CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES-Artículo Científico

BACTERIAS HETERÓTROFAS Y OLIGOTRÓFICAS EN ZONAS CONSERVADAS E INTERVENIDAS DEL PÁRAMO DE LA CORTADERA, BOYACÁ, COLOMBIA

HETEROTROPHIC AND OLIGOTROPHIC BACTERIA IN PRESERVED AND INTERVENED AREAS OF THE PARAMO THE CORTADERA, BOYACÁ, COLOMBIA

David Ricardo Hernández1, Luz Marina Lizarazo2

1 Biólogo. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Joven Investigador Grupo de Investigación Biología Ambiental, Escuela de Ciencias Biológicas, Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, e-mail: [email protected]

2 Bacterióloga, M.Sc. Ph.D. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, e-mail: [email protected]

Rev. U.D.C.A Act. & Div. Cient. 18(2): 475-483, Julio-Diciembre, 2015


RESUMEN

Los páramos brindan servicios ambientales fundamentales a la población, por la continua provisión de agua, en cantidad y en calidad y el almacenamiento de carbono atmosférico, que ayuda a regular el calentamiento global. Estos ecosistemas están sufriendo irreparables transformaciones, que controlan directa o indirectamente la estructura de las comunidades de microorganismos, cuya actividad es esencial para el mantenimiento de los ciclos biogeoquímicos. Se evaluó la diversidad de bacterias heterótrofas y oligotróficas, en los horizontes A, AB y B, de zonas conservadas y de zonas intervenidas en el Páramo de la Cortadera, en tres áreas de muestreo, ubicadas en los municipios de Siachoque, Pesca y Toca. El número de bacterias heterótrofas aeróbicas totales y bacterias oligotróficas, se estimaron como unidades formadoras de colonias, sembrándose en Agar TSA + Nistatina y Agar MSC-MSH, a 30°C, por 48 horas. Los suelos tienen una textura franco arcilloso, con pH ácido, bajo contenido de materia orgánica y altos niveles de P, aislándose los géneros Pseudomonas, Acinetobacter, Lactobacillus, Bacillus y Klebsiella, y bacterias oligotróficas de los géneros Caulobacter y Hyphomicrobium, siendo Pesca la zona más diversa del Páramo de La Cortadera. Dicha diversidad podría estar influenciada por una amplia gama de factores bióticos y abióticos, que se puede ver afectada por cambios ambientales o alteraciones antrópicas.

Palabras clave: Diversidad, cultivos, antrópico, horizontes, suelos.


SUMMARY

The "paramo" provides essential environmental services to the population, being an ecological unit that regulates the water flows, and atmospheric carbon storage, which helps to control global warming. These ecosystems are suffering irreparable transformations that directly or indirectly control the structure of communities of microorganisms, which activity is essential for the maintenance of biogeochemical cycles. The diversity of heterotrophic and oligotrophic bacteria in horizons A, AB and B, of areas conserved and altered in the Páramo of Cortadera in the municipalities of Siachoque, Pesca and Toca were evaluated. The total number of aerobic heterotrophic and oligotrophic bacteria was estimated as colony forming units, being cultivated on Agar + Nystatin TSA Trypticase Soya Agar Scharlau®and Agar Agar MSC and MSH at 30°C for 48 hours respectively. The soils have a loamy clay texture, acid pH, low organic matter and high levels of P, isolating the genera Pseudomonas, Acinetobacter, Lactobacillus, Bacillus and Klebsiella, and oligotrophic bacteria genera Caulobacter, and Hyphomicrobium, being the most diverse the area Pesca. This diversity could be influenced by a wide range of biotic and abiotic factors, which can be affected by environmental changes and anthropogenic disturbances.

Key words: Diversity, crops, anthropic, horizonts, soils.


INTRODUCCIÓN

Los páramos, se encuentran entre los 3.200 y 4.500m en las cadenas montañosas de los andes de Colombia, de Venezuela, de Ecuador, al norte de Perú, de Costa Rica y de Panamá. Estos ecosistemas son de gran importancia para el almacenamiento y la regulación hídrica, contribuyendo en la fijación de carbono, debido a la lenta descomposición de la materia orgánica y a los procesos de humificación, propios de los suelos (Daza-Torres et al . 2014).

En Colombia, estos ecosistemas presentan una extensión aproximada de 1.925.410 hectáreas, de las cuales, el 38,7% se encuentran en áreas de Parques Nacionales Naturales (Rivera & Rodríguez, 2011). A pesar de su notable significación, desde hace décadas están sufriendo enormes transformaciones, por la expansión humana y sus actividades, tales como la agricultura, la ganadería y, en algunos casos, la minería (Cañón-Cortázar et al . 2012).

Las prácticas agrícolas, el uso de fertilizantes y los sistemas de cultivo son factores que controlan directa o indirectamente la estructura de las comunidades de microorganismos del suelo. Parámetros, como la biomasa microbiana, su actividad metabólica y el conteo de las poblaciones microbianas más importantes de la microbiota del suelo, son indicadores fundamentales de la calidad del suelo, siendo la biomasa microbiana, un indicador que mejor refleja las respuestas al cambio ambiental, incluso, mejor que los parámetros físicos y químicos; no obstante, es difícil establecer indicadores de calidad, que permitan estimar y cuantificar su nivel de eficacia, porque muchos cambios ocurren paulatinamente y, por lo tanto, las variaciones en la calidad del suelo se perciben cuando todos los efectos se combinan, al cabo de determinado tiempo (Falkowski et al . 2008; Cañón-Cortázar et al .2012).

En cuanto a la utilización de los nutrientes, las bacterias del suelo pueden ser clasificadas en oligotróficas y en copiotróficas. Las primeras, necesitan de una pequeña concentración de nutrientes, empleando lentamente la materia orgánica; las bacterias copiotróficas, por el contrario, necesitan una gran concentración de nutrientes, adaptándose a intervalos de latencia y de rápido crecimiento, dependiendo de la disponibilidad de estos sustratos (Saito et al .1998; Brenner et al . 2005); sin embargo, son muy pocos los estudios que se han desarrollado para conocer las poblaciones de bacterias oligotróficas presentes en suelos, ya que la mayoría de las investigaciones -referentes a estas bacterias-, se han llevado a cabo en ambientes marinos, agua dulce, suelos, materiales clínicos y agua ultra pura (Cho & Giovannoni, 2004).

El Páramo de La Cortadera, se ubica dentro del complejo de páramos Tota - Bijagual -Mamapacha, presentando zonas secas, en el sector de Toca y Pesca y húmedas, en el municipio de Siachoque. Este complejo de páramos es uno de los que posee mayor actividad antrópica en el departamento de Boyacá (Morales et al . 2007), lo cual, ha incrementado el interés en realizar estudios microbiológicos edáficos, como un indicador sensible de la calidad del suelo, para evidenciar posibles relaciones entre la diversidad microbiana, edafología del suelo y la sustentabilidad del ecosistema.

En este contexto, se realizó este estudio de bacterias heterótrofas y oligotróficas del suelo en el Páramo de La Cortadera, que tiene como objetivo, evaluar la diversidad de bacterias edáficas cultivables en los suelos de las zonas conservadas e intervenidas del Páramo de la Cortadera, Boyacá, Colombia.

MATERIALES Y MÉTODOS

Área objeto de estudio. El estudio, se realizó en el Páramo de La Cortadera, entre febrero y noviembre de 2014. Se seleccionaron tres áreas de muestreo: Siachoque (5°29'24,7"N y 73°9'53,4"W a 3534m), Pesca (5°32'18,7"N y 73°6'17,8"W a 3633m) y Toca (5°34'52,9N y 73°7'23,2"W a 3208m), localidades con promedios de precipitación mensual de 35,7mm (Morales et al . 2007).

Se determinaron áreas con vegetación nativa de páramo, denominada Zonas Conservadas (ZC) y áreas de barbecho, con un descanso de, aproximadamente dos años, para Pesca y Toca y, de alrededor de 60 años, para Siachoque, denominada Zonas Intervenidas (ZI), constituyendo el cultivo de papa (Solanum tuberosum L), el predominante en estas áreas. Para ello, se tuvo en cuenta el estudio general de suelos y de zonificación de tierras del departamento de Boyacá, del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (2005), cartografía básica y fotografías aéreas.

En estas zonas, se efectuaron seis calicatas de 1m3 y, en cada una, se identificaron tres horizontes (A, AB y B); el horizonte A, se ubicó entre los 0-60cm, hasta evidenciar la desaparición de las raíces en la parte orgánica de la calicata; el horizonte AB fue la transición entre la parte orgánica y la arcillosa, entre los 60-80cm y el horizonte B fue entre los 80-100cm en el fondo de la calicata, donde predominaban las arcillas, las areniscas y las rocas.

Toma de muestras. Se tomaron submuestras para cada uno de los horizontes A, AB y B, hasta completar cerca de 1kg de suelo, para un total de 36, por zonas en estudio, se guardaron en bolsas Ziploc y se llevaron al laboratorio en neveras portables, tamizándolas a 2mm y refrigerándolas, para su posterior análisis.

Análisis agroquímico del suelos. Se realizó en el Laboratorio Nacional de Suelos del Instituto Geográfico Agustín Codazzi. Se determinó pH, por el método potenciométrico, en agua o en NaF; textura, por el método de Bouyoucos; CIC, por el método Acetato de amonio 1N pH neutro y cuantificación, por volumetría y absorción-emisión atómica; conductividad eléctrica CE-Conductivimetría, en extracto de saturación; porcentaje de materia orgánica, por el método Calcinación a 540°C y cuantificación gravimétrica y elementos mayores y menores, por el método de extracción, con DTPA y cuantificación por Absorción Atómica A.A.

Cuantificación y clasificación de bacterias. Se pesaron 10g por muestra de suelo, para realizar diluciones en serie, desde 10-1 hasta 10-4, usando agua destilada estéril.

Para el aislamientos de bacterias heterótrofas, se empleó el agar TSA + Nistatina Agar Tripticasa Soya- Scharlau® y los medios de cultivo agar MSC Mineral salts Caulobacter y MSH Mineral salts Hyphomicrobium, para el aislamiento de bacterias oligotróficas, de los géneros Caulobacter e Hyphomicrobium. Todos los medios de cultivo se sembraron por duplicado e incubaron a 30°C, por 48 horas.

El número de bacterias heterótrofas aeróbicas totales y oligotróficas, se estimaron como unidades formadoras de colonias por gramo de suelo (UFC g-1).

A los aislados bacterianos heterótrofos, se les realizaron pruebas micromorfológicas y culturales, en los medios selectivos Agar EMB Pronadisa®, Agar McConkey Pronadisa® y Agar Baird Parker Pronadisa®. Se realizaron pruebas fisiológico- bioquímicas utilizando API 20E, para enterobacterias-Bio- mérieux®; API 20 NE, para no enterobacterias-Biomérieux® y BBL Crystal®, para Bacilos Gram positivos. En cuanto a las bacterias oligotróficas, se efectuaron pruebas bioquímicas tradicionales para los géneros Caulobacter e Hyphomicrobium, empleando el Manual de Bergey (Brenner et al . 2005).

Procesamiento de resultados. Se calculó el índice de diversidad de Shannon, en los suelos de las zonas estudiadas; para el cálculo de este índice, se consideró la siguiente fórmula:

H'=-ΣpiLn(pi), donde pi=ni/N

Análisis estadísticos. Los datos de la cuantificación microbiana, se transformaron a Logaritmo en base 10, para que cumplieran con la distribución normal; con estos datos obtenidos, se realizó un análisis de varianza de tres factores; se aplicó la prueba de normalidad de Shapiro-Wilk y el análisis de varianza correspondiente, con un nivel de significación de 0,01. Además, se practicó la prueba de comparación múltiple de Tukey, para determinar diferencias significativas de las variables evaluadas, entre los usos de los suelos estudiados. Se utilizó el paquete SigmaPlot 12.0.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Análisis agroquímico de los suelos. El suelo de las tres áreas estudiadas, se caracterizó por presentar una textura franco arcillosa (FAr), tal como se ha informado para suelos cultivados con papa (Flórez-Zapata & Uribe-Vélez, 2011) y en suelos de páramo (Lizarazo-Medina & Gómez-Vásquez, 2015). Además, los suelos de estas zonas presentaron un pH ácido (pH: 4,3); este valor es similar a los reportados por Moratto et al . (2005) y Estupiñán et al . (2009), quienes informaron pH de 4,1 a 5,4, para el Páramo Guerrero y de 3,8, para el Páramo el Granizo, respectivamente. Asimismo, Lizarazo-Medina & Gómez-Vásquez (2015), en los Páramos de Santa Inés y Frontino-Urrao, en el departamento de Antioquia, declararon pH de 4,33 y 4,31, respectivamente.

Para el Páramo de la Cortadera, los valores de pH reportados en las ZC y ZI son ideales para el establecimiento de poblaciones microbianas, al ubicarse en el rango óptimo de pH 4-7, para el crecimiento bacteriano (Lauber et al . 2009; Rousk et al . 2010), siendo este un factor ambiental determinante de la diversidad y de la composición de las comunidades microbianas del suelo (Lauber et al . 2009; Siciliano et al . 2014); sin embargo, estas poblaciones se pueden ver afectadas por las prácticas agrícolas y por las condiciones climáticas, que podrían generar variaciones en el pH y en la disponibilidad de nutrientes (Figueiredo et al . 2015). Además, permite la adaptabilidad de especies vegetales (Estupiñán et al . 2009), ofreciendo una mayor disponibilidad y retención de elementos menores, como Fe, Mg, Cu y Zn, que forman complejos estables con la materia orgánica, haciéndolos más solubles y, por lo tanto, más fáciles de absorber -haciéndolos más solubles-, lo que permite que sean más fáciles de absorber por las plantas; además, impide que se generen concentraciones de aluminio mayores a 1ppm, que llegan a ser tóxicas para las plantas (Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 2005; Figueroa del Castillo et al . 2010).

Por otro lado, se registraron altos contenidos de materia orgánica para las calicatas conservadas, especialmente, en el área de Siachoque (8,2%), en comparación a los obtenidos en las calicatas intervenidas, siendo las áreas de Pesca (8,1%) y Siachoque (7,2%), las que presentaron los valores más altos de esta zona. En la tabla 1, se muestran altas concentraciones de fósforo en los suelos de las calicatas intervenidas (10,6-38,9mg/kg), con bajas concentraciones para las ZC (0,96-8,41mg/kg). Moratto et al . (2005), en áreas cultivadas con papa (Solanum tuberosum L) y áreas en descanso, obtuvo valores de MO, entre 19-62% y contenidos de fósforo, de 99,5mg/kg, siendo superiores a los hallados en este estudio; no obstante, en zonas de páramo, Lizarazo-Medina & Gómez-Vásquez (2015) informaron concentraciones de P, de 6,71-29,69mg/kg y porcentajes de MO, de 11,72% y 35,31%, existiendo similitud con los resultados obtenidos en este estudio.

Estos valores de materia orgánica y altos contenidos de fósforo en las ZI, posiblemente, pueden están influenciados por cambios en las propiedades fisicoquímicas del suelo, por el ingreso de nuevas poblaciones de microorganismos, por disturbios de origen antrópico o natural, variaciones en las condiciones ambientales o aplicación de fertilizantes, tal como se pudo evidenciar en las áreas de Pesca y Toca. Además, un mayor contenido de fósforo es el reflejo de la adecuación de los suelos, para los procesos productivos (Drenovsky et al . 2004); sin embargo, los valores bajos de fósforo que se observaron en las ZC, se deben a los procesos de retención del ecosistema, en los que intervienen los compuestos de hierro y de aluminio y la fauna del suelo, que favorecen los procesos de humificación (Drenovsky et al . 2004; Estupiñán et al . 2009).

Análisis microbiológico. Se registraron concentraciones de bacterias heterótrofas cultivables de 8,9 Log UFC g-1, aislándose 11 géneros bacterianos, con mayor abundancia de microorganismos en las ZC (51,1%). El horizonte A es el de mayor concentración microbiana, mientras que los horizontes AB y B registraron los más bajos valores, evidenciándose que existen diferencias significativas (P=<0,001), entre la abundancia de microorganismos y los horizontes del suelo en las ZC y ZI estudiadas (Figura 1). Beltrán-Pineda (2014), en suelos cultivados con papa en el Páramo de Rabanal, reportó recuentos de 3,7 Log de UFC g-1; sin embargo, en suelos de este mismo páramo que han sufrido quemas, se registran poblaciones de bacterias amilolíticas, proteolíticas y celulolíticas, de 4,8, 4,6 y 4,3 Log UFC g-1, respectivamente (Beltrán-Pineda & Lizarazo-Forero, 2013). Igualmente, Lizarazo-Medina & Gómez-Vásquez (2015), en la rizosfera de Espeletia spp., en páramos de Antioquia, reportan una abundancia de microorganismos de 2,51x105UFC g-1 y 2,24x105UFC g-1, pero estos estudios se limitan, principalmente, a los 20cm superiores del suelo. Como resultado, las comunidades microbianas que existen a diferentes profundidades del suelo no han sido bien caracterizadas (Eilers et al . 2012); no obstante, como lo reportado en este estudio, la abundancia y la diversidad microbiana disminuye con la profundidad (Buss et al . 2005), representando un filtro ecológico, ya que muchos microorganismos que habitan en la superficie tienen menos probabilidades de prosperar en el entorno de los horizontes más profundos del suelo (Eilers et al . 2012).

Por tal razón, estos valores de ocurrencia de microorganismos podrían estar relacionados con la proporción de materia orgánica en las ZC y la humedad característica de estos suelos. Ramos & Zúñiga (2008) señalaron que un alto porcentaje de humedad favorece la actividad de los microorganismos, permitiéndoles reaccionar fácil y rápidamente a estímulos ambientales; sin embargo, en las ZI, esta actividad microbiana, se puede ver afectada por la aplicación intensiva de agroquímicos y, en parte, por el tipo de labranza, lo que genera un cambio drástico en la estructura del suelo y en las poblaciones de microorganismos, disminuyendo así su concentración y su biodiversidad (Rengel & Marschner, 2005).

Microrganismos aislados. En ambos ecosistemas estudiados, Pseudomonas se destacó como el género más abundante (86,1%), seguido de los géneros Acinetobacter (3,2%), Lactobacillus (1,9%), Bacillus (1,6%) y Klebsiella(1,6%), mientras que Corynebacterium, con 0,06%, solo fue aislado en las ZI (Tabla 2). Las bacterias pertenecientes al género Pseudomonas presentan características que le permite adaptarse con facilidad en diferentes agroecosistemas, destacándose por su corto período de latencia, rápida velocidad de crecimiento y capacidad de metabolizar una amplia gama de sustancias carbonadas, exudadas por las raíces de las plantas (Hernández-Rodríguez et al. 2003); por ejemplo, se ha aislado en suelos bajo cultivos de papa (S . tuberosum) (Moratto et al . 2005) y de la rizósfera de Espeletia spp., (Lizarazo-Medina & Gómez-Vásquez 2015), demostrando su capacidad para descomponer la materia orgánica, haciendo disponible el fósforo y produciendo compuestos que promueven el crecimiento de las plantas (Chakraborty et al. 2010; Muleta et al. 2013). Los géneros aislados en este estudio forman parte de los Phylum Actinobacteria, Firmicutes y Proteobacteria, siendo Pseudomonas y Bacillus, los representantes más comunes en muestras de suelo de alta montaña (Lyngwi et al . 2013); sin embargo, los resultados muestran una baja abundancia del género Bacillus, comportamiento que podría estar relacionado con el alto contenido de nutrientes, presentes en los suelos del Páramo de la Cortadera.

En relación con el género Acinetobacter, se ha documentado, en los últimos años, su gran capacidad metabólica, que le permite catabolizar una amplia variedad de compuestos naturales, lo que implica su participación activa en el ciclo de los nutrientes en los ecosistemas. Además, se ha demostrado su presencia abundante en diversos ambientes, que incluyen el suelo, los ecosistemas acuáticos y ambientes impactados (Baumann, 1968; Kostka et al . 2011; Jung &Park, 2015). En un estudio realizado por Sturz et al . (2001), se corroboró la importancia de Acinetobacter y su especificidad con las especies vegetales, demostrándose sus potencialidades en la estimulación del crecimiento y del desarrollo de la papa cultivar Russet Burbank.

Bacterias oligotróficas. Se aislaron concentraciones de 1,8 Log UFC g-1 de este grupo de bacterias, representadas en dos géneros: el Caulobacter, con un 2,1%, muestra un alto nivel de aislamiento, principalmente, para las zonas conservadas y los horizontes AB y B de las áreas estudiadas, mientras que el género Hyphomicrobium, con 0,7%, se aisló en menor proporción (Tabla 2). Saito et al . (1998) afirmaron que estos microorganismos se hallan ampliamente distribuidos en el suelo, desempeñando un papel importante en la descomposición de la materia orgánica y dinámica de nutrientes del suelo (Hashimoto et al . 2006); no obstante, el bajo porcentaje de aislamiento de estos géneros, podría estar influenciado por las propiedades agroquímicas registradas en los suelos del Páramo de la Cortadera, si se tiene en cuenta lo planteado por Phung et al . (2004), quienes señalaron que estos microorganismos crecen mejor a concentraciones de nutrientes menores a 10mg.

Análisis de diversidad. Los ecosistemas pertenecientes a las Zonas intervenidas de Pesca y Siachoque y la Zona Conservada de Toca, se caracterizan por tener la mayor diversidad del páramo de la Cortadera (Figura 2). Esta biodiversidad podría ser favorecida por la presencia de cultivos que vienen acompañados de nuevos sustratos, como la cáscara de arroz y de gallinaza, que favorecen la presencia y la abundancia de mayor cantidad de grupos microbianos (Vallejo-Quinter, 2013), pero esta diversidad se podría ver afectada por los usos agrícolas de los suelos, disminuyendo el ingreso de nutrientes al suelo y, consecuentemente, pérdida del contenido de carbono orgánico y nitrógeno.

Este estudio es de gran importancia para el departamento de Boyacá, ya que se da a conocer, por primera vez, la diversidad bacteriana asociada a zonas conservadas e intervenidas, ubicadas en el Páramo de la Cortadera. Las concentraciones bacterianas reportadas en este estudio hacen referencia a la fracción cultivable de algunos géneros microbianos, siendo indispensable aplicar nuevas metodologías de cultivo, que permitan conocer la diversidad microbiana total en estos ecosistemas, poco estudiados. Los resultados muestran que los microorganismos aislados tienen la capacidad de dinamizar la materia orgánica y fósforo presente en estos suelos, favoreciendo al sustento de los flujos de energía, la dinámica de los nutrientes, la estructura del suelo y la biodiversidad en estos ecosistemas de alto impacto, en el almacenamiento y en la regulación hídrica.

Agradecimientos: Los autores agradecen a Colciencias, a la Dirección de Investigaciones de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, al Ph.D. José Luis Machado, por el apoyo en el análisis de datos. Conflicto de interés: El manuscrito fue preparado y revisado con la participación de todos los autores, quienes declaramos que no existe ningún tipo de conflicto de interés que ponga en riesgo la validez de los resultados presentados.

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Recibido: Febrero 2 de 2015 Aceptado: Septiembre 20 de 2015

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