El carbono lábil/soluble de los suelos y sedimentos de las llanuras de inundación y otros hábitats encharcados como marismas y manglares

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Llanura de Inundación en la región Caribeña de Colombia. Fuente en el propio enlace

 Hoy me voy e sumergir en terrenos pantanosos desde dos puntos de vista. El primero deviene en que la nota de prensa que vamos a “¿explicar?” en este post nos informa acerca de la dinámica del carbono de suelos y sedimentos que por estar encharcados ralentizan la descomposición de la materia orgánica que contienen, por los que suele acumularse allí, en donde el azufre desempeña una función importante o vital para el metabolismo microbiano. Se trata de ambientes en los que a menudo abundan los denominados Fluvisoles tiónicos: Suelos Ácido Sulfatados. Mi segunda ciénaga, ya muy personal, estriba en que la bioquímica del suelo que utilicé en mi paleolítico científico (inicios de la carrera profesional), ha pasado a ser patrimonio histórico de la ciencia. Pero si me atrevo a decir que el estudio en cuestión compete a lo que se denomina carbono soluble, más o menos equivalente al lábil, si bien algunos expertos no estarán de acuerdo. No obstante el Dr. Humus así me lo ha hecho saber.  En consecuencia seré breve con vistas a no divagar y hundirme, más aun si cabe, en el fango de la ignominia científica.

 Científicos de la Universidad de Stanford han llevado a cabo un estudio sobre la dinámica del carbono en llanuras de inundación como hábitats representativos de los ambientes encharcados, con escasa o nula concentraciones de oxígeno. Es bien sabido que en estos ambientes la actividad microbiana es baja y la descomposición de la materia orgánica lenta, por lo que los suelos tienden a actuar como sumideros o secuestradores de carbono. Para tales sitios, en conocido desde hace mucho tiempo que la actividad microbiana, a falta de oxígeno, echa mano del azufre, lo cual es advertido en el terreno por la presencia de minerales ricos en este elemento químico. Empero según estos bioquímicos y microbiólogos: “tal carbono subterráneo no permanece necesariamente bajo tierra a largo plazo. Al ser soluble en agua, el carbono puede filtrarse en las vías fluviales ricas en oxígeno, donde los microbios lo consumen fácilmente”. En otras alabras, al parecer, los materiales orgánicos solubles y no utilizados pueden migrar fácilmente a una vía acuática oxigenada en donde fluyen, y se descomponen ya más fácilmente, desencadenando floraciones de algas y otros problemas relacionados con la calidad de las aguas, finalizando en la atmósfera. En otras palabras lo que nos ¿desvelan? Los autores del estudio es que, en hábitats encharcados de esta clase, el secuestro de carbono es menor que el que se pensaba, relacionándolo inmediatamente con el cambio climático, como suele ser habitual, venga o no venga a cuento. Os dejo pues con la noticia traducida (por Google, esta vez sin mi ¡sabia! revisión, por lo que podéis taparos las narices, como cuando estáis delante de los ambientes en cuestión en donde os deleita ese hediondo hedor que desprenden los  denominados Fluvisoles tiónicos (Suelos Ácido Sulfatados). Os añado otros fragmentos de textos de libre acceso en Internet, que pueden ayudaros a entender los tipos de carbono involucrados y algunas cosillas que os aliviaran a la hora de interpretar el texto, si atesoráis los mismos precarios conocimientos que este impresentable bloguero (poco, o nada). La razón es que me acaban de operar ce cataratas en los ojos, por lo que además de perder neuronas también visión.

Juan José Ibáñez

Continua…….

Shunned by microbes, organic carbon can resist breakdown in underground environments

by Staff Writers; Stanford CA (SPX) May 02, 2017

The soils and sediments beneath our feet can contain an astonishing amount of carbon – more than in all of the world’s plants and the atmosphere combined – and represents a significant potential source of the greenhouse gas carbon dioxide.

In a new study, Stanford scientists have uncovered a previously unknown mechanism that explains why microbes sometimes fail to break down all the plant and animal matter, leaving carbon underfoot. Understanding where, and how long, this buried organic matter lingers is crucial for scientists and policymakers to better predict and respond to climate change.

Our picture of how organic matter is broken down in soils and sediments is incomplete,” said study lead author Kristin Boye, an associate staff scientist at the Stanford Synchrotron Radiation Lightsource at the SLAC National Accelerator Laboratory and former postdoctoral scholar at Stanford’s School of Earth, Energy and Environmental Sciences. “With this study, we are gaining new insights into the mechanisms of carbon preservation in low- or no-oxygen subterranean environments.”

In oxygen-starved places such as marshes and in floodplains, microorganisms do not equally break down all of the available organic matter, the study shows. Instead, carbon compounds that do not provide enough energy to be worthwhile for microorganisms to degrade end up accumulating. This passed-over carbon, however, does not necessarily stay locked away below ground in the long run. Being water soluble, the carbon can seep into nearby oxygen-rich waterways, where microbes readily consume it.

To date, models of local ecosystems and broader climate change have failed to take into account this newfound carbon preservation mechanism, having focused chiefly on microbial enzymes and the availability of other elements for organic matter breakdown.

Soils and sediments are a huge and dynamic reservoir of carbon,” said study senior author Scott Fendorf, a professor of soil biogeochemistry at Stanford Earth. “That’s why we worry about turnover times here with regard to how fast organic carbon is degraded and released as carbon dioxide into the atmosphere.”

Tracking the fate of the carbon
For the new study, published in Nature Geoscience, the research team collected core samples of buried sediments from four floodplains in the upper Colorado River Basin in the states of Colorado and New Mexico.

The approximately 3-foot-long, column-shaped samples went deep enough to reach oxygen-starved layers where microbes must switch from doing the microbial equivalent of breathing oxygen to breathing sulfur. In either case, the microbes combine oxygen or sulfur with carbon-based food to produce energy and release either carbon dioxide or sulfur dioxide into the atmosphere. (That sulfur dioxide is responsible for the distinctive smell of oxygen-poor wetlands.)

To identify where in the sediment samples microbes had made the switch, the researchers turned to the Stanford Synchrotron Radiation Lightsource facility. The synchrotron machine generates extremely bright X-ray light that, when shone upon the samples, generates a signal revealing the chemistry of the sulfur. The presence of sulfide minerals indicates where the microbes began making use of sulfur alongside carbon to power their biochemical machinery.

The question was whether the switch to sulfur influenced the carbon sources the microbes ate or left behind. To find out, the researchers relied on unique instrumentation and collaborations within the Environmental Molecular Sciences Laboratory at the Pacific Northwest National Laboratory in Richmond, Washington. With the aid of a very strong magnet, an instrument called a mass spectrometer at the lab characterized the water-soluble organic material.

The tests found that, in contrast to the layers where oxygen was available, leftover carbon compounds in the sediment samples where sulfur had been used for respiration were mostly of the sort that requires more energy to degrade than would be liberated through the degradation itself. Of no use, then, to growing microbes, these carbon compounds had remained within the deeper sediment layers.

Honing models of the carbon cycle
Floodplains, like those sampled in the study, rank among the most common areas globally for the internment of plant and animal matter by water-borne sediments. The oxygen-poor conditions created underground there are known to sequester carbon, but as the study suggests, partly for reasons previously unrecognized and with unforeseen consequences.

For such flood-prone, low-lying areas are by definition close to waterways. Soluble, unused organic material can migrate quite easily into an aerated waterway for subsequent breakdown, triggering algae blooms and other water quality issues while also leading to carbon dioxide production.

Models of how living organisms, the ground, bodies of water and the atmosphere recycle carbon will increasingly need to incorporate key nuances, like the preservation mechanism described in the new Stanford study, in order to inform scientists’ understanding as well as policymakers’ decisions.

“Getting the constraints right on what really controls the processes of carbon breakdown is essential,” said Fendorf. “That’s what our study helps illuminate.”

Other co-authors on the study, titled “Thermodynamically controlled preservation of organic carbon in floodplains,” include Vincent Noel, Sharon Bone and John Bargar of the SLAC National Accelerator Laboratory; Malak Tfaily of the Pacific Northwest National Laboratory; and Kenneth Williams of the Lawrence Berkeley National Laboratory. Funding was provided by the U.S. Department of Energy, the Office of Biological and Environmental Research, the SLAC National Accelerator Laboratory and the Lawrence Berkeley National Laboratory.

La decomposicón de la materia orgánica en los suelos y los sedimentos es incompleta (..).

 Con este estudio, estamos alcanzando nuevas perspectivas sobre los mecanismos de preservación del carbono en ambientes subterráneos bajos o sin oxígeno“.


En los lugares que carecen de oxígeno, como los pantanos y en las planicies de inundación, los microorganismos no degradan igualmente toda la materia orgánica disponible, según el estudio. En su lugar, los compuestos de carbono que no proporcionan suficiente energía para que valga la pena que los microorganismos se degraden acaban acumulándose. Sin embargo, este carbono pasado no permanece necesariamente bajo tierra a largo plazo. Al ser soluble en agua, el carbono puede filtrarse en las vías fluviales ricas en oxígeno, donde los microbios la consumen fácilmente.
Hasta la fecha, los modelos de ecosistemas locales y el cambio climático más amplio no han tenido en cuenta este nuevo mecanismo de preservación del carbono, habiéndose concentrado principalmente en las enzimas microbianas y la disponibilidad de otros elementos para la degradación de la materia orgánica.

Los suelos y los sedimentos son una enorme y dinámica reserva de carbono“, dijo Scott Fendorf, autor del estudio, profesor de biogeoquímica del suelo en Stanford Earth. “Es por eso que nos preocupamos por los tiempos de rotación aquí con respecto a indagar la velocidad con que el carbono orgánico se degrada y libera como dióxido de carbono en la atmósfera“.

Seguimiento del destino del carbono

Para el nuevo estudio, publicado en Nature Geoscience, el equipo de investigación recolectó muestras básicas de sedimentos enterrados de cuatro llanuras de inundación en la cuenca alta del Río Colorado en los estados de Colorado y Nuevo México.


Las muestras de aproximadamente 3 pies de largo en forma de columna fueron lo suficientemente profundas como para llegar a las capas con hambre de oxígeno donde los microbios deben cambiar de hacer el equivalente microbiano de respirar oxígeno a respirar azufre. En cualquier caso, los microbios combinan oxígeno o azufre con alimentos a base de carbono para producir energía y liberar dióxido de carbono o dióxido de azufre a la atmósfera. (Que el dióxido de azufre es responsable del olor distintivo de los humedales pobres en oxígeno.)

Para identificar en qué parte de las muestras de sedimento los microbios habían hecho el cambio, los investigadores se dirigieron a la instalación de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. La máquina de sincrotrón genera una luz de rayos X extremadamente brillante que, al brillar sobre las muestras, genera una señal que revela la química del azufre. La presencia de minerales de sulfuro indica donde los microbios comenzaron a hacer uso de azufre junto al carbono para alimentar su maquinaria bioquímica.

La pregunta era si el cambio al azufre influía en las fuentes de carbono que los microbios comían o dejaban atrás. Para averiguar, los investigadores confiaron en la instrumentación y las colaboraciones únicas dentro del laboratorio ambiental de las ciencias moleculares en el laboratorio nacional del noroeste pacífico en Richmond, Washington. Con la ayuda de un imán muy fuerte, un instrumento llamado espectrómetro de masas en el laboratorio caracterizó el material orgánico soluble en agua.

Las pruebas encontraron que, en contraste con las capas donde el oxígeno estaba disponible, los restos de compuestos de carbono en las muestras de sedimento donde el azufre se había utilizado para la respiración eran en su mayoría del tipo que requiere más energía para degradarse que sería liberado a través de la degradación misma. De no utilizar, entonces, a los microbios en crecimiento, estos compuestos de carbono habían permanecido dentro de las capas de sedimentos más profundas.

Modelos más precisos del ciclo del carbono

Las planicies de inundación, como las muestreadas en el estudio, se encuentran entre las áreas más comunes a nivel mundial para el internamiento de materia vegetal y animal por sedimentos acuosos. Se sabe que las condiciones pobres en oxígeno creadas en el subsuelo secuestran carbono, pero como sugiere el estudio, en parte por razones que antes no se habían reconocido y con consecuencias imprevistas.

Para esas zonas propensas a las inundaciones, las zonas bajas están, por definición, cerca de las vías navegables. Los materiales orgánicos solubles y no utilizados pueden migrar fácilmente a una vía acuática airada para su posterior descomposición, desencadenando floraciones de algas y otros problemas de calidad del agua, mientras que también conducen a la producción de dióxido de carbono.

Los modelos de cómo los organismos vivos, el suelo, los cuerpos de agua y la atmósfera reciclarán carbono tendrán cada vez más que incorporar matices clave, como el mecanismo de preservación descrito en el nuevo estudio de Stanford, para informar la comprensión de los científicos y las decisiones de las autoridades.

La MOS puede ser protegida de descomposición acelerada mediante: 1) estabilización física por la microagregación, 2) estabilización fisico-química mediante asociación con partículas de arcilla, y 3) estabilización bioquímica mediante la formación de compuestos altamente recalcitrantes (Six et al., 2002).

CARBONO ORGÁNICO Y PROPIEDADES DEL SUELO

Eduardo Martínez H.1, Juan Pablo Fuentes E. 2, Edmundo Acevedo H.1

FRACCIONES DE CARBONO ORGÁNICO EN EL SUELO

Se conoce como materia orgánica del suelo (MOS) a un conjunto de residuos orgánicos de origen animal y / o vegetal, que están en diferentes etapas de descomposición, y que se acumulan tanto en la superficie como dentro del perfil del suelo (Rosell, 1999). Además, incluye una fracción viva, o biota, que participa en la descomposición y transformación de los residuos orgánicos (Aguilera, 2000). El COS es el principal elemento que forma parte de la MOS, por esto es común que ambos términos se confundan o se hable indistintamente de uno u otro. Al respecto cabe señalar que los métodos analíticos determinan COS, (calcinación húmeda o seca) y que la MOS se estima a partir del COS multiplicado por factores empíricos como el de van Benmelen equivalente 1,724 (Jackson, 1964). El factor de transformación de COS a MOS puede variar entre 1,9 para suelos superficiales y 2,5 para muchos subsuelos (Broadbent, 1953). Como existe una considerable variación entre diferentes suelos y horizontes en el factor de conversión COS – MOS, es preferible informar el valor de COS sin transformar (Allison, 1965).

En la materia orgánica del suelo (MOS) se distingue una fracción lábil, disponible como fuente energética, que mantiene las características químicas de su material de origen (hidratos de carbono, ligninas, proteínas, taninos, ácidos grasos), y una fracción húmica, más estable, constituida por ácidos fúlvicos, ácidos húmicos y huminas (Galantini, 2002, Aguilera, 2000). Cada una de estas fracciones se obtiene por solubilización en medios ácidos o alcalinos. Sin embargo, este tipo de fraccionamiento se encuentra limitado por la presencia de componentes no húmicos extraídos junto con la fracción húmica y que no pueden ser separados efectivamente mediante esta metodología (Hayes y Clapp, 2001). Las sustancias húmicas son el principal componente de la MOS y representan, por lo menos el 50% de ésta (Simpson et al., 2007). Las sustancias húmicas son el material orgánico más abundante del medioambiente terrestre (Hayes y Clapp, 2001). Dentro de la fracción húmica, las huminas son el componente más abundante. Las huminas incluyen una amplia gama de compuestos químicos insolubles en medio acuoso y contienen, además, compuestos no húmicos como largas cadenas de hidrocarburos, esteres, ácidos y estructuras polares, que pueden ser de origen microbiano, como polisacáridos y glomalina, íntimamente asociados a los minerales del suelo (Hayes y Clapp, 2001). Las huminas representan más del 50% del COS en suelos minerales (Kononova, 1966) y más del 70 % del COS en sedimentos litificados (Hedges et al., 1995). En un estudio de un suelo de Irlanda manejado con pradera y trigo en labranza convencional Simpson et al. (2007) encontraron cinco clases de los principales compuestos de las huminas, llamadas: péptidos, especies alifáticas, carbohidratos, peptidoglican y lignina…….

Spanish Journal of Soil Science

Fracciones de carbono orgánico lábil y actividad biológica en suelos de origen volcánico de las Islas Canarias .

Cecilia María Armas Herrera, Carmen Dolores Arbelo Rodríguez, Juan Luis Mora Hernández, Antonio Rodríguez Rodríguez

Resumen

La medida de la susceptibilidad del carbono orgánico del suelo (SOC) a la mineralización es esencial para predecir la respuesta a corto plazo de los reservorios biosféricos de carbono a los cambios en las condiciones ambientales. En este trabajo abordamos el estudio del SOC lábil (fácilmente mineralizable) en suelos volcánicos, donde la biodisponibilidad del SOC se ve característicamente afectada por mecanismos de estabilización físico-química propios de estos suelos. Con este fin seleccionamos diez suelos representativos (sobre todo Andosoles) de los principales hábitats naturales (matorral xerofítico, monteverde y pinar) en las Islas Canarias, un archipiélago de origen volcánico. Durante dos años medimos diversas fracciones de SOC a las que se atribuye un distinto grado de biodisponibilidad: carbono soluble en agua en muestras frescas de suelo (WSC) y en el extracto saturado (WSCse), carbono extraíble en agua caliente (HWC), carbono extraíble con sulfato potásico (PSC), carbono ligado a la biomasa microbiana (MBC), carbono orgánico particulado (POC), carbono de sustancias húmicas (HSC), y carbono orgánico total (TOC), y realizamos ensayos de incubación de las emisiones de CO2. Relacionamos estas medidas con los posibles aportes de carbono procedentes de la hojarasca y las raíces, y la actividad de enzimas hidrolíticas (CM-celulasa, β-D-glucosidasa, y deshidrogenasa) implicadas en el ciclado del carbono. La medida in vitro de la mineralización en ensayos cortos (10 días) se ajustó a un modelo cinético simple de primer orden, un procedimiento sencillo que nos permitió obtener no sólo una estimación del SOC más inmediatamente mineralizable, sino también de la heterogeneidad de los sustratos consumidos durante la incubación. Los suelos volcánicos investigados mostraron una gran riqueza de SOC lábil, en los que predominaron los carbohidratos simples procedentes principalmente de aportes orgánicos radiculares y de restos vegetales no-leñosos aéreos. Entre las fracciones físico-químicas de SOC analizadas, el HWC (3.1 g kg-1 de promedio a 0-30 cm de profundidad en Andosoles) fue el que mejor se correlacionó con el C0 (1,2 g kg-1) y por tanto el que mejor representó el SOC inmediatamente mineralizable. El PSC (0,77 g kg-1), que representa un reservorio de baja biodisponibilidad, se encuentra protegido de la mineralización por su adsorción a la alófana en Andosoles silándicos.

La degradación de materias orgánicas produce, aproximadamente, entre un 50 y un 75% de todo el CO2 que está presente en la atmósfera, otro 5 a 15% se incorpora a la biomasa microbiana y el resto queda parcialmente estabilizado en forma de humus en el suelo. En todo este proceso las temperaturas elevadas favorecen una mayor pérdida hacia la atmósfera por lo que en climas mediterráneos y tropicales sus aplicaciones deben ser mayores. En climas cálidos el porcentaje de materia orgánica debe ser del 5% mientras que en los más húmedos puede quedarse en un 2%.

Se habla ya de estos temas en los capítulo de Wikipedia “Carbono orgánico total”  y “Metabolismo microbiano”.

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