El documento describe los ciclos de nutrientes en el suelo, enfocándose en el ciclo del nitrógeno. Explica que el nitrógeno proviene principalmente de la atmósfera a través de la fijación biológica y los depósitos atmosféricos. Detalla las transformaciones del nitrógeno en el suelo, como la amonificación, nitrificación y desnitrificación, llevadas a cabo por microorganismos. También discute las pérdidas de nitrógeno del suelo a través de proces

1. CICLOS de NUTRIMENTOS en el SUELO

2. NUTRIENTES ESENCIALES

4. Puntos a considerar: Algunas generalidades sobre los suelos Ciclo del nitrógeno Entradas y salidas Algunos términos importantes N en términos globales Como lo hacen los microbios Balance de N (entradas=salidas)

5. Suelo Producto secundario de la naturaleza resultado de la acción combinada de elementos, fenómenos y procesos que actúan sobre el material parental y a partir de donde se conforma su matriz mineral. Sistema abierto sujeto a intercambios energéticos y materiales diversos (geológicos, climáticos, topográficos, hidrológicos, bióticos, etc.)

6. Suelo Soporte físico de plantas y fuente de suministro de agua y nutrimentos. Medio de producción fundamental en la agricultura (incluye la producción).

7. Interrelaciones Basicas ps Mineral Organic Water Air 45% ~5% 50% MATERIAL SÓLIDO (50%) “ POROUS MEDIA” (50%) MEDIO POROSO

8. El ciclo de los nutrientes inorgánicos pasa a través de varios organismos, además entran a la atmósfera ,(agua) hidrosfera e inclusive a las rocas , litosfera . Así, estos ciclos químicos pasan también por los bio lógicos y los geo lógicos, de donde se los denomina :

9. CADA compuesto químico tiene su propio y único ciclo , pero todos los ciclos tienen características en común CICLOS BIO-GEO-QUÍMICOS

10. Hoy . . . . . N I T R O G E N O

11. Número atómico Símbolo atómico Peso atómico Nitrógeno Nombre del elemento Configuración electrónica

12. CICLO DEL CARBONO

13. FORMULA ESCTRUCTURAL DE LA CLOROFILA La clorofila es una molécula compleja, formada por cuatro anillos pirrólicos, un átomo de magnesio y una cadena de fitol larga (C20H39OH).

14. DEFICIENCIAS ( nitrógeno) NORMAL Nitrogen es un componente de las proteinas, particularmente clorofila menos N resulta en menos clorofila , entonces, menor verdor > nitrogen <

16. 1. Nutrición vegetal??? Tomar los elementos minerales desde el suelo No se refiere específicamente a la fotosíntesis.

17. Nombre % en planta relativo a N Funciones Macronutrientes (primarios) Nitrogen N 100 Proteins, amino acids Phosphorus P 6 Nucleic acids, ATP Potassium K 25 Catalyst, ion transport Mesonutrientes ( secundarios) Calcium Ca 12.5 Cell wall component Magnesium Mg 8 Part of chlorophyll Sulfur S 3 Amino acids Iron Fe 0.2 Chlorophyll synthesis Micronutrients (oligoelementos) Copper Cu 0.01 Component of enzymes Manganese Mn 0.1 Zinc Zn 0.03 Activates enzymes Boron B 0.2 Cell wall component Molybdenum Mo 0.0001 Involved in N fixation Chlorine Cl 0.3 Photosynthesis reactions

18. Summary of soil water chemistry In this summary occurrence of H+ in soil water is shown as the result of respiration of CO 2 and disassociation of carbonic acid H 2 CO 3 that forms Water flow

19. N-fixing bacteria Fig. 32.13 Most uptake from the soil is in the form of nitrate

20. Partículas minerales Arena (entre 0.06 y 2.00mm) Limo (entre 0.002 y 0.06mm) Arcilla (<0.002mm)

21. Textura del suelo Es la proporción relativa de arena, limo y arcilla en un suelo

22. Texturas (de acuerdo a USDA) Arcilla arcilla arenosa arcilla limosa franco (ideal, arena=50-72; limo=28-50; arcilla=5-28%) franco arcillo arenoso franco arenoso Franco arcilloso franco arcillo limoso franco limoso arena francosa arena limo

23. Consistencia Porosidad macroporos microporos Densidad aparente Se refiere al peso del suelo con relación al volumen

24. Materia orgánica del suelo Formada a partir de los diferentes residuos animales y vegetales que el suelo recibe. Los tejidos orgánicos muertos >colonizados y atacados por varios organismos del suelo; las combinaciones orgánicas reconvertidas: C 2 NH 4 H 2 PO 4 SO 4

25. Humus Parte mas o menos estable de la materia orgánica del suelo que permanece en el suelo luego que los procesos iniciales de descomposición han degradado la mayor porción de los residuos animales y vegetales agregados al suelo

26. Humus Tasa de mineralización: 1-5% por año en función de: cantidad composición: N, relación C:N (25-30 OK) condiciones ambientales suministro de agua temperatura

27. Humus Coloide, gran superficie de contacto, color oscuro. Aumenta la CIC aumenta la capacidad de retención de humedad mejora la estructura del suelo

28. Contenidos de materia orgánica (%) en algunos suelos de selva y savanna

29. Efecto del sistema de producción sobre la Materia Orgánica en el suelo

30. Mineralización de C en suelos de Yucatán

31. Mineralización de N en suelos de Yucatán

32. Efecto de la reducción de materia orgánica del suelo (por erosión) y la mineralización del humus Deterioro de la estructura. Reducción de porosidad aireación captación de agua de lluvia

33. Efecto de la reducción de materia orgánica del suelo (por erosión) y la mineralización del humus (II) Disminución de la capacidad de intercambio catiónico reducción de la capacidad de retención de humedad pérdida de nutrimentos potenciales en humus y reducción en cantidades liberadas hacia las plantas

34. Totales Mundiales (millones de hectáreas) Remoción de Vegetación 579 Sobreexplotación 133 Sobrepastoreo 679 Actividades Agrícolas 522 Industrial y Bioindustrial 23 Suelo Degradado = Menos alimentos

35. Termósfera Mesosfera Capa de ozono Estratosfera Troposfera

37. El ciclo del nitrógeno Productos Fertilizantes Ganado Plantas MO del suelo Fuego Partículas de suelo Lixiviación Lluvia ácida

39. Aspectos importantes sobre el ciclo del nitrógeno... El N proviene de la atmósfera, no de material rocoso, como otros nutrimentos Ciclos de C, P y S >muy asociados con el ciclo de N Sustentabilidad : entradas de N = salidas de N (o sea, sin pérdida neta de N del sistema)

40. Entradas de N en el sistema Fijación de N 2 Depósito húmedo (NH 3 y N x O disueltos en agua de lluvia) Depósito seco (NH 4 + y NO 3 - absorbidos por vegetación y suelo o por caída gravitacional de partículas en aerosol) Adición de materia orgánica en excretas animales y residuos vegetales Fertilizantes

41. Salidas de N en el sistema Cultivos: animales y vegetales Lixiviación Pérdidas gaseosas Volatilización de NH 3 Nitrificación / desnitrificación de N x O Erosión y escurrimiento

42. Son suficientes estas entradas para una agricultura sustentable? Cereales (maíz, sorgo), al menos 50-100 kg. N/ha/año Pastos: casi no se utiliza, pero la producción tiende a bajar. Si se usa, es 100 kg. N/ha/año Por tanto, actualmente: NO HAY SUSTENTABILIDAD

43. ¿Porqué? Fijación de N 2 : no se explota! No hay leguminosas aún en potreros! Mucha pérdida en excreta animal (NH 3 ) Depósitos atmosféricos: muy pocos, entre 5 y 10 kg. N/ha/año, en los mejores casos Suelos delgados, erosión vertical y lixiviación! Por lo tanto, se requieren fertilizantes!

44. Más fertilizante: Más Alimento, pero más polución también

45. Con prácticas futuras, aún es poco probable lograrlo, ¿porqué? No se da tiempo al suelo para recuperar - time is money, you know! Dependiendo del cultivo/sistema, se utiliza mucho N del sistema (carne=10%; leche=25%; cereales=hasta 70%) Más motivados por factore$ económico$$ que por sustentabilidad!!

46. Para ésto, se requiere: Optimizar las entradas, es decir, favorecer la fijación de N 2 y balancear descomposición de materia orgánica Minimizar pérdidas, o sea, reducir pérdidas como volatilización de NH 3 y lixiviación de NO 3 -

47. ¿Cual es la cuestion entonces? Sabemos que hacer... Pero no es rentable!! Ya lo decía Virgilio (36-29 AC, más de 2000 años!!) en su poema de cuatro tomos Georgianos (el Arte de la Agricultura): “ ... PARA PREVENIR LA PÉRDIDA DE LA FERTILIDAD DEL SUELO, ROTAR CULTIVOS, DEJAR BARBECHO Y SEMBRAR LEGUMINOSAS ...”

48. Términos importantes en el ciclo de nitrógeno: Fijación biológica de N 2 : conversión de gas N 2 a formas de N orgánico Inmovilización : absorción de N inorgánico y conversión a N orgánico Mineralización : conversión de N orgánico a N inorgánico por microbios del suelo Amonificación : conversión de N orgánico a NH 4 +

49. Más términos... Nitrificación : conversión de NH 4 + a NO 3 - Desnitrificación : conversión de NO 3 - a N 2 Fuego : conversión de N orgánico a gas N 2

50. ¿Qué es el N en la materia orgánica del suelo y de que se compone? 20-50 % amino ácidos/proteínas 5-10 % como amino azucares 1 % como ácidos nucleicos 50 % desconocido (probablemente productos de metabolismo microbial en mayoría, p.e. algo de lignina)

51. Papel de microorganismos La mayoría de las transformaciones del N en el suelo son llevadas a cabo por microorganismos. Los microbios controlan el ciclo de N, excepto reacciones químicas y físicas

52. Papel de microorganismos: transferencia de Energía y nutrimentos SOL Plantas productoras Animales consumidores Reductores O 2 CO 2 N , P, Ca, S, etc

53. Descomposición de materia orgánica y N

54. Mineralización de N a partir de follaje

55. Reacciones físicas y químicas... Fijación de NH 4 (carga +va) por partículas de arcilla (carga -va), Lixiviación de NO 3 - Fuego, causado por relámpagos

56. ¿Dónde esta todo el N del mundo? Estadísticas de N global Atmósfera(*) Océano Suelos Plantas y animales Contenido de N (x 10 16 kg) 386 2.3 0.02 0.05

57. ¿Dónde esta todo el N en el suelo? Componente suelo-planta-animal Biomasa vegetal Biomasa animal Hojarasca Mat. Org. del suelo (*) Biomasa del suelo (microbial y mesofauna) NH 4 + fijado NH 4 + y NO 3 - solubles % en cada compartimento 3.5 0.06 0.6 90 0.15 4.8 0.3

58. Efecto de tipo de suelo sobre el contenido de N orgánico del suelo Tipo de suelo Turba (histosol) Bosque pino (podzol) Bosque deciduo (cambisol/suelo café) Bosque tropical (oxisol) % de N de suelo como N orgánico 99 90 90 90

59. Tiempo de residencia del suelo El tiempo de residencia para el N en el suelo ha sido estimado en 175 años ! Puede ser de 2-3 semanas, o hasta de 1000 años, dependiendo de la fracción en que se encuentre.

60. N como nutrimento para las plantas Forma principal: nitrato (arroz: NH 4 + ) Enzimas: nitrato reductasa y nitrito reductasa Amonio: forma preferida por arboles y microbios Absorción de N: regulado por suministro y demanda Plantas: no acumulan N 75% N absorbido: removido por cultivo

61. % de N removido por algunos cultivos

62. Cantidad (kg/ha) de nutrientes removidos en la cosecha de diferentes cultivos

63. Curva típica de eficiencia de uso de N para cereales Incremento en rendimiento

64. Curva típica de eficiencia de uso de N para cereales (2)

65. Pérdidas de N N es el nutrimento mas móvil en el suelo Al menos 30 % de todo el fertilizante se pierde

66. Amonificación bacterial Si N disponible > N requerido por los microbios, el exceso es excretado como NH 4 + al suelo (p.e. al degradar residuos con C:N bajo como nódulos que son ricos en N) En suelos pH>7, el NH 4 + (ion en solución) es inestable y cambia a NH 3 (gas), que puede perderse vía volatilización

67. Nitrificación Reacción aeróbica conducida por bacterias autotróficas que convierten amonio (NH 4 + ) a nitrato (NO 3 - ). Las tasas máximas de nitrificación ocurren a pH neutro y altas temperaturas (factores que favorecen las bacterias involucradas en este proceso - Nitrosomonas y Nitrobacter

68. Nitrificación: el proceso NH 4 NO 2 NO 3 Amonificación Nitrificación

69. Desnitrificación bacterial Reducción microbial de NO 3 - a N 2 O o N 2 e.g. Pseudomonas Utiliza NO 3 - en lugar de O 2 como aceptor terminal de electrones

70. Condiciones que favorecen la desnitrificación: Condiciones anaeróbicas (inundación) Uso de fertilizantes Altas temperaturas Suelo pH neutro Alto contenido de materia orgánica

71. Consecuencias... Resulta en contaminación ambiental al destruir la capa de ozono También contribuye al calentamiento global (óxidos nitrosos; aunque de efecto menor)

72. Calentamiento por gases de invernadero

73. Temperaturas en Superficie han aumentado en el siglo pasado

75. N 2 O

76. Volatilización de amoniaco Proceso químico que convierte el ion amonio (NH 4 + ) a amoniaco (NH 3 ), que es acelerado por el viento, alto pH del suelo (>7) y altas temperaturas

77. Volatilización de amoniaco (2) Ocurre en altas tasas en suelos áridos y calcáreos También ocurre en suelos con baja CIC (e.g. suelos arenosos) pues el NH 4 + no es atrapado firmemente Prevalece en suelos con aplicaciones de excretas de granja o urea (el olor a NH 3 proveniente de gallinaza, por ejemplo)

78. Lixiviación Esto ocurre principalmente como NO 3 - (pues es adsorbido débilmente al suelo) Se acelera bajo adiciones altas de fertilizante NO 3 - (suministro> demanda) El NH 4 + solo es lixiviado en suelos arenosos (en los demás, es firmemente atrapado en/sobre la fase de intercambio) La lixiviación requiere altas precipitaciones para mover NO 3 - lejos de la zona radicular

79. Niveles de NOx aún son un problema en Europa y Norte América

80. Nutrimentos en exceso pueden estimular crecimiento de algas Pre 1972

81. Nutrimentos en exceso pueden estimular crecimiento de algas Post 1972

82. Escurrimiento y erosión Escurrimiento - sucede cuando hay alta precipitación, compactación del suelo y no hay cobertura sobre el suelo Erosión - el viento y/o el agua acarrean el suelo a otro lugar

83. Fijación Biológica de Nitrógeno Fijación de gas N 2 a amoniaco (NH 3 )

84. Organismos fijadores de Nitrógeno Bacteria Algas azul-verde (cyanobacteria)

85. Fuente de Carbono (energía) para la fijación de nitrógeno Heterotróficas (requieren asimilar C orgánico pre-formado) e.g. las bacterias, Rhizobium Autotróficas (hacen su propio C por medio de la fijación de CO 2 ) en fotosíntesis e.g. algas azul-verdes, Anabaena

86. Asociaciones para la fijación de Nitrógeno En vida libre (es decir, fijan N 2 por si mismas) e.g. las bacterias, Azospirillum (30 % de todo el N 2 fijado en el planeta) Simbiótica e.g. bacteria-planta ( Rhizobium y soya) (70 % de todo el N 2 fijado en el mundo)

87. Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno

88. Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno (2) Simbiosis - dos organismos conviven juntos (bacterias dentro de raíces)- el C proviene de la planta anfitriona

89. Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno (3) Asociación - dos organismos vagamente asociados (bacterias no en raíces, sólo en la rhizosfera en torno a la raíz)- el C proviene de la planta anfitriona

90. Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno (4) En vida libre - no asociadas con otro organismo y ya sea que hacen su propio C, o lo obtienen de material vegetal muerto

91. Como se forma un nódulo en una relación simbiótica entre una leguminosa y las bacterias de Rhizobium texto

92. Tipos de bacterias Rhizobium Bradyrhizobium

93. El tipo de bacteria es muy específico para el tipo de planta Especies de plantas Frijol, chícharo, trébol Alfalfa Soja Lupino Maní Especies de bacterias Rhizobium leguminosarum R. meliloti Bradyrhizobium japonicum B. lupinus B. arachis

94. Porque diferentes géneros... Rhizobium - de rápido crecimiento en medios de cultivo de laboratorio Bradyrhizobium - de lento crecimiento en medios de laboratorio

95. Características de crecimiento bacteriano en cultivos de laboratorio

96. Donde se forman los nódulos? En los pelos radicales e.g. trébol En las uniones de las raíces laterales e.g. Maní ( Arachis ) En la base del tallo e.g. arboles de Sesbania

97. Algo para tomar en cuenta... Los nódulos se forman únicamente en suelos pobres en nitrógeno Por lo tanto, INDEFECTIBLEMENTE los fertilizantes N reducen la fijación de N 2 y la formación de nódulos

98. Puntos importantes sobre la estructura de los nódulos La corteza previene la difusión (al interior) de O 2 (esto inhibiría las enzimas nitrogenasas) Tiene un buen suministro vascular para llevarse el N e importar C

99. Otro punto importante: No todos los nódulos pueden fijar nitrógeno! Nódulos Efectivos - aquel que fija mucho N (son simbióticos) Nódulos Inefectivos - fijan poco o nada de N (se les podría llamar parasíticos)

100. Algunas cifras sobre fijación de N 2

104. Absorción de nitrógeno y componentes del rendimiento para TRIGO . A large number of ear-bearing shoots and grains per ear are initiated and are later reduced in accordance with the growing conditions to sustainable numbers.

105. nitrate la concentración en la savia exprimida fuera del vástago de plantas. La cantidad de nitrógeno tomada por una cosecha depende de las condiciones cada vez mayor del campo particular y varía según las condiciones cada vez mayor del año (entre las líneas azules). La mineralización del nitrógeno de la materia orgánica de suelo también varía anualmente (entre las líneas rojas). Por lo tanto, el índice ' correcto ' del uso del fertilizante del nitrógeno para la misma cosecha en el mismo campo (flechas amarillas) será diferente a partir de año al año y puede necesitar el ajuste durante la estación de crecimiento.

108. Conclusiones El suelo... Más importante de lo que parece!! Características----> plantas/cultivos/pastos Biomasa microbial---->actividad “invisible” Procesos importantes: Ciclo de nutrimentos (N, el más móvil) Estrategias: Minimizar pérdidas maximizar “entradas” del mismo sistema

109. Conclusiones (II) Más énfasis en tecnología de procesos e.g. Cadenas tróficas, regeneración de vegetación, ciclo de nutrimentos, energía y agua, fijación de N. Menos en tecnología de insumos e.g. Fertilizantes, hormonas, aditivos, suplementos, riego, etc.