Desarrollo de un sistema de fermentación líquida y de enquistamiento para una bacteria fijadora de nitrógeno con potencial como biofertilizante / Development of a liquid fermentation system and encystment for a nitrogen-fixing bacterium strain having biofertilizer potential

El uso indiscriminado de fertilizantes químicos ha contribuido al deterioro de las propiedades biológicas, físicas y químicas del suelo, lo que derivó en la pérdida de su capacidad productiva. Por esta razón, se ha planteado como alternativa tecnológica el uso de biofertilizantes. El objetivo de esta investigación fue desarrollar un sistema de fermentación líquida y de enquistamiento adecuado para la multiplicación de Azotobacter chroococcum cepa AC1, una bacteria utilizada en la formulación de un biofertilizante actualmente producido por CORPOICA, Colombia. Se emplearon diseños estadísticos secuenciales para determinar las condiciones del sistema de fermentación. Se evaluaron la interacción entre la agitación, la aireación y el pH sobre la biomasa viable obtenida de AC1 (UFC/ml), que se tomó como variable de respuesta. Además, se evaluó la capacidad de enquistamiento de esta bacteria empleando 2 agentes de enquistamiento, AE01 y AE02. La actividad potencial promotora del crecimiento vegetal fue evaluada por medio del ensayo de ARA (fijación biológica de nitrógeno), la técnica de azul de fosfomolibdeno (solubilización de fosfato) y la reacción colorimétrica empleando el reactivo de Salkowski (producción de compuestos indólicos). Se evidenciaron efectos significativos (p <0,05) sobre la producción de biomasa de los 3 factores evaluados (pH, aireación y agitación) individualmente, de una interacción dual y en la interacción tripartita, teniendo un efecto positivo sobre la variable de respuesta la aireación y agitación. La adición de los inductores de enquistamiento AE01 y AE02 demostró la capacidad de la cepa AC1 para formar quistes en condiciones de estrés. Asimismo, las condiciones de fermentación y el enquistamiento no afectaron las actividades biológicas evaluadas.

The indiscriminate use of chemical fertilizers has contributed to the deterioration of the biological, physical and chemical properties of the soil, resulting in the loss of its productive capacity. For this reason, the use of biofertilizers has emerged as a technological alternative. The objective of this research was to develop a suitable liquid fermentation system and encystment for the multiplication of Azotobacter chroococcum AC1 strain, a bacterium employed in a biofertilizer formulation produced at present by CARPOICA, Colombia. Sequential statistical designs were used to determine the conditions in the fermentation system. The interaction between agitation, aeration and pH was evaluated on the viable biomass (CFU/ml) of AC1. In addition, the encystment ability of the strain was evaluated using two encystment agents and the potential plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) activity was assessed by different techniques, such as nitrogen fixation by ARA, phosphate solubilization by the phospho-molybdenum-blue reaction and indolic compound production by colorimetric reaction using the Salkowski reagent. Results showed significant effects (p <0.05) on the viable biomass in the three conditions (pH, aeration and agitation) tested individually, in one dual interaction and one tripartite interaction, were demonstrated to have a positive effect on the response variable aeration and agitation. The addition of the two encystment agents evaluated, AE01 and AE02, demonstrated the ability of AC1 to form cysts under stress conditions. Likewise, fermentation and encystment conditions did not affect the biological activities tested.

Scientometric analysis of Colombian research on bio-inoculants for agricultural production / Análisis cienciométrico de investigación colombiana en bio-inoculantes para producción agrícola / Análise cientométrica das pesquisas colombianas em bioinoculantes para a produção agrícola

The excessive use of synthetic chemical inputs in agricultural production has led to the disruption of biogeochemical cycles. One of the alternatives that arose within the systems of sustainable agriculture was the partial or total replacement of chemicals by biological substances. The analysis of relevant scientific literature has become a tool for assessing the quality of knowledge generation and its impact on the environment. A scientometric analysis was conducted of Colombian research on bio-inoculants from 2009 through 2014 in journals added to the Web of SciencesTM in order to identify the characteristics of the main target crops, the microorganisms used, and the beneficial effects on agriculture. In this work, 34 articles were identified: 24 (71 %) were research on bio-fertilizer development and 10 (29 %) on bio-pesticides. Articles mainly focused on the study of Gram-negative bacilli affecting the area (77 %), while others focused on issues and topics surrounding vegetables (30 %).The analysis of co-occurrence of keywords identified: i. several genera of microorganisms (e.g. A%otobacter sp., Bradyrhi%obium sp.) and sustainable agriculture as issues that have a leading role in this scientific field, ii. plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) as an emerging issue, iii. biological nitrogen fixation (BNF) as a subject which has risen in a complementary manner and iv. endophytic bacteria and biodiversity as issues in growth. This study showed that research in Colombia could be targeted on issues such as endophytic bacteria, diversity and productivity.

El uso excesivo de insumos sintéticos en la producción agrícola ha llevado a la disrupción de los ciclos biogeoquímicos. Como alternativa a este problema, los sistemas de agricultura sostenible han reemplazado parcial o totalmente los químicos por sustancias biológicas. El análisis de literatura científica relevante se ha convertido en una herramienta para determinar la calidad de la generación de conocimiento en este campo y su impacto en el ambiente.Se llevó a cabo un análisis cienciométrico de la investigación en Colombia sobre bioinoculantes entre 2009 y 2014. Se tuvieron en cuenta revistas indizadas en la Red de Ciencias®. Se buscó identificar las características de los principales cultivos, los microorganismos utilizados y sus efectos benéficos en la agricultura. Se seleccionaron 34 artículos: 24 (71%) sobre desarrollo de biofertilizantes y 10 (29%) sobre biopesticidas. Los artículos se enfocaron principalmente en el estudio de bacilos Gram-negativos (77%), mientras que otros se enfocaron en los temas relativos a hortalizas (30%). El análisis de co-ocurrencia de palabras claves identificó: i. Algunos géneros de microorganismos (Azptobacter sp., Bradyrhizobium sp.) y la agricultura sostenible como temas relevantes en este campo, ii. Rizobacterias promotoras del crecimiento en plantas (PGPR) como un tópico emergente, iii. Fijación biológica de nitrógeno (FBN) como un tema emergente y complementario y iv. Bacterias endofíticas y biodiversidad como tópicos en crecimiento. Este estudio mostró también que la investigación en Colombia podría enfocarse en temas como bacterias endofíticas, diversidad y productividad.

O uso excessivo de produtos químicos sintéticos na produção agrícola levou a uma perturbação dos ciclos biogeoquímicos. Uma das alternativas que surgiram dentro dos sistemas de agricultura sustentável foi a substituição total ou parcial de compostos químicos por substancias biológicas. O estudo de literatura científica relevante se tornou uma ferramenta para avaliar a qualidade da geração de conhecimento e seu impacto no meio ambiente. A análise cientométrica foi realizada em investigacoes colombianas sobre bioinoculantes de 2009 a 2014, em revistas disponíveis em Web of ScienceTM, com o intuito de identificar as características das principais culturas alvos, os microorganismos utilizados, e o efeito benéfico na agricultura. Neste trabalho, 34 artigos foram identificados: 24 (71 %) eram pesquisas sobre o desenvolvimiento de biofertilizantes e 10 (29 %) sobre biopesticidas. Os artigos eram focados principalmente no estudo de bacilos Gram-negativos afetando a área (77 %), enquanto que outros eram voltados a questoes e temas de vegetais (30 %). A análise de coocorréncia de palavras-chave identificou: i. diversos géneros de microorganismos (Ex. Azptobacter sp., Bradyrhizpbium sp.) e agricultura sustentável como questóes fundamentais nesta área científica, ii. rizobactéricas promotoras de crescimento de plantas (PGPR) como um tema emergente, iii. fixação biológica de nitrogénio (BNF) como um assunto que tem surgido de maneira complementar e iv. bactérias endofíticas e biodiversidade como temas em crescimento. Este estudo mostrou que a pesquisa na Colombia poderia ser dirigida a questoes como bactérias endofíticas, diversidade e produtividade.

Evaluation of polymers for the liquid rhizobial formulation and their influence in the Rhizobium-Cowpea interaction / Evaluación de polímeros para la formulación líquida de rizobios e influencia en la interacción Rhizobium-caupí / Avaliação de polímeros para a formulação líquida de rizobios e influência na interação Rhizobium-caupí

To develop proposals in bacterial formulations applicable to the agricultural sector, a study of physicochemical and biological parameters of the polymeric materials is essential. Here, we evaluated the effects of eight polymers on the cellular viability of Rhiyobium sp. G58 during a 2-month period. From these results, we selected the three polymers that yielded the best results in respect to the survival of the bacteria. An assay of the effect of the polymers on the symbiotic activity of Rhiyobium-Cowpea and the agronomic parameters was conducted under greenhouse conditions, based on the principal component analysis. A positive effect was found in Rhiyobium sp. G58 using the Tukey's Test (p<0.05) with sodium alginate (0.5-1%) and hydroxypropyl methylcellulose-HPMC (0.125-0.5%), while a significant decrease was established in cellular viability using polyethylene glycol-PEG, carbomer-Carbopol 940, and polyvinyl alcohol-PVA. The multivariate analysis indicated that the application of the polymers (sodium alginate and hydroxypropyl methylcellulose) in 0.5% concentration did not have negative effects on the symbiotic fixation of nitrogen or the process of nodulation. In conclusion, our results suggest the effectiveness of these polymers and the possibility of using them as carriers of bacterial formulation without affecting physiological processes.

Para el desarrollo de propuestas en formulaciones bacterianas aplicadas al sector agropecuario, se hace necesario el estudio de parámetros fisicoquímicos y biológicos de materiales poliméricos. En este estudio, evaluamos el efecto de ocho polímeros sobre la viabilidad celular de Rhiyobium sp. G58 durante 2 meses. Obtenidos estos resultados, se seleccionaron los 3 polímeros que tuvieron la mejor respuesta en la supervivencia de la bacteria. Se realizó un ensayo bajo invernadero del efecto de los polímeros sobre la actividad simbiótica de Rhiyobium-Cowpea y de los parámetros agronómicos, el cual fue realizado por un análisis multivariado de componentes principales. Se estableció un efecto positivo mediante el test de Tuckey's (p < 0.05) en Rhiyobium sp. G58 utilizando alginato de sodio (0.5-1%) e hidroxipropilmetilcelulosa-HPMC (0.125-0.5%). Mientras que, se obtuvo un descenso significativo en la viabilidad celular con polietilenglicol-PEG, carbomero-Carbopol 940, y alcohol polivinílico-PVA. El análisis multivariado indicó que la aplicación de los polímeros (alginato de sodio e hidroxipropilmetilcelulosa) a una concentración de 0.5%, no afectaron negativamente la actividad de fijación simbiótica de nitrógeno, ni el proceso de nodulación. En conclusión, nuestros resultados sugieren la efectividad de estos polímeros con Rhiyobium sp. y podrían ser empleados como soportes para formulaciones bacterianas sin afectar procesos fisiológicos.

Para o desenvolvimento de propostas em formulações bacterianas aplicadas ao setor agropecuário, faz-se necessário o estudo de parâmetros fisicoquímicos e biológicos de materiais poliméricos. Neste estudo, avaliamos o efeito de oito polímeros sobre a viabilidade celular de Rhiyobium sp. G58 durante 2 meses. Selecionaram-se os 3 polímeros que tiveram a melhor resposta na sobrevivência da bactéria. Estabeleceu-se um efeito positivo mediante o teste de Tuckey's (p < 0.05) em Rhiyobium sp. G58 usando alginato de sodio (0.5-1%) e hidroxipropilmetilcelulosa-HPMC (0.125-0.5%). Enquanto, obteve-se um descenso significativo na viabilidade celular com polietilenglicol-PEG, carbómero-Carbopol 940, e álcool polivinílico-PVA. A análise multivariado indicou que a aplicação dos polímeros (alginato de sodio e hidroxipropilmetilcelulose) a uma concentração de 0.5%, não afetaram negativamente a atividade de fixação simbiótica de nitrogénio, nem o processo de nodulación. Em conclusão, os resultados sugerem a efetividade destes polímeros com Rhiyobium sp. e poderiam ser empregues como suporte para formulações bacterianas sem afetar processos fisiológicos.

Infectividad y efectividad de rizobios aislados de suelos de la Costa Caribe colombiana en Vigna unguiculata / Infectivity and effectiveness of isolated rhizobia from colombian Caribbean Soils in Vigna unguiculata

Es el primer estudio en Colombia que abarca una evaluación de rizobios nativos asociados a frijol Caupí (Vigna unguiculata L. Walp.) en los departamentos del Cesar y la Guajira. En esta investigación, se demostró que la utilización de aislamientos de rizobios nativos aislados a partir de nódulos, mejoraron el desarrollo del frijol Caupí (Vigna unguiculata L. Walp.), siendo estas bacterias más eficientes que los tratamientos químicos y absolutos (sin inóculo ni fertilización) y que las cepas inducidas mejorando además, la fijación biológica de nitrógeno y la tasa fotosintética. Como aportes del estudio, se determinó que en condiciones de invernadero la fertilización biológica fue más eficiente que la química y que, de acuerdo a los resultados obtenidos de las diferentes variables agronómicas evaluadas, esto podría influir positivamente en los rendimientos nutricionales del cultivo, base alimentaria de los sistemas ganaderos de estas regiones del país y fuente alimenticia de la comunidad indígena y de bajos recursos económicos.

This is the first study in Colombia which covers an evaluation of native rhizobium associated to the Caupí bean (Vigna unguiculata L. Walp.) in the departaments of Cesar and Guajira. In this research it was demonstrated that the use of native rhizobium isolated from nodes, improved the development of the Caupí bean (Vigna unguiculata L. Walp.), being this bacteria more efficient than the chemical and absolute treatments (without inoculum and fertilization) also improving the biological nitrogen fixation and the photosynthetic rate. As contribution of the study, it was determined that in greenhouse conditions and according to the results obtained from differents measured agronomic variables, this could influence positively in the nutritional performance of the crop, basis of food of the cattle system of this regions of the country and the food source of the indigenous community of low economic income.

Efecto de rizobacterias promotoras de crecimiento vegetal solubilizadoras de fosfato en Lactuca sativa cultivar White Boston / Effect of plant growth promoting rhizobacteria phosate solubilizing Lactuca sativa cultivar White Boston

En las últimas décadas, la agricultura colombiana se ha visto afectada por la reducción de la productividad en las zonas hortícolas, el incremento de los costos de producción y la dependencia del uso de productos químicos, produciendo un daño irreversible al medio ambiente y la calidad de vida de productores y consumidores. El objetivo de investigación fue evaluar el efecto de rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal del género Pseudomonas sp. sobre Lactuca sativa cultivar White Boston como solubilizadoras de roca fosfórica. El estudio se realizó en el Centro de Investigación Tibaitatá (Corpoica) ubicado en Mosquera (Cundinamarca-Colombia). Los resultados demostraron que las cepas tienen la capacidad intrínseca para solubilizar fuentes de fósforo de baja solubilidad como la roca fosfórica. La aplicación de inoculantes con base en las cepas: Pseudomonas fluorescens FR1, Pseudomonas sp., UVLO27 y Pseudomonas sp. LEAV18 arrojaron los mejores resultados. Las cepas Pseudomonas sp. FR2, UVLO27 y K35, tienen la capacidad de producir índoles y sideróforos. El experimento en invernadero evidenció que las cepas Pseudomonas fluorescens FR1, Pseudomonas sp. FR2 y UVLO27 incrementaron de manera significativa (P<0.05) la biomasa y el desarrollo de las plantas. El uso de rocas fosfóricas representa una alternativa económica y ecológica viable, en sistemas de agricultura sostenible.

In the last decades, Colombian agriculture has been affected by the reduction in productivity in horticultural areas, increase in production costs and the dependence of chemical products usage, causing and irreversible damage to environment and producers and consumers life quality. The aim of this research was to evaluate the effect of plant growth promoting rhizobacteria of the genus Pseudomonas sp. under Lactuca sativa cultivar White Boston as phosphate rock solubilizing bacteria. The study took place in the Research Centre Tibaitatá-Corpoica, located in Mosquera (Cundinamarca-Colombia). Results demonstrated that the strains have an intrinsic capacity to solubilize low solubility phosphorus sources as phosphate rock. Inoculants application based on: Pseudomonas fluorescensFR1, Pseudomonas sp., UVLO27 and Pseudomonas sp. LEAV18 strains displayed the best results. The strains Pseudomonas sp. FR2, UVLO27 and K35, are capable of producing indoles and siderophores. The green house experiment showd that strain Pseudomonas fluorescens FR1, Pseudomonas sp. FR2 of phosphate rocks represents a viable economic and ecological alternative in sustainable agriculture systems.

Characterization of diazotrophic phosphate solubilizing bacteria as growth promoters of maize plants / Caracterización de bacterias diazotróficas solublizadoras de fosfato como promotoras de crecimiento en plantas de maíz

Phosphorus is limiting for growth of maize plants, and because of that use of fertilizers like rock phosphate has been proposed. However, direct use of rock phosphate is not recommended because of its low availability, so it is necessary to improve it. In this study, a group of diazotrophic bacteria were evaluated as phosphate-solubilizing bacteria, for their production of indolic compounds and for their effects on growth of maize plants. Strains of the genera Azosporillum, Azotobacter, Rhizobium and Klebsiella, were quantitatively evaluated for solubilization of Ca3(PO4)2 and Rock Phosphate as a single source of phosphorous in SRS culture media. Additionally, the phosphatase enzyme activity was quantified at pH 5.0, 7.0 and 8.0 using p-nitrophenyl phosphate, and production of indolic compounds was determined by colorimetric quantification. The effect of inoculation of bacteria on maize was determined in a completely randomized greenhouse experiment where root and shoot dry weights and phosphorus content were assessed. Results showed that strain C50 produced 107.2 mg.L-1 of available-P after 12 days of fermentation, and AC10 strain had the highest phosphatase activity at pH 8 with 12.7 mg of p-nitrophenol mL.h-1. All strains synthetized indolic compounds, and strain AV5 strain produced the most at 63.03 µg.mL-1. These diazotrophic bacteria increased plant biomass up to 39 % and accumulation of phosphorus by 10%. Hence, use of diazotrophic phosphate-solubilizing bacteria may represent an alternative technology for fertilization systems in maize plants.

El fósforo es limitante para el crecimiento de plantas de maíz y debido a eso se ha propuesto el uso de fertilizantes como la roca fosfórica. Sin embargo, el uso directo de roca fosfórica no es recomendado por su baja solubilidad, por lo que es necesario mejorarlo. En este estudio, un grupo de bacterias diazotróficas fueron evaluadas como bacterias solubilizadoras de fosfato, productoras de compuestos indólicos y sus efectos sobre el crecimiento de plantas de maíz. Cepas de los géneros Azospirillum, Azotobacter, Rhizobium y Klebsiella fueron evaluadas cuantitativamente en la solubilización de Ca3(PO4)2 y roca fosfórica como única fuente de fósforo en medio de cultivo SRS. Adicionalmente, la actividad de la enzima fosfatasa fue cuantificada a pH 5.0, 7.0 y 8.0 usando p-nitrofenil fosfato y, la producción de compuestos indólicos fue determinada por cuantificación colorimétrica. El efecto de la inoculación de las bacterias sobre plantas de maíz fue determinado en un experimento en invernadero con un diseño completamente al azar donde los pesos secos de raíz y hojas y el contenido de fósforo fueron evaluados. Los resultados mostraron que la cepa C50 produjo 107.2 mg.L-1 de fósforo disponible después de 12 días de fermentación y que la cepa AC10 tuvo la más alta actividad fosfatasa a pH 8 con 12.7 mg de p-nitrofenol mL.h-1. Todas las cepas sintetizaron compuestos indólicos y la cepa AV5 produjo la más alta cantidad con 63.03 µg.mL-1. Estas bacterias diazotróficas incrementaron la biomasa de las plantas por encima del 39 % y de la acumulación de fósforo por el 10 %. Aquí, el uso de bacterias diazotróficas solubilizadoras de fosfato puede representar una alternativa tecnológica para los sistemas de fertilización en plantas de maíz.

CARACTERIZACIÓN DE BACTERIAS DIAZOTRÓFICAS ASIMBIÓTICAS ASOCIADAS AL EUCALIPTO (Eucalyptussp.) EN CODAZZI, CESAR (COLOMBIA) / Characterization of Diazotrophic Bacteria Non-Symbiotic Associated with Eucalyptus (Eucalyptussp.) in Codazzi, Cesar (Colombia)

Se evaluó el efecto de las épocas climáticas (lluvia y sequía) y del estrato de la muestra (suelo rizosférico, raíces y hojas) sobre la población de los géneros Azotobacter, Beijerinckia, Derxia, Azospirillum, Herbaspirillum, Gluconacetobacter y Burkholderia en el Eucalipto (Eucalyptus sp.). Así mismo, se evalúo su capacidad en la producción de compuestos indólicos como promotores del crecimiento vegetal y su actividad de reducción de acetileno como indicador de la fijación biológica de nitrógeno. Los resultados no registraron diferencias estadísticas significativas en el test de Tukey (P ≤ 0.05) en la población con respecto a la época climática. Con respecto al estrato de muestra, los aislamientos tentativos de Herbaspirillum sp. y Azospirillum sp. presentaron diferencias significativas en suelo rizosférico y raíces. Se obtuvieron 44 aislamientos de los cuales se agruparon por caracterización fenotípica como: 14 presuntivos de Beijerinckia sp., 12 de Azotobacter sp., ocho de Derxia sp., cuatro de Herbarpirillum sp., cinco de Azospirillum sp., uno de Gluconacetobacter sp. y uno de Burkholderia sp. Por su alto potencial fueron seleccionados y criopreservados los aislamientos C27, C26 y C25, las cuales presentaron los mejores valores de eficiencia in vitro, superando valores de producción de las cepas de referencia utilizadas (A. chroococcum (AC1) y A. brasilense (SP7)).

The effect of climatic seasons (rainy and dry) and the stratum sample (rhizospheric soil, roots and leaves) the population of the genera Azotobacter, Beijerinckia, Derxia, Azospirillum, Herbaspirillum, Gluconacetobacter and Burkholderia in soil rhizosphere, roots and leaves of Eucalyptus (Eucalyptus sp.). It also assesses their ability to produce indoles compounds as plant growth promoters and their acetylene reduction activity as an indicator of biological fixation of nitrogen. The results showed no statistically significant differences in the Duncan test (P ≤ 0.05) in the population with respect to the climate epoch, suggesting that these bacteria are able to tolerate stress conditions by different physiological mechanisms. With respect to the stratum sample isolates attempts of Herbaspirillum sp. and Azospirillum sp. significant differences in rhizospheric soil and roots. We obtained 44 isolates of which were grouped by phenotypic characterization as 14 suspected of Beijerinckia sp., 12 Azotobacter sp., 8 Derxia sp., 4 Herbaspirillum sp., 5 Azospirillum sp., 1 Gluconacetobacter sp. and 1 Burkholderia sp. Due to their high potential were selected isolates C27, C26 and C25. These four strains present the best values of efficiency in vitro, exceeding production values of the reference strains used (A. chroococcum (AC1) and A. brasilense (SP7)).