Evaluación de los cambios en algunas propiedades físicas y químicas de un ultisolpor efecto del Bacillus subtilis
Evaluation of the changes in the some physical and chemical properties of an ultisol for effect of the Bacillus subtilis
Gladys Elena Acosta Olaya1 , Ramiro Ramírez Pisco2
1Ingeniero Agrónomo. Facultad de Ciencias. Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín 2 Ingeniero Agrónomo MSc., Dr. , Profesor Asociado. Escuela de Geociencias. Facultad de Ciencias. Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín. rramirez@unal.edu.co
Recibido: febrero 15 de 2010 Aprobado: octubre 27 de 2010
Resumen
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El interés en estudios de biorremediación de suelos deteriorados por sobreexplotación y uso indiscriminado de agroquímicos se debe a que alteran la microflora, el sistema de autorregulación y la sustentabilidad en el largo plazo. Un Ultisol, suelo de baja fertilidad química y sometido a reducción de tamaño de agregados (<2,0 mm), solarizado para reducir la población microbiológica, fue inoculado con la bacteria Bacillus subtilis en concentraciones de 106, 107, 108, 109 unidades formadoras de colonias (ufc). En 120 días se observó un incremento importante en magnitud de: estabilidad estructural, tamaño promedio de agregados, pH, fósforo disponible y una disminución del aluminio intercambiable. Estas variaciones en la respuesta estuvieron relacionadas con la actividad de los microorganismos en el suelo, y responden a la capacidad de solubilización de minerales por la bacteria, de producción de condiciones alcalinas y de biofilms, que unidos al aumento de biomasa de raíces de la planta, mucílagos y carbohidratos, coadyuvan en la formación de agregados estables y de mayor tamaño. Las propiedades físicas y químicas al final del experimento se estabilizaron en valores mayores a los encontrados en el suelo inicial, produciendo un efecto positivo general sobre el mismo, desde el punto de vista de la fertilidad global, al aumentar el fósforo disponible, disminuir la acidez intercambiable e incrementar la estabilidad y el tamaño promedio de agregados del suelo a corto plazo.
Palabras clave: bacteria calcificante, biofilms, tamaño de agregados.
Abstract
The interest about the studies of bioremediation in deteriorated soils under and over exploitation, indiscriminate use of agrochemicals that alter the microflora, the self regulation system and the sustainability in the long term. An Ultisol, with poor chemical properties and low fertility, because the reduction of aggregates size (< 2.0 mm). Solarize to reduce the microbiological population, it was inoculated with the bacteria Bacillus subtilis in concentrations of 106, 107, 108, 109 colony forming units (cfu). In 120 days important increment in magnitude of: structural stability, size average of aggregates, pH, available phosphorus. Also diminish the interchangeable aluminum. These variations in the answer were related with the activity of the microorganisms in the soil, and it responds so that solubilisation capacity of minerals because the bacteria activity, production of alkaline conditions and biofilms too. Furthermore the increase of plant roots biomass, mucilages and carbohydrates cooperate in the formation of stable aggregates and bigger size of them. The physical and chemical properties at the end of the experiment were stabilized in bigger values than found in the initial soil. Confirming a positive general effect overall the soil, since the point of view of the global fertility, when increasing the available phosphorus, reduce the interchangeable acidity and increase the soil stability and average size aggregates in the short term.
En Colombia, al igual que en otras zonas del mundo, se evidencian diversos procesos de degradación tanto física como química de los suelos, principalmente los de uso agrícola, debido a prácticas inapropiadas de labranza y uso intensivo del recurso suelo. Esto trae como consecuencia la disminución drástica de su capacidad productiva.
Los efectos sobre las propiedades químicas por las actividades agrícolas son: acidificación, desequilibrio y pérdida de nutrientes, toxicidad por salinización y alcalinización. Efectos originados por prácticas de laboreo, y uso excesivo de fertilizantes y productos fitosanitarios de diversa índole.
De acuerdo con reportes del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) (1988), alrededor del 85% del territorio colombiano está constituido por suelos ácidos con pH menores a 5,5, y en el mundo la distribución porcentual de suelos ácidos es 41% en América, 17% en África, 26% en Asia y 6% en Australia, lo que equivale a 3.950 millones de hectáreas. Lo anterior constituye una limitante en la producción de cultivos y en la sustentabilidad de la seguridad alimentaria en el mundo.
En búsqueda de alternativas para recuperar la estructura del suelo y disminuir la acidez a fin de mejorar la productividad agrícola, se estudió el efecto de la bacteria Bacillus subtilis sobre las propiedades físicas y químicas de un Ultisol degradado, sin estudios previos similares de aplicación de esta bacteria. Teniendo en cuenta que esta bacteria es gram positiva, aeróbica, potencialmente solubilizadora de carbonatos (Hammes and Verstraete, 2002), y con capacidad para formar biopolímeros (Mclean et al., 1999), propiedades que pueden contribuir en la recuperación de estos suelos (Fall et al., 2004).
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Se evaluó la acción del Bacillus subtilis sobre propiedades físicas como la estabilidad estructural y el incremento en tamaño promedio de agregados, y propiedades químicas como el contenido de aluminio, fósforo y pH.
Materiales y métodos
Inóculo de Bacillus subtilis LST DSMZ 18595®.
El experimento se llevó a cabo con un horizonte subsuperficial Bt de un Ultisol del cerro El Volador en Medellín, Antioquia. Se extrajeron aproximadamente 400 kg de suelo, el cual fue sometido a proceso de solarizado durante dos meses en invernadero como tratamiento de desinfección inicial (Streck et al., 1996; Al-Karaghouli and Al Kayssi, 2001; Stapleton et al., 2000), y no el esterilizado en autoclave con alta temperatura y presión, porque entre los intereses de las variables por evaluar estaban propiedades como la estabilidad estructural, que es afectada irreversiblemente por este proceso.
El suelo se dispuso en una capa de un espesor promedio de 5,0 cm, completamente cubierto con una película de polietileno transparente de calibre 2,0 mm, donde se registró una temperatura promedio de 35 oC. Posteriormente, el suelo fue molido y tamizado, seleccionando aquel con tamaño inferior a 2,0 mm; se homogeneizó y se tomó una submuestra para realizar análisis de caracterización física inicial de densidad aparente, distribución por tamaño de agregados, estabilidad estructural y caracterización química inicial que incluyó pH, aluminio y fósforo. Posteriormente, se adicionaron 1.200 g de suelo por maceta, para 200 macetas acordes con el diseño experimental, el cual fue completamente al azar con cuatro concentraciones y testigo, cinco repeticiones con y sin planta, realizando destrucciones cada mes durante cuatro meses. Se llevó a humedad cercana a capacidad de campo, se realizó el transplante de plántulas de lechuga germinadas previamente en semilleros, se adicionaron 5,0 ml de inóculo de B. subtilis (concentración 1: 1x106, concentración 2: 1x107, concentración 3: 1x108, concentración 4: 1x109 ufc) a los tratamientos con y sin planta. El experimento se ubicó en el invernadero de la Escuela de Geociencias de la Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, 6o 15’ N, 75o 35’ W y a 1.495 m de altitud. Las macetas fueron regadas diariamente con el fin de mantener el suelo con humedad cercana a capacidad de campo y favorecer el desarrollo de las plantas. El muestreo se llevó a cabo cada 30 días y durante 120 días, seleccionando al azar cinco macetas de cada tratamiento. Se realizaron los análisis físicos y químicos. Los resultados se analizaron con SAS 8.0, se realizó análisis de varianza y prueba de comparación de Duncan de medias de tratamientos con un a de 0,05.
Métodos
Determinación de las propiedades químicas (IGAC, 2006)
El pH se midió por el método potenciométrico, en una suspensión suelo:agua, en proporción volumétrica de 1:1.
Al con KCl 1M y titulación con Na OH (IGAC, 2006).
Determinaciones de propiedades físicas (IGAC, 2006).
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Estabilidad estructural, método de Yoder (IGAC, 2006).
Resultados
Población de Bacillus subtilis presente en macetas durante los 120 días del experimento en tratamientos con y sin planta.
La concentración del inóculo adicionado al inicio del experimento de B. subtilis a las macetas con y sin planta, de 106, 107, 108, 109 ufc disminuyó inicialmente hasta los treinta días con diferencias significativas entre cp109 y tcp, luego aumentó a 1x108 hacia los sesenta días de evolución del experimento donde se presentaron concentraciones similares a las iniciales; finalmente, la población de B. subtilis disminuyó a valores cercanos a 1x105 hacia los 90 días y permaneció relativamente estable hasta los 120 días al final del experimento, con diferencias significativas entre sp 106 y sp 108 (figura 1 a, b).
Variación del diámetro medio ponderado de los agregados en seco (dmps) durante los 120 días del experimento en tratamientos con y sin planta.
El diámetro medio ponderado de los agregados en seco aumentó considerablemente en relación con el inicial que era 0,84 mm, hasta los 90 días, presentándose el incremento mayor en el tratamiento sp 108 donde el dmps fue 2,0 mm y tsp 1,9 mm, produciéndose a partir de este momento la disminución en dmps de agregados para todos los tratamientos hasta llegar al día 120, generando una ganancia en el tamaño promedio total en relación con el inicial del 100% en los cuatro meses de duración del experimento (figura 2a). El diámetro medio ponderado de los agregados en seco con planta aumentó considerablemente en relación con el inicial, presentándose los incrementos mayores en los tratamientos cp 109 2,0 mm y tcp 2,2 mm a los 90 días y 120 días respectivamente. Por último, se alcanzó un incremento del 125% en la mayoría de tratamientos con relación al dmp inicial, y 175% en tcp con diferencias significativas para este tratamiento (figura 2 b).
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Variación del diámetro medio ponderado de los agregados en húmedo (dmph) durante los 120 días de transcurso del experimento en tratamientos con y sin planta.
El dmph aumentó sin diferencias significativas entre tratamientos, presentando incrementos de 160% en los tratamientos tsp y sp109 a los 90 días, y disminución al final del experimento, con un 100% de incremento neto en tamaño del dmph con relación al tamaño inicial de 0,55 mm, para todos los tratamientos (figura 3a). Los tratamientos a partir de los cuales se obtuvo un aumento del 100% en dmph de agregados en húmedo fueron cp109 y cp108 a los 90 días, generándose a partir de este momento una leve disminución que conllevó un aumento neto en tamaño de agregados del 54% para todos los tratamientos con planta sin diferencias significativas (figura 3b).
Variación del pH durante el transcurso del experimento en tratamientos con y sin planta.
El pH de los tratamientos sin planta aumentó en todos los casos, presentándose un incremento mayor a los 90 días de iniciado el experimento en los tratamientos tsp, aumentaron a 5,1, y en sp106 a 4,8. El tratamiento sp106 conservó el pH hasta el final del experimento en 4,8 (figura 4a). En los tratamientos con planta el pH se incrementó a partir de los 30 días de iniciado el experimento, alcanzando un máximo a los 90 días en todos los tratamientos, especialmente en cp107 de 5,1; sin embargo, luego disminuyó al valor inicial (figura 4b). El rango para todos los tratamientos fue entre 4,4 y 5,08.
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Variación en la concentración de aluminio disponible en el suelo durante el transcurso del experimento en tratamientos con y sin planta.
La concentración de aluminio disminuyó durante todo el experimento, los valores de concentración más bajos se encontraron en los tratamientos tsp y sp106 a los 90 días, equivalente a una reducción del 68,75 y 56,25% respectivamente con relación a la concentración inicial (figura 5a). La concentración de aluminio disminuyó en el transcurso del experimento con planta, presentando la mayor reducción en el tratamiento cp 107 a los 90 días, equivalente al 60% del aluminio inicial (figura 5b).
Variación en la concentración de fósforo durante el transcurso del experimento en tratamientos con y sin planta.
La concentración de fósforo disponible para los tratamientos en ausencia de plantas presentó tendencia al aumento. Las mayores concentraciones se detectaron a los 90 días de iniciado el experimento en los tratamientos tsp y sp106, alcanzando incrementos del 450% con relación a la concentración inicial de fósforo; en el tratamiento sp108 la concentración aumentó hasta los 60 días, posteriormente permaneció constante en un valor cercano a 4,0 mg/kg equivalente a un 100% de incremento en relación al valor inicial (figura 6a). En la gráfica podemos observar cómo la concentración de fósforo disponible aumentó significativamente en todos los tratamientos, en especial en cp 107 hasta los 90 días llegando a un valor de 11,0 mg/kg equivalente a un incremento de 550% con relación a la concentración inicial, para luego descender hasta valores de 1,5 mg/kg (figura 6b).
Discusión
Las variables físico-químicas medidas se incrementaron notablemente en el tiempo con relación a la concentración de B. subtilis. La estabilidad estructural aumentó en todos los tratamientos debido a la presencia de B. subtilis, ya que estos microorganismos participan en la descomposición de la materia orgánica y la producción de polisacáridos extracelulares que actúan como agentes de unión entre partículas (Bronick y Lal, 2005). El tamaño promedio de agregados del suelo al inicio del experimento fue 94% inferior a 2,0 mm y el 48% inferior 0,5 mm. El diámetro medio ponderado de los agregados del suelo en seco (dmps) inicial fue 0,84 y el dmph 0,55 mm. Durante el desarrollo del experimento el diámetro medio ponderado en seco aumentó a 1,6 mm en tratamientos sin planta y a 1,9 mm en tratamientos con planta, debido según Gomathi y Ramasamy (2004), a la producción de polisacáridos por los microorganismos, los cuales son rápidamente mineralizados y actúan como agentes iniciadores de agregación; sin embargo, este estado de unión por sí sólo no permanece en el tiempo (Tisdall y Oades, 1982; Tisdall, 1996), por esta razón, después de los 30 días de desarrollo del experimento comienza la disminución en el tamaño promedio de agregados en seco, e inicia el proceso de estabilización, en el cual los mucílagos de alto peso molecular de origen microbiano o de raíces ayudan a mantener los agregados a largo plazo (Traorea et al., 2000). El dmph inicial de los agregados del suelo fue 0,55 mm, a los 90 días de transcurso del experimento se incrementó a 1,17 mm en tsp y sp108, y a 1,47 mm en tcp, cp107 y cp108, alcanzando un tamaño final de 0,81 mm en promedio, equivalente a un aumento en el tamaño promedio de agregados estables al agua del 50% en 4 meses. El incremento en estabilidad de agregados se debió probablemente a la producción de ácido poly r-glutámico (r-PGA) que es producido por B. subtilis, el cual presenta una alta actividad floculante. La actividad floculante del PGA en una suspensión de caolín es estimulada por la presencia de Ca2+, Mg2+, o Fe3+ en la suspensión (Yokoi et al., 1996), iones que se encontraban presentes en el Ultisol estudiado y los cuales favorecieron este representativo aumento del tamaño de agregados en tan corto periodo de tiempo. El pH se incrementó durante el transcurso del experimento en tratamientos con y sin planta debido a la habilidad del B. subtilis de producir condiciones alcalinas (Lian et al., 2006; Fujita et al., 2000), favorecer la precipitación del carbonato de calcio (Shannon et al., 1999; Fortín y Beveridge, 1997) y la producción de exudados bacteriales (Song et al., 2007).
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Todas las cepas de Bacillus son capaces de hidrolizar úrea, la cual incrementa el pH del medio (Cacchio et al., 2003). El solarizado redujo la carga microbiana inicial total y la de B. subtilis apreciablemente, pero dejó una concentración residual de la misma, la cual durante el desarrollo del experimento posiblemente compitó con el B. subtilis inoculado al suelo y pudo ser lo que al final del experimento causara la reducción de las ufc de Bacillus presentes.
Conclusiones
El Bacillus subtilis mejoró las propiedades físicas del Ultisol degradado. Con relación al tamaño de agregados y la estabilidad estructural, se encontraron cambios importantes en tiempos relativamente cortos, a pesar de realizar el experimento con un suelo de baja fertilidad y muy pobres condiciones de agregación.
Las propiedades del Bacillus de formar biofilms, por la producción de biopolímeros, y de solubilizar minerales son las que logran que en el corto tiempo se presenten aumentos del 50% en el tamaño promedio de agregados en seco y en húmedo.
En relación con las características químicas lo más importante que se encontró —por tratarse de un elemento limitante en el desarrollo de las plantas y producción de cultivos— fue el aumento a los 90 días del fósforo disponible en el suelo en un 550%, en relación con la concentración inicial, que al final disminuyó por absorción por la planta.
El pH aumentó de 4,7 a 5,0 hasta los 90 días, y luego disminuyó al valor inicial, lo que determinó el aumento en la disponibilidad en el suelo del fósforo.
El aluminio disminuyó, debido a que este elemento deja de estar disponible en el suelo, al incrementar el pH, por la acción del Bacillus subtilis.
Agradecimientos
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A Live Sistem Technology y a la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín por el apoyo y la cofinanciación del proyecto de investigación.
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