Efecto de la actividad microbiana sobre la nitrificación en suelos cultivados con Brachiaria humidicola (Rendle) Schweicerdt en Cereté, Córdoba

Effect of the microbial activity on nitrification in soils cultivated with Brachiaria humidicola (Rendle) Schweicerdt in Cerete, Cordoba

Liliana M. Grandett[1]*, Sony De la C. Reza[2], Juan Jaraba[3], Yuri J. Pardo[4].

Recibido para publicación: Mayo 1 de 2015 – Aceptado para publicación: Noviembre 25 de 2015

RESUMEN

Los fertilizantes nitrogenados en la agricultura han incrementado las emisiones de óxidos de Nitrógeno a la atmósfera. En este trabajo se evaluó la producción de NO2- (nitrito) y NO3- (nitrato) de microorganismos del suelo durante la época seca y de lluvias, en el Centro Investigación Turipaná de Corpoica, Cereté, Colombia. Se utilizó un diseño de parcelas divididas con bloques completamente al azar, con tres accesiones de Brachiaria humidicola (CIAT 16888, CIAT 26159 y CIAT 679), tres dosis de nitrógeno (0, 150 y 300 kg ha-1), dos épocas de aplicación y tres repeticiones por tratamiento. Parcelas sin cobertura vegetal fueron usadas como control. Se determinó el número más probable (NMP) de colonias de bacterias productoras de nitrito y nitrato en la época seca y lluviosa, se evaluó la velocidad de producción de nitritos, nitratos y nitratos totales (nitritos + nitratos) en la época lluviosa, al inicio (Mayo) y al final (Septiembre) de la fertilización nitrogenada. El mayor NMP se encontró a 300 kg ha-1 de N y la más alta producción de nitritos y nitratos se encontró en las parcelas sin cobertura. Las accesiones CIAT 16888 y CIAT 279 presentaron las menores producciones de nitratos y nitratos en todos los tratamientos en ambos muestreos. Las accesiones de B. humidicola utilizadas en este estudio redujeron la producción de nitritos y nitratos en condiciones de campo, por lo que constituyen una pastura importante en las estrategias de reducción de emisiones de óxidos nitrosos a la atmósfera.

PALABRAS CLAVES: Nitrógeno, nitritos, nitratos y Brachiaria humidicola.

ABSTRACT

Nitrogen fertilizers used in agriculture have increased the emissions of nitrogen oxides to the atmosphere. This study evaluated the production of NO2- (nitrite) and N03- (nitrate) by soilborne bacteria during the dry and the rainy seasons in The Reseach Center Turipaná, Corpoica, (Cereté, Colombia). A split plot desing with three accessions of Brachiaria humidicola (CIAT 16888, CIAT 26159 and CIAT 679), three levels of nitrogen (0, 150 and 300 kg ha-1) and two time of applications (rainy and dry season) were used. Unplanted plots were used as a control. The Most Probably Number (MPN) of bacterial colonies (Log NMP/10g of soil) was assessed in the rainy and dry season. In addition, the speed of nitrite and nitrate production (mg N-NO2- kg-1 day- 1) by soilborne bacteria was determined at the beginning (May) and the end of the rainy season (September). The results showed that the number of bacterial colonies were directly proportional to the nitrogen levels. Consequently, the highest number of MPN of bacterial colonies was observed at the highest level of nitrogen (300 kg ha-1). The nitrite and nitrate production was higher in planted plots compared to unplanted plots. However, the higher production of oxides of nitrogen was observed at the beginning of the rainy season. B. humidicola CIAT 26159 showed the highest production of nitrite at the level of 300 kg of N ha-1 compared to the other two B. humidicola accessions and the control in May. In contrast, B. humidicola CIAT679 was more efficient in the nitrite production compared to the other treatments.

KEY WORDS: Nitrogen, NMP, nitrites, nitrates and Brachiaria humidicola.


[1] * Ms. C. Investigador, Centro de Investigación Turipaná  CORPOICA, Kilómetro 13 vía Montería – Cereté. Teléfono: 3152444667; correo electrónico: lgrandett@corpoica.org.co.

[2] Ph.D. Investigador Centro de Investigación Turipaná  CORPOICA, sreza@corpoica.org.co. Kilómetro 13 vía Montería – Cereté.

[3] Ph. D. Profesor, Departamento de Ingeniería Agronómica y Desarrollo Rural, Universidad de Córdoba, Montería, Colombia.

[4] Ms. C. Profesor grupo de investigaciones en bioquímica. Universidad de Córdoba, Montería, Colombia. Correo electrónico yurijanio2011@gmail.com

INTRODUCCIÓN

El nitrógeno es un componente esencial para cualquier cultivo, por ello el uso de fertilizantes orgánicos y minerales es una práctica extendida en sistemas agropecuarios. Sin embargo, la utilización masiva de fertilizantes nitrogenados en los suelos ha dado lugar a un aumento importante en las emisiones de óxidos de nitrógeno a la atmósfera. De todos ellos, se destaca el óxido nitroso (N2O), un potente Gas de Efecto Invernadero (GEI) implicado en la destrucción de la capa de ozono. La producción de N2O en los suelos ocurre tanto por el proceso oxigénico de nitrificación como por el anoxigénico de desnitrificación y está sujeta a las condiciones ambientales y al tipo de manejo al que los suelos son sometidos (Bronson 1994).

La nitrificación es un proceso bioquímico importante para la fertilidad del suelo por el cual las bacterias nitrificantes transforman el amonio en nitratos (NO3-) para ser utilizado por las plantas. Sin embargo, algunos aspectos negativos de este proceso han sido objeto de estudio, especialmente la lixiviación de NO3- y emisión de óxido nítrico (NO) y N2O. La desnitrificación es el proceso por el cual el nitrógeno en forma de nitrato pasa a NO2-, N2O y N2, los cuales tienen un gran potencial en las pérdidas de nitrógeno en los sistemas agrícolas. Se han estimado pérdidas debidas a la desnitrificación de hasta 73% del nitrógeno aplicado en el fertilizante (Knowles 1982; Sanaa 1993).

Varias prácticas de mitigación del calentamiento global han sido propuestas, entre ellas se consideran las dosis, fuentes y modos de aplicación de fertilizantes, como también, el uso de productos químicos y biológicos de la nitrificación. Los inhibidores químicos son compuestos que disminuyen la tasa de nitrificación al interferir con las actividades de las bacterias del grupo de las nitrosomonas, bloqueando la transformación de NH3 en NO2-, conservando la forma amoniacal menos sujeta a pérdidas (Subbarao et al. 2006a). Sin embargo, los trabajos realizados en campo con estos productos no han arrojado resultados consistentes y de difícil reproducibilidad (Subbarao et al. 2006a). Los inhibidores biológicos de la nitrificación (INB) en el suelo han sido reportada (Lodhi 1982; White 1991). Algunos estudios sugieren que ciertos pastos tropicales son capaces de inhibir la nitrificación (Lata et al. 2000). Estudios realizados el CIAT- JIRCAS (Japón) en Colombia, encontraron que las especies B. humidicola, B. decumbens, B. brizantha y B. dyctioneura inhiben la nitrificación, debido a la producción de exudados en las raíces, (Brachialactona) estimulados por la presencia de amonio (NH4+) en el suelo (Subbarao et al. 2006 a y b; Subbarao et al. 2009).

En Córdoba, se desconoce si las especies de Brachiaria cultivadas tienen capacidad inhibitoria de la nitrificación y cómo esa capacidad se comporta durante la temporada seca y de lluvias. Por lo anterior, se planteó el presente estudio para determinar la capacidad inhibitoria de nitrificación y reducción de óxido nitroso en campo de tres accesiones de Brachiaria humidicola en las épocas seca y lluviosa.

MATERIALES Y MÉTODOS

Localización del estudio

El experimento se desarrolló en el Centro de Investigaciones “Turipaná” de Corpoica, en el Departamento de Córdoba Municipio de Cereté, kilómetro 13 sobre la vía Montería-Cereté a 14 msnm, 8º 50’ 986” de latitud Norte y 75º 48’ 907” de longitud Oeste con una temperatura promedio de 28ºC, humedad relativa de 87% y precipitación promedio anual de 1200 mm, distribuidas en las épocas de lluvias (Abril a inicios de Noviembre) y una época seca (finales de Noviembre a mediados de Abril).

Diseño experimental

Se estableció un experimento con tres repeticiones y tres accesiones de Brachiaria humidicola. La parcela principal (100 m2) fue la accesión de Brachiaria y las parcelas secundarias (33 m2), la accesión y dosis de nitrógeno (urea al 46%). Se utilizó un área (100 m2) desprovista de vegetación como control.

Establecimiento del experimento

Se estableció un experimento con tres accesiones de Brachiaria humidicola (CIAT 679, CIAT 16888 y CIAT 26159) y tres niveles de nitrógeno (0, 150 y 300 kg ha-1) con tres repeticiones. Las propiedades físicas y químicas del suelo se determinaron en el área de estudio. Los análisis físicos se realizaron en el laboratorio de suelos del CIAT según la metodología del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (SoilSurveyStaff 1999) y los análisis químicos se realizaron en el laboratorio de suelos de la Universidad de Córdoba según la metodología estandarizada por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC 1990).

El lote experimental se preparó con dos pases de rastra pesada y dos de pulidor. La aplicación de fertilizante base (100 kg ha-1 de DAP y 50 kg ha-1 de KCl) se hizo antes del último pase con base en los resultados de los análisis del suelo, de acuerdo al Manual de Asistencia Técnica No. 25 ICA (1992). Las accesiones fueron sembradas a 50 cm x 60 cm posterior a la aplicación de fertilizantes. Para simular el pastoreo, las dosis de nitrógeno se dividieron en seis aplicaciones durante la época de lluvias, las cuales se realizaron cada 28 días, después de cada corte de la pastura.

Parámetros evaluados

Se determinó el número más probable (NMP) de colonias de bacterias productoras de nitrito y nitrato (Log NMP/10 g de suelo) en las épocas seca y lluviosa, la velocidad de producción de nitritos (mg N-NO2-kg-1 día-1), nitratos (mg N-NO3- kg-1 día- 1) y el total (nitritos + nitratos) en la época lluviosa.

El NMP se determinó durante cada época del estudio. De cada unidad experimental y de las parcelas sin cobertura vegetal, se tomó una muestra de suelo compuesta de cinco submuestras. Las diluciones para determinar el NMP fueron seleccionadas con base en una prueba preliminar, tomando una muestra de cada accesión en las subparcelas con 0 aplicación de N, donde se cuantificó el NMP usando la metodología propuesta por Saad y Conrad (1993). Brevemente, se hicieron diluciones seriadas de suelo-solución buffer de fosfato estéril desde 10-1 a 10-9. Se transfirió 1 mL de cada dilución a tubos de ensayos con medio de cultivo, usando como control tubos con medios no inoculados. Se realizaron cuatro réplicas por dilución. Los tubos fueron incubados a una temperatura entre 25 – 30 ºC en la oscuridad durante tres semanas y posteriormente de cada tubo, se transfirió una alícuota de 0,1 ml a una placa teste, donde se adicionó una gota de Diazotizing Reagent y Coupling Reagenty se observó si los tubos se tornaban color rosa a rojo (positivos) indicando que NO2- estaba presente y en la dilución había presencia de bacterias amonio-oxidantes. Los tubos donde no se produjo alteración del color del medio, fueron considerados negativos. El NMP se determinó cuantificando el número de tubos positivos en cada dilución. Las diluciones seleccionadas en esta prueba fueron utilizadas para monitorear el NMP en cada uno de los tratamientos durante ocho semanas utilizando el procedimiento anteriormente descrito.

La velocidad de producción de nitrito y nitrato se determinó durante la época lluviosa y estuvo sujeta al tiempo en el cual se realizaron las aplicaciones de nitrógeno. Se realizaron dos muestreos, uno después de la primera aplicación de N (Mayo) y otro después de la segunda (Septiembre), usando la metodología de suelo incubado desarrollada por Watanabe y estandarizada por el CIAT (CIAT, 2006 y 2007). La velocidad de obtención de nitritos y nitratos se determinó a partir de la pendiente entre la concentración de nitrito y nitrato en relación al tiempo.

Análisis de la información La información obtenida fue analizada estadísticamente mediante análisis de varianza y la comparación de medias de rango múltiple de Tukey (P<0.05), así como los coeficientes de determinación y regresión utilizando el paquete estadístico SAS (Statistical Análisis System) versión 9.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Presencia de colonias productoras de nitrito en el proceso de nitrificación. Se detectó actividad microbiana en ambas épocas de estudio en las tres accesiones de B. humidicola (Tablas 1 y 2). Sin embargo, el NMP fue mayor en la época lluviosa, lo cual pudo estar influenciado por la fertilización nitrogenada y mejores condiciones de humedad del suelo. En ambas épocas, a partir de la semana 6 de incubación el NMP tiende a disminuir, probablemente debido al agotamiento de nutrientes del medio de crecimiento de estos organismos, lo cual es típico en la tendencia del NMP de colonias en Brachiaria. El comportamiento del NMP en ambas épocas y en las diferentes semanas de evaluación está acorde con las afirmaciones de Sextone et al. (1985), quienes determinaron que la humedad, la acidez, la temperatura, la concentración de oxigeno entre otros, influyen en el crecimiento y desarrollo de los microorganismos.

Se observaron diferencias significativas en el NMP entre accesiones en cada período. Durante la época seca la accesión CIAT 16888 mostró el mayor NMP de colonias durante las dos primeras semanas de evaluación (semana 3 y 4) comparada con las otras accesiones (Tabla 1). Durante la época lluviosa, la accesión CIAT 16888 fue superior en el NMP que la CIAT 679 en las primeras semanas de evaluación, mientras que en las últimas semanas la accesión CIAT 16888 fue superior en el NMP a la CIAT 26159 (Tabla 2). Estas diferencias en el NMP muestran que las accesiones tienen diferente capacidad de asociación con este tipo de bacterias, pese a que se encuentren en condiciones similares de suelo, ambiente y manejo.

Los coeficientes de variación del NMP oscilaron entre del 23,6% al 84,3%, característico de este tipo de investigación, probablemente debido a la presencia de otros microorganismos oxidantes de amonio a nitrito en las muestras de suelo analizadas, que no se evidenciaron durante este estudio. Sommer et al. (1976), reportan que existen otras bacterias como la Nitrosospira y Nitrosocystus y algunos hongos heterotróficos como el Aspergillus flavus que también desempeñan un papel importante en el proceso de nitrificación.

En las parcelas sin cobertura vegetal, no se observó un patrón definido del NMP durante el período de evaluación en la época seca, mientras que en la lluviosa el mayor NMP se presentó en la dosis de 300 kg ha-1. La ausencia de cobertura vegetal hace que las condiciones de humedad y temperatura del suelo sean variables con respecto a los suelos con vegetación, lo que afecta el establecimiento de microorganismos que intervienen en la descomposición de materia orgánica, por lo que los productos de la mineralización del nitrógeno puede ser lixiviados o emitidos a la atmósfera con mayor facilidad en suelos sin vegetación, comparado con aquellos que la tienen (Trevors 1998; Montaño y Sánchez- Yañez 2014).

Los valores encontrados en el NMP en esta investigación coinciden con los hallados por Franklin y Mills (2003). Además, el NMP de microorganismos oxidadores de amonio a nitrito en este estudio, siguen la tendencia general de la curva de crecimiento de los microorganismos, en donde las primeras tres semanas de incubación el crecimiento es lento, pero a partir de la cuarta o quinta semana es rápido, disminuyendo a partir de esta última semana (Negroni 2009; Cerón y Ancizar 2012).

3.2. Producción de nitritos y nitratos

Las mayores producciones de nitritos y nitratos se encontraron en el suelo desnudo, comparados con las detectadas en los suelos sembrados con cada una de las accesiones de Brachiaria (Figura 1). Estos resultados muestran la capacidad que tiene B. humidicola de inhibir nitrificación, lo cual concuerda con los estudios del CIAT (2007) en Colombia y a los realizados por Subbarao (2009), donde se demostró la capacidad de ésta planta de reducir la producción de nitritos y nitratos y que dicha capacidad está asociada con la producción de exudados (Brachialactona) en las raíces.

La influencia de las dosis de fertilizantes en la producción de NO2- en las dos evaluaciones fue contundente. Se observó que la dosis de 300 kg de N ha-1 en ambas evaluaciones fue superior (P<0.05) en la producción de NO2- con respecto a la no aplicación del fertilizante, mientras que la dosis de 150 kg de N ha-1 presentó resultados intermedios. De lo anterior se puede inferir que el efecto de las aplicaciones de nitrógeno sobre la producción de nitritos, es mayor que el producido por la enzima inhibidora de la nitrificación, posiblemente, debido a la mayor disponibilidad, en el suelo, de NH4+ para la nitrificación. Además, se prevé que las mayores producciones del mes de mayo (época lluviosa), se deben a las condiciones ambientales y edáficas propias de la época (Grageda 2000). En la interacción entre las accesiones y dosis de nitrógeno, sobre la velocidad de producción de nitrito (mg N-NO2- kg-1 día-1) en ambas fechas de evaluación, se observó producciones bajas de nitritos en las parcelas cultivadas en comparación con el suelo desnudo, mientras que entre accesiones hubo diferencias claras. En el primer muestreo no se presentaron diferencia estadística entre los tratamientos a excepción de B.h CIAT 26159 en dosis de 300 kg de N ha-1, que fue superior con 3,27 mg N-NO2- kg-1 día-1, comparada con las otras dos accesiones. En el segundo muestreo, las accesiones CIAT 16888 y CIAT 26159 fueron las que presentaron producciones de NO2- superiores a la CIAT 679 en todos los tratamientos.

Estos resultados confirman que las accesiones tienden a ser más eficientes en la inhibición de la nitrificación para los dos muestreos, lo cual probablemente se debió a que en el suelo desnudo estuvo sometido con mayor rigor a los cambios climáticos y a los factores edáficos, por lo tanto, la regulación de la producción de nitritos se ve afectada, mostrando una tendencia a producir mayor cantidad en la primera evaluación. Ello significa, que en los suelos sin cobertura vegetal las pérdidas de nitrógeno son mayores, lo cual pueden incrementar la problemática del calentamiento global, por lo que el establecimiento de pasturas beneficia el equilibrio ambiental, ya que tienen la capacidad de inhibir el proceso de nitrificación.

Velocidad de producción de nitratos

La producción de nitrato presentó la misma tendencia de la de nitritos en ambos muestreos. En el primer muestreo la accesión CIAT16888, con 1,31 mg N-NO3- kg-1 día-1, fue la más eficiente de las tres accesiones al presentar la menor producción de este compuesto, mientras que en el segundo muestreo, las accesiones CIAT 16888 y CIAT 679 (4,99 y 3,84 mg N-NO3- kg-1 día-1, respectivamente) fueron más eficientes en este proceso. Este comportamiento reafirma, que la condición de humedad, propia de la época lluviosa, es adecuada para el crecimiento y desarrollo de bacterias que oxidan los nitritos a nitratos, el cual a su vez, es más estable que el ion nitrito, por consiguiente permanece más tiempo en el medio.

La producción de nitratos fue mayor en las parcelas fertilizadas comparadas con el control en ambas épocas (Figura 2). En adición, en el primer muestreo, la producción de nitratos estuvo directamente relacionada con las dosis del fertilizante, con la mayor producción en las parcelas y con la mayor aplicación. El efecto de las dosis de nitrógeno en las dos evaluaciones mostró estar relacionadas con la producción de nitratos, lo cual corrobora los resultados de los experimentos anteriormente descritos.

Las accesiones de B. humidicola presentaron diferencias en la capacidad de reducir nitratos en ambas épocas de evaluación (Tabla 3). Se observó que las B. humidicola CIAT 16888 y CIAT 679 presentaron producciones menores de nitratos, confirmando que estas accesiones tienden a ser más eficientes en la inhibición de la nitrificación en las dos evaluaciones.

Es importante tener en cuenta que las aplicaciones de urea en la forma fraccionada posteriores a los eventos de las precipitaciones, como se realizaron en esta investigación, influyeron en el comportamiento y respuesta de las plantas sobre la velocidad de nitrificación, siendo una estrategia de manejo para reducir las pérdidas de nitrógeno (Raun y Johnson 1999; Dinnes et al. 2002; Canchila et al. 2011; Elda y Perotti 2015). Estos resultados conllevan a sugerir investigaciones que incluyan mayor tiempo y otros suelos del Valle del Sinú donde se siembra Brachiaria para el pastoreo y disminuir los riesgos del calentamiento global. Sousa y Lobato (2004) y Chaves-Bedoya et al. (2013) reportan que la baja eficiencia en el uso de fertilizantes nitrogenados y la contaminación potencial que proviene de sus pérdidas son las principales preocupaciones de la agricultura moderna.

CONCLUSIÓN

El comportamiento de los microorganismos oxidantes de amonio a nitrito en la época seca y lluviosa fue diferente, por la humedad y la aplicación de fertilizantes, siendo la accesión B. humidicola CIAT 16888, la que registró los mayores valores de NMP de organismos oxidantes de amonio a nitrito.

Las producciones de nitritos y nitratos fueron menores en las accesiones B. h. CIAT 16888, CIAT 679 y CIAT 26159 en comparación con el suelo desnudo, indicando la acción inhibidora de la Brachialactona.

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