Bacterias en los suelos

 En esta entrada quiero comenzar la introducción a este fascinante mundo de las bacterias y su papel en los procesos que se desarrollan en el suelo. En próximas entradas relataré también el papel de ciertos hongos en los procesos nutritivos y estructurales del suelo.

Para comenzar, los microorganismos del suelo están directamente relacionados con el reciclaje de nutrientes, especialmente carbono, nitrógeno, fósforo y azufre. Las bacterias son una clase importante de microorganismos que mantienen los suelos sanos y productivos. 

 Aunque las bacterias pueden ser pequeñas, constituyen tanto el mayor número como la mayor biomasa (peso) de cualquier microorganismo del suelo.

Figura 1: Primer plano de un ciliado (protozoo) con varias bacterias al fondo.

El tamaño de las bacterias es similar al de las partículas de arcilla (< 0,2 µm) y limo del suelo (2-50 µm). 

Crecen y viven en finas películas de agua alrededor de las partículas del suelo y cerca de las raíces en una zona denominada rizosfera. 

Sus habilidades les permiten crecer y adaptarse más rápidamente a las condiciones ambientales que los microorganismos más grandes y complejos, como los hongos.   

Las bacterias toman los momentos óptimos de disponibilidad de alimento y agua para reproducirse de manera muy rápida, una población de bacterias puede duplicarse fácilmente en 15-30 minutos. Unas poblaciones microbianas florecientes aumentan con el tiempo la productividad del suelo y el rendimiento de los cultivos. 

Con este breve resumen pasamos a clasificar las bacterias que más interesan en el tema de esta entrada.

Clasificación

Cuando los científicos empezaron a clasificar las bacterias, se fijaron en su forma básica. Las bacterias suelen tener tres formas principales: bastón, esfera o espiral. Los actinomicetos siguen clasificándose como bacterias, pero son similares a los hongos, salvo por su menor tamaño.

Los niveles de oxígeno del suelo suelen determinar la actividad de las bacterias del suelo (Dick, W., 2009). La mayoría de las bacterias del suelo los prefieren bien oxigenados, se denominan bacterias aerobias y utilizan el oxígeno para descomponer la mayoría de los compuestos de carbono. Algunos ejemplos de bacterias aerobias son el género Aerobacter, que está ampliamente distribuido en el suelo, y las bacterias Actinomicetes del género Streptomyces, que dan al suelo su buen olor a «tierra» (Lowenfels & Lewis, 2006).

Figura 2: Aerobacter

Figura 3: Actinomycetes

Las bacterias anaerobias prefieren y algunas requieren un entorno sin oxígeno. Las bacterias anaerobias suelen encontrarse en suelos compactados, en el interior de las partículas del suelo (micrositios) y en suelos hídricos donde el oxígeno es limitado. Muchas bacterias patógenas prefieren las condiciones anaeróbicas del suelo y se sabe que superan o matan a las bacterias aeróbicas del suelo. Muchas bacterias anaerobias se encuentran en los intestinos de los animales y se asocian con el estiércol y los malos olores (Lowenfels y Lewis, 2006). 

Cuando se utiliza un agente colorante en el laboratorio, las bacterias pueden clasificarse como "gramnegativas" o "grampositivas". El agente colorante se adhiere a las paredes celulares de la bacteria. Las bacterias gramnegativas suelen ser las más pequeñas y son sensibles a la sequía y al estrés hídrico. Las bacterias grampositivas son mucho más grandes, tienen paredes celulares más gruesas, cargas negativas en la superficie exterior de la pared celular y tienden a resistir el estrés hídrico (Dick, R., 2009).

Figura 4: Diferenciación de las bacterias mediante tinción de Gram.

Otra forma de clasificar las bacterias es por su crecimiento y reproducción. Las bacterias autótrofas (también llamadas autótrofas) procesan el dióxido de carbono para obtener su carbono. Algunas bacterias autótrofas utilizan directamente la luz solar y el dióxido de carbono para producir azúcares, mientras que otras dependen de otras reacciones químicas para obtener energía. Las algas y las cianobacterias son algunos ejemplos de bacterias autótrofas. Las bacterias heterótrofas obtienen sus carbohidratos y/o azúcares de su entorno o del organismo vivo o célula que habitan. Algunos ejemplos son las bacterias Arthrobacter implicadas en la nitrificación del nitrógeno (Sylvia et al., 2005). 

Figura 5: Proceso de tinción de Gram.

Las bacterias en el suelo

Entre las funciones de las bacterias en el suelo se encuentran la mejora de la estructura y la agregación del suelo, el reciclado de los nutrientes y del agua. Forman microagregados en el suelo uniendo las partículas de éste con sus secreciones. Estos microagregados son los bloques de construcción que mejoran la estructura del suelo. Esta mejora aumenta la infiltración de agua y la capacidad de retención de ésta (Ingham, 2009). 

Las bacterias desempeñan importantes funciones en el suelo, descomponiendo los residuos orgánicos a partir de enzimas liberadas en el suelo.

Los cuatro principales grupos funcionales de bacterias del suelo son: descomponedores, mutualistas, patógenos y litótrofos.

Los descomponedores consumen compuestos de carbono y azúcares simples fáciles de digerir y retienen nutrientes solubles como el nitrógeno en sus membranas celulares.

Las bacterias tienen un mayor contenido de nitrógeno (N) (10-30 por ciento de nitrógeno, relación C:N de 3 a 10) que la mayoría de los microbios.

Existen, basándonos en lo que se conoce hasta ahora, 3 grupos de bacterias que fijan el nitrógeno sin un huésped vegetal y viven libremente en el suelo: Azotobacter, Azospirillum y Clostridium. 

Las especies de bacterias Rhizobium (bacterias gramnegativas en forma de bastoncillos) se asocian con una planta huésped: leguminosa (alfalfa, soja) o trébol (rojo, dulce, blanco, carmesí) para formar nódulos nitrogenados que fijan el nitrógeno para el crecimiento de la planta. 

La planta suministra el carbono al Rhizobium en forma de azúcares simples, mientras que éstas toman el nitrógeno de la atmósfera y lo convierten en una forma que la planta pueda utilizar. 

Para uso de la planta, el nitrógeno atmosférico (N2) o nitrógeno reactivo se combina con oxígeno para formar nitrato (NO3-) o nitrito (NO2-) o se combina con hidrógeno para producir amoníaco (NH3+) o amonio (NH4+) que son utilizados por las células vegetales para producir aminoácidos y proteínas (Lowenfels & Lewis, 2006). 

Figura 6: Las bacterias Rhizobium fijadoras de nitrógeno forman nódulos en una raíz de soja. 

La fijación del nitrógeno se produce porque estas bacterias específicas producen la enzima nitrogenasa.

En general, la mayoría de las bacterias del suelo se desarrollan mejor en suelos con pH neutro y bien oxigenados. Las bacterias aportan grandes cantidades de nitrógeno a las plantas y el nitrógeno suele escasear en el suelo. Muchas bacterias segregan enzimas en el suelo para que el fósforo sea más soluble y esté disponible para las plantas.

En este punto termina la entrada, seguramente retome este tema ya que lo considero muy interesante y amplio.

Por hoy, termino con esta introducción.

Espero que hayáis disfrutado la entrada y os deseo un feliz día.

¡Hasta la próxima! 👾👀

Aclaraciones

Bacterias Gram-positivas y Gram-negativas: a tinción de Gram se basa en las diferencias estructurales y químicas de las paredes celulares de las bacterias Gram-positivas y Gram-negativas.

Gram-positivas:

• Capa Gruesa de Peptidoglicano: Las bacterias Gram-positivas tienen una pared celular con una capa gruesa de peptidoglicano. Durante la tinción de Gram, el cristal violeta penetra en la célula y forma un complejo con el yodo que se añade después. Este complejo es grande y se queda atrapado en la gruesa capa de peptidoglicano, reteniendo el color violeta.
• Fijación del Complejo Cristal Violeta-Yodo: Al añadir alcohol o acetona, este complejo es difícil de remover debido a la estructura densa y rígida de la capa de peptidoglicano, permitiendo que las bacterias retengan el tinte violeta.

Gram-negativas:

• Capa Delgada de Peptidoglicano y Membrana Externa: Las bacterias Gram-negativas tienen una capa mucho más delgada de peptidoglicano y una membrana externa adicional. El complejo cristal violeta-yodo también se forma en estas bacterias, pero debido a la delgada capa de peptidoglicano, este complejo no se retiene fuertemente.
• Lavado con Alcohol: El tratamiento con alcohol o acetona descompone la membrana externa y permite que el complejo cristal violeta-yodo escape de la célula. Como resultado, las bacterias se decoloran y no retienen el tinte violeta.
• Tinción de Contraste: Para visualizar las bacterias Gram-negativas, se usa un tinte de contraste, típicamente safranina, que tiñe las células de rosa o rojo.

El ciclo del nitrógeno en el suelo:

1. Fijación del Nitrógeno

Bacterias involucradas: Rhizobium, Azotobacter, y Clostridium.

• Proceso: El nitrógeno atmosférico (N₂), que es inerte y no utilizable directamente por la mayoría de los organismos, es convertido en amoníaco (NH₃) por las bacterias fijadoras de nitrógeno.
• Simbiosis: En el caso de Rhizobium, estas bacterias viven en simbiosis con las raíces de las leguminosas, formando nódulos donde se lleva a cabo la fijación del nitrógeno.

2. Amonificación (Mineralización)

Bacterias involucradas: Bacillus, Pseudomonas, y Clostridium.

• Proceso: Los desechos orgánicos y restos de plantas y animales son descompuestos por bacterias y otros microorganismos en el suelo, liberando amoníaco (NH₃) o amonio (NH₄⁺). Este proceso se conoce como amonificación.

3. Nitrificación

Bacterias involucradas: Nitrosomonas y Nitrobacter.

• Proceso: La amoníaco o amonio producido en la amonificación es oxidado a nitrito (NO₂⁻) por las bacterias Nitrosomonas. Luego, las bacterias Nitrobacter convierten el nitrito en nitrato (NO₃⁻), que es una forma de nitrógeno que las plantas pueden absorber y utilizar.
• Etapas:
1. Nitrosomonas: NH4+​ +1.5O2​→NO2−​ +2H+ +H2​O
2. Nitrobacter: NO2− +0.5O2→NO3−NO₂⁻ + 0.5 O₂ → NO₃⁻NO2−​+0.5O2​→NO3−​

4. Asimilación

• Proceso: Las plantas absorben el nitrato (NO₃⁻) del suelo y lo utilizan para sintetizar proteínas, ácidos nucleicos y otras moléculas esenciales.

5. Desnitrificación

Bacterias involucradas: Pseudomonas y Clostridium denitrificans.

• Proceso: En condiciones anaeróbicas (falta de oxígeno), algunas bacterias convierten el nitrato (NO₃⁻) nuevamente en gas nitrógeno (N₂) o en óxido nitroso (N₂O), que son liberados a la atmósfera, completando así el ciclo del nitrógeno.
• Reacción típica: NO3−​→NO2−​→NO→N2​O→N2

​Enzimas involucradas:

1. Fijación del Nitrógeno

• Nitrogenasa: Esta enzima es crucial para la fijación biológica del nitrógeno. Se encuentra en bacterias como Rhizobium y Azotobacter.
• Reacción: N2​+8H++8e−+16ATP→2NH3​+H2​+16ADP+16Pi
• Componentes: La nitrogenasa está compuesta por dos proteínas: la dinitrogenasa reductasa y la dinitrogenasa.

2. Amonificación

• Desaminasas y deshidrogenasas: Estas enzimas catalizan la descomposición de materia orgánica en amoníaco.
• Ejemplo: La glutamato deshidrogenasa convierte glutamato en alfa-cetoglutarato y libera amoníaco.

3. Nitrificación

• Amonio monooxigenasa (AMO): Presente en Nitrosomonas, convierte amoníaco (NH₃) en hidroxilamina (NH₂OH).
• Reacción: NH3​+O2​+2H++2e−→NH2​OH+H2​O
• Hidroxilamina oxidoreductasa (HAO): También en Nitrosomonas, convierte hidroxilamina en nitrito (NO₂⁻).
• Reacción: NH2​OH+H2​O→NO2−​+5H++4e−
• Nitrito oxidoreductasa (NXR): Presente en Nitrobacter, convierte nitrito en nitrato.
• Reacción: NO2−​+H2​O→NO3−​+2H++2e−

4. Desnitrificación

• Nitrato reductasa (NAR): Reduce nitrato a nitrito.
• Reacción: NO3−​+2e−+2H+→NO2−​+H2​O
• Nitrito reductasa (NIR): Reduce nitrito a óxido nítrico (NO).
• Reacción: NO2−​+e−+2H+→NO+H2​O
• Óxido nítrico reductasa (NOR): Reduce óxido nítrico a óxido nitroso (N₂O).
• Reacción: 2NO+2e−+2H+→N2​O+H2​O
• Óxido nitroso reductasa (NOS): Reduce óxido nitroso a nitrógeno gas (N₂).
• Reacción: N2​O+2e−+2H+→N2​+H2​O

Ciclo del fósforo en el suelo:

El fósforo es otro nutriente esencial para las plantas, y su disponibilidad en el suelo depende de diversos procesos biológicos y químicos.

1. Liberación de fósforo inorgánico

• Fosfatasas: Enzimas que liberan fosfato inorgánico de compuestos orgánicos.
• Ejemplo: La fosfatasa ácida y la fosfatasa alcalina actúan en diferentes pH del suelo para mineralizar fósforo orgánico.

Fosfatasa Ácida y Alcalina:

• Reacción:
  • Fosfatasa Ácida: $\text{R-PO}_4^{2-} + H_2O \xrightarrow{\text{Fosfatasa ácida}} \text{R-OH} + \text{H}_3\text{PO}_4$
  • Fosfatasa Alcalina: ${\text{R-PO}}_4^{2-}+H_{2}O\stackrel{\text{Fosfatasa alcalina}}{\to }\text{R-OH}+{\text{H}}_3{\text{PO}}_4$

​Descripción: Estas enzimas catalizan la liberación de fosfato inorgánico de compuestos orgánicos a diferentes pH del suelo.

2. Solubilización del fósforo

• Bacterias solubilizadoras de fósforo (PSB): Estas bacterias producen ácidos orgánicos (como ácido cítrico y ácido láctico) que disuelven el fósforo inorgánico insoluble.
• Ejemplo: Bacterias del género Pseudomonas y Bacillus.

• Ácido Cítrico: $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2 + 3\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7 \rightarrow 2\text{H}_3\text{PO}_4 + 3\text{Ca}(\text{C}_6\text{H}_7\text{O}_7)_2$
• 
  
​
• Ácido Láctico: $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2 + 3\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3 \rightarrow 2\text{H}_3\text{PO}_4 + 3\text{Ca}(\text{C}_3\text{H}_5\text{O}_3)_2$

Descripción: Bacterias como Pseudomonas y Bacillus producen ácidos orgánicos que solubilizan el fósforo inorgánico insoluble.

3. Movilización del fósforo

• Micorrizas: Las asociaciones simbióticas entre hongos y raíces de plantas ayudan a movilizar el fósforo.
• Enzimas: Las fosfatasas y las fitasas producidas por micorrizas descomponen compuestos orgánicos de fósforo, haciéndolos disponibles para las plantas.

Fosfatasa y Fitasa:

• Reacción (Fosfatasa): $\text{R-PO}_4^{2-} + H_2O \xrightarrow{\text{Fosfatasa}} \text{R-OH} + \text{H}_3\text{PO}_4$
• Reacción (Fitasa): $\text{C}_6\text{H}_{18}\text{O}_{24}\text{P}_6 + 6\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Fitasa}} 6\text{H}_3\text{PO}_4 + \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$

Bibliografía

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