Dinámica del ciclo del nitrogeno y fósforo en los suelos

Dinámica del ciclo del nitrógeno y fósforo en suelos 285Rev. Colomb. Biotecnol. Vol. XIV No. 1 Julio 2012 285-295 285
ARTÍCULO DE REVISIÓN
Dinámica del ciclo del nitrógeno y fósforo en suelos
Nitrogen and phosphorus cycles dynamics in soils
Laura Emilia Cerón Rincón*
Fabio Ancízar Aristizábal Gutiérrez*
Resumen
Los ciclos biogeoquímicos del fósforo (P) y del nitrógeno (N) son sistemas dinámicos que suceden a través de la biosfera,
de cuyos mecanismos de transformación depende la disponibilidad de estos elementos para diferentes formas de vida. Se
acepta que la diversidad y actividad de las poblaciones microbianas posee un papel crucial en la dinámica de los nutrientes
y por tanto el desafío está en comprender, como responden a las condiciones ambientales. La actividad microbiana en los
suelos depende tanto de la condición del recurso y como de sus propiedades químicas, físicas y biológicas. En este docu-
mento se describen conceptos que se han empleado para entender la dinámica del nitrógeno y el fósforo, con el propósito
de discutir cómo las características de las diferentes fracciones orgánicas y minerales seleccionan el potencial biológico
encargado del recambio de dichos elementos, panorama que actualmente se aborda a través de técnicas independientes
del cultivo para estudiar las poblaciones microbianas in situ.
Palabras clave: dinámica de N y P, disponibilidad de nutrientes en suelo, fracciones orgánicas e inorgánicas y actividad
microbiana.
Abstract
Biogeochemical cycle’s phosphorus (P) and nitrogen (N) are dynamic systems taking place through the biosphere, whose
mechanisms of transformation depends on the availability of these elements for different forms of life. It is accepted that
the diversity and activity of microbial populations plays a crucial role in nutrient dynamics and therefore the challenge is
to understand how they respond to environmental conditions. Microbial activity in soils depends on both the resource
condition and its chemical, physical and biological properties. Concepts described herein have been used to understand
the nitrogen and phosphorus dynamics, with the aim to discuss how the characteristics of the different organic and mineral
fractions select the biological potential responsible for the turnover of these elements, scenario currently addressed through
cultivation-independent techniques to study microbial populations in situ.
Key words: N and P dynamics, soil nutrients availability, organic and inorganic fractions and microbial activity.
Recibido: enero 18 de 2012 Aprobado: junio 25 de 2012
* Instituto de Biotecnología Universidad Nacional de Colombia (IBUN), sede Bogotá leceronr@unal.edu.co, faaristizabalg@unal.edu.co
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Introducción
La productividad y dinámica de los ecosistemas terres-
tres está limitada a la disponibilidad de nutrientes. Para
las plantas la disponibilidad de nitrógeno (N) es el prin-
cipal limitante en la productividad de los cultivos, que
junto con del fósforo (P) determinan el crecimiento
vegetal. Para incrementar la disponibilidad de estos
nutrientes y mejorar la productividad de los cultivos, se
introducen al suelo fertilizantes químicos, aunque su
utilización es crítica para la producción de alimentos,
hoy en día se ha convertido en una práctica costosa
y que acarrea serias consecuencias ambientales��(Vi-
tousek et al., 1997; Fiedls, 2004). La introducción de
carbono orgánico, cambios en las especies vegetales,
microambientes (coberturas) e interacciones específi-
cas entre plantas y microorganismos, tienen un fuerte
impacto sobre el funcionamiento de los ecosistemas y
por tanto, en los procesos biogeoquímicos que gobier-
nan la transformación de los nutrientes. El desarrollo
de prácticas de manejo racionales y eficientes, que
incrementen y/o mantengan la fertilidad, a través del
uso óptimo de los nutrientes, requiere conocimiento
acerca de los mecanismos responsables de la dinámica
de dichos elementos. La disponibilidad de elementos
en los suelos, se debe considerar desde los diferentes
compartimientos orgánicos y minerales (Delgado y Sa-
las 2006) y su interacción con la biomasa microbiana
(Nannipieri y Eldor, 2009). Diferentes formas de vida
participan en los procesos que se llevan a cabo en el
suelo, pero las comunidades microbianas poseen un
papel principal (Madsen, 2011), ya que de ellas depen-
den funciones como hacer disponibles los nutrientes
para ellas mismas y para otras formas de vida como
las plantas, dinámica esencial para el mantenimiento
de los ciclos biogeoquímicos. Varios factores tienen
influencia en la actividad microbiana de los suelos:
los factores naturales: cambios climáticos, condicio-
nes geográficas, profundidad, propiedades físicas,
químicas y biológicas y los factores antropogénicos:
contaminación y manejo agrícola. Entre las principales
metas de la ecología microbiana se plantea entender
cómo los factores abióticos influyen en la abundan-
cia, distribución de microorganismos y en los procesos
que llevan a cabo. La diversidad funcional microbia-
na puede ser más relevante que su misma diversidad
taxonómica (Cadwell, 2005). La biomasa y actividad
microbiana son cruciales para el funcionamiento de
los ecosistemas, indicando la calidad del recurso (Ce-
rón y Melgarejo, 2005; Doran y Safley, 1997), además
de ser sensibles a los cambios ambientales y a las prác-
ticas de manejo.
Los microorganismos (solubilizadores de fosfatos y
diazótrofos, entre otros) poseen el papel principal en
muchos procesos que involucran la transformación del
N y del P, asociados a efectos de estimulación vegetal
(fitoestimulación y biofertilización), que a su vez están
influenciados por la combinación de factores como las
especies vegetales, el tipo de suelos y las condiciones
ambientales (Tilak et al., 2005). Las plantas seleccio-
nan y estimulan comunidades microbianas a través de
la secreción de exudados radiculares, el desarrollo de
dichas comunidades es determinante en la producti-
vidad vegetal (Tilak et al., 2005). Sin embargo, para
conocer los vínculos entre las estructura de las comu-
nidades microbianas y la dinámica del N y del P se
requiere de más investigación (Chen et al., 2008). Se
han empleado diversas técnicas para estimar la activi-
dad microbiana, las tasas de mineralización, respira-
ción, actividades enzimáticas, recuentos microbianos
en placa, entre otras. Sin embargo, su implementación
es dispendiosa, sólo estima una parte de la comunidad
(<1%) produciendo información limitada y que no da
cuenta de la diversidad funcional (número y distribu-
ción de funciones) potencial y actividad de las comu-
nidades. A través de los ácidos nucleicos obtenidos
a partir de poblaciones microbianas presentes en el
suelo, actualmente se pueden estudiar diferentes mar-
cadores, que proporciona mayor fiabilidad y cantidad
de información, acerca de los procesos que suceden
en los ambientes naturales (Sharma et al., 2006). Este
documento describe conceptos que se han empleado
para entender la dinámica del nitrógeno y el fósforo,
con el propósito de discutir cómo las características
de las diferentes fracciones orgánicas y minerales, se-
leccionan el potencial biológico (diversidad y actividad
de las poblaciones microbianas) encargado de la diná-
mica de dichos elementos.
Dinámica del Nitrógeno
La dinámica de este elemento (figura 1) en la biosfe-
ra comprende principalmente la fijación de nitrógeno
(N2), la mineralización, la nitrificación, la desnitrifica-
ción (Hayatsu et al., 2008) y la oxidación anaeróbica
del amonio Annamox (Hu et al., 2011), procesos me-
diados principalmente por microorganismos presentes
en el suelo (Klotz y Stain, 2008). El nitrógeno entra en
la biosfera por fijación química y biológica del nitróge-
no molecular (N2) y se remueve de la misma por des-
nitrificación. Delgado y Salas (2006) proponen que la
determinación cuantitativa de los diferentes comparti-
mientos orgánicos y minerales, está relacionada con
la disponibilidad de nutrientes y su susceptibilidad de
alteración debido al manejo, sistemas de producción
y procesos del suelo, donde estos compartimientos
estén involucrados. Recientemente se ha propuesto
(Nannipieri y Eldor, 2009) que para interpretar los

Dinámica del ciclo del nitrógeno y fósforo en suelos 287
mecanismos y proponer modelos de la dinámica del
nitrógeno, es necesario tener en cuenta las diferentes
fracciones orgánicas o compartimentos, considerando
que la temperatura, el tamaño de partícula de los re-
siduos, la agregación, el tipo de suelo, la humedad, el
secado y molido, el anegamiento y la anaerobiosis y
los efectos vegetales, también tienen efectos sobre la
dinámica del nitrógeno. Para entender qué direcciona
la dinámica del N, es necesario comprender la intrin-
cada red de procesos que dependen de la actividad
microbiana (McGrath et al., 2010). Sin embargo, es
poco lo que se sabe acerca de la causalidad de dichos
procesos y de la diversidad microbiana edáfica.
Antes del descubrimiento de proceso de Haber-Bosch
(síntesis química de amoniaco) a principios del siglo
XX, se consideraba que la fijación biológica de nitróge-
no proporcionaba casi exclusivamente la entrada de
este elemento en la biósfera(Fields, 2004). Se estima
que la fijación biológica contribuye globalmente con
180 millones de toneladas métricas de amonio por
año y que el aporte actual de nitrógeno antropogéni-
co es comparable con el aporte biológico (Tilak et al.,
2005). Desde su descubrimiento, se ha reconocido la
importancia de la fijación biológica para la productivi-
dad y sostenibilidad de los cultivos (Rees et al., 2005),
y a pesar de décadas de estudio, el entendimiento de
los mecanismos implicados en tal proceso,��aú��n cons-
tituye un reto científico. Los procesos de fijación los
llevan a cabo gran variedad de bacterias que poseen
nitrogenasas, enzimas que rompen el triple enlace del
nitrógeno molecular y producen amonio. Para estu-
diar los microorganismos implicados en dicho proceso
en ambientes naturales, se utiliza como biomarcador
el gen nifH que codifica la sub unidad hierro-proteína
de la nitrogenasa, este biomarcador proporciona evi-
dencias del potencial de proceso. Las bacterias dia-
zótrofas puede ser simbióticas (obligadas, asociativas
o endófitas) y de vida libre, representadas en Rhizo-
bium y Frankia para las obligadas y por Cyanobacteria,
Azospirillum, Azotobacter, Acetobacter diazotrophicus,
Azoarcus entre las asociativas o endófitas; Achromo-
bacter, Acetobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Azospi-
rillum, Azotobacter, Azomonas, Bacillus, Beijerinckia,
Clostridium, Corynebacterium, Derxia, Enterobacter,
Herbaspirillum, Klebsiella, Pseudomonas, Rhodospiri-
llum, Rhodopseudomonas y Xanthobacter, entre las no
simbióticas.
Para los sistemas agrícolas la incorporación de nitróge-
no es esencial para la fertilidad del suelo y por tanto
para la productividad vegetal. No existe un consenso
sobre los efectos de la fertilización orgánica o mineral
a largo plazo sobre la diversidad diazótrofa en suelos
negros (Tang, et al., 2012). Para estudiar dichos efec-
tos, se realizaron análisis de polimorfismo de longitud
de fragmentos de restricción RFLP (Restriction fragment
length polymorphisms), se construyeron cuatro libre-
Figura 1. Relaciones entre el ciclo del nitrógeno y los compartimentos orgánicos y minerales. Los cuadros negros son las entra-
das al sistema, los grises las fracciones disponibles; sin recuadro procesos y factores que tienen influencia en la disponibilidad de
nitrógeno (MO: Materia orgánica).

rías a partir de los amplímeros de genes nifH de co-
munidades microbianas, bajo diferentes tratamientos
de fertilización a largo plazo: (1) orgánica, (2) química,
(3) la combinación de las dos anteriores y (4) un trata-
miento control. Se puede decir que los tipos de fertili-
zación evaluados, ejercieron alguna selectividad sobre
las comunidad fijadora del suelo (Tang, et al., 2012).
La fertilización orgánica proporcionó condiciones am-
bientales favorables para el incrementó la diversidad
de filotipos, se presentó una distribución y composi-
ción mas amplia del “pool” de genes nifH, en contraste
se observó el efecto contrario con la fertilización quí-
mica, dado que decrece la diversidad de genes nifH,
al parecer la combinación de fertilización orgánica y
química neutralizó la influencias observadas en cada
uno por separado. En la rizósfera de plantas de sorgo
cultivadas en ecosistemas semiáridos y bajo tratamien-
tos de fertilización a largo plazo (Hai et al., 2009), se
evaluó la presencia de comunidades microbianas fun-
cionales involucradas en procesos claves del ciclo del
nitrógeno, a partir de ADN extraído de muestras de
suelo y utilizando técnicas de PCR cuantitativa. Los re-
sultados indican que el tratamiento con fertilizantes, el
estado fenológico, combinado con factores ambienta-
les afectan la abundancia los grupos funcionales, cada
régimen de fertilización resulta en un patrón de abun-
dancia típico de las poblaciones funcionales. Se obser-
vó un gran efecto de la fertilización orgánica (estiércol)
sobre la abundancia del genes nifH particularmente en
la floración (Hai et al., 2009), donde se encontraron las
mayores concentraciones de carbono, nitrógeno y fós-
foro totales, así como plantas más vigorosas y con ma-
yor crecimiento; se puede decir que el contenido de
materia orgánica y la estructura del suelo reducen los
efectos deletéreos de los periodos secos. En contraste,
se encontraron bajas concentraciones de C y P tota-
les en los tratamientos con fertilización química (urea),
con bajos rendimientos en el número de copias de ge-
nes nifH, lo que indica que la falta de macro nutrientes
no solo limita la efectividad de la fijación biológica de
nitrógeno, sino también reduce el tamaño de las po-
blaciones diazótrofas en ecosistemas semiáridos. Sin
embargo, no se puede establecer desde los anterio-
res estudios (análisis de ADN) la expresión génica de
los grupos funcionales y por tanto su contribución a
los procesos en los suelos. Existen pocos estudios que
analicen dicha expresión a través de la caracterización
de mARN y proteínas. Se han estudiado comunidades
diazotróficas en cultivos de arroz (Wartiainen et al.,
2008), utilizando técnicas de PCR-DGGE (Denaturant
Gradient Gel Electrophoresis) para analizar genes nifH
transcritos (mARNs), obtenidos de muestras de suelos
con y sin fertilización química de nitrógeno, en dos
tiempos a medio día y a media noche. La técnica de
PCR-DGGE se utilizó como “huella digital” de la comu-
nidad y se realizó el análisis filogenético. Los perfiles
generados para la población activa (mARN) fueron
únicos para cada tratamiento y de estos perfiles se ob-
tuvieron secuencias con alta identidad con Azoarcus.
Mientras que los diferentes perfiles para el potencial
de la población (ADN) fueron homogéneos; se con-
cluyó que hubo un bajo número de diazótrofos activos
(mARN) en las muestras y una marcada estabilidad en
la estructura de la comunidad diazótrofa (ADN) a pesar
de la gran diferencia en la disponibilidad de nitrógeno,
entre los suelos con y sin fertilización. La alta variación
de la comunidad activa, responde a la disponibilidad
de recursos y escalas espacio temporales. Para mo-
nitorear la presencia (ADN) y actividad (mARN) de la
comunidad diazotrófica presente en raíces de plantas
de arroz silvestre, se diseñó un microarreglo (Zhang et
al., 2007) que abarca (90% de las secuencias de bases
de datos) la diversidad conocida de diazótrofos proca-
riotes basándose en secuencias de genes nifH. A pesar
de la gran diversidad de diazótrofos detectados con
esta técnica, se demostró que únicamente un peque-
ño subconjunto está activo, los transcritos recobrados
del ambiente estaban dominados por nitrogenasas del
tipo Azoarcus, enfoque que permitió la identificación
de especies claves para una función particular.
Los procesos de mineralización del nitrógeno son de-
terminantes para la disponibilidad del elemento en
los ecosistemas terrestres (Nourbakhsh y Alinejadian,
2006), dados principalmente por la deaminación y
degradación de materia orgánica, de modo que res-
ponden a la cantidad y tipo de enmiendas orgánicas.
Se ha demostrado (Forana et al., 2011) que existen
efectos vegetales sobre la composición de las múl-
tiples fracciones de materia orgánica, que pueden
tener una importante influencia sobre la biodegrada-
bilidad y biodisponiblidad del carbono y nitrógeno,
dichos efectos están relacionados con la dinámica
del N de los detritos radiculares y la composición
funcional vegetal, que a su vez tienen influencia
sobre las tasas netas de mineralización. Se conoce
que la asimilación microbiana (inmovilización) es un
proceso critico que controla la disponibilidad de N
para las plantas (Forana et al., 2011), que junto con
la relación C:N en plantas y suelo, son variables cla-
ves que afectan la tasas de mineralización. Se ha ob-
servado (Okano et al., 2004) relación entre las tasas
de mineralización encontradas y los contenidos de
materia orgánica, y recientemente se ha propuesto
(Kader et al., 2010) que la evaluación de las diferen-
tes fracciones de materia orgánica, se puede utilizar
para predecir el comportamiento de las tasas netas
de mineralización de nitrógeno.

Los péptidos y proteínas son los compuestos más abun-
dantes de la fracción de N orgánica, se ha demostrado
(Nannipieri y Eldor, 2009) que una gran porción de
estos se encuentra asociada con compuestos húmicos.
El principal mecanismo de movilización del nitrógeno
orgánico es la proteólisis, la hidrólisis de proteínas pue-
de liberar aminoácidos y péptidos que son metaboli-
zados por la mayoría de los organismos, por esto se
considera crucial para mantener la calidad del suelo, la
productividad y sostenibilidad de la agricultura (Fuka
et al., 2008). Dicha actividad está dada principalmen-
te por las serina-proteasas (SUB) y las metaloproteasas
neutras (NPR), ambas son proteasas extracelulares (Ka-
mimura y Hayano, 2000). Se ha propuesto (Fuka et al.,
2009) que las proteasas de origen bacteriano (Vibrio
ssp., Bacillus ssp., Thermoactinomyces ssp., Paenibaci-
llus ssp., Clostridium ssp., y Alicylobacillus ssp.) son las
principales responsables de la degradación proteica
en los suelos. Utilizando PCR cuantitativa se evaluó
la presencia los genes (sub y npr) y sus actividades re-
lacionadas, en distintos terrenos con cultivos de papa
(Solanum tuberosum), en función de la adición de ferti-
lizantes químicos y la profundidad. Se propuso (Fuka
et al., 2008) que la disponibilidad de carbono y nitró-
geno, así como la cantidad y calidad de materia orgá-
nica, son los principales factores que tienen influencia
sobre la presencia de genes y actividad proteolítica.
Se requieren más estudios sobre los factores que tie-
nen influencia en la expresión, actividad y tiempo de
vida de las proteasas en los suelos.
Los procesos de nitrificación (Figura 1) consisten en
la oxidación secuencial del amonio a nitrito, y hasta
hace poco se le atribuía principalmente, a las bacterias
quimiolitoautotróficas oxidantes del amonio (BOA) ca-
racterizadas en numerosos ecosistemas terrestres. Las
BOA se clasifican dentro de tres géneros (Freitag et al.,
2005) Nitrosomonas (β-protoebacteria), Nitrosospira
(β-protoebacteria), y Nitrosococcus (γ-protoebacteria)
con base en las secuencias de genes 16S rARN y del
gen amoA. Este último codifica la subunidad A de la
enzima amonio monoxigenasa (AMO), la cual cata-
liza el primer paso de la oxidación del amonio y es
una herramienta molecular capaz de distinguir pobla-
ciones muy cercanas. Estudios recientes (Leininger et
al., 2006; Urich et al., 2008) de expresión de la co-
munidad microbiana en suelos (metatranscriptómica),
reportan altos niveles de expresión de los genes de
amoA de arqueas, demostrando la actividad y la domi-
nancia numérica de las arqueas oxidantes de amonio
(AOA) sobre las bacterias, lo que mostró un importan-
te metabolismo energético quimiolitoautotrófico que
no había sido considerado y por lo tanto un estilo de
vida edáfico pobremente caracterizado; a través de
la detección de genes 16S rARN se ha determinado
(Francis et al., 2007) una amplia distribución de Cre-
narchaeota en suelos y se ha estudiado su papel en la
nitrificación (Nicol y Schleper, 2006).
Los cambios en las condiciones de pH y fertilización
nitrogenada del suelo afectan la estructura de las co-
munidades de BOA, así como de arqueas oxidantes
de amonio (Leininger et al., 2006; Hansel et al., 2008;
Nicol et al., 2008), ya que estas dependen del NH4
+
y NO2
-
como fuentes de energía específicas. Se ha
observado que la adición de fertilizantes de amonio
estimula el crecimiento de comunidades de BOA, utili-
zando como marcadores los genes amoA y 16S rARN
cuantificados por PCR en tiempo real se reporta un
incremento significativo de las comunidades de BOA
(Okano et al., 2004), en suelos agrícolas que se fertili-
zaron anualmente (manejo convencional) con respec-
to a suelo sin fertilización (manejo orgánico). En este
último se observó un mayor consumo de amonio y
la acumulación de nitrato, sugiriendo un efecto de la
adición de amonio a largo plazo. Se han encontraron
(Nakaya et al., 2009) incrementos de genes amoA de
arqueas y en la concentración de nitrato tras la adición
de amonio, el número de copias de genes amoA de
arqueas fue diez veces mayor al de genes amoA de
betaproteobacterias. A pesar de esto, se considera (Jia
et al., 2009) que en suelos agrícolas es más importante
el papel de las BOA en la oxidación de amonio, a pe-
sar de la dominancia de las AOA, dado que no se ha
encontrado relación entre la abundancia de AOA y las
tasas de nitrificación (Bernhard et al., 2010). Las AOA
se pueden adaptar a pH bajos (Nicol et al., 2008) don-
de predominan especies no ionizadas (NH3) y a bajas
concentraciones de amonio (Stopnisek et al., 2010;
Zhalnina et al., 2012) por ejemplo, cuando este se libe-
ra paulatinamente a partir de compuestos orgánicos.
Aún se requiere de mayor conocimiento para enten-
der el papel que poseen los organismos conocidos en
los procesos de nitrificación y para encontrar a otros
actores de dicho proceso.
A la oxidación del amonio a nitrito le sigue la oxidación
de nitrito a nitrato, proceso mediado por bacterias oxi-
dantes de nitrito (BON). Las BON se han clasificado en
cuatro géneros Nitrobacter (α-proteobacteria), Nitros-
pina (δ-proteobacteria), Nitrococcus (γ-proteobacteria)
y Nitrospira (clase Nitrospira, phylum Nitrospirae), se
conoce que las arqueas también contribuyen a este
proceso en el suelo. Las prácticas de fertilización de
nitrógeno tienen influencia en la diversidad de los gru-
pos funcionales de BON (Freitag et al., 2005). La oxida-
ción biológica del amonio en condiciones anaeróbicas
se lleva a cabo por las bacterias denominadas ANAM-
MOX, que se han detectado por técnicas moleculares

en muestras ambientales (Hayatsu et al., 2008; Francis
et al., 2007). Estas bacterias pertenecen a los géneros
Brocadia, Scalindua y Kuenenia del phylum Planctomy-
cetes, ampliamente distribuido, se encuentra en diver-
sos ambientes que incluyen océanos, lagos y suelos.
Su estudio se ha centrado (Jin et al., 2012) como pro-
ceso ideal en el tratamiento de efluentes residuales ri-
cos en nitrógeno, pero este proceso se puede inhibir
por diversos factores como concentraciones elevadas
de amonio, nitritos, materia orgánica, sales, metales
pesados, fosfatos y sulfitos.
La desnitrificación es el proceso más importante para
el ciclo del nitrógeno, éste devuelve el nitrógeno fijado
a la atmósfera por procesos de respiración microbia-
na, a través de la reducción desasimilatoria de nitratos
(NO3
-
) y nitritos (NO2
-
) a N2O y N2, respectivamente;
también involucra la reducción asimilatoria del nitrito
(Simon, 2002) para convertirlo en amonio e incorpo-
rarlo al metabolismo celular. Las plantas y diferentes
microorganismos - arqueas, bacterias y hongos (Gorfer
et al., 2011) poseen la capacidad de incorporar nitra-
tos en su biomasa, lo que reduce su perdida por lixi-
viación y desnitrificación. Se conocen alrededor de 50
géneros de bacterias desnitrificantes (Zumft, 1997). La
actividad desnitrificante en bacterias se induce en pre-
sencia de nitratos y nitritos y bajo condiciones limitan-
tes de oxigeno (O2) y se inhibe por exceso de oxígeno.
Algunos hongos son capaces de producir N2O y N2
a través de dos rutas de desnitrificación��fúngica��, con-
tribuyendo bajo condiciones aerobias y anaerobias
(Hayatsu et al., 2008) al potencial de desnitrificación
y a la producción de N2O. La actividad desnitrificante
fúngica se induce en presencia de nitratos y nitritos
y cantidades significativas de O2 pero, no se ha ob-
servado (Zhou et al., 2001) su inducción por exceso
de oxígeno, y algunas arqueas también median dichos
procesos.
Para entender la estructura y la diversidad de las co-
munidades que contribuyen en los procesos de des-
nitrificación (NO3
-
→ NO2
-
→ NO → N2O → N2) se
han utilizado como marcadores moleculares los genes
nitrato (narG y napA) y nitrito (nirS y nrfA) reductasas
presentes en la cadena respiratoria, principalmente
(Klotz y Stain, 2008) en cuatro reacciones catalizadas
por las enzimas: nitrato reductasa (Nar), nitrito reduc-
tasa (Nir), oxido nítrico reductasa (Nor), oxido nitroso
reductasa (Nos), provenientes de muestras ambienta-
les han mostrado (Smith et al., 2007) gran diversidad.
La composición y actividad de las comunidades bac-
terianas desnitrificantes en suelos agrícolas se pueden
ver afectadas por la adición y el tipo de fertilización
nitrogenada: utilizando como marcadores los genes
narG (nitrato reductasa) y nosZ (oxido nitroso reduc-
tasa) se encontraron incrementos en las comunidades
(Enwall et al., 2005; Drambeville et al., 2006; Kandeler
et al., 2006; Chèneby et al., 2010), en respuesta a la
adición de fuentes orgánicas de nitrógeno, frente a los
encontrados tras la adición de fertilización mineral, así
como mayores potenciales de desnitrificación presen-
tes en los terrenos con adición de fuentes orgánicas de
nitrógeno. La adición de fertilizantes orgánicos tam-
bién tiene influencia sobre las propiedades químicas
y físicas del suelo, resultando en una mayor cantidad
de biomasa microbiana (Cmicro), que a su vez incremen-
ta los contenidos de materia orgánica y de nutrientes,
frente a la fertilización con nitrato de amonio que dis-
minuye el pH del suelo. Se sugiere (Chèneby et al.,
2010) que la disponibilidad de carbono y la tempera-
tura regulan la actividad del potencial biológico encar-
gado de la reducción de nitrato. La adición de residuos
vegetales con una relación C:N baja, induce (Huang
et al., 2004) la producción de N2O, mientras que por
adicción de residuos vegetales que contienen una re-
lación C:N alta la especie gaseosa predominante es
N2; sin embargo, niveles de transcriptos de nosZ (oxi-
do nitroso reductasa) respondieron de manera similar,
a la adición de residuos vegetales con diferente con-
tenido de C disponible (Henderson, et al., 2010). En
sedimentos costeros, la distribución de las secuencias
encontradas para los genes nirS y nirK (nitrito reducta-
sas) y sus relaciones filogenéticas, pueden responder a
adaptaciones a gradientes de salinidad y nitratos (San-
toro et al., 2006).
Para estudiar de manera más comprehensiva la in-
fluencia que tienen los factores ambientales sobre pro-
cesos claves para el ciclo del nitrógeno y carbono, y
que llevan a cabo las comunidades microbianas, a par-
tir de ADN de la comunidad y utilizando tecnología de
microarreglos (GeoChip):, se encontró (Berthrong et
al., 2009) una disminución de genes de nitrificación y
de fijación de nitrógeno, en plantaciones de forestales
(Eucalyptus) frente a praderas endémicas. Lo anterior
mostró correlaciones con el descenso en el nitróge-
no microbiano (Nmic) y el aumento en el amonio, sugi-
riendo que la comunidad microbiana en el plantación
es menos capaz de degradar el mantillo derivado del
eucalipto más ácido y recalcitrante, frente a la comu-
nidad de las praderas. De la misma forma, se analiza-
ron genes funcionales en ecosistemas de la Antártida,
donde se detectó mayor presencia de genes para fija-
ción de nitrógeno (nifH) en los terrenos cubiertos por
vegetación a frente terrenos desnudos (Yergeau et al.,
2007), mientras que la alta presencia de genes de des-
nitrificación (nirK y narG) se relacionó con el aumen-
to de temperatura. Los genes de ureasas y de amonio
monooxigenasas se encontraron entre los genes domi-

nantes a través de diferentes lugares estudiados, pero
en cada lugar particular se asocian a diferentes orga-
nismos, lo que sugiere diferentes estructuras responsa-
bles de las mismas funciones.
Dinámica del fósforo
Este elemento proviene de las apatitas y depósitos de
fosfato natural de donde es liberado a través de proce-
sos de meteorización, lixiviación, erosión y extracción
industrial como fertilizante. El fosfato liberado paula-
tinamente 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. Incluso el
P, aplicado como fertilizante en forma de superfosfato,
puede fácilmente constituir compuestos inorgánicos
inutilizables, debido a su inmovilización sobre la mate-
ria orgánica y arcillas.
La mayoría del fósforo de los ecosistemas terrestres
se encuentra localizado en el suelo, generalmente su
contenido varia entre 100 a 3000 mg de P/kg; entre
un 15 y un 80% de dicho contenido está en formas or-
gánicas (Po), dependiendo de la naturaleza del mate-
rial parental, el grado de precipitación, las pérdidas del
mismo, entre otros. La principal fuente de compuestos
orgánicos de fósforo (Po) la constituyen residuos de
plantas, animales y microorganismos, que liberan com-
puestos como ácidos nucleicos, fosfolípidos y ésteres,
lo que representa entre un 30 y un 60% del P total.
La mineralización de éstos, retornándolos a fosfatos
HP04
2-
y de H2PO4
-
inorgánicos (Pi), permite el reciclaje
del elemento para que regrese a la biota. Los fosfatos
(Pi) son utilizados por autótrofos y heterótrofos, inclui-
dos los descomponedores, en la cadena trófica, para
ser devueltos por estos últimos. La disponibilidad de
estos iones está fuertemente influenciada por el pH
del suelo y por la adición de fertilizantes (BaranČíková
et al., 2007). La disponibilidad del P también está dada
por el uso del suelo; cambios en la vegetación de pas-
tizales a bosques de coníferas aumentan la minerali-
zación del P (Chen et al., 2008), sin embargo, dichos
Figura 2. Relaciones entre el ciclo del fósforo y los compartimentos orgánicos y minerales. Los cuadros negros son las entradas
al sistema, los grises las fracciones disponibles, sin color las fracciones minerales; sin recuadro procesos y factores que tienen
influencia en la disponibilidad de fósforo (MO: Materia orgánica).

cambios se asociaron a la disminución de la fertilidad
en términos de disminución de actividad fosfatasa, bio-
masa microbiana y aumento en la tasa metabólica.
Las fuentes de fósforo y su distribución son críticas
para la sostenibilidad de las prácticas agrícolas (Chen
et al., 2008), ya que dicho elemento se requiere para
favorecer la formación de semillas, el desarrollo radicu-
lar, la fuerza de las pajas en los cereales y la madura-
ción de los cultivos. Las plantas han desarrollado varias
estrategias para la adquisición de fósforo bajo limita-
ción de este nutriente (Bûnemann, 2008; Turner et al.,
2003), que incluyen modificaciones morfológicas de la
raíz, adaptaciones fisiológicas, alteraciones bioquími-
cas que promueven asociación con microorganismos
micorrízicos y no simbiontes. El ciclo del P (figura 2), a
diferencia del ciclo del nitrógeno, no incluye cambios
en la valencia. Los principales procesos en el suelo in-
volucran, toma por las plantas y su retorno a través de
los residuos vegetales y animales, reacciones de fija-
ción a las superficies de arcillas y óxidos y el recambio
biológico dado por procesos de mineralización-inmo-
vilización y solubilización dependientes de la actividad
microbiana (Stevenson y Cole, 1999).
La principal contribución a la dinámica del fósforo
en los suelos está dada por el recambio de los pro-
cesos de mineralización-inmovilización microbianos
(Richardson y Simpson, 2011), que poseen un papel
esencial especialmente en la rizósfera. Estos procesos
están influenciados por una combinación de factores
como las especies vegetales, el tipo de suelos y los
factores ambientales. Los microorganismos que colo-
nizan la rizósfera pueden excretar ácidos orgánicos
que incrementan la solubilidad del P y enzimas con
actividad fosfatasa que hidrolizan mono, di y tri ésteres
de fosfato, junto con las asociaciones micorrízicas que
son críticas en la disponibilidad para muchas plantas
(Graham y Miller, 2005), estas últimas utilizan una
combinación eficiente de translocación del P acompa-
ñada de actividades fosfatasa y fitasa.
La fracción orgánica (Po) está conformada por diversas
moléculas, lo que hace que su velocidad de minerali-
zación sea diferente. Los ácidos nucléicos y fosfolípi-
dos se mineralizan rápidamente (Lim et al., 2007), ya
que los diésteres de fosfato se adsorben débilmente
en los materiales del suelo, siendo más vulnerables a
la degradación microbiana, mientras que los monoés-
teres, como los fosfatos de inositol, no son fácilmente
mineralizables y llegan a acumularse en grandes can-
tidades. Los fosfatos de inositol (IPx, donde x=1,2,...6)
se encuentran en diversos ambientes naturales, son
sintetizados por las plantas (Turner et al., 2002) y son
la forma dominante de la fracción orgánica (Po). El
más importante es el fitato (myo-inositol hexakisfos-
fato) que puede llegar a ser el 80% del Po. Por otra
parte, el ácido fítico está fuertemente adsorbido a las
superficies de los óxidos férricos y también tiene fuer-
tes interacciones con los ácidos húmicos y fúlvicos;
se han encontrado correlaciones entre las fracciones
de nonoésteres de fosfatos y el grado de humificación
(BaranČíková et al., 2007). Para liberar los grupos fosfa-
tos del inositol se requiere de fosfatasas especificas lla-
madas fitasas, que se han detectado en aguas marinas,
de lagos y en sedimentos y suelos (Lim et al., 2007); el
fitato en los ambientes acuáticos es rápidamente mine-
ralizado mientras que en los ecosistemas terrestres se
acumula. Se conocen (Idriss et al., 2002) microorganis-
mos (Bacillus, Enterobacter ssp., hongos como Aspergi-
llus, Emmericella, Penicillium y hogos micorrizicos) que
producen actividad fitasa extracelular y estimulan el
crecimiento vegetal por aumento en la disponibilidad
de fosfatos. La desfosforilación del myo- IP6 es catali-
zada por la actividad 3-fitasa de origen bacteriano y
la 6-fitasa de origen vegetal, sin embargo la actividad
puede ser inhibida por la presencia de montmorilloni-
ta (Turner et al., 2002); el tipo de arcillas y el número
de grupos fosfato presentes tiene influencia en la ad-
sorción. Las poblaciones microbianas rizosféricas po-
seen actividad para degradar el fitato y se cree (Lim et
al., 2007) que las fitasas tipo β-helice (BBP: β-propeller
phytase) tienen el principal papel en la hidrólisis de
dicho sustrato, tanto en comunidades acuáticas como
en comunidades de suelo. Sin embargo, en las bases
de datos ambientales para suelo y sedimentos (AAFX,
AAGA) existe un cubrimiento muy bajo de secuencias
para estos genes. Recientemente (Damon et al., 2012)
se han detectado transcriptos de fitasas en estudios de
metatranscriptómica en mantillo de bosques y se ha
sugerido (Vincent et al, 2010) que la mineralización
del Po en dichos ecosistemas contribuye a la disponi-
bilidad del elemento, más que las fracciones inorgáni-
cas. Sin embargo, se desconocen aún los mecanismos
que le dan estabilidad a las fracciones de Po, lo que
permitiría el entendimiento de la dinámica de este ele-
mento.
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, Coryne-
bacterium 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, 2000).
La aplicación de materia orgánica incrementa tanto la
actividad fosfatasa como el contenido de fósforo mi-

crobiano (Pmic), que a su vez contribuye al incremento
de P disponible. Se encontró (Sakurai et al., 2008) una
mayor actividad de fosfatasa alcalina y diversidad de
genes que codifican esta actividad, en comunidades
bacterianas de suelos agrícolas, utilizando técnicas
PCR cuantitativa y DGGE, así como un mayor conteni-
do de fósforo microbiano (Pmic) y de P disponible, en
respuesta a la adición de enmiendas orgánicas frente
a una fertilización química; resultados que indican que
la actividad y biomasa microbiana poseen un papel
fundamental en la mineralización de este elemento,
especialmente en la rizosfera. Se puede decir que bajo
un esquema que favorezca las asociaciones microbia-
nas para incrementar la eficiencia en la disponibilidad
del P para las plantas, éstas son beneficiosas desde el
punto de vista económico y ambiental para el desarro-
llo de sistemas agrícolas.
Conclusiones
Aunque desde hace varias décadas se conoce que la
transformación de nitrógeno y la mineralización de
fósforo son procesos inherentes al suelo, así como la
pérdida de N y la inmovilización del P, la implemen-
tación de técnicas independientes del cultivo en los
ecosistemas terrestres han permitido ampliar la visión
acerca de los procesos edáficos, en términos del cono-
cimiento de la estructura de las comunidades micro-
bianas y su respuesta a los cambios ambientales, visión
que incluso ha reevaluando paradigmas acerca de los
organismos responsables de dichos procesos; aun más
el uso técnicas de alto rendimiento para el análisis de
ácidos nucleicos y proteínas de comunidades micro-
bianas, ha cambiando el marco de referencia que se
tenía acerca de los responsables y de procesos que
se dan en los suelos. Aunque la mayoría de las inves-
tigaciones se han abordado desde la información ge-
nómica de la comunidad, a través de la cual se puede
establecer un potencial, más no atribuir a un proceso
activo, la estructura de las comunidades responde de
manera positiva a los contenidos de materia orgánica;
las respuestas del potencial funcional microbiano a los
cambios en las fracciones orgánicas y minerales de los
suelos, han tenido correlación con una mayor activi-
dad en los suelos, con la disponibilidad de los elemen-
tos e incluso, en algunos casos, con la productividad
de los cultivos.
Los compuestos de nitrógeno y fósforo son nutrien-
tes críticos para los organismos que dependen direc-
tamente del suelo y en últimas para la cadena trófica.
Dichos nutrientes determinan el desarrollo cultivos y
productividad de los ecosistemas. Se requiere del en-
tendimiento de los factores que afectan los procesos
naturales y los mecanismos bióticos y abióticos invo-
lucrados con las pérdidas y disponibilidad del N y P,
para el desarrollo de prácticas de manejo tendientes a
su uso eficiente en la nutrición vegetal, como también
para reducir los efectos adversos de algunas prácticas
agrícolas sobre la calidad del suelo y el agua. La diluci-
dación de los mecanismos que median la interacción
de comunidades microbianas edáficas y los procesos
del ecosistema, debe ser abordada desde las redes o
vínculos que existen entre la disponibilidad de recur-
sos, estructura y función de la comunidad microbiana,
y la búsqueda de información de procesos metabóli-
cos microbianos activos.
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