Procesos biofísicos que apoyan la diversidad de la vida microbiana en el suelo

Procesos biofísicos que apoyan la diversidad de la vida microbiana en el suelo. 

Robin Tecon , Dani Or

FEMS Microbiology Reviews , Volumen 41, Número 5, septiembre de 2017, páginas 599–623, https://doi.org/10.1093/femsre/fux039

Publicado:

16 agosto 2017

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Resumen

El suelo, la piel terrestre viva de la Tierra, desempeña un papel central en el mantenimiento de la vida y alberga una diversidad inimaginable de microorganismos. Esta revisión explora los impulsores clave para la vida microbiana en suelos bajo diferentes climas y las prácticas de uso de la tierra a escalas que van desde los poros del suelo hasta los paisajes. Delineamos características especiales del suelo como hábitat microbiano (centrándonos en las bacterias) y las consecuencias para las comunidades microbianas. Esta revisión cubre los avances recientes de modelado que vinculan los procesos físicos del suelo con la vida microbiana (denominados procesos biofísicos). A los lectores se les presentan conceptos que rigen la organización del agua en los poros del suelo y las propiedades de transporte asociadas y los rangos de dispersión microbiana a menudo determinados por la organización espacial de una fase acuosa del suelo altamente dinámica. Las estrechas ventanas hidrológicas de humectación y la conexión de fase acuosa son cruciales para la distribución de recursos y el transporte de microorganismos a mayor distancia. Las retroalimentaciones entre la actividad microbiana y su entorno inmediato son responsables de la emergencia y la estabilización de la estructura del suelo, el andamiaje para el funcionamiento ecológico del suelo. Sintetizamos ideas de estudios históricos y contemporáneos para proporcionar una perspectiva de los desafíos y oportunidades para desarrollar un marco ecológico cuantitativo para delinear y predecir el componente microbiano del funcionamiento del suelo. Las retroalimentaciones entre la actividad microbiana y su entorno inmediato son responsables de la emergencia y la estabilización de la estructura del suelo, el andamiaje para el funcionamiento ecológico del suelo. Sintetizamos ideas de estudios históricos y contemporáneos para proporcionar una perspectiva de los desafíos y oportunidades para desarrollar un marco ecológico cuantitativo para delinear y predecir el componente microbiano del funcionamiento del suelo. Las retroalimentaciones entre la actividad microbiana y su entorno inmediato son responsables de la emergencia y la estabilización de la estructura del suelo, el andamiaje para el funcionamiento ecológico del suelo. Sintetizamos ideas de estudios históricos y contemporáneos para proporcionar una perspectiva de los desafíos y oportunidades para desarrollar un marco ecológico cuantitativo para delinear y predecir el componente microbiano del funcionamiento del suelo.

microbiología del suelo , ecología microbiana , zona vadosa , física del suelo , interacciones microbianas , comunidades bacterianas

Tema:

• suelo

Sección de problemas:

 Artículo de revisión

INTRODUCCIÓN

Los microorganismos han sido nombrados "administradores de la biosfera" (Jansson y Fredrickson 2010 ), y quizás en ningún otro lugar del planeta este título sea más apropiado que en el suelo. A nivel mundial, los microbios del suelo son los impulsores de ciclos biogeoquímicos clave que involucran carbono, nitrógeno, fósforo, hierro y más. Su actividad contribuye a una amplia variedad de funciones del ecosistema del suelo, incluido el ciclo de la materia orgánica y los nutrientes, y la aparición de la estructura del suelo. Estas funciones están estrechamente asociadas con bienes y servicios esenciales del ecosistema (p. Ej., Alimentos, fibra, madera) y servicios (que regulan las emisiones de gases de efecto invernadero, secuestran carbono, aseguran la calidad del agua, mitigan la erosión, atenúan los contaminantes, suprimen los patógenos y promueven el crecimiento de las plantas) (Brussaard 2012) La actividad microbiana es, por lo tanto, esencial para un suelo sano y fértil. Este es un hecho crucial en un momento en que las amenazas a la calidad del suelo y la fertilidad están aumentando a un ritmo alarmante. La centralidad de los servicios del suelo para la vida en el planeta llevó a la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación a declarar 2015 el año internacional de los suelos (FAO 2015 ) en un esfuerzo por aumentar la conciencia mundial sobre el papel del suelo y la urgente necesidad de preservar este capa de la superficie terrestre que rebosa de vida (Wallander 2014 ).

Algunos retratan el suelo como un hábitat desfavorable para la vida microbiana debido a sus condiciones ambientales duras y fluctuantes, pero la evidencia sugiere que los microorganismos prosperan en los suelos (Stotzky 1997 ). Un gramo de suelo de la superficie puede contener 10 9 -10 10 células procariotas (bacterias y arqueas), 10 4 -10 7 protistas, ~ 100 m de hifas fúngicas y 10 8 -10 9 virus (Srinivasiah et al. 2008 ; Bates et al . 2013 ; Bardgett y van der Putten 2014 ; Brady y Weil 2014) Estos valores se traducen en una biomasa procariota superior a 5 toneladas por hectárea en algunos suelos, con una biomasa fúngica que varía de 1 a 15 toneladas (Brady y Weil 2014 ). Los suelos también albergan una gran diversidad genética: los métodos de reasociación del ADN de la comunidad (Torsvik y Øvreås 2007 ) han demostrado que la diversidad genómica total de las comunidades bacterianas de los pastizales no perturbados puede exceder la diversidad encontrada en las comunidades acuáticas en tres órdenes de magnitud, con las estimaciones de diversidad más altas. que van desde miles hasta millones de especies procariotas distintas (u OTU, unidades taxonómicas operativas) por gramo de suelo (Torsvik y Øvreås 2002 ; Torsvik, Øvreås y Thingstad 2002 ; Gans, Wolinsky y Dunbar 2005; Schloss y Handelsman 2006 ; Roesch y col. 2007 ). Además, unos pocos gramos de suelo contienen cientos de especies de hongos y protista (Bates et al. 2013 ; Peay, Kennedy y Talbot 2016 ). Actualmente, el verdadero alcance de la diversidad microbiana solo puede estimarse, aún no medirse (Locey y Lennon 2016 ; Peay, Kennedy y Talbot 2016 ). Nuestro conocimiento limitado de la biodiversidad y sus vínculos con funciones específicas del ecosistema ha motivado varias iniciativas de metagenómica del suelo en los últimos años (Nesme et al. 2016 ), especialmente el consorcio TerraGenome en 2009 (Vogel et al. 2009), el Proyecto de Microbioma de la Tierra en 2010 (Gilbert, Jansson y Knight 2014 ) y en 2014 los Proyectos de Microbioma de Brasil y China. En 2015, un grupo de investigadores pidió una iniciativa microbioma internacional unificado (Alivisatos et al. 2015 ; Dubilier, McFall-Ngai y Zhao 2015 ). Estas grandes campañas de investigación han dado lugar a una gran cantidad de información genómica, pero también se ha sugerido que aprovechar todo el potencial de dichos datos requiere su integración en marcos ecológicos y teóricos coherentes que permitan el estudio sistemático de preguntas de larga data e hipótesis de prueba y nuevas teorías (Prosser et al. 2007 ; Prosser 2015) Un elemento esencial para tales marcos es la naturaleza del hábitat del suelo en sí. La parte poco profunda de la llamada zona crítica (un dominio que se extiende desde el agua subterránea hasta las copas de las plantas arriba) comprende suelo insaturado, una región delgada que soporta todas las plantas terrestres y es un producto de la actividad biológica que alberga. Un rasgo fundamental del funcionamiento del suelo es su estructura: la disposición de partículas de diferentes tamaños, a menudo pegadas por la materia orgánica del suelo, que define los complejos espacios de poros que habitan la vida microbiana, retienen agua y nutrientes y proporcionan vías para el transporte de gas y la dispersión celular (Crawford et al. 2005 ). Las variaciones dinámicas en la disponibilidad de agua, tanto en el espacio como en el tiempo, afectan los procesos de difusión que dan forma a la vida microbiana en el suelo (Koch 1990) Estas variaciones, combinadas con una distribución irregular de los recursos orgánicos, crean condiciones ambientales únicas para el desarrollo de la vida microbiana. En general, el inmenso grado de heterogeneidad espacial y temporal que se encuentra en el suelo lo convierte en uno de los compartimientos más complejos y dinámicos de la biosfera, al albergar una miríada de nichos y promover una amplia gama de adaptaciones microbianas. Como bien dijo Patrick Lavelle: "Comprender estas adaptaciones requiere una visión holística de la naturaleza de los suelos, vincular los procesos físicos, químicos y biológicos y tratar de comprender lo que realmente implica ser una bacteria o un colega en este entorno" (Lavelle 2012) La descripción cuantitativa y la comprensión de la vida microbiana en el suelo es necesariamente un esfuerzo interdisciplinario que debe integrar los aportes de la ecología microbiana, la física del suelo, la química ambiental, la agronomía y más.

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