Análisis del efecto del fuego y de la presencia de contaminantes sobre la actividad y biodiversidad microbiana del suelo
- Autores: Adriana Isabel Turmero Hidalgo
- Directores de la Tesis: María Enriqueta Arias Fernández (dir. tes.), Juana Rodríguez Bullido (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Javier González Vila (presid.), Manuel Pascual Hernández Cutuli (secret.), Gonzalo Almendros Martín (voc.), María Isabel Pérez Leblic (voc.), Margarita Martín Fernández (voc.)
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- Resumen
- español
La salud de un suelo se puede definir como la capacidad del mismo para funcionar como un sistema vivo dentro de un ecosistema, sustentar la productividad biológica, promover la calidad ambiental y mantener la salud de plantas, animales y del hombre. El concepto de salud del suelo se relaciona, por tanto, con las características biológicas, químicas y físicas del mismo, que son esenciales para una productividad agrícola sostenible a largo plazo, con un mínimo impacto ambiental. El estudio del papel que desempeña la biodiversidad microbiana en la salud del suelo, la capacidad de los suelos para responder ante condiciones de estrés y la relación existente entre ambos factores, resulta clave para comprender los límites de funcionamiento de los ecosistemas y la capacidad de recuperación de la actividad biológica en ecosistemas perturbados. Los indicadores microbianos de la salud de un suelo más utilizados son la biomasa, la actividad microbiana y la diversidad microbiana, los cuales proporcionan información sobre el papel multifuncional que las comunidades microbianas desempeñan en el ecosistema. Los suelos, como cualquier otro ecosistema, pueden sufrir perturbaciones capaces de alterar su estructura. Las perturbaciones pueden ser naturales (fuego, avalanchas de nieve, fenómenos meteorológicos extremos, inundaciones, etc.) o generadas por el hombre (contaminación, introducción y extinción de especies, etc.). El efecto de las perturbaciones sobre los ecosistemas depende de la magnitud del agente perturbador y de la susceptibilidad del ecosistema. En este trabajo se ha analizado el efecto de dos agentes perturbadores, incendios forestales y presencia de contaminantes, sobre las propiedades físicas, químicas y biológicas (actividad y diversidad microbiana) de distintos suelos. El efecto del fuego se estudió en tres áreas determinadas de nuestro país, dos pertenecientes a la Comunidad de Andalucía (Aznalcóllar y Cazorla) y otra a la Comunidad de Canarias (Tenerife), que sufrieron uno o varios incendios forestales en diferentes años. Por otra parte, se estudió el efecto de la presencia de contaminantes de naturaleza orgánica (hidrocarburos) e inorgánica (metales pesados) en suelos provenientes de dos vertederos de residuos sólidos urbanos (VRSU) situados en la Comunidad de Madrid, concretamente, en las localidades de Torrejón de Ardoz y de Getafe, respectivamente. La caracterización física y química de los suelos quemados, en relación con sus respectivos controles, se llevó a cabo mediante la estimación de los siguientes parámetros: pH, capacidad de retención hídrica, contenido en carbono y materia orgánica y contenido en nitrógeno. Cabe destacar el incremento observado en el contenido en carbono total oxidable y/o nitrógeno total en los suelos quemados, lo cual puede ser atribuido al impacto de los incendios sobre la cubierta vegetal. Para el estudio del efecto del fuego sobre la actividad microbiana se utilizaron los siguientes indicadores biológicos: biomasa, respiración inducida por sustrato (SIR) y actividad de distintas enzimas relacionadas con el ciclo de carbono ([beta]-glucosidasa, [beta]-N-acetil glucosaminidasa e invertasa), nitrógeno (ureasa) y fósforo (fosfatasas ácida y alcalina). De los resultados obtenidos cabe señalar, que en la mayoría de los suelos quemados se detectó un aumento de la biomasa bacteriana y fúngica y de la actividad respiratoria, en relación a los suelos control. En lo que respecta a las actividades enzimáticas analizadas, no se pudo establecer un patrón común de comportamiento en los distintos escenarios estudiados, a no ser en el caso de la actividad fosfatasa, para la que se detectaron mayores niveles en los suelos quemados que en los controles. El estudio del efecto del fuego sobre la diversidad microbiana se llevó a cabo mediante el análisis de los patrones de bandas de ADN, correspondientes a los dominios Bacteria y Archaea, obtenidos por la técnica de electroforesis en gel de gradiente desnaturalizante (DGGE), así como mediante el análisis de las secuencias de los clones obtenidos a partir de la clonación del gen codificante para ARNr 16S del dominio Bacteria. Ambos abordajes necesitaron la puesta a punto de las técnicas moleculares empleadas. A partir de los patrones de bandas obtenidos mediante DGGE, se calculó el índice de Shannon y se realizó un análisis jerárquico de grupos o conglomerados ("cluster analysis"). Los valores de índice de Shannon obtenidos pusieron de manifiesto una mayor diversidad de grupos en el dominio Bacteria que en el dominio Archaea, en todos los suelos analizados. En las muestras de Aznalcóllar, los suelos quemados presentaron índices de diversidad ligeramente superiores al del suelo control, para ambos dominios (Bacteria y Archaea). En los suelos del área de Cazorla, en los que se realizaron tres análisis consecutivos en diferentes años en dos zonas de diferente ubicación, los resultados de índice de Shannon reflejan una mayor o menor diversidad microbiana dependiendo del año de muestreo y del área muestreada. A partir del análisis de conglomerados realizado, se puede deducir que el efecto del fuego fue más significativo sobre las comunidades microbianas del dominio Archaea que sobre las del dominio Bacteria. De los resultados correspondientes al índice de Shannon y al análisis de conglomerados obtenidos en los suelos de Tenerife muestreados antes y después de las lluvias, no se pudo deducir un patrón claro del efecto del fuego sobre la diversidad microbiana. A continuación, a partir del ADN genómico de cada una de las muestras de suelo, se amplificó mediante PCR el gen codificante para el ARN ribosómico 16S y los fragmentos amplificados fueron clonados para realizar su identificación utilizando la base de datos del RDP (Ribosomal Database Project). En total, se lograron identificar 1268 secuencias con más del 95% de similitud a nivel de phyla. Tras realizar las curvas de rarefacción de cada una de las librerías se puso de manifiesto, que en la mayoría de las muestras se hubiera necesitado analizar un mayor número de secuencias para poder estimar de modo concluyente la diversidad microbiana presente en los suelos. No obstante, del estudio realizado se pudo comprobar, que los grupos bacterianos mayoritarios presentes en los suelos analizados se corresponden con los phyla Proteobacteria, Acidobacteria y Actinobacteria. Por otro lado, la identificación a nivel de género no permitió establecer diferencias entre los suelos control y quemados, ya que en la mayor parte de los casos se identificaron los mismos géneros. En la segunda parte del trabajo se llevó a cabo la caracterización física, química y biológica de suelos de dos vertederos de RSU (Torrejón de Ardoz y Getafe) contaminados con hidrocarburos y metales pesados, respectivamente. En el vertedero de Torrejón de Ardoz se detectó una alta concentración de hidrocarburos totales (alifáticos y aromáticos), hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) y bifenilos policlorados (PCBs), particularmente en las zonas denominadas T2 y T9 del vertedero. Los resultados de la caracterización física, química y biológica de los suelos de este vertedero pusieron de manifiesto la existencia de correlaciones negativas estadísticamente significativas entre la concentración de PAHs y PCBs y la capacidad de campo, número de bacterias y hongos viables, actividad respiratoria y actividad enzimática, lo cual es indicativo del efecto tóxico ejercido por los contaminantes sobre las poblaciones microbianas del suelo. Este mismo efecto se observó también tras la estimación de los índices de Shannon calculados a partir del patrón de bandas de ADN y de las librerías de clones. Así, se observó, que los suelos con menor contaminación (T2B y T8) presentaron mayor diversidad bacteriana que los suelos con mayor concentración de contaminantes (T2 y T9). En estas muestras se lograron identificar 180 secuencias con más del 95% de similitud con las secuencias publicadas en la base de datos RDP. Las curvas de rarefacción mostraron que en tres de las cuatro muestras estudiadas (T2B, T8 y T9), el número de secuencias analizadas fue suficiente para poder determinar los phyla presentes en dichas zonas, habiendo sido detectados como mayoritarios los phyla Proteobacteria, Acidobacteria y Actinobacteria. Por último, en el estudio realizado en el VRSU de Getafe, no se pudo establecer una correlación estadísticamente significativa entre la concentración de metales pesados y ninguno de los parámetros analizados. Este hecho podría justificarse sobre la base de que las comunidades microbianas de estos suelos se hubieran adaptado a la concentración de metales pesados presente en los mismos, o a que dicha concentración no alcance el umbral de toxicidad necesario para causar un efecto detectable sobre los indicadores seleccionados.
- English
Soil health can be defined as its ability to function as a living system, sustaining biological productivity and promoting environmental quality. The concept of soil health is related with its biological, chemical and physical properties, which are essential for sustainable agricultural productivity in the long term, with minimal environmental impact. The study of the role of microbial biodiversity in soil health, soil's ability to respond to stress conditions and the relationship between the two factors, is key to understanding the limits of ecosystem functioning and resilience biological activity in disturbed ecosystems. The most common microbial indicators of soil health used are biomass, microbial activity and microbial diversity, which provide useful information on the multifunctional role that microbial communities have in the ecosystem. Soils, like any other ecosystem, may suffer disturbances which alter its structure. Disturbances can be natural (fire, snow avalanches, extreme weather, floods, etc.) or generated by man (pollution, introduction and extinction of species, etc.). The effect of disturbances on ecosystems depends on the magnitude of the perturbing agent and the susceptibility of the ecosystem. In this study we have analyzed the effect of wildfires and pollutants on the physical, chemical and biological (microbial activity and diversity) properties of different soils. The effect of fire was studied in three specific areas of our country, two belonging to the Autonomous community of Andalusia (Aznalcóllar and Cazorla) and another to the Autonomous community of the Canary Islands (Tenerife), who suffered one or more wildfires in different years. Moreover, we studied the effect of the presence of organic pollutants (hydrocarbons) and inorganic (heavy metals) in soils from two municipal solid waste landfills located in the Autonomous community of Madrid, specifically, the villages of Torrejon de Ardoz and Getafe respectively. Chemical and physical characterization of burned soils in comparison to their respective controls was carried out by estimating the following parameters: pH, water retention capacity, carbon and organic matter and nitrogen content. The observed increase in the total carbon content of oxidizable and/or total nitrogen in burned soils can be attributed to the impact of fires on vegetation cover. To study the effect of fire on microbial activity we analized the following biomarkers: biomass, substrate induced respiration (SIR) and activity of various enzymes involved in the carbon cycle (ß-glucosidase, ß-N-acetyl glucosaminidase and invertase), nitrogen (urease) and phosphorus (acid and alkaline phosphatase). From the results it should be noted that we detected in most burned soils an increased of bacterial and fungal biomass and respiratory activity relative to control soils. With respect to the enzyme activities tested, we could not establish a common pattern of behavior in the different samples studied, except in the case of the phosphatase activity, for the highest levels was detected in the burned soils. The study of the effects of fire on the microbial diversity of soils was performed by analyzing DNA band fingerprints corresponding to the domains Bacteria and Archaea, obtained by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), and by analyzing the sequences of the clones obtained from cloning 16S rRNA gene for Bacteria. Both approaches required tuning of molecular techniques employed. From the DGGE fingerprint obtained, we calculated Shannon diversity index and did a hierarchical analysis. The Shannon index obtained showed a greater diversity in Bacteria than in Archaea in all soils analyzed. Aznalcóllar´s burned soils had slightly higher rates of diversity in both domains (Bacteria and Archaea). In Cazorla, in which there were three consecutive analyzes in different years in two different location areas, the results reflect Shannon index greater or lesser microbial diversity depending on the year of sampling and the area sampled.
From the cluster analysis performed, we concluded that the effect of fire was more significant on microbial communities of Archaea than Bacteria domain. From the results for the Shannon index and cluster analysis obtained in Tenerife soils samples before and after the rains, we could not derive a clear pattern of the effect of fire on microbial diversity. From each of the soil samples genomic DNA (16S RNAr gene) was amplified through PCR and the fragments were cloned for its identification using Ribosomal Database Project (RDP). We studied 1,268 sequences with more than 95% similarity. After performing rarefaction curves of each of the libraries we concluded that in most samples it would have been required to analyze a greater number of sequences to estimate conclusively the microbial diversity present in soils. However, we found that most of the bacteria present in the soils correspond to the phyla Proteobacteria, Acidobacteria and Actinobacteria. Furthermore, the identification at genus level did not allow to differentiate between control and burned soil, because in most cases the same genera have been identified. In the second part of our study we analyzed the physical, chemical and biological properties of soils from two landfills (Torrejón de Ardoz and Getafe) contaminated with hydrocarbons and heavy metals, respectively. In the Torrejón de Ardoz landfill we detected a high concentration of total hydrocarbons (aliphatic and aromatic), polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and polychlorinated biphenyls (PCBs), particularly in samples T2 and T9. The results indicate a statistically significant negative correlation between the concentration of PAHs and PCBs and water retention capacity, number of viable bacteria and fungi, respiratory and enzyme activity, which is indicative of the toxic effect exerted by pollutants on soil microbial populations. This same effect was also observed after estimating Shannon index calculated from the DGGE fingerprint and clone libraries. Thus, it was observed that samples with less pollution (T2B and T8) had higher bacterial diversity than soils with higher concentrations of pollutants (T2 and T9). In these samples we were able to identify 180 sequences with more than 95% similarity using RDP. Rarefaction curves showed that in three of the four samples studied (T2B, T8 and T9), the number of sequences analyzed was sufficient to determine the phyla present in these areas, having been detected as major phyla Proteobacteria, Acidobacteria and Actinobacteria. Finally, in the Getafe landfill, we could not establish a statistically significant correlation between the concentration of heavy metals and any of the parameters analyzed. This could be justified on the basis that the microbial communities in these soils could have adapted to the concentration of heavy metals present or that the concentration does not reach the toxicity threshold necessary to cause a detectable effect on the selected indicators.
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