Microbiologia del suelo
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María Cecilia Arango Jaramillo
MicrobiologMicrobiología del sueloía del suelo
María Cecilia Arango Jaramillo
El suelo:El suelo:
Un biotopo,
prácticamente
ignorado
María Cecilia Arango Jaramillo
EL SUELO
Es el principal medio en el que crecen las plantas.
Es el soporte físico que continuamente les proporciona:– Los nutrientes inorgánicos– El agua– El entorno gaseoso adecuado para
los sistemas radicales.
María Cecilia Arango Jaramillo
Los nutrientes inorgánicos que utilizan las plantas provienen de la atmósfera y de la meteorización de las meteorización de las rocas de la corteza terrestrerocas de la corteza terrestre.
María Cecilia Arango Jaramillo
Meteorización de la corteza terrestreMeteorización de la corteza terrestre
Los minerales son compuestos inorgánicos que normalmente están formados por dos o más elementos en proporciones de peso determinadas
Ejemplo:
– El cuarzo( SiO2 )
– La calcita (CaCO3).
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Las rocas se dividen en tres grupos según su origen y formación:
– Ígneas
• Granito, basalto, cuarzo, feldespato
– Sedimentarias
• esquistos, areniscas, piedra caliza
– Metamórficas
• Areniscascuarcita,
• Esquisto pizarra
• Piedra caliza mármol
María Cecilia Arango Jaramillo
María Cecilia Arango Jaramillo
Procesos de meteorización
desintegración física y descomposición química de los minerales y las rocas
superficiales
producen los materiales inorgánicos que formarán los suelos
María Cecilia Arango Jaramillo
Los suelos tienen diferente origen y composición
Por lo tanto la microfauna asociada a ellos también
María Cecilia Arango Jaramillo
La meteorización implica procesos:
Mecánicos
– congelamiento y descongelación
– calentamiento y enfriamiento,
Químicos
– El agua se introduce entre las partículas, y los materiales solubles se disuelven en ella.
Biológicos
– CO2 de la respiración y otras sustancias descomponen las rocas
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Meteorización mecánica
El agua y el viento transportan fragmentos de roca a grandes distancias desgaste que las fracciona en partículas más pequeñas
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Meteorización químia (corrosión)
Disuelven materiales menos solublesH2O + NO2 (NO3)
H2O + SO2 Ácidos
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Meteorización orgánica-biológica
Los ácidos producidos por plantas y las bacterias pueden afectar las rocas.
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La formación del suelo puede ocurrir en:
El mismo sitio donde la roca es meteorizada
Pueden ser transportados a otros sitios por :
– La gravedad
– El viento
– El agua
– Los glaciares.
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Materia orgánica del suelo
Origen de la materia orgánica del suelo:
– Bacterias, hongos, algas, líquenes, musgos y plantas que crecen sobre o entre los minerales y las rocas erosionadas
– Plantas y animales muertos
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Contribuyen a la formación de
materia orgánica
la convierten en ácido carbónico o ácidos
orgánicos
disuelven rocas.
Controlan la disponibilidad de muchos nutrientes importantes para las plantas
Los microbios en el Los microbios en el
suelosuelo
María Cecilia Arango Jaramillo
La actividad microbiana es limitada por el agua (sequía,humedad ) y estado de los nutrientes
La actividad microbiana es clave en la productividad de los suelos.
María Cecilia Arango Jaramillo
Los microbios pueden existir varios cientos de metros por debajo de la superficie de la Tierra
Los mecanismos de sobrevivencia aún no se conocen
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Sección vertical del suelo:
– Variaciones en el color
– Cantidad de materia orgánica viva o muerta (incluye microorganismos)
– Porosidad
– Estructura
– Grado de meteorización.
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Horizontes del suelo
Horizonte A
Horizonte B
Horizonte C
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Horizonte A:
Capa superior del suelo
La región más superficial y de mayor actividad física química y biológica.
Contiene la mayor parte del material orgánico del suelo, vivo o muerto:– Grandes cantidades
de partes de plantas y hojas muertas
– Insectos y otros artrópodos pequeños
– Lombrices de tierra– Organismos
descomponedores– Nemátodos
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Suelo: Horizonte A
Rocas, silicatos
Desechos orgánicos
O2, NH3, CH4, H2S
Lluvia•Inorgánicos granulados
•Residuos orgánicos, humus
•Agua (inundado, mojado)
•Gases (disueltos y difusos)
•Sistemas biológicos (raíces, insectos, microobios)
O2, N2, CO2
Capa de agua
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En un gramo de suelo del horizante A pueden haber:
2500 millones de bacterias
+
medio millón de hongos
+
50 000 algas
+
30 000 protozoos
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Horizonte B:
Región de acumulación
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El horizonte B:
Contiene mucho menos material orgánico y está menos meteorizado que el horizonte superior.
Hay pocos microorganismos
Algunos materiales del horizonte A, llegan al B por filtración del agua a través del suelo:– Óxido de hierro– Partículas arcillosas– Pequeñas cantidades
de material orgánico
María Cecilia Arango Jaramillo
Horizonte C:
Compuesto por rocas y Compuesto por rocas y minerales fragmentados y minerales fragmentados y meteorizados de los cuales se ha meteorizados de los cuales se ha formado el suelo verdadero de formado el suelo verdadero de los horizontes superiores.los horizontes superiores.
Los microorganismos son Los microorganismos son escasos.escasos.
María Cecilia Arango Jaramillo
Composición del suelo
Los suelos están formados de materia sólida y espacio poroso
El espacio poroso es ocupado por diferentes proporciones de aire y agua, dependiendo de las condiciones de humedad.
Arcilla
Materia orgánica
Película de Agua
BacteriasHifa
Arena
Poro
CO2,H2S, CH4
O2
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Los fragmentos de roca y minerales en el suelo varían en tamaño:
Partícula Diámetro
en micrómetros
Arena gruesa >200 - 2000
Arena fina >20 - 200
Limo 2 - 20
Arcilla <2
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Los suelos están divididos según su textura:
Arenoso arcillosos: 35% o más de arcilla y 45% o más de arena
Limo-arcillosos: 40% de arcilla y 40% o más de limo
Margosos o francos: contienen igual proporción de arena, limo y arcilla. Ideales para la agricultura.
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La textura del suelo influye en las comunidades de microorganismos porque de ella depende la aireación y la disponibilidad de agua
María Cecilia Arango Jaramillo
Intercambio de catiónico
Los nutrientes inorgánicos para microorganismos y plantas están presentes en la solución del suelo como iones.
Arcilla -
Na+
Na+
Na+
H+
Ca+
+
Ca+
+
K+
K+Na+
Cl-
Cl-
NO3-
SO4-2
HCO3-
OH-
OH-
OH-
SO4-2
HCO3-
NO3-
HCO3-
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Intercambio catiónico:
Los cationes apresados por las partículas de arcilla pueden:– Ser reemplazados por
otros cationes– Ser liberados a la
solución del suelo para ser tomados por plantas y microorganismos.
Partículas de arcilla: componentes esenciales de los suelos productivos.
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Los aniones (NO3-,
SO4-2, HCO3
-, y OH-) son lixiviados del suelo más rápidamente que los cationes ya que no pueden fijarse a las partículas de arcilla.
El fosfato, no puede ser arrastrado, ya que:– Forma precipitados
insolubles
– Es absorbidoabsorbido o adsorbidoadsorbidoen la superficie de compuestos que contienen hierro, aluminio y calcio.
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La acidez o basicidad del suelo está relacionada con la disponibilidad de disponibilidad de nutrientesnutrientes inorgánicos para el crecimiento de plantas y microbios.
Los suelos varían mucho en su pH, y muchos microorganismos tienen un estrecho margen de tolerancia.
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La gente desconoce que cuando tiene un gramo de tierra en el hueco de la mano, tiene entre un millón y mil millones de seres vivos en esa mano.
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Una muestra de suelo contiene:
Insectos ápteros Arácnidos Sobretodo
filamentos de hongos y de bacterias.
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La cuenta de gérmenes por suspensión- dilución muestra más de un millón de gérmenes por gramo de tierra arable
La riqueza de especies y la complejidad de la delgada capa cultivable condicionan la vida sobre la tierra, del mismo modo que la fotosíntesis.
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Ciclo de la materia orgánica CO2
Fotosíntesis
Caída de ramas, hojas, frutos..
Mineralización
Humificación
Microorganismos del suelo
Microfauna del suelo
Restos vegetales desaparecen bajo
la acción de la microfauna y la microflora del
suelo
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Amontonamiento de acículas de varios centímetros.
CO2 Fotosíntes
is
Caída de ramas, hojas, frutos..
Mineralización
Humificación
Descomponedores casi ausentes: hongos y bacterias
Microfauna del suelo
Acumulación
Acidez frena actividad microbiana
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Papel de la microfauna del suelo:
Disgregación de la materia orgánica Diseminación de la microflora
http://www.aecientificos.es/ElSuelo.html
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Aumentar las
superficies de ataque para los
microbios.
Diseminación activa con las heces de la microflora intestinal
Dis
gre
gaci
ón
de la m
ate
ria o
rgán
ica
Rein
corp
ora
ción
de m
icro
org
an
ism
os
al
suelo
Reutilización por otros
organimos
Heces
Invasión por los
microbios del suelo
ELECCIÓN TRÓFICA: Régimen
alimentario microfauna
Seleccionan los alimentos
para los microbios
Multiplicación de la
microflora de las heces
Diseminación pasiva
Transporte accidental en la superficie del
cuerpo
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Plantas y microflora: organismos complementarios, en la mineralización de la materia orgánica
Los residuos orgánicos no consumidos van a ser degradados por la microflora. Son los hongos, en primer lugar, los que van a atacar a la materia orgánica fresca, y en el siguiente orden
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Mineralización de la materia orgánicaDescomposición de hojas (Sucesión)
Tiempo (las fases pueden ser simultáneas)
Hongos: glucófilos
utilización de las
sustancias hidrosolubles
Hongos celulolíticos: metabolismo de la celulosa
Hongos lignolíticos : degradación de la lignina
Bacterias: transforman residuos fúngicos y productos no consumidos por las hifas.
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Plantas y microorganismos son complementarios: unos fabrica materias carbonadas, otros libera minerales
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CO2
H2O
Material mineral no utilizado por
los microorganismo
s
CAPA VEGETAL DEL SUELO
Materia inorgánica
Materia orgánica
Raíces de las plantas
Hojas de las plantas
Fotosíntesis
Microorganismos
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Protección de los microorganismos ante desequilibrios ambientales
Cuando se añade materia orgánica a los suelos agrícolas, las bacterias consumen todo el carbono disponible.
Consecuencia: rarefacción, e incluso desaparición, de los microorganismos.
Para estos casos, la naturaleza ha creado sistemas de protección para que los microorganismos sobrevivan
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Estructuras de protección de los hongos
Clamidospora: célula latente, con pared gruesa y cuyo contenido es rico en reservas
Esclerote: esfera cuyo envoltorio externo está constituido de hifas muertas de pared gruesa, y el centro de filamentos vivos ricos en reservas, en estado latente.
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Estructuras de protección delas bacterias
Las (Gram+) forman endosporas.
Susceptibles de sobrevivir muchos años en condiciones desfavorables.
Las Gram- están desprovistas de mecanismos de resistencia
Forman agregados biológicos cuando las condiciones son desfavorables
La actividad celular y las divisiones, se hacen más lentas.
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Numerosos procariotas para protegerse exudan en su superficie polisacáridos que se adhieren a láminas de arcilla.
Son estructuras que permiten la supervivencia de las bacterias
Se forman cuando las condiciones ambientales llegan a ser desfavorables
Desaparecen cuando las condiciones pedológicas vuelven a ser adecuadas
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Estas formaciones tienen un diámetro que varía de 10 a 1000 mm y pueden contener varios miles de gérmenes.
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La superficie de bacterias y arcillas tienen cargas eléctricas negativas, mientras que los azúcares son neutros, tienen por tanto un papel aislante.
Los azúcares tienen tendencia a retener agua, evitan evaporación en períodos secos.
Constituyen reservas. En ausencia de alimentos, las bacterias toman el carbono necesario para el mantenimiento de las funciones vitales esenciales.
Los polisacáridos tienen varias funciones:
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Para los microorganismos del suelo vivir en el espacio interagregado (poros) y el agregado mismo (granos) tiene implicaciones importantes
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En el espacio interagregado las condiciones son drásticas:
La humedad y la aireación varían muy rápidamente.
Este es el microhabitat colonizado por las bacterias Gram+, que poseen la facultad de producir endosporas.
Las esporas de los hongos y las de los actinomicetos, son muy resistentes a la desecación.
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Por el contrario, el agregado mismo es recorrido sólo por finos capilares de alrededor 2 mm de diámetro, que sólo permiten una circulación lenta de aire y de agua.
Aparecerán rápidamente condiciones de anaerobiosis.
En este medio tan estable viven o sobreviven las bacterias Gram-.
Aunque sensibles a las modificaciones ambientales, permanecen vivas en suelos secos durante más de un año gracias a la protección de los agregados
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La composición química y física de los agregados es variable.
El suelo es un medio muy heterogéneo
Está constituido de un mosaico de microhabitats cuya composición biológica varía cualitativa y cuantitativamente en función del tiempo, y de la fuente trófica disponible.
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Los microorganismos que colonizan estos microhabitats difieren igualmente tanto por su morfología, como por sus requerimientos ecologicos.
Unos agregados pueden formarse alrededor de citina, desarrrollándose en su seno los llamados citinolíticos.
Otros encerrarán residuos de lignina permitiendo el crecimiento de los ligninolíticos.
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IInfluencia del ambiente nfluencia del ambiente del suelo en las del suelo en las poblaciones de poblaciones de
microorganismosmicroorganismos
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Aunque los microorganismos son ubicuos, en pocas situaciones existen poblaciones iguales.
Nunca se dan condiciones ambientales idénticas:
Las que favorecen la reproducción de un microorganismo, o permiten la sobrevivencia de otro, pueden ser desfavorables para la existencia continuada de un tercero.
María Cecilia Arango JaramilloEstas diferencias se reflejan en la
microflora
Los suelos cultivados y de jardín tienen abundancia de oxígeno y agua y son ricos en nutrientes aportados por las fertilizaciones
El suelo de un pinar suele ser muy ácido y su contenido en principios nutritivos es bajo
Los terrenos pantanosos están inundados, tienen poco oxígeno y contienen abundante materia orgánica en descomposición.
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Para comprender la influencia de los factores que afectan la microflora del suelo es necesario:– Conocer las condiciones
normales de crecimiento de los microorganismos
– Los efectos que las condiciones extremas ejercen sobre los distintos grupos.
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Factores que afectan en mayor grado a las
poblaciones de microorganismos
DISPONIBILIDAD DE OXÍGENO, AGUA Y
SUSTANCIAS NUTRITIVAS
TÉCNICAS DE MANEJO DEL
SUELO
pH DEL SUELOAcidez-
Alcalinidad
TEMPERATURA
POBLACIONES DE MICROORGANISMOS
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Consideremos estos factores
separadamente,
pero deberemos tener en cuenta que de
ordinario son interdependientes.
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TemperaturaTemperatura (Psicrófilos, Mesófilos y
Termófilos).
TEMPERATURA DE CRECIMIENTO DE LOSMICROORGANISMOS
Tipo demicro-
organismo
Temperaturaóptima
Temperaturas límite
Ejemplo demicroorganismo
Psicrófilas Alrededor20o C
5a30o C Achromobacter
Mesófilas 25 a 37o C 5 a 45o C Staphylococcus ,Mayoría de loshongos.
Termófilas Superior a45o C
40 a 80o C Desulfovibrio,Thermoactinomyces, Algunas algasverdes azules
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Fermentación del estiércol: La temperatura puede elevarse
hasta 65 o C, destruyendo todos los microorganismos, excepto a los termófilos, como el Bacillus calfactor , Thermoactinomyces spp y los hongos termófilos.
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En suelos del piso térmico tropical y premontano son más frecuentes: Fusarium, Aspergillus y Rhizopus
Penicillium crece mejor en suelos más fríos.
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REQUERIMIENTOS REQUERIMIENTOS NUTRITIVOSNUTRITIVOS
Utilización de energía lumínica Oxidación quimioautotrófica de
materias inorgánicas Respiración heterótrofa de
materia orgánica Fermentación de materia
orgánica
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Existe competencia entre los microorganismos por utilización de los nutrientes orgánicos e inorgánicos.
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En el suelo la materia orgánica fácilmente utilizable por los microorganismos es ordinariamente reducida, lo que limita su velocidad de multiplicación.
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Al añadir al suelo materiales frescos, estiércol o desechos vegetales
el número de microorganismos
aumenta rápidamente
los nutrientes se agotan
población de microorganismos vuelva nivel anterior.
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Como un microorganismo determinado no puede
utilizar igualmente todos los substratos
su incidencia y proporción
varían de acuerdo con las situaciones
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Opionibacterium actúa como barrendero de medios nutritivos parcialmente degradados por microorganismos.
En el rumen utiliza ácido láctico y glucosa producidos por las bacterias celulíticas y las del ácido láctico.
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Lactobacillus compite eficazmente cuando existen carbohidratos simples pero es incapaz de metabolizar sustancias como lignina.
Crece bien en la leche y en el rumen pero no en el suelo.
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Otros microorganismos degradan lignina y
celulosa
sobrevivien en el suelo
y en el manto en descomposición de
los bosques
Pero no en leche, donde compiten con microorganismos como Bacillus y Lactobacillus
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En una población mixta solo unos pocos microorganismos son capaces de metabolizar una sustancia determinada, como insecticidas y herbicidas, estos microbios se ven libres de competencia.
María Cecilia Arango Jaramillo
Los autótrofos no compiten por nutrientes orgánicos con otros microorganismos.
Sólo compiten por luz.
Desarrollo de Nitrosomonas y Nitrosobacter es limitado por compuestos nitrogenados apropiados.
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OXÍGENOOXÍGENO
Los requerimientos de oxígeno de los microorganismos varían:
Aerobios Anaerobios Microanaerobios Anaerobios
facultativos
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El oxígeno determina el desarrollo de poblaciones de microorganismos en detrimento de otras.
María Cecilia Arango Jaramillo
En el ensilado, los forrajes son comprimidos y recubiertos para:– Establecer condiciones de
anaerobiosis con el fin de promover el crecimiento de microorganismos anaerobios útiles o microaerófilos como Lactobacillus
– Mientras se impide el desarrollo de los que tienden a descomponer el forraje (pudrición).
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El oxígeno es esencial para muchos microorganismos fijadores de nitrógeno.
En suelos poco aireados hay competencia por el uso del oxígeno disponible y ello puede llevar a un descenso en la proporción de microorganismos aerobios
En consecuencia disminuye la fijación de nitrógeno y también de la velocidad de degradación de la materia orgánica.
María Cecilia Arango Jaramillo
El nivel de aporte de oxígeno también determina la forma de metabolización de los nutrientes.
Los anaerobios facultativos metabolizan los polisacáridos aerobicamente en presencia de oxígeno, descomponiendolos hasta dióxido de carbono y agua con alta liberación de energía.
Cuando no hay oxígeno lo hacen anaerobicamente, mediante el proceso de fermentación, en el cual la degradación sólo es parcial y con poca liberación de energía.
María Cecilia Arango Jaramillo
pH
El pH óptimo para la mayoría de las bacterias, algas y protozoos está alrededor de 7.
Con pocas excepciones estos microorganismos no crecen por debajo de un pH de 4 o por encima de un pH 9.
María Cecilia Arango Jaramillo
Los actinomicetos y las algas son sensibles a los ácidos y su pH óptimo está entre 7.5 y 8.
Thiobacillus, Acetobacter y la bacteria fijadora de nitrógeno Beijerinckia, son capaces de crecer y multiplicarse a pH entre 2.5 y 3.5.
María Cecilia Arango Jaramillo
El pH óptimo para las levaduras y los hongos varía entre 3.1 y 6.0, mientras sus pH extremos de crecimiento son 1.6 y 9.5.
Ños hongos son resistentes a los ácidos
Algunas especies de hongos crecen a pH entre 1.6 y 2.0
María Cecilia Arango Jaramillo
En suelos con pH mayores a 7 predominan las bacterias, en especial los actinomicetos, y en menor proporción los hongos. micorrizas.
María Cecilia Arango Jaramillo
El efecto del pH afecta el desarrollo de los microorganismos:
Cuando el pH baja:Declina el número de bacteriasMientras sube el de levaduras, hongos y
bacterias resistentes a la acidez. A pH extremadamente bajos la
proporción de bacterias puede disminuir hasta el 60%.
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La acidez del suelo influencia las bacterias de los nódulos de la raíz de las leguminosas
En suelos ácidos suele envolverse la semilla en una capa de cal, que neutraliza la acidez circundante, promueve la multiplicación de Rhizobium y permite buena nodulación de la leguminosa huésped.
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AGUA
Todos los microorganismos necesitan agua, aunque sus requerimientos varían.
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Las formas vegetativas de las bacterias son menos resistentes a la desecación que los hongos o los actinomicetos.
Las endosporas termoestables producidas por las bacterias, como Bacillus y Clostridium, son resistentes a la desecación.
María Cecilia Arango Jaramillo
Las bacterias esporuladas, los actinomicetos y los hongos son los contaminantes más frecuentes del aire porque son resistentes a la desecación.
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En los materiales de potencial osmótico alto el agua es poco asequible a los microorganismos.
Los suelos salinizados suelen tener presiones osmóticas altas que inhiben el crecimiento de la mayoría de los microorganismos y raíces, exceptuando los halófilos.
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El exceso de agua en el suelo suele causar encharcamiento y pérdida de oxígeno en los capilares del suelo lo cual hace que disminuyan los microorganismos aerobios y aumenten los anaerobios.
María Cecilia Arango Jaramillo
Técnicas de manejo del suelo
Las poblaciones de microorganismos del suelo, se pueden:
Disminuir o erradicar por perturbaciones importantes del suelo
Favorecer con prácticas adecuadas.
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FACTORES LIMITANTES DE LA MICROBIOTA DEL SUELO
Erosión y baja disponibilidad de nutrientes Fertilización mineral y correctivos Presencia de antagonistas, parásitos y
depredadores Temperatura y pH extremos Extremos en los contenidos de aire y
humedad
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Textura del suelo y concentraciones tóxicas de metales pesados
Uso de plaguicidas, especialmente los de amplio espectro. Desinfección, fumigación y esterilización del suelo
Inundaciones y malos drenajes
María Cecilia Arango Jaramillo
Aradas profundas, volteo del suelo y solarización.
Sistemas de producción y explotación del suelo (monocultivo, cultivos intesivos sin manejo adecuado, minería a cielo abierto).
María Cecilia Arango Jaramillo
PRÁCTICAS QUE FAVORECEN LA DENSIDAD Y LA ACTIVIDAD DE LOS MICROORGANISMOS
Mantenimiento de la biodiversidad dentro de los cultivos y en las fincas.
Coberturas vegetales, abonos verdes y alcolchados
Inoculación de suelos y semillas con microorganismos y eliminación de competidores.
María Cecilia Arango Jaramillo
Incorporación de compost, fracciones líquidas y sólidas de biodigestores, humos, excretas, restos de cosechas y otros residuos vegetales
Agentes naturales de control: control biológico, plaguicidas botánicos, control cultural.