Tecnologías que pueden revolucionar la ciencia del suelo: La “Tomografía de Rayos X” y la vida en el medio edáfico

Existen avances tecnológicos que aplicados al ámbito de le edafología pueden dar lugar a progresos de gran calado. Hace muchos ya años, mantenía interesantes conversaciones con mis amigos matemáticos de la E.T.S.I. Agrónomos de la UPM. Una de sus líneas de investigación consistía en la aplicación de las herramientas matemáticas de la geometría fractal y multifractal al estudio de la porosidad y agregación de las partículas del suelo. Con tal motivo, comenzaron a hacer uso de las técnicas tradicionales de micromorfología de suelos. En una ocasión, les comenté que había leído un estudio acerca de cómo los geólogos comenzaban a hacer uso de la tomografía, con vistas a reconstruir tridimensionalmente la porosidad intrínseca de las rocas. Obviamente, la información en 3-D resulta ser mucho más idónea que la 2-D, a la hora de  modelizar el comportamiento hidrológico de los suelos. ¿Porqué no hacer lo mismo en el ámbito de la edafología?. No conozco exactamente sus investigaciones, aunque sí que se pusieron a trabajar en la materia. Con el tiempo, me han ido llegando paulatinamente noticias acerca de este asunto. Y es que el tema puede resultar de suma importancia, a la hora de mejorar la comprensión de la estructura dinámica y evolución de los sistemas edáficos, tanto de sus componentes bióticos, como abióticos. Hoy os expondremos dos ejemplos extraídos del boletín de noticias Sciencedaily. La realidad es que, en español castellano, el ciberespacio aun dispone de  una escasísima bibliografía sobre tales temas.

Estudiando la superficie de contacto entre las raíces el suelo

tras secarse y humectarse. Fuente: Sciencedaily

Uno de los principales problemas que ha venido afectando a la ciencia del suelo deviene de la necesidad que se tenía de utilizar técnicas agresivas contra el propio medio edáfico, debido a su cripticidad y opacidad frente a la tecnología convencional. Así por ejemplo, cualquier estudio de su biología demandaba la extracción de los organismos del suelo, con vistas a su posterior análisis bajo el microscopio y/o el crecimiento en medios de cultivo artificiales, aun a sabiendas que los métodos de extracción no daban cuenta más que de una fracción de la biodiversidad que habita en su seno. En consecuencia, toda instrumentación que permita hacer retroceder tales barreras resulta de suma importancia.

Crecimiento de las Raíces utilizando tomografía

de rayos X. Fuente: Super Soil 2004

También se vienen utilizando otros tipos de tomografía, como la eléctrica, al objeto de analizar la  variación de la textura del suelo, entre otros asuntos. Del mismo modo, este tipo de tomografía permite comprender mejor la estructura y comunidades del suelo in situ, o al menos con técnicas menos invasivas que las convencionales. También otros tipos de tomografía, como la de rayos X puede ser de gran ayuda para el avance en diversos ámbitos de las ciencias del suelo y otras afines (ver este ejemplo en español).

De acuerdo a Wikipedia:

Tomografía es el procesado de imágenes por secciones. Un aparato usado en tomografía es llamado tomógrafo, mientras que la imagen producida es un tomograma. Este método es usado en medicina, arqueología, biología, geofísica, oceanografía, ciencia de los materiales y otras ciencias. En la mayoría de los casos se basa en un procedimiento matemático llamado reconstrucción tomográfica. Hay muchos tipos diferentes de tomografía, tal y como se listan posteriormente (nótese que la palabra griega tomos conlleva el significado de «un corte» o «una sección»). Una tomografía de varias secciones de un cuerpo es conocida como politomografía.

Página de la Universidad de Granada que explica la micromorfología clásica basada en el análisis de láminas delgadas y les recientes técnicas tridimensionales. En este enlace os incluyo las palabras de búsqueda que mejor resultados me han dado con vistas a que podáis echar un vistazo a la bibliografía sobre el tema en la lengua del imperio (suahili) ya que en español no he logrado encontrar nada.

Os dejo ya pues con estas dos noticias que nos informan de cómo pueden analizarse la interacción entre los sistemas radicales y la matriz del suelo, o el crecimiento de los primeros.

Juan José Ibáñez

Drought-Related Shrinking Processes Detected in Living Roots in the Soil for the First Time

ScienceDaily (Dec. 3, 2009) — Plant roots can shrink as a result of water deficit and lose contact with the surrounding soil. This effect has been suspected for a long time, but has only now been demonstrated for a fact with the help of x-ray tomography. The formation of an air gap could initially help plants prevent impending water losses when the soil dries out, say scientists from the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ) writing in the Vadose Zone Journal.

For their study, the researchers investigated roots of the white lupin (Lupinus albus L.) in sandy soil for a month, examining changes to the soil-root interface as the soil dried out and was irrigated, using x-ray tomography. Their research uncovered air gaps that formed as a result of root shrinkage during dry periods. «These interactions between soil structure and biological activity make the soil-root interface a complex and dynamic biomaterial whose importance has just begun to be understood,» explains Andrea Carminati of the UFZ.

After irrigation, the roots in the experiment swelled, partially refilling the air gaps, but contact in the older part of the taproot was not fully re-established. Does this mean that severe drought can permanently impair the contact between roots and the soil, thereby reducing a plant’s uptake of water and nutrients? Or can the plants re-establish the contact? These questions are of great significance for agriculture, in view of climate change and the drier summers that are expected in the north-east of Germany. This is why the soil researchers at the UFZ intend to continue with their x-ray investigations of plant root interactions.

Story Source: Adapted from materials provided by Helmholtz Centre For Environmental Research – UFZ.; Journal Reference: Carminati et al. When Roots Lose Contact. Vadose Zone Journal, 2009; 8 (3): 805 DOI: 10.2136/vzj2008.0147

X-ray CT investigations of intact soil cores with and without living crop roots

Ann McNeill¹ and Peter Kolesik²

Abstract

X-ray computed tomography (CT) was used to non-destructively visualise intact cores of soil (15 cm diameter and 50 cm depth) collected from a farming region in South Australia. The texture contrast soil comprised 20-30 cm of nutrient poor sand over dense sodic clay. Cores were taken from a non-ripped paddock and from an adjacent paddock that had been ‘deep ripped’ to 50 cm. Image-reconstruction software was used to visualise in three dimensions (3D) macro-morphological features of the soil cores. Canola was grown in some of the cores and several times during plant development the cores were scanned. Roots visualised were of a diameter equal or larger than 1 mm and the volume, surface area, length and position of these ‘exploratory’ roots was quantified. At the end of the experiment destructive root sampling and two-dimensional (2D) scanning were used to measure the total length and volume of all roots. The work revealed the architecture and morphology of root systems in situ and tracked response to soil macro-structures such as layers of organic matter in the sand, the clay domes at the interface with the sand, old root channels, calcium deposits, stones, and areas of soil that were naturally more loose. Root penetration was much slower in cores from the non-ripped paddock than in cores from the ripped paddock, indicating a restriction to growth even in the sand. Superimposition of root and non-ripped soil images showed that the roots grew preferentially in looser soil matrix, organic deposits and old root channels. However, roots did not necessarily seek sand-filled cracks between the clay domes as was expected from anecdotal evidence. Root growth in the ripped soil was not influenced by the redistributed macro-morphological features with roots growing in a straight fashion through both sand and clay clumps spread throughout the soil profile by the ripping procedure.