Utilización del potencial electroquímico de las diferentes capas de suelo como indicador de los microorganismos

1. Los procesos de óxido-reducción ejercen un control muy importante en las
concentraciones naturales de Oxígeno, Hierro, Metano, etc… en la rizosfera; además
sirven para determinar los niveles de lixiviación del Nitrógeno.
Los procesos redox, se realizan a través de la transferencia de electrones de un
átomo hacia otro. El orden en que se producen puede predecirse a través de las
dinámicas termodinámicas de equilibrio. Estos procesos suelen ser muy lentos, a
no ser por mediación de catálisis microbiana. Un ejemplo de ello es la reducción de
sulfatos de la materia orgánica, que sería lentísima de no ser por la acción
microbiana, Desulfovibrio sp, que a través de la acción enzimática cataliza el
proceso y la reacción puede darse de forma rápida en los ambientes naturales.
Estos procesos redox necesitan de agentes oxidantes como el Oxígeno o los nitratos. No
obstante, la acción de agentes reductores tales como la matería orgánica disuelta en el
agua de poro de los perfiles de nuestros greens también da lugar a estos procesos.
Un ejemplo de estos procesos puede darse con el Fe+2 y el Mn +4, tal que así:
2 Fe+2 + MnO2 + 4H+ <> 2 Fe+3 + Mn+2 + 2H2O
En esta reacción, dos electrones son transferidos de Fe(2) para reducir Mn(4) en MnO2.
El ión ferroso actúa como reductor y reduce Mn(4), mientras MnO2 puede llamarse
oxidante y oxida a Fe+2. Los electrones se intercambian entre los átomos y no existen
como “libres” en la solución del agua de poro.
La medición del Eh (V), potencial electroquímico determina la distribución de todos los
equilibrios redox, de forma muy similar a cómo el pH expresa la distribución el todos los
equilibrios ácido-base.

2. La medición se realiza a través de un electrodo inerte de platino contra un electrodo
estándar con un potencial conocido (Grentheet al., 1992 y Christensen et al., 2000)
Gradiente de óxido-reducción en la rizosfera

3. Así, podemos ver diferentes procesos dependiendo de las mediciones realizadas:
Especie Oxidada Especie Reducida mv mv Oxígeno disuelto (ppm)
O2 H2O +750 +800 12 Sobresaturación
NO3- NO2- +450 +400 4.0
NO2- NH3 +400 +350 0.4 Desnitrificación
Fe+3 Fe+2 +300 +200 0.1 Reducción ferrosa
SO4- S2- -150 -200 0.0 Reducción sulfato
CO2 CH4 -250 -300 0.0 Metanogénesis

4. Potencial de oxidación – reducción
Las condiciones de oxidación-reducción del suelo son de gran importancia para procesos de
meteorización, formación de diversos suelos y procesos biológicos, también están relacionadas con
la disponibilidad de ciertos elementos nutritivos.
La formulación química de las reacciones de oxidación-reducción es la siguiente:
ESTADO OXIDADO + ELECTRONES <=> ESTADO REDUCIDO
A ====> A+ + e- (se oxida)
B + e- ====> B- (se reduce)
Elementos reductores (A): presentan facilidad para oxidarse y ceder electrones.
Elementos oxidantes (B): elementos proclives a ganar electrones y reducirse.
SISTEMA REDOX: Conjunto de un oxidante y un reductor.
En el suelo existe un equilibrio entre los agentes oxidantes y reductores. La materia
orgánica se encuentra reducida y tiende a oxidarse, es reductora, ya que al oxidarse
tiene que reducir a otro de los materiales del suelo. Por el contrario el oxígeno es
oxidante. Por otra parte hay muchos elementos químicos que funcionan con valencias
variables, pudiendo oxidarse o reducirse según el ambiente que predomine.
Compuestos más importantes en estas reacciones:
Oxidante: Oxígeno (condiciones aerobias)
Reductor: M.O. (se oxida, libera energía para microorganismos y se origina el
compuesto más oxidado: CO2)
Los procesos de oxidación reducción envuelven a otros elementos que pueden actuar
con diferentes valencias y entre ellos tenemos: Fe, Mn, S, N. Algunos ejemplos de
procesos de de oxidación en el suelo son:
Oxidación: del Fe2+de minerales primarios en Fe3+ formando óxidos e hidróxidos
Fe2+ ===> Fe3+ + e-;
la transformación de Mn2+ en Mn4+;
la oxidación de S2-, por ejemplo de pirita, en sulfatos;
la nitrificación o sea la transformación de NH4 en nitritos y nitratos.
Por el contrario muchos procesos suceden bajo condiciones reductoras como:
la desnitrificación,

5. la desulfuricación,
la formación de compuestos Fe2+ y Mn2+.
POTENCIAL DE OXIDACIÓN (Eh): Es la capacidad oxidante de un sistema. Se
mide en voltios (usualmente en milivoltios).
Sistemas más oxidantes que el hidrógeno: Eh positivo.
Sistemas más reductores que el hidrógeno: Eh negativo.
La reducción de elementos en el suelo al aumentar las condiciones anaerobias sigue
la secuencia:
O2 NO3
- Mn4
+ Fe3
+ SO4
2- CO2
-
Un componente empezará a reducirse cuando todas las formas oxidadas con Eh
superiores se hayan reducido
En los suelos normales el ambiente es aireado y por tanto la tendencia general es
oxidante. En los suelos hidromorfos la saturación en agua tiende a provocar un
ambiente reductor.
Los valores de pH y potencial redox (medidas Eh) delimitan los campos de
estabilidad de los materiales del suelo. En sistemas naturales los límites superior e
inferior de los potenciales redox vienen definidos por el límite de estabilidad del
agua.

6. *
Los compuestos de Fe y Mn son muy sensibles a cambios de pH y Eh.
*
El Potencial Redox de los Suelos
Se denomina potencial redox de un suelo a su capacidad reductora u oxidativa. Tal
atributo se encuentra estrechamente vinculado con la aireación del sistema edáfico, así
como con el pH, ya que ambos condicionan tanto la actividad microbiana como el tipo

7. de reacciones que acaecen en él. El agua influye en estos procesos al modificar la
distribución del aire en el suelo, y por ello la difusión del O2 y la concentración de CO2.
La principal materia reductora del suelo, bajo un buen drenaje, resulta ser la materia
orgánica, ya que se suele incorporar de forma reducida en los aportes de la biomasa y
necromasa. El metabolismo del suelo tiende a oxidarla, mediante la intervención de
otros de sus elementos que pasan así a formas más reducidas. Del mismo modo, el
oxígeno es el principal agente oxidante. Entre estos dos extremos, muchos
elementos constitutivos del medio edáfico poseen la capacidad de oxidarse o
reducirse (a lo que se denomina carga variable) según el ambiente que predomine en el
suelo (aireación que induce a la oxidación; encharcamiento o hidromorfía que
provoca la carencia de oxigeno y génesis de un ambiente reductor). El potencial redox
afecta a aquellos elementos que pueden existir en el suelo en dos o más estados de
oxidación, como es el caso del O, C, N, S, Fe, Mn, C y Cu). Las condiciones de oxido-
reducción resultan ser de vital importancia en los procesos de meteorización o
alteración de los minerales del suelo y las rocas de las que proceden, por lo que
repercuten directamente en la formación de los tipos de suelo (edafotaxa), así como en la
actividad biológica de los mismos. Del mismo modo, afectan a su fertilidad, ya que
condicionan la biodisponibilidad de varios elementos nutritivos indispensables para
el desarrollo de las plantas, vía modificación del pH. En este sentido, el color de los
suelos es un buen indicador de su potencial redox. Recodemos que las atmósferas de
la tierra primigenia eran netamente reductoras, por lo que el metabolismo del suelo era
muy diferente de los que acaecen en la actualidad. Por el contrario, una oxidación de la
materia orgánica, en ausencia de ambientes reductores, termina por decomponer
tales compuestos en anhídrido carbónico y agua. Si el ambiente es anóxico, tal
proceso de degradación puede generar la emisión de metano a la atmósfera.
Formulación química de las reacciones de oxidación-reducción es la siguiente:
ESTADO OXIDADO + ELECTRONES <=> ESTADO REDUCIDO
Los procesos de oxidación reducción envuelven a elementos que pueden actuar
con diferentes valencias y entre ellos tenemos: Fe, Mn, S, N. Algunos ejemplos de
procesos de de oxidación en el suelo son:Oxidación: del Fe+2 de minerales primarios en
Fe+3 formando óxidos e hidróxidos; la transformación de Mn+2 en Mn+4; la oxidación de
compuestos sulfurosos, por ejemplo de pirita, en sulfatos; la nitrificación o sea la
transformación de NH4 en nitritos y nitratos.
Por el contrario muchos procesos suceden bajo condiciones reductoras como la
desnitrificación, la desulfuricación, la formación de compuestos Fe+2 y Mn+2. (…) En los
suelos normales el ambiente es aireado y por tanto la tendencia general es
oxidante. En los suelos hidromorfos la saturación en agua tiende a provocar un ambiente
reductor (figura 6). Los valores de pH y potencial redox (medidas Eh) delimitan los
campos de estabilidad de los materiales del suelo. Los compuestos de Fe y Mn son
muy sensibles a cambios de pH y Eh.
El Manual de Edafología de Jaume Porta, Marta López-Acevedo y Carlos Roquero
aporta información más técnica, de la cual extraemos los siguientes párrafos.

8. Las reacciones en las que los estados de oxidación cambian se denominan
reacciones redox e implican transferencia completa de electrones de unas especies
químicas (agentes reductores) a otras (agentes oxidantes).
Interacción entre la materia orgánica y los metales del suelo
Fuente Comercial Química Massó
Se trata de procesos reversibles que de forma genérica pueden formalizarse mediante la
formula canónica que se expone en la Web de la Universidad de Granada (la de arriba).
Pero sigamos con los comentarios que a este respecto escriben Porta y colaboradores
“(…) hay que tener en cuenta que en la naturaleza no existen electrones libres y, por ello,
toda oxidación (cesión de electrones) lleva asociada la correspondiente reducción
(aceptación de electrones). En el suelo las reacciones redox afectan principalmente a
O, N, Fe, Mn, S y C y, en el caso de los suelos contaminados, pueden verse
afectados otros elementos, tales como el selenio y cromo entre otros. El agente
reductor más importante del suelo es la materia orgánica (…) En suelos bien aireados el
oxígeno actúa como el aceptador de electrones fuerte y las distintas especies
químicas presentan los estados de oxidación más elevados (carga máxima), por ser
los más estables”. (…) “Por el contrario, en los suelos con exceso de agua
(hidromorfos, carácter ácuico), el medio se considera rico en dadores de electrones,
por lo que las formas más estables serán las reducidas. Los estados de Oxidación del
hierro (Fe (II) y del manganeso MN (II) resultan más solubles, y por ello más móviles, que
las formas oxidadas. No obstante, en medios fuertemente reductores, la presencia de
azufre puede dar lugar a la precipitación de especies tales como FeS y FeS2 (pirita).
(…) El Potencial redox, Eh, proporciona información acerca de la tendencia de una
sustancia a aceptar o ceder electrones (..) partiendo de unas condiciones iniciales
aeróbicas” la reducción de elementos en el suelo a medida que se acentúan las
condiciones anaeróbicas sigue una secuencia que depende del potencial redox que se
vaya alcanzando., Las secuencias oxidativas se hacen inestables, con una secuencia que
va afectando sucesivamente a diversas especies de un modo secuencial (…)”

9. Instrumentos para estimar pH, temperatura y
potencial redox de los suelos
en las que según nos describe Jaume Porta y col., interviene una secuencia o
sucesión ecológica de comunidades microbianas de organismos anaerobios que se
suceden conforme los valores de Eh descienden gradualmente. Aclaremos de paso
que el vocablo ácuico utilizado por estos autores corresponde a un tipo de régimen de
humedad de los suelos que se utiliza en la terminología de la taxonomía americana y
viene a informarnos de un encharcamiento, al menos durante ciertos periodos
prolongados del año. Del mismo modo, la fuerte acidez asociada a la precipitación de la
pirita tiene como resultado unos suelos o edafotaxa denominados “ácido-sulfáticos”
que muy frecuentemente generan problemas en rehabilitación y posterior utilización de
tierras pantanosas (como los manglares) para su uso agrario. Porta y colaboradores
nos informan también de que la reducción de nitratos y formas oxidadas de manganeso
y hierro es realizada mediante la intervención de microorganismos anaerobios
facultativos (es decir que pueden actuar de este modo o no, según el estado del
ambiente óxido-reductor del suelo), mientras que en la de sulfatos y sulfuros se requiere
la intervención de comunidades microbianas estrictamente anaerobias. Por estas
razones, estas últimas reacciones se generan en suelos totalmente anaerobios durante
todo o la mayor parte del año. Finalmente los mentados autores comentan, ya a un nivel
más técnico que:
“El intervalo de valores potenciales redox en sistemas naturales va de 700 mV a -300 mV.
La zona límite entre condiciones aerobias y anaerobias se sitúa alrededor de Eh igual a
200 mV, las condiciones fuertemente reductoras corresponden a valores de de -250 mV
(…). Por ello, diversas propiedades de un sistema suelo-agua-mineral se ven
afectadas por los procesos redox:
· Solubilidad mineral
· pH del sistema
· Reacciones de superficie
· Disponibilidad o presencia de ciertas especies minerales
· Persistencia y toxicidad
· Contenido de sales y conductividad eléctrica
· Volativilidad de especies químicas.
El Manual de Edafología de Porta y colaboradores aporta abundante información al
respecto que debería ser leída por los estudiantes universitarios que deseen ampliar sus
conocimientos sobre el tema. Reiteramos que con vistas a entender las repercusiones

10. de los ambientes reductores-oxidativos sobre la morfología de los suelos, debeís
buscar otros post anteriores de esta weblog en los que se habló de la hidromorfía y el
color de los suelos. Desde el punto de vista aquí abordado, los suelos (y/o sus
horizontes) pueden agruparse en tres categorías muy genéricas: (i) permanentemente
aireados, (ii) anegados de agua estacionalmente y (iii) permanentemente
encharcados.