Pequeñas criaturas, grandes hechos: el papel de los cortadores de hojas en el efecto invernadero de los neotrópicos

¿Qué criatura a menudo se asocia en la cultura humana con el trabajo duro, la resistencia, la colectividad e incluso la responsabilidad? Si pensabas en las abejas, tienes razón, pero hoy no se trata de ellas. Hoy hablaremos de las hormigas, y no de las "simples", sino de los cortadores de hojas. ¿Por qué de repente decidimos hablar sobre algunos insectos? ¿No hay algo más importante? No se apresure a sacar conclusiones, porque estos pequeños adictos al trabajo que trabajan duro para el beneficio de la colonia (sin inyección intravenosa de café) prácticamente sin descanso juegan lejos del último papel en la formación de todo el ecosistema. Eso es lo que significa: pequeño, pero atrevido.

Más específicamente, los cortadores de hojas, como descubrieron los científicos, producen N ₂ O (óxido nítrico), cuyo volumen es tres órdenes de magnitud mayor que el generado por el tanque de tratamiento de aguas residuales. Por lo tanto, los cortadores de hojas juegan uno de los papeles centrales en el mecanismo del efecto invernadero de los neotrópicos. ¿Cómo realizaron las mediciones los científicos, qué lograron averiguar exactamente y qué proponen hacer con las hormigas cortadoras de hojas? Encontraremos las respuestas en el informe del grupo de investigación. Vamos

Un poco de mirmecología

Las hormigas se consideran una de las familias más desarrolladas entre los insectos. Su colonia es un gran mecanismo vivo que funciona prácticamente sin fallas. En este momento, hay, por un segundo, alrededor de 14,000 especies de hormigas, la mayoría de las cuales viven en regiones tropicales.



Los héroes del estudio de hoy no son toda la familia, sino ciertos tipos de hormigas: Atta y Acromyrmex, que se conocen mejor con el nombre común de cortadores de hojas. Probablemente los viste al menos en algún documental sobre América del Sur. El nombre de esta especie habla directamente sobre sus características principales, al menos aquellas que son inmediatamente visibles para el observador. Los cortadores de hojas literalmente cortan trozos de hojas con la ayuda de sus poderosas mandíbulas superiores (mandíbulas / mandíbulas) y las transfieren a su colonia. Pero no comen follaje directamente, lo necesitan para la agricultura. Sí, estos pequeños trabajadores son grandes agricultores.

En las profundidades de su colonia, los cortadores de hojas destruyen los jardines de hongos que nutren, es decir, fertilizan con hojas masticadas. Las hormigas obreras más grandes recogen el follaje, y las hormigas más pequeñas lo mastican y compostan.


Un pequeño clip sobre cortadores de hojas.

También vale la pena señalar la característica inusual de una de las especies estudiadas, Acromyrmex. Estas hormigas están "equipadas" con una glándula que produce el secreto necesario para la existencia de la bacteria Streptomyces. Las hormigas necesitan esta bacteria como una "vacuna" contra los efectos nocivos de los hongos Escovopsis, que son una forma de hierba parasitaria en una granja de hongos en un hormiguero.


Increíblemente colorido Streptomyces coelicolor.

Las características del corte de hojas y la agricultura se consideran en este estudio. Más precisamente, los investigadores analizaron el desperdicio de cortadores de hojas para identificar formas previamente desconocidas de procesamiento de N, lo que conduce a la liberación de un gran volumen de N ₂ O a la atmósfera, que es parte de los gases de efecto invernadero. Los residuos se analizaron en términos de composición química y microbiana.

Preparación de observación

Se recolectaron muestras para el estudio en las selvas tropicales de Costa Rica (la ubicación exacta se llama Estación Biológica Piro ). La característica principal de esta región es el bosque mixto: una parte (primaria) son bosques no tocados por el hombre, y la segunda (secundaria) son matorrales recién cultivados en el sitio de pastos hace 50 años. La altitud varía de 0 a 100 metros. La temperatura media anual es de aproximadamente 26 ° C, y la precipitación media alcanza los 3400 mm. Las condiciones climáticas durante el año varían de la estación seca (enero a marzo) a lluviosa con un pico en septiembre y octubre.


Imagen No. 1

Se tomaron muestras de 22 colonias de hormigas de la especie Atta colombica, que se ubicaron en un área de 4 km ² , afectando tanto la zona primaria como la zona secundaria del bosque. Los científicos registraron las coordenadas de todos los puntos de recolección de muestras para un análisis posterior de la distribución de gases a través del área alrededor de las colonias. Además, se realizaron mediciones del área de colonias y vertederos de desechos, en los que se colocaron varias tuberías (22 cm de diámetro) a una profundidad de 3 cm, cerradas en la parte superior con cubiertas de PVC ventiladas. Esto se hizo 10 minutos antes de tomar las imágenes. Posteriormente, se midió la profundidad a la que las tuberías resultaron después de un cierto período de prueba. Por lo tanto, fue posible comprender la tasa de generación de residuos.

Cada 10 minutos, se recogieron muestras durante media hora y se colocaron en matraces pre-evacuados de 10 ml.

Las muestras se sometieron a análisis de gases para detectar la presencia de N ₂ O, CO ₂ y CH ₄ . Para esto, se utilizó un cromatógrafo de gases con un metanizador, un detector de captura de electrones y un detector de ionización de llama.

Las muestras (residuos y suelo) se mantuvieron a 48 ° C durante 3 días y se analizaron para determinar la actividad potencial de la enzima de desnitrificación.

Desnitrificación * : reducción de nitratos a nitritos y luego a óxidos gaseosos y nitrógeno molecular.

Las muestras de 10 zonas de valla se combinaron en una, que se dividió en alícuotas. Además, una unidad de 90 minutos, se incubaron con o sin agregar una muestra de la superficie de los montones de basura.

Alícuota * : mide con precisión múltiples fracciones de la muestra.

Para determinar la biomasa microbiana, se tomaron muestras de 8 gramos 1 hora antes y 3 días después del proceso de fumigación con cloroformo. Durante el análisis, se prestó especial atención a la presencia de carbono orgánico y nitrógeno en las muestras, lo que fue ayudado por el analizador Shimadzu TOC-V CPN / TNM-1.



Resultados de observación


Imagen No. 2

Las emisiones de N ₂ O de las pilas de basura de las hormigas Atta colombica variaron mucho: de 180 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 a 89000 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 ( 2a ). Estas mediciones están en excelente acuerdo con las observaciones en un ecosistema real, es decir, en la naturaleza. Por lo tanto, el valor promedio del gas producido es 11200 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 .

m ^-2 h ^-1 * - por metro cuadrado por hora.

La Figura 2b muestra una comparación de la generación de N ₂ O de montones de basura de cortadores de hojas y estructuras antropogénicas (diseñadas o mantenidas por humanos): lagunas anaerobias, plantas de tratamiento de aguas residuales, etc. Y como muestra esta comparación, los cortadores de hojas con la tarea de generar N ₂ O se las arreglan mucho mejor.

El volumen de gas producido por los montones de basura es muy diferente de lo que los científicos han observado en el bosque primario y secundario. Cuando las emisiones del montón de basura alcanzaron su pico en junio de 2017 al comienzo de la temporada de lluvias, el volumen de N ₂ O de la colonia vecina no difirió significativamente de los bosques circundantes (primario y secundario) y ascendió a aproximadamente 67 mg (imágenes 1b y 2a ). El volumen de N ₂ O producido por el propio bosque que rodea la colonia de hormigas fue de 11 mg de N ₂ ON m ^-2 h ^-1 , la tasa anual promedio fue generalmente de solo 2 mg.

Los investigadores señalan que la nitrificación y la desnitrificación, que son muy sensibles a la presión parcial de oxígeno y al suministro de sustrato, son los procesos microbianos más importantes en la producción de óxido nitroso. Por lo tanto, la estructura de los montones de basura de las hormigas debe tener algunas características que aumenten la producción de N ₂ O.


Imagen No. 3

Y se descubrió tal característica, a saber, una mayor concentración de N y una relación reducida de C: N (carbono y nitrógeno) en la basura que cae al vertedero - 13.5 + 1 ( 3f , 3e ). Vale la pena comparar esto con la relación C: N en los tejidos del follaje verde (21 + 5) y el follaje caído (32-42).

Y aquí, la lógica habitual ayuda a acercarse un poco más a la solución: el follaje cubre la superficie de la tierra en el bosque de manera uniforme, mientras que las hormigas lo empujan a una pequeña zona, lo que aumenta la concentración de desechos orgánicos. Un análisis de los datos mostró que la concentración de nitrógeno en los montones es 5 veces mayor que en la hojarasca del bosque circundante. Al mismo tiempo, una concentración increíblemente alta de NH ₄ (500 veces mayor) y una concentración muy baja de NO3 ^- ( 3g , 3h ) junto con signos de anoxia son factores de desnitrificación y no nitrificación, como el mecanismo principal para la producción de N2O.

La anoxia, es decir, la ausencia de oxígeno, también se confirma por una alta concentración de metano (CH ₄ ), de 0.01 a 250 mg de CH ₄ -C m-1 h-1. Dado que la metanogénesis a un pH de 5.5, al igual que en los montones de basura, es significativamente menos efectiva que la desnitrificación. Esto sugiere que los potenciales redox de la basura pueden reducirse considerablemente. Al comparar la actividad potencial de la enzima de desnitrificación en montones y en la basura forestal circundante, los científicos descubrieron que en montones esta cifra es 25 veces mayor ( 3d ).

Por lo tanto, podemos concluir que los montones de cortadores de hojas son un "mecanismo" de producción de CO ₂ , CH ₄ y óxido nitroso muy bien coordinado, debido a la presencia de ciertos factores: un gran volumen de biomasa microbiana, disponibilidad de sustrato, condiciones abióticas ideales, etc. Lo único que no está claro es la diferencia en la cantidad de N ₂ O producida entre los diferentes montones de basura. En otras palabras, los factores anteriores para diferentes vertederos son casi idénticos. Los científicos creen que la diferencia en el índice de N ₂ O puede depender de más factores internos, por así decirlo, en la estructura individual de los montones de basura: microclima, la influencia de otros organismos vivos, calidad de la alimentación, cambios en la biomasa microbiana, estado de la colonia (individuos), etc.


Imagen No. 4

Además, los investigadores reunieron los siguientes indicadores: el volumen producido por los cortadores de N ₂ O, el área de los montones de basura, la densidad de los montones de basura en los bosques primarios y secundarios, y en las zonas fronterizas. La combinación de estos datos permite comprender cómo afecta globalmente la producción de cortadores de hojas de N ₂ O a la atmósfera y al ecosistema de los neotrópicos.

Y ahora para la parte divertida. Aproximadamente 0.01–0.35 kg de N ₂ ON se produce por hectárea cuadrada por año en el montón de cortadoras de hojas con una densidad promedio de 1.2 por hectárea. Y esto es el 200% de la producción de N ₂ O por la hojarasca del bosque mismo (primario).

Los investigadores señalan que, en la naturaleza, los saltos en la producción de N ₂ O ocurren periódicamente debido a cambios abruptos en el ecosistema (condiciones climáticas, por ejemplo). Sin embargo, en los montones de cortadores de hojas, la temperatura se mantiene bastante estable durante todo el año. Además, las lluvias muy frecuentes suministran materia orgánica húmeda enriquecida con nitrógeno a los montones, lo que contribuye a la producción de un gran volumen de N ₂ O.

La "migración" de las colonias de corte de hojas en el bosque también juega un papel importante. Al mudarse a un nuevo lugar, las hormigas abandonan tanto la colonia como el vertedero, que se descompone en 1 año. Sin embargo, incluso después de esto, una mayor concentración de nitrógeno permanece en el suelo. Y esto sugiere que incluso los montones de basura abandonados continúan generando N ₂ O, ya sin la participación de sus antiguos huéspedes de hormigas.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe del grupo de investigación y sus materiales adicionales .

Epílogo

La principal conclusión de este estudio es el hecho de que la actividad vital de los cortadores de hojas juega un papel importante en la formación del ecosistema de toda la región. Los vertederos de cortadores de hojas son estructuras únicas con características químicas inusuales que juntas contribuyen a la producción masiva de N ₂ O.

Con su trabajo, los científicos demuestran una vez más cuánto puede ser la influencia de los organismos pequeños en el medio ambiente. Todo en la naturaleza está interconectado. Pero a veces no entendemos completamente cómo y dónde aparece esta conexión y qué afecta. Bueno, gracias a este estudio, sabemos un poco más sobre nuestro mundo grande y misterioso.



Gracias por mirar, mantén la curiosidad y que tengan un gran fin de semana, muchachos.

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