Download Formación bacteriana de carbonatos en extractos de un suelo

Scientific registration nº : 2415
Symposium nº : 41
Presentation : poster
Formación bacteriana de carbonatos en extractos de un
suelo salino
Formation de carbonates par les bactéries à partir
d'extraits de sols salés
Carbonate formation by bacteria from saline soil
extracts
DELGADO G. (1), RIVADENEYRA M.A. (2), DELGADO R. (1), IÑIGUEZ J. (1),
SORIANO M. (3), PÁRRAGA J. (1)
(1) Dpto. Edafología y Q. Agrícola. Facultad de Farmacia. Campus de Cartuja.
Universidad de Granada. 18071 Granada, España.
(2) Dpto. Microbiología. Facultad de Farmacia. Campus de Cartuja. Universidad de
Granada. 18071 Granada, España.
(3) Dpto. Edafología y Q. Agrícola. Universidad de Almería. 04120 Almería, España.
INTRODUCCIÓN
Los carbonatos se forman en medios inorgánicos naturales, en organismos vivos
o en medios de laboratorio, principalmente por precipitación a partir de disoluciones
acuosas concentradas (9). La precipitación de carbonatos por bacterias ha sido
ampliamente estudiada por diferentes autores, tanto en cultivos de laboratorio como en
hábitat naturales (5, 13). Se postulan diversos mecanismos por los cuales las bacterias
pueden controlar la precipitación de carbonatos en suelos áridos (10). Los datos de la
solución intersticial del suelo se han utilizado en gran número de estudios, para predecir
y explicar los fenómenos de alteración, que incluyen disolución y precipitación de
minerales, sobre la base de los equilibrios fisicoquímicos en dicha solución (7). Nuestro
grupo de investigación trabaja en la formación de carbonatos por bacterias halófilas
moderadas aisladas de suelos salinos, para dilucidar el papel de estas bacterias en la
formación de carbonatos, en sus habitats naturales (13, 14, 15, 16, 17).
El objetivo de este trabajo es determinar si las bacterias juegan un papel activo
en la precipitación de carbonatos en el suelo investigado. Para ello se compara la
estabilidad mineral en la solución del suelo con la precipitación de minerales en esta
solución, por bacterias aisladas de dicho suelo y cultivadas «in vitro».
MATERIAL Y MÉTODOS
El estudio del suelo se realizó de acuerdo con el Soil Survey Staff (18) y con la
A.S.A. y la S.S.S.A. (1). Para la obtención de la solución del suelo se emplearon tres
muestras: A, B y C (A = media ponderada al espesor de Ah1 y Ah2; B = 2Bw y C =
media ponderada al espesor de 2C, 3C1, 3C2 y 4C). Se prepararon dos tipos de
1
extractos como representativos de la solución del suelo: el extracto 1:1, mediante
agitación durante 1h y posterior centrifugación y el extracto de saturación, por filtración
de la pasta saturada del suelo (12). Los equilibrios minerales en la solución del suelo se
modelizaron con el programa SOLMINEQ 88 (8).
La formación de cristales por bacterias se estudió mediante experimentos de
inoculación de las bacterias aisladas del suelo investigado, en medios de cultivo
preparados a partir de la solución del suelo. Se utilizaron medios de cultivo líquidos
(son las soluciones de suelo) y medios de cultivo sólidos preparados por adición de 1.6
% de Bacto-Agar (Difco) a las soluciones de suelo. Los medios se esterilizaron a 112°C
durante 30 minutos. En el caso de los medios líquidos, se emplearon matraces
Erlenmeyer de 250ml, con 100ml de medio incubándose a 25ºC durante 30 días tras la
inocularon. Se examinó periódicamente la formación de cristales mediante microscopía
óptica. En los medios sólidos la inoculación se realizó en superficie, siendo el resto del
proceso idéntico al de los medios líquidos. Los cristales formados tras 30 días de cultivo
fueron lavados y secados al aire a 37ºC.
El análisis mineralógico de los cristales formados por las bacterias en cultivo, así
como de las acumulaciones de sales en el suelo (nódulos, concreciones, etc.) se realizó
por difracción de rayos-X (DRX) utilizando un difractómetro de polvo Philips PW
1730, con radiación Cu KÆ.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
El suelo estudiado es un Solonchak, háplico (3), con un perfil tipo A, Bw, Cg, y
con discontinuidades litológicas (Tabla I) debidas a la alternancia de materiales
geológicos y al coluvionamiento superficial. El origen de la salinidad del suelo (CE
entre 12 y 55 dsm-1, Tabla II) es una capa freática fluctuante de agua salina que también
origina condiciones de hidromorfía en el horizonte C (aparición de colores moteados,
grises y ocres y segregación de hierro). El clima semiárido de la zona, favorece la
acumulación de sales solubles en el suelo.
Se han identificado distintos tipos de acumulaciones minerales en el suelo, que
de acuerdo con sus características morfológicas son en su mayoría autigénicas; las fases
minerales detectadas (DRX) son calcita y yeso. Mediante análisis volumétrico se
detectan cantidades importantes de carbonatos (Tabla II). El pH es ligeramente básico,
estando el complejo de cambio está saturado, fundamentalmente con Na y Ca. La
presencia en el suelo de grandes cantidades de sales solubles neutras (sulfatos y cloruros
de cationes alcalinos y alcalinotérreos) y carbonato cálcico impide la alcalinización del
suelo (pH 8.2).
En general, las actividades iónicas son elevadas, dadas las características salinas
del suelo, siendo más bajas en el extracto 1:1 que en el extracto de saturación (Tabla
III). Na y Cl son los iones que muestran las actividades más altas a consecuencia de la
composición iónica de la capa freática que afecta el suelo. Con la excepción del Ca, las
actividades iónicas son más bajas en los horizontes superficiales que en los horizontes
subsuperficiales, por la influencia de la capa freática salina sobre los horizontes más
profundos. Las diferencias de actividad alcanzan casi 0.93 unidades en el caso del Na
(extracto de saturación). El comportamiento del Ca podría explicarse por la presencia en
todo el perfil, de yeso y carbonatos, asimismo, el Ca muestra una gran capacidad para
formar complejos con los compuestos orgánicos, más abundantes en el horizonte A. La
alta actividad del Na en la solución de suelo resulta en unas elevadas cantidades de Na
2
intercambiable (Tabla II) que aumentan progresivamente con la profundidad. Por el
contrario, los iones K y Mg son menos abundantes en la solución del suelo, estando
menos representados en el complejo de cambio. Las elevadas cantidades de Ca de
cambio (Tabla II), proceden probablemente de los carbonatos y el yeso.
Tabla I.- Características generales y morfológicas del suelo (Solonchack háplico).
Horiz.
Espesor
(cm)
Color seco
(Munsell)
Color húmedo
(Munsell)
Estructura
Nódulos Concreciones
Depósitos
Ah1
0-7
2.5Y 3.5/2
-
bl sa, me/gr,
mo
masas de cristales, grandes,
blancos
Ah2
7-20/27
2.5Y 4.5/2
-
bl sa, gr, mo
muy pocos nódulos,
pequeños, esféricos y blancos
2Bw
20/27-35
5Y 5/2 y 7.5YR
5.5/0
blanco, 2.5Y 4.5/4 y 7.5YR
4/6
bl sa, me,
mo/de
micelios de carbonatos y yeso
2Cg
35-47
5Y 5/2 y 7.5YR
5.5/0
10YR 6/6, blanco, 10YR 5/1
y 7,5YR 4/6
masiva y
laminar
depósitos laminares y
nódulos, frecuentes
3C1g
47-57
5Y 5/2 y 7.5YR
5.5/0
blanco y 10YR 6/6
masiva y
laminar
depósitos laminares y
nódulos, abundantes
3C2g
57-80
5Y 5/2 y 7.5YR
5.5/0
10YR 6/6 y blanco
masiva y
laminar
depósitos laminares y
nodulos difusos, frecuentes
4Cg
>80
5Y 5/2 y 7.5YR
5.5/0
blanco y negro
masiva
nodulos difusos frecuentes
Latitud: W 3o 43'; longitud: N 37o 5'; altitud: 700m; orientación: W; pendiente: 35%; material original: sedimentos terciarios de
textura variable, carbonatado (>20% de CO32-); vegetación: halófila (Suaeda sp., Salsola sp., Limonium sp., etc).
La Tabla IV muestra los cambios en energía libre de Gibbs estandar (AG) de los
18 minerales más frecuentes en el suelo. Sólo los minerales que presentan AG negativos
son viables, lo que indica que la solución está supersaturada con el respecto a estas fases
minerales. En el extracto de saturación, que refleja mejor la realidad de la solución de
suelo que el extracto 1:1 (19) se observa que los minerales que pueden formarse en
todos estos horizontes de suelo son calcita, dolomita y yeso, y en el horizonte C, puede
formarse además aragonito. Las acumulaciones minerales, en el suelo, descritas en la
Tabla I, son de calcita y yeso. Dolomita y aragonito no son frecuentes como fases
autigénicas en suelos (2) y no han sido detectadas en las acumulaciones minerales. Esto
no es contradictorio ya que los AG indican que las reacciones pueden proceder en
dirección especificada pero no significan que de hecho procederán en dicha dirección.
Debe también tenerse en cuenta que la pasta saturada no corresponde exactamente a la
situación normal del suelo con respecto a su contenido de agua, el cual es generalmente
menor. Consiguientemente, la supersaturación de especies minerales mostrada en la
Tabla IV, se acentuaría aún más en el suelo "in situ" (7). En el extracto 1:1 puede
observarse que todos los valores de AG son positivos, por lo que debe descartarse en
estas condiciones la posibilidad de precipitación de estos minerales.
3
Tabla II.- Caracteres analíticos (Solonchack háplico)
Horizonte
Espesor
Arena
%
Arcilla
%
CO
%
N
%
CO32%
pH 1:1
H2O
ClK
Ah1
0-7
21.3
19.5
1.60
0.15
23.18
7.5
7.2
Ah2
7-20/27
30.5
15.0
0.68
0.08
19.50
7.8
7.4
2Bw
20/27-35
10.5
26.5
0.44
0.05
24.15
7.8
7.5
2Cg
35-47
8.7
28.5
0.42
0.05
25.17
8.0
7.6
3C1g
47-57
18.7
16.5
0.28
0.03
16.26
8.2
7.7
3C2g
57-80
10.5
19.7
0.39
0.03
22.13
8.2
7.7
4Cg
>80
11.8
27.0
0.40
0.03
24.12
8.2
7.7
Horizonte
CE dSm-1
(Extr. Sat.)
Bases y capacidad de cambio cmol(+)kg-1
Na+
K+
Ca2+
Mg2+
CEC
Ah1
12.7
11.7
2.6
164.1
3.3
16.2
Ah2
14.3
14.3
1.2
215.0
3.5
7.1
2Bw
42.0
32.1
2.4
251.3
7.2
12.5
2Cg
55.6
40.0
2.7
130.8
10.1
17.1
3C1g
41.1
33.8
1.9
176.4
7.4
19.4
3C2g
51.9
46.3
2.4
180.8
8.1
10.2
4Cg
39.6
34.2
2.1
138.0
7.6
13.3
NOTA.- Valores referidos a la tierra fina (<2mm)(105ºC). CO= carbono orgánico.
N= nitrógeno total. CE=conductividad eléctrica. CEC= capacidad de intercambio catiónico..
En los cultivos bacterianos realizados en medios sólidos y líquidos obtenidos a
partir del extracto 1:1 se forman biolitos a partir de los 7 días de incubación. En todos
los casos el mineral precipitado es calcita sin niveles detectables de otros minerales. La
precipitación de calcita en los cultivos bacterianos en extractos 1:1, confirma el papel
activo de las bacterias en el proceso, ya que como se ha demostrado (Tabla IV), la
precipitación inorgánica de este mineral no puede ocurrir a estas concentraciones. Entre
los mecanismos que pueden inducir la biomineralización podemos citar los siguientes:
el aumento de la presión parcial de CO2 y el pH como resultado del metabolismo
bacteriano y la acumulación selectiva de Ca en la pared de la célula (6).
4
Tabla III.- Actividades iónicas en el extracto de saturación y el extracto 1:1,
expresadas logaritmos negativos.
Actividades iónicas en el extracto de saturación
Muestra
2+
2+
pCa
pMg
pNa+
pK+
pCl-
pSO42-
pHCO3-
pH+
A
1.97
2.95
1.17
3.23
0.99
2.56
3.22
7.15
B
2.19
2.49
0.62
2.99
0.61
2.30
2.99
7.15
C
2.12
2.34
0.24
2.86
0.76
2.42
3.13
7.39
Actividades iónicas en el extracto 1:1
Muestra
++
2+
pCa
pMg
pNa+
pK+
pCl-
pSO42-
pHCO3-
pH+
A
2.15
3.14
1.40
3.45
1.21
2.67
3.37
7.30
B
2.55
2.89
1.07
3.43
1.05
2.48
3.41
7.36
C
2.46
2.71
0.65
3.26
1.15
2.55
3.48
7.36
Tabla IV.- Cambios en la energía libre de Gibbs estándar (Kcal/mol).
Extracto de Saturación
Extracto 1:1
Fase
Hor.A
Hor.B
Hor.C
Hor.A
Hor.B
Hor.C
Anhidrita
0.309
0.238
0.343
0.693
0.992
0.971
Aragonito
0.042
0.023
-0.182
0.285
0.814
0.796
Brucita
7.047
6.436
5.594
6.890
6.390
6.164
Calcita
-0.149
-0.168
-0.373
0.094
0.624
0.605
Dolomita
-0.466
-1.415
-1.949
0.035
0.207
0.049
Yeso
-0.081
-0.141
-0.027
0.301
0.602
0.585
Halita
5.125
3.848
3.547
5.676
5.068
4.631
Huntita
7.903
5.096
3.901
8.922
8.378
7.940
Hidromagnesita
12.422
8.419
6.404
13.293
11.382
10.514
Magnesita
1.770
0.841
0.511
2.029
1.671
1.531
MgCl2
36.949
35.280
35.513
37.805
37.034
37.081
Mirabilita
5.242
3.433
2.622
5.978
4.853
3.810
Natrón
10.765
9.007
7.886
11.358
10.464
9.424
Nesquehonita
5.463
4.551
4.233
5.718
5.363
5.229
Periclasa
13.865
13.249
12.403
13.710
13.208
12.981
Silvita
6.998
6.153
6.193
7.597
7.365
7.264
Tenardita
6.305
4.440
3.585
7.053
5.918
4.855
Trona
17.069
14.207
12.729
18.183
16.900
15.359
5
El papel activo de las bacterias en la formación de minerales en medios de cultivo de
laboratorio ha sido descrito anteriormente (4, 5, 14, 15, 16, 17), habiéndose demostrado
también la existencia de una relación entre el tipo mineral y las especies bacterianas
cultivadas. Los resultados de este trabajo confirman los anteriores y sugieren además
que las bacterias juegan un papel activo en la formación autigénica de calcita en el
suelo estudiado, siendo capaces de inducir la precipitación de este mineral, incluso en
condiciones donde no se alcanzaba la supersaturación
BIBLIOGRAFÍA
1. A.S.A., S.S.S.A. 1982, 1986. Methods of Soil Analysis, part 1 and 2. Agronomy no.9,
2nd ed. Madison, Wisconsin, USA.
2. Doner, H.E. and W. C. Lynn. 1989. Carbonate, Halide, Sulfate, and sulfide Minerals.
In: Dixon, J.B. and S.B. Weed (eds.) Minerals in Soil Environments. Soil Sci. Soc. Am.
Madison, USA, pp 279-330.
3. FAO-UNESCO. 1988. Soil Map of the World, revised legend. FAO, Rome.
4. Ferrer, M.R., J. Quevedo-Sarmiento, V. Béjar, R. Delgado, A. Ramos-Cormenzana,
and M.A. Rivadeneyra. 1988a. Calcium carbonate formation by Deleya halophila: effect
of salt concentration and incubation temperature. Geomicrobiology Journal 6: 49-57.
5. Ferrer, M.R., J. Quevedo-Sarmiento, M.A. Rivadeneyra, V. Béjar, R. Delgado, and A.
Ramos-Cormenzana. 1988b. Calcium carbonate precipitation by two groups of
moderately halophilic microorganisms at different temperatures and salt concentrations.
Current Microbiology 17: 221-227.
6. Ferris, F.G., W. Fyfe and T.J. Beveridge, 1991. Bacteria as nucleation sites for
authigenic minerals. In: Berthelin J. (ed) Diversity of environmental biogeochemistry.
Developments in geochemistry 6: 319-326. Elsevier. Amsterdam.
7. Karanthanasis, A.D. 1989. Soil Solution: A sensitive indicator of mineral stability in
pedogenic environments. In: Augustithis, S.S. (Ed.) Weathering: Its Products and
Deposits. Teophrastus Publ. Athens, Greece, pp 157-195.
8. Kharaka, Y.K., W.D. Gunter, P.K. Aggarwal, E.H. Perkins and J.D. De Braal. 1989.
SOLMINEQ 88: A Computer Program for Geochemical Modeling of Water-Rock
Interactions. U.S. Geological Survey. U.S. Dept. Interior, Washington, D.C.
9. Lippmann, F. 1982. Stable and metastable solubility diagrams for the system CaCO3MgCO3-H2O at ordinary temperature. Bull. Min. 105: 273-279.
10. Monger, H.C. 1990. Soil Mineral Transformations in a Southern New Mexico
Aridisols. University Microfilm International, Ann Arbor, Michigan, USA.
11. Pitzer, K. S. 1981. Characteristics of very concentrated aqueous solutions. In
Chemistry and geochemistry of solutions of high temperatures and pressures. Physics and
Chemistry of the Earth 13-14: 249-272.
12. Richards, L.A. 1982. Determinación de las propiedades de suelos salinos y sódicos. in
Suelos Salinos y Sódicos; Diagnóstico y Rehabilitación. Limusa, México, D.F.
13. Rivadeneyra, M.A., A. Ramos-Cormenzana, and A. García-Cervigón. 1985. Etude de
l'influence du rapport Mg/Ca sur la formation de carbonate par des bacteria telluriques.
Canadian Journal of Microbiology 31: 229-231.
14. Rivadeneyra, M.A., R. Delgado, A. Del Moral, M. Ferrer, and A. RamosCormenzana. 1994a. Precipitation of calcium carbonate by Vibrio sp. from an inland
6
saltern. FEMS (Federation of European Microbiological Societies) Microbiology Ecology
13: 197-204.
15. Rivadeneyra, M.A., R. Delgado, G. Delgado, M. Ferrer, A. Del Moral, and A. RamosCormenzana. 1994b. Carbonate precipitation by Bacillus sp. isolated from saline soils.
Geomicrobiology Journal 11: 175-184.
16. Rivadeneyra, M. A., A. Ramos-Cormenzama, G. Delgado, R. Delgado, 1996a.
Process of Carbonate Precipitation by Deleya halophila. Current Microbiology 32: 308313.
17. Rivadeneyra, M. A., G. Delgado, A. Ramos-Comerzama, and R. Delgado 1996b.
Precipitation of Carbonates by Deleya halophila in liquid media: Pedological implications
in saline soils. Arid Soil Research and Rehabilitation 11:37-47.
18. Soil Survey Staff. 1962. Soil Survey Manual. Agric. Handb. no. 18, USDA U.S.
Government Printing Office, Wahington, DC.
19. Wolt, J.D. 1994. Soil Solution Chemistry: applications to environmental science and
agriculture. Wiley, New York.
Palabras clave: biomineralización, solución del suelo, equilibrios minerales, bacterias
halófilas
Mots clés : biominéralisation, solution du sol, équilibres minéraux, bactéries halophiles
Key words: biomineralization, soil solution, mineral equilibria, halophilic bacteria
7