domingo, 4 de abril de 2021

Materia Orgánica del Suelo: una nueva concepción.


Materia Orgánica del Suelo:
una nueva concepción

Bibliografía consultada: 

Paul, E. A. (2016). The nature and dynamics of soil organic matter: plant inputs, microbial transformations, and organic matter stabilization. Soil Biology and Biochemistry, 98, 109-126.
Lavallee, J. M., Soong, J. L., & Cotrufo, M. F. (2020). Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineralassociated forms to address global change in the 21st century. Global change biology, 26(1), 261-273. 
Lehmann, J., & Kleber, M. (2015). The contentious nature of soil organic matter. Nature, 528(7580), 60. 
Schmidt, M. W., Torn, M. S., Abiven, S., Dittmar, T., Guggenberger, G., Janssens, I. A., ... & Nannipieri, P. (2011). Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature, 478(7367), 49.
Villarino, S. 2021. Exposición Materia orgánica del Suelo Jornada Técnica organizada por la AACS y Unidad Integrada Balcarce (INTA-UNMdP).

Introducción

La materia orgánica del suelo (MOS) además de ser la principal fuente de elementos/nutrientes para las plantas, tiene varias funciones. En el orden físico interviene en la agregación, el balance térmico y el balance hídrico). En el orden químico interviene en la CIC, capacidad buffer y provisión de elementos químicos. Por otra parte, la MOS constituye el mayor depósito de C del planeta por lo que reviste de vital importancia en temas social y ecológicamente preocupantes en la actualidad: el calentamiento global y la pérdida de biodiversidad.
Desde mediados del siglo XIX se comenzó a estudiar la composición de la MOS a partir de métodos extractivos identificando las llamadas «sustancias húmicas». Por otra parte, se estudiaban los mecanismos que hacían variar el contenido de C en el suelo mediante los procesos de génesis: «humificación/mineralización». Sin embargo, a la luz de diferentes investigaciones, la estructura de la MOS que hoy se conoce es diferente a la que se sostenía antiguamente. Este avance en el conocimiento de la estructura de la MOS fue gracias al avance de nuevas técnicas de identificación.
Tradicionalmente, esta fase sólida de los suelos se estudiaba a partir de la solubilización -en medios alcalinos y ácidos, de diferentes compuestos carbonados a los que se les asignó una composición química aproximada: ácidos fúlvicos, ácidos húmicos y huminas (Fig. 1). Por convención se aceptó que estos compuestos eran:  a mayor complejidad (por polimerización, formación de macromoléculas)  eran más estables a la mineralización (solubilización) y por tanto más prolongada es su persistencia en el suelo.  

Figura 1: Esquema del estudio tradicional de la MOS (Smith et al, 2011)



Con métodos modernos de análisis (pe. imágenes por espectrofotometría de rayos X por barrido) se logró analizar las estructuras orgánicas del suelo en su «condición natural» es decir, conocer la estructura y abundancia de sustancias orgánicas sin ser alteradas químicamente[1] (Fig 2). Como resultado, surgieron nuevas conclusiones sobre la estructura de la MOS que están cambiando la forma de comprender  y estudiar el ciclo del Carbono, no solo en suelos cultivados, sino también en el ecosistema terrestre. El principal aporte de estos avance es que las macromoléculas o «sustancias húmicas» NO existen en los suelos sino que la MOS está constituida por restos vegetales y microbianos en diferente grado de descomposición con estructura moleculares simples en interacción con la fase mineral del suelo y formando agregados.

Figura 2: Esquema del estudio actual de la MOS (Smith et al, 2011)

Las principales cambios en la visión tradicional de la MOS del suelo son los siguientes:
a) En el suelo prácticamente no existen estructuras moleculares complejas y de alto peso molecular (ácidos fúlvicos, húmicos o huminas) sino sustancias orgánicas simples y bajo peso molecular.   
b) La estabilidad o persistencia de las sustancias orgánicas del suelo dependen más de las características ambientales que rigen la solubilidad, el tamaño molecular y las funciones que de la complejidad molecular. Pe. la lignina -metabolito vegetal de estructura compleja y antiguamente considerada un precursor del humus, puede persistir menos que las proteínas o sacáridos que son mucho menos complejos en su estructura molecular. En definitiva, la persistencia de la materia orgánica del suelo se debe principalmente a las complejas interacciones entre esta y su entorno biótico y abiótico, como también de la interdependencia que existe entre la composición química de la MOS, la superficies reactiva de los minerales a los que está en contacto,  el clima edáfico (temperatura, humedad), el pH, el estado redox y la presencia de sustancias biológicas potencialmente degradantes (exoencimas).
c) La principal fuente de C de la MOS en suelos minerales es el aportado por las raíces de las plantas y por la biota edáfica en lugar de los residuos aéreos de las plantas, tradicionalmente llamado «hojarasca». Por otra parte los microorganismos que no suelen superar el 5% del total de la MOS son importantes fuentes de aporte por los productos de su metabolismo y de sus propias estructuras químicas.
d)Este nuevo conocimiento implica una revisión en los modelos tradicionales que simulan el balance de C ya que no existe un proceso de resíntesis para la formación de «humus» (humificación).  

Fracciones de la Materia Orgánica del Suelo


 Actualmente se establecen diferentes fracciones donde se almacena  (stock) el carbono de la MOS. Dichas fracciones o compartimentos son básicamente dos: a) MAOM materia orgánica asociada a la fase mineral y b) POM materia orgánica particulada.  Trabajos recientes establecen otras fracciones tales como b) LMDC o DOM: compuestos de bajo peso molecular o materia orgánica soluble y c) Biomasa Microbiana.

A.      Materia orgánica asociada a los minerales -MAOM. Son sustancias orgánicas simples, de bajo peso molecular, de tamaño menor a 50 - 63 µm, con densidades entre 1.6-1.85 g cm-3 o mayores y de baja relación C/N (8-13). Constituye hasta el 85% de la MOS. Se originan por distintos mecanismos tales como: exudados de tejidos vegetales y lixiviación en el suelo, acción de exoenzimas que despolimerizan los tejidos vegetales o por producto del metabolismo microbiano (sustancias de resíntesis o necrobiomaterial). La principal característica estructural de la MAOM es que se encuentran adsorbidas a los minerales del suelo tales como limos fino (<= 20 µm), arcillas, metales y están ocluidas en poros o agregados < 50-63 µm. Esta característica estructural le confiere una suerte de protección a la acción biológica degradante por lo que son retenidas en la fase mineral del suelo hasta que los microorganismos puedan entrar en contacto y solubilizarla. En consecuencia, la persistencia de este tipo de carbono orgánico no se debe a sus propiedades de macromoléculas complejas, sino a las propiedades cuantificables del ecosistema. La MAOM constituye entre el 50 al 85% de la MOS.

Figura 3: Esquema conceptual de la estructura química de la MAOM (Paul, 2016).

En el esquema de la Fig. 3 se destacan tres zonas a nivel molecular:

1) Zona de interacción mineral - orgánica. Es donde se produce la unión entre ambas estructuras moleculares mediante enlaces cationicos fuertes (con Fe o Ca) y fuerzas tipo Van deer Walls
2) Zona de transición: se caracterizan por tener sectores moleculares con y sin afinidad electroquímica (polaridad) con el agua (hidrofilia e hidrofobia) y con los lípidos (lipofilia e lipofobia).  
3) Superficie reactiva: es la parte molecular donde se produce la ionización de grupos funcionales (carboxilo, hidroxilo, fenol, etc.) y que dan origen a la Capacidad de Intercambio Catiónica (CIC).      

B. Materia orgánica particulada -POM. Son sustancias orgánicas complejas, alta relación C/N (20/40), alto peso molecular, con tamaño mayor a 50 - 63 µm, con densidades entre 1.6-1.85 g cm-3 o menores (POM liviana) y densidades entre 1.6-1.85 g cm-3 (POM pesada). Es una porción menor de la MOS (hasta el 20%) que persiste en los suelos en forma de pequeños trozos o restos vegetales de alta complejidad molecular y alta relación C/N. Esta fracción se mantiene en el suelo como materia orgánica hasta que los microorganismos la descomponen. La persistencia de estos fragmentos vegetales en el suelo se relaciona con su composición química, ya que una composición química compleja pe. lignina o celulosa, retarda la descomposición.

C. Materia orgánica solubleLMWC y DOM. Sustancias de bajo peso molecular, mono u oligoméricas, solubles (la DOM se solubiliza en agua). Son producto de la descomposición microbiana o exudados de raíces u otros tejidos vegetales. La concentración de LMWC es más alta en los horizontes superficial del suelo y está sujeta a movimientos verticales descendente (lixiviación) y puede desaparecer de la solución durante el transporte al ser absorbido por los minerales (se transfiere a MAOM) o ser utilizado como fuente de energía por los microorganismos.

D. Biomasa microbiana:  se define como la masa de C contenida dentro de las biota microbiana del suelo. Constituye menos del 5% de la MOS, pero la actividad microbiana es muy activa pues controla en gran medida la respuesta del MOS a los cambios en las condiciones ambientales: temperatura, humedad, relación C: N: P,  pH y suministro de sustrato como rastrojos, exudados de raíz, entre otros.

Fig 4: Esquema conceptual de stock y flujos de la MOS (Lavallee y otros, 2020).




Tabla 1 : Síntesis de la principales características de la MAOM y POM.
          Fracción

Propiedad
MO asociada a los minerales
MAOM
MO particulada
POM
Origen
- Sustancias simples, producto de exudados de los vegetales, tejidos vegetales despolimerizados por acción microbiana  (polisacáridos, aminoácidos, ác. murámico) y tejidos microbianos muertos.
- Sustancias complejas, de origen vegetal (lignina, fenoles, celulosa, hemicelulosa) en diferentes grados de alteración por fragmentación y despolimerización gruesa.

Estructura
- Constituye hasta el 85% de MOS.
- Cantidad limitada por la capacidad de saturación con la fase mineral.
- Bajo peso molecular (< 600 Dalton*)
-Tamaño menor a 50 - 63 µm
- Baja relación C/N: > 20
- Densidades entre 1.6-1.85 g cm-3 o mayores.
- Adsorbida a la fase mineral del suelo u ocluida en poros < 50 µm

- Constituye hasta el 20% de MOS
- Cantidad ilimitada
- Alto peso molecular (> 600 Dalton*)
-Tamaño mayor a 50 - 63 µm
- Alta relación C/N: < 20
*POM (liviana): densidades entre 1.6-1.85 g cm-3* a menores.
*POM (pesada) densidades entre 1.6-1.85 g cm-3

Persistencia
-Menos de 10 años a décadas por la elevada protección debido a la adsorción a superficies minerales y por oclusión en agregados finos (50 y 20 µm), en complejos organominerales y en microporos menores de 10 µm.
-Décadas a centurias por no contar con ninguna protección por la fase mineral.
-Puede quedar ocluida y protejida en grandes agregados de diámetro máximo 2000 µm  y mínimo de 200 µm.

Funciones
- Abundante fuente de energía para los microorganismos debido a la baja energía de activación de los compuestos una vez disociado de la fase mineral
-  Alta disponibilidad de nutrientes (N pe) para la biota
- Pobre fuente de energía para los microorganismos debido a la alta energía de activación de los compuestos para degradarse
- Baja disponibilidad de nutrientes para la biota.

* Unidad de masa atómica equivalente a 1,6 × 10⁻²⁷ kg.

Ciclo de la Materia Orgánica del Suelo.

 El ciclo de la MOS es un continuum en el flujo del carbono. Comprende fragmentos orgánicos producidos por la biota hasta la mineralización total, es decir la liberación de CO2. Este flujo inicia con la fotosíntesis para la formación de tejidos vegetales y animales pasando por moléculas simples y hasta por último CO2. Este flujo está controlado por variables físicas (temperatura, humedad), químicas (mineralogía, pH) y biológicas (biocenosis edáfica). El ciclo inicia con la descomposición de moléculas grandes lo que conduce a una disminución en el tamaño de los tejidos de plantas y animales a biopolímeros cada vez de menor peso molecular. Paralelamente, con la reducción del tamaño se produce un incremento en la cantidad de grupos funcionales polarizables e ionizables, por lo que le confieren una mayor solubilidad en agua, mayor reactividad hacia las superficies minerales (adsorción) y son mas activos en la formación de agregados en el suelo.

  Fig. 5: Modelo conceptual del ciclo de la MOS (adaptado de Lehmann & Kleber, 2015).




Este proceso de simplificación molecular y aumento de la reactividad hace que la MOS incremente la protección a la oxidación por la interacción con la fase mineral y cuya dinámica está controlada por mecanismos de adsorción y desorción. En tal sentido, la adsorción puede ir seguida de desorción mediante la ocurrencia de reacciones de intercambio con compuestos orgánicos simples en competencia con los sitios reactivos o bien por degradación biótica o abiótica. 

Las variaciones en el tiempo de la renovación de compuestos orgánicos en el suelo (turnover) es regulada por la naturaleza de las fuente (biomasa vegetal, animal); la presencia o ausencia de organismos descomponedores y de la energía que requieren para actuar, de las propiedades y abundancia de superficies minerales que pueden proteger la materia orgánica y de la disponibilidad de otros recursos como agua, oxígeno y elementos nutrientes. En la medida que la MOS es más protegida por la fracción mineral o forma parte de los agregados del suelo el ritmo de renovación se ralentiza.


La MOS es el reservorio de macro y micronutrientes constituyentes de las estructuras químicas que la forman. Los macronutrientes de mayor relevancia son: Nitrógeno, Fósforo y Azufre (Bonadeo y otros, 2017).

·  Nitrógeno: una importante cantidad del N de la MO se encuentra como grupos aminos (NH2). Los compuestos orgánicos que contienen N son principalmente aminoácidos con una proporción entre el 20 a 50% y hexosaminas con un 5 a 10% del N orgánico total.
·  Fósforo: entre el 15 al 80 % del P de los suelos se encuentra en forma orgánica, dependiendo del orden de suelo, composición y contenido de MO. Los porcentajes más altos son típicos de suelos orgánicos y de suelos de ambientes tropicales. Del 5 al 10 % de P orgánico puede estar asociado al tejido microbiano viviente. Los compuestos orgánicos que son fuente de fósforo en el suelo en orden de importancia son el son fos - fatos de inositol (2-50%) fosfolípidos (1-5%), ácidos nucleicos (0,2-2,5%) y cantidades pequeñas de fosfoproteínas y fosfatos metabólicos. El resto se desconoce.
·   Azufre: el 90 % del azufre en horizontes superficiales de suelos bien drenados, no calcáreos, se encuentran en forma orgánica. Proviene de residuos vegetales y animales.

Una relación de stock de estos elementos en relación al carbono orgánico es: C/N/S  120/10/1,4 con amplia variación en los suelos.







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