Ciclo Del Nitrogeno

Ing

. M

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OLI

3º. IPA FERTILIDAD 2006

CICLOS de

NUTRIMENTOS

en el SUELO

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NUTRIENTES ESENCIALES

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OLI


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)

Ing

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OLI


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.)

Ing

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Suelo

• Soporte físico de plantas y fuente de suministro de agua y nutrimentos.

• Medio de producción fundamental en la agricultura (incluye la producción).

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Interrelaciones Basicas ps

Mineral

Organic

Water

Air

45%

~5%

50%

MATERIAL SÓLIDO (50%)

“POROUS MEDIA” (50%)

MEDIO POROSO

Ing

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OLI


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 biológicos y los

geológicos, de donde se los denomina :

Ing

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OLI


• CADA compuesto químico tiene

• su propio y único ciclo, pero

• todos los ciclos tienen características en común

CICLOS BIO-GEO-QUÍMICOS

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Hoy. . . . .

N I T R O G E N O

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Número atómico

Símbolo atómico

Peso atómico

Nitrógeno

Nombre del elemento

Configuraciónelectrónica

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CICLO DEL CARBONO

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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).

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DEFICIENCIAS ( nitrógeno)

NORMAL

> nitrogen <

Nitrogen es un componente de las proteinas, particularmente clorofila

menos N resulta en menos clorofila, entonces, menor verdor

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Am onioNitratoNitrito

2% Form a Inorgánica

Identif ica dos 30-35%Proteína

Am inoacidosAzucares Am inados

N o Identif ica dos 70-75%

98% Form a Orgánica

Form as de N en el suelo

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1. Nutrición vegetal???

Tomar los elementos minerales desde el suelo

No se refiere específicamente a la fotosíntesis.

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Nombre % en planta relativo a N Funciones Macronutrientes (primarios)Nitrogen N 100 Proteins, amino acidsPhosphorus P 6 Nucleic acids, ATPPotassium K 25 Catalyst, ion transport

Mesonutrientes (secundarios)Calcium Ca 12.5 Cell wall componentMagnesium Mg 8 Part of chlorophyllSulfur S 3 Amino acidsIron Fe 0.2 Chlorophyll synthesis

Micronutrients (oligoelementos)Copper Cu 0.01 Component of enzymesManganese Mn 0.1 Zinc Zn 0.03 Activates enzymesBoron B 0.2 Cell wall componentMolybdenum Mo 0.0001 Involved in N fixationChlorine Cl 0.3 Photosynthesis reactions

Ing

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Summary of soil water chemistry

In this summary occurrence of H+ in soil water is shown as the result of respiration of CO2 and disassociation of carbonic acid H2CO3 that forms

Water flow

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N-fixing bacteria

Fig. 32.13

Most uptake from the soil is in the form of nitrate

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Partículas minerales

• Arena (entre 0.06 y 2.00mm)

• Limo (entre 0.002 y 0.06mm)

• Arcilla (<0.002mm)

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Textura del suelo

• Es la proporción relativa de arena, limo y arcilla en un suelo

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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

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Consistencia

• Porosidad– macroporos– microporos

• Densidad aparente– Se refiere al peso del suelo con relación al

volumen

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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:– C2

– NH4

– H2PO4

– SO4

Ing

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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

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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

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Humus

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

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

Horizonte Suelos de selva Suelos de savana

intacto cultivado 3 años 10 años cultivado barbecho

0-8cm 5-12 2-4 3-5 3-7 1-1.5 1-3

8-15cm 1-3 1 1-1.5 1-2 1 1-2

Subsuelo 0.5-1.5 0.5 0.5 0.5-1 0.5 0.5-1

Ing

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Mat

eria

Org

anic

a (%

)

Sistema de Producción

PastosNativos

Produccióncontinua de trigo

Produccion de trigocon descanso

Efecto del sistema de producciónsobre la Materia Orgánica en el suelo

Ing

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Mineralización de C en suelos de Yucatán

Incubation time (days)

0 7 14 21 28 35 42 49 56

Cum

ula

tive g

ross C

O2-C

evolv

ed (

mg g

-1 s

oil

)

0

1

2

3

Red soilRocky soil (Control)Rocky soil (unleached)

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Mineralización de N en suelos de Yucatán

Incubation time (days)

0 112 224 336 448 560 672 784 896

Cum

ula

tive t

ota

l N

rele

ase

d (

g g

-1 s

oil

)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

Red soilRocky soil (control)Unleached rocky soil

Ing

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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

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OLI


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

Ing

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Totales Mundiales(millones de hectáreas)

Remoción de Vegetación 579Sobreexplotación 133Sobrepastoreo 679Actividades Agrícolas 522Industrial y Bioindustrial 23

Suelo Degradado = Menos alimentos

0

50

100

150

200

250

300

350

(mill

ones

de

hect

area

s de

grad

adas

)

Mundo Africa Norte y CentroAmerica

Sud America Asia Europa Oceania

Remocion de Vegetacion Sobreexplotacion

Sobrepastoreo Actividades Agricolas

Industrial y Bioindustrial

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Termósfera

Mesosfera

Capa de ozono

Estratosfera

Troposfera

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El ciclo del nitrógeno

Productos

Fertilizantes GanadoPlantas

MOdel suelo

Fuego

Partículasde suelo

Lixiviación

Lluviaácida

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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)

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Entradas de N en el sistema

• Fijación de N2

• Depósito húmedo (NH3 y NxO disueltos en agua de lluvia)

• Depósito seco (NH4+ y NO3

- absorbidos por vegetación y suelo o por caída gravitacional de partículas en aerosol)

• Adición de materia orgánica en excretas animales y residuos vegetales

• Fertilizantes

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Salidas de N en el sistema

• Cultivos: animales y vegetales

• Lixiviación

• Pérdidas gaseosas– Volatilización de NH3

– Nitrificación / desnitrificación de NxO

• Erosión y escurrimiento

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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

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¿Porqué?

• Fijación de N2: no se explota! No hay leguminosas aún en potreros!

• Mucha pérdida en excreta animal (NH3)

• 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!

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Más fertilizante: Más Alimento, pero más polución también

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991

(mill

ones

de

ton

met

ricas

)

AfricaAsiaSur y Centro AmericaEuropaNorteamericaOceaniaMundo

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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!!

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Para ésto, se requiere:

• Optimizar las entradas, es decir, favorecer la fijación de N2 y balancear descomposición de materia orgánica

• Minimizar pérdidas, o sea, reducir pérdidas como volatilización de NH3 y lixiviación de NO3

-

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¿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...”

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Términos importantes en el ciclo de nitrógeno:

• Fijación biológica de N2: conversión de gas N2 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 NH4

+

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Más términos...

• Nitrificación: conversión de NH4+ a NO3

-

• Desnitrificación: conversión de NO3 - a N2

• Fuego: conversión de N orgánico a gas N2

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¿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)

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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

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Papel de microorganismos:transferencia de Energía y

nutrimentosSOL

Plantas productorasAnimalesconsumidores

Reductores

O2

CO2

NN, P, Ca, S, etc

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Reacciones físicas y químicas...

• Fijación de NH4 (carga +va) por partículas de arcilla (carga -va),

• Lixiviación de NO3 -

• Fuego, causado por relámpagos

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¿Dónde esta todo el N del mundo?

• Estadísticas de N global

• Atmósfera(*)• Océano• Suelos• Plantas y animales

• Contenido de N (x 1016 kg)

386

2.3

0.02

0.05

Ing

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¿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)

• NH4+ fijado

• NH4+ y NO3

-solubles

• % en cada compartimento

3.5

0.06

0.6

90

0.15

4.8

0.3

Ing

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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

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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.

Ing

. M

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OLI


N como nutrimento para las plantas

• Forma principal: nitrato (arroz: NH4+)

• 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

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% de N removido por algunos cultivos

Soya

Maíz

TrigoArroz

Residuos de cosecha

Removido

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Cantidad (kg/ha) de nutrientes removidos en la cosecha de

diferentes cultivosNutriente removido en la cosecha (kg/ha)Cultivo

N P K

Maíz para grano 112 8 28

Maíz para ensilar 157 39 130

Alfalfa 224 29 186

Heno de pasto 179 22 140

Soya 168 20 52

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Curva típica de eficiencia de uso de N para cereales

Pro

du

cció

n

Fertilizante

Incremento enrendimiento

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

Fertilizante

Efi

cien

cia

de u

tili

zaci

ónde

l fer

tili

zant

e (%

)

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Pérdidas de N

• N es el nutrimento mas móvil en el suelo

• Al menos 30 % de todo el fertilizante se pierde

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Amonificación bacterial

• Si N disponible > N requerido por los microbios, el exceso es excretado como NH4

+ al suelo (p.e. al degradar residuos con C:N bajo como nódulos que son ricos en N)

• En suelos pH>7, el NH4+ (ion en solución)

es inestable y cambia a NH3 (gas), que puede perderse vía volatilización

Ing

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Nitrificación

• Reacción aeróbica conducida por bacterias autotróficas que convierten amonio (NH4

+) a nitrato (NO3

-).

• Las tasas máximas de nitrificación ocurren a pH neutro y altas temperaturas (factores que favorecen las bacterias involucradas en este proceso - Nitrosomonas y Nitrobacter

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Nitrificación: el proceso

NH4

NO2

NO3

Amonificación

Nitrificación

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Desnitrificación bacterial

• Reducción microbial de NO3 - a N2O o N2

• e.g. Pseudomonas

• Utiliza NO3 - en lugar de O2 como aceptor

terminal de electrones

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Condiciones que favorecen la desnitrificación:

• Condiciones anaeróbicas (inundación)

• Uso de fertilizantes

• Altas temperaturas

• Suelo pH neutro

• Alto contenido de materia orgánica

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Consecuencias...

• Resulta en contaminación ambiental al destruir la capa de ozono

• También contribuye al calentamiento global (óxidos nitrosos; aunque de efecto menor)

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Calentamiento por gases de invernadero

Metano19%

Otros Halocarbonados

5% CFC-126%

Oxido Nitroso 6%

Dioxido de Carbono

64%

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Temperaturas en Superficie han aumentado en el siglo pasado

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Ing

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N2O

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Volatilización de amoniaco

• Proceso químico que convierte el ion amonio (NH4

+) a amoniaco (NH3), que es acelerado por el viento, alto pH del suelo (>7) y altas temperaturas

Ing

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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 NH4

+ no es atrapado firmemente

• Prevalece en suelos con aplicaciones de excretas de granja o urea (el olor a NH3 proveniente de gallinaza, por ejemplo)

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Lixiviación

• Esto ocurre principalmente como NO3 -(pues es

adsorbido débilmente al suelo)

• Se acelera bajo adiciones altas de fertilizante NO3 -

(suministro> demanda)

• El NH4+ 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 NO3

- lejos de la zona radicular

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OLI


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

30,000

35,000

40,000

45,000

50,000

55,000

60,000

1980 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994

(000

tons

met

ricas

)

NOx SO2

Ing

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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

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Fijación Biológica de Nitrógeno

• Fijación de gas N2 a amoniaco (NH3)

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Organismos fijadores de Nitrógeno

• Bacteria

• Algas azul-verde (cyanobacteria)

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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 CO2) en fotosíntesis

• e.g. algas azul-verdes, Anabaena

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OLI


Asociaciones para la fijación de Nitrógeno

• En vida libre (es decir, fijan N2 por si mismas) e.g. las bacterias, Azospirillum (30 % de todo el N2 fijado en el planeta)

• Simbiótica e.g. bacteria-planta (Rhizobium y soya) (70 % de todo el N2 fijado en el mundo)

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Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno

En vidalibre

AsociaciónSimbiosisSistema defijación de N2

Fuente deenergíaC orgánico

Estimacióndel N fijadoKg//ha/año

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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

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• 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

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• En vida libre - no asociadas con otro organismo y ya sea que hacen su propio C, o lo obtienen de material vegetal muerto

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Como se forma un nódulo en una relación simbiótica entre una leguminosa y las

bacterias de RhizobiumFORMACION DE UN NODULO

Movimiento hacia la raíz ymultiplicación en la rizosfera

Rhizobium infectado

texto

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Tipos de bacterias

• Rhizobium

• Bradyrhizobium

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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

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Porque diferentes géneros...

• Rhizobium - de rápido crecimiento en medios de cultivo de laboratorio

• Bradyrhizobium - de lento crecimiento en medios de laboratorio

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Características de crecimiento bacteriano en cultivos de laboratorio

Rhizobium Bradyrhizobium

Forma Baston gram - Baston gram -

Crecimiento Rapido Lento

Acido/alkali Acido Alkali

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OLI


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

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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 N2 y la formación de nódulos

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OLI


Puntos importantes sobre la estructura de los nódulos

• La corteza previene la difusión (al interior) de O2 (esto inhibiría las enzimas nitrogenasas)

• Tiene un buen suministro vascular para llevarse el N e importar C

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OLI


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)

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Algunas cifras sobre fijación de N2

Especies tolerantes asuelos acidos

Tasa de fijacion(kg N2/ha/año)

Cacahuate 124Cowpea 198

Tolerancia acidamoderada

Soya 103Frijol 210

Moderadamentesensible

Lotus corniculatus 120Altamente sensibleLeucaena latisiliqua 277

L. leucocephala 70Trebol 150

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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.

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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.

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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

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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.

Ciclo Del Nitrogeno

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