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1 Universidad de los Andes Documento entregado como requisito de grado de pregrado Programa de Microbiología Salomón Parra Directora Adriana Bernal PhD en Fitopatología Departamento de Ciencias Biológicas 2 Microbiología del vermicompost Salomón Parra Resumen La búsqueda de herramientas de cultivo en agricultura se ha enfocado principalmente en opciones con un menor impacto ambiental que cumplan con los estándares esperados de producción. El alto costo de los fertilizantes convencionales, la erosión y la contaminación que se genera por su uso exagerado ha llevado a los cultivadores a buscar alternativas en la agricultura orgánica para reducir inversión y mejorar la calidad del suelo. El vermicompostaje es una de las alternativas preferidas para lograr la adecuación de sustratos y el aumento en la producción. Una de las características más importantes del vermicompost son los microorganismos que posee. Las comunidades microbianas varían dependiendo del momento del ciclo de preparación del vermicompost, siendo más abundantes en las primeras tres semanas las bacterias del filo Spirochaetota. Cuando el vermicompost está maduro (pasados tres meses) son más abundantes los filos, Bacterioidetes, Proteobacterias y Firmicutes. Algunas bacterias están directamente relacionadas con la producción de hormonas promotoras del crecimiento vegetal, como el ácido indol-3-acético. En cuanto a los géneros reportados de hongos, los más comunes son Penicillium, Aspergillus, Phoma, y Piriformospora. La presente monografía se enfoca en investigar sobre lo reportado en cuanto a la biodiversidad de bacterias y hongos asociados al vermicompost y su importancia en la agricultura; además, se analizan los beneficios puntuales que su uso provee. Palabras clave: vermicompostaje, materia orgánica, microorganismos, lombrices de tierra. Introducción La agricultura es esencial en la vida humana, ha acompañado la historia del hombre desde hace más de doce mil años y ha sido el pilar en la producción de alimentos a partir de los recursos naturales disponibles. Este es uno de los renglones de la economía con mayor importancia ya que puede ayudar, no solo a disminuir el hambre entre los grupos más pobres en el mundo, sino que ayuda a reducir la pobreza misma. De acuerdo con el Banco Mundial (2022) el desarrollo agrícola es una de las estrategias más transcendentales que buscan disminuir la pobreza y, con ello, garantizar la seguridad alimentarias de una población mundial que se espera llegue a 9700 millones de habitantes en 2050. Esa explosión demográfica tuvo su mayor aceleración en los dos últimos siglos, pasando de dos mil millones de personas en el siglo XIX a siete mil millones en el XX, y se proyecta que sean cerca diez mil millones a mediados del siglo XXI. Este crecimiento demográfico obedece a varias causas, http://datatopics.worldbank.org/hnp/popestimates 3 entre ellas los avances en la medicina y otros aspectos de bienestar humano y, desde luego, el desarrollo de la agricultura. Así, la intensificación de la actividad agrícola implica el empleo de insumos a fin de que los cultivos sean más productivos en menor tiempo. El empleo de dichos insumos se realiza cuando los suelos tienen una alta explotación, lo que genera el desgaste de nutrientes y la proliferación de fitopatógenos y, en consecuencia, una baja productividad. Llegados a este punto, los agricultores se ven obligados a refertilizar los suelos y usar insecticidas y fungicidas; el uso desmedido de este tipo de insumos ocasiona efectos desfavorables al suelo, al aire y a fuentes de agua (Savci, 2012). Desde esa perspectiva, las investigaciones en torno a métodos y procesos de fertilización empleados en agricultura, están enfocados en la mejora y conservación de la calidad del suelo. En términos generales, los factores que intervienen en la obtención de resultados favorables en cualquier producción agrícola son la calidad del suelo, tanto física como química, la topografía, pluviosidad, buenas prácticas de manejo y la incidencia de patógenos o plagas. Así, con el fin de asegurar resultados positivos, se emplean múltiples sustancias orgánicas y agroquímicas. No obstante, la Corporación Financiera Internacional (2007) señala que la producción de fertilizantes nitrogenados con base en “amoniaco, (NH3), urea, ácido nítrico (HNO3), nitrato amónico, nitrato de amonio cálcico (CAN), sulfato amónico y fertilizantes nitrogenados compuestos, como fertilizantes líquidos de urea-sulfato amónico (UAS) y de urea nitrato amónico (UAN)” (p.1) ocasionan la formación de residuos contaminantes para el suelo. Lo efectos contaminantes de estos químicos no son inmediatos en virtud del poder amortiguador de los componentes de los suelos. Sin embargo, a mediano y largo plazo, de acuerdo con Savci (2012) La contaminación, el deterioro de la fertilidad y las reacciones de degradación del suelo conducen al deterioro del equilibrio del elemento actual. Además, las sustancias tóxicas se acumulan dentro de los vegetales y causan efectos negativos en humanos y animales que se alimentan (…) El nivel particularmente alto de fertilizantes que contienen sodio y potasio tiene un impacto negativo en el suelo. (p. 209) El uso indiscriminado de fertilizantes nitrogenados disminuye el pH del suelo, lo que incide la calidad de los cultivos. Estudios realizados por Babcock (1992, citado en Paulson & Babcock, 2010) mencionan que la incertidumbre de entrada por parte del agricultor le puede llevar una aplicación excesiva de fertilizantes nitrogenados, con el criterio de que, dado el precio y la respuesta del nitrógeno en la fertilización del suelo, el uso de una mayor cantidad, garantizaría una buena producción (p. 370). Por otra parte, el aumento de residuos producto de la fabricación y uso de fertilizantes está impactando diversas fuentes de acuíferos llegando a zonas remotas alejadas de las costas. Guzmán & 4 Jiménez (1992) referencian datos de diferentes autores, por ejemplo, Fournier & Chavarrfa, (1989, citados en Guzmán et al., 1992), sostienen que en los últimos 20 años se han arrojado cientos de toneladas de productos de químicos al medio ambiente por cuenta del uso intensivo de fertilizantes. Los residuos de nitrógeno llegan a las fuentes de agua a través de drenaje, lixiviación y flujo. El drenaje, es decir, la penetración del agua superficial a capas inferiores, se hace de manera artificial cuando hay un riego inadecuado o excesivo, el cual suele generar saturación y salinización que contamina las aguas subterráneas. La lixiviación se relaciona con proceso de fertilización de terrenos poco aptos, áridos o semiáridos que demandan mayor cantidad de nitratos, los cuales se lixivian llegando a suelos más profundos. Aquí es importante mencionar los porcentajes de aprovechamiento de los fertilizantes nitrogenados. De acuerdo con Savci (2012) en un alto porcentaje los fertilizantes nitrogenados no son absorbidos y terminan contaminando aguas subterráneas y superficiales. condiciones ideales, las plantas utilizan el 50 % de los fertilizantes nitrogenados aplicados al suelo, el 2-20 % se pierde por evaporación, el 15-25 % reacciona con compuestos orgánicos en el suelo arcilloso y el 2-10% restante interfiere con las aguas superficiales y subterráneas. (p.289) Por otra parte, según las Guías sobre medio ambiente de la Corporación Financiera Internacional (2007), la sola fabricación de fertilizantes de nitrógeno ocasiona emisiones atmosféricas y aguas residuales que conllevan graves consecuencias ambientales; un ejemplo de ello son las emanaciones de hidrógeno (H2), anhídrido carbónico (CO2), amoniaco (NH3) monóxido de carbono (CO) y sulfuro de hidrógeno (H2S) que se generan durante la producción deamoniaco, de urea, ácido nítrico, nitrato amónico y de nitrato de amonio cálcico, entre otros. A ello se debe sumar que en diferentes momentos han ocurrido tragedias relacionadas con la fabricación de fertilizantes y plaguicidas. En la ciudad de Bhopal, India, por ejemplo, se generó una fuga de isocianato de metilo, exponiendo a los habitantes de varios pueblos aledaños, donde murieron al menos 3800 personas (Broughton, 2005). Por las razones anteriores, es imperante hallar alternativas que permitan mejorar la calidad en los productos agrícolas con un menor impacto ambiental a fin de lograr una agricultura sostenible y amigable con el medio ambiente y rentable. Entre las alternativas que se están estudiando se encuentran los fertilizantes orgánicos cuyos elementos nutritivos yacen en el humus, residuos de cosechas y materia orgánica, elementos portadores de nitrógeno, potasio y fósforo (Salazar, Trejo et al., 2007). En este caso, los procesos de mineralización de los agentes nutritivos, se realiza gracias a microorganismos del suelo, a través, por ejemplo, de carbón mineral. De acuerdo con El Titi, (2003, Salazar, Trejo et al., 2007) “Cuando los materiales orgánicos son incorporados en el suelo, el contacto de las partículas del suelo con los residuos incrementa adicionalmente la temperatura y la humedad del suelo” (p. 345). 5 Otra opción en el espectro de fertilizantes orgánicos es el vermicompost y es en que se centra la presente monografía. Se trata de un conjunto de desechos orgánicos que se producen a partir de la interacción entre las lombrices y los microorganismos. Al extracto acuoso de este elemento se le denomina té de vermicompost, es de fácil manejo y aplicación (Edwards et al., 2006; Wang et al., 2014, citados en Hernández, Lara, et al, 2017). Dichos autores sostienen, además, que “el té de vermicompost elimina algunos patógenos, incluyendo nemátodos” (p. 417). Son muchas las ventajas de este lombricompuesto, entre las que se puede señalar que regula la bioestabilidad del suelo, es de fácil y rápida absorción y asimilación, además, del alto contenido de nitrógeno, potasio y fósforo frente a otros compuestos también orgánicos. El vermicompost de lombriz es granulado y de color negruzco. La lombriz recicla en su aparato digestivo toda la materia orgánica y, aunque ese humus posee una alta proporción de ácidos húmicos y fúlvicos, éstos no se producen por el proceso digestivo de la lombriz sino durante el reposo dentro del lecho, producto de la actividad microbiana. Cabe mencionar que la dieta de la lombriz se basa principalmente en los microorganismos y detritus presentes en la materia orgánica y carbohidratos; en ese orden de ideas, podría describirse la digestión de la lombriz como un proceso de reciclaje de nutrientes muy eficiente donde las lombrices se convierten en biorreactores naturales, para la descomposición de la materia orgánica. Blouin, Hodson, et al, (2013) sostienen que las lombrices de tierra aceleran la degradación de materia orgánica y moléculas. Una vez realizada la digestión se liberan nutrientes minerales como nitrógeno, compuestos orgánicos, útiles para las plantas. A su vez, la mineralización del nitrógeno aumenta en presencia de lombrices, ya sea directamente a través de la liberación de N por sus productos metabólicos (heces, orina y moco, que contiene NH4 +, urea, alantoína y ácido úrico) y tejidos muertos, o indirectamente a través de cambios en propiedades físicas del suelo y la fragmentación del material orgánico, y a través de interacciones con otros organismos del suelo. (Lee, 1985; Bityutskii et al., 2002, citados en Blouin, et al., 2013, p. 6) Aquí es importante subrayar que la presencia de lombrices en el suelo no favorece únicamente aspectos fertilizantes; también favorece la calidad física y humedad del suelo. Por ejemplo, la densidad aparente del suelo hace referencia a su compactación o, dicho de otra forma, es la relación entre sólidos y espacio poroso (Keller & Håkansson, 2010, citados en Rojas, 2012), lo cual es importante pues incide en las posibilidades de elongación de las raíces y en la fertilización de los cultivos. En igual sentido, la calidad física del suelo determina “el ingreso y almacenamiento óptimo del agua necesaria para el crecimiento de las plantas (Taboada & Álvarez, 2008, citados en Rojas, 2012, p. 1). 6 De acuerdo con Blouin, et al., (2013), la incidencia de las lombrices en el tema de la retención o drenaje de agua, obedece a la modificación en la porosidad del suelo que ocasionan a partir de la construcción de sus madrigueras. “Las formas y tamaños de los poros dependen de los diversos comportamientos y tamaños de especies y las etapas de desarrollo dentro de ellas, lo cual hace que el suelo pueda transferir o almacenar agua” (p. 6). Ahora bien, el microbioma del vermicompost varía significativamente dependiendo de la etapa del compostaje que pueden ser mesófila y termófila, y de maduración. Los factores que inciden en el proceso exitoso de descomposición son la relación C/N, la humedad, la temperatura, el tamaño de las partículas del sustrato, el pH, el contenido de oxígeno y los microorganismos. Microorganismos como bacterias, hongos, y los actinomicetos actúan como descomponedores químicos en el proceso de descomposición de la materia orgánica en dióxido de carbono, calor, agua, humus y un producto orgánico final relativamente estable: el compost. (Nemet, Perić, &Lončarić, 2021, p. 1). Dichos microorganismos contribuyen a la solubilización de fosfato. De acuerdo con Rubio (2002, citado en Beltrán, 2014) el fósforo es uno de los elementos más importantes en la fertilidad de los suelos y la producción agrícola, después del nitrógeno, pero también uno de los más escasos, lo cual ocasiona el empleo reiterado de fertilizantes fosforados. El exceso de aplicación de fosfatos altera el potencial de escorrentía superficial, por lo que los cuerpos de agua tienden a la eutroficación. Los microorganismos solubilizadores de fosfato, entonces, son fundamentales en el ciclo edáfico de este nutriente (Fankem et al., 2006, citados en Beltrán, 2014). En otras palabras, dichos microorganismos tienen una enorme influencia en el crecimiento de las plantas. Por otra parte, la deficiencia de hierro en los suelos puede ser inconveniente de importancia que también se puede resolver con la inoculación de microorganismos; estos aumentan y regulan la disponibilidad de hierro en la rizosfera y están involucrados en la nutrición de hierro de las plantas y en la producción de clorofila y la síntesis de ADN (Jurkevitch et al. 1988, citados en Jadhav, Thaker, & Desai, 1994). Los compuestos acumuladores de hierro son producidos por las bacterias Pseudomonas o Rhizobium, presentes en el vermicompost. Beltrán (2009) caracterizó microorganismos solubilizadores de fosfato de calcio aluminio y hierro; y “encontró los géneros Penicillum sp., Mucor sp., y el género bacteriano Micrococcus sp., como principales solubilizadores” (citada en Beltrán, 2014, p. 110). Otro aspecto, paralelo a la fertilización química de las plantas para estimular su crecimiento y productividad es la inhibición de patógenos. Esto se puede lograr mediante la inducción de resistencia, incitando a la planta a producir barreras estructurales o metabolitos secundarios que disminuyan la infección o la tasa de reproducción de bacterias o virus (Hammerschmidt, 1999, p. 81). Así mismo, 7 la inhibición de patógenos se puede conseguir a través del antagonismo contra los patógenos a partir de la producción de enzimas como las quitinasas que degradan la pared fúngica. El vermicompostaje, al ser un proceso no termófilo posee una gran variedad de bacterias antagónicas que actuan como controles biológicos, compitiendo contra hongos fitopatógenos en el suelo (Pathma & Sakthivel, 2013). Para entender el flujo denutrientes en el suelo, es de gran importancia saber que los microorganismos desempeñan un rol fundamental en la interacción entre la planta y el suelo. Por un lado, los microorganismos son los gestores del flujo de nutrientes y, por otro, son los principales agentes patógenos (Gupta, Gupta & Singh, 2016). De acuerdo con Domínguez, Aira, Kolbe, et al., (2019) “El vermicompostaje es el proceso mediante el cual los desechos orgánicos se descomponen a través de las acciones sinérgicas de las lombrices de tierra y las comunidades de microorganismos”, (p. 1) generando fertilizantes de alta calidad. Si bien se ha avanzado en estudios sobre el vermicompost, se requieren estudios de mayor profundidad con el fin de industrializar su producción como alternativa a los agroquímicos convencionales. Con base en ello, la presente monografía busca conocer la biodiversidad de bacterias y hongos asociados al vermicompost y su importancia en la agricultura. Generalidades del vermicompost El vermicompostaje es un proceso de oxidación biológica no termófila que sucede a partir de las interacciones entre lombrices de tierra, microorganismos, materia orgánica y agua con lo que la materia orgánica se convierte en biofertilizante (Pathma & Sakthivel, 2012). Esta mezcla es similar estructuralmente a la tierra o turba de bosque y se caracteriza por una alta aireación, porosidad, capacidad de drenaje y, sobre todo, una alta actividad microbiana. Cabe mencionar que la actividad intestinal de las lombrices de tierra es mediada por mucosidades y enzimas microbianas, las cuales tienen un papel importante en la degradación de macromoléculas y micromoléculas orgánicas (Edwards y Fletcher, 1988). La obtención de un vermicompost maduro rico en nutrientes y microbiota está atravesada por el empleo de lombrices normalmente del género Eisenia foetida y Eisenia andrei. Las lombrices se alimentan de material orgánico, en el proceso digestivo se realiza la descomposición de dicho material convirtiéndolo en material rico en nutrientes para el suelo. El proceso de vermicompostaje se realiza con la adición regular de capas delgadas de materia orgánica fresca como desechos vegetales de cáscaras u hojas, preferiblemente maceradas, como alimento nuevo para las lombrices. Como se mencionó antes, dentro de los beneficios que ofrece el vermicompost está la obtención de nutrientes, 8 la aireación y drenaje del suelo, lo cual facilita el desarrollo radicular y, además, promueve la aparición de microorganismos simbióticos que inhiben la proliferación de patógenos. Es por ello que el vermicompost se convierte en una alternativa rentable y químicamente saludable de fertilización de suelos. Producción del vermicompost Como ya se ha mencionado el vermicompostaje es un proceso de biooxidación realizado por la lombriz de tierra. Este proceso se lleva a cabo durante la digestión y se realiza en dos etapas; la primera es un proceso físico-mecánico que consiste en la aireación, mezcla y molido de la materia orgánica y, un segundo momento de tipo bioquímico, donde azúcares, aminoácidos, lípidos y celulosa son descompuestos por bacterias (Del Águila, Lugo, & Vaca, 2011). Además, el productor de vermicompost debe considerar aspectos como la escala de producción, la frecuencia de riego y la materia orgánica (MO) empleada como alimento. Las lombrices que consumen MO se sirven de protozoos, rotíferos, nemátodos, bacterias y hongos para adquirir sus nutrientes. Cabe mencionar que “el material comido por el gusano se distribuye entre 5-10 % para crecimiento y actividades metabólicas; el otro el 85 % se excreta como vermicompost que contiene orina (como amoníaco) y mucoproteínas (Blair et al., 1997, citados en Del Águila, et al, 2011, p. 951). Cuando se trata de una producción casera o de pequeña escala se debe contar con tres recipientes del mismo tamaño, profundos y con agujeros pequeños en el fondo, de manera que el exceso de líquido se pueda drenar. En el fondo del recipiente debe agregarse una mezcla de tierra de la región y arena para que las lombrices no se salgan de la lombricompostera. Una vez armado el sistema, se inocula la lombriz usando un pie de cría, (las lombrices nunca se inoculan solas, siempre se debe hacer con las madrigueras). Luego de inocular la lombriz, se aplica el alimento (materia orgánica) preferiblemente triturada, para aumentar el área volumen y así agilizar el proceso de compostaje. La cantidad de comida depende del tamaño de las lombrices, se deben alimentar una vez por semana y regar tres veces por semana (Ver Figura 1). 9 Figura 1. Sistema básico de lombricompostera casera Fuente: Adaptado de: Lombricompostera Pro. Amazon.es Si la producción se realiza a una escala mayor, el vermicompost se puede preparar en diferentes espacios físicos, ya sea directamente en el suelo o en cajones, utilizando el mismo sistema; la escala dependerá de la disposición del espacio. Criar directamente en el suelo tiene la limitación de no poder recolectar el humus líquido, pero, a diferencia de los cajones, se puede producir mayor cantidad de vermicompost sólido en menor tiempo y por menor costo (Ver Fotografías 1 y 2). Fotografía 1. Cría de lombriz a gran escala en cajones Fuente: Portalfruticola.com (2019). 10 Fotografía 2. Cría de lombriz a gran escala directa en suelo (b). Fuente: Portalfruticola.com (2019). Té de vermicompost El té de vermicompost, como su nombre lo indica, es la parte líquida que se obtiene a partir del vermicompostaje realizado por microorganismos. De acuerdo con Yatoo, Niamat, et al, (2021) hay dos tipos de té, aireado y no aireado, “ambos métodos para producir té de vermicomposta (aireado y no aireado) implican preparar compost maduro en agua durante un período de tiempo determinado y necesitan filtración antes de aplicarlo a las plantas” (p. 7). La National Organic Standards Board (2006) establece que para lograr una buena calidad de té se ha de usar un vermicompost de calidad, precalentado a 131°F por 3 días a fin de eliminar organismos patógenos. “El determinante crítico con respecto al crecimiento de patógenos en los tés y extractos de compost es la adición del carbono fuentes como azúcares, melazas o extractos de levadura o malta durante la fase de “elaboración” (p. 8). Por otro lado, National Organic Standards Board (2004, citado en Yatoo, et al, 2021) establece que el remojo se debe hacer en agua sin cloro, pues de ese modo se favorece el crecimiento y multiplicación de microorganismos. La principal variación entre tipos de té radica en que pase por un proceso de aireado o no-aireado. En el primer caso, se remoja en agua por entre 12 y 24 horas, lo cual, además, se puede complementar con nutrientes, inoculantes microbianos y oxígeno para mejorar su actividad biológica (Ingham 2005; Naidu et al. 2010, citados en Yatoo, et al., 2021). En el segundo caso, se sumerge una bolsa de 11 compost en agua a fin de extraer los nutrientes y microorganismos anaeróbicos, que luego se emplean como fertilizante (Naidu et al., 2010, citados en Yatoo, et al, 2021). Finalmente, la National Organic Standards Board (2006) recomienda que el té de vermicompost se emplee, al menos, 120 días antes de la cosecha si este tiene un contacto directo con las plantas. Son muchas las ventajas que brinda el vermicompost frente a otros tipos de compostaje mencionadas en: los suelos adquieren aireación, porosidad y estructura (Zhu et al., 2017, citados en Yatoo, et al, 2021); mejora la calidad de nutrientes, el crecimiento y rendimiento de los cultivos (Lim et al., 2015, citados en Yatoo, et al, 2021); aumenta la presencia de bacterias fijadoras de nitrógeno y solubilizadoras de fósforo (Yatoo et al., 2020, citados en Yatoo, et al, 2021), controla la aparición de plagas, nemátodos parásitos y enfermedades(Singh et al., 2008; Basco et al., 2017, citados en Yatoo, et al, 2021); disminución en costos de manos de obra(Mahmud et al., 2018, citados en Yatoo, et al, 2021). Por otro lado, el vermicompost reduce significativamente la propagación de patógenos pues estos mueren al pasar por el tracto digestivo de la lombriz (Pattnaik & Reddy, 2010). También es importante señalar que la presencia de metales pesados en los suelos, producto del uso fertilizantes químicos y otras sustancias tóxicas provenientes de diferentes fuentes, limitan la producción agrícola se pueden disminuir o eliminar a partir de uso de vermicompostaje (Mohee & Soobhany, 2014). Según estudios de Morgan y Morgan (1999, citados en Mohee & Soobhany, 2014) las lombrices de tierra ingieren gran cantidad de sustratos y, por lo tanto, están expuestas a metales (…) Estas concentran en su cuerpo dichos metales, por esta razón, el vermicompostaje se puede utilizar en la eliminación de metales tóxicos y la descomposición de productos químicos complejos en formas no tóxicas. (Jain et al., 2004, p. 210) Nutrientes en el vermicompost El humus de lombriz o vermicompost presenta unas características químicas y de microorganismos que lo hacen tener una riqueza nutricional para el suelo bastante particular. De acuerdo con Adhikary (2012) contiene 5 veces el nitrógeno, 7 veces la potasa y 1,5 veces más calcio que una tierra para cultivar de buena calidad (Ver Tabla 1); además, dichos nutrientes tienen una vida útil 6 veces más prolongada que otros nutrientes. La aportación de las lombrices en el suelo no se limita a los nutrientes, también aumenta la porosidad por las madrigueras o macroporos grandes y alargados que construyen, lo cual aumenta la retención de agua. En relación con el fósforo, su ausencia o contenido limitado en el suelo puede atrofiar el crecimiento de las plantas, por ello, https://link.springer.com/article/10.1007/s13593-020-00657-w#ref-CR270 https://link.springer.com/article/10.1007/s13593-020-00657-w#ref-CR142 https://link.springer.com/article/10.1007/s13593-020-00657-w#ref-CR262 https://link.springer.com/article/10.1007/s13593-020-00657-w#ref-CR230 https://link.springer.com/article/10.1007/s13593-020-00657-w#ref-CR33 https://link.springer.com/article/10.1007/s13593-020-00657-w#ref-CR148 12 cualquier proceso que aumente significativamente la disponibilidad de fósforo a través de plantas y materia orgánica será muy importante para la agricultura. Tabla 1. Comparación de las propiedades químicas y microbiológicas del suelo, vermicompost y estiércol. Fuente: tomado de Adhikary (2012) Varios estudios han evidenciado que el vermicompost aporta todos los nutrientes en forma disponible y mejora su absorción. De acuerdo con Zahedifard, Sharafzadeh & Zolfibavariani (2014). el nitrógeno disponible en el suelo aumenta significativamente con el uso de vermicompost, esto debido a que es uno de los principales compontes de las moléculas de proteínas y ácidos nucleicos y forma parte de las moléculas de clorofila (p. 54). (Ver tabla 2) 13 Tabla 2. Porcentaje de nutrientes en vermicompost y compost de jardín. Fuente: tomado de Adhikary (2012) En cuanto a la actividad enzimática, esta se produce a partir de la interacción entre diferentes agentes, vivos y muertos como raíces, residuos orgánicos y animales, lo que se va acumulándose en el suelo, formando la materia orgánica o humus (Martínez & Ortega, 2023). Estos autores sostienen que entre el 40 y 60 % de la actividad enzimática puede provenir de actividad microbiana. De acuerdo con Antunes, Castilhos, et al, (2015) es importante señalar que la materia orgánica húmica presenta tres categorías según las fracciones húmicas humina (H), que representa la materia orgánica íntimamente ligada a la fracción mineral del suelo y, por tanto, insoluble; ácidos fúlvicos (FA), que tienen gran cantidad de grupos funcionales oxigenados y son solubles tanto en medios ácidos como básicos, y ácidos húmicos (HA), insolubles en medios fuertemente ácidos, Canellas et al., 2001, citados en Antunes, Castilhos, et al, 2015, p.700) Por tanto, sostienen Senesi; Miano; Bruneti, (1996, citados en Antunes, Castilhos, et al, 2015) “las transformaciones de HS respecto a la cantidad de AH y AF durante el vermicompostaje permiten inferir sobre el grado de estabilidad y madurez de la materia orgánica presente en los productos finales” (p.700). Ahora bien, para el adecuado crecimiento y desarrollo de las plantas se requiere el funcionamiento químico de los mecanismos de regulación. Aquí menciona Fichet (2017) a la hormona vegetal denominada fitohormona; se trata de una sustancia orgánica que se produce en los mismos tejitos de la planta. De estas hormonas se han identificado grupos “auxinas, giberelinas (GA), citoquininas 14 (CK), brasinosteroides (BR), estrigolactonas (SL), etileno, ácido abscísico (ABA), jasmonatos (JA) y ácido salicílico (SA)” (p. 2), que inciden en el crecimiento de las plantas. Esto se ha evidenciado en experimentos donde las plantas mostraron patrones de crecimiento con la adición de auxinas, GA y CK exógenas a través del suelo. Adicionalmente, se ha establecido que los abonos orgánicos, en particular el vermicompost, mejoran la estructura del suelo, lo cual está en consonancia con la fertilidad y, en consecuencia, con la productividad, especialmente de aquellos suelos que se someten a labor intensa y a presión intensa, por ejemplo, por pastoreo de ganado. Lombrices de tierra Las lombrices de tierra son anélidos oligoquetos celomados; aportan de manera importante propiedades físicas, químicas y biológicas a los suelos en muchos ecosistemas y aceleran la descomposición de la materia orgánica (Domínguez, Aira, Gómez, 2009) (Ver Figura 1). De acuerdo con estos autores existen más de 8000 especies de lombrices de tierra, sin embargo, los estudios no han ahondado en sus aspectos biológicos ni ecológicos. En relación con su clasificación es importante mencionar que Las distintas especies de lombrices tienen estrategias vitales diferentes, ocupan nichos ecológicos distintos y se han clasificado, sobre la base de su alimentación y de la zona del suelo en la que viven, en tres categorías ecológicas: epigeas, anécicas y endogéas. (Bouché 1977, citado en Domínguez et al., 2009, p. 20) (Ver Figura 2). Figura 2. Esquema de habitad de lombrices epígeas endogéas y anécicas. Fuente: Agroquímicos Arca S.A https://www.facebook.com/pages/category/agricultural-cooperatives/Agroqu%C3%ADmicos-Arca-SA-de-CV-1064814503718810/ https://www.facebook.com/pages/category/agricultural-cooperatives/Agroqu%C3%ADmicos-Arca-SA-de-CV-1064814503718810/ 15 Lombrices categoría epigeas El habitad de estas lombrices se ubica en la capa superficial de la tierra, en la hojarasca; por lo tanto, su alimentación consiste en partículas grandes de material orgánico sin descomponer (López, (s.f)); esta especie vive en madrigueras pasajeras, pues migran frecuentemente con el fin de encontrar lugares con mayores cantidades de materia orgánica. Su cuerpo es de tamaño pequeño con una pigmentación homogénea; poseen adaptabilidad al cambio de condiciones ambientales. Estas lombrices tienen la capacidad de regular sus procesos reproductivos dependiendo de la disponibilidad de alimentos. Es decir, si cuentan con cantidades generosas de alimento se reproducen rápidamente; pero si, por el contrario, es una temporada donde escasea la comida o cambian las condiciones de temperatura ambiente, su reproducción baja a los mínimos necesarios, llegando incluso a detenerse (Sánchez, 2017). Se adapta fácilmente a diferentes rangos de pH, temperatura y humedad de los sustratos en los que se desarrolla (Edwards,1998, citado en Sánchez, 2017). La especie de los géneros Eisenia spp., la Eisenia foetida y la Eisenia andrei, son lasmás utilizadas en la producción de vermicompost dada su fácil crianza y porque sus características reproductivas y metabólicas ayudan a que el proceso de fabricación del vermicompost sea más rápido y sencillo; esta especie se caracteriza, así mismo, por sus procesos digestivos eficientes, lo que le permite el consumo y procesamiento rápido de altas cantidades de materia orgánica (Domínguez & Gómez, 2010). Lombrices categoría endogéas Las especies de lombrices endogéas viven más profundo que las epigeas, en el perfil del suelo. Su alimentación, dado que contribuyen en los procesos de formación del suelo, incluye raíces y hojarasca en descomposición y mezcla de suelo (Domínguez & Gómez, 2010). Su cuerpo es más grande que las lombrices epígeas y su pigmentación es más tenue y tiende a coloraciones grises, azules o verdosas; al habitar capas más profundas, construyen sistemas ramificados horizontales de galerías cuyas paredes se encuentran tapizadas de yeso, producto de sus propias deyecciones. Cabe mencionar que estas lombrices, al participar en procesos de formación del suelo, facilitan la entrada de oxígeno a la tierra a partir de la construcción de sus túneles o galerías. En comparación con las epigeas, tienen tasas más bajas de reproducción y ciclos de vida más largos y, de acuerdo con Lakhani & Satchell 1970, citados en Domínguez & Gómez, 2010), presentan mayor resistencia a periodos largos sin alimento. “A este grupo pertenecen especies como Aporrectodea caliginosa, Aporrectodea rosea, 16 Octolasium cyaneum, Octolasion tyrtaeum, Polypheretima elongata y Pontoscolex corethruru” (Domínguez & Gómez, 2010, p. 310). Lombrices categoría Anécicas Las especies de lombrices anécicas viven en madrigueras verticales entre sistemas que pueden extenderse varios metros en el perfil del suelo. Las madrigueras permanentes de las lombrices anécicas crean un gradiente microclimático que se puede encontrar en la superficie o a cierta profundidad, dependiendo de las condiciones predominantes del suelo y de la disponibilidad de alimento. En el día suelen esconderse en perfiles más profundos y emergen por la noche para alimentarse principalmente de desechos encontrados en la superficie, estiércol y otra materia orgánica descompuesta que arrastran hacia sus madrigueras. Suelen depositar sus excrementos en la superficie. Estas lombrices son de gran tamaño cuando son adultas; anterior y dorsalmente son de color marrón oscuro. Sus tasas metabólicas y de reproducción son relativamente bajos (Satchell 1980 y Lavelle 1983, citados en Domínguez & Gómez, 2010). “. Algunas de las especies incluidas en este grupo son Lumbricus terrestris, Lumbricus friendii, Aporrectodea trapezoides, Aporrectodea longa y Octodrilus complanatus” (Domínguez & Gómez, 2010, p. 311). Ahora bien, en relación con la habilidad de estos organismos de transformar la materia orgánica del suelo en compuestos fértiles, es relevante resaltar que las lombrices realizan transformaciones físicas y químicas. Si se hace referencia a los cambios físicos, las lombrices de tierra generan una zona denominada “drilósfera”, se trata de las galerías que construyen, a través de las cuales van deyectando heces ricas en nutrientes orgánicos y minerales que, a su vez, estimulan la actividad microbiana (Ciencia Regional, 2017). En lo que corresponde a los cambios en propiedades químicas, las lombrices juegan un papel crucial en el ciclo del carbono al consumir celulosa y excretar compuestos de carbono y nutrientes aprovechables para otros organismos. La lombriz Eisenia fétida, a partir de su microbiota intestinal, digiere la celulosa directamente y, además, con la actividad y la biomasa microbiana conducen a un cambio en el equilibrio entre hongos y bacterias (Savigny 1826, citado en Shipitalo & Le Bayon, 2004). Los efectos de las lombrices sobre la infiltración también se han investigado en laboratorio utilizando columnas de suelo intactas o reempacadas con lombrices residentes o inoculadas. Aunque estos estudios han proporcionado información sobre los mecanismos que afectan la infiltración, una preocupación, particularmente con las columnas de suelo inoculadas es que las madrigueras formadas 17 no fueron representativas frente de aquellas construidas bajo condiciones más naturales (Springett y Gray 1998, citado en Shipitalo & Le Bayon, 2004). En relación con la función de los macroporos, estos están asociados a la filtración del agua. A partir de estudios en los que se utilizan macroporos construidos artificialmente se encontró que las madrigueras artificiales carecen del revestimiento rico en materia orgánica o drilosfera, compuesta por excrementos de lombrices, secreciones mucosas y restos de plantas, que pueden afectar el movimiento de agua y químicos (Stehouwer et al. 1993, 1994, citados en Shipitalo & Le Bayon, 2004). Por otra parte, los macroporos construidos por las lombrices pueden aumentar las tasas de infiltración de 2 a 15 veces, lo que reduce la escorrentía (Ehlers 1975; Joschko et al., 1989; Edwards et al., 1990; Kladivko & Timmenga 1990; Bouché & Al-Addan 1997; Willoughby et al. 1997, citados en Shipitalo & Le Bayon, 2004, p. 190) y, al tiempo, reducen de la pérdida de suelo. Sistema digestivo El sistema digestivo de las lombrices de tierra es relativamente simple y consiste en boca, faringe, esófago, buche y molleja, llamada zona de recepción, seguida del intestino anterior, donde se secretan enzimas. La cavidad bucal tiene una musculatura que le permite ejercer una succión al tomar material orgánico o microorganismos y pasarlos de la faringe al esófago, que tiene glándulas calcíferas que secretan calcio (Edwards & Fletcher, 1988). Dicho material pasa al buche, que es grande y termina en una molleja trituradora; detrás de la molleja se encuentra el intestino que es un tubo cilíndrico simple, revestido con un epitelio de células columnares (Edwards & Fletcher, 1988). El intestino consta de cuatro áreas, una parte anterior contráctil que secreta moco y proteínas, seguida de una región del intestino medio que está ciliada; sigue la parte del intestino revestido por una membrana peritrófica que termina en el ano (Edwards, 2004, p. 5). (Ver Figura 4) Figura 4. Esquema del sistema digestivo, lombrices de tierra. Fuente: Brainly.lat. (2017). 18 Durante el proceso digestivo, la materia orgánica ingerida se adhiere al moco extruido por el epitelio bucal. En lo que puede describirse como un proceso de succión, la presión sobre la pared de la cavidad bucal es liberada, con lo cual se introduce el alimento. En una acción similar, la faringe ejerce una succión para que entre la comida, desencadenando movimientos peristálticos esofágicos y empujando el bolo hacia la molleja (Arthur, 1965, citado en Edwards & Fletcher, 1988). El peristaltismo continúa a lo largo del sistema por acción ciliar en el esófago; este junto con la molleja transportan el alimento hasta el intestino. Una serie de pliegues del buche regulan la velocidad peristáltica para mesclar los alimentos. Las dilataciones en forma de saco del intestino anterior sufren expansiones y contracciones rítmica. En este proceso interviene también la locomoción, la cual ayuda en el paso de los materiales por el intestino (Edwards & Lofty, 1977, citados en Edwards & Fletcher, 1988). Diversidad taxonómica de bacterias asociadas al vermicompost Dentro del primer grupo de microorganismos se encuentran las bacterias promotoras del crecimiento vegetal. “La expresión Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR) fue acuñada por Kloepper, J y Schroth M en 1978, para describir las bacterias que habitan la rizosfera y que afectan positivamente el desarrollo de las plantas” (Moreno et al., 2018, p. 8) y lo pueden hacer a través de mecanismos directos, indirectos o combinados. Son directos cuando las bacteriassintetizan metabolitos que facilitan a las plantas la obtención de elementos nutritivos, por ejemplo, fijación de nitrógeno, síntesis de fitohormonas solubilización de fósforo, incremento en la permeabilidad de la raíz, entre otros (Esquivel, Gavilanes, et al., 2013, citados en Moreno et al., 2018). Son mecanismos indirectos aquellos que inhiben la aparición de fitopatógenos a partir de sustancias antimicrobianas o de antibióticos, de enzimas; por competencia elementos nutritivos, por un espacio en el nicho ecológico, por biocontrol, entre otros (Esquivel, Gavilanes, et al., 2013, citados en Moreno et al., 2018). Desde esa perspectiva, las lombrices pueden aumentar la población de rizobacterias en el suelo, estas bacterias mejoran las tasas de crecimiento de ciertas plantas al ayudar a solubilizar nutrientes en el suelo. Las bacterias sintetizan fitohormonas y vitaminas y estimular la germinación de semillas. Con la adaptabilidad fisiológica, las bacterias en las zonas de la rizósfera generan variedad de metabolitos, además, aumentan los minerales y nutrientes disponibles, se realiza una mayor fijación, del nitrógeno; las plantas se hacen más resistentes a las heladas y se realiza un control de patógenos y enfermedades (Sturz & Christie, 2003, citados en Cano, 2011). 19 Otra forma en la que las bacterias hacen del vermicompost un material de gran interés agrícola es la actividad antagónica que estas pueden tener contra diferentes fitopatógenos. La actividad antagónica de los vermicompost se le atribuye mayormente a la naturaleza de los microorganismos autóctonos de la lombriz. Bacterias inherentes producen enzima solubilizante de fosfato e indirectamente por la producción de una amplia gama de metabolitos antifúngicos, enzimas hidrolíticas y sideróforos (Gandhi, Narayanan, Ravindra & Sakthivel, 2009). Miembros de los géneros Pseudomonas, producen AIA, sideróforos y cianuro de hidrógeno. Bacillus, produce AIA, solubiliza el fósforo y tiene actividad antifúngica; Azospirillum, produce AIA y tiene actividad nitrogenasa; Azotobacter, produce AIA, amoníaco y giberelinas Burkholderia, que produce ACC deaminasa y solubiliza metales pesados; Chryseobacterium suprime algunos fitopatógenos, conocidos por su potencial de promoción del crecimiento de las plantas, y están incluidos dentro del aumento de diversidad y riqueza de microorganismos producto del vermicompost y la subsecuente generación de microambientes ideales, resultado de la actividad de las lombrices (Ahemad & Kibret, citados en Moreno et al., 2018). En la Tabla 3 se muestra el género de las bacterias presentes en los tres tipos de compostaje. El estudio de Vivas, Moreno, García y Benítez (2009) muestra la mayor densidad poblacional de bacterias existente en el vermicompost finalizado que en los otros tipos de compostaje. Todas las secuenciaciones hechas en este estudio con base en la función de “coincidencia de secuencias” fueron exitosas al tener una puntuación S_ab mayor a 0,7 (Maidak et al, 2001, citados en de Vivas, Moreno, García y Benít, et al., 2009) (Ver Tabla 3). 20 Tabla 3. Identificación de coincidencia más cercana de secuencias del gen 16S rRNA bacteriano aisladas de la mezcla inicial de residuos de aceitunas y estiércol de oveja (8:1) (OW), compost (COW) y vermicomposta (VOTO) Fuente: Tomado de (Vivas et al., 2009). Diversidad taxonómica de hongos asociados al vermicompost La comunidad microbiana residente es la activa mediadora de la biodegradación y conversión implicada en la elaboración de compost (Pradas, 2020). Dentro de esta comunidad, los hongos son de máxima importancia debido a su capacidad para utilizar fuentes de carbón; de acuerdo con la temperatura que emplean, los hongos se pueden clasificar en psicrófilos, mesófilos y termófilos y las características de la temperatura puede estar dada en términos de máximos, óptimos y mínimos. Los hongos son mesófilos, crecen entre 5° y 37°C, algunos pueden crecer por encima de los 45 ° C y pueden ser termófilos y termotolerantes. El primero tiene una temperatura máxima de crecimiento de 50 °C o más, y una mínima igual o superior a 20 °C (Cooney y Emerson 1964, citado en Shekhar, 1989). El hongo termotolerante puede crecer a cerca de 50 °C y también puede crecer por debajo de 20 °C. En el compostaje termogénico convencional de dos fases los hongos se recuperan principalmente cuando la temperatura cae por debajo de 50-40 °C después del calentamiento máximo (a menudo alrededor de 70/80 °C). Estos son responsables de la degradación de la mayoría de los polímeros recalcitrantes (Diácono, 1997). El vermicompostaje es un proceso esencialmente no-termófilo, 21 durante el cual las lombrices de tierra interactúan con el microbiota y estabilizan los residuos orgánicos (Sainz et al.1998). Las lombrices influyen en los hongos a partir de la alteración del estado físico y químico que generan en el suelo (Jones et al., 1997 citaos en Alexei, T., & Stefan Scheu). El hecho de que un proceso sea termofílico y el otro mesófilo significa que la composición de la comunidad de hongos en compost y vermicompost es diferente (Beffa et al., 1998). Además, las diferencias surgen porque la materia prima de los vermicompost puede contener un mayor porcentaje de desechos animales, como las heces de herbívoros. Esta interacción influye sobre la germinación y dispersión de las esporas y crean micrositios que pueden ser favorables o desfavorables para desarrollo de hongos (Brown, 1995; Tiunov & Scheu, 2000, citados en Anastasi, et al., 2005). Entre los hongos, aquellos que se caracterizan por promover el crecimiento de las plantas y no son fitopatógenos sino saprofitos o endófitos se denominan PGPF por sus siglas en inglés (Plant Growth Promoting Fungi). La gran mayoría de PGPF están dentro del filo Ascomycota, de los cuales la microbiota del vermicompost suele tener mayor diversidad en comparación con el compost termófilo (Hossain, Sultana & Islam, 2017). Entre los géneros de PGPF reportados con más frecuencia están Penicillium, que tiene actividad bactericida, además de aumentar la tasa de germinación; Aspergillus, que aumenta el crecimiento del tallo; Fusarium, que induce resistencia en la planta y reduce propagación de patógenos; Phoma, que ayuda a romper la dormancia de las semillas y produce compuestos orgánicos volátiles que aumentan el crecimiento del tallo; y Piriformospora, que actúa como inductor del sistema de resistencia a patógenos (Nassimi & Taheri,, 2017). El género más común del vermicompost es Penicillium spp., pero cabe aclarar que el vermicompost no se caracteriza necesariamente por tener una mayor abundancia de hongos específicos, sino por tener una mayor riqueza y diversidad de estos, lo cual, facilita la supresión de fitopatógenos por competencia y diversifica la producción de diferentes enzimas que pueden funcionar como promotores de crecimiento (Anastasi, Varese & Filipello, 2005) (Ver Tabla 4). Vale resaltar que el vermicompost tiene una mayor diversidad de hongos que el compost, sobre todo en especies del género Chrysosporium, Myceliophthora y Scopulariopsis (Anastasi et al., 2004). Tanto los ascomicetos como los basidiomicetos son más abundantes en el vermicompost que en el compost, esto podría deberse a su diferente composición (Anastasi et al., 2004). Una explicación alternativa es la alimentación preferencial de las lombrices sobre hongos de rápido crecimiento (Moody et al. 1992, citados en Anastasi et al., 2004). Otro punto de interés es el bajo potencial fitopatógeno del vermicompost con una carga de Fusarium. La amplia aplicación del vermicompost como fertilizante es muy recomendado por su baja incidencia en patógenos fúngicos (Anastasi et al., 2004). 22 Tabla 4. Carga máxima de diferentes especies de hongos aislados a partir de compostajetermófilo (C) y vermicompostaje (VC) Fuente: Anastasi, et al., 2005 23 Métodos de caracterización microbiológica El control microbiológico requiere mucha precisión dadas las repercusiones que puede tener en ámbitos de la salud, la industria alimentaria y el medio ambiente. Es por ello que los diferentes métodos empleados se acogen a criterios técnicos de alta fiabilidad. Para la caracterización de microorganismos se suelen emplear herramientas tanto moleculares como no moleculares. Las herramientas no moleculares están enfocadas al crecimiento en medios de cultivo; se basan en la descripción de las características fenotípicas y/o metabólicas del microorganismo aislado para luego identificarlo mediante el uso de claves taxonómicas (Cocolin, Dolci, & Rantsiou, 2010). Existen también las herramientas no moleculares basadas en el enriquecimiento de una muestra para su visualización. Estas herramientas se dividen en dos, las que se detectan directamente con la descripción de las colonias y microscopía y, las que se detectan con evidencias metabólicas (pruebas bioquímicas). La visualización directa de las colonias necesita el crecimiento del microorganismo en un medio indicado para seleccionarlo y proveerle los nutrientes que requiera. Una vez se tiene al microorganismo aislado y con su correspondiente descripción morfológica, en el caso de los hongos, se utilizan guías taxonómicas que pueden basarse en características tanto macroscópicas (como el color o la apariencia de la colonia) como microscópica (como color y características del micelio, forma y características de los propágulos asexuales y sexuales que se puedan observar por microscopía). Dependiendo de las características morfológicas del individuo se puede identificar al microorganismo. Las pruebas bioquímicas permiten confirmar la producción de moléculas y/o enzimas y, por tanto, tener una noción fisiológica de los microorganismos. Una limitante en los métodos de cultivo es la dificultad de recrear en laboratorio las condiciones naturales de algunos microorganismos. Por su parte, las estrategias moleculares están basadas, en su mayoría, en la secuenciación del genoma de los microorganismos o en la secuenciación de un gen marcador que se comparta en todos los microorganismos que se desean identificar. En las bacterias se amplifica y secuencia típicamente la región V1 y V3 del 16S rRNA (gen marcador), “la comparación de las secuencias de los ARNr 16S permite establecer las relaciones filogenéticas entre los organismos procariotas. “Esto ha incidido en la taxonomía bacteriana, dando lugar al sistema de clasificación vigente y permitiendo la identificación rápida y precisa de las bacterias” (Rodicio & Mendoza, 2004, p. 1). En el caso de los hongos se usa la región ITS o 18S rDNA “la región espaciadora interna transcrita, ITS (Internal Transcribed Spacer), se encuentra entre los genes del 18S rRNA, 5.8S rRNA y 28S, de hongos y otros eucariontes; esta es ampliamente utilizada para analizar la diversidad genética e identificación taxonómica” (UGA LANGEBIO, 2022). https://www.elsevier.es/es-revista-enfermedades-infecciosas-microbiologia-clinica-28-articulo-identificacion-bacteriana-mediante-secuenciacion-del-13059055#affa http://labsergen.langebio.cinvestav.mx/genomics/ 24 Con tal información genética podemos encontrar índices de diversidad y riqueza. Es importante señalar que en la actualidad se emplean con mayor recurrencia las herramientas moleculares pues la identificación y cuantificación con técnicas moleculares ofrecen mayor precisión. Ecología microbiana en el proceso de formación del vermicompost Los microorganismos asociados con el sustrato y la lombriz de tierra juegan un papel clave en el vermicompostaje (Domínguez & Pérez, 2011). No solo ayudan en la biooxidación durante el vermicompostaje, sino también en la maduración del vermicompost (Aira, Monroy & Domínguez 2007). Las lombrices en su proceso de alimentación prefieren orgánicos que estén semicompostados, esto significa que el alimento debe tener un grado de oxidación donde podamos evidenciar la presencia de microorganismos aerobios. Por ejemplo, en un experimento se encontró que cuando de la comida de las lombrices fue sustituida la “bacteria Pseudomonas aeruginosa por dos especies de hongos, Mucorhiemalis y PeniciUium sp., estas consumieron más discos de papel de filtro con hongos que sin ellos” (Cooke y Luxton, 1980, citados en Edwards & Fletcher, 1988, p. 11). Los alimentos frescos pueden llegar a generar un proceso de compostación en donde se aumenta la temperatura del medio, causando la muerte de las lombrices en su medio de cultivo (Domínguez, Aira, Kolbe, Gómez & Pérez, 2019). Al comienzo de la vermicompostacion las lombrices tienen una dieta basada en proteobacterias y Bacterioidetes, una vez estas se alimentan, migran en búsqueda de nuevo alimento dejando a su paso sus excretas con Acidobacterias, Actinobacterias y Bacterioidetes cambiando las composiciones fisicoquímicas en el medio, por esta razón, es de gran importancia saber que el vermicompostaje tiene diferentes etapas de maduración (Domínguez, et al., 2019). En la fase bioxidativa, la materia orgánica pierde volumen como consecuencia de la mineralización y pérdida de carbono y, en la fase de maduración se presenta más síntesis de compuestos húmicos que mineralización. “La actividad respiratoria, que se puede establecer a partir de la medición del dióxido de carbono producido o el oxígeno consumido por los microorganismos heterótrofos aerobios o la determinación del calor liberado, son indicadores de la evolución de la actividad biológica” (Villar, 2017, p. 16). En este momento se encuentra nitrógeno orgánico disponible en las formas proteínicas, peptídicas o en forma de aminoácidos libres. Ocurre también que, dada la resistencia de las “moléculas de quitina y lignina al ataque microbiano, la pequeña cantidad de nitrógeno en ellas se libera lentamente” (Díaz et al., 2002, citados en Villar, 2017, p. 16). Así mismo pH y temperatura alta generan volatilización de amoniaco; la presencia de amonio/nitrato se puede interpretar como indicador de madurez. 25 En relación con pH alto, este favorece el crecimiento de Actinobacterias y Bacteriodetes mientras que un pH bajo favorece el crecimiento de Proteobacterias. Esto indica que en las diferentes fases de vermicompostacion y compostación la actividad microbiana cambia sus características físicas y químicas (Ver Figura 5). Figura 5. composición de la comunidad bacteriana Fuente: tomado Domínguez et al., 2019. El vermicompostaje se considera maduro después de 3 meses, en donde la población y el peso del sustrato de cultivo se duplica (Durán & Henríquez, 2007). Hay que tener en cuenta que la alimentación debe ser cada 15 días. Si la lombriz se alimenta muy frecuentemente no digerirá los orgánicos suministrados dejando trazas de vermicompost inmaduros, lo que altera la calidad del producto (Zapata et al., 2017). De acuerdo con Ferruzi (1986) y Martínez (1996, citados en Durán & Henríquez, 2007) las características fisicoquímicas y microbiológicas determinan dicha calidad, y en ello tienen un papel determinante los tiempos y tipos de alimentación para evitar que el vermicompost sea un posible vector de patógenos para las plantas (Ver Figura 6). 26 Así, si la alimentación de las lombrices se hace con heces animales, se debe tener en cuenta que estas no se pueden suministrar frescas, en primer lugar, por las altas temperaturas a las que puede llegar y, por otro lado, pueden ser una fuente de microorganismos patógenos para humanos. Es importante señal que “muchos parásitos animales son transmitidos de huésped a huésped por las lombrices, que pueden ser huéspedes intermedios esenciales o simplemente huéspedes reservorios de los parásitos, transmitiéndolos sinninguna influencia directa en los ciclos de vida de los parásitos” (Edwards & Aracon, 2022). Por tanto, para brindar una dieta con heces animales hay que realizar un proceso de precomposteado con el fin de reducir la temperatura, la acidez y los parásitos. Cabe señalar que las comunidades microbianas varían dependiendo del sustrato que se use en las camas de cría de lombriz (Gopal & Murali, et al., 2017). Figura 6. Cambio de la comunidad de bacterias asociado con cada estado de vermicompostaje Fuente: tomado de Gopal, et al., 2017 La cría de lombriz o lombricultura es una biotecnología muchas veces complemento de una actividad agrícola y que consiste en la transformación de materia orgánica. La procedencia de dicha materia orgánica puede ser de granjas animales, cría de cerdos, por ejemplo, (por su pH alto, no se recomienda estiércol de aves) o concretamente de la industria ganadera; puede tratarse de heces de los animales de crianza o desperdicios orgánicos como pastos, residuos de talas y otros restos vegetales que se encuentren en descomposición; pero su fin último es convertirse en abono orgánico compost o vermicompost. Dependiendo entonces del tipo de materia orgánica que se emplee para la 27 alimentación de las lombrices se producirán comunidades bacterianas y fúngicas diferentes, en la medida en que los microorganismos presentes en los diferentes desechos orgánicos vegetales son diferentes a los desechos orgánicos asociados con heces. Actividad metabólica a partir de microorganismos en el vermicompost Ácido indolacético El ácido indol-3-acético (AIA) es una auxina importante para la realización de los procesos fisiológicos como la división y elongación celular en las plantas. Así mismo, incide en funciones vitales como la respuesta a la luz, la gravedad y la presión atmosférica (Vega, Canchignia, et al, 2016). Otro aspecto que se debe considerar son las llamadas rutas biosintéticas de AIA de las bacterias, se trata de procesos metabólicas que dependen del triptófano; la ruta IPA actúa sobre bacterias que inciden en el crecimiento de las plantas (PGPB) y la vía IAM hace parte de las bacterias fitopatógenas (Vega, et al., 2016). Ahora bien, en el vermicompost podemos encontrar bacterias capaces de establecer rutas metabólicas que producen este tipo de auxinas. Entre las bacterias presentes en el vermicompost capaces de producir AIA están Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas monteilii, Pseudomonas fluorescens, Bacilus pumilus Bacilus subtilis, Bacilus flexus, Actinobacter calcoaceticus, Actinobacter baumannii, Actinobacter junii, Chryseobacterium sp, Enterobacter cloacae (Pathma & Sakthivel, 2013). Desaminación del Ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico La enzima desaminasa del ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC) es una vía metabólica que utilizan algunas PGPB para promover el crecimiento de plantas influenciadas por el estrés ambiental. Esta actividad enzimática provee dos ventajas fundamentales: reducir el etileno en la planta e incrementar la disponibilidad de amonio en la rizosfera, ayudando a la nutrición vegetal y la resistencia a factores de estrés (Esquivel, Gavilanes et al., 2013). Dentro de las bacterias que podemos encontrar en el vermicompost capaces de intervenir en el ciclo de la ACC está la Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas monteilii, Pseudomonas Fluorescens, Bacilus pumilis Bacilus subtilis, Bacilus flexus, Bacillus megatherium, Bacillus thuringiensis, Bacillus tequilensis, Bacillus licheniformis, Bacillus aryabhattai, Bacillus aquimaris, Microbacterium takaoensis, Acinetobacter genomosp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter baumannii, Chryseobacterium sp., 28 Paenibacillus sp., Rhodococcus ruber, Enterobacter cloacae, Rheinheimera sp, Cellulomonas sp (Pathma & Sakthivel, 2013). Solubilización de fosfatos Para que la planta pueda llevar un desarrollo óptimo el suelo debe contener fósforo soluble. De tal manera es más disponible para asimilarse. El fosfato es un macronutriente que interviene en metabolismo energético celular; está implicado con la formación y desarrollo de la raíz y el grano; actúa en la fotosíntesis, en el crecimiento y la floración, en la glucólisis, y en procesos como la respiración y la síntesis de ácidos grasos. El fosfato, además, contribuye en la formación de fosfolípidos de las membranas celulares (Corrales, Arévalo & Moreno 2014). El fósforo se encuentra en baja disponibilidad en la corteza terrestre debido a que la movilidad en el suelo es restringida, de tal forma que la planta absorbe el elemento de su entorno específico en mínimas cantidades, esta condición natural ha generado interés por encontrar alternativas que faciliten la absorción de éste por las raíces de las plantas y así incrementar la concentración disponible en la rizosfera (Corrales, et al., 2014). En la naturaleza las reservas de fósforo se encuentran en las rocas unido al oxígeno formando fosfatos, estos se disuelven gracias a la acción de microorganismos en el suelo facilitando el movimiento a través de las raíces (Zabala, Velásquez, Cardona, et al, 2009). 2009). Las bacterias que podemos encontrar en el vermicompost capaces de solubilizar fósforo son Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas monteilii, Pseudomonas Fluorescens, Bacillus thuringiensis, Bacillus altitudinis, Bacillus horneckiae, Bacillus mareisflavi, Bacillus pumilis, Bacillus cereus, Microbacterium schleiferi, Microbacterium schleiferi, Acinetobacter genomosp, Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter baumannii, Rhodococcus sp, Enterobacter cloacae (Pathma & Sakthivel, 2013). Producción de sideróforos El hierro (Fe) en las plantas es esencial para su desarrollo, pues interviene en la síntesis de clorofila, además, de ayudar con la síntesis de ADN, respiración y detoxificación de radicales libres. En la naturaleza lo podemos encontrar en forma de Fe3+en sales e hidróxidos de baja solubilidad, formas químicas que imposibilitan su uso por algunos seres vivos. Al ser su solubilidad tan baja es 29 indispensable la acción de sistemas bióticos que ayuden a generar compuestos quelantes (Aguado, Moreno, Jiménez, et al, 2012, p. 1). Cuando la tasa de oxígeno es baja, el hierro se encuentra en estado de oxidación +2 (ferroso) y soluble; cuando el oxígeno aumenta se encuentra en valencia +3 (férrico), formando parte de diferentes minerales insolubles. Para capturar el hierro presente en minerales del entorno, las células producen moléculas llamadas sideróforos que transportan el hierro al interior de la célula. Los sideróforos pueden ser derivados del ácido hidroxámico, que se comporta como un quelante férrico (Química.es. (s.f.)). Los sideróforos bacterianos contribuyen enormemente para el control biológico de hongos y bacterias fitopatógenas, además, contribuyen al crecimiento en rizobacterias, las cuales, a su vez, intervienen en el crecimiento vegetal. En las plantas los equivalentes a estas moléculas son los fitosideróforos, que tienen un papel fundamental en la nutrición del hierro en las plantas (Aguado, et al, 2012). Dentro de las bacterias capaces de solubilizar hierro en forma de sideróforos son: Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas monteilii, Pseudomonas Fluorescens, Bacillus thuringiensis, Bacillus altitudinis, Bacillus horneckiae, Bacillus mareisflavi, Bacillus pumilis, Bacillus cereus y Chryseobacterium sp (Pathma & Sakthivel, 2013). Producción de proteasa Uno de los grupos más destacados en el mercado de enzimas industriales son las proteasas microbianas por su fácil obtención en términos económicos y de estabilidad. Las proteasas son enzimas capaces de romper enlaces peptídicos e intervienen en procesos muy importantes de los organismos (Paredes, Flores & Zavaleta, 2017). Por otro lado, existen los inhibidores de proteasas vegetales, cuya funciónprincipal “es de defensa y de regulación de las proteinasas endógenas, pero también pueden funcionar como proteínas de almacenamiento” (Birk, 2003; Mosolov et al., 2001; Shewry, 2003, citados en Martín, 2013, p.12). Así mismo, dichos inhibidores forman “complejos estables con las proteasas blanco en el tracto digestivo reduciendo así la habilidad del agente invasor a usar sus proteínas” (Bode et al., 1992; en Martín, 2013, p.12), y reducen el ataque del patógeno. Con dicho mecanismo muchas plantas producen compuestos patógenos, pero los péptidos antimicrobianos las protegen. Importancia en la agricultura 30 Biofertilizantes A diferencia de los fertilizantes, los biofertilizantes utilizan agentes biológicos que facilitan reacciones químicas para la optimización de minerales presentes en el suelo; con los fertilizantes presentan una carga química de un compuesto soluble para las plantas sin el uso de un agente biótico (Afanador, 2017). Los biofertilizantes en su totalidad son orgánicos y son producto de microorganismos benéficos del suelo que se han ido alimentando de las proteínas presentes en la materia orgánica. Es habitual que los agricultores inviertan grandes cantidades de dinero en la fertilización del suelo con productos sintéticos que, a largo plazo, contaminan la tierra, el agua y el aire, deterioran las condiciones naturales del suelo, incluso para su defensa de patógenos. Por ello, el vermicompost, como biofertilizante, representa una serie de ventajas frente al uso de fertilizante tradicionales, por ejemplo, posee las proporciones de nitrógeno, fósforo, potasio y micronutrientes óptimas; tiene una carga microbiana capaz de ser utilizada para biorremediación y rehabilitación de terrenos. La revolución verde fue un momento histórico a mediados de siglo XX donde se empezó a mecanizar la forma de producción agrícola con el incremento de usos de herbicidas, fungicidas, insecticidas y fertilizantes, de origen sintético, sin pensar en los efectos adversos que esto iba a traer en la humanidad. Uno de los problemas fue que los alimentos empezaron a producir menores cantidades de proteína y aumentaron los hidratos de carbono generando enfermedades en los humanos alrededor del mundo y, por supuesto, el desgaste al suelo (Huerta y Martínez, 2018). Es por esto que es de gran importancia empezar a implementar soluciones orgánicas a los problemas que podemos encontrar en un cultivo y de esta manera brindar productos de calidad. Degradación de celulosa Las celulasas están directamente relacionadas con el ciclo del carbono en el suelo, descomponen los desechos vegetales, que están compuestos principalmente de celulasa, por tanto, es muy abundante en los ecosistemas terrestres y es una fuerte fundamental de energía para los microorganismos. En la naturaleza la celulólisis, la descomposición de celulosa en monómeros de glucosa (azucares simples) se produce como resultado de la acción combinada de hongos y bacterias con diferentes restricciones de acción; dependiendo el sustrato y de las condiciones ambientales existe la celulólisis no complejada o aeróbica que se lleva a cabo en presencia de oxígeno y, la celulólisis complejada, que se realiza sin oxígeno. En condiciones aeróbicas la celulólisis es realizada, principalmente, por 31 hongos, actinomicetos y bacterias, y bajo condiciones anaeróbicas, la llevan a cabo, casi exclusivamente, bacterias. En cuanto a microorganismos productores de celulasas están los hongos aeróbicos como Trichoderma viride, Trichoderma reesei, Penicillium pinophilum, Sporotrichum pulverulentum, Fusarium solani, Talaromyces emersonii y Trichoderma koningii (Ljungdahl & Eriksson 1985; Marsden & Gray 1986; Bhat & Bhat 1997; Dongowski et al. 2002, citados en Ovando & Waliszewski, 2005, p. 112); y las bacterias aeróbicas mesofílicas y termofílicas Cellulomonas sp., Cellvibrio sp., Microbispora bispora y Thermomonospora sp., y las bacterias anaeróbicas mesofílicas y termofílicas Acetivibrio cellulolyticus, Bacteroides succinogenes, Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefaciens y Clostridium thermocellum (Forsberg & Groleau 1982; Beguin & Aubert 1993, citados en Ovando & Waliszewski, 2005, p. 113). Las celulasas también son producidas por metazoarios como las termitas, los caracoles y las lombrices de tierra (Bignell, Roisin & Nathan, 2011; Watanabe, Noda, Tokuda & Nathan, 1998 Watanabe, & Tokuda, 2001, citados en Proyectos Wikimedia, 2022); estas últimas representan una parte importante de la biomasa de invertebrados del suelo, por lo que son organismos clave en la rápida descomposición de materia orgánica de origen vegetal. Esto, de acuerdo con Gómez, Lazcano, et al., (2010) les da enorme relevancia como facilitadores en la transformación de materia orgánica y, por tanto, como alternativa para elaboración de vermicompostaje. En la etapa de maduración del vermicompost las lombrices se “dirigen hacia capas nuevas de residuo fresco y, por la actuación de poblaciones microbianas más especializadas, responsables de la degradación de polímeros complejos como la lignina” (Domínguez 2004, citado en Gómez, et al., 2010 p. 398) En relación con la importancia de las lombrices en la biomasa, Aira, Monroy & Domínguez, (2006) establecieron en su estudio, al muestrear los vermireactores después de 36 semanas, que estas tienen unas altas tasas de reproducción; “encontramos una población media de 2800 lombrices por reactor en presencia de lombrices, es decir, un aumento de más de cinco veces en la población inicial de 500 lombrices de tierra maduras” (p. 741); además evidenciaron que hay una pérdida de celulosa en la descomposición de purín de cerdo, en la medida en que aumenta la edad de las lombrices (Aira, et al, 2006) (Ver Figura 3). 32 Figura 3. Pérdida de celulosa (a) y cambio en el contenido de hemicelulosa (b) en camas donde hay lombrices (cuadros negros) y sin lombrices (cuadros blancos) Fuente: Aira, Monroy, & Domínguez (2006). Fungicidas Existe una relación denominada convivencia simbiótica entre hongos y plantas. Se trata de relación simbiótica donde “el hongo encuentra un lugar donde vivir y obtiene carbohidratos, mientras la planta obtiene mayor capacidad de recibir elementos nutritivos del suelo y agua” (Alvarado, 2013). Estas relaciones, también llamadas micorrízicas representan beneficios para la agricultura y para el ámbito forestal. Una de las más empleadas en la agricultura alimenticia es la micorriza arbuscular, un ejemplo de ello son los cuatro géneros Glomus, Acaulospora, Entrophospora y Gigaspora que coexisten en cultivos de café en Colombia. Sin embargo, existen muchas enfermedades ocasionadas por hongos que pueden generar grandes pérdidas en el rendimiento y calidad de los cultivos. A estos hongos que afectan las plantas se les llama fitopatógenos, los cultivos que en más afectados a nivel mundial son arroz, trigo, maíz, papa y soya, y, entre otros, los géneros de hongos que atacan a estos cultivos son Fusarium, Giberella, Rhizoctonia, Verticillium, Alternaria y Botrytis, de acuerdo con Carreras, Hernández & Sánchez 33 (2013). Cabe mencionar que los cultivos afectados por hongos o bacterias, por lo general, tienen un historial de usos inadecuados por empleo intensivo, pastoreo y abuso de agroquímicos que deterioran el crecimiento de microorganismos benéficos y, por el contrario, desfavorecen la proliferación de agentes patógenos. En ese orden de ideas, controlar los patógenos fúngicos es fundamental para proteger los cultivos. Lo más habitual, para dicho control, es el uso de fungicidas. Dentro de estos elementos están los protectores, llamados de contacto que se aplican antes de la aparición de las esporas de los hongos y se deben aplicar en la totalidad de la planta; y los erradicadores, que se aplican cuando la planta ya hasido afectada y son absorbidos a través del follaje o de las raíces. No obstante, los fungicidas son altamente tóxicos; son fabricados a partir de químicos como metam-sodio, ziram y ferbam, que causan afectaciones en la salud humana de tipo dermatológico, alteraciones visuales y pulmonares; otro compuesto es el polisulfuro de calcio, el cual produce el sulfuro de hidrógeno, que afecta la respiración, afecta proteínas y forma quelatos con metales pesados en la célula fúngica, ocasionando daño ambiental por acumulación de metales pesados en el suelo y el agua (Zuccarelli, 2019). Ahora bien, en la actualidad existen diversas soluciones con enfoque ecológico. Sobre ello, lo primero que hay que decir es que son precisamente los suelos pobres en actividad microbiana los más propensos a ser atacados por fitopatógenos y, por tanto, uno de los mecanismos de origen biótico de supresión de patógenos y plagas es el vermicompost. La actividad de microrganismos como bacterias y hongos generada por las lombrices tiene fuertes efectos inhibidores (Pradas, 2020); las bacterias de la especie Bacillus subtilis son utilizadas como fungicidas para controlar hongos tales como Fusarium, Pythium, Phytophthora, Rhizoctonia solani, Sclerotinia, Verticillium dahliae, Botrytis cinerea, Alternaría y Erwinia. Además, hay diferentes bacterias que producen su propia quitinasa, (Ver Tabla 5). Las especies Bacillus subtilis y Thichoderma harzianum están presentes en el vermicompost y tienen la capacidad de controlar hongos patógenos. En relación con los hongos las especies de hongos Trichoderma asperellum, Thrichoderma atroviride, Thichoderma harzianum y Paecilomycetes lilacinus funcionan como competidores de hongos patógenos en el suelo (Pradas, 2020). Finalmente, Yasir, Aslam et al, (2009) evaluaron la acción antifúngica de varias cepas de Streptomyces aisladas de vermicompost actuando como agentes de biocontrol al minimizar el crecimiento de los fitopatógenos Fusarium oxysporum f. sp. Ciceri y Macrophomina phaseolina. Igualmente, verificaron que estas cepas tienen un comportamiento antagónico a Rhizoctonia bataticola (Yasir et al., 2009) (Ver Tabla 4). 34 Tabla 4. La actividad antifúngica estimada midiendo el diámetro de la zona del halo Símbolos: sin actividad; +, indicar actividad (+, 9-12 mm; ++, 13-18 mm; +++, por encima de 18 mm de diámetro de la zona del halo). Fuente: Tomado de Yasir et al., 2009 Conclusiones y perspectivas El vermicompost es una alternativa altamente viable como fertilizante agrícola. El objetivo de la presente monografía era referenciar las características positivas del vermicompost y su enorme potencial en la recuperación de suelos desgastados, pues uno de los primeros y más reconocidos beneficios es la carga química de nitrógeno, fósforo, sodio y potasio, la estabilización del pH, carbono orgánico total. Así mismo, diversos estudios han corroborado las ventajas del uso del vermicompost como insecticida y fungicida biológico contra patógenos vegetales. Por otra parte, la presencia de lombrices no solo es útil en la elaboración del vermicompost, sino que su presencia ayuda a mantener la aireación y porosidad del suelo, gracias a sus madrigueras, lo cual facilita además la elongación de las raíces de las plantas; estas características también ayudan con la retención o drenaje de agua del suelo. Desde otra perspectiva, es importante reiterar que algunos cuidados que se deben tener, a fin de garantizar la calidad del vermicompost, es el control de la temperatura y el aire; esto garantiza que se conserven las condiciones óptimas para la lombriz y, por tanto, la calidad del producto. En esa línea, el material orgánico usado como alimento tiene una gran repercusión la calidad de los nutrientes que 35 estarán disponibles para las plantas, por lo cual, si se emplea heces de algunos animales, se debe realiza un precompostaje para estabilizar el pH y, no usar excrementos de aves, pues estos presentan un pH muy alto y su estabilización demanda mucho más tiempo. Por todo lo anterior, es importante ahondar en estudios que permitan mejorar el conocimiento en torno a la preparación y aprovechamiento del vermicompost y el cuidado de las lombrices que lo producen. 36 Referencias bibliográficas Adhikary, S. (2012). Vermicompost, the story of organic gold: A review. 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