Browsing by Subject "Regiones áridas"

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    Dynamics of carbon in degraded semiarid soils : effects of organic amendments and associated soil microbial communities= Dinámica del carbono en suelos degradados de zonas semiáridas: implicación de enmiendas orgánicas y comunidades microbianas asociadas
    (2015-10-05) Torres Bocero, Irene Florentina; García Izquierdo, Carlos Javier; Bastida López, Felipe; Facultad de Biología
    El suelo desempeña funciones de gran importancia para el sustento de la vida en este planeta pero la desertificación producida en el mismo, en las zonas áridas o semiáridas, repercute notoriamente en una abundante pérdida de materia orgánica, y por tanto de carbono orgánico, la cual afecta negativamente a la calidad y la sostenibilidad del suelo. La recuperación del carbono orgánico del suelo hacia unos valores umbrales suficientes para poder gestionar sus funciones básicas es de vital importancia. Por este motivo, la presente Tesis Doctoral tiene como Objetivo entender el ciclo del carbono en suelos semiáridos y el desarrollo de estrategias para la restauración de estos suelos. Para ello nos hemos centrado particularmente en la capacidad que presenta este tipo de suelo para responder a fuentes de carbono exógenas derivadas de residuos vegetales, el papel que desempeña la comunidad microbiana en la degradación de estas fuentes de carbono, y su relación con los ciclos biogeoquímicos de los elementos importantes (C, N y P), con particular incidencia en el del carbono. Se maneja como Hipótesis general de trabajo de esta Tesis Doctoral el hecho de que las comunidades microbianas de suelos áridos y semiáridos tienen una limitada capacidad para el procesamiento de sustratos carbonados, a consecuencia del escaso contenido en materia orgánica que presentan habitualmente estos suelos. Con el objetivo de obtener una información completa sobre la dinámica del carbono orgánico y las enmiendas orgánicas de origen vegetal en relación con las poblaciones microbianas asociadas a su procesamiento, se abordan experimentos en condiciones controladas de laboratorio y campo. La primera parte de la Tesis (Capítulos 1, 2 y 3) se realizó en condiciones controladas de laboratorio, mediante la utilización de tres moléculas de origen vegetal de distinta complejidad: glucosa, celulosa y lignina; dichas moléculas son parte fundamental de los propios restos vegetales que entran al suelo de forma natural. Estas moléculas se utilizaron en su forma enriquecida en 13C (isótopo estable del carbono) con el objetivo de trazar a alta resolución la dinámica de estas materias orgánicas y las poblaciones microbianas implicadas en su procesamiento. En estos experimentos se aplicaron, entre otras, técnicas basadas en el análisis de la composición isotópica del CO2, fracciones hidrosolubles de C, y de sustancias húmicas, así como la composición isotópica de ácidos grasos (PLFA-SIP). Mediante este conjunto de técnicas se pudo trazar exhaustivamente el ciclo del C, evaluando su persistencia, mineralización y las poblaciones microbianas asociadas con la dinámica de estas moléculas. La segunda parte de la Tesis (Capítulos 4 y 5) se realizó a nivel de campo, lo cual representa un escenario real para el estudio de la restauración de suelos. En el Capítulo 4, se evaluó el efecto a largo plazo de enmiendas orgánicas de origen vegetal (residuos de poda fresco y compostado) y de su dosis (150 y 300 t ha-1) en las propiedades químicas, bioquímicas y microbiológicas de un suelo semiárido. Para ello se emplearon diferentes técnicas para medir los cambios en la actividad microbiana después de la adición de la materia orgánica, así como el análisis de ácidos grasos fosfolípidos y el perfil fisiológico de las comunidades microbianas para estudiar los cambios en la biomasa y estructura de la comunidad. En el Capítulo 5, se estudió el efecto que ejerce la adición enmiendas orgánicas a largo plazo en las enzimas involucradas en el ciclo del carbono bajo condiciones semiáridas, además de su influencia en la biomasa y la estructura de la comunidad microbiana. Además, se pretendió completar el conocimiento del ciclo del carbono en este tipo de suelos mediante el estudio de la diversidad de isoenzimas que presentan la celulasa y β-glucosidasa empleando la zimografía. Los cambios provocados en el tamaño de la biomasa microbiana y la estructura de la comunidad microbiana por la adición de las enmiendas fueron estudiados mediante el análisis de los ácidos grasos fosfolípidos. Haciendo una visión global de esta Tesis Doctoral, podemos concluir que los suelos semiáridos, a pesar de su avanzado estado de degradación y no recibir abundantes entradas de C orgánico, presentan una alta disponibilidad biótica para gestionar materia orgánica de origen vegetal de distinto nivel de complejidad y estabilidad. Se ha observado que sólo una pequeña fracción de la comunidad microbiana es capaz de degradar las formas más complejas de carbono, pero esta fracción microbiana es fundamental para el inicio del ciclo del carbono en suelos semiáridos y, por tanto, para la sostenibilidad de estas áreas. Además, las entradas de materia orgánica al suelo mejoran la calidad de los suelos semiáridos a largo plazo, aumentando el contenido en carbono orgánico en los mismos, favoreciendo el crecimiento de la biomasa microbiana y variando la estructura funcional de la comunidad microbiana, como una adaptación ecológica a la presencia de nuevos metabolitos en el suelo derivados de dichas materias orgánicas. Por otro lado, la adición de moléculas compuestas únicamente por carbono, no sólo ejerce un efecto sobre el ciclo del carbono si no que también influye sobre otros ciclos biogeoquímicos como el del nitrógeno o el fósforo como hemos podido ver por los cambios producidos en la actividad enzimática relacionada con estos elementos. Este hecho implica que estos ciclos no pueden considerarse independientes si no que actúan de forma conjunta para condicionar la calidad y sostenibilidad de un suelo. Soil plays a highly important role in sustaining life on earth but soil desertification, in arid and semiarid areas, negatively impacts on a significant loss of organic matter, and therefore of organic carbon, which negatively affects the quality and sustainability of the soil. In such degraded soils, it is of vital importance to restore levels of soil organic carbon to sufficient thresholds to maintain its basic functions. For this reason, the aim of this Doctoral Dissertation is to understand the carbon cycling of semiarid soils and the development of strategies for soil restoration. To reach this goal we have focused on the following topics in particular: the ability of this type of soil to respond to exogenous sources of carbon derived from plants; the role of the microbial community in the degradation of these carbon sources; and the link between these carbon sources and the biogeochemical cycling of the important elements (C, N and P), with a particular focus on carbon. The general working Hypothesis of this Doctoral Thesis is that the microbial communities in arid and semiarid soils have a limited capacity for processing carbonaceous substrates as a result of the low content of organic matter usually found in these soils. In order to obtain complete information concerning the dynamics of organic carbon and plant-derived organic amendments with respect to the microbial populations associated with processing of this organic matter, we conducted experiments in both controlled laboratory and field conditions. The first part of the thesis (Chapters 1, 2 and 3) was carried out in controlled laboratory conditions using three molecules of varying complexity: glucose, cellulose and lignin. These molecules are an essential part of the natural plant inputs to soil. We used glucose, cellulose and lignin molecules enriched with 13C (a stable isotope of carbon) in order to track the dynamics of these organic materials and the microbial populations involved in their processing in high resolution. In these experiments we applied, among other techniques, those based on the analysis of the isotopic composition of CO2, water-soluble fractions of C and of humic substances and the isotopic composition of fatty acids (PLFA-SIP). These techniques made it possible to thoroughly track the C cycle, evaluating the persistence and mineralisation of C in addition to the microbial populations associated with the dynamics of the added molecules. The second part of the thesis (Chapters 4 and 5) was carried out in the field, which represents a real setting for the study of soil restoration. In Chapter 4, we evaluated the long-term effects of plant-derived organic amendments (fresh and composted pruning waste) and of the applied dose (150 and 300 t ha-1) on the chemical, biochemical and microbiological properties of a semiarid soil. Different techniques were used to measure the changes in microbial activity after the addition of organic matter. Furthermore, phospholipid fatty acid analysis and the microbial community-level physiological profile were used to study changes in the biomass and the structure of the microbial community Finally, in the Chapter 5, we studied the long-term effect of organic amendments on the enzymes involved in the carbon cycle in semiarid conditions. In this chapter, we also evaluated the influence of organic amendments on microbial biomass and community structure. Furthermore, we aimed to complete our knowledge of the carbon cycle in semiarid soils by studying the diversity of isoenzymes exhibiting cellulase and β-glucosidase activity by zymography. Changes caused by the amendments in the biomass and the structure of the microbial community were studied by phospholipid fatty acid analysis . Taking a global picture of this Doctoral Thesis, we have reached the conclusion that semiarid soils, despite their advanced state of degradation and the fact they have not received much organic C input, nevertheless have a high level of biotic availability for handling plant-derived organic matter of different levels of complexity and stability. We observed that only a small fraction of the microbial community is able to degrade the more complex forms of carbon, but this microbial fraction is crucial for starting the carbon cycle in semiarid soils and therefore for the sustainability of semiarid areas. Moreover, adding organic matter to the soil improves the quality of semiarid soils in the long term. Indeed, organic amendments increase the content of organic carbon in such soils at long-term, favour the growth of the microbial biomass and change the functional structure of the microbial community as an ecological adaptation to the presence of new soil metabolites derived from the organic matter added. Furthermore, the addition of molecules composed solely of carbon not only has an effect on the carbon cycle but also influences other biogeochemical cycles such as the nitrogen and phosphorus cycles, which we were able to observe through changes in the enzyme activity related to these elements. This implies that these cycles cannot be considered as independent from one another but that they in fact act together to determine the quality and sustainability of a soil.
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    Funcionalidad de los humedales mediterráneos en paisajes agrícolas. Factores responsables de la variabilidad espacial y temporal de la retención de N y P= Mediterranean wetland functionality in agricultural landscapes. Driving factors for spatial and temporal variability in N and P retention.
    (2013-12-10) García García, Victoria; Gómez Cerezo, Rosa María; Departamento de Ecología e Hidrología
    La contaminación difusa procedente de la agricultura contribuye significativamente al incremento de la concentración de nitrógeno (N) y fósforo (P) en los ecosistemas acuáticos continentales, siendo éste un grave problema en la gestión del agua. En las regiones mediterráneas más áridas, como el sureste ibérico, este problema se ve agravado debido a los escasos caudales de los cursos de agua, que disminuyen su capacidad de dilución de solutos y los hace especialmente sensibles a la eutrofización. Está globalmente reconocido que los humedales reducen el flujo de nutrientes desde los ecosistemas terrestres a los acuáticos, siendo así utilizados en el tratamiento de la contaminación difusa en zonas agrícolas, urbanas e incluso mineras. Sin embargo, la diversidad de procesos implicados en la retención de nutrientes determina que la eficiencia de retención de los humedales pueda variar en función del clima y la hidrología. En este sentido, la funcionalidad de los humedales mediterráneos del sureste ibérico para la retención de nutrientes en paisajes agrícolas es en gran medida desconocida. En este contexto, en la presente tesis se plantean cuatro objetivos generales: 1. Conocer la eficiencia de retención de N y P de los humedales asociados a sistemas de drenaje, así como su variación temporal en un ciclo hidrológico. 2. Conocer si existen diferencias en la retención de N y P entre el compartimento superficial y subsuperficial de estos humedales. 3 Analizar los factores ambientales que afectan a la retención de N y P. 4. Analizar la variabilidad espacial, a lo largo del eje longitudinal de los humedales, de la eficiencia de retención de N y P en ambos compartimentos. En base a estos objetivos, se seleccionaron 2 humedales (Taray y Parra) asociados a sistemas de drenaje de cuencas agrícolas del sureste ibérico. En ambos, se tomaron mensualmente muestras de agua superficial y subsuperficial a lo largo de un ciclo hidrológico y se midió la concentración de las diferentes fracciones de N y P. Además, se midieron distintas variables físico-químicas e hidrológicas. Tras ello, se analizó la variabilidad espacial y temporal de la retención de N y P en ambos compartimentos, y con la aplicación de diversos test estadísticos, se llegó a las siguientes conclusiones generales: 1. Los humedales mostraron altas eficiencias de retención de N en ambos compartimentos y frente a elevadas concentraciones de N. El clima cálido parece constituir una ventaja para la retención de N en los humedales mediterráneos. 2. El NO3- fue la fracción mayoritaria del N y mostró los mayores porcentajes de retención. Su variabilidad temporal fue menor en el c. subsuperficial. 3. Las mayores eficiencias de retención de NO3- se registraron en verano. 4. Las eficiencias de retención de NH4+ y de NOT fueron muy inferiores y más variables en el tiempo que las de NO3-. Ningún factor ambiental de los estudiados explicó su variabilidad temporal. 5. El c. subsuperficial mostró una mayor eficiencia de retención de NO3- que el superficial, pero el escaso caudal subsuperficial de los humedales determinó que la carga de NO3- retirada en este compartimento fuese muy inferior a la del superficial. 6. A escala de humedal, el Taray retuvo P mientras la Parra lo exportó. 7. La eficiencia de retención de N y P en los humedales estudiados no mostró un carácter lineal, es decir, el incremento en la longitud del humedal, no generó un incremento proporcional en la retención de nutrientes. 8. La mayor eficiencia de retención de NT y NO3- (99.9% del NT) se observó en los primeros 100 m de humedal. La retención de NH4+ en el c. superficial fue mayor en el último tramo del humedal, donde las altas concentraciones de NH4+ pudieron estimular su asimilación microbiológica. La retención de NOT, PT y PRS no mostró ningún patrón de variación espacial estadísticamente significativo entre tramos. 9. La protección y/o restauración de los humedales asociados a sistemas de drenaje podría ser una herramienta útil para controlar la contaminación difusa en cuencas agrícolas. Summary Nonpoint source pollution from agriculture areas contributes significantly to increase nitrogen (N) and phosphorus (P) concentrations in freshwater ecosystems, being this a major problem in water management. In the most arid areas of Mediterranean region, such as the Iberian southeast, this problem is specially accused because the majority of aquatic ecosystems have low discharges that diminish their solute dilution capacity, and this make them especially sensitive to eutrophication It is globally recognised that wetlands reduce the flow of nutrients from terrestrial to aquatic ecosystems, being used in the diffuse pollution treatment in agricultural, urban and even mining zones. However, the diversity of processes involved in nutrient retention determines that retention efficiency in wetlands can vary in function of climatic conditions and hydrological regimes. In this sense, the functionality of Mediterranean wetlands, in the Iberian southeast, for nutrient retention in agricultural landscapes is largely unknown. In this context, in the present thesis four general objectives were established: 1. To know the N and P retention efficiency of wetlands associated to drainage systems, as well as, its temporal variability over a hydrological cycle. 2. To know if exist differences in the N and P retention efficiency between the surface and subsurface compartments of these wetlands. 3. Analyse the environmental factors that affect to N and P retention. 4. Analyse the spatial variability, along the longitudinal axis of wetlands, of the N and P retention efficiency in both compartments. Basing on these objectives, we selected two wetlands associated to drainage systems of agricultural catchments in the Iberian southeast (Taray and Parra). In both wetlands, surface and subsurface water samples were collected once a month during a hydrological period and the concentration of the different N and P forms were analysed. In addition, different physicochemical and hydrological variables were measured. Thus, the spatial and temporal variability for N and P retention efficiency was analysed in both wetlands components and next conclusions were established: 1. The wetlands showed high N removal efficiencies at both surface and subsurface components, even for high inflow N concentrations. The warm temperature in the Mediterranean wetlands can be an advantage for N removal. 2. NO3- was the main N form and showed the highest retention percentages. Its temporal variability was lower in the subsurface component. 3. The highest NO3- retention efficiency was observed in summer. 4. The NH4+ and TON retention efficiencies were much lower and more variable through the study period than the NO3- efficiency. The studied environmental factors did not explain their temporal variability. 5. The subsurface component showed a higher NO3- retention efficiency than the surface component, but the lower subsurface discharge defined that the NO3- load removed at the subsurface was much lower than at the surface. 6. At the wetland scale, P was retained in Taray wetland but it was exported in Parra wetland. 7. The N and P retention efficiency in the study wetlands did not show a linear nature, that is, the increase in the wetland length did not cause a proportional increase in the nutrient retention. 8. The highest TN and NO3- (99.9% of TN) removal within wetlands was observed in the first 100 m. The NH4+ retention efficiency at the wetland surface was higher in the last wetland reach, where the high inflow NH4+ concentrations could stimulate the microbial immobilization. TON, TP and SRP retention efficiencies did not show any consistent spatial pattern. 9. The conservation and/or restoration of wetlands associated to drainage systems could be an appropriate tool for the control of non-point pollution in agricultural catchments.