MICROBIOTA DEL SUSTRATO (o radicular) en medios acuaticos

En acuariofilia existen dos visiones muy diferenciadas de las funciones del sustrato en el acuario. En la primera, El sustrato se entiende como algo meramente decorativo para el fondo del acuario, que como mucho, debe de cumplir alguna función para los habitantes del acuario (habitantes de fondo, “comedores de arena”, especies que se entierran, etc.), o como un medio para poder cultivar determinadas plantas acuáticas.  En la segunda, ya casi extinta, lo veíamos como un simple medio de filtración debido al uso de Filtros de placas subyacentes bajo el sustrato. Con los años y la generalización de los acuarios plantados, además, añadimos a          nuestro saber colectivo que las que las plantas se desarrollan mejor en suelos arcillosos, ligeramente ácidos, con una determinada granulometría que lo mantiene aeróbico, y aprendimos cómo se alimentan de los diferentes nutrientes las plantas (N, P, K, Fe, Mg, Ca…) y como se comportaban estos en el sustrato.  Ahora nos falta un tercer paso para comprender mejor que es, y como se comportan nuestros sustratos, nos falta entender cómo se relacionan todos los microorganismos que lo componen con nuestras plantas. A ese conjunto de microorganismos lo denominamos Microbiota del suelo, aunque en nuestro caso y debido al escaso sustrato que utilizamos, sería más correcto referirnos a la, Microbiota radicular.

            La Microbiota del sustrato o radicular ejerce un papel fundamental en la nutrición de la planta y en su defensa frente a las enfermedades. Es por definición, el conjunto de bacterias, hongos, protozoos, etc. que trabajan en los diferentes procesos bioquímicos del suelo.  Estos microorganismos, podríamos decir que son la parte más importantes del sustrato, son la parte viva encargada de todas las dinámicas de transformación de la materia. En esta Microbiota del suelo o radicular hemos de incluir, por tanto, la rizosfera, esa parte de la Microbiota del suelo, llena de microorganismos simbiontes con las raíces y que las “envuelve” en una fina capa de apenas un mm de espesor y que está compuesta de multitud de microorganismos que podemos englobar en Bacterias, Hongos, Protozoos, Virus y Actinomicetos.

Sus principales funciones en el sustrato son:

• ·       Suministrar nutrientes a las plantas.
• ·       Mejorar las condiciones físico/ químicas del sustrato.
• ·       Favorecer el desarrollo radicular a fin de poder aumentar la capacidad de asimilación de nutrientes por parte de las plantas.
• ·       Erosionar  las rocas para facilitar el crecimiento radicular.
• ·       Erosionar las rocas para la obtención de minerales.
• ·       Proteger la planta de patógenos.
• ·       Promover el sistema inmunitario de las plantas
• ·       Erosión de las rocas para facilitar el crecimiento radicular.
• ·       Erosión de las rocas para la obtención de minerales.

Esta diversidad de microorganismos realiza estas funciones mediante la desintegración y transformación de elementos orgánicos e inorgánicos para que puedan ser asimilados por las raíces de nuestras plantas mediante diversos procesos, de los que destacaremos dos, la humificación y mineralización.

            La humificación es el proceso de formación del humus, son aquellos procesos en que se transforma un compuesto orgánico dando como resultado otro compuesto orgánico, por ejemplo, transformar proteínas en aminoácidos.

La mineralización por su parte en proceso en el que se transforman compuestos orgánicos en otros inorgánicos simples como pueden ser el CO₂, NH₃ o H₂0 liberando al mismo tiempo nutrientes para las plantas tales como el nitrógeno (N), Fósforo (P), azufre (S) o magnesio (Mg).  Así mismo dentro de estos procesos de mineralización también se dan reacciones de oxidación-reducción para dejar algunos nutrientes disponibles para las plantas (pasar de nitrógeno amoniacal a nitrato).

La humificación y la mineralización serán más o menos dominantes en función de la naturaleza de la materia orgánica del suelo y de la composición de este, pero siempre se llevarán a a cabo simultáneamente. Con la combinación de estos dos procesos, humificación y mineralización, la Microbiota tiene como objetivo crear un entorno sano y fértil, con una adecuada reserva de nutrientes disponibles para las plantas, Pero este proceso debe hacerse sin excesos, también aquí hay un equilibrio. La mayor actividad de estos microorganismos se realiza en el medio terrestres hasta una profundidad de 30-40 cm, en el medio acuático esto depende en gran medida del sustrato, pero es difícil pasar más allá de los 10-15 cm sin jugar con la granulometría. Esta actividad ha de producirse casi en su totalidad en presencia de oxígeno. El oxígeno es fundamental en estos dos procesos, tanto es así, que la actividad es mayor cuanto mayor es la tasa de oxígeno disponible (funciona a favor de gradiente), por eso el espesor útil de nuestro sustrato dependerá directamente de la capacidad que tenga para mantenerse aerobio, y para ello hemos de utilizar diferentes granulometrías que permitan una mejor difusión del oxígeno, colocando granos más grandes en la parte inferior del mismo, a medida que aumentamos su espesor. Este trabajo, una vez establecido el acuario es imposible de realizar sin desmontarlo, por eso el proceso de selección y colocación del sustrato debe de realizarse correctamente durante el montaje.

 En el sustrato, las diferentes agrupaciones o colonias de microorganismos, bacterias, hongos, protozoos y actinomicetos, tienden a permanecer unidas a la arcilla, al propio humus y a las raíces de las plantas, las cuales suministran a su vez, sustancias que sirven de alimento a dichos microorganismos y favorecen su reproducción. Esta capacidad de la planta depende de su salud, por tanto, sustratos ricos en microorganismos, producen alimento de calidad y en cantidad para las plantas, y estas les devuelven alimento de calidad y en cantidad para dichas colonias de microorganismos, generando como resultado sustratos ricos y fértiles.  Estas colonias de microorganismos crecen y se desarrollan en etapas y en función de la disponibilidad de alimento que encuentran en el sustrato en ese momento, es decir, ante una carga orgánica alta, la colonia se desarrolla con fuerza hasta terminar su parte del proceso de transformación (Oxidación, Reducción, mineralización, degradación de proteínas, etc.), una vez finalizada esa etapa, la parte de la colonia que se estaba encargando de esa fase concreta de degradación se reduce a la mínima expresión, llegando a quedarse en estado de casi latencia en algunos casos, y empieza a crecer la parte que se encarga de “trabajar” con los productos que el metabolismo de los anteriores trabajadores han dejado.

Todo esto no es fijo en el tiempo, sino que evoluciona a lo largo del ciclo de desarrollo de la planta. Su genotipo, la disponibilidad de nutrientes del suelo en cada momento, el estado del desarrollo (edad) y el tipo de raíz (no es igual la raíz de una echinodorus que la de una valisneria) influyen en el tipo, cantidad y calidad de los exudados radiculares, y estos definen las especies de microorganismos. Como ejemplo, cuando las plantas crecen sobre sustratos pobres en nutrientes (Sílice, Cuarzo…) emiten gran cantidad de ácidos orgánicos e incluso protones para obtener P. En ambientes ricos en nutrientes en cambio, emiten más azucares y aminoácidos, haciendo que esta zona de la Microbiota radicular sea rica en Carbono y nitrógeno.

Bacterias del sustrato:

            De entre todos los tipos de bacterias que existen, dentro del sustrato de nuestros acuarios lo que generalmente encontramos son bacterias aerobias, heterótrofas, mesófilas y acidófilas/ neutrófilas, es decir:

·       Aerobias: Viven y se desarrollan en presencia de oxígeno (O₂)

·       Heterótrofas: se alimentan de materia orgánica.

·       Mesófilas: se desarrollan entre los 15 y los 40°C.

·       Acidófilas: Viven y desarrollan en ambientes de pH ácidos, por debajo de 7.

·       Neutrófilas: Viven y se desarrollan en ambientes de pH neutros, rondando el 7.

Esto no significa que podamos encontrar otro tipo de bacterias como son las:

·       Anaerobias: Viven en ausencia de oxígeno (Reductoras de nitrato (NO₃).

·       Facultativas: pueden adaptarse a vivir en medios con cómo sin oxígeno (O2).

·       Autótrofas: Se alimentan de materia inorgánica. (Nitrificantes).

·       Psicrófilas: Se desarrollan a temperaturas inferiores a los 15°C

·       Basófilas: Viven y se desarrollan en ambientes de pH alcalinos, Por encima de 7.

Las bacterias del sustrato son “seres” muy pequeños, con un tamaño medio que oscila entre las 0.1 y las 1.1 micras pero que son muy importantes para las plantas acuáticas dado que son las responsables de la cadena de suministro de nutrientes. Las más frecuentes encontradas en los no muy numerosos estudios de sustratos acuáticos pertenecen a los géneros (en orden alfabético):

• ·       Bacillus
• ·       Clostridium pasterianum (Fijadoras de N)
• ·       Lactobacillus
• ·       Nitrosomonas
• ·       Nitrobacter
• ·       Nitrospira
• ·       Pseudomonas
• ·       Rhyzobium (fijadora de N)
• ·       Thiobacillus

Curiosamente, los géneros no difieren prácticamente en nada de las encontradas en los cultivos terrestres tradicionales.

Los sustratos comerciales para plantas tienden a ser generalmente ligeramente ácidos, con efecto tampón entre 6 y 6,5 de pH, algo que sabemos es necesario para poder potenciar el intercambio de nutrientes con las raíces de las diferentes plantas, muy “densas” interiormente en nutrientes. Este pH del sustrato hace que la mayor parte de las bacterias que se desarrollan sean acidófilas, especialmente cuanto más profundizamos en el sustrato. En las capas superiores, donde existe una variable más alta de contacto con la columna de agua, pueden convivir especies acidófilas y neutrófilas, ya que el rango de actividad de estas últimas no se limita al pH 7, sino que tiene un arco de actividad que cubre más o menos un punto, entre el 6,5 y el 7,5, aunque hemos de saber que en esos extremos su actividad será muy limitada. Como hemos comentado antes, la cantidad de microorganismos se regula en función del alimento que tienen en cada momento, esto es debido a la gran capacidad que poseen de reproducción que les permite crear grandes poblaciones en poco tiempo con el fin de colonizar. Una vez el alimento disminuye en cantidad, la colonia en algunos casos flagelados puede tratar de desplazarse, pero lo habitual es que disminuya su tamaño produciendo en muchos casos quistes y Endosporas que quedan latentes en el sustrato hasta que las condiciones vuelven a ser favorables.

En los acuarios muy plantados la mayor parte de los abonos se realizan a través del a columna de agua con elementos como el sulfato potásico (K₂SO₄), todos generalmente inorgánicos que complementan la cantidad de materia orgánica que se produce como residuo metabólico de la alimentación de los peces. Cuando existe un equilibrio entre la cantidad de materia orgánica producida y la cantidad de abono inorgánico que metemos se produce lo que denominamos “equilibrio”, este equilibrio, visible en el consumo, se convierte en equilibrio en el sustrato. Pero este equilibrio no significa que tengamos una masa bacteriana suficiente en el sustrato. En algunos casos, se debe de introducir nitrógeno en forma de NH₃ o NO₃ lo que indica que la cantidad de materia orgánica introducida es inferior a la demanda_, esto empobrece poco a poco el sustrato a nivel bacteriano. Al ser introducido en columna, parte de este N es asimilado y parte precipitado y adherido al sustrato para ser consumido. Este paso reduce la cantidad de bacterias heterótrofas disponibles que se encargan de ese proceso de “degradación” de la materia orgánica en el sustrato, haciendo que este sea cada vez menos fértil y más dependiente de lo que le introducimos (desgaste biológico del sustrato). La manera más efectiva es introducir más cantidad de materia orgánica para que sea la degradación de esta la que genere el N necesario.    

         

Hongos del sustrato:

            Los hongos están ampliamente estudiados en los medios de cultivo terrestres, debido al importante trabajo que realizan en el sustrato. La palabra Micorriza es en agricultura y para los especialistas en biología vegetal casi un dogma, las micorrizas son una serie de hongos capaces de entrar en un estado simbionte con las raíces de las plantas, son muy importantes.

En el sustrato terrestre, las especies aerobias que encontramos con más frecuencia son:

·       -Aspergillus

·      - Penicillium

·       -Rhizopus (Transformadores de K)

·       -Trichoderma

y algunas levaduras anaerobias como:

·       -Saccharomyces

·       -Rhodotorula.

En el medio acuático, mucho menos estudiado, coinciden los géneros, pero no las especies. El género Trichoderma, aunque pueda estar presente al venir asociado a plantas adquiridas de estado emergido, es prescindible al gestionar la acumulación de agua en épocas de sequía.

Los hongos pueden comportarse como saprófitos o como parásitos creciendo y desarrollándose en forma de una especie de red que denominamos micelio, y que discurre tanto por el sustrato como por las raíces de las plantas, degradando en suelos ácidos, materia vegetal en descomposición. Para esto producen enzimas, que además de servir a otros microorganismos de la Microbiota, ablandan y transforman dicha materia vegetal. Los hongos transforman compuestos difíciles de degradar como la lignina (presente en tallos y cortezas) o la celulosa, además de azucares, aminoácidos etc. Por su parte las levaduras son las encargadas de producir la fermentación alcohólica de los hidratos de carbono. Para nosotros, los hongos más interesantes de la Microbiota son aquellos que habitan sobre las raíces de las plantas aprovechando los azúcares, vitaminas, aminoácidos, …etc., que estas emanan para nutrirse. Los hongos por su parte, debido a su actividad, Fijan nitrógeno (N) o fósforo (P) y ponen nutrientes minerales a disposición de las plantas.  En agricultura también son estudiados por la capacidad de repeler ciertos patógenos y por acumular agua, algo que en tiempos de sequía es muy útil, pero que en nuestras condiciones de cultivo doméstico es desdeñable. Estos Hongos, denominados micorrizas son más prolíficos y útiles en suelos relativamente pobres en materia orgánica, algo que en principio es bastante complicado en las condiciones normales de acuario, pero que se puede llegar a dar en acuarios plantados sin casi población animal y con abundantes cambios de agua y limpiezas del sustrato.

Actinomicetos del sustrato:

            Bajo este nombre tan poco común se esconden unos microorganismos heterótrofos (se alimentan de materia orgánica) similares a hongos y bacterias que crecen y se desarrollan de forma similar a los hongos en forma de micelio de dispersión radial, aunque sus células son morfológicamente más parecidas a las bacterias. Sin embargo, los actinomicetos si están mucho más estudiados al ser muy comunes en medios acuáticos, especialmente en aguas estancadas. No obstante, son comunes en el suelo, en el lodo y en la materia orgánica. Los géneros más comunes son:

• ·       Streptomyces
• ·       Nocardia
• ·       Micromonospora
• ·       Thermoactinomices
• ·       Frankia
• ·       Actinomyces.

            Estos microorganismos son capaces de degradar prácticamente de todo, desde azucares simples a las quitinas de los artrópodos, son grandes productores de sustancias húmicas, por eso son tan importantes en la obtención de humus. En nuestros acuarios, especialmente en los plantados son habitantes comunes que pueden llegar a sumar la mitad de la población total de microorganismos, ya que habitan medios ligeramente ácidos (entre 5 y 7 pH) y cargados de materia orgánica se desarrollan con enorme velocidad.

La transformación del nitrógeno en medios acuáticos:

1-     La Fijación de Nitrógeno:

            En el medio acuático, al igual que en el terrestre existen organismos denominados nitrofijadores que se encargan de unir el escaso nitrógeno existente en la columna de agua con el sustrato. Algunos son más conocidos como las algas cianofíceas, comúnmente llamadas cianobacteria, otros, son actinomicetos o bacterias menos conocidas en la acuariofilia como las Clostridium pasterianum aunque muy estudiadas en los arrozales, donde se saben que fijan entre 5-10 mg de nitrógeno por mg de Carbono consumido No obstante, este parte tan importante en agricultura para nosotros es poco o nada interesante, saber que estos microorganismos necesitan de una fuente de carbono, en ambiente seco obtienen de la materia en descomposición y en ambiente acuático pueden además usar el CO_2, y necesitan también de alcoholes y azucares de obtienen de Actinomicetos y de las propias plantas. No obstante, para que nos hagamos una idea de su capacidad, a nivel agrícola, en cultivos inundados se ha estudiado que las cianofíceas son capaces de fijar en torno a 50kg de nitrógeno por hectárea/año.

Dentro de este este grupo encargado de fijar nitrógeno al suelo, no podemos olvidar las ya no tan conocidas urobacterias, es decir aquellas que transforman la urea en amonio/amoniaco por medio de la enzima ureasa, fijándola al suelo y producida por diversas bacterias, hongos y actinomicetos. Los géneros más importantes don Bacillus, Clostridium, Pseudomonas y Micrococcus. Para nosotros en acuario no es especialmente útil, si conviene saber, que, en acuarios con sustratos inertes, en mejor opción el abono con urea a través de la raíz que el aporte e columna de agua, esto permite una mayor y mejor colonia bacteriana, dando lugar a una Microbiota mayor y más efectiva.

2-     la nitrificación:

            Esta es sin duda la parte más conocida dentro de la acuariofilia, la nitrificación es el proceso de oxidación del nitrógeno amoniacal (NH₃) hasta el estado de nitrato (NO₃). Para nosotros son bien conocidas los géneros Nitrosomonas, Nitrobacter y Nitrospira por ser fundamentales en el funcionamiento de nuestros filtros, pero hay que recordar que también es un proceso que se produce en el sustrato. Debido a la menor cantidad de “comida” que tienen a su alcance con respecto al que pueden captar en un filtro, en el sustrato sus colonias no son muy grandes, y dada su velocidad de reproducción, más lenta que la de las heterótrofas, son invadidas y cubiertas por estas de manera habitual. Por tanto, para mantener un acuario sin ningún tipo de filtro, la población deber estar adecuada a la cantidad de bacteria Autótrofa que podemos generar. Un acuario de este tipo debería de contar con muy poca carga orgánica para conseguir que la colonia heterótrofa no sea muy grande. Pero no estas bacterias realizan el proceso de nitrificación, otros géneros de bacterias como Bacillus, Pseudomonas o Clostridium, Actinomicetos de los géneros Streptomyces y nocardia, o los hongos Aspergillus y Penicillum también realizan este proceso, solo que no son tan efectivos como las bacterias que llamamos nitrificantes. 

La transformación del Fósforo en medios acuáticos:

            Las hojas muertas de las plantas, los restos de comida, algún caracol que muere por el acuario o el propio metabolismo de la digestión de los peces, producen compuestos organofosforados, es decir, ricos en fosfato orgánico. Este fosfato orgánico es transformado por Los microorganismos que componen la Microbiota gracias a la enzima fosfatasa que ellos mismos desprenden, liberando el fosfato y dejándolo a disposición de las plantas. Este proceso se lleva cabo de diferentes maneras en función del organismo que lo lleva a cabo.

·       -Una serie de bacterias de los géneros Bacillus y Pseudomonas transforman el fosfato orgánico y lo transforman en fosfato inorgánico asimilable.

·       -otra serie de hongos de los géneros Aspergillus, Penicillium y Rhizopus y Rhodotorula transforman el fosfato orgánico en fosfato simple, mientras

·       -y por último, los Actinomicetos del género Streptomyces rompen el fosfato orgánico, liberando el fósforo.

            La parte inorgánica precipitada o fijada en el sustrato depende fundamentalmente del pH del agua. Los fosfatos fijados En sustrato neutro o alcalino son en su mayoría fosfatos cálcicos (mono- di o tricálcicos) mientras que en medios ácidos tenemos formas insolubles de aluminio y Hierro principalmente. Para nosotros, lo importante es saber que en presencia de CO₂, este reacciona solubilizando los fosfatos insolubles:

Ca₃(PO₄)₂ + 4HO₂ + 4CO₂ 2Ca(CO₃H)₂ + Ca(PO₄H₂)₂

Y que ese CO₂ puede proceder tanto de la columna de agua, como de la descomposición de materia orgánica. No obstante, las bacterias de los géneros Pseudomonas y Micrococcus pueden descomponer por sí mismas dichos fosfatos inorgánicos transformando fosfatos insolubles en solubles.  En el sustrato una de las razones por las que tenemos que evitar la compactación y la formación de zonas anaerobias, es porque la degradación de la materia orgánica en ellas nos generará diferentes ácidos como el Butírico, málico, cítrico, etc., que “romperán” los fosfatos insolubles dejando el Fe de nuevo disponible para las plantas

            También indicar, y aunque no afecte directamente al comportamiento de la Microbiota radicular, que en suelos pobres en nutrientes la propia planta emite protones a fin de solubilizar los fosfatos insolubles y poder alimentarse.

La transformación del Azufre en medios acuáticos:

            El Azufre (S) es uno de los grandes olvidados en la acuariofilia. Tenemos decenas, cientos de documentos y artículos hablando de los nutrientes de las plantas y en casi todos se obvia el azufre, siendo este fundamental en la formación de aminoácidos, entre otras cosas. En acuariofilia todos hemos oído hablar de las emanaciones de H₂S, e incluso sulfuro, que se generan por la digestión bacteriana (Thiobacillus) de proteínas en los fondos de los acuarios, especialmente cuando se forman zonas anaerobias. Pero no solo ocurre bajo estas condiciones, la transformación de la materia orgánica en zonas aerobias produce sulfatos que se degradan posteriormente. En acuarios de aguas muy ácidas (5 o menos), con sustratos ácidos, en zonas aerobias, pueden llegar a producirse emanaciones de sulfúrico, Lo que si debemos de saber es que tanto las emanaciones de sulfhídrico como las de sulfuro, las probables en producirse, son tóxicas para las plantas.

            Por último, conocer, dado que algunos “anticloro” de acuariofilia lo llevan, que algunas especies de bacterias de los géneros Bacillus y pseudomonas convierten el tiosulfato a sulfato, pudiendo este pasar al sustrato, pero es una acción lenta que no se conoce que haya causado problemas.

La transformación del Potasio en medios acuáticos:

           El potasio tiene la cualidad de que solo una parte muy pequeña es soluble, por lo que la acción bacteriana, lo que suele hacer es fijar el K al suelo dejándolo lejos del alcance de las plantas. Este trabajo lo realizan los géneros Bacillus, Clostridium y algunos Pseudomonas. La parte positiva es que algunos hongos del género Aspergillus pueden liberando ácidos orgánicos solubilizar el potasio y dejarlo al alcance de las plantas, pero se trata de un proceso lento que no aporta mucha cantidad de nutriente en acuariofilia. (Imagen 6: Feldespato potásico)

Resto de Nutrientes:

Como bien sabemos los nutrientes de las plantas podemos dividirlos en 4 grupos:

·       Primarios (H, O, C) (96% del total de nutrientes)

·       Macronutrientes (N, P, K) (2,5% del total de nutrientes)

·       Macronutrientes secundarios (Ca, Mg, S) (1% del total de nutrientes)

·       Micronutrientes (B, Fe, Cu, Cl, Mn, Mo, Ni, Zn) (0,5% del total de nutrientes)

Como hemos visto el C, N, P y S lo obtienen de la materia orgánica y el H y el O del agua. El resto debe de ser del entorno, aquí es donde entran en juego esas funciones que se indicaba al principio y decían:

La acción enzimática de los diversos microorganismos erosiona lentamente la roca a fin de obtener el resto de minerales necesarios para el correcto crecimiento. Son muchos, variados y difíciles de juntar en una misma porción de sustrato, la ventaja es que se trata de micronutrientes en casi su totalidad, es decir, se consumen en cantidades muy pequeñas, ínfimas en muchos casos, por lo que es relativamente sencillo que, en cultivo natural, asilvestrado no se tengan problemas de carencias. En acuario, la situación cambia, o los introducimos, o no existen, así que dependiendo del tipo de roca o del tipo de agua de nuestra columna nos veremos en la obligación de añadirlos seguro.

Imágenes:
Imagen 1: https://www.investigacionyciencia.es/noticias/el-microbioma-de-las-races-aumenta-la-inmunidad-de-las-plantas-16891
Imagen 2: https://www.jardineriaon.com/humus.html
Imagen 3:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b3/Pseudomonas.jpg
Imagen 4:https://agroingeniacanarias.com/que-funcion-tienen-las-trichodermas-en-agricultura/
Imagen 5:https://cropaia.com/es/blog/fertilizantes-de-urea/