Lección 3. Características de los suelos: físicas, químicas y biológicas.

El suelo es algo más que la superficie donde sembramos las plantas y donde se construyen los edificios, el suelo es un sistema dinámico, un sistema vivo con muchos componentes de tipo físico, químico y biológico, en cuyo interior todos los detalles de su composición afectan y son afectados por el entorno y en el cual todos los componentes interactúan para mantener un equilibrio dinámico. A continuación se nombraran secuencialmente y en negrilla las propiedades físicas, químicas y biológicas más importantes.

La porosidad corresponde a los espacios del suelo llenos de aire y/o agua. Los macroporos no retienen el agua contra la fuerza de la gravedad, y por lo tanto son los responsables del drenaje y la aereación del suelo; los microporos son los que retienen agua, parte de la cual es disponible para las plantas. La porosidad total o espacio poroso del suelo, es la suma de macroporos y microporos. Las características del espacio poroso, dependen de la textura y la estructura del suelo (Rucks, García, Kaplán, Ponce De León, & Hill, 2004).

La textura es la proporción de arena, limo y arcilla. Se dice que un suelo tiene una buena textura cuando la proporción de los elementos que lo constituyen le dan la posibilidad de ser un soporte capaz de favorecer la fijación del sistema radicular de las plantas y su nutrición. Cuando en la textura domina la fracción arcilla, en la porosidad total del suelo hay muchos más micro-poros que cuando domina la fracción arena. Lo anterior se comprende claramente, si se piensa que entre las microscópicas partículas de arcilla los espacios son pequeños; en cambio entre las partículas de arena los poros son mayores (Rucks et al., 2004).

La textura tiene un impacto directo sobre las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo, ya que la mayoría de los procesos de bioremediación la realizan los microorganismos y la actividad de estos predomina en las arcillas, y por consiguiente influye en las tecnologías de remediación (Pellini, 2006).

La estructura del suelo es el arreglo de las partículas del suelo, siendo las partículas, no solo la arena, limo y arcilla, sino también los agregados o elementos estructurales que se forman por la agregación de las fracciones granulométricas (Rucks et al., 2004). En la Figura 1 se muestran algunos tipos de estructura; la estructura granular o migajosa presenta unidades esféricas o casi esféricas, con bordes y caras más o menos redondeados. Los contactos entre estas unidades se dan en pocos puntos y queda mucho espacio entre ellos. Si las unidades mayores son «desarmadas», se ve que están compuestas por unidades más pequeñas que poseen las mismas características. Se desprende de lo anterior que las partículas secundarias tienen porosidad interna – cosa que no ocurre en los granos de arena (Rucks et al., 2004).

Figura 1: Algunos tipos de estructura de suelo.

A. Prismática, B. Columnar, C. Bloques angulares, D. Bloques subangulares, E. Laminar, F. Granular (Rucks et al., 2004).

La permeabilidad es la facilidad o dificultad con la que un líquido puede fluir a través de un medio permeable. La permeabilidad de un suelo es uno de los factores que controla la efectividad de tecnologías in-situ. En general, una baja permeabilidad en el suelo disminuye la efectividad de la mayoría de las tecnologías de remediación (Pellini, 2006).

La temperatura es uno de los factores ambientales más importantes que afecta la actividad metabólica de los microorganismos y la tasa de biodegradación. Generalmente, las especies microbianas crecen a intervalos de temperatura entre 20 y 30 ºC, decreciendo la biodegradación por desnaturalización de las enzimas a temperaturas superiores a 40 ºC e inhibiéndose a inferiores a 0ºC. Aunque en general la velocidad de degradación aumenta con la temperatura, alcanzando en el compostaje los 65oC (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008; Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).

El carbono es la fuente principal de alimento y se relaciona con casi todas las propiedades edáficas, generalmente se le conoce como materia orgánica y generalmente es el contaminante; un artículo muy completo que relaciona el carbono orgánico con las propiedades del suelo fue publicado por Martínez H, Fuentes E, & Acevedo H. (2008).

Entre los macro-elementos o elementos que deben estar en grandes cantidades para el desarrollo normal de las plantas y microorganismos están el fósforo y el nitrógeno, el primero de los cuales se suele fijar a los suelos, mientras el segundo generalmente es bastante abundante en el suelo. Ambos elementos son importantes por formar parte de todos los tejidos de microorganismos y plantas. La dosificación de nitrógeno y fósforo se realiza en función de la concentración del contaminante C:N:P (100:10:1)(Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009). La fuente de fósforo interviene en la formación de compuestos energéticos (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008).

Otros nutrientes esenciales como el Ca2+, Na+, Fe2+ y SO42- están presentes en cantidades suficientes en el suelo; mientras que el calcio, magnesio, potasio, titanio, manganeso, sodio, níquel y azufre se presentan en pequeñas cantidades. Además es importante destacar que la acción de los nutrientes inorgánicos puede estar limitada debido a la interacción química con los minerales del suelo (el amonio se puede unir a las arcillas por intercambio catiónico y el fosfato puede unirse y precipitar con iones calcio, hierro y aluminio) (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).

El pH es importante para el desarrollo de los organismos degradadores. En consecuencia, cuanto mayor sea la diversidad de microorganismos existentes, potencialmente mayor será el rango de tolerancia. No existen unas condiciones preestablecidas que sean óptimas en todos los casos; en general, el pH óptimo para las bacterias heterótrofas es neutro (pH 6-8), mientras que es más ácido para los hongos (pH 4-5). El pH óptimo establecido para procesos de biodegradación es neutro (pH 7,4-7,8) (Dible & Bartha, 1979; Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008). Así mismo el pH también afecta directamente en la solubilidad del fósforo y en el transporte de metales pesados en el suelo, entre más ácido el suelo, mas soluble es el fósforo (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009). El pH también influye en la disponibilidad de los denominados metales pesados (Figura 2).

Figura 2: Movilidad de iones de acuerdo al pH del suelo.

(http://reformaminera.files.wordpress.com/2008/05/metales-pesados.pdf)

La humedad es el contenido de agua en el suelo, es importante ya que actúa como medio de transporte de nutrientes y oxigeno a la célula y es parte del protoplasma microbiano, un exceso de humedad produce deficiencia de oxígeno, un déficit impide el desarrollo de los microorganismos (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008). La humedad del suelo puede limitar de forma severa la biodegradación, fundamentalmente en suelos superficiales afectados por oscilaciones importantes en el contenido de agua. No obstante el nivel óptimo de humedad depende de las propiedades de cada suelo y el tipo de contaminación (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).

Los metales y sales en altas concentraciones intoxican a los microorganismos. En el caso de los metales se puede aumentar el pH para inmovilizar el metal. Si se tienen suelos muy contaminados con metales o sales se debería diluir con suelo limpio para reducir la concentración (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008).

El oxígeno en el suelo no es continuo y está localizado en los poros separados por los sólidos, este aire tiene generalmente una humedad más alta que la de la atmósfera. El contenido de anhídrido carbónico (CO) es por lo general más alto y el del oxígeno más bajo que los hallados en la atmósfera. La mayor parte de los contaminantes son degradados con mayor extensión y rapidez de forma aeróbica (O2 como aceptor final de electrones), ya que en ausencia de O2, y en presencia de aceptores de electrones alternativos (NO3-, SO42-, CO2, Mn4+ y Fe3+) los contaminantes pueden ser degradados, pero con unas tasas de biodegradación muy inferiores a las aeróbicas (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).

La diversidad de microorganismos ayuda a que exista un mayor potencial de degradación de sustancias tóxicas, bien sea por la producción de enzimas o biosurfractantes o por la presencia de proteínas de superficie (moléculas de adhesión, receptores y/o transportadores de contaminantes) que puedan facilitar la degradación de los contaminantes. Suelos con mayor diversidad de organismos es más factible que se pueda desarrollar el proceso de bioremediación más fácilmente en forma natural. Aunque la porción de los organismos vivos solamente ocupan un 1% del suelo, son los responsables en la mayoría de los casos de los procesos de biodegradación en todo el suelo.

Entre los organismos a los que se ha encontrado propiedades de degradación de contaminantes se encuentran hongos macroscópicos y microscópicos, bacterias, algas, micobacterias y plantas, y la presencia de uno no impide la presencia de otros, incluso en ocasiones trabajan de manera sinergística; de tal manera que el trabajo conjunto puede ser más eficiente que el trabajo de un solo organismo, como suele suceder con plantas y microorganismos a nivel de raíz, por lo tanto entre más diverso sea un sistema, mayor posibilidad tiene de degradar diversos contaminantes.

Finalmente, es importante resaltar las propiedades emergentes del sistema suelo, las cuales son producto de las interacciones entre todos sus componentes, entre estas propiedades emergentes se encuentran la capacidad de bioremediación, biosorción o la capacidad de resiliencia o resistencia ante impactos externos.