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Los cultivos bioenergéticos como Miscanthus y Panicum virgatum (Poáceas) brindan diversos beneficios ambientales, pero los bajos rendimientos y los riesgos de no generar ganancias son barreras para la inversión de los agricultores. Un nuevo estudio de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, muestra que los pagos por mitigación de Carbono podrían aumentar los rendimientos netos y reducir el riesgo de pérdida de ingresos, lo que podría atraer a más agricultores a producir estos cultivos.

El documento está publicado en el Journal of the Agricultural and Applied Economics Association.

«Estábamos interesados ​​en analizar los beneficios para los agricultores, así como los riesgos para los ingresos agrícolas, del hecho de adoptar cultivos bioenergéticos comparativamente con los cultivos convencionales de maíz y soya. También queríamos analizar los efectos de pagar a los agricultores por los servicios de mitigación de Carbono a partir de estos cultivos y cómo eso afectaría los rendimientos y los riesgos», dijo Madhu Khanna, presidente de Alvin H. Baum Family y Directora del Instituto para la Sostenibilidad, la Energía y el Medio Ambiente (iSEE). También es Profesora Distinguida de Economía Ambiental de ACES en el Departamento de Economía Agrícola y del Consumidor (ACE) y Codirectora del Centro para la Economía de la Sustentabilidad (CEOS), que es parte de la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales (ACES)) en la Universidad de Illinois.

«Hay dos beneficios principales de la mitigación de Carbono por parte de los cultivos bioenergéticos:

Primero, los cultivos bioenergéticos tienen raíces profundas que secuestran más carbono al suelo que los cultivos convencionales. Segundo, la biomasa cosechada se puede usar para producir biocombustible celulósico para reemplazar los combustibles fósiles», explicó Fahd Majeed., un investigador asociado postdoctoral en iSEE y el Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos (CABBI) del Departamento de Energía de EE.UU. en la Universidad de Illinois. Majeed realizó la investigación como estudiante de doctorado en CEOS.

La rentabilidad potencial de la biomasa y el riesgo de retorno, al igual que el potencial de mitigación de Carbono subsecuente de estos cultivos, varía espacialmente debido al riesgo de rendimiento relacionado con el clima y los rendimientos relativos de los cultivos convencionales. Las políticas destinadas a incentivar a los agricultores a convertir las tierras de cultivo a cultivos bioenergéticos deberán abordar el riesgo de retorno junto con los altos costos iniciales y los largos períodos de establecimiento.

«Algunos agricultores pueden tener aversión al riesgo y prefieren ganancias más bajas, pero más estables, mientras que otros pueden ser neutrales ante el riesgo y prefieren ganancias más altas independientemente de este; sin embargo, esta información puede ser desconocida por un formulador de políticas», señaló Majeed. «Nuestro análisis nos permite comparar y clasificar los rendimientos de riesgo de los cultivos bioenergéticos y los cultivos convencionales cuando se desconocen las preferencias de riesgo de los agricultores».

El estudio empleó un modelo biogeoquímico para simular los rendimientos de cultivos bioenergéticos (Miscanthus y Panicum virgatum) y cultivos convencionales (maíz y soya) durante 30 años de condiciones climáticas aleatorias. Los investigadores realizaron el análisis para 2122 condados en la región de secano de los Estados Unidos, en o al Este del meridiano 100. Para cultivos convencionales, incluyeron la rotación maíz-maíz o maíz-soya con prácticas de labranza versus labranza cero. Combinaron el análisis de rendimiento con un modelo económico que estimaba los precios de los cultivos y los pagos por mitigación de Carbono para medir el poder de atracción para diferentes tipos de agricultores en todas las ubicaciones. Dado que tanto los cultivos bioenergéticos como los convencionales varían en rendimiento y riesgo, según los precios de la biomasa y el Carbono, los investigadores examinaron la rentabilidad de los cultivos bioenergéticos a los precios de biomasa de $40 y $60 por tonelada métrica y pagos de carbono de $0, $40 y $80 por tonelada métrica de Dióxido de Carbono (CO₂). Descubrieron que los cultivos bioenergéticos no serían rentables sin pagos de Carbono a los precios de biomasa más bajos. Con los pagos por mitigación de Carbono, estos cultivos atraerían a los agricultores reacios al riesgo; es decir, agricultores que están dispuestos a aceptar rendimientos ligeramente más bajos, pero menos variables en relación con los cultivos convencionales. Al precio más alto de biomasa de $60 por tonelada métrica, los pagos por mitigación de carbono aumentan los rendimientos y reducen el riesgo, de modo que producir cultivos bioenergéticos seria atractivo para los agricultores independientemente de la preferencia que tengan por el riesgo.

Además, al comparar los dos cultivos bioenergéticos, los investigadores encontraron que los agricultores del Medio Oeste preferirían el Miscanthus al Panicum virgatum, mientras que los agricultores de los estados del sur preferirían el Panicum virgatum al Miscanthus. Esto se debe a las diferencias espaciales en el rendimiento esperado, el potencial de mitigación de carbono y los costos entre los cultivos bioenergéticos, dijeron los investigadores.

En general, los pagos por mitigación de Carbono pueden hacer que los cultivos bioenergéticos sean más atractivos para los agricultores, pero los pagos deben adaptarse al rendimiento potencial variable, la mitigación de Carbono y el riesgo de los rendimientos en las distintas regiones. «Una implicación política de este estudio es que, si se desea reducir el riesgo, los créditos de Carbono son una buena política. Pero los incentivos deben adaptarse espacialmente; un pago uniforme por acre de tierra en toda la región no va a ser la mejor solución». Los créditos de Carbono que varían en toda la región en función del Carbono mitigado crearán incentivos diferenciados en comparación con una política uniforme. Esto también será rentable para lograr un objetivo agregado para la mitigación del Carbono «, dijo Khanna.

Actualmente, los pagos por mitigación de Carbono se facilitan principalmente a través de mercados voluntarios donde las empresas y otras organizaciones pueden comprar créditos para cumplir con sus objetivos de reducción de Carbono. Dichos mercados pueden complementarse con programas gubernamentales para incentivar la producción de cultivos bioenergéticos, señalaron los investigadores.

Referencias: University of Illinois at Urbana-Champaign. (15 de Junio de 2023). PHYS ORG. Obtenido de Carbon mitigation payments can make bioenergy crops more appealing for farmers: https://phys.org/news/2023-06-carbon-mitigation-payments-bioenergy-crops.html

por Zhang Nannan, Chinese Academy of Science, 2023

Estudios anteriores han demostrado que el Carbono orgánico del suelo (COS) influye en la provisión de servicios ecosistémicos de los suelos, lo que lo hace un indicador clave de la sanidad el suelo bajo condiciones de manejo sostenible del uso del suelo y para la resiliencia al cambio climático. Sin embargo, los procesos de secuestro del COS durante la sucesión en los bosques tropicales siguen sin estar claros, particularmente después del abandono de la tierra debido a las prácticas agrícolas.

En un estudio publicado en el “Journal of Ecology,” investigadores del Jardín Botánico Tropical Xishuangbanna (XTBG) y el Instituto Kunming de Botánica, de la Academia de Ciencias de China han investigado los efectos de la diversidad funcional de las plantas, la diversidad de especies, la diversidad filogenética, la biomasa de los árboles que está sobre el suelo y factores ambientales en el COS durante la sucesión forestal después del abandono de tierras debido a la agricultura migratoria. Los investigadores utilizaron datos de dos estudios a gran escala de 320 parcelas (de 1000 m² cada una) y 1280 sub-parcelas (de 100 m² cada una) que cubrían un área total de terreno de 20,000 has en el Sudeste Asiático. Midieron las reservas de COS durante la sucesión forestal para inferir el secuestro a través de la sustitución de espacio-tiempo. Descubrieron que la diversidad de rasgos funcionales desempeñaba un papel importante en la determinación del secuestro de COS a lo largo de trayectorias de sucesionales. La composición de los rasgos de las plantas se asoció directamente con las entradas y salidas de Carbono de las plantas al suelo, lo que refleja el uso de recursos complementarios dentro de las comunidades de plantas y su impacto en los ciclos biogeoquímicos.

Además, los incrementos en el almacenamiento de carbono del COS se asociaron con efectos positivos indirectos de la diversidad de especies y la edad de sucesión a través de la diversidad de rasgos funcionales, pero la diversidad filogenética y la biomasa aérea no mostraron una relación significativa con las reservas de COS. Por otra parte, los efectos de las propiedades del suelo y la diversidad de rasgos funcionales en el almacenamiento de carbono del COS cambiaron con la altitud.

«Nuestro estudio ayuda a aclarar las relaciones entre los diferentes componentes de la biodiversidad de las plantas, los factores ambientales y las reservas de carbono del suelo en la sucesión natural de los bosques tropicales, especialmente después del abandono de las tierras debido a la agricultura migratoria», dijo Gbadamassi Dossa, autor correspondiente del estudio.

Los investigadores sugirieron que, en el mosaico del paisaje de la región tropical, se debe considerar un enfoque basado en rasgos en la restauración y prácticas de manejo de reforestación.

Referencias: Chinese Academy of Sciences. (13 de Junio de 2023). Plant functional trait diversity increases soil organic carbon sequestration during tropical forest succession. Obtenido de PHYS ORG: https://phys.org/news/2023-06-functional-trait-diversity-soil-carbon.html

Parte 17

BIODIVERSIDAD DEL SUELO Y CAMBIO CLIMATICO

El impacto de la biodiversidad del suelo en el CO₂

La retroalimentación entre el Carbono del suelo y el CO₂ atmosférico es un proceso que aún no se comprende completamente. Sin embargo, en general se acepta que la biota del suelo desempeña el papel dominante en esta interacción. Por lo tanto, los procesos biológicos del suelo claramente pueden tener un gran efecto en el ciclo global del Carbono. Esto se debe a que los suelos actualmente contienen aproximadamente el doble de la cantidad de Carbono que se encuentra en la atmósfera, y anualmente se producen flujos de este gas, entre el suelo y la atmósfera, por cientos de gigatoneladas. La comprensión detallada del ciclo del Carbono es vital para aumentar nuestro entendimiento acerca de la retroalimentación de Carbono que ocurre entre el suelo y la atmósfera, y si esto puede ser controlado y cómo sería.

Bellamy y colaboradores (2005) encontraron que se estima que anualmente se pierden 13 millones de toneladas de Carbono en los suelos del Reino Unido. Esto equivale al 8.0 % de sus emisiones totales de Carbono. Como se descubrió que las pérdidas de Carbono Orgánico del Suelo (COS) son independientes de sus propiedades, esto ha llevado a la formulación de la hipótesis de que la estabilidad del Carbono Orgánico del Suelo depende de la actividad y diversidad de los organismos que lo habitan (Schulze y Freibauer 2005). Sin embargo, hay evidencia de que en algunas áreas, los suelos funcionan como un punto de demanda de CO₂, ya que a través de la fotosíntesis se introduce más Carbono en el sistema del suelo, del que se elimina mediante la respiración. Estudios realizados en diferentes latitudes han demostrado que la tasa de descomposición de la materia orgánica del suelo se duplica por cada aumento de 8.0 a 9.0 °C en la temperatura media anual (Ladd et al., 1985). Si bien esto es mayor que los aumentos previstos debido al cambio climático, en igualdad de condiciones, es evidente que el aumento de las temperaturas globales acelerará las tasas de descomposición de la materia orgánica del suelo. Esto tiene el potencial de generar pérdidas aún mayores de CO₂ del mismo.

La biodiversidad del suelo también puede tener efectos indirectos sobre si el suelo funciona como una fuente o como una demanda de Carbono. Se ha demostrado repetidamente que la biodiversidad del suelo afecta la erosionabilidad debido a una serie de mecanismos que incluyen exudados extracelulares y la unión física de partículas del suelo con hifas de hongos. Este proceso es importante con respecto al cambio climático, ya que se ha probado que la erosión del suelo puede convertirlo de una demanda de Carbono a una fuente de Carbono (Lal y Pimentel 2007). Sin embargo, la magnitud de este efecto sigue siendo controvertida y es un área de investigación en curso.

El impacto de la biodiversidad del suelo en otros gases de efecto invernadero

La producción de metano (CH₄) también ocurre como parte del ciclo del Carbono. Este es producido por la microbiota del suelo en condiciones anaeróbicas, mediante un proceso conocido como metanogénesis. El Metano es aproximadamente 21 veces más potente como gas de efecto invernadero que el Dióxido de Carbono. El Óxido Nitroso (N₂O) se produce como parte del ciclo del Nitrógeno mediante procesos conocidos como nitrificación y desnitrificación que se llevan a cabo por la microbiota del suelo. El Óxido Nitroso es 310 veces más potente como gas de efecto invernadero que el Dióxido de Carbono.

De los totales emitidos, el 80% del N₂O y el 50% del CH₄ emitido se producen por procesos del suelo en ecosistemas bajo condiciones de manejo. Si bien estos gases son gases de efecto invernadero posiblemente más potentes que el CO₂, solamente el 8.0% de los gases de efecto invernadero emitidos son CH₄ y sólo el 5.0% son N₂O aproximadamente, mientras que el CO₂ representa el 83% del total de gases de efecto invernadero emitidos, aproximadamente.

La contribución porcentual real de estos gases al calentamiento global se puede ver en la siguiente gráfica (Fuente: Inventario de emisiones y demandas de gases de efecto invernadero de la EPA de EE. UU.)

Esto proporciona evidencia sólida de que el sistema de suelo tiene el potencial de desempeñar un papel muy importante, ya sea en causar o en ayudar a mitigar los efectos del cambio climático. Por consiguiente, es fundamental que comprendamos plenamente el sistema del suelo y su retroalimentación con los gases de efecto invernadero en la atmósfera, para permitirnos hacer predicciones precisas sobre el cambio climático y los posibles impactos de diversas prácticas de manejo de tierras agrícolas.

Referencia: Gardi Ciro and Jeffery Simon. Soil Biodiversity. Joint Research Centre, Scientific and Technical Reports Institute for Environment and Sustainability. Land Management & Natural Hazards Unit.

Parte 16

BIODIVERSIDAD DEL SUELO Y CAMBIO CLIMATICO

El cambio climático y sus posibles efectos, actualmente es un área de investigación intensiva. El sistema global es increíblemente complejo con un número prácticamente infinito de interacciones que ocurren en diferentes escalas temporales y espaciales. Si bien no es posible adoptar un enfoque reduccionista para comprender un sistema tan grande, complejo y dinámico, lograr una mejor comprensión de las funciones que ocurren en muchos de los diferentes ecosistemas que se encuentran en el planeta y sus implicaciones para el cambio climático es claramente muy importante.

El suelo es un sistema que tiene el potencial de tener una influencia masiva en el cambio climático debido a las grandes cantidades de carbono almacenado allí, más del doble de la cantidad presente en la atmósfera, el cual se encuentra en el sistema del suelo en forma de materia orgánica. El dióxido de carbono se elimina continuamente de la atmósfera a través de la fotosíntesis por medio de las plantas y otros organismos fotosintéticos como algas y cianobacterias. Sin embargo, generalmente también se emite desde los suelos, ya que el Carbono que está presente ahí, se utiliza como fuente de energía y el CO2 es emitido como subproducto de la respiración. Ésta es la esencia del ciclo del Carbono, aunque en forma muy simplificada.

La siguiente es una representación esquemática del Ciclo del Carbono:

Aunque este esquema también está simplificado, todas las cifras están bien establecidas y son relativamente poco controvertidas. La Figura muestra qué, si se suman todas las entradas de Carbono a los sitios de demanda, la cantidad total de este gas que ingresa a ellos a partir de la atmósfera es de 213.35 gigatoneladas por año. Por el contrario, cuando se suman todas las emisiones a la atmósfera del Carbono procedente de fuentes no antropogénicas, se obtiene un total de 211.6 gigatoneladas por año. Esto equivale a una pérdida neta de Carbono de la atmósfera de 1.75 gigatoneladas. Esta es la razón por la que el flujo relativamente pequeño de CO₂ procedente de fuentes antropogénicas (5.5 gigatoneladas por año) es de tan grande consecuencia, ya que convierte el flujo total de Carbono de la atmósfera de una pérdida de 1.75 gigatoneladas por año, ¡a una ganancia neta de 3.75 gigatoneladas de Carbono por año!

Referencia: Gardi Ciro and Jeffery Simon. Soil Biodiversity. Joint Research Centre, Scientific and Technical Reports Institute for Environment and Sustainability. Land Management & Natural Hazards Unit.

Parte 15

La Biodiversidad del Suelo al Extremo

Desecación

Además de ser los suelos más fríos de la Tierra, la Antártida también alberga los suelos más secos en los Valles secos de McMurdo. Fuera de la Antártida, el lugar más seco del planeta es el desierto de Atacama en Chile. Aquí, algunas áreas reciben menos de 5 mm de lluvia por año y puede haber décadas sin lluvia (Warren-Rhodes et al. 2006). No obstante, aún se encuentran niveles limitados de biodiversidad. En zonas con menos de 75 horas al año de agua líquida disponible, todavía se encuentran cianobacterias, que son capaces de realizar la fotosíntesis. Este parece ser el límite de la fotosíntesis con respecto a la disponibilidad de agua.

Debido a las restricciones a la fotosíntesis y al metabolismo impuestas por las severas restricciones de agua, se ha estimado que el carbono orgánico dentro de las comunidades del suelo que se encuentran en este ambiente tiene un tiempo de renovación de 3 200 años (Warren-Rhodes et al. 2006). Esto se compara con tasas de renovación generalmente inferiores a 100 años en suelos cultivables (Yamashita et al. 2006).

Radiación solar

La radiación solar se limita a la superficie extrema de los suelos. Se ha demostrado que incluso los suelos arenosos que tienen poros relativamente grandes, sólo permiten la transmitancia** del 0.3% de la radiación solar hasta 2.0 mm de profundidad y esta transmitancia se reduce a sólo el 0.2% a 1.0 mm de profundidad en un suelo arcillo-limoso (Benvenuti, 1995). Si bien la luz es vital para los organismos fotosintéticos, restringiendo la fotosíntesis a la superficie extrema del sistema del suelo, la radiación solar también contiene rayos UV que son perjudiciales para la vida. Hughes y colaboradores (2003) demostraron que la radiación UV inhibía el crecimiento de hifas fúngicas, y que la inhibición del crecimiento aumentaba al disminuir la longitud de onda.

Los organismos que están expuestos a la luz solar normalmente producen pigmentos para protegerse de los efectos nocivos de los rayos UV. Por ejemplo, se observa una mayor melanización en los colémbolos que habitan más cerca de la superficie del suelo como una correlación directa a su mayor exposición a los rayos UV (Hopkin 1997).

Quizás de manera contradictoria, Arrage et al. (1993) demostraron que muchos de los microorganismos del subsuelo que estudiaron exhibieron los mismos niveles de resistencia a los rayos UV que los microorganismos de la superficie. Esto tal vez sea una consecuencia de la naturaleza altamente dinámica del sistema del suelo, lo que significa que cualquier microorganismo del suelo no puede «confiar» en estar protegido de los rayos UV y puede quedar expuesto después de eventos de erosión. Para sobrevivir a tales eventos es necesario que los organismos del subsuelo posean los mecanismos de protección necesarios, incluso si no se utilizan la mayor parte del tiempo.

MECANISMOS PARA AFRONTAR LOS EXTREMOS

​Criptobiosis

El estado de Criptobiosis se caracteriza por un metabolismo indetectable y la inducción de cambios fisiológicos y morfológicos en el organismo. Algunos organismos, incluidas muchas especies de bacterias y nematodos, pueden entrar en un estado de criptobiosis en cualquier etapa del ciclo de vida cuando las condiciones ambientales se tornan demasiado severas para sustentar vida activa.

Los organismos en estado de criptobiosis se vuelven extremadamente resistentes a las condiciones ambientales. Los nematodos en este estado, por ejemplo, han demostrado ser resistentes a temperaturas extremadamente bajas, a la desecación, cuando la humedad relativa alcanza el 0%, al vacío y a los nematicidas. Sin embargo, pueden volver rápidamente a un estado activo cuando regresan las condiciones ambientales favorables (Freckman y Womersley 1983).

Uso de proteínas

Se ha demostrado que las proteínas pueden funcionar para proteger a los organismos del calor o el frío extremos. Las proteínas que ayudan a proteger los organismos de los efectos del calor se denominan proteínas de choque térmico. Estas proteínas funcionan como «chaperonas» de otras proteínas, ayudando a su plegamiento y ayudando a prevenir la desnaturalización que de otro modo sería causada por el calor.

Por el contrario, las proteínas que ayudan a proteger los organismos del frío se denominan proteínas de choque por frío. El modo de funcionamiento de las proteínas de choque por frío es menos seguro que el de las proteínas de choque térmico, pero parece que muchas son capaces de unirse al ADN y, por lo tanto, posiblemente ayuden a la organización de los cromosomas o actúen como «chaperonas» de ARN.

Algunos organismos que pueden sobrevivir en ambientes bajo cero también son capaces de producir proteínas anticongelantes. Estos funcionan uniéndose a los cristales de hielo que se forman e inhibiendo su crecimiento.

Formación de quistes

Muchos microorganismos, incluidas bacterias, protozoos y hongos, también son capaces de sufrir un proceso llamado «enquistamiento» en el que forman «quistes». Los quistes son básicamente formas latentes y resistentes de los microorganismos, caracterizados por muy poco o ningún metabolismo y paredes celulares más gruesas. Los quistes son más resistentes a temperaturas extremas, pH y desecación. Una vez que las condiciones vuelven a ser favorables, los organismos pueden salir de su forma de quiste y comenzar nuevamente a metabolizar, crecer y reproducirse.

Referencia: Gardi Ciro and Jeffery Simon. Soil Biodiversity. Joint Research Centre, Scientific and Technical Reports Institute for Environment and Sustainability. Land Management & Natural Hazards Unit.

Parte 14

La Biodiversidad del Suelo al Extremo

Se han encontrado microorganismos prácticamente en todos los lugares donde hemos buscado. Esto abarca una amplia gama de ambientes, incluidos extremos relativos de temperatura, régimen de humedad y radiación solar. Si bien se ha descubierto que los microorganismos florecen en lugares como manantiales volcánicos en ebullición, el ambiente del suelo también puede ser un ambiente muy extremo.

Se han encontrado comunidades de suelo en muchos entornos hostiles de la Tierra, desde la helada Antártida hasta desiertos abrasadores, incluidas áreas de extrema sequedad y exposición a rayos ultravioleta. Las comunidades encontradas en tales entornos con frecuencia tienen niveles de biodiversidad relativamente bajos.

Estos bajos niveles de biodiversidad facilitan la investigación, ya que permiten dilucidar mejor las interacciones y las relaciones entre los organismos y sus ambientes físicos y químicos. Los resultados y conocimientos de estos sistemas se pueden aplicar a sistemas más complejos, como los que se encuentran en los suelos en regiones templadas y tropicales.

Los niveles relativamente bajos de biodiversidad que generalmente se encuentran en ambientes extremos significan que las comunidades a menudo contienen poca o ninguna redundancia funcional. Esto significa que pueden ser particularmente susceptibles a eventos de perturbación, y la eliminación de una función vital de la comunidad puede tener consecuencias dramáticas para otros organismos que la habitan, lo que posiblemente lleve a grandes cambios en su composición y en las tasas de proceso del ecosistema (Wall y Virginia 1999).

TEMPERATURA

Calor

El Valle de la Muerte es uno de los lugares más calientes de la Tierra, con temperaturas diurnas que a menudo superan los 45°C durante los meses de verano, hay informes de que la temperatura del suelo alcanza más de 93°C (Douglas 2006). Sin embargo, aunque la biodiversidad del suelo en el Valle de la Muerte está muy disminuida en comparación por ejemplo, con los suelos de zonas templadas; hay bacterias extremófilas que prosperan ahí. Se ha demostrado que los microorganismos en los desiertos todavía funcionan con respecto al ciclo geoquímico. Walvoord et al. (2003) reportaron que se ha acumulado un gran reservorio de Nitrógeno biodisponible en las zonas del subsuelo de los desiertos, de hasta 104 kilogramos de Nitrógeno por hectárea, en forma de Nitrato.

Las fuentes naturales de Nitrato en los ecosistemas desérticos incluyen la conversión del N₂ atmosférico por parte de organismos fijadores de Nitrógeno, así como el Nitrato en la precipitación, y la deposición eólica de sales de nitrato (Walvoord et al. 2003). Esto demuestra que el funcionamiento de los ecosistemas, impulsado por microorganismos, todavía ocurre incluso en las temperaturas relativamente extremas que se experimentan en el ambiente del desierto.

Frío

Los suelos de la Antártida son los más fríos de la Tierra (Campbell y Claridge 1981). La temperatura media mensual del aire en algunas zonas de la Antártida tan sólo supera los 0°C durante Diciembre y Enero, y no supera los -20°C en Julio y Agosto (Delille 2000). Estos suelos representan el único sistema de suelo conocido donde los nematodos se ubican en la parte superior de la cadena alimentaria y, como tal, sus redes alimentarias son inusualmente simples.

Como los nematodos son animales acuáticos, para su supervivencia el agua del suelo es un factor más importante que el frío. Sin embargo, los nematodos pueden entrar en una forma de criptobiosis (estado en el que se detiene toda la actividad metabólica de un organismo), conocido como «anhidrobiosis», que es un estado en el que entran algunos organismos en ausencia de agua.

Los organismos en esta situación son extremadamente resistentes y pueden sobrevivir durante períodos prolongados hasta que las condiciones vuelvan a ser favorables. En este estado los nematodos no funcionan en relación con el ciclo de nutrientes y esto, combinado con la activación metabólica relativamente lenta de los microorganismos en condiciones de temperaturas frías, aunado a la falta de actividad metabólica durante los meses más fríos, contribuye a una tasa extremadamente lenta del reciclaje de nutrientes en el medio ambiente antártico.

Los micro artrópodos en ambientes extremadamente fríos como es el caso de la Antártida, sobreviven a temperaturas bajo cero mediante el uso de diversas estrategias. Sus fluidos corporales se mantienen en estado líquido mediante el uso de crioprotectores de carbohidratos y en algunos casos también mediante el uso de proteínas anticongelantes. ​Esto se ve favorecido por la eliminación o enmascaramiento de agentes nucleantes de hielo dentro de sus fluidos corporales (Sinclair y Stevens 2006). Tales estrategias previenen la congelación de fluidos corporales y el daño celular concurrente que esto causaría.

Referencia: Gardi Ciro and Jeffery Simon. Soil Biodiversity. Joint Research Centre, Scientific and Technical Reports Institute for Environment and Sustainability. Land Management & Natural Hazards Unit.

Parte 13

Biodiversidad del Suelo y Biotecnología

El biocontrol de plagas es el uso de “enemigos” naturales como agentes de control biológico, como depredadores, parásitos o patógenos, para controlar o reducir la población de una plaga determinada. A menudo se utiliza como alternativa al uso de pesticidas. El uso de pesticidas de amplio espectro puede ser muy problemático ya que a menudo actúan tanto sobre insectos dañinos como sobre insectos que son benéficos para los cultivos. También existe la posibilidad de que estos productos químicos lleguen al agua subterránea o a cualquier vía fluvial cercana y provoquen contaminación. El biocontrol es un método que puede utilizarse para reducir la necesidad de aplicaciones a gran escala, de pesticidas de amplio espectro.

Cuando la plaga es un patógeno, como en el caso de las enfermedades de las plantas, el agente de control biológico suele denominarse “antagonista”. El control biológico generalmente se divide en tres tipos diferentes de estrategias, denominadas:

• Conservación, donde se tiene cuidado de que los agentes naturales de control biológico no son erradicados por otros procesos de control de plagas.          

• Control biológico clásico, donde se introduce un agente de control biológico en un área para controlar una especie de plaga.

• Control biológico aumentativo, que implica la liberación suplementaria de un agente de control biológico. Con frecuencia es este tercer tipo de control biológico el que utiliza la biota del suelo. Por ejemplo, los nematodos entomopatógenos a menudo se liberan en cantidades de millones o incluso miles de millones por acre para el control de ciertas plagas de insectos que habitan en el suelo Kerr (1982) indicó que los organismos de biocontrol ideales deben incluir las siguientes características:

La biodiversidad del suelo claramente tiene muchos más usos actuales y potenciales para la biotecnología y ésta es un área de investigación en curso. Una cosa está clara: por cada organismo que se extingue en el entorno del suelo, como ocurre con otros ecosistemas, también se pierde potencialmente parte de la biotecnología aún no descubierta. Es vital, por tanto, que la biodiversidad del suelo se conserve tanto como sea razonablemente posible y que se genere conciencia sobre esta necesidad entre la comunidad científica y el público en general.

Referencia: Gardi Ciro and Jeffery Simon. Soil Biodiversity. Joint Research Centre, Scientific and Technical Reports Institute for Environment and Sustainability. Land Management & Natural Hazards Unit.

Biodiversidad del Suelo y Biotecnología

Antibióticos

El suelo contiene una compleja gama de redes alimentarias e interacciones entre los diversos grupos de organismos que se encuentran ahí, con organismos que se depredan entre sí y compiten por los recursos y, como tal, han evolucionado una serie de procesos tanto para el ataque como para la supervivencia. Uno de ellos es el uso de sustancias químicas en una forma de “guerra” química entre organismos del suelo. Son algunas de estas sustancias químicas las que, una vez aisladas, utilizamos con fines medicinales como antibióticos.

Los antibióticos aislados a partir de organismos del suelo incluyen (pero no se limitan a): penicilina, aislada del hongo Penicillium, que se encuentra en los suelos y que, junto con varios derivados semisintéticos, todavía se utiliza ampliamente.

Se han aislado Aminoglucósidos, como Estreptomicina y Kanamicina, así como Tetraciclinas, de Actinomicetos que habitan en el suelo. Los lipopéptidos como la Daptomicina también se derivan de Steptomyces, un tipo de actinomiceto. Cada uno de estos antibióticos tiene un modo de acción diferente. Algunos atacan las membranas celulares, mientras que otros atacan al ribosoma u otros constituyentes celulares. Es por esta razón que algunos organismos son susceptibles a algunos antibióticos, pero otros no, dependiendo de si tienen la forma específica de constituyente celular al que ataca el antibiótico.

Resistencia antibiótica

Además de no ser susceptibles a algunos antibióticos, los microorganismos también suelen ser capaces de desarrollar resistencia con el tiempo. Si bien esto frecuentemente se considera un problema para la microbiología clínica, los antecedentes de diversas modalidades de resistencia a los antibióticos observados en el entorno clínico a menudo se pueden encontrar en el entorno del suelo.

Esto se debe a que los microorganismos del suelo generalmente están expuestos a una amplia gama de compuestos en su entorno local, algunos de los cuales pueden ser dañinos, como los antibióticos, y esto ejerce una presión evolutiva sobre los organismos para que desarrollen resistencia o se extingan.

También es necesario que los productores de antibióticos tengan algunos mecanismos de resistencia a los antibióticos, por ejemplo, para evitar que mueran mediante la producción de sus propios compuestos antibióticos.

Por lo tanto, el entorno del suelo representa un ámbito importante para la investigación de los mecanismos subyacentes de la resistencia a los antibióticos, incluidos posibles mecanismos que aún no se han observado en la microbiología clínica. La utilización de este recurso para mejorar nuestra comprensión de los procesos bioquímicos que ocurren puede permitir la circunnavegación o la reducción del desarrollo de una mayor resistencia a los antibióticos.

Esta es un área de investigación que recién está comenzando a ganar prominencia (D’Costa et al., 2006; Tomasz 2006). La evolución incluso ha llevado la resistencia a los antibióticos un paso más allá. Danatas et al., (2008) demostraron que de 18 antibióticos que probaron, de 8 clases principales de antibióticos tanto de origen natural como sintético, 13 a 17 apoyaron el crecimiento de bacterias cuando el antibiótico estaba disponible como única fuente de Carbono. Los microorganismos son claramente muy adaptables, en formas que sólo recientemente estamos empezando a comprender.

La resistencia a los antibióticos se produce porque los antibióticos ejercen una presión evolutiva sobre una población determinada mediante la cual los organismos con resistencia natural pueden sobrevivir y reproducirse, mientras que los organismos que no tienen el factor de resistencia mueren. Una vez que se ha desarrollado un factor de resistencia, éste puede propagarse rápidamente dentro de una población o incluso de una comunidad mediante la transferencia genética horizontal, en la que el ADN se transfiere de una bacteria a otra. La transferencia de ADN que contiene genes de resistencia a los antibióticos (así como otros genes) puede ocurrir mediante tres procesos:

Transformación. Cuando una bacteria muere y se lisa (se destruye), otras bacterias que están creciendo activamente en estrecha proximidad pueden recoger su ADN.

Transfección. Los fagos, que son virus que infectan bacterias y hongos, a veces recogen genes adicionales de los microorganismos que infectan, los cuales luego se transmiten a otros organismos a los que infectan.

Conjugación. Las bacterias pueden fusionar sus membranas celulares e intercambiar plásmidos o fragmentos de sus cromosomas.

Estos procesos pueden ocurrir entre distintas «especies» de bacterias, lo que significa que es posible que los mecanismos de resistencia a los antibióticos solo tengan que evolucionar una vez y luego puedan extenderse a toda una comunidad.

Referencia:

Gardi Ciro and Jeffery Simon. Soil Biodiversity. Joint Research Centre, Scientific and Technical Reports Institute for Environment and Sustainability. Land Management & Natural Hazards Unit.

Biodiversidad del Suelo y Biotecnología

Los altos niveles de Biodiversidad que se encuentran en el sistema del suelo incluyen organismos que realizan una amplia gama de funciones ecológicamente importantes. Los organismos que habitan en el suelo, al igual que los organismos de la superficie, deben competir por los recursos y tratar de evitar ser presas hasta que logren reproducirse.

Las consecuencias de esto es que se están produciendo muchas “carreras armamentistas” evolutivas dentro del sistema del suelo. Esto, combinado con los altos niveles de diversidad, significa que hay una serie de funciones y compuestos dentro del sistema del suelo que pueden utilizarse para aplicaciones biotecnológicas, y potencialmente hay muchas más funciones y compuestos que podrían ser útiles y que aún no se han descubierto. Por este motivo, un área activa de la investigación biológica del suelo es la de la Biotecnología.

Las áreas de investigación biotecnológica generalmente se incluyen en una o más de los siguientes ámbitos:

​Biorremediación

La biota del suelo alberga muchos descomponedores diferentes. Estos son organismos heterótrofos que descomponen sustancias orgánicas para ganar energía y, al hacerlo, reciclan Carbono y Nitrógeno de vuelta al medio ambiente.

Este proceso también se puede utilizar como una forma de biotecnología conocida como biorremediación, que es el proceso de utilizar organismos (“bio”) para devolver un área contaminada a su estado natural (“remediación”).

A pesar de esta amplia definición, la mayor parte de la biorremediación en realidad se lleva a cabo mediante el uso de microorganismos debido a su capacidad para utilizar una gran gama de fuentes de Carbono como sustrato.

Diferentes descomponedores del suelo son capaces de degradar diferentes tipos de sustancias orgánicas. Algunos compuestos no son recalcitrantes y, por lo tanto, son susceptibles a la descomposición por parte de una variedad de organismos. Otros compuestos, como la lignina y la celulosa, son muy recalcitrantes y sólo susceptibles de descomponerse por unos pocos organismos selectos; por ejemplo, los hongos causantes de la pudrición parda en el caso de la lignina. Esto significa que algunos contaminantes no recalcitrantes pueden durar sólo un período corto en el medio ambiente y ser descompuestos sin la intervención humana. Sin embargo, muchos contaminantes orgánicos están compuestos de largas cadenas de Carbono e Hidrógeno y pueden ser estructuralmente similares a compuestos orgánicos complejos como la lignina. Estos compuestos generalmente duran mucho más tiempo en el medio ambiente, pero las similitudes en la estructura significan que los hongos frecuentemente pueden usarse para la biorremediación de muchos tipos de compuestos, siendo la clave la determinación de la cantidad correcta de especies de hongos para lograr una biorremediación eficaz de un compuesto determinado.

La increíble diversidad de bacterias significa que generalmente también existen tipos de bacterias capaces de degradar contaminantes. Nuevamente, es necesario determinar el tipo correcto de bacteria para un contaminante determinado a fin de lograr la máxima eficacia de la biorremediación.

La biorremediación ocurre o se lleva a cabo de tres formas diferentes:

Biorremediación intrínseca: Este proceso ocurre naturalmente en suelos o aguas contaminadas y es llevado a cabo por microorganismos que viven en el lugar de la contaminación. No se requieren organismos ni nutrientes adicionales.

Bioestimulación: En este proceso, se agregan nutrientes y/u oxígeno al suelo contaminado (o agua contaminada) para estimular el crecimiento y la actividad de los microorganismos que viven en el sitio de la contaminación.

Bioaumentación: Es el proceso de introducir organismos, generalmente microorganismos al suelo (o agua), para ayudar a la biorremediación intrínseca; o introducir organismos capaces de degradar un contaminante que la población intrínseca no puede degradar.

La biorremediación puede ser muy eficaz para eliminar contaminantes de los sitios afectados. En un caso por ejemplo, un volumen de suelo de 38 000 m³ en Canadá fue contaminado por una planta de gasificación con un subproducto de alquitrán de petróleo que contiene hidrocarburos aromáticos policíclicos, cianuro, xileno, tolueno y metales pesados. Después de la aplicación de una bacteria y una mezcla de nutrientes nitrogenados (una combinación de técnicas de bioestimulación y bioaumentación), los diversos contaminantes constituyentes del alquitrán de petróleo se redujeron entre un 40 y un 90 por ciento en sólo 70 a 90 días (Warith et al. 1992)

Referencia:

Gardi Ciro and Jeffery Simon. Soil Biodiversity. Joint Research Centre, Scientific and Technical Reports Institute for Environment and Sustainability. Land Management & Natural Hazards Unit.

Biodiversidad del Suelo y Agricultura Sostenible

Control de plagas y enfermedades.

Las plagas y enfermedades de las plantas representan un enorme problema para la producción agrícola, causando daños tanto cuantitativos como cualitativos a los cultivos.

Se estima que las pérdidas monetarias debidas a enfermedades transmitidas por el suelo en los Estados Unidos superan los 4 mil millones de dólares al año (Lumsden et al., 1995), y las pérdidas debidas a nematodos parásitos superan los 8 mil millones de dólares al año (Barker et al., 1994). Además, el costo de los patógenos de las plantas transmitidos por el suelo, para la sociedad y el medio ambiente, excede con creces los costos directos para los productores y consumidores.

El uso de pesticidas químicos para controlar patógenos transmitidos por el suelo ha provocado cambios significativos en la calidad del aire y el agua y ha alterado los ecosistemas naturales, lo que ha tenido como resultado efectos directos e indirectos en la vida silvestre y ha causado problemas de salud humana.

Las enfermedades de las plantas también pueden presentarse en ambientes naturales, pero rara vez proliferan y causan problemas importantes, por el contrario, la amenaza de epidemias de enfermedades en la producción agrícola es constante. Las razones de esto son cada vez más evidentes.

Las enfermedades de las plantas se presentan cuando un huésped susceptible y un patógeno causante de cierta enfermedad se encuentran en un ambiente favorable. Si no se cumple cualquiera de estas tres condiciones, la enfermedad no comienza ni se propaga. Una comunidad de suelo saludable tiene una red alimentaria diversa que ayuda a mantener bajo control las plagas y enfermedades mediante la competencia, la depredación y el parasitismo (Susilo et al. 2004).

Las enfermedades transmitidas por el suelo, frecuentemente son el resultado de una reducción en la Biodiversidad de los organismos que lo habitan. La restauración de los organismos benéficos que atacan, repelen o de algún otro modo antagonizan a los patógenos que causan enfermedades, hará que el suelo sea supresor de enfermedades.

Las plantas que crecen en suelos supresores de enfermedades, resisten las enfermedades mucho mejor que aquellas que crecen en suelos que tienen una baja diversidad biológica. Se pueden adicionar organismos benéficos directamente, o mediante un adecuado manejo agronómico, se puede hacer que el ambiente del suelo sea más favorable para ellos.

Estructura del suelo y relaciones suelo-agua.

Una estructura del suelo buena y estable es uno de los principales objetivos de los agricultores. Una estructura del suelo favorable, facilita la germinación y el establecimiento de cultivos, ayuda a prevenir el anegamiento, reduce los riesgos de escasez de agua y de sequía y maximiza la resistencia y la resiliencia contra la degradación física.

La estructura del suelo, es decir la disposición de las partículas elementales que lo conforman, está mediada por sustancias orgánicas e inorgánicas (microestructura) y por las actividades de los organismos vivos (excavaciones de meso y macrofauna, crecimiento de raíces, etc.) o por estructuras (raíces e hifas de hongos)

La macrofauna del suelo también desempeña un papel importante en la modificación de la estructura del mismo, a través de la bioturbación y la producción de estructuras biogénicas. Es fundamental tener un equilibrio adecuado entre la construcción y la destrucción de estructuras biogénicas por parte de los organismos, para prevenir procesos de degradación del suelo como la compactación (Barrios 2007).

La actividad de la macrofauna del suelo puede tener una influencia importante en la dinámica del agua y los nutrientes. En una serie de actividades experimentales llevadas a cabo en Burkina Faso, Mando et al. (1996) y Mando y Miedema (1997) demostraron que, al manejar la aplicación de mantillo orgánico y estiércol a la superficie del suelo con costras, era posible estimular las actividades de excavación y alimentación de las termitas. Los agujeros creados en la superficie del suelo ayudaron a prevenir la escorrentía y a la infiltración del agua.

También se ha demostrado que los sistemas de manejo con labranza cero o labranza mínima, al promover la actividad de los ingenieros del suelo, pueden mejorar sus características físicas.

Polinización

Dos tercios de las especies agrícolas del mundo dependen de los insectos para la polinización, lo que representa entre el 15 y el 30 por ciento de los alimentos y bebidas que consumimos.

Científicos franceses y alemanes han estimado que el valor económico mundial del servicio de polinización proporcionado por los insectos polinizadores, principalmente las abejas, fue de 153 mil millones de euros en 2005 para los principales cultivos que alimentan al mundo. Sin embargo, los servicios proporcionados por los polinizadores no se limitan a la productividad agrícola. También son clave para el funcionamiento de muchos ecosistemas terrestres porque mejoran la reproducción de las plantas nativas.

Diversas especies de insectos polinizadores (pertenecientes a Himenóptera, Coleóptera y otros órdenes de insectos) pasan parte de su ciclo de vida en el suelo. Las abejas nativas americanas, por ejemplo, se encuentran entre las más importantes.

Especies polinizadoras de cultivos y tienen tres necesidades básicas de hábitat:

• Deben tener acceso a una diversidad de plantas con épocas de floración superpuestas.

• Necesitan lugares para anidar. La mayoría de las abejas nativas son solitarias y ninguna construye las estructuras de cera o papel que asociamos con las abejas melíferas o las avispas, sino que anidan en pequeños laberintos de túneles y celdas que construyen en el suelo.

• Necesitan protección contra la mayoría de los pesticidas. Los insecticidas son principalmente de amplio espectro y, por tanto, son mortales para las abejas.

Además, el uso indiscriminado de herbicidas puede eliminar muchas de las flores que las abejas necesitan para alimentarse.

Esto demuestra la interacción positiva que se puede establecer entre la biodiversidad del suelo y la agricultura sostenible. Gracias a las limitaciones en el uso de compuestos xenobióticos e insumos externos, la agricultura sostenible garantiza un mayor nivel de biodiversidad del suelo. Al mismo tiempo, los servicios proporcionados por comunidades de suelos más complejas y saludables, retroalimentan y permiten una mayor reducción de los insumos externos que necesita la agricultura.

Así pues, la biodiversidad del suelo es de vital importancia para aumentar la sostenibilidad de la agricultura.

Referencia:

Gardi Ciro and Jeffery Simon. Soil Biodiversity. Joint Research Centre, Scientific and Technical Reports Institute for Environment and Sustainability. Land Management & Natural Hazards Unit.