Investigación

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LST se dedica al estudio, investigación y desarrollo de soluciones biológicas para problemas de la producción agrícola sostenible. Los proyectos de investigación y desarrollo en curso están enmarcados en las líneas de investigación mencionadas a continuación.

 

  • Desarrollo y evaluación de tecnologías limpias y prácticas sostenibles para la producción agrícola y la conservación ambiental, con énfasis en el manejo de plagas y la protección y productividad sostenible de los cultivos.

  • Desarrollo de paquetes tecnológicos para la productividad de pastos en busca de la reducción de aéreas requeridas para garantizar el alimento del ganado.

  • Desarrollo de tecnología para la producción agrícola orgánica o biológica, basada en la utilización óptima y conservación de los recursos naturales, la conservación de la fertilidad y funcionalidad de los suelos, uso óptimo de los recursos hídricos, sin productos químicos ni organismos modificados genéticamente.

  • Desarrollo de productos para la protección fitosanitaria, selectivos para la conservación y protección de parasitoides y depredadores benéficos y productos para la productividad de los cultivos con alta influencia sobre los atributos, las propiedades, los procesos y las funciones del suelo en la rizosfera.

  • Identificación de la biota y micro-biota actuante en el ciclo del nitrógeno en el suelo, bajo diferentes prácticas agrícolas y diferentes fuentes de nitrógeno.

  • Niveles necesarios de materia orgánica en el suelo. Evaluación y Optimización de procesos de compostaje y lombricultura. Humificación y carbono orgánico.

  • Evaluación de Coberturas, abonos verdes, acolchados de hierba cortada, aceleradores de descomposición in situ.

  • Indicadores biológicos para monitoreo de polución en el suelo, presencia de contaminantes como metales pesados, patógenos, y otras sustancias inhibidoras de desarrollo vegetal

  • Tecnologías para la recuperación y protección de las cabeceras o nacimientos y cuencas hidrográficas para la protección y regulación hídrica.

  • Investigación sobre los factores de gran aporte a la huella ecológica de la producción agrícola con el objeto final de minimizar impactos y controlar los procesos dentro de rangos establecidos y lograr una reducción significativa de la huella ecológica de cada proceso de producción.

 

El Ciclo de Nitrógeno en el Medio Ambiente, su Absorción por las Plantas y el Papel de los Microorganismos del Suelo

El ciclo del nitrógeno en el suelo es fuente de temas prioritarios de investigación y desarrollo de LST y de proyectos conjuntos con la comunidad científica y académica nacional e internacional

 

Los productos de la línea EcoTerra® corresponden a algunos desarrollos en este tema, el cual continuará siendo un tema prioritario en las investigaciones científicas de la empresa.
El elemento nitrógeno (N) es esencial para el crecimiento de plantas, para la producción de péptidos, amino-ácidos y proteínas, vitales para su funcionamiento.


Las fuentes de Nitrógeno en los suelos agrícolas tienen principalmente las siguientes fuentes (1):

 

  • La materia orgánica que consiste en tejidos de plantas y animales muertos en diferentes etapas de descomposición

  • Nitrógeno gaseoso (N2) del aire

  • Nitrógeno en la lluvia

  • Nitrógeno de minerales naturales y de la fertilización mineral

 

¿De qué manera las plantas utilizan estas diferentes fuentes de nitrógeno? Principalmente través de la participación de los microorganismos del suelo, la mayoría de ellos bacterias (2). Las reacciones químicas o bioquímicas que son necesarias para hacer el nitrógeno disponible para las plantas son diferentes según la forma química del nitrógeno y su proveniencia. Estos procesos se conocen como Procesos de Nitrificación (3)

 

Nitrificación a partir del Nitrógeno de material orgánico

La descomposición de la materia orgánica proporciona nitrógeno a las plantas. En una primera etapa, la meso fauna del suelo (larvas de insectos, lombrices, ácaros, entre otros) cortan en pequeños trozos los sustratos orgánicos que contienen proteínas, péptidos y aminoácidos libres como fuentes de nitrógeno. Durante el crecimiento de microorganismos en este sustrato orgánico, el material se descompone bioquímicamente (4). De este proceso de descomposición bacteriano de los aminoácidos, péptidos y proteínas se obtiene amoníaco (NH3) entre otros compuestos. El amoníaco se oxida en un proceso de dos pasos a NO2 – y después los iones NO2 - se transforman en iones de NO3 –. Estos iones de nitrato pueden ser fácilmente absorbidos por las raíces de las plantas (3).


Los pasos soportados por enzimas particulares (en paréntesis) de "bacterias nitrificantes" son:

 

NH3 + O2 > NO2- + 3H+ + 2e (Ammonia-monooxygenasa; AMO)

NH3 + O2 + 2H+ +2e > NH2OH + H2O (Hydroxylamina – oxidoreductasa; HAO)

NH2OH + H2O > NO2- + 5H+ + 4e (Hydroxylamina-oxidoreductasa; HAO)

2 NO2- + H2O > NO3 + 2H+ + 2e (Nitrite-oxidoreductasa; NXR)

 

Nitrificación a partir de Nitrógeno gaseoso (N2) de la atmósfera

El gas de nitrógeno N2 (en el aire aproximadamente 78 %) está presente en los poros del suelo aireado y en el tejido celular de las plantas. Microorganismos que utilizan la enzima nitrogenasa convierten este gas inerte en iones de nitrato solubles en agua, que luego pueden ser absorbidos y utilizados por las plantas (5).
En principio existen dos posibilidades diferentes en la naturaleza para utilizar el nitrógeno del aire:

 

    • Por una simbiosis de bacterias con plantas

    • Por consorcios de bacterias de vida libre, usualmente en "biofilms" sobre las raíces de las plantas o en la superficie de las partículas del suelo

 

Por simbiosis de bacterias con plantas

Diferentes especies de bacterias son conocidas por tener la capacidad de asimilar nitrógeno gaseoso N2 directamente del aire. Unas especies de ellas pueden vivir solamente en simbiosis con las plantas como se conoce de las bacterias del género Rhizobium, simbiontes de la familia vegetal Leguminosae, que invaden activamente las raíces de estas plantas, se forman nódulos donde ellas habitan y desarrollan su funcionalidad convirtiendo moléculas de N2 en NH3 para beneficio de la planta. Para la transformación de N2 a NH3 es necesaria una gran cantidad de energía, que se proporciona en forma de ATP a partir de las células vegetales a las bacterias.
La reacción bioquímica es:

 

N2 + 8H+ +8e + 16 ATP + 16H2O > 2NH3 +H2 + 16 ADP + 16 P-x (reacción catalizada por Nitrogenasa)

 

En el plasma celular de la planta, NH3 inmediatamente se lo convierten a iones NH4+ por agua:

 

NH3 + H2O > NH4+ + OH-

 

La captura de nitrógeno por las bacterias de vida libre (7 y 8)

 Algunas bacterias de vida libre (8) tienen la capacidad de convertir el gas N2 en amoníaco (NH3) con un mecanismo similar como el descrito anteriormente.

La conversión de NH3 a NO2 – y después a NO3- iones se lleva a cabo por diferentes especias bacterianas mediante oxido-reductasas específicas. Los iones nitrato NO3- pueden ser absorbidos por las raíces de las plantas. De todos estos pasos de oxidación las bacterias ganan energía. De hecho, la función cooperativa de dichas especies bacterias es también una simbiosis entre sí.

 

Nitrógeno de la precipitación (9)

 Una parte del nitrógeno en el suelo está precipitado a la tierra por la lluvia. Este nitrógeno proviene de actividades humanas (p.e. humo de la indústria, los gases de los automóviles, etc) o de la caída de rayos, que por su misma energía eléctrica puede formar compuestos de óxidos de N desde gas N2 en la atmósfera directamente.

 

Energía eléctrica + N2 + 2 O2 > NO + NO3+

 

Nitrificación a partir del nitrógeno de los fertilizantes

 

Fertilizantes orgánicos (10)

Los fertilizantes orgánicos que contienen nitrógeno se usan en la agricultura en diferentes formas. Puede ser la aplicación de estiércol, compost o humus que contienen una mezcla de bacterias que participan en la descomposición de la materia orgánica rica en proteínas, péptido y aminoácidos procedentes de animales y plantas en descomposición. Dependiendo de las condiciones ambientales (por ejemplo aeróbica / anaeróbica, de temperatura, de pH), el proceso de nitrificación o de denitrificación es dominante. (11).

 

Fertilizantes minerales (12)

Fertilizantes nitrogenados minerales se utilizan principalmente como Urea (NH2- CO- NH2) o sales de amonio o de nitrato. Fertilizantes de urea son convertidos por las bacterias del suelo en dos moléculas de amoníaco (NH3) y una molécula de CO2, reacción catalizada por la enzima ureasa (13):

 

(NH2)2CO + H2O > 2NH3 + CO2 (Ureasa)

 

El amoníaco es oxidado por bacterias hasta NO3- como ya se ha descrito antes
Si el suelo está muy compactado o sellado por una capa de agua estancada, una situación anaeróbica puede establecerse donde bacterias específicas del suelo disparan el proceso inverso de "denitrificación" (14)


El propósito principal de este proceso es la ganancia de energía que estas bacterias logran por metabolización de óxidos de nitrógeno con la mediación de enzimas nitrato - reductasas. Estas enzimas convierten los óxidos de nitrógeno en el suelo a N2O como producto final. El proceso se lleva a cabo en varias etapas en cadena de reacciones químicas:

 

NO3- -> NO2- -> NO (gas) > N2O (gas) (reacciones catalizadas por enzimas N-reductasas)

 

Este proceso tiene varios aspectos negativas, ya sea para las plantas o para el medio ambiente (15). Los gases de NO (tóxico), N2O y N2 se pueden escapar al aire. El gas N2O tiene un fuerte efecto invernadero, aproximadamente 300 veces mayor que CO2.
Optimización de la fertilización


Teniendo en cuenta la actividad de los microorganismos en el suelo y el uso de fertilizantes en la agricultura, las medidas más importantes para la optimización de la fertilización del cultivo son:
(1)   Evitar la sobredosis de fertilizantes minerales sintéticos con alto contenido de nitrógeno. Esto estimula las poblaciones de microorganismos con capacidad de de-nitrificar por la presencia de cantidades no absorbidas por las raíces de las plantas. Como consecuencia, la producción de los gases de NO y N2O se eleva con la correspondiente pérdida de nitrógeno del suelo y los efectos negativos sobre el cambio climático. Además, el riesgo de contaminación de las aguas que conlleva a la eutrofización de los cuerpos de agua, a niveles tóxicos de nitritos en el agua y a la percolación y contaminación de aguas subterráneas.
(2)   Emplear fórmulas de fertilizantes a base de "slow- reléase" para evitar una sobredosis después de su aplicación con las consecuencias descritas en (1).
(3)   Utilizar la inoculación de microorganismos del suelo de alta efectividad en el proceso de nitrificación bajo diferentes condiciones del suelo.
(4)  Minimizar la de-nitrificación activamente mediante medidas fisicoquímicas y biológicas
(5)  Estimular el crecimiento de las raíces para mejorar la capacidad de absorción de nitrógeno disponible en el suelo.
(6)  Evitar la compactación del suelo y el sellado de la superficie del suelo para mantener las condiciones aeróbicas que favorecen los procesos de nitrificación.

 

pintura

  • Adaptado de: Hofman G.& Van Clemput O.: Soil and Plant Nitrogen - International Fertilizer Industry Association (IFA), Paris (2004), 48p. (16)

 

Literatura:
1. Bundy L.G.: Soil and Applied Nitrogen; in: Understanding Plant Nutrients (A2519) University of Wisconsin, Extension (1998)
2. Walworth J.: Nitrogen in Soil and the Environment; College of Agriculture and Life Sciences, The University of Arizona AZ 1591 (2013), 3p
3. Norton J.M. & Stark J.M.: Regulation and Measurement of Nitrification in Terrestrial Systems; in: Methods of Enzymology Vol.486,15 (2011), 343-368
4. Wetterstedt M.: Decomposition of Soil Organic Matter; Thesis, Faculty of Natural Resources and Agricultural Sciences, Department of Ecology, Uppsala (2010)
5. Halbleib C.M.& Ludden P.W.: Regulation of Biological Nitrogen Fixation; American Society for Nutritional Sciences (2000), p. 1081 ff
6. Franche C.,Lindström K., Elmerich C.: Nitrogen fixing Bacteria associated with leguminous and non-leguminous plants; Plant Soil (2009), 321:35-59
7. Shridhar B.S.: Review: Nitrogen fixing Microorganisms; International Journal of Microbiological Research; 3(1), (2012), p. 46-52
8. Eckert B. et al.: Azospirillum doebereinerae sp.nov. , a nitrogen fixing bacterium associated with the C4 grass Miscanthus ; International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (2001), 51, 17-26
9. Anonymous: Nitrogen in the Nation´s Rain; National Atmospheric Deposition Program NADP, NADP Brochure 2000-01c (2000)
10. Darlington W.: Compost – A guide for Evaluating and Using Compost Materials as Soil Amendments; Soil and Plant Laboratory, 714-282-8777 (http://www.soilandplantlaboratory.com/pdf/articles/CompostAGuideForUsing.pdf)
11. Anonymous: The Composting Process; Composting Fact Sheet, British Columbia, Ministry of Agriculture and Food, order no.382.500-2 (1996)
12. Isherwood K.F.: Fertilizer Use and the Environment; International Fertilizer Industry Association (2000), 51p.
13. Schmidt I. et al.: Aerobic and anaerobic ammonia oxidizing bacteria – competitors or natural partners? ; FEMS Microbiology Ecology 39 (2002), 175-181
14. Philipott L. et al.: Ecology of Denitrifying Prokariotes in Agricultural Soil; in: Advances in Agronomy 96, chapter 5, (2007), 249 – 305
15. Davidson E.A. et al.: Excess Nitrogen in the U.S. Environment: Trends, Risks and Solutions; Issues in Ecology, Ecological Society of America, report 15 (2012), 16p.
16. Hofman G.& Van Clemput O.: Soil and Plant Nitrogen - International Fertilizer Industry Association (IFA), Paris (2004), 48p.

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