descompuestas de 30 a 40 partes de hidratos de carbono. Los actinomicetos asimilan con facilidad los nitratos, que de ordinario reducen a nitritos antes de su utilización. La utilización de los nitratos por los microorganismos está. frecuentemente acompañada de un aumento en la alcalinidad del medio;

el amo n reducido es asimilable, quedando en lihertad e1 catión correspondiente. Reducción de nitratos por los microorganismos. ~- Así como la reducción de los nitratos y nitritos en nitrógeno libre u óxidos de nitrógeno, solamente pueden efectuarla en el suelo bacterias específicas en condiciones determinadas, existe un gran número de microorganismos, entre los que se encuentran bacterias, hongos y actinomicetos (143) capaces de reducir los nitratos a nitritos y amoníaco, utilizando el oxígeno para la oxidación de hidratos de carbono, consiguiendo de . este modo la necesaria energía. . Varias bacterias aerobias pueden vivir en condiciones anaerobias en presencia de nitratos, que reducen a nitritos según la reacción: 2

HNOI =

2

HNO.

+

°

1-

36,6 calor/as.

Teniendo en cuenta que una molécula de oxígeno desprende II2 ca- . lonas al oxidar completamente en COI y H.O los hidratos de carbono, la anterior reacción proporciona una ganancia de energía: 112 -

36.6 = 75.4 calorías.

La reducción de nitratos a amoníaco se verifica según la reacción (152): Cuanto más completa es la reducción de los nitratos, mayor es la cantidad de oxígeno liberada, con el consiguiente aumento de hidratos de carbono oxidados y energía liberada. Según Mazé (91), la reducción de los nitratos es ocasionada por el hidrógeno liberado por las bacterias anaerobias, sin que esto indique que todos los organismos que liberen nitrógeno sean capaces de reducir los nitratos. En muchas ocasiones, dos organismos pueden participar en el proceso, como ocurre en la descomp.osición de la celulosa en presencia de nitratos. Un organismo reduce los nitratos en ausencia de oxígeno atmosférico y el otro descompone la celulosa, proporcionando el primero el oxígeno y el segundo la energía necesaria para el proceso (54). En condiciones anaerobias, el azufre y los tiosulfatos pueden ser utili~ados por bacterias como fuentes de energía, empleando los nitratos como fuente de oxígeno (16). Desnitrilicaci6n. - La presencia en el suelo de bacterias capaces de reducir los nitratos a nitrógeno libre y óxido de nitrógeno; fué señalada en 1882 por Gayón y Dupetit (43). -

118-

Los ácidos orgánicos o los hidratos de carbono del medio son descompuestos por las bacterias, con formación de anhídrido carbónico e hidrógeno naciente, que es fijado por los nitratos, ocasionando su reducción: iniciándose siempre el proceso con la formación de nitritos. A partir de esta fase, el proceso no es conocido exactamente, habiéndose emitido variadas hipótesis para explicarlo. Beijerinck y Minkman (16), teniendo en cuenta que en la reducción completa de los nitratos hay siempre desprendimiento de óxidos de nitrógeno, propusieron las siguientes reacciones hipotéticas, en las que e designa la fuente de carbono: 2

KNOI

2

NIO

+C= +C=

NIO 2

NI

+ K IC03 ; + COI'

Modernamente, el proceso de reducción total de los nitratos se supone se verifica en la forma siguiente, pasando por el hipotético dioxiamonio HON HüN (67 y 73). ____ OH

:N ----:-0

+2H- ..... N

00

~O OH N

N-OH

,-,O

1I

OH N

+2H O

N _______ ·N -OH 11

N -OH

- .....

11

N

.-.-0'-

N-OH

°+

~

H:O ;

11 N

Korsakova (76), trabajando con uno de los grupos de bacterias que reducen los nitratos a nitrógeno libre, comprobó que 'deben formarse productos intermedios, toda vez que durante un período de la reacción, la suma nitrato, nitrito y nitrógeno, y' posteriormente la de nitrito y nitrógeno. no coinciden con la cantidad correspondiente al nitrato original; calculando por diferencia la cantidad del producto intermedio hipotético obtuvo la curva indicada en la figura 12. Para Blom (,19) se forma hidroxilamina como producto intermedio. -

119-

1...

,

i

,

i

i

12

¡

10

... z

.. ~

o

CD

'0

I

8

ac

...Z o

6

en

o 2:

e e& Si!

/

Nitratos

t-

- Nitritos '~ft~r\Wiáfg: eno -'-'-'- ~astrS8so

......._.....

.

4

/

\

/\

\\,' "

\ I

_---Á

--- --

2 O

O FIG. 12. -

"

40

.-.-\~

I

i

X 1\

\

.

\

,/

~

/

,\ 1\ II

.'¿

,1

\

\ /

/ //

- - -

.,

'i

I" \

\

)

¡

¡

/

II~\

o

i

i

i

•/

.. ..,

/\v

. /

/

'...

\

\

\

\

\, 50

'.

"\

..

".

60

Reducción de nitratos por la acción microbiana. (KorsakoWa)

70

80

N o todo el nitrógeno libre desprendido del suelo procede de la reducción de los nitratos, ya que en parte puede tener su origen en la descomposición de compuestos orgánicos nitrogenados, sobre todo a consecuencia de la oxidación rápida del amoníaco formado en la descomposición de estas sustancias: 4 NH. 2

NHs

°

+3 1= + 3 H,O,

6 HIO + =

6

H,O

J.

NI

+ N•.

ocasionando estos procesos sensibles pérdidas de nitrógeno durante. la formación del estiércol (87). En un principio se concedió excesiva importancia al valor de las pérdidas en nitrógeno que pudiera ocasionar en el suelo el proceso de desnitrificación, que la mayoría de las veces fué estudiado en soluciones en los laboratorios y no en el suelo, donde las condiciones del medio son, por 10 general, muy diferentes. Es sabido que en suelos extraordinariamente húmedos y en medios líquidos a los cuales no tiene fácil acceso el oxígeno atmosférico, las bacterias utilizan el oxígeno de la molécula de nitrato para sus procesos de oxidación, cosa que no ocurre en presencia de oxígeno en cantidad suficiente, que es el caso de los suelos normales, por 10 que en ellos existe poco riesgo de desnitrificación. Russell (123) incluso llega a. afirmar: «El único de los diversos procesos discutidos anteriormente que lleva consigo la pérdida de nitrógeno es la reducción a nitrógeno gaseoso o sus óxidos, y no hay clara evidencia de que esto ocurra siempre en los suelos.• Por tanto, debe deducirse que en la mayoría de los suelos el proceso de desnitrificación carece de importancia económica, salvo en suelos extraordinariamente húmedos o .poco aireados, ya que para la verificación del proceso se requiere la presencia de cantidades relativamente grandes de nitratos, materia orgánica susceptible de descomposición y condiciones anaerobias. Arrastre de nitratos por las aguas de infiltración. ~ Los nitratos pueden ser extraídos de las capas superiores del suelo por las aguas de infiltración en los climas húmedos, o por las de riego en los climas áridos, arrastrándolos a capas profundas fuera del alcance de la vegetación. No es posible precisar la cantidad de nitrógeno nítrico arrastrado 'Por las aguas de infiltración, toda vez que la disminución de este nitrógeno en el suelo, independientemente del consumido por la ve-

IH-

getación, puede obedecer también a la acción de las bacterias desnitrificantes, En Rothamsted (Inglaterra), mediante paredes de cemento, se aisló una parcela de tierra de cuatro centiáreas de extensión (123), constituyendo una especie de lisímetro que permitía recoger las aguas infiltradas a través de la tierra. Con labores ininterrumpidas se mantuvo la parcela sin vegetación desde 1870, recogiéndose todas las aguas infiltradas. en las que se determinaba la cantidad de nitratos. En 19~7, la capa superior, hasta una profundidad de 23 centímetros, había perdido la tercera parte del nitrógeno nítrico que contenía en 1870, al empezar la experiencia. En los cuarenta y siete años transcurridos, la suma de nitratos encontrados en las aguas. de infiltración era, aproximadamente, igual a las pérdidas sufridas por el suelo. Aun cuando la experiencia no puede considerarse como rigurosamente exacta, sin embargo, demuestra claramente que la principal pérdida de nitratos en el suelo, independientemente de los consumidos por los vegetales superiores, es debida a su arrastre por las aguas de infiltración. 5. Tl!.ANSFoRMACIONES DE LAS SUSTANCIAS MINERALES. - Varios elementos minerales utilizados por los vegetales para su nutrición experimentan, directa o indirectamente,la acción de los microorganismos del suelo; entre ellos se encuentran el fósforo, el azufre, el potasio, el calcio, el magnesio, el hierro, el sodio y el manganeso, pudiendo agregarse a ellos, a estos efectos, el cloro, el aluminio, el cinc y el silicio. Los fosfatos, sulfatos y las sales de potasio, calcio y magnesio (yen menor proporción las sales de hierro) son los compuestos más importantes en el, metabolismo de todos los microorganismos, que toman grandes cantidades de ellos de la solución del suelo, para utilizarlos en la síntesis de su protoplasma. Este proceso constante de síntesis, unido al de descomposición de la materia orgánica, ocasiona la variación constante de la cantidad de elementos minerales del suelo, en forma asimilable. No son solamente los elementos minerales que forman los suelos normales los que están sujetos a la acción de los microorganismos, sino que las rocas también pueden ser disgregadas por varios microorganismos. Las algas, principalmente las cianoficeas, ejercen una acción corrosiva sobre las rocas (121) y las diatomáceas transforman los silicatos de aluminio en óxidos de aluminio hidratados (134). Las bacterias autótrofas obtienen su carbono del anhídrido carbónico de. la atmósfera y su energía de las sustancias inorgánicas del suelo, -

I:l2 -

;~'I

c.li:ry l ,;.;

,""

4.

,.\



ejerciendo una acción disolvente sobre las rocas los varios lCic!5;. ., ' , . orgánicos e inorgánicos, formados por estos organismos. Ci#s ba. 1937· HocQc¡;ns (M.). - Conept. Rettd. A cad. Sci. 191: 1363-1365. 1930. VAN ITERSON (G.). - .Die Zersetzung von CeUulose durch aérobe Mikroorganiamen•. - Centrbl, Bakt. 11. 11: 689-698. 1904. IVANOV (D. V.). - Ztsckr, pkysiol. Chem, 170: 274-288. 1927. JOHNSEN (B.) y LEE (H. N.l. - Pulp and Paper Mag. 21: 111. 1