VIDEO ACTIVIDADES DE  BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA

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ACTIVIDAD 4: CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

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¿Qué es un ciclo biogeoquímico?

Los ciclos biogeoquímicos representan un sistema complejo de relaciones proyectando la realidad dinámica de los ecosistemas. Permiten incorporar las conexiones con el suelo, biosfera, la atmósfera y la hidrosfera, así como las interacciones entre todos estos elementos (Duarte et al, 2018).

Figura 1. Funcionamiento ciclos biogeoquímicos

García (2020), menciona que el estudio de los ciclos biogeoquímicos se contextualiza diferenciando ambientes terrestres, acuáticos, marinos y mixtos. Bajo esta organización, se presentan todos los elementos actuando en su conjunto, resaltando el proceso biogeoquímico con presencia de microorganismos en el suelo.  Así, Maldonado et al (2018) en su artículo destaca al microbiota del suelo como productores primarios, debido a sus importantes intercambios, y a su funcionamiento como base trófica del ecosistema y punto de partida de los flujos de energía. En este ámbito, la estructuración de la biota y sus estrategias fisiológicas tienen gran relación con la disponibilidad de nutrientes, lo que puede vincular directamente los ciclos biogeoquímicos y los procesos de intercambio de materia y energía en la naturaleza.

¿Cuáles son los ciclos biogeoquímicos?

1. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL NITRÓGENO

Figura 2. Ciclo biogeoquímico del nitrógeno

El metabolismo del nitrógeno está relacionado con distintos mecanismos para la transformación de nitrato relacionados con la reducción de nitrato y la transformación de nitrato en óxido nítrico, óxido de dinitrógeno y luego en nitrógeno (desnitrificación).

La mayoría de los microorganismos identificados en las transformaciones del nitrógeno corresponden al filo Planctomycetes y Proteobacteria con las clases Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria y Deltaproteobacteria.

El metabolismo bioquímico del nitrógeno consta de cuatro clases de reducción (fijación de nitrógeno, reducción asimilatoria y disimilatoria de nitrato y desnitrificación) y dos clases de oxidación (nitrificación y oxidación anaeróbica de amoníaco).

-    El ciclo comienza con la fijación del nitrógeno que se lleva a cabo por bacterias que poseen nitrogenasas, enzimas que rompen el triple enlace del nitrógeno molecular y producen amonio.

-    El nitrógeno que entró como materia orgánica o proteína se convierte en nitrógeno inorgánico, mineralización del nitrógeno, dado principalmente por la degradación de esa materia orgánica; seguido viene la nitrificación que consiste en la oxidación del amonio a nitrito, proceso atribuido a bacterias oxidantes del amoníaco como los géneros Nitrosomonas, Nitrosospira, y Nitrosococcus que pertenecen al filo Proteobacteria.

-      Posteriormente, suceden la oxidación de nitrito a nitrato, proceso mediado por bacterias oxidantes de nitrito o arqueas, y la oxidación biológica del amonio en condiciones anaeróbicas llevada a cabo por las bacterias del filo Planctomycetes.

-        Finalmente, la desnitrificación, en donde se devuelve el nitrógeno fijado a la atmósfera por procesos de respiración microbiana, se realiza a través de la reducción de nitratos (NO3- ) y nitritos (NO2- ) a óxido nitroso (N2O) y nitrógeno molecular (N2); la desnitrificación también involucra la reducción asimilatoria del nitrito para convertirlo en amonio e incorporarlo al metabolismo celular

 

(Ramirez & Rojas, 2020)

2. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL CARBONO

Figura 3. Ciclo biogeoquímico del carbono

Las transformaciones del carbono están influenciadas principalmente por genes asociados a la metanotrofía y se han descrito rutas relacionadas con la transformación adicional del metanol en formaldehído y luego en formiato.

Es posible encontrar, además, una alta prevalencia de genes implicados en la transformación de dióxido de carbono a monóxido de carbono y luego en acetil-CoA. Las Deltaproteobacterias (Desulfobacteraceae, Desulfobulbaceae, Desulfovibrionaceae, Geobacteraceae, Syntrophaceae y Syntrophobacteraceae) son bastante representativas en las transformaciones de metano. Además, se encuentra la presencia de Methanococcoides methylutens, del cual se ha informado es un importante metilotrófo metanogénico en los sedimentos de manglares tropicales. Se reportó, también, la presencia de la bacteria Methanosarcina spelaei. Asimismo, se ha especificado que del filo Proteobacteria la clase Alphaproteobacteria se destaca por participar en la fotosíntesis oscura y la metilotrofía, de igual manera la clase Epsilonproteobacteria la cual desempeña un papel importante en el ciclo de diversos nutrientes que contienen carbono, azufre y nitrógeno. El ciclo global del carbono consta de tres principales reservas de carbono: la atmosférica, la oceánica y la terrestre.

-     El primer paso del ciclo del carbono lo comprende la fotosíntesis, proceso por el cual los fotótrofos, como las cianobacterias, las plantas, las algas y las bacterias sulfurosas verdes y púrpuras fijan o incorporan dióxido de carbono inorgánico en sustancias orgánicas mediante el empleo de la energía solar.

-       En el siguiente paso del ciclo los quimioheterótrofos, como los animales y los protozoos, se alimentan de los autótrofos y a su vez sirven de alimento a otros animales. Así, los compuestos orgánicos que hacen parte de los autótrofos se digieren y se sintetizan nuevos productos, proceso en el que los átomos de carbono se transfieren de un organismo a otro en la cadena alimenticia.

-      Las bacterias y los hongos descomponen estos compuestos, proceso en donde el material orgánico se oxida y el dióxido de carbono retorna al ciclo.

     El carbono, además, se almacena en rocas, como la piedra caliza, por un proceso de mineralización que ocurre principalmente en los ecosistemas marinos, en donde queda retirado del ciclo durante miles y millones de años y se incorpora lentamente cuando se van disolviendo los carbonatos cálcicos en los océanos. También existen grandes depósitos de sustancias orgánicas fósiles en forma de combustibles fósiles, como el carbón y el petróleo.

(Ramirez & Rojas, 2020)

3. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL FÓSFORO 

                        Figura 4. Ciclo biogeoquímico del fósforo

 

Este elemento proviene de las apatitas y depósitos de fosfato natural de donde es liberado a través de procesos de meteorización, lixiviación, erosión y extracción industrial como fertilizante. El fosfato liberado paulatinamente de las apatitas lo absorben las plantas y la biomasa microbiana, luego se incorpora en la materia orgánica de los suelos y sedimentos, y nuevamente se deposita en formas minerales poco solubles. El fósforo inorgánico (Pi) se presenta generalmente fuertemente fijado en forma de fosfatos de Ca2+, Fe2+, Mg2+ y Al3+, especialmente en arcillas del grupo de las caolinitas y ocluido en los óxidos de hierro y aluminio.

Las fosfatasas extracelulares que se requieren para la mineralización/hidrólisis de los ésteres orgánicos de P, las producen microorganismos (Bacillus subtilis, Nostoc sp., Caulobacter crescentus, Pseudomonas aeruginosa, Sinorhizobium meliloti, Mesorhizobium loti, Corynebacterium glutamicum) y plantas. La determinación de su actividad en el suelo se utiliza como indicador del potencial de mineralización de fósforo orgánico y de actividad biológica (Acosta y Tabatabai, 2020).

4. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL AZUFRE

 Figura 5. Ciclo biogeoquímico del azufre

Distintos tipos de bacterias realizan transformaciones (oxidaciones y reducciones), por las que el azufre puede encontrarse en forma de sulfatos, sulfuros o azufre elemental, dependiendo de las condiciones (aerobias, anaerobias, con o sin luz) que se presenten en el medio, generalmente acuático, y según se trate de depósitos en superficie o en profundidad.

En resumen, los principales grupos de bacterias implicados en el ciclo del azufre son:

 5. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL HIERRO

 Figura 6. Ciclo biogeoquímico del hierro

El hierro es el cuarto elemento más abundante de la corteza terrestre, pero solamente una pequeña porción de este hierro está disponible para el reciclado biogeoquímico. El ciclo del hierro consiste principalmente en reacciones de óxido reducción, que reduce la mayoría de hierro férrico (Fe+3) a hierro ferroso (Fe+2), estas reacciones son de suma importancia tanto para las reacciones que ocurren a nivel orgánico como a nivel inorgánico.

Prácticamente todos los microorganismos, con la excepción de determinados lactobacilos, necesitan hierro, que es muy útil porque es utilizado como un cofactor de enzimas metabólicas y proteínas reguladoras, aunque es uno de los elementos más abundantes no deja de limitar la acción de las bacterias, esto debido a que en condiciones aeróbicas y a pH neutro se producen complejos de hidróxido de hierro solubles.

La mayoría de las bacterias tiene la capacidad de desarrollar sistemas de transporte especializados y de alta afinidad con la generación de adquirir la cantidad suficiente de este elemento esencial. La mayoría de las bacterias tiene la capacidad de producir y secretar unas moléculas denominadas sideróforos del griego transformador de hierro para obtener el hierro que necesitan.

5. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL OXÍGENO

 Figura 7. Ciclo biogeoquímico del oxígeno

• El oxígeno, como elemento químico, se encuentra en abundancia y en diversas combinaciones químicas en la naturaleza. Su forma más común son el oxígeno molecular en forma de gas (O2), el dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O).
• El ciclo del oxígeno se caracteriza por formar parte de otros como el ciclo del carbono y el ciclo hidrológico. El dióxido de carbono tiene el oxígeno como uno de los elementos, y el agua está formada por partículas de oxígeno e hidrógeno.
• El ciclo del oxígeno pasa por varias capas o esferas de la Tierra. La mayor parte de las interacciones del oxígeno con otras moléculas o seres vivos sucede en la atmósfera, litósfera, hidrósfera y biósfera.
• El ciclo del oxígeno se manifiesta en dos tipos de procesos: ciclo lento o geológico y ciclo rápido o biológico.

 BIBLIOGRAFÍA

Duarte, C. M.; Alonso, S.; Benito, G.; Dachs, J. ; Montes, C.; Pardo, M.; F. Ríos, A.; Simó, R. Y Valladares, F. (2018) Cambio Global: Impacto De La Actividad Humana Sobre El Sistema Tierra. Madrid: Colección Divulgación. Csic.

García, J. E. (2020). Investigando El Ecosistema. Investigación En La Escuela. 51, 83-100

Maldonado, F.; González, F. Y Jiménez, M. P. (2018). Las Ilustraciones De Los Ciclos Biogeoquímicos Del Carbono Y El Nitrógeno En Los Texto De Secundaria. Revista Eureka Sobre Enseñanza Y Divulgación De Las Ciencias, 4 (3), 442-460.

Ramírez Lozada, D Y Rojas Villamil, N. (2020). Influencia De La Comunidad Bacteriana En Los Ciclos Biogeoquímicos Del Carbono Y El Nitrógeno En El Ecosistema De Manglar. Universidad Colegio Mayor De Cundinamarca.

  

Actividad 2: Aislamiento de microorganismos con actividad biológica de interés en agricultura

ACTIVIDAD 2

La aplicación de bioinsumos agrícolas es una de las alternativas para la producción cultivos con un menor impacto. Algunos de estos bioinsumos tienen el potencial de reducir el uso de agroquímicos, ayudando a una agricultura con mayor sostenibilidad. Además, son económicamente rentables y permiten obtener mayores y mejores producciones a menos costo. Éstos se utilizan con fines de fertilización y nutrición de las plantas y suelos, y dan como resultado una mejora en la calidad de los suelos (González & Ruiz, 2021).

Figura 1 

Bioinsumo agrícola 

·       PROCESO DE DILUCIONES PARA LA SIEMBRA DE BIOINSUMOS.

Se realizó 5 diluciones (desde 10^-1 hasta 10^-5), en los cuales se dispuso 9 ml de agua peptonada en cada uno y 1 ml de bioinsumo. Se rotuló 2 cajas petri (1 contenía medio PCA, 1 medio PDA) con el bioinsumo. Posteriormente, con la ayuda de un asa microbiológica se realiza una estría normal a lo largo de cada placa y finalmente se llevo a incubación las cajas Petri con las muestras.

Figura 2

Siembra de la muestra de dilución en los medios de cultivo PDA y PCA

IDENTIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS EN EL BIOINSUMO

El aislamiento de microorganismos se realizó en medios de cultivo sólidos (Agar Papa Dextrosa (PDA) y Agar Plate Count (PCA).

• Pruebas morfológicas a los microrganismos seleccionados

  Esta prueba se realiza a través de observaciones en el microscopio de luz OLYMPUS CHT, para las bacterias se efectúan pruebas de tinción de Gram a las 24 horas de incubación. Los microorganismos se conservaron usando el método de transferencia periódica, que consiste en trasladar el microorganismo a un medio de cultivo fresco y nutritivo a intervalos que aseguren la viabilidad del mismo.

• Identificación molecular de los microorganismos seleccionados

  Para la identificación taxonómica de los aislamientos de hongos se realiza con base en la amplificación de las regiones, estos genes son una alternativa para buscar la información filogenética y taxonómica de microorganismos. La comparación de las secuencias del gen ADNr 16S permite establecer relaciones filogenéticas entre organismos procariotas.

(Aguilera, Mendoza, & Laguna, 2021).

BIBLIOGRAFÍA

Aguilera, L., Mendoza, M., & Laguna, G. (2021). Caracterización de bioinsumos producidos artesanalmente en Nicaragua. Obtenido de https://www.scielo.sa.cr/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0379-39822021000200109

González, G., & Ruiz, L. (2021). La producción de bioinsumos: alternativa para la transición agroecológica. Obtenido de https://www.jornada.com.mx/2021/09/18/delcampo/articulos/produccion-bioinsumos-alternativa.html

ACTIVIDAD 1: CAPTURA DE MICROORGANISMOS

La captura de microorganismos benéficos es esencial para el equilibrio ecológico de los ecosistemas, estos microorganismos desempeñan diversas funciones importantes en la naturaleza, incluyendo la descomposición de materia orgánica, la fijación de nitrógeno, la síntesis de vitaminas y la protección de plantas y animales contra patógenos.

La captura de microorganismos benéficos también puede tener beneficios prácticos para la agricultura y la industria alimentaria. Por ejemplo, la inclusión de microorganismos beneficiosos en los procesos de producción de alimentos puede mejorar la calidad y la vida útil de los productos, así como reducir los riesgos de contaminación por microorganismos perjudiciales.

¿Cómo se capturan microrganismos benéficos?

Materiales

Figura 1.- Materiales utilizados para la creación de trampas.

Procedimiento

1. Pasos previos al armado de trampa.
2. Lavar el arroz con abundante agua.
3.  Cocinar el arroz de 10 a 15 mins solo con agua.
4. Dejar enfriar.

Armado de trampa.

1. Desinfectar las tarrinas de litro con alcohol.
2. Colocar el arroz previamente cocido llenando las 3 cuartas partes de la tarrina.
3. Colocar el tul encima de la tarrina a modo de tapa y asegurarlo con 4 ligas.

Colocado de trampas.

Escoger el lugar previamente, debe ser un bosque virgen (sin cultivos cerca, pinos, eucaliptos, acacias).

1. Encontrar el lugar en el que se observe una capa de mantillo. 
2. Señalar el lugar con la ayuda de un pedazo de tela. 
3. Crear un hueco más o menos del tamaño de la tarrina. 
4. Colocar la tarrina boca abajo, el tul debe estar en contacto directo con la tierra.
5. Tapar la tarrina con un poco de tierra y mantillo.

Figura 2.- Trampas recolectadas.

Las trampas se deben dejar por al rededor de una semana a 10 días máximo. Pasado este tiempo se las debe recolectar.

SIEMBRA DE MICROORGANISMOS EN MEDIO SÓLIDO

Materiales

.      

Figura 3.- Materiales utilizados para la siembra en medio sólido.

Procedimiento 

1. Diluir un litro de melaza en 5L de agua de fuente.
2. Mezclar las 10 lb de mantillo y las 10lb del polvillo de arroz.
3. Agregar los microorganismos capturados a la mezcla de mantillo y polvillo.
4. Añadir la melaza diluida hasta formar una pasta sin tanta humedad.
5. Desinfectar el balde previamente lavado para eliminar cualquier rastro de hidrocarburo.
6. Colocar la mezcla hecha con los microorganismos en el balde, esto se realizará por capaz cada una de las cuales deben ser compactadas.
7. Sellar el balde y llevarlo a un lugar cálido.

Figura 4.- Procedimiento de la siembra en medio sólido.

SIEMBRA DE MICROORGANISMOS EN MEDIO LÍQUIDO

Materiales

Figura 5.- Materiales para la siembra en medio líquido.

Procedimiento

1. Desinfectar el balde previamente lavado para eliminar cualquier rastro de hidrocarburos. 
2. Colocar de 10 a 12 L de agua de fuente en el balde.
3. Diluir la melaza en el agua previamente colocada en el balde.
4. Colocar el medio sólido obtenido después de 15 días de reposo en la funda de tela dejando un espacio para cerrarlo con un nudo.
5. Colocar la bolsa de tela con el medio sólido dentro del balde.
6. Realizar un agujero en la tapa del balde para introducir la manguera y sellarlo con silicona caliente para evitar fugas.
7. Colocar el otro extremo de la manguera dentro de la botella con agua hasta la mitad y sellar la conexión con silicona caliente.
8. Esterilizar la tapa con la manguera y la botella con ayuda de agua caliente.
9. Tapar el balde y colocarlo en un lugar cálido. 

Figura 6.- Procedimiento seguido en la siembra de microorganismos en medio líquido.

ACTIVIDAD 3 : Análisis de fertilidad microbiana del suelo

ACTIVIDAD 3 

Análisis de fertilidad microbiana del suelo

La microbiología del suelo es indispensable en la productividad agrícola, ya que aportan diversos beneficios por parte de los microrganismos en las propiedades del suelo y asi mismo en el crecimiento de plantas. El análisis microbiológico del suelo es una herramienta que permite evaluar la calidad del suelo y de la misma manera el potencial productivos, es decir,  la fertilidad. La microbiología del suelo ocupa un estudio de microorganismos que habitan en el suelo. y sus funciones, de forma en como afecta las propiedades del suelo en ambientes naturales o agrícola. 

Importancia de microorganismos 

Los microorganismos son factores del crecimiento de las plantas, el conjunto de organismos y el medio ambiente en rocas da como resultado la formación del suelo, debido a que viene por la interacción de estos factores. El suelo se considera un medio heterogéneo por sus diversas propiedades químicas y físicas que lo componen e influye en la diversidad microbiana que esta en su hábitat. 

Microorganismos del suelo

• Bacterias: componen la microbiota del suelo más diversa. Los actinomicetos entran en esta categoría.
• Hongos: Hay hongos de vida libre y otros como las micorrizas que viven en formas simbióticas en las raíces de las plantas. Muchos hongos son importantes en la descomposición de la materia orgánica. Aparte de hongos beneficiosos, los hongos también se pueden aislar del suelo patógenos de plantas. La levadura pertenece a este grupo.
• Protozoos: necesitan oxígeno, por eso están cerca suelo. Se alimentan de algas y bacterias del suelo.
• Microalgas: se encuentran cerca de la superficie del suelo. es la fuente de nutrientes para protozoos, hongos, lombrices y nematodos.

Microbioma del suelo

El conjunto de microorganismos en el suelo representa al microbioma del suelo, este son componentes vivos de materia orgánica del suelo, que es fundamental para la productividad agrícola, el ciclo de nutrientes y mantenimiento de calidad de amientes naturales.

                                                                                                                        (Nogales, 2015).

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Análisis microbiológico del suelo

El método se basa en la determinación de la actividad microbiana que actúa sobre el suelo. De esta forma, se pueden evaluar índices de los diferentes procesos que tienen lugar en el suelo. Algunos métodos para realizar este tipo de análisis microbiano son: la tasa de fijación de nitrógeno, la actividad metabólica total y la medición de la actividad enzimática, siendo esta última la más utilizada. Las enzimas están directa o indirectamente relacionadas con el potencial productivo y la sostenibilidad del uso de la tierra, actúan como indicadores biológicos y ayudan a evaluar la salud del suelo.

Para realizar el análisis microbiano del suelo en un laboratorio de química de suelos, se necesita de equipo:

• Cabina de bioseguridad: utilizada para proteger a los operadores y las muestras durante el proceso de inoculación, evitando el riesgo de contaminación.
• Autoclave: para esterilización de medios de cultivo y procesamiento de muestras.
• Caja de secado: se utiliza para secar y esterilizar cristalería y materiales.
• Espectrofotómetro UV/VIS: Para estandarización de inóculo, evaluación de compuestos enzimáticos, etc.
• Incubadora: Se utiliza para cultivar muestras después de la inoculación de microorganismos.                                                                                                                            (Gondim, 2018).

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Tipo de suelo 

El tipo de suelo analizado en el laboratorio, fue el suelo franco arenosos, este suelo es un suelo que presenta bastante arena pero que cuenta también con limo y arcilla, lo cual le otorga algo más de coherencia entre partículas. El durazno crece en este tipo de suelos, es decir  los árboles crecen en zonas templadas y no resisten mucho frío. Sufren a temperaturas inferiores a 15 ºC. Si están floreando en primavera y el termómetro baja a menos 3 ºC, tienen daños graves. Sin embargo la falta de bajas temperaturas puede ser también un problema: requieren de 400 a 800 horas de frío. Este tipo de suelo se localiza en Querochaca. 

Figura 1. Suelo de durazno Franco- arenoso

Este lugar presenta solo arboles de durazno, en la cual están presentes algunos insectos y hiervas alrededor de los árboles. 

                                                                                                            (Caggiano et al., 2022).

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BIBLIOGRAFIA

Caggiano, R., Bossi, J., Blanco, G., & Poiré, D. (2022). Caracterización de los materiales generadores de suelos agrícolas en la zona de Carlos Reyles, Durazno. Agrociencia Uruguay, 26(NSPE1).

Gondim, C. (2018). Análisis microbiológico de un suelo agrícola mediterráneo tras la aplicación de lodos de depuradora urbana. Ene, 12, 27.

Nogales, B. (2015). La microbiología del suelo en la era de la biología molecular: descubriendo la punta del iceberg. Ecosistemas, 14(2).