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Seminario doctorado temuco

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Universidad Nacional de Temuco
Enero de 2020
Microbiología aplicada
al desarrollo de una
agricultura sostenible
Dr. Germán Tortosa Muñoz (@germantortosa)
Dept. Microbiología del Suelo y Sistemas
Simbióticos
Estación Experimental del Zaidín (EEZ-CSIC)
http://www.compostandociencia.com

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Seminario doctorado temuco

  1. 1. 1 Universidad Nacional de Temuco Enero de 2020 Microbiología aplicada al desarrollo de una agricultura sostenible Dr. Germán Tortosa Muñoz (@germantortosa) Dept. Microbiología del Suelo y Sistemas Simbióticos Estación Experimental del Zaidín (EEZ-CSIC) http://www.compostandociencia.com Email: german.tortosa@eez.csic.es compostandociencia@gmail.com
  2. 2. 2 Índice 1) Un poco de contexto… ● 2) Líneas de investigación 3) Introducción: – Importancia de la MO – ¿Qué es el compostaje? – 4) Grupo “Metabolismo del Nitrógeno“
  3. 3. 3 Mi investigación La meta fundamental es desarrollar una agricultura respetuosa con el medio ambiente sin afectar al rendimiento de la misma El objetivo es diseñar productos fertilizantes que mejoren la calidad de los suelos agrícolas, el rendimiento de los cultivos y que no tengan un coste medioambiental ni económico añadido ● Interacción de los fertilizantes (inorgánicos, orgánicos y biológicos) con el sistema suelo-planta-microorganismo ● Ciclos del carbono (C) y del nitrógeno (N) ● Enfoques químicos, bioquímicos y microbiológicos, y en los últimos tiempos de biología molecular
  4. 4. 4 Mi investigación Dos líneas de trabajo complementarias: 1) Estudio del impacto ambiental producido por la agricultura. – Contaminación por nitratos en Doñana (Tortosa et al., 2011) – Emisión de óxido nitroso (N2O) por leguminosas (Tortosa et al., 2015) – Estrés oxidativo por metales pesados (Cu) en la FBN 2) Elaboración de abonos orgánicos y biológicos que sirvan como alternativa a los productos de síntesis. – Compostaje como método para obtener abonos orgánicos (Tortosa et al. 2012, 2014) – Microbiología del compostaje (Tortosa et al., 2017; 2020) – Fijación biológica de nitrógeno y diversidad microbiana – Microorganismos con capacidad para promover el crecimiento vegetal (PGPBs)
  5. 5. Investigación (básica y aplicada) Transferencia Divulgación y Formación Tesis Doctoral Cegarra et al. (2006) Alburquerque et al. (2009) Tortosa et al., (2012 y 2014) Ait Baddi et al. (2013) Tortosa et al. (2015, 2017; 2018; 2020) Contratos Apoyo Tecnológico: Tesis Doctoral (2004-2005) Motril (2012-14; 2015-16) Abono orgánico líquido AE (2018) Ventilación forzada (2016-18) Compostaje doméstico (2016-17) Compostando Ciencia (www.compostandociencia.com) Proyecto PIIISA Cursos de la SEAE Red Española de Compostaje Campaña de Crowdfunding Compost como abono orgánico y biológico: Gran interés en agricultura
  6. 6. La materia orgánica (MO) en el suelo Factor limitante de la fertilidad Mejora propiedades físicas: – Estabilidad estructural (acción cementante) – Mejora la porosidad – Control de la temperatura y radiación Mejora propiedades químicas: – Capacidad de cambio iónico – Capacidad tamponante – Procesos redox Mejora propiedades biológicas: – Biodiversidad – Parte biológicamente activa de la MO – Microorganismos promotores del crecimiento vegetal (PGPR): Fijación de nitrógeno, Solubilización de P, Siderórofos, etc. –
  7. 7. ● Sociedad de consumo: ● Economía lineal vs. circular ● Crecimiento demográfico ● Desarrollo industrial y producción de residuos (orgánicos e inorgánicos) ● Residuos orgánicos: – Sector primario: agrícolas, ganaderos, forestales, etc. – Sector secundario: industriales, agroindustriales, textiles, etc. – Sector terciario: biorresiduos, lodos de depuradora, etc. Residuos orgánicos Residuos orgánicos
  8. 8. ¿Solución para dos problemas? - Residuos orgánicos: ● Gran impacto ambiental ● Gran volumen de producción temporal ● Fuente de materia orgánica para suelos ● Necesidad de tratamiento: ● Compostaje, digestión anaerobia, vermicompostaje, larvas de mosca soldado, etc.
  9. 9. 9
  10. 10. Compostaje de “alperujo” Cegarra y col. (2006), Alburquerque y col. (2009) Fertilizante orgánico: ● Elaboración de abonos y enmiendas orgánicas sólidas de interés industrial (Tortosa et al., 2012) ● Elaboración de abonos y enmiendas orgánicas líquidas de interés industrial (Tortosa et al., 2014) ● Pimientos y antioxidantes (Tortosa et al. 2018) Fertilizante biológico: ● Diversidad bacteriana durante el compostaje (Tortosa y col., 2017) ● Diversidad fungica durante el compostaje (Tortosa y col., 2020) ● Bacterias PGPBs presentes en el composts (Tortosa y col., ...)
  11. 11. Aplicación del compost Forma de aplicación - Como fertilizante - Como sustrato de cultivo - Como enmienda Tipo de aplicación - Sólida - Líquida Aplicación foliar Abono órgano-mineral Abono húmico Té de compost Dosis: - En función del contenido en nitrógeno (1,5-2%) - Legislación zonas vulnerables contaminación por nitratos - Aplicación máxima: 170 kg de nitrógeno por hectárea y año de cultivo - De aplicación a los estiércoles (alto contenido en amonio y nitrato) - ¿De aplicación a los composts? Nitrógeno orgánico y liberación lenta ¿Incongruencia? Dosis de 20, 100 y 200 kg/h de compost
  12. 12. Conclusiones VENTAJAS - Excelente abono y/o enmienda orgánica Materia orgánica estabilizada Ausencia de patógenos Fuente de sustancias húmicas Fuente de microorganismos beneficiosos - Fácil de hacer y barato - Abono de liberación lenta - Versátil: Uso sólido y líquido Base para otros abonos INCONVENIENTES - Tiene que mineralizarse antes en el suelo - Contenido en nitrógeno bajo (fundamentalmente orgánico) - No puede competir contra un nitrato o un amonio de síntesis - Suplemento y/o enriquecimiento en nitrógeno
  13. 13. TortosaTortosa et al.et al. (2018)(2018) Agronomy 2018, 8(6), 82; https://doi.org/10.3390/agronom y8060082
  14. 14. Evolución del metabolismo oxidativo como indicador del desarrollo fisiológico de las plantas: Especies reactivas de oxígeno (ROS) vs. antioxidantes
  15. 15. Experimento Nº1: Cantidad de nitrógeno equivalente (orgánico vs. inorgánico) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Peso seco parte aérea (78 días) C DN DN+C Tratamiento PSPA(g) 0 5 10 15 20 25 Peso seco parte aérea (104 días) C DN DN+C Tratamiento PSPA(g)
  16. 16. Experimento Nº2: Dosis compost creciente con igual nitrógeno inorgánico Control C1 C2 C3 0 4 8 12 16 20 Desarrollo vegetal 1º corte (98 días) PSPA (g) Tratamientos Peso(g) Control C1 C2 C3 0 4 8 12 16 20 Desarrollo vegetal 2º corte (127 días) Peso(g) Control C1 C2 C3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Producción de frutos 2º corte (127 días) Pesofresco(g)
  17. 17. 0 50 100 150 200 250 300 Contenido en ascorbato (Vitamina C) en frutos Control C1 C2 C3 Tratamiento mg/100gpesofresco
  18. 18. Conclusiones 1- El compost de “alperujo” en combinación con nitrato aumenta la actividad antioxidante en las plantas de pimiento sin que eso implique la generación de estrés oxidativo 2- El compost de “alperujo” favorece el desarrollo fisiológico de la planta, sobre todo en la primera cosecha 3- El compost de “alperujo” aumentó el ciclo de vida productivo de la planta de pimiento sin síntomas claros de estrés 4- El compost de “alperujo” puede aumentar la producción de fruto y su valor nutricional (mayor contenido en vitamina C)
  19. 19. ¿Fuentes de nitrógeno orgánico?
  20. 20. ¿Fuentes de nitrógeno orgánico? Largo plazo: 1- Fijación biológica de nitrógeno 2- Rotaciones de cultivos y incorporación de MO Corto plazo: 1- Estiércol 2- Cultivos de algas y microalgas 3- Extractos proteicos (aminoácidos): - Vegetales (cebadilla, torta de leguminosas, etc) - Animales (harinas de sangre, de pescado, etc.) 4- Microorganismos promotores del crecimiento vegetal (PGPBs) Nitrógeno y otros nutrientes
  21. 21. Origen del té de compost - Interés a partir de 1990 - Paradigma control biológico de plagas: ¿un producto para un solo patógeno microbiano? - Pesticidas sintéticos y problemas medioambientales y de salud - Interés creciente por la agricultura ecológica - Búsqueda por productos para control biológico (salud y prevención) como alternativa por parte de los productores al no existir ningún producto certificado - Compost ya se conocía sus propiedades de biocontrol - Usos extractos de plantas desde los Romanos Muchos casos de “a mi me funciona“ pero muy pocas pruebas científicas...
  22. 22. ¿Qué es un té de compost? ¿Un extracto acuoso?, ¿un lixiviado?, ¿un extracto fermentado?, ¿un té o infusión?, ¿un caldo microbiano?, ¿un cultivo microbiano?, ¿solubilización microbiana?, ¿enriquecimiento microbiano?, ¿un brebaje alquímico?...
  23. 23. ¿Qué es un té de compost? “Extracto acuoso orgánico obtenido de un compost (o vermicompost) maduro donde se solubilizan y/o reproducen algunos microorganismos presentes que tienen propiedades beneficiosas y protectoras para las plantas, y que además, puede tener propiedades fertilizantes“
  24. 24. 32 Compostaje como fuente de microorganismos de interés agrícola Inicio del compostaje 8 semanas Maduro
  25. 25. 33 - Estudio de la microbiología del compostaje: 1) Técnicas dependientes de cultivo. _Métodos clásicos _Características fenotípicas _Sesgo importante 2) Técnicas independientes de cultivo _Métodos genotípicos (o moleculares) _ADN y la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) _Marcadores filogenéticos universales: gen 16S rRNA y 18S rRNA - Técnicas de nueva generación (NGS) o de secuenciación masiva de material genético: _Miles de secuencias simultáneas _Potentes herramientas de bioinformática para su ensamblaje _Inicio en 2005: Roche/454’s (pirosecuenciación) GS FLX Titanium, Illumina/Solexa’s I, Life/APG’s, SOLiD, etc.
  26. 26. 35 Materiales y métodos experimentales 1) Proceso de compostaje Compostaje de “alperujo“ como modelo de estudio (Tortosa y col., 2012): - 2 pilas de 10.000 kg, alperujo y estiércol de oveja (1:1, v/v) M1 y M2 - Pilas estáticas y volteos mecánicos (7 volteos, más frecuentes durante la fase bioxidativa) - Humedad entorno a 40-60%
  27. 27. 36
  28. 28. BACTERIAS PROMOTORAS DEL CRECIMIENTO VEGETAL (PGPR) - Ayudan a las plantas mejorando la disponibilidad de nutrientes del suelo ¿Cómo lo hacen? - Fijación biológica de nitrógeno atmosférico - Producción de sideróforos (quelantes de Fe) - Solubilización de fosfato insoluble del suelo
  29. 29. Aislar e identificar bacterias PGPR presentes en un compost de “alperujo” Dos aproximaciones metodológicas basadas en bacterias fijadoras de nitrógeno: 1- Simbiosis con leguminosas 2- Bacterias en vida libre
  30. 30. 1- Bacterias que forman simbiosis con leguminosas - Jarras Leonard - Disolución nutritiva sin nitrógeno - Plantas de soja, judía y garbanzo - Material estéril Dos experimentos: Compost sólido Compost líquido Dos tratamientos: Con compost Sin compost
  31. 31. 1- Bacterias que forman simbiosis con leguminosas - Solo encontramos nódulos en raíces de judía al añadir el compost en forma líquida - No hubo diferencias entre plantas con y sin compost
  32. 32. 2- Bacterias en vida libre - Extracción acuosa del compost - Diluciones seriadas y cultivo en placas petri con medio Burk (sin nitrógeno) - Selección de bacterias según su morfología usando un microscopio óptico - Aislamiento y crecimiento en placa “master” - Cultivo en medio líquido - Pruebas PGPR: producción de sideróforos y solubilización de fosfato - Aislamiento de ADN, amplificación del gen 16s rRNA, secuenciación e identificación de los aislados
  33. 33. - Aspecto de algunas de las bacterias seleccionadas en el microscopio
  34. 34. - Prueba de producción de sideróforos: se forma halo naranja - Prueba de solubilización de fosfato inorgánico: se forma halo trasparente - Solo 4 aislados presentaron propiedades PGPR: cepa 1, 2, 7 y 9 - Fueron mejores que la cepa PGPR de referencia Azospirilum brasilense
  35. 35. - Se eligieron estas 4 cepas para identificarlas - Se extrajo su ADN y se amplificó el gen 16s rRNA - Su tamaño se comprobó por electroforesis de gel de agarosa y se secuenció - Los aislados pertenecían a los géneros Burkholderia, Bacillus, Gluconacetobacter y Pseudomonas
  36. 36. Algunas conclusiones y líneas futuras 1- Identificación de microorganismos relacionados con la humificación del compostaje: – Bacterias: Planomicrobium y Ohtaekwangia – Hongos: Cystofilobasidium 2- Aislamiento y enriquecimiento del compost (interacción entre bacterias y hongos a lo largo del proceso) Por hacer... 3- Estudio la actividad bacteriana (metatranscriptómica) Hecho y en fase de discusión... 4- Aislamiento de bacterias promotoras del crecimiento vegetal En marcha...
  37. 37. ¡Muchas gracias por vuestra atención!

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