Por: María Isabel Peñaranda
Msc Ciencias Agrarias
Dpto I&D. Science Yield Solution. Sys Ltda.

Los ciclos biogeoquímicos reciclan Agua, Carbono, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo y Azufre, junto a otros elementos en diferentes formas químicas. Esto hace posible su almacenamiento,  disponibilidad e incorporación en diferentes procesos biológicos; sin estos ciclos los seres vivos se extinguirían. Las plantas, por su parte, son las grandes administradoras de estos nutrientes y en su condición de autótrofas, son quienes fabrican alimentos para los organismos heterótrofos. En los suelos son depositados gran parte del agua y de los nutrientes minerales, los cuales deben estar disueltos en solución para que puedan migrar y atravesar paredes celulares y membranas citoplasmáticas de las raíces. Los nutrientes pueden estar disponibles en la fase liquida o no disponibles formando compuestos orgánicos con Nitrógeno, Fosforo y Azufre en la fase sólida. 

La toma de nutrientes en el suelo es un proceso que depende de diversos factores físicos, químicos, microbiológicos y ambientales, los cuales actúan en interacción para solubilizar e intercambiar iones desde la fase solida no lábil (debido a la adhesión a las arcillas), determinando la eficiencia en la disponibilidad de los iones en la solución del suelo y el intercambio catiónico de los mismos. Se trata de un sistema dinámico, donde las plantas captan los iones disueltos mientras que en la fase sólida, cargada con minerales, se van liberando nutrientes. Las raíces y los microorganismos compiten por los nutrientes minerales y pueden formar alianzas simbióticas para beneficio mutuo. El nivel de agua en la solución del suelo es un factor determinante para que pueda ocurrir la liberación de los iones a la solución, pues el agua es el vehículo que permite el movimiento de los elementos en dicha matriz (fig 1).

Fig 1. Disolución y migración de iones en la solución del suelo.

Las partículas del suelo, tanto orgánicas como inorgánicas, tienen abundantes cargas (-) en su superficie. Las partículas orgánicas se originan de la descomposición microbiana y transformación bioquímica de organismos vegetales y animales. Las cargas negativas resultan de la disociación de los H+ del ácido carboxílico (COO-) y de los grupos fenólicos presentes en este componente. Entre las partículas inorgánicas, las arcillas son cristales de Al3+ y Si4+ unidos covalentemente con átomos de oxígeno, para formar aluminatos y silicatos. Estas partículas se tornan negativas al reemplazar el Al3+ y Si4+ con cationes de carga menor: sustitución isomorfica. La absorción usualmente no ocurre en forma de sales, sino en forma de iones, y la presencia de un elemento iónico o formando compuestos en el suelo no determina su disponibilidad para la planta. Solamente se hallan disponibles para ella aquellos elementos que se encuentran en forma soluble o por intercambio iónico, con las micelas del suelo. (Salisbury, 1994). 

La Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC), se refiere a la cantidad total de cargas negativas que están disponibles sobre la superficie de las partículas en el suelo y su capacidad para retener cationes que se atraen a estas partículas por fuerzas electrostáticas. Ejemplo de cationes, que se  hallan adsorbidos sobre las superficies negativas de las partículas del suelo son: NH4+, K+, Mg++, Ca++ (fig 2); esta adsorción es un factor importante para la fertilidad debido a que en el suelo no se lavan fácilmente estos iones y pueden ser intercambiados por otros cationes. Los aniones (Cl-, NO3-) suelen ser repelidos por las cargas negativas y terminan disolviéndose en la solución del suelo y son fácilmente lixiviados; esto implica que la capacidad de intercambio aniónico, de la mayoría de los suelos agrícolas, es pequeña comparada con su capacidad de intercambio catiónico. (Salisbury, 1994).

Fig 2. Intercambio Catiónico con Arcillas del Suelo. Modificado de Gómez. 2013. 
 

El humus que es formado naturalmente en el suelo por descomposición de la materia orgánica, al igual que las arcillas tiene cargas negativas, las cuales atraen a los iones de carga positiva, tales como el Calcio (Ca+), Magnesio (Mg+), Potasio (K+), Amonio (NH4+), Cobre (Cu+), Zinc (Zn+), Manganeso (Mn+); esto genera una interacción y un balance de óxido-reducción que es dinamizado por cambios en el pH, solución del suelo y alcance de iones por la rizosfera, entre otros. 

El intercambio catiónico se produce en la interfase comprendida entre las paredes de las células más externas de la raíz (mucigel) y el suelo. Esta estructura  se denomina cofia o caliptray rodea al ápice de la raíz, protegiéndola. Se considera que el mucigel es segregado por el aparato de Golgi de las células externas de la cofia. En sustratos bien hidratados, se favorece la liberación de elementos a la fase liquida y la difusión (transporte pasivo) a través de la membrana radicular. Cuando la planta realiza el proceso de transpiración se genera una fuerza de succión de agua y solutos hacia la raíz generando un flujo de masas que ingresan a la planta con o sin gasto de energía (ATP) , dependiendo del gradiente de concentración. Por esta vía pueden ser asimilados Sulfatos, Nitratos, Magnesio, Cobre, Calcio, Boro, entre otros (fig 3). 

Fig 3. A. flujo de iones por transporte Activo. B. Flujo de iones por transporte pasivo. C. Transporte pasivo por difusión simple.

Un suelo con balance orgánico-mineral, buena estructura, aireación y humedad, proporciona constantemente cationes intercambiables por iones de Hidrogeno provenientes de las raíces. La difusión de nutrientes a través de las membranas de las raíces puede ser mediada por microorganismos. En suelos húmedos, donde el contenido de iones es muy pobre, la planta debe consumir energía para poder captar los nutrientes desde la zona de menor concentración (suelo) hacia la raíz. En suelos secos, incluso si se tiene un buen contenido de nutrientes, se dificulta la absorción de los iones, en primer lugar porque el estres fisiológico desacelera el metabolismo y, en segundo lugar, porque tanto la difusión, como el flujo de iones en el suelo es muy limitado, haciendo más largo y tortuoso el camino hacia la raíz. (fig 4).

Fig 4. Efecto de la humedad del suelo sobre la tortuosidad del camino a recorrer por el nutriente en solución. 

Los exhudados y metabolitos que libere el sistema radicular hacia la rizosfera inciden en la modificación del pH, en la solubilización de compuestos, y en la liberación de iones, para su posterior absorción de la zona pilífera y de allí al citoplasma de las células para el metabolismo. Gracias al proceso de respiración en las células vivas de las raíces se produce Dióxido de Carbono, el cual se combina con agua, liberando iones hidrogeno (H–), bicarbonatos y carbonatos (CO3–), los cuales pasan de la raíz al suelo circundante y allí se produce el intercambio de iones con los Cationes que están almacenados en el humus y las arcillas. Los cationes en solución se difunden desde una zona de mayor concentración como la matriz del suelo hacia una zona de menor concentración, como las raíces, donde son absorbidos. La pared celular tiene carga negativa y puede realizar directamente intercambio de cationes que están disponibles y que intercepta a medida que crece la raíz.  (Fig 5).

Fig 5. Interceptación radical de iones. 

El pH del suelo afecta la disponibilidad de algunos nutrientes, puesto que a pH ácido podemos disponer, por ejemplo, de Hierro, y Zinc, mientras que a pH básico podemos encontrar Potasio, Azufre, Cloro, Carbonatos de Calcio y Magnesio (fig 5). En suelos con valores de 3,5-5,0 se acumulan cantidades toxicas de iones de aluminio y manganeso que crean ambientes desfavorables alrededor de las raíces de las plantas, limitando la toma de potasio, calcio, magnesio y molibdeno. Procedimientos como el encalado reduce la disposición de iones de aluminio ya que se forman cationes de hidroxido de aluminio Al(OH)2 y AL(OH)3  los cuales al ser insolubles reducen la competencia con el potasio (k+) por sitios de absorción. No obstante el uso de cantidades altas de Cloruro de Potasio (KCl) en suelos ácidos, aumenta la salinidad y la concentración de elementos potencialmente tóxicos como el Aluminio y el Manganeso.

Fig 5. Disponibilidad de nutrientes según el pH del suelo (Castellanos, 2000). La disponibilidad de los nutrientes disminuye a medida que disminuye el ancho de las barras.

Una capacidad buffer alta significa que el suelo puede absorber más ácido y/o base sin cambios significativos en el pH. En general, los suelos arcillosos pueden amortiguar más que los arenosos y tienden a contener más la materia orgánica (Contexto, 2018). La capacidad buffer está determinada por componentes químicos del material madre y depende de la capacidad de fijación aniónica, de la CIC de la matriz de arcillas, y de la materia orgánica. El potencial de óxido-reducción gracias al cual  la movilidad de nutrientes es posible mediante reacciones químicas está condicionado por los microorganismos, la materia orgánica del suelo, el pH y la humedad.

Bibliografía

por Metroflor
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