El fósforo es un nutriente crucial que se aplica regularmente a los cultivos como el maíz y la soya para ayudarlos a crecer eficientemente. Sin embargo, el exceso de fósforo puede ser transportado por el escurrimiento del agua de lluvia a lagos y arroyos, creando problemas potenciales para los ambientes acuáticos y los servicios ecosistémicos que brindan ahumanos
En pequeñas cantidades menos de 0.02 partes por millón, el fósforo es realmente bueno para los sistemas de agua. Fomenta el crecimiento de algas y otras floraes, proporcionando un hábitat saludable para los peces y otros organismos acuáticos. Sin embargo, cuando sangra demasiado fósforoen las vías fluviales, puede producirse un crecimiento excesivo de algas, lo que lleva al agotamiento del oxígeno disuelto que puede matar la vida acuática. Además, las floraciones de cianobacterias pueden producir toxinas que amenazan los suministros públicos de agua.
"Las aplicaciones históricas de estiércol y fertilizante han acumulado niveles de fósforo en muchos de nuestros suelos agrícolas, a menudo más allá de lo que necesitan los cultivos, lo que hace que el exceso de fósforo sea susceptible de pérdida cuando los procesos microbianos y otros procesos hidrológicos y biogeoquímicoslos factores entran en juego ", dijo Anthony Buda, un hidrólogo investigador del Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos USDA.
Para combatir este problema, los investigadores de Penn State, en colaboración con Cornell, la Universidad Central de Michigan y el USDA, están tratando de comprender mejor cómo varios tipos de interacciones afectan la movilidad del fósforo en los suelos y arroyos agrícolas. Estos hallazgos se pueden utilizar paradesarrollar métodos para controlar mejor las pérdidas de fósforo en ambientes agrícolas.
"Estamos tratando de entender dos grupos de bacterias que podrían afectar si el fosfato se retiene en el suelo o se vuelve móvil y entra al agua", dijo John Regan, profesor de ingeniería ambiental en Penn State y director principal del proyecto.
Para comprender mejor cómo los microbios afectan la migración de fósforo a nuestras vías fluviales, los investigadores combinaron el monitoreo de campo en Mahantango Creek, una pequeña cuenca agrícola de tierras altas operada por el USDA, con pruebas de laboratorio que involucraron experimentos de columna de suelo realizados en Penn State. Los experimentos buscanevaluar las funciones de dos tipos particulares de bacterias: bacterias reductoras de hierro disimiladoras DIRB y organismos acumuladores de polifosfatos PAO, en el ciclo del fósforo en los suelos.
En el sitio de prueba de la cuenca del USDA, los investigadores están analizando el papel que tienen los microbios en la movilidad del fósforo en ambientes naturales.
"Se sabe que existen microbios que afectan la movilidad del fósforo y se están utilizando en algunas plantas de tratamiento de aguas residuales para reducir la cantidad de fósforo en el agua que sale de la planta", dijo la estudiante graduada de ingeniería ambiental Miranda Stockton.
Los investigadores han identificado la presencia de estos microorganismos en los suelos agrícolas, pero aún no saben qué efectos tienen sobre la movilidad del fósforo en este contexto.
En el laboratorio, los investigadores han diseñado experimentos controlados donde están inoculando columnas de suelo con Shewanella oneidensis, un tipo de DIRB, y PAO obtenidos de una planta local de tratamiento de aguas residuales.
"Estamos monitoreando la química del agua y el suelo además de los cambios en las comunidades microbianas para que podamos comprender mejor las contribuciones de estos dos grupos de bacterias al ciclo del fósforo en un sistema controlado", dijo la investigadora postdoctoral Claudia Rojas.
Estos dos tipos de bacterias son importantes para la movilidad del fósforo por varias razones.
El primer tipo de bacteria, DIRB, usa hierro para "respirar", lo que puede causar una liberación de fósforo.
"Cuando el suelo está saturado con agua, la concentración de oxígeno en el agua disminuye", dijo Regan. "Algunas bacterias pueden respirar usando hierro en el suelo, y cuando lo hacen, liberan el fósforo que quedó atascado".a ese hierro, haciéndolo móvil ". Los investigadores esperan definir las condiciones que promueven este proceso.
El segundo tipo de bacteria, los PAO, puede almacenar fósforo dentro de sus células en altas concentraciones. También pueden romper estas reservas de fósforo y liberar fosfato.
"Tienen un metabolismo que alterna entre almacenar y liberar fósforo", dijo Regan. "Básicamente almacenan fósforo cuando el agua del suelo tiene oxígeno y liberan fósforo cuando el agua carece de oxígeno".
En las corrientes que se ven afectadas por el desbordamiento de fósforo, se forma un crecimiento microbiano resbaladizo llamado biopelícula en el fondo de la corriente. Dentro de esa biopelícula, las bacterias se someten diariamente a estados aeróbicos y anaeróbicos: ganar y carecer de oxígeno.
"Estamos buscando para ver si hay microbios en la biopelícula que puedan absorber y liberar fósforo en estas condiciones cíclicas", dijo Regan. "Hasta ahora, hemos encontrado que hay muchos PAO allí".
Regan dijo que ha habido mucha investigación que modela y monitorea la movilidad de fósforo en el suelo, pero no ha incluido el papel que las bacterias han jugado en ese movimiento.
"Sabemos que estas bacterias están allí, sabemos que influyen en la movilidad del fósforo, y ahí es donde se detiene nuestro conocimiento", dijo Regan.
"Nadie ha estudiado cuán abundantes son, cuáles son las tasas de reacciones o cuánto cambia la concentración de fósforo cuando estas bacterias pueden crecer, por lo que realmente estamos iluminando esa caja negra para descubrir quélas bacterias lo están haciendo "
Una vez que los investigadores descubren exactamente cómo y en qué medida las bacterias influyen en la liberación de fósforo, pueden incluir estos procesos microbianos en sus modelos y desarrollar herramientas predictivas que pueden mapearlos a través de las cuencas hidrográficas en función de sus relaciones con la hidrología nativa.
"El ingeniero en mí quiere reducir este problema", dijo Regan. "Pero antes de que podamos desarrollar estrategias para hacer esto, necesitamos comprender el papel y los mecanismos de estas reacciones microbianas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Penn State College of Engineering . Original escrito por Jennifer Matthews. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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