4.1.2. La química de suelos y la biominería

rización de las rocas, (2) materia orgánica en descomposición, (3) organismos vivos (bacterias, arqueas, hongos, animales y plantas), (4) fluidos (agua) y gases en intercambio con la atmósfera, (5) humus (materia orgánica descompuesta) lo que da el color oscuro o negro. La fertilidad del suelo está determinada por la fracción de arcilla (roca sedimentaria de grano fino) mezclada con humus. Las propiedades físicas del suelo dependen de la fracción de arena (grano grueso) y limo (barro de grano intermedio). Los residuos frescos (vegetales y animales) en descomposición se producen en la fracción de arena. En tanto, el limo y el humus se producen en la fracción de arcilla. El humus es la parte más reactiva de la materia orgánica y su capacidad para retener agua y nutrientes es muy superior a la arcilla, su contraparte inorgánica.

La taxonomía del suelo. La ciencia del suelo incluye dos ramas: la edafología (estudia la influencia sobre los seres vivos) y la pedología (estudia la morfología y clasificación). El primer criterio de clasificación de suelos se realizó en 1862, y supera el punto de vista estrictamente geológico. La clasificación se puede encarar desde diferentes puntos de vista: una clasificación química, mineralógica, climática, por la capacidad de uso, desde el punto de vista ingenieril o por el análisis genético. La FAO generó la Clasificación Mundial de Suelos en 1974 con 106 Unidades de Suelo. Tenían fases de suelo (salino, lítico, pedregoso); clases texturales (grueso, medio, fino) y clases de pendientes (plano ondulado, apaisado, montañoso). El mapa de suelos de la FAO era bueno a nivel continental, pero no a escala local. Hoy día se consideran dos sistemas jerárquicos: Soil Taxonomy y World Reference Base Soil Resources. En ambos se utilizan siempre propiedades cuantificables, no se usan criterios cualitativos. En el Soil Taxonomy se clasifican, usando 12 nombre terminados en “sol” (del latín solum): Gelisoles (suelos congelados), Histosoles (orgánicos húmedos), Spodosoles (cenizas de madera), Andisoles (cenizas volcánicas), Oxisoles (degradados), Vertisoles (arcilloso, tierra negra de Argentina), Aridisoles (muy secos), Ultisoles (muy ácidos), Melisoles (profundo fértil), Alfisoles (algo degradado), Inceptisoles (suelo joven), Entisoles (recién formado). En Estados Unidos se definió una clasificación en la secuencia orden, grupo, familia y serie (equivalente a especie en los seres vivos). La clasificación se basa en parámetros físicos, el material principal, los microbios (ecología), la topografía, el clima y la edad. Se catalogaron más de 20.000 tipos de suelos y en el 2003 se informó que el 4,5 % de los suelos estaba en peligro de extinción. En las áreas agrícolas el peligro de pérdida llega al 80 % debido al cambio de uso de la tierra. En China se informó que 17 tipos de suelo se habían extinguido y 88 están en peligro.

LOS COMPONENTES QUÍMICOS.

Elementos químicos básicos. Los animales no hacen fotosíntesis y necesitan consumir moléculas complejas para vivir (aminoácidos y vitaminas). Las plantas necesitan elementos químicos (nutrientes) para abastecer la fotosíntesis. No necesitan el suelo, solo nutrientes, por eso pueden recibirlo por hidroponía (cultivo sin suelo). Con la excepción de carbono, hidrógeno y oxígeno, que son suministrados por el CO2 y agua, los

demás nutrientes que requieren las plantas se derivan del componente mineral del suelo y del reciclaje de materia orgánica. Los nutrientes se absorben de la solución acuosa en el suelo en presencia de oxígeno para apoyar el metabolismo. Los nutrientes se agrupan en macroelementos (N, P, K, Ca, Mg y S) que se miden en gramos o porcentaje y los microelementos (Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, B y Cl) que se miden en miligramos o partes por millón. Hay 77 elementos químicos que circulan entre las rocas, el suelo, el agua y la atmósfera, en circuitos cerrados. Es lo que se llama el ciclo de los elementos y están activados por fuerzas naturales (erupciones volcánicas, terremotos, erosión por agua o viento y por la vida) y la intervención humana (minería, construcción y agricultura). La vida hace uso en total de 30 elementos químicos. Los elementos químicos se intercambian entre los seres vivos y la naturaleza siguiendo ciclos de dos tipos: biológico (ciclos rápidos y considerados cerrados) y geológicos (ciclos lentos, considerados abiertos a la escala humana). Los ciclos involucran la atmósfera (gases y polvo), hidrósfera (océanos, ríos, humedales), el terreno (rocas y suelo) y los seres vivos. Los elementos básicos de la vida (carbono, hidrógeno y oxígeno) pasan fácilmente desde el aire y agua a los tejidos vivos. Otros, como el nitrógeno, son un aporte de las bacterias fijadoras o de los descomponedores. El fósforo está firmemente guardado en la roca y solo la meteorización hace un aporte natural al suelo. El resto proviene del reciclaje.

El caso Sahara-Amazonas. Hace 150 Ma África y Sudamérica iniciaron un proceso de separación formando el Océano Atlántico. Hoy día mantienen un canal de comunicación unidireccional gracias a los vientos alisios ecuatoriales (este-a-oeste). Estos vientos alimentan al Amazonas y el Caribe con fertilizantes transportados en las tormentas de polvo desde el Sahara. /// Los estudios indican que se mueven 770 Mt de polvo al año (la mitad del valor global) y 160 Mt de aerosoles que cruzan el Atlántico en seis días. Unas 28 Mt caen en el Amazonas en el invierno y 43 Mt en el Mar Caribe en el verano. En el Amazonas caen 22.000 t de fósforo, un mineral inprescindible y escaso. Así es como, el estéril Sahara alimenta al exuberante Amazonas de nutrientes minerales, cosa que solo es posible gracias a la desertificación. El Amazonas es un sistema lixiviado donde los nutrientes en el suelo son lavados por las lluvias y transportados al Atlántico. Por esto, aunque es muy productivo, es muy pobre en nutrientes. Para mantener el balance de nutrientes se requiere el aporte externo desde el Sahara y sin este aporte transoceánico los suelos del Amazonas estarían exhaustos por la pérdida vegetal.

El caso Río de la Plata. La principal exportación de Argentina es el suelo que escapa por el Río de la Plata. Este remolino contiene desechos agrícolas, desde las ciudades y minerales de los Andes. La naturaleza de los materiales que pasan por los ríos muestra la conexión entre el aire, las montañas y rocas, el suelo y las plantas y animales. Es la intersección de dos ciclos de carbono: geológico y biológico. Los ríos exportan el carbono y las represas lo bloquean. Los sedimentos fluviales llevan carbono al océano, lo que aumenta con la agricultura (desechos agrícolas y erosión del suelo). /// Hay dos formas de seguir a los elementos en los ríos: biomarcadores e isótopos de carbono. Cada grupo de especies produce una gama específica de moléculas (son biomarcadores) y el carbono tiene tres isótopos C-12 (98,93 %), C-13 (1,07 %) y C-14; todos tienen seis protones y el resto son neutrones. El C-14 (con 8 neutrones) se forma en la atmósfera por

interacción del nitrógeno con la radiación cósmica. Es muy pesado y como es radiactivo, se desintegra, por lo que se usa para determinar la edad del vegetal. La proporción entre C-12/C-13 en los biomarcadores vegetales permite responder las preguntas: ¿Cuánto carbono proviene de las plantas y de las rocas?, ¿de dónde viene el carbón vegetal? y ¿cuántos años tienen?

Los nutrientes en la agricultura. Una buena productividad agrícola se relaciona con la biomasa de la planta y la cantidad de proteínas en los granos. Por ejemplo: del nivel de nutrientes depende la cantidad de proteínas, así una cebada será útil para destilación (cerveza, whisky o ginebra) o como forraje (alimentación de animales). Pero el exceso de fertilizantes puede tener un impacto negativo en el ambiente debido a la escorrantía y eutrofización de los cursos de agua. Los fertilizantes básicos son el nitrógeno, potasio y fósforo. Los cereales (trigo, maíz) consumen entre 20-30 kg de nitrógeno por tonelada de planta y entrega 15-20 kg por tonelada de grano. Para el fósforo absorben 4-5 kg/t y entregan 3-4 kg/t en los granos. En el caso de la soja se absorben 75 kg/t de nitrógeno y 7 kg/t de fósforo y entregan 55 y 6 kg/t en los granos. Por esto, la agricultura es una industria extractiva y se favorece dejar los restos de la cosecha para reponer una parte de los nutrientes. El nutriente sodio es único ya que es necesario para los animales y tóxico para las plantas. El aumento de sodio puede aumentar la tasa de descomposición de hojarasca por artrópodos del suelo, lo que lleva a una influencia en cascada sobre la mineralización de nitrógeno, fósforo y otros nutrientes claves. /// Un estudio de la empresa Nidera confirma la concentración de nutrientes. El estudio se realizó en Alcorta (Pcia. Santa Fe) y se reportó en 2015. Se midieron los niveles de materia orgánica, fósforo y zinc en tres tipos de suelos: campos agrícolas con 100 años de explotación, zonas de alambrados con al menos 50 años de protección y campos silvestres. El resultado indica que las tres variables disminuyen desde los campos silvestres, a la zona de protección por alambradas, a la zona de cultivos.

El nitrógeno. El ciclo del nitrógeno muestra que se extraen 210 Mt/año de la atmósfera y se fijan en compuestos básicos. Las plantas en la agricultura absorben el 50 % y el resto se pierde en la atmósfera (gases como el óxido nitroso) o se escurren por los cursos de agua. Las formas más útiles del nitrógeno para las plantas son el nitrato (NO3) y el amoníaco (NH3). El nitrato tiene un problema, porque no se adhiere como el amoníaco, se disuelve y se lava con la lluvia. Los procesos son reversibles, de forma que el gas nitrógeno es fijado por bacterias asociadas a las raíces, aunque es lento. Un proceso industrial (Haber-Bosch) permite hacerlo más rápido y fue un factor importante en la Revolución Verde agrícola de los años de 1960. /// En la cuenca del río Mississippi el nitrógeno lleva 80 años como fertilizante externo. Está almacenado en el suelo, se está lixiviando y continuará haciéndolo en el futuro. Un estudio de 2.000 muestras de suelo indica que el nitrógeno está debajo de la línea del arado (25-100 cm). El modelo indica que la lixiviación continuará por 30 años después de interrumpir la fertilización. /// Otro estudio en Francia usó isótopos estables (no radioactivos) de nitrógeno (el N-15 es menos abundante que el N-14) para hacer un seguimiento en las plantas. Se midió el N-15 usado en los fertilizantes aplicados en 1982 a los cultivos de remolacha azucarera y al trigo de invierno. Durante treinta años, se midió la cantidad de N-15 absorbido por las plantas y se cuantificó la cantidad que quedaba en el

suelo. Las medidas de filtraciones de agua a 2 m de profundidad revelaron la cantidad de nitrato fugado hacia el agua subterránea. El 61-65 % del fertilizante N-15 aplicado en 1982 fue absorbido por las plantas, pero el 32-37 % se mantuvo en el suelo en 1985 y el 12-15 % en el 2015. El 8-12 % se filtró hacia las aguas subterráneas durante los 30 años, y continuará su goteo por 50 años más. En otros lugares, con suelos diferentes, los valores serán distintos, pero el proceso es el mismo. /// En un estudio del Inta del 2015 en la cuenca del Arroyo Pergamino (Pcia. Buenos Aires) se informó del balance de nutrientes (nitrógeno y fósforo). Se estudiaron las etapas de siembra y fertilización, cosecha (volatilización por desnitrificación y exportación en granos) y lo perdido en los arroyos (por lixiviación al subsuelo, escurrimiento a los arroyos y el ganado). El resultado muestra un balance neto negativo (la exportación y pérdida supera a la reposición).

LA MINERIA BIOLÓGICA.

Casos de minería en las plantas. Las plantas hacen su propia minería del suelo, fragmentando rocas o absorbiendo minerales peligrosos. /// Un tipo de musgo (Funaria hygrometrica) tolera y absorbe el plomo (Pb) del agua contaminada. En un estudio se expuso el musgo por 22 horas al plomo. Luego se midió con espectrómetro de masas e indicaba que las células del musgo habían absorbido plomo hasta el 74 % de su peso seco. Más del 85 % del plomo se había acumulado en las paredes de la célula, con cantidades más pequeñas en las membranas y dentro de los cloroplastos. /// Un estudio usando rayos X encontró pequeñas cantidades de metales preciosos (oro) dentro de los eucaliptos. Los árboles crecen sobre un depósito a 35 m de profundidad y pudieron llevar el oro a la superficie mediante las raíces. Como los metales pesados pueden ser tóxicos, se cree que los árboles bombean el oro a las hojas y la corteza, desde donde los expulsan al suelo. /// En el desierto de Tanami (Australia) una hierba (género Spinifex) aparece sobre los montículos de termitas. Esta planta no crece por encima del suelo, por lo que evita los incendios, viento y sol. Entonces, produce raíces profundas de hasta 50 metros en busca la napa de agua subterránea. En el proceso obtiene productos químicos de la roca que se acumulan en sus hojas y raíces. Lleva a la superficie una firma del subsuelo. /// El árbol Tipuana (Tipuana tipu) de Bolivia, absorbe metales pesados (cadmio, cobre, níquel y plomo) que están presentes en la atmósfera y son arrastrados por la lluvia al subsuelo. Luego son transportados por el xilema y acumulados en la madera. El estudio de los anillos permite conocer el nivel de contaminación a lo largo de los años. Un análisis de dos árboles de 35 años en San Pablo (Brasil) extrajo una sección cilíndrica de tejido de madera en todo su radio, con lesiones menores para la planta. Se nota la disminución de plomo por la prohibición de su uso en la gasolina. También una tendencia a la baja en la contaminación por cadmio, cobre y níquel por la desindustrialización de la ciudad. /// En Potosí (Bolivia) los cultivos de papas son regados con aguas de la región minera. La falta de agua de calidad para el riego en toda esta región árida lleva a los agricultores a usar aguas contaminadas. Las plantas absorben arsénico (de 9 a 72 veces por encima del nivel de riesgo mínimo) y cadmio (de 3 a 30 veces mayor). /// Existen plantas (género Alyssum) que pueden prosperar en suelos enriquecidos de níquel (Ni). En estas plantas, si se corta el tallo, brota un líquido verde brillante con 9 % de Ni. Son arbustos perennes que llegan a tener niveles de níquel tóxicos para los animales. En una mina de Ni abandonada (Port Colborne, Canadá) se experimentó con

estas plantas extrayendo 100 kg de Ni de 500 kg de cenizas. En Albania el suelo es rico en Ni y pobre en rendimientos agrícolas. Se espera que la protección de áreas con este tipo de plantas mejore la calidad del suelo extrayendo el metal.

La minería como defensa. /// Un estudio trabajó con una planta de la familia de la mostaza (Streptanthus polygaloides). Esta planta acumula níquel y se las expuso a babosas. Se usaron plantas con una concentración baja y alta del metal. Se encontró que las plantas bajas en Ni estaban más dañadas que las otras. Además, las altas concentraciones de Ni redujeron la supervivencia de los herbívoros. En otro estudio se inoculó un patógeno bacteriano y se comprobó que solo las plantas con baja concentración de Ni contenían patógenos vivos. Esto lleva a suponer que la alta concentración de metales es una estrategia de disuasión y debe considerarse una categoría de defensa química. Esta defensa tendría tres particularidades: se adquiere del suelo (no se sintetiza por metabolismo), no se degradan como los compuestos químicos (dificulta las defensas del herbívoro) y son menos costosas para el metabolismo de las plantas, pudiendo reducirse las otras defensas. Por ejemplo, un estudio encontró que el zinc (Zn) que se acumula en ciertas hierbas (Thlaspi caerulescens) lleva a una disminución en la concentración de metabolitos secundarios (glucosinolatos). /// Los herbívoros pueden evitar las defensas basadas en acumulación de metales. Hay tres técnicas: consumir tejidos menos defendidos, diluir los tejidos defendidos ingiriendo otras plantas con bajas concentraciones y desarrollar adaptaciones fisiológicas. En este último caso se trata de generar tolerancia a las concentraciones elevadas. Por ejemplo, un insecto (Melanotrichus boydi) se especializa en plantas con hiperacumulación de Ni. Llega a contener 750 μg de Ni por cada gramo de masa seca de insecto. Un saltamontes tiene el récord de 3.500 μg/g. Las plantas (S. polygaloides) tienen 1.000 μg/g de masa seca.

Casos de minería en termitas y hormi-

gas. /// El mineral ilmenita proviene de la roca kimberlita, que alberga diamantes. La mina de diamantes Jwaneng (Botsuana) está 40 m bajo tierra, pero se pudo descubrir cuando se encontró el mineral ilmenita en la superficie, en los montículos de terminas. Las termitas necesitan barro húmedo para la construcción de nidos y hacen túneles hasta la capa freática. Sujetan trozos de arcilla o roca mojada en sus mandíbulas y los llevan a la superficie. Así es como llegó la ilmenita a la superficie y se pudo localizar la reserva de diamantes. /// Un estudio de 25 años midió la disolución del mineral silicato de calcio y magnesio (Ca-Mg) por hormigas, termitas, raíces de árboles y suelo desnudo. Se encontró que las hormigas son los agentes biológicos más poderosos de la descomposición mineral. La dilución de estos minerales consume piedra caliza, dolomita y CO2 de la atmósfera. Los nidos de hormigas aumentan las tasas de disolución de Ca-Mg en dos órdenes de magnitud por meteorización biológica respecto de la natural abiótica. Desde hace 65 Ma el clima se está enfriando por varias causas (regulación hidrológica, cambio de vegetación y tectonismo). Parece que la meteorización por las hormigas podría ser parte de la causa del enfriamiento.

Casos de minería en los hongos. Es probable que los hongos asociados a las raíces hagan minería de roca dura mediante las secreciones de ácidos orgánicos en la punta de la hifa. Así se forman túneles que liberan iones de potasio, calcio y magnesio del mineral. /// Un estudio de los trozos de rocas