QUÍMICA AGRÍCOLA

INTRODUCCIÓN

Lo que distingue a unos elementos químicos de otros es el número de protones que tienen sus átomos en el núcleo. Este número se llama Número atómico y se representa con la letra Z.

El Número másico nos indica el número total de partículas que hay en el núcleo, es decir, la suma de protones y neutrones. Se representa con la letra A y se sitúa como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento. Representa la masa del átomo medida en uma, ya que la de los electrones es tan pequeña que puede despreciarse.

Iones

Un ion se representa mediante el símbolo del elemento del que procede, con un superíndice a la derecha, que indica la carga que posee mediante un número y el signo + o el signo –.

Los cationes han perdido electrones en el número que indica la carga positiva. Por ejemplo, +3 indicará que ese átomo ha perdido 3 electrones.

Los aniones han ganado electrones, en el número que indica la carga negativa. Por ejemplo, -2 indicará que ese átomo ha ganado 2 electrones.

Isótopos

Todos los átomos de un elemento químico tienen el mismo número de protones, pero pueden diferenciarse en el número de neutrones.

Se llaman Isótopos los átomos que tienen el mismo número de protones y se diferencian en el número de neutrones. Por tanto, presentan el mismo número atómico (Z) y diferente número másico (A).

Los isótopos tienen masa diferente, ya que tienen distinto número de neutrones.

Para nombrarlos se indica su nombre seguido de su número másico; por ejemplo, sodio-23 (Na-23).

Generalidades

• Los elementos esenciales o nutrimentos para las plantas incluyen al carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), fósforo (P) y el potasio (K).
• La fertilidad de un suelo es medida en parte por la capacidad que este posee para retener y liberar un nutrimento que se encuentra en forma iónica. Esta capacidad se llama capacidad de intercambio catiónica (CIC), y es dominada por fuerzas intermoleculares de Van der Walls.
• Otro tipo de fuerzas que es medular para el conocimiento de los fenómenos y procesos diarios de la química agrícola, es la fuerza intermolecular denominada puente de hidrógeno, que es la fuerza que predice la formación de muchas mezclas homogéneas con el agua.

Fuerzas Intermoleculares

• Un puente de hidrógeno, es una fuerza intermolecular que se origina entre sustancias que poseen átomos de hidrógeno unidos mediante un enlace covalente a un átomo de oxígeno, nitrógeno o flúor y que se unen con otras moléculas que también poseen átomos de N, O y F. Es una especie de fuerza electrostática dipolo-dipolo de atracción entre moléculas polares, de mayor interés para la agricultura.
• Las fuerzas de Van der Walls son fuerzas electrostáticas intermoleculares que se producen por la presencia de cargas variables o permanentes, se reconocen las fuerzas del tipo dipolo-dipolo, dipolo inducido-dipolo y dipolo inducido-dipolo inducido (Dispersión de London). Estas fuerzas se generan como producto de la presencia de bordes rotos de arcillas, ionización de la materia orgánica y la ionización de superficies de sesquióxidos de hierro y aluminio.

Procesos aeróbicos y anaeróbicos

• El compostaje es un proceso “controlado” de descomposición biológica aeróbica. Es un proceso que se da de forma natural pero que es muy lento, por lo cual ha sido manipulado por el ser humano, mediante la regulación de condiciones como la temperatura, la humedad, el pH, la relación carbono: nitrógeno, la presencia de microorganismos que ejercen actividades metabólicas de descomposición (hongos, bacterias, actinomicetos, levaduras, protozoarios) y lombrices. Mediante el control de estas variables, se busca el aumento de la rapidez de descomposición de la materia orgánica.
• La metanogénesis es un proceso de descomposición que ocurre en ausencia de oxígeno de forma natural realizada por microorganismos, y en el que se resaltan tres etapas diferentes; una en la cual se da una fermentación para reducir los residuos a ácidos orgánicos de cadena larga, la segunda fase en que se generan dióxido de carbono y ácido acético, finalmente se da un proceso en el que se forma el metano a partir de los subproductos de la segunda fase.

QUÍMICA DEL AGUA: SISTEMA DE VIDA

El Agua

El agua presenta enlaces covalentes polares y estructura angular, con un ángulo de enlace de 104,5°.

El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, atrae con mayor fuerza a los electrones enlazantes, provocando una distribución desigual de la nube electrónica de la molécula de agua. Se genera un dipolo

Se establece una interacción intermolecular entre uno de los átomos de hidrógeno de una molécula de agua y el átomo de oxígeno de otra molécula de agua, formando un puente de hidrógeno

Se establece una interacción intermolecular entre uno de los átomos de hidrógeno de una molécula de agua y el átomo de oxígeno de otra molécula de agua, formando un puente de hidrógeno

Se pueden establecer puentes de hidrógeno entre moléculas que poseen N o F en su estructura, por cuanto ambos átomos son pequeños y electronegativos.

La solubilidad en agua de una molécula está determinada en forma primordial por su polaridad y por su capacidad para formar puentes de hidrógeno con ella.

Si el contenido de agua es excesivo, las moléculas del soluto se dispersan entre las de agua formando puentes de hidrogeno.

El agua pura se compone casi exclusivamente de moléculas de H₂O. Sin embargo, experimenta una disociación parcial que produce iones H⁺ y OH^– en muy bajas concentraciones, según la ecuación:

Cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales se establece el equilibrio:

V_directa = V_inversa

La expresión matemática que se utiliza para describir el equilibrio producto de la autoionización del agua es:

K_w = [H⁺] [OH^–]

A 25 °C K_w tiene un valor de 1,0 x 10^-4

Una disolución se considera neutra cuando [H⁺] = [OH^–]

Al aplicar la función p(x) = -log₁₀(x) a la concentración de H⁺, se obtiene la expresión del pH:

pH = -log₁₀[H⁺]

La escala de pH se utiliza para determinar la acidez o basicidad del agua y de las disoluciones acuosas

Al aplicar la función a la concentración de OH^–, se obtiene la expresión del pOH:

pOH = -log₁₀[OH^–]

Otras ecuaciones relacionadas son:

14 = pH + pOH

[H⁺] = 1 x 10^(-pH)

[OH^–] = 1 x 10^(-pOH)

pH

El control del pH del agua utilizada es fundamental ya que valores extremos (pH < 4 o pH > 10) podrían provocar la hidrólisis de algunos agroquímicos o solubilizar sustancias tóxicas que están fijadas en el suelo

Sales

Las sales son compuestos que resultan de la combinación de uno o más cationes con un anión.

Las sales en disolución experimentan dos procesos: disolución y cristalización.

Cuando ambos procesos se llevan a cabo con la misma rapidez, se establece un sistema en equilibrio.

A la disolución que se encuentra en equilibrio con el sólido cristalizado se le denomina disolución saturada.

Cuando una sal insoluble M_mX_n se coloca en agua, una pequeña porción de la misma se disocia y se difunde en el agua hasta alcanzar la saturación y establecer el equilibrio.

El concepto de solubilidad se refiere a la máxima cantidad de soluto que se disolverá en una cantidad dada de disolvente, a una temperatura específica. Para reportarla se utilizan dos formas:

La solubilidad: es la masa (en gramos) de soluto necesaria para preparar un litro de disolución saturada. Se expresa en unidades de g/L.

La solubilidad molar: es el número de moles de soluto necesario para preparar en un litro de una disolución saturada (mol/L).

Para estudiar el comportamiento de las sales insolubles se utiliza la constante del producto de solubilidad, que se le designa con la letra Kps.

Kps = [M^m+]ⁿ [Xⁿ⁺]^m

Donde:

[M^m+] es la concentración molar del catión

[X^n-] es la concentración molar del anión

En la formulación de fertilizantes se utiliza este principio de solubilidad, pues se deben utilizar sales muy solubles que no tengan asociado algún valor de kps y que eventualmente cristalicen y provoquen pérdidas económicas.

Cuando en un sistema las concentraciones de los iones participantes no corresponden a condiciones de equilibrio se utiliza el cociente de reacción denominado producto iónico (Q) y cuya expresión es similar a la utilizada para expresar la Kps.

Q = [M^m+]ⁿ [X^n-]^m

El producto iónico se puede utilizar para predecir si se formará o no un precipitado, de acuerdo con los siguientes criterios:

Si al mezclar dos disoluciones Q > Kps, se forma un precipitado.

Si al mezclar dos disoluciones Q < Kps, no se forma precipitado.

Si al mezclar dos disoluciones Q = Kps, la disolución está saturada y no se formará precipitado.

COMPLEJO COLOIDAL DEL SUELO

Clasificación de los coloides

Existen cuatro tipos de coloides del suelo:

1. Arcillas cristalinas silicatadas
2. Arcillas no cristalinas amorfas
3. Óxidos de hierro y aluminio (sesquióxidos)
4. Coloides orgánicos (humus).

Se puede simplificar esta división en dos clases fundamentalmente: coloides orgánicos (humus) e Inorgánicos (arcillas y óxidos). Las arcillas a su vez se pueden dividir 1) silíceas características casi cualquier condición, regiones áridas, tropicales y templadas, lo que varía es el tipo específico de arcilla, también se pueden encontrar a las 2) arcillas de óxidos hidratados de hierro y de aluminio, estas son más características de las regiones tropicales y semitropicales

La meteorización es un proceso natural irrevocable de colapso y evolución de las rocas y minerales en residuos no consolidados llamados “regolitos”, que quedan sobre la superficie de la tierra. También se puede concebir como el proceso de desintegración y descomposición de los materiales formadores del suelo, causados por agentes, químicos, físicos y biológicos, cuando los materiales (rocas y sus minerales) no están en equilibrio con la temperatura, la presión y la humedad en la interfase atmosfera-litosfera. (Alvarado 1985)

Unidades básicas de las estructuras de los silicatos

Estas unidades básicas son grupos de iones oxígeno, que, forman paquetes apretados, y encierran cationes en dimensiones adecuadas, que son geométricamente diferenciadas, a saber los tetraedros y los octaedros, comprenden los más importantes dentro de los filosilicatos. El silicio es normalmente el átomo central de los tetraedros, y el aluminio el átomo central en los octaedros, pero pueden variar según la condición química que prevalezca alrededor del silicato. En resumen las unidades básicas se pueden resumir en tetraedros, octaedros y cubos.

Algunas de las propiedades pertenecientes a los coloides son:

• Expansibilidad: algunas arcillas trimorficas tipo 2:1 pueden expandir sus espacios interlaminares
• Carga superficial: si el origen es por sustitución isomórfica o por carga variable.
• Capacidad de intercambio catiónico, según el origen de las cargas, positivas o negativas, así es la naturales del ión que se combine.
• Área de reacción: Se mide en m²/g > 1m²/g reaccionan bien, no es lo mismo área superficial que área de reacción.
• Tamaño de la partícula: menores tamaños permiten mayores áreas superficiales.
• Estructura del material: el origen humus, amorfo, cristalino o sesquióxido confiere diferencias importantes, tanto la el área efectiva de reacción, como para puntos de carga.

1. Entre los procesos químicos de más importancia, en los que interviene la materia orgánica del suelo (MOS), se pueden indicar los siguientes: Mineralización y suministro de nutrimentos (nitrógeno fósforo, azufre) y micronutrimentos para las plantas.
2. Reservorio de nutrimentos, en forma orgánica, por ejemplo el nitrógeno del suelo (N), se presenta en combinación orgánica y sólo una pequeña parte de ordinario del 1 al 3 % se presenta en formas inorgánicas (nítrica y amónica). Una cantidad considerable de fósforo y azufre existe también en formas orgánicas. Al descomponerse, la materia orgánica proporciona una fracción de los nutrimentos necesarios para las plantas, del mismo modo aporta algunas hormonas, alcaloides y antibióticos.
3. Actúa directamente sobre los fenómenos de absorción (son de particular importancia: la inactivación de plaguicidas, otras sustancias xenobióticas, además de nutrimentos como fósforo, y cobre).
4. Resistencia de los suelos contra cambios químicos rápidos de pH, causados por la adición de enmiendas o de fertilizantes, también conocido como capacidad buffer (estudiada en el capítulo 3).
5. Regula la capacidad de almacenamiento de agua, y mejora la infiltración a través del perfil del suelo.
6. Sirve como alimento para microorganismos con capacidad de fijar y mineralizar nutrimentos.
7. Mejora las propiedades físicas del suelo, disminuyendo el deterioro por compactación.
8. Regula la disponibilidad de nutrimentos principales y de elementos menores, mediante la formación de sustancias orgánicas que constituyen compuestos solubles, no iónicos. Estas sustancias llamadas quelatos son móviles en la solución del suelo y pueden ingresar a la planta posteriormente liberando los nutrimentos que forman parte de la estructura inicial.

SUSTANCIAS HÚMICAS DEL SUELO

Grupos funcionales más importantes de las moléculas

Las propiedades de intercambio iónico y ácido de las sustancias húmicas no sería posible, de no ser por los grupos funcionales, los cuales son los responsables de generar los sitios de intercambio iónico en el suelo y que hacen al humus participe de la red de intercambio iónica dentro del suelo. Se reconocen como grupos funcionales los grupos funcionales incluyen hidrófilo (OH^–), carboxilos (-COOH), fenólico (-C₆H₄OH) y amino (NH₂^–). De todos los anteriores, se destaca primordialmente al carboxilo, común en la mayoría de las estructuras orgánicas en antes y después de la humificación.

Grupo carboxilo: COOH es característico de los ácidos orgánicos, además es el más abundante, y el hidrógeno tiene la capacidad de ionizarse parcialmente (de desprenderse en medio acuoso), dejando el átomo de oxígeno cargado negativamente, siendo capaz de atraer cationes (iones de carga positiva). Proveen al humus de cargas negativas para atraer iones positivas, todos los nutrimentos con valencia positiva tal como Mg²⁺, Ca²⁺. K⁺.

Hidroxilos totales, en muchos casos se refiere a la suma de OH fenólicos y alcohólicos. En otras ocasiones se refiere a los grupos OH asociados con todos los grupos funcionales, tal como fenoles, alcoholes, enoles, y hidroquinonas, presentes en los ácidos húmicos.

El fenol, comprende un anillo hexagonal de seis carbonos (anillo de benceno) que presenta un grupo OH hidroxilo unido a un solo carbono por un enlace covalente. El hidrógeno del ión hidroxilo fenólico tiene una ligera tendencia a ionizarse, dejando un sitio cargado negativamente, por lo que se favorece la atracción de nutrimentos con carga positiva.

Hidroxilos fenólicos: son los OH presentes en los anillos de benceno, la cantidad se puede calcular por la diferencia entre totales y alcohólicos.

Hidroxilos alcohólicos: se calculan experimentalmente como miliequivalentes de acidez total menos los miliequivalentes debidas a los fenoles: mEq acides total = mEq OH total – mEq OH fenol.

Propiedades de las arcillas

Las cualidades fisicoquímicas del suelo están relacionadas con la cantidad y tipo de arcillas y con el humus de la materia orgánica.

Las arcillas tipo sesquioxidos poseen la capacidad de formar agregados llamados seudoarenas que confieren al suelo de excelentes propiedades físicas.

Arcillas trimorficas expansibles proveen al suelo de una mayor área superficial que permiten mayor zonas efectivas para el intercambio de cationes, por lo cual se asocian a suelos con mayor grado de fertilidad.

Las dos propiedades de más influencia en la reactividad de los suelos son el área superficial y la carga de las superficies, normalmente la carga del suelo es negativa.

El origen de las cargas son permanentes por la sustitución isomórfica, así como, de origen variable por la ionización de los grupos funcionales debido al cambio del pH

QUÍMICA DE LOS NUTRIMENTOS MAYORES Y MENORES

Salisbury y Ross (1992) mencionan que son dos los criterios principales por los que un elemento es esencial o no esencial para cualquier vegetal.

“En primer lugar, un elemento es esencial si el vegetal no puede completar su ciclo de vida (esto es, formar semillas viables) en ausencia de tal elemento. En segundo lugar, un elemento es esencial si forma parte de cualquier molécula o constituyente de la planta que es, en sí mismo, esencial para ésta, como el nitrógeno de las proteínas, o el magnesio de la clorofila”.

Todos estos elementos ingresan a la planta por medio de la raíz o las hojas mediadas por mecanismos fisiológicos en parte dependientes del cambio en el potencial iónico, por lo cual cargas eléctricas de los iones son importantes para su ingreso en la planta.

Nitrógeno, macronutrimento

NH₄⁺ y NO₃^–

Síntesis de Proteínas y de otros compuestos orgánicos.

Los compuestos sintetizados con base en el nitrógeno pueden formar hasta un 85% del volumen total del tejido de la planta.

Composición química del aire: 78% N, 21% O y 1% otros gases (CO₂, gases traza)

La genética de la planta controla el orden en que se unen esos aminoácidos, por lo tanto, el tipo de proteínas formado está controlado exclusivamente por factores genéticos así como de la cantidad de N disponible para la planta. Alrededor de 21 aminoácidos formados se combinan entre sí para formar las proteínas de la planta.

Los desechos orgánicos son objeto de numerosos procesos de transformación química y microbiológica, a través de los procesos microbianos de fijación del nitrógeno, se produce un enriquecimiento en el suelo y posteriormente una continua transformación desde las formas fijadas a formas disponibles para las plantas, y en dirección inversa, por lo cual se considera como un proceso dinámico del nitrógeno.

Procesos de entrada del Nitrógeno al suelo

• Fijación biológica (simbiótica y asimbiótica)
• Fijación no biológica (descargas e^–, industrial)
• Adición de materia orgánica (mineralización)
• Adición de fertilizantes

El nitrógeno posee distintas formas de interactuar con el ambiente, la fijación biológica puede ser simbiótica o asimbiótica, en donde el nitrógeno molecular es combinado para formar compuestos orgánicos, de tal forma que aumenta la concentración de nitrógeno orgánico en el suelo.

N₂ + 3H₂  2 NH₃ (catalizadores = nitrogenasa, cofactores = Fe, Mo)

NH₃ + ácidos orgánicos  aminoácidos  proteínas

En simbiosis, plantas como el maní, la soya, el frijol y la alfalfa, está regulada por cambios en el pH, la humedad, la temperatura, la concentración de B, P, Fe y Mo.

Por su lado la fijación asimbiótica, depende de microorganismos libres, como bacterias que no dependen del carbono de otros organismos, autótrofos como las algas azul-verdosas (Anabaena, Nostoc), encontradas sobre el follaje, la hojarasca, también, heterótrofas anaeróbicos (Clostridium), aeróbicos (Azotobacter y Beijerinckia).

Desnitrificación biológica

Bajo condiciones de anaerobiosis principalmente en suelos anegados (inundados), este proceso es mediado entre otros por microorganismos por Thiobacillus denitrificans, T. thioparus, Pseudomonas, Micrococcus

Desnitrificación química

Ocurre principalmente en suelos ácidos, donde se produce ácido nitroso. Las reacciones involucradas son las siguientes, (Alcantar y Trejo, 2007). Descomposición espontánea del ácido nitroso (dismutación)

Volatilización de amoniaco

Este fenómeno es favorecido en suelos alcalinos (calcáreos, o básicos con pH superior de 6,0), con baja humedad y alta temperatura

POTASIO, MACRONUTRIMENTO

Después de la deficiencia de N y la de P, la deficiencia más común en los suelos es la de K. Debido a la importancia de estos tres elementos, en el empaque de los fertilizantes comerciales se indican los porcentajes de N, P y K que contienen, aunque el fósforo y el potasio se expresan como porcentajes equivalentes de P₂O₅ y K₂O.

Las fuentes principales de K en el suelo son minerales primarios y secundarios, tales como las micas, los feldespatos, y arcillas como la ilita, muscuvita y la vermiculita pueden retener cantidades importantes de las formas disponibles del K.

Fijación: La fijación del potasio ocurre cuando el suelo contiene arcillas tipo 2:1 con sustitución isomórfica en tetraedros, las cuales son capaces de permitir este fenómeno.

Lixiviación: La pérdida de potasio a capas inferiores del perfil del suelo, fuera del alcance de las raíces, es un fenómeno especialmente importante en suelos arenosos, altamente permeables de regiones lluviosas

AZUFRE, NUTRIMENTO MEDIO

Dentro del suelo el azufre (S) se presenta de forma orgánica, e inorgánica. El anión sulfato (SO₄^2-), es la forma química activa del azufre, es la forma que representa al azufre inorgánico o mineral. El sulfato mantiene una estrecha relación con la actividad de los microorganismos del suelo, ya que estos organismos lo utilizan para incrementar la biomasa microbiana. Normalmente los suelos no carecen de las concentraciones necesarias de azufre para el desarrollo de muchas plantas y de microorganismos, una vez que mueren las plantas y microorganismos, se vuelve a liberar el sulfato hacia la solución del suelo.

MAGNESIO, NUTRIMENTO MEDIO

El magnesio forma parte del denominado grupo de las bases del suelo y cumple una función notable en la formación de compuestos químicos muy activos dentro de la planta, responsables de la regulación de procesos como la respiración y la fotosíntesis.

Las principales formas del Mg en el suelo, son el Mg mineral, el Mg de la solución del suelo y el Mg intercambiable. En el suelo compite por los sitios de intercambio con el calcio, con el potasio y con los iones responsables de la acidez. Este nutrimento está directamente relacionado con la capacidad amortiguadora del suelo (capacidad buffer), ante la acidificación.

Además de su presencia en la clorofila, el magnesio es esencial porque se combina con el ATP (adenosin trifosfato), activa muchas enzimas necesarias en la fotosíntesis, respiración y la formación del ADN (ácido desoxirribonucleico) y del ARN (ácido ribonucleico).

CALCIO, NUTRIMENTO MEDIO

El calcio es un elemento que pertenece al grupo 2A de los elementos representativos, por lo que solamente presenta valencia 2+. El Ca²⁺ es parte del sobresaliente grupo de las bases del suelo, es el ión intercambiable dominante en la mayoría de los suelos (Barber 1984). Como en otros nutrimentos, existe calcio intercambiable que mantiene equilibrio con el calcio de la solución del suelo, del mismo modo se presenta el calcio nativo o mineral, presente en los minerales primarios.

El calcio en el suelo se encuentra presente en muchos minerales comunes, como calcita (CaCO₃), dolomita (CaCO₃ MgCO₃), apatitas y feldespatos cálcicos, tales como anortita (CaO Al₂O₃ 2SiO₂, CaAl₂Si₂O₈), andesita (CaO Na₂O) Al₂O₃ 4SiO₂ y labradorita (CaAl₂Si₂O₈) que al estar a la intemperie liberan calcio (Alcántar y Trejo, 2007).

Las plantas absorben el calcio como ión Ca²⁺ (divalente), dicha absorción es disminuida por la presencia de iones K⁺, Mg²⁺ y NH₄⁺ en la solución del suelo. Por ello, se recomiendan relaciones Ca/K y Ca/Mg, que deben estar entre 5-25 y 2-5 respectivamente. Incluso cuando la concentración de Ca²⁺ sea alta, altas concentraciones de Mg²⁺ o Al³⁺ pueden repeler la absorción de Ca²⁺ por la planta (Bohn et al 1979).

Las deficiencias de calcio suelen presentarse en suelos derivados de rocas serpentinitas ricas en Mg, o altamente acidificadas y saturados con Al³⁺, o en suelos en donde la precipitación es dominante.

Altas concentraciones de Ca²⁺ en el suelo indican un pH casi neutral, lo cual favorece a plantas y microorganismos porque refleja bajas concentraciones de otros iones perjudiciales como el Al³⁺, típico de suelos ácidos.(Bohn et al 1979)

OLIGOELEMENTOS, MICRONUTRIMENTOS

HIERRO

El hierro (Fe) es un elemento perteneciente a los elementos llamados metales en transición, el Fe²⁺ es esencial para tres enzimas que catalizan reacciones para la síntesis de clorofila y para numerosas proteínas que acarrean electrones durante la fotosíntesis y la respiración. Cumple la función del transporte de electrones en las plantas, tal como lo hacen el cinc, cobre y manganeso.

La planta lo absorbe principalmente como hierro amorfo o hidróxido de hierro (III) (Fe(OH)₃) (Barber, 1984). El exceso de Cu, Mn, Zn, Ni puede ocasionar deficiencias de hierro por antagonismo en su absorción por las plantas, o por sustitución inútil por parte de estos elementos en los grupos enzimáticos donde el hierro es necesario, inactivando los grupos enzimáticos (Alcántar y Trejo, 2007).

La disponibilidad del hierro decrece a medida que se eleva el pH del suelo. Su solubilidad es mayor en pH ácidos y sus deficiencias son comunes en suelos alcalinos. Un comportamiento semejante muestran los otros micronutrimentos clasificados como metales pesados (Mn, Cu, Zn).

MANGANESO

El manganeso (Mn) es un metal de transición, al igual que el hierro, pero en menor grado depende del estado reductor del suelo, ya que es sensible a las reacciones de oxidación y reducción.

El contenido de manganeso en los suelos varía entre 200 a 300 mg.kg^-1, se encuentra en la solución del suelo, combinado en estructuras orgánicas y también en forma de óxidos de Mn. La forma divalente Mn²⁺ es común en pH inferiores a 6,5.

Los factores que afectan la disponibilidad de Mn en suelo son: (Alcántar y Trejo, 2007).

1. Materia orgánica, relación del suelo con el pH.
2. Altos valores de pH favorecen la oxidación química y bacteriana del Mn, disminuyendo su rendimiento o utilización).
3. Humedad del suelo.

CLORO

El cloro se absorbe del suelo en forma de anión cloruro (Cl^–) y en la mayor parte permanece en esta forma; no obstante, se han detectado más de 130 compuestos orgánicos en el reino vegetal que contiene cloro en cantidades de trazas.

ZINC

El zinc se absorbe como catión divalente Zn²⁺, y también como quelato. El cinc participa en la formación de la clorofila e impide su destrucción, al activar las enzimas necesarias para este proceso.

El contenido total del zinc en el suelo va de 10 a 300 mg.kg^-1. Su forma aprovechable en el suelo es la de Zn²⁺ (Alcántar y Trejo, 2007). La disponibilidad del Zn disminuye con el aumento del pH. El carbonato de calcio también reduce fuertemente su disponibilidad, como consecuencia de amplias aplicaciones de abonos fosfatados, los que inmovilizan al Zn²⁺ (Bornemisza p394).

BORO

El boro es absorbido de los suelos casi por completo como acido bórico sin disociar (H₃BO₃) (Alcántar y Trejo, 2007., Salisbury y Ross, 1992).

COBRE

La concentración de Cu total en los suelos varía de 2 a 200 mg.kg^-1 y la mayor parte se encuentra atrapada en la materia orgánica (MO), formando complejos más estables cada vez que exista más nitrógeno y azufre disponible. Una pequeña fracción se encuentra como Cu²⁺ intercambiable.

La disponibilidad del cobre depende entre otros factores, del contenido de materia orgánica, del pH del suelo, y de la presencia de otros iones.

Aunque la actividad del Cu²⁺ decrece al aumentar el pH en soluciones puras, y a pesar de que el cobre agregado a los suelos minerales es más difícil de extraer mientras más alto es el pH, en la práctica las deficiencias más comunes se manifiestan en los suelos orgánicos ácidos y la absorción del cobre se reduce al aumentar el aluminio en la solución del suelo (Alcántar y Trejo, 2007).

MOLIBDENO

El molibdeno es el nutrimento más escaso en la naturaleza, existe en los suelos en gran medida como sales de molibdato (MoO₄^2-) y como MoS₂ (Salisbury y Ross, 1992, Fassbender y Bornemisza, 1987). El aprovechamiento del molibdeno (Mo) aumenta al elevarse el pH por el reemplazo del H⁺ por OH^– en el complejo de intercambio, o por el reemplazo de las formas Mo₂O₅ y MoO₂ insolubles a MoO₃ que después pasa a molibdato insoluble. (Alcántar y Trejo, 2007, Barber 1984). Su absorción muestra semejanza con la del boro (Fassbender y Bornemisza, 1987).

ACIDEZ Y ENCALADO DEL SUELO

Acidez: Definición

Es una propiedad química que regula la disponibilidad e inmovilidad de nutrimentos en el suelo y altera el crecimiento de las plantas

• Determina la inmovilidad de contaminantes como metales pesados.
• Capacidad de hidrólisis sobre los agroquímicos.
• Define tipo de poblaciones microbianas

Sirve para determinar el grado de acidez o basicidad del suelo y de cualquier otra disolución

Clasificación de la acidez del suelo

Acidez activa

Concentración de H⁺ en la disolución del suelo.

Se determina al medir el pH del suelo mediante la saturación de agua destilada.

Sirve para determinar la necesidad de encalado del suelo.

Acidez pasiva (potencial de reserva)

Iones de H⁺ que pueden ser liberados por materiales del suelo cuando se remueven los iones H⁺ de la disolución.

Formas de acidez presentes en el suelo

• Materia orgánica (MOS)
• Óxidos
• Sesquióxidos de hierro y aluminio (R₂O₃)
• Arcillas

Hidrólisis del agua por presencia de cationes en disolución resultado de adición de fertilizantes, especialmente el ion Al³⁺

La reacción ácida de fertilizantes se da por la nitratación del amonio

Acidez extraíble

• Puede medirse en el laboratorio mediante la extracción del suelo con acetato de amonio neutro (pH 7).
• Esta acidez representa la presencia de iones H+ y Al3+.
• Elevadas concentraciones de Al3+ Mn5+ y Fe3+ son fitotóxicos.
• Suelos orgánicos con mayores concentraciones de MOS provoca inactivación de Al3+
• A pH mayores a 6 favorece formación de hidróxidos amorfos de Al que son insolubles.

Causas de acidez en el suelo

Acidificación progresiva

• Suelos tropicales húmedos
• Remplazo paulatino de de las bases cambiables (Ca2+, Mg2+, K+ y Na+) por iones H+ y Al3+.

Una mayor concentración de los iones básicos corresponde a condiciones óptimas para el crecimiento de las plantas (las bases del suelo intercambiables (K+, Ca2+ y Mg2+)

Sumatoria de bases

Es igual a la suma de la concentración de K, Mg y Ca expresado en cmol(+).L-1.

El valor crítico aceptado para la suma de bases es de 5,0 cmol(+).L-1

Sitios de intercambio iónico

Son lugares microscópicos ubicados en la materia orgánica, en las arcillas, en los óxidos de hierro y aluminio. Frecuentemente son de carga negativa por lo que atraen a los cationes (carga positiva) como el ión calcio, el ión magnesio y el ión potasio, entre otros.

Las bases se reemplazan en los sitios de intercambio por:

• Sustitución por iones H+ y Al3+
• Absorción de cultivos
• Lixiviación

Fuentes permanentes de acidez

Exudados radicales: aumentan la concentración de ácidos orgánicos.

Mineralización de la materia orgánica y el humus: liberan iones H+ por presencia de grupos funcionales:

Carboxílicos (COOH)

Hidróxidos (OH)

Aminos (NH2)

Nitratación de fertilizantes amoniacales:

Fertilizantes de reacción ácida

Proceso ejercido por bacterias que transforman amonio a ión nitrito

Capacidad amortiguadora del suelo

Capacidad del suelo para resistir cambios bruscos de pH debido a la adición de iones H+ o OH-

• Los procesos de acidificación del suelo son siempre constantes  (pH bajos)
• Se añaden materiales encalantes para neutralizar acidez (subir pH).
• El material encalante se pierde con el tiempo, por eso debe realizarse en forma periódica.

Materiales encalantes

Son los óxidos, hidróxidos, carbonatos y los silicatos de calcio y magnesio. Además de esos cationes, los aniones acompañantes deben reducir la actividad del H+ y por ende la actividad del Al3+ en la solución del suelo

En la aplicación se debe considerar:

Acidez extraíble

Capacidad amortiguadora definida por: Materia orgánica (MOS), Sesquióxidos de hierro y aluminio (R2O3) y Arcillas

Carbonato de calcio equivalente

Conocido como CCE, por sus siglas, es el patrón de referencia comúnmente utilizado para comparar la capacidad de neutralización de un material encalante contra otro.

 El patrón de referencia es el CaCO3 “puro” que tiene una equivalencia química del 100%.

Otros materiales pueden poseer un equivalente superior al 100% (como las dolomitas con un 109%), y otros con menores porcentajes como los silicatos de calcio (con un 86%).

Necesidad de encalado

• Conocer acidez tolerable del cultivo.
• Análisis de pH
• Capacidad catiónica efectiva
• Acidez extraíble
• Contenido de Ca y Mg

Calidad de material encalante

• Poder relativo de neutralización
• Equivalencia del CaCO3
• Granulometría (menor tamaño mayor velocidad de reacción).
• Al menos 80% de grano fino que pase por un malla 60 de mesh

COMPOSICION QUIMICA DE LA ESTRUCTURA DE LAS PLANTAS Y EL PROCESO DE DEGRADACION BIOQUÍMICA

FOTOSÍNTESIS

La fotosíntesis consiste de dos procesos elementales:

• Uno que utiliza la luz para producir metabolitos altamente energéticos
• Otro que emplea los metabolitos de la primera fase, fija dióxido de carbono (CO2) del aire, y sintetiza carbohidratos

El primer proceso se conoce como “fase de las reacciones luminosas”, donde los iones hidrógeno (H+) derivados del agua se utilizan en la síntesis química de ATP a partir de ADP y Pi.

H2O + ADP + Pi + NDP+     →    O2 + ATP +   NADPH   + H+

En el segundo proceso ocurre la fijación del dióxido de carbono y se emplea el NADPH producido durante la primera etapa, se le conoce como “reacciones de fase oscura”.

CO2 +   ATP +   NADPH + H+ →     (CH2O)   + ADP + Pi   + NADP+

La ecuación general de la fotosíntesis resulta de combinar las dos ecuaciones anteriores. En ella y dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) son los reactantes, en tanto los productos son oxígeno (O2) y carbohidratos (representados como CH2O):

CO2 +   H2O →   (CH2O)   + O2

Los cloroplastos en las hojas, están formados por granas y tilacoides, estos últimos contienen los pigmentos que absorben la energía del sol.

En la primera fase de la fotosíntesis funcionan dos grupos independientes de pigmentos (fotosistemas), cuya función radica en capturar la luz y producir energía.

Las longitudes de onda largas (de menor energía) son absorbidas por el fotosistema I (PS-1).

Las longitudes de onda cortas (absorción máxima de 680 nm (P680)), son absorbidas por el fotosistema II (PS-2)

Ambos fotosistemas trabajan simultáneamente.

La NAD+ (nicotinamida adenina dinucleótido) y la NADP+ (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato) son nucleótidos.

La segunda fase de la fotosíntesis ocurre en el estroma; se llama “ciclo reductor de pentosas fosfatos” (ciclo RPP), vía del C3 a carbohidratos (porque como intermediario fotosintético se producen moléculas con tres carbonos), o comúnmente conocida como ciclo de Calvin-Benson o Calvin-Bassham

Mecanismos alternos al ciclo RPP

• Plantas como las Poaceae, Chenopodiaceae, Euphorbiaceae, Asteraceae, además de cultivos como sorgo y amaranto, en zonas calientes y secas, muestran un alterno que se conoce como “fotosíntesis C-4”.
• Tal mecanismo ocurre en el mesofilo de la hoja; mediante la resistencia estomática consumen menos agua para asimilar el CO2.
• El rendimiento de agua en gramos de agua por gramo de materia seca para una planta C-3 es de 450-950 mm para una planta C-4 es de 250-350 mm.
• Otro tipo de fotosíntesis es el tipo MAC (metabolismo ácido de las crasuláceas).
• Se ha encontrado en plantas como Aizoaceae, Cactaceae, Crassulaceae, Cucurbitaceae, Geraniaceae, Liliaceae, Portulacaceae, Cactáceas y Bromelias, como por ejemplo la piña.
• Este mecanismo es parecido al C-4, la fijación del CO2 sobre el fosfoenilpiruvato catalizada por la fosfoenilpiruvatocarboxilasa, ocurre durante la noche cuando se abren las estomas.

CARBOHIDRATOS

Los carbohidratos corresponden a unidades simples de C, H y O, capaces de formar polímeros (largas cadenas) y azúcares (sacáridos).

OLIGOSACARIDOS

Los oligosacáridos carbohidratos de hasta 20 unidades de monosacáridos. La unión de los monosacáridos tiene lugar mediante enlaces glicosídicos. Los más abundantes son los disacáridos, formados por dos monosacáridos.

La orientación del enlace glucosídico resulta en dos posibles posiciones: alfa (α) o beta (β) si la orientación del grupo OH es hacia abajo o hacia arriba del plano, respectivamente.

POLISACARIDOS

• El almidón no es una sustancia sino una mezcla de dos sustancias llamadas amilosa y amilopectina
• La proporción de ambas sustancias en el almidón varía de especie en especie, e incluso dentro de la misma planta (se acumula en los amiloplastos de las plantas).
• El almidón sirve como reserva energética de las plantas. Es rápidamente transformado en glucosa (su monosacárido precursor), para mantener múltiples procesos metabólicos que requieren energía y carbono
• La celulosa es el polímero estructural más abundante y básico en los tejidos vegetales fibrosos y leñosos.
• Es el constituyente principal de la pared celular en las plantas.
• Es considerado por algunos como el polímero más abundante en la biosfera.
• La celulosa es un polisacárido formado por monómeros de glucosa (más de 500 por molécula) unidos mediante enlaces 1,4 β-glucosídicos

Los microorganismos capaces de degradar la celulosa se encuentran en el rumen del ganado, dentro del estomago de las termitas, algunos hongos y bacterias poseen el complejo enzimático especifico para hidrolizar a la celulosa conocido como “celulosomas”.

PROTEINAS

• Las proteínas son cadenas de compuestos más simples llamados aminoácidos.
• Cumplen una función estructural en las  plantas y los microorganismos.
• Todas las membranas celulares son fundamentalmente agregados de lípidos y proteínas con una organización determinada

Todos los aminoácidos son α–aminoácidos, reciben este nombre debido a que poseen un grupo carboxilo (COOH) “ácido” y un grupo amino (NH2), ambos unidos a un mismo átomo de carbono que se encuentra en posición alfa con relación al primer carbono.

Virtualmente, cualquier compuesto NH2-CHR-COOH es un aminoácido, pero sólo 20 de estos compuestos son aminoácidos proteicos, es decir, los aminoácidos que forman cualquiera de las proteínas.

Los aminoácidos son moléculas con un “centro quiral” (carbono central que posee grupos sustituyentes diferentes alrededor de él) lo cual genera dos posibles orientaciones de los grupos sustituyentes en el espacio L y D. Los aminoácidos presentes en las proteínas naturales corresponden a la configuración L.

Las proteínas se forman por condensación de aminoácidos. La polimerización se basa en la formación de enlaces amida entre el grupo α-amino de un aminoácido y el α-carboxilo de otro, con la consiguiente liberación de una molécula de agua.

No todas las proteínas realizan funciones estructurales dentro de las paredes celulares y las membranas. Existe otra clase de proteínas que actúan sobre un sustrato específico, denominadas enzimas.

Las enzimas reciben el nombre por la reacción que catalizan:

La enzima se puede entender como la unión de una gran proteína (una apoenzima) con un cofactor, que puede ser un ión de un metal como el cobre, manganeso, hierro, entre otros; la apoenzima por sí sola no tiene funcionalidad en ausencia del cofactor.

OTROS POLIMEROS

Los levanos son parte de la reserva de algunas plantas, constituidos por unidades de fructosa (polifructosanos), constituyen el 12-15 % del peso seco de algunas gramíneas

Las hemicelulosas forman parte del soporte de las plantas o del complejo de almacenamiento, son heteropolisacáridos, o sea polímeros compuestos por más de un tipo de monómero. Los xilanos son cadenas de 30 a 100 unidades de β-D-xilopiranosa con enlaces 1,4-glicosídicos, son cadenas lineales y representa el principal componente de la hemicelulosa.

La lignina es un polímero fenólico más complejo que el almidón, la celulosa y la hemicelulosa.

No está formado por monómeros dispuestos de forma regular, sino por una combinación casi aleatoria de derivados del fenilpropano. La complejidad resulta del gran número de diferentes enlaces que unen entre los monolignoles: alcohol p-cumaríco, alcohol coniferílico y alcohol sinapílico.

Su degradación está controlada principalmente por hongos y ocurre en presencia de oxígeno y glucosa.

COMPOSTAJE

El compostaje es una degradación biológica aeróbica y “controlada”, que requiere de la presencia de materia orgánica, de oxígeno, agua, glucosa, nutrientes (nitrógeno, fósforo, además iones metálicos que funcionen como cofactores) y enzimas.

Al iniciar el calentamiento de la pila, los microorganismos utilizan como sustrato los compuestos más fácilmente degradables (azucares, almidones, grasas). Luego de la etapa de calentamiento, se da el enfriamiento de la pila, en este momento los sustratos son colonizados por hongos que degradan las hemicelulosas, celulosas y ligninas.

Después de estas etapas, el material puede ser colonizado por animales de mayor tamaño tal como gusanos, para la generación de vermicompost

METANOGENESIS

Consiste en la generación de metano (CH4) a partir de un proceso de degradación completamente anaeróbico (en ausencia de oxígeno).

Este proceso ocurre de forma natural en el tracto digestivo de rumiantes y termitas, en pantanos y en los mares, además ocurre en arrozales anegados y en biodigestores.

La producción de CH4 ocurre en tres fases; durante la primera fase un grupo de microorganismos secretan enzimas especializadas en hidrolizar los biopolímeros hasta sus  monómeros constituyentes.

Durante la primera fase, la celulosa es hidrolizada por celulasas, el almidón por amilasas, las pectinas por pectinasas, las proteínas por proteasas y los lípidos lipasas.

En la fase 2 las bacterias acetogénicas, productoras de H2, transforman los ácidos grasos volátiles en acido acético, hidrógeno molecular (H2) y acido carbónico (H2CO3).

En la fase 3, las bacterias metanogénicas producen el CO2 a partir de H2CO3, metano (CH4) y más ácido carbónico (H2CO3).