Desarrollo de estrategias biológicas para el manejo del tamo de arroz con fines de biofertilización en el departamento del Tolima
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Autores
Cruz Ramírez, Carlos Alberto
Director
Uribe Vélez, Daniel
Tipo de contenido
Trabajo de grado - Doctorado
Idioma del documento
EspañolFecha de publicación
2024
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Resumen
La práctica más empleada para el manejo de los residuos del cultivo de arroz es la quema
a campo abierto, lo que no solo altera el ecosistema suelo en todos sus componentes, sino
que produce cantidades considerables de gases de efecto invernadero y pérdidas
significativas de nutrientes valiosos para el establecimiento de nuevos ciclos de cultivo. No
obstante, la pérdida progresiva de materia orgánica en los suelos del trópico y la baja tasa
de asimilación de fertilizantes principalmente nitrogenados, vulneran la sostenibilidad del
cultivo. Bajo este contexto, la biodegradación del tamo de arroz in situ resulta ser la
estrategia más acertada desde el punto de vista ecológico, económico y de sostenibilidad
del cultivo a largo plazo. Sin embargo, su alto contenido de ligninas y sílice, alta relación
carbono:nitrógeno, así como las constantes fluctuaciones en las condiciones climáticas
hacen de este proceso poco eficiente y rentable en campo. Por tanto, se desarrollaron
estrategias para optimizar la biodegradación del tamo de arroz in situ mediante el
desarrollo de coinóculos microbianos con potencial hidrolítico, y de biocontrol, como
mecanismo de fertilización agrícola. Se determinó la actividad hidrolítica y oxidativa de
cepas de Trichoderma spp. comerciales y nativas, y de bacterias aerobias formadoras de
endospora (BAFE) pertenecientes al género Bacillus aisladas de suelos arroceros sobre
medios sólidos diferenciales. Posteriormente, se estableció la compatibilidad entre los
microorganismos seleccionados para el establecimiento de mezclas microbianas. Se
ejecutaron fermentaciones en estado sumergido y sólido empleando tamo de arroz como
única fuente de energía para cepas individuales y/o en mezclas, estableciendo las
cinéticas de actividades enzimáticas, crecimiento bacteriano, respiración, así como la
producción de amonio y reducción de peso seco del tamo residual al final del periodo de
incubación. Los mejores aislamientos de Bacillus y hongos fueron identificados por
biología molecular. El consorcio microbiano con la mayor respuesta de biodegradación del
tamo de arroz fue evaluado bajo condiciones de fermentación sólida del tamo de arroz,
ajustando la relación C:N del residuo vegetal mediante la adición de urea. Se estimaron
parámetros de respiración microbiana (C-CO2), producción de biomasa microbiana de
carbono, así como porcentaje de reducción de fibras y proteína del tamo de arroz, y actividades enzimáticas extracelulares de interés. Posteriormente, se estableció el efecto
de suelo enmendado con tamo de arroz pre-tratado biológicamente, sobre la actividad de
promotores de crecimiento vegetal (PCV) en arroz, bajo condiciones de invernadero y
campo. Este trabajo aporta evidencia del potencial de mezclas microbianas Bacillus -
Trichoderma para la degradación de tamo de arroz enriquecido con urea hasta una
relación C:N<30, y el efecto positivo de esta enmienda sobre la actividad de rizobacterias
PCV y plantas de arroz. Los efectos conjuntos se tradujeron en plantas de arroz de mayor
longitud y peso seco, mayor rendimiento de cultivo, y menor incidencia de fitopatógenos
convencionales del cultivo. Nuestros resultados además aportan a la sostenibilidad del
cultivo y minimizan el impacto ecológico y ambiental que suponen las prácticas
agronómicas tradicionales de fertilización y quema del tamo a campo abierto, otorgando
mayor competitividad al cultivo de arroz en Colombia (Texto tomado de la fuente).
Abstract
The most widely used practice for managing rice crop residues is open-field burning, which
alters the entire soil ecosystem and produces considerable amounts of greenhouse gases
and significant losses of valuable nutrients for the establishment of new crop cycles.
However, the progressive loss of organic matter in tropical soils and the low rate of fertilizer
assimilation, mainly nitrogenous, threaten the sustainability of rice crops. Consequently,
the biodegradation of rice straw in situ turns out to be the most appropriate and long-term
strategy from an ecological, economic, and sustainability perspective. However, its high
lignin and silica content, high carbon-to-nitrogen ratio, and constant weather fluctuations
make this process inefficient and unprofitable in the field. Therefore, bio-based strategies
were developed to optimize the biodegradation of N-enriched rice straw in situ through the
development of microbial consortia. The hydrolytic and oxidative activities of Trichoderma
spp. strains were determined by commercial and native aerobic endospore-forming
bacteria (AEFB) belonging to the genus Bacillus isolated from rice soils on differential agar
media plates. Subsequently, the compatibility between the selected microorganisms was
established. Submerged and solid-state fermentations were carried out using rice straw as
the only carbon and nitrogen source for individual or mixture strains. The kinetics of
enzymatic activities, bacterial growth, respiration, ammonia production, and rice straw dry
weight reduction were assessed at the end of the incubation period. The best
microorganisms were identified by molecular biology. The microbial consortium with the
highest rice straw biodegradation profile was evaluated under solid-state fermentation,
adjusting the C-to-N ratio of the plant residue by adding urea. Parameters of microbial
respiration (C-CO2), microbial carbon biomass, percentage reduction of fiber and protein
content from rice straw, and extracellular enzymatic activities were estimated.
Subsequently, the effect of soil amended with biologically pre-treated rice straw on rice
plant growth under greenhouse and field conditions was established. This work provides
evidence of the potential of Bacillus-Trichoderma mixtures for optimization of urea-enriched
rice straw biodegradation to a middle C:N ratio (≤35): Moreover, positive effects of this
amendment on rice PGPR activity were identified. Noteworthy, the joint effects translated
into rice plants of greater length and dry weight, a higher crop yield, and a lower incidence
of conventional phytopathogens in the crop. Our results also contribute to the sustainability
of the crop and minimize the ecological and environmental impact of traditional agronomic practices like fertilization and rice straw burning, making rice cultivation more profitable in
Colombia.
Descripción Física/Lógica/Digital
ilustraciones, diagramas, fotografías, tablas