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3. Bacterias

Las bacterias están por doquier. Pocos jardineros se dan cuenta de lo cruciales que son para la vida de sus plantas, y aún menos se han puesto a pensar en ellas. Y sin embargo, ningún otro organismo tiene más miembros en el suelo; de hecho, ni siquiera se acerca. En parte esto es así porque estos organismos unicelulares son tan minúsculos que en torno a doscientos cincuenta mil hasta quinientos mil de ellos cabrían dentro del punto que cierra esta frase.

Las bacterias fueron las formas de vida más tempranas en la Tierra, pues aparecieron hace por lo menos tres mil millones de años. Son procariotas: su adn se encuentra en un único cromosoma que no está confinado en un núcleo. Su tamaño, o para ser más precisos la ausencia del mismo, debe de ser la razón principal de que nuestra familiaridad con las bacterias se limite por lo general a las enfermedades que causan y a la necesidad de lavarse las manos antes de comer. La mayoría de los nacidos durante el boom de la natalidad utilizaron un microscopio de mil aumentos para estudiar microrganismos, pero las bacterias son demasiado pequeñas para poderlas ver con cierto detalle con esta capacidad. Los microscopios escolares han mejorado, y algunos estudiantes afortunados pueden tener una visión más cercana, literalmente, de las bacterias. Las tres formas básicas, todas presentes en el suelo, son coco (esféricas u ovaladas), bacilo (con forma de vara) y helicoidal.

En general, las bacterias se reproducen por la división de una célula única, es decir, una célula se divide y crea dos células; estas, a su vez, se vuelven a dividir, etc. Sorprendentemente, en condiciones de laboratorio una bacteria solitaria puede producir en torno a cinco mil millones de descendientes en tan solo doce horas si dispone de suficiente alimento. Si todas las bacterias se reprodujeran a este ritmo todo el tiempo, solo se necesitaría aproximadamente un mes para doblar la masa del planeta. Afortunadamente, las bacterias del suelo están limitadas por las condiciones naturales, los depredadores (en particular los protozoos), y un ritmo de reproducción más lento que el de sus primas de laboratorio. Por ejemplo, las bacterias deben tener algún tipo de humedad para la absorción de nutrientes y la liberación de residuos. En la mayoría de los casos, también se requiere humedad para que las bacterias se muevan y para transportar las enzimas que utilizan para descomponer la materia orgánica. Cuando los suelos se vuelven demasiados secos, muchas bacterias del suelo entran en estado de latencia. Las bacterias, por otro lado, rara vez mueren de vejez, sino que suelen ser devoradas por alguien o mueren por cambios medioambientales y entonces son consumidas por otros descomponedores, a menudo otras bacterias.

Fotocomposición 800× de las tres formas básicas de las bacterias: coco, bacilo y helicoidal. Dennis Kunkel Microscopy, Inc.

Descomponedoras primarias

A pesar de su tamaño diminuto, las bacterias son las descomponedoras primarias de la materia orgánica de la Tierra, tan solo detrás de los hongos. Sin ellas, en cuestión de meses nos ahogaríamos en nuestros propios residuos. Las bacterias descomponen el material de las plantas y animales para ingerir nitrógeno, compuestos de carbono y otros nutrientes. Estos nutrientes son entonces inmovilizados dentro de la bacteria; solo se liberan (mineralizan) cuando las bacterias son consumidas o mueren y ellas mismas se descomponen.

Diferentes clases de bacterias del suelo sobreviven en distintas fuentes de alimento, dependiendo de lo que esté disponible y donde se encuentren. La mayoría, sin embargo, prospera mejor descomponiendo materia vegetal joven que esté todavía fresca, lo que los composteros llaman material verde. La materia verde contiene un montón de azúcares que son más fáciles de digerir para las bacterias que los compuestos de carbono más complejos de otra materia vegetal. Los composteros llaman a este material marrón y, hasta que no se descomponga en cadenas de carbono más pequeñas, otros miembros de la red de nutrientes del suelo lo digieren más fácilmente que las bacterias.

Dado su tamaño diminuto, las bacterias tienen que ingerir lo que necesariamente son piezas más diminutas de materia orgánica. ¿Cómo lo hacen? La respuesta corta es que toman su alimento directamente a través las paredes celulares que se componen, en parte, de proteínas que asisten en el transporte molecular. En el interior de la pared celular de una bacteria hay una mezcla de azúcares, proteínas, carbonos e iones, una rica sopa que está fuera de equilibrio respecto a la mezcla menos concentrada fuera de la pared de la célula: a la naturaleza le gusta mantener las cosas en equilibrio; normalmente, el agua fluiría de la solución diluida de fuera hacia la más concentrada dentro (una forma especial de difusión conocida como ósmosis), pero en el caso de las bacterias, las paredes celulares actúan como barreras osmóticas.

El transporte molecular a través de la membrana celular se consigue de varias maneras. En el transporte activo más importante, las proteínas de la membrana actúan como bombas moleculares y emplean la energía para succionar o empujar el objetivo a través de la pared de la célula: los nutrientes hacia adentro y los productos residuales hacia afuera. Distintas proteínas en la membrana transportan distintas clases de moléculas nutrientes. Una manera de imaginarlo es pensando en una antigua brigada de bomberos con cubos, en la que el agua se pasa de la fuente al fuego: estas proteínas «pasan» los nutrientes al interior de la célula.

El transporte activo es un proceso fascinante pero complicado, impulsado por electrones localizados a ambos lados de la superficie de membrana. Sin duda, el jardinero debería ser consciente y apreciar cómo se alimentan las bacterias, pero solo necesita comprender que las bacterias descomponen la materia orgánica en trocitos cargados eléctricamente y luego los transportan a través de sus membranas celulares, a punto de ser usados. Una vez dentro de la bacteria, los nutrientes quedan retenidos.

Otros miembros de la red de nutrientes del suelo obtienen su energía y nutrientes comiendo bacterias. Si no hay un número suficiente de bacterias en el suelo, las poblaciones de estos miembros de la red de nutrientes del suelo sufren. Las bacterias forman parte de la base de la pirámide de la red de nutrientes del suelo.

Alimentar a las bacterias

Los exudados de las raíces son una comida favorita para ciertas bacterias del suelo y, en consecuencia, enormes poblaciones de bacterias se concentran en la rizosfera, donde estas también encuentran nutrientes de las células que se desprenden con el crecimiento de las puntas de las raíces. Pero no todas las bacterias del suelo viven en la rizosfera porque, afortunadamente, la materia orgánica es casi tan ubicua como las bacterias. Toda la materia orgánica se compone de moléculas grandes y complejas, muchas de las cuales consisten en cadenas de moléculas más pequeñas en patrones repetitivos que suelen contener carbono. Las bacterias son capaces de romper los enlaces a lo largo de ciertos puntos de estas cadenas, creando cadenas más pequeñas de azúcares simples, ácidos grasos y aminoácidos. Estos tres grupos ofrecen la base fundamental que las bacterias necesitan para sustentarse.

Las bacterias emplean enzimas tanto para romper los enlaces que sostienen las cadenas orgánicas como para digerir su alimento. Todo esto se hace fuera del organismo antes de ingerirlo. Las bacterias emplean un sinfín de enzimas, pues se han adaptado a lo largo de miles y miles de años para atacar todo tipo de materia orgánica e incluso inorgánica. Resulta una hazaña sorprendente que las bacterias puedan emplear enzimas para descomponer la materia orgánica, mientras consiguen a la vez no impactar en su propia membrana celular.

Con aire y sin aire

Existen dos grupos de bacterias. El primero, las bacterias anaeróbicas, puede vivir en ausencia de oxígeno; de hecho, la mayoría no puede vivir si este está presente. El género bacteriano Clostridium, por ejemplo, no necesita oxígeno para sobrevivir y puede invadir y destruir el interior del tejido blando de la materia en descomposición. Los derivados de la descomposición anaeróbica incluyen el ácido sulfhídrico (piensa en huevos podridos), el ácido butírico (piensa en un vómito), amoníaco y vinagre. La tristemente célebre Escherichia coli (E. Coli) y otras bacterias que por lo general se encuentran en el tracto gastrointestinal de los mamíferos (y también en los compost mal elaborados a base de estiércol) son anaerobios facultativos, lo que significa que pueden vivir en condiciones aeróbicas si es necesario, pero prefieren los entornos anaeróbicos.

La mayoría de los jardineros ha olido derivados de la descomposición anaeróbica, quizás en el jardín, pero sin duda en la nevera. Estos son olores para recordar porque, cuando se prepara el compost y se cultiva en la red de nutrientes del suelo, las condiciones anaeróbicas fomentan las bacterias patógenas y, lo que es peor, matan a las bacterias aeróbicas beneficiosas, el otro gran grupo de bacterias: las que requieren aire.

Si bien algunas bacterias aeróbicas facultativas pueden vivir en condiciones anaeróbicas de ser necesario, no es el caso para la mayoría. Las bacterias aeróbicas no suelen causar malos olores. De hecho, las actinobacterias (del orden Actinomycetales y, en concreto, del género Streptomyces) producen enzimas que incluyen elementos químicos volátiles que dan al suelo su aroma a limpio, fresco y terroso. Cualquiera que haya cultivado reconoce este olor, el olor de un «buen suelo».

Las actinobacterias son distintas de otras bacterias del suelo: en realidad, forman filamentos, casi como las hifas de los hongos. Algunos científicos creen que las especies Streptomyces usan los filamentos ramificados para conectar las partículas del suelo para que tanto ellas como las partículas sean demasiado grandes para ser devoradas por sus depredadores naturales, los ciliados protozoarios, que se las tragarían para ingerirlas. Las actinobacterias están particularmente versadas en descomponer celulosa y quitina, dos compuestos de carbono («marrón») difíciles de digerir; la primera se encuentra en las paredes celulares de las plantas y la segunda en las paredes celulares de los hongos y en los caparazones de los artrópodos. Estos no son alimentos normales para otras bacterias. Las actinobacterias están también adaptadas para vivir en un rango más amplio de pH que otras bacterias, desde ácido a alcalino.

Descomposición de la celulosa

La celulosa, un carbohidrato complejo compuesto de largas cadenas de glucosa con base de carbono, es el material molecular que dota de estructura a las plantas. Constituye la mitad de la masa de los cuerpos de las plantas y, a partir de ahí, de la mitad de la materia orgánica creada por la planta. Bacterias especializadas, como la denominada acertadamente Cellulomonas, poseen enzimas que rompen la celulosa y que liberan solo cuando entran en contacto con la misma, frente a la liberación aleatoria de enzimas por parte de otras bacterias que comen según el método «acierto o error».

Micrografía electrónica tomada a baja temperatura de una agrupación de la bacteria E. Coli. Las bacterias individuales en esta fotografía son oblongas y de color marrón. Eric Erbe, color digital a cargo de Christopher Pooley, usda-ars.

La mayoría de las bacterias alcanza su límite cuando se trata de la lignina que es un complejo no carbohidrato, otra materia vegetal molecularmente compleja. La lignina, el componente duro de color marrón de las cortezas y materiales leñosos, es una molécula orgánica más compleja que la celulosa, y se compone de cadenas de alcoholes interconectados; estos son resistentes a las enzimas que producen la mayoría de las bacterias y su descomposición se reserva a los hongos.

Los ciclos de los elementos

Una manera de entender la descomposición es verla como el sistema de reciclado de la naturaleza. Las bacterias en la red de nutrientes del suelo desempeñan un papel crucial en el reciclaje de tres de los elementos básicos para la vida: carbono, azufre y nitrógeno. Por ejemplo, el CO2 (dióxido de carbono) es un importante derivado del metabolismo bacteriano aeróbico. El carbono fijado en la biomasa vegetal y animal se convierte en gas CO2 durante la descomposición. La fotosíntesis en las plantas superiores convierte el CO2 en compuestos orgánicos, que acaban siendo consumidos y luego reciclados de vuelta a CO2.

Igualmente, el azufre se recicla. Las bacterias oxidantes del azufre emplean este elemento para hacer sulfatos solubles accesibles a las plantas. Liberados de los materiales orgánicos por bacterias anaeróbicas, los componentes que contienen azufre son producidos por quimiótrofos, bacterias que obtienen la energía de la oxidación del azufre.

El ciclo del nitrógeno, impulsado en parte por una bacteria especializada, es uno de los sistemas más importantes en el mantenimiento de la vida terrestre: los organismos vivos producen los compuestos orgánicos vitales, las bases de la vida —aminoácidos y ácidos nucleicos— usando el nitrógeno. Los fuertes enlaces que mantienen juntas las moléculas de nitrógeno atmosférico (N2) hacen que este nitrógeno sea en la práctica inerte e inútil para las necesidades de las plantas. Para que las plantas puedan usar el nitrógeno, este tiene que ser «fijado» —combinado bien con oxígeno o hidrógeno— para producir iones de amonio (NH4+), nitrato (NO3−) o nitrito (NO2−). Este importante proceso se llama la fijación del nitrógeno.

Ciertas bacterias convierten el nitrógeno de la atmósfera en formas disponibles para las plantas. Los géneros que consiguen la hazaña de fijar el nitrógeno son Azotobacter, Azospirillum, Clostridium, y Rhizobium (cualquiera de los cuales sería un gran nombre para un superhéroe de cómic). Los géneros Azotobacter, Azospirillum, Clostridium, y Rhizobium viven libres en el suelo; en realidad, las especies de Rhizobium viven en los tejidos de las raíces de ciertas plantas, en particular las legumbres, donde forman nódulos visibles.

No estamos sugiriendo que tengas que memorizar las especies de bacterias del suelo, pero sí queremos que te centres en el hecho de que la fijación del nitrógeno junto con el reciclaje del carbono y el azufre requieren la intervención de organismos vivos. Estos siempre se enseñan como procesos químicos, pero en realidad son biológicos. Las bacterias realizan estos procesos en el suelo, formando relaciones simbióticas con plantas específicas o existiendo en simbiosis dentro de organismos. Parece un caso en el que la biología crea la química para nosotros.

Otra parte del ciclo del nitrógeno, el lugar en el que «arranca» en el suelo, implica la descomposición de proteínas en amonio (NH4+). Este amonio suele aparecer como parte de los desechos producidos por los protozoos y nematodos tras ingerir bacterias y hongos. A continuación, bacterias nitrificantes especiales (Nitrosomonas spp.) convierten los compuestos de amonio en nitritos (NO2). Un segundo tipo de bacterias nitrificantes (Nitrobacter spp.) convierte los nitritos en nitratos (NO3−).

El ciclo del nitrógeno. Tom Hoffman Graphic Design.

A las bacterias nitrificantes no suelen gustarles los entornos ácidos; sus números (y, por tanto, la conversión de nitrógeno a nitratos) descienden cuando el pH del suelo cae por debajo de 7. Pero resulta que la biopelícula bacteriana (ya mencionada por su habilidad para juntar partículas del suelo) tiene un pH superior a 7. Por tanto, si hay suficientes bacterias en la zona, la biopelícula que producen mantiene el pH en torno a 7 y la nitrificación puede darse. En caso contrario, el amonio producido primero por los organismos en el suelo no se convierte por completo en forma de nitrato. Si el pH es 5 o menos, muy poco amonio se convierte, si es que algo se convierte.

Las bacterias desnitrificadoras convierten las sales de nitrógeno de vuelta a N2, el cual escapa a la atmósfera. Resulta obvio que las bacterias desnitrificadoras no ayudan a la fertilidad de un suelo, pero son esenciales en la medida en que mantiene el ciclo del nitrógeno en marcha.

Biopelículas

Las biopelículas o biofilms de las bacterias son matrices de azúcares, proteínas y adn. El hecho de que el biofilm bacteriano en el suelo sea ligeramente alcalino no solo influencia el pH donde cuenta más, en la rizosfera, sino también amortigua el suelo en la zona, así que el pH permanece relativamente constante.

Algunas bacterias usan su película como vía de transporte, literalmente echando un chorro de esta sustancia como medio de propulsión. (Sin embargo, la mayor parte de las bacterias viaja usando una parte increíble de nanotecnología natural: con la ayuda de una o más de las estructuras en forma de látigos o flagelos que se asemejan y operan como propulsores.) Los biofilms salvan a las bacterias de la desecación cuando el suelo se seca: las bacterias del suelo suelen vivir dentro de pegotes de biopelícula, que se completan con canales repletos de agua para el transporte de nutrientes y desechos. Las biopelículas también pueden ser una defensa contra los antibióticos que producen otros organismos, incluidas las propias bacterias. Las colonias de bacterias protegidas por el biofilm son mil veces más resistentes que las bacterias individuales frente a los antibióticos y los microbicidas.

Retención de nutrientes

Las bacterias desempeñan un papel destacado en la nutrición de las plantas. Encierran los nutrientes que de otra forma podrían desaparecer como resultado de la lixiviación. Y lo hacen ingiriéndolos mientras descomponen materia orgánica y reteniéndolos en las estructuras celulares. Dado que las propias bacterias están unidas a las partículas del suelo, los nutrientes permanecen en el suelo en vez de ser arrastrados por el agua, como ocurre con los fertilizantes químicos.

Sin duda, estos nutrientes permanecerán atados e inmovilizados dentro de las bacterias hasta que estas sean devoradas y reducidas a desechos. Dado que las bacterias del suelo no viajan muy lejos y hay una fuente abundante de alimento bacteriano en las inmediaciones de la rizosfera, los nutrientes que ingieren las bacterias se mantienen próximos a las raíces. Otros organismos como, por ejemplo, los protozoos, juegan un papel destacado consumiendo bacterias y liberando el exceso de nitrógeno como amonio (NH4+) en sus residuos que se depositan en la rizosfera, justo donde las raíces pueden absorber los nutrientes.

Otros beneficios de las bacterias del suelo

Algunas bacterias anaeróbicas producen alcoholes que son tóxicos para la vida vegetal y para otras bacterias. En la jardinería, se pueden evitar estas bacterias anaeróbicas mediante el control de las condiciones que les permiten multiplicarse: una textura del suelo pobre, falta de porosidad, agua estancada y un suelo compactado. Otras bacterias son patógenos que causan enfermedades en las plantas superiores. La lista de bacterias patógenas es larga, incluyendo a bacterias que causan el chancro de los cítricos, enfermedades de las patatas, melones y pepinos, y el fuego bacteriano de las peras, manzanas y análogas. En el suelo hay miles de bacterias patógenas, y se gastan miles de millones de euros cada año para proteger los cultivos frente al daño de las bacterias culpables. Agrobacterium tumefaciens causa agallas o tumores que crecen en los tallos de ciertas plantas. Burkholderia cepecia es una bacteria que infecta y pudre las raíces de las cebollas. Algunas especies de Pseudomonas causan la curvatura de las hojas y los puntos negros en los tomates.

A pesar de la presencia de bacterias patógenas, hay más beneficios en una población de bacterias del suelo sanas que al revés. Por ejemplo, la actividad bacteriana también es la responsable de descomponer contaminantes y toxinas. Estos procesos suelen ser aeróbicos, es decir, requieren oxígeno para que ocurran. Sin duda, habrás oído hablar de las bacterias que comían el petróleo de un vertido en Alaska; hay bacterias similares que se comerán la gasolina derramada en tu césped, por ejemplo.

Las bacterias del suelo producen muchos de los antibióticos de uso médico de los que hemos acabado dependiendo. Tan solo podemos especular que, dado que estas bacterias tienen que competir no solo con otras bacterias sino también con hongos y otros organismos, tuvieron que desarrollar capacidades de protección. Por ejemplo, las bacterias Pseudomonas pueden corregir el mal del pie, una desastrosa enfermedad fúngica del trigo, mediante la producción de fenazinas, unos antibióticos fuertes de amplio espectro. Obviamente, muchas bacterias del suelo mantienen las bacterias patógenas a raya, lo que supone un gran beneficio para una red de nutrientes del suelo sana.

Todas las bacterias compiten entre sí con otros organismos por la cantidad finita de alimento que ofrece el suelo y, por tanto, esto mantiene a las poblaciones en equilibrio. Es más probable que los suelos con una gran diversidad de tipos de bacterias tengan un número mayor de bacterias no patógenas que superarán a las bacterias patógenas en la lucha por el espacio y los nutrientes. Estamos convencidos de que usar las defensas naturales de la red de nutrientes del suelo es la mejor manera de controlar a los malos. Los jardineros deben comprender que las bacterias están en la primera línea de defensa.