Assessment of the effects of cropland soil remediation strategies on the soil microbial community and tomato agrophysiology

Abstract

El agua y el suelo son dos de los pilares fundamentales de la agricultura, por lo que el manejo correcto de estos es primordial para el desarrollo de una agricultura sostenible. No obstante, determinadas prácticas agrícolas provocan desbalances en el equilibrio establecido por las comunidades microbianas en el suelo y en el estado fisiológico de los cultivos. Algunas de estas prácticas están relacionadas con la aplicación de compuestos químicos que pueden llegar a alterar el metabolismo de los microorganismos del suelo de manera general o específica. El continuo y creciente uso de estos compuestos químicos en el suelo ha incrementado la preocupación sobre la contaminación del suelo. Algunas de las técnicas de remediación que se estan utilizando en los últimos años son la solarización y la ozonización. La solarización es una técnica ampliamente utilizada en el suelo para eliminar o reducir el contenido en patógenos antes del cultivo. La ozonización, por su parte, consiste en la aplicación de ozono en forma de gas sobre el suelo. Ambas estrategias son técnicas de amplio espectro que recientemente están obteniendo buenos resultados en la reducción de compuestos contaminantes en los suelos. El objetivo de la presente Tesis Doctoral es evaluar cómo las diferentes estrategias de remediación aplicadas al suelo (solarización y ozonización) antes y durante el cultivo de Solanum lycopersicum L. pueden alterar las características químicas, biológicas y bioquímicas del suelo, así como la fisiología de las plantas, la productividad y la calidad de los frutos. Para cumplir con este objetivo general, esta Tesis Doctoral se ha articulado en tres capítulos en los que se han analizado los efectos de diferentes estrategias de remediación en el suelo y en la planta. Los resultados obtenidos indican que las estrategias de remediación de suelos pueden alterar las características químicas, biológicas y bioquímicas del suelo. En concreto, la comunidad microbiana del suelo se vio afectada por la solarización (capítulo III), pues redujo significativamente algunas de las actividades enzimáticas evaluadas (β-glucosidasa y fosfatasa alcalina) y la biomasa microbiana, especialmente la de hongos. No obstante, la aplicación conjunta de solarización y ozonización (capítulo IV) no intensificó los efectos de la solarización. Además, determinadas poblaciones microbianas con capacidad para degradar pesticidas mostraron incrementos en su abundancia relativa. Finalmente, la aplicación de ozono en el agua de riego (capítulo V), comparado con la aplicación de ozono gas sobre el suelo, altera en menor medida las propiedades fisicoquímicas y biológicas del suelo. Asimismo, la diversidad, estructura y composición de las comunidades microbianas no se ven prácticamente afectadas. Finalmente, la aplicación continua de ozono en el agua de riego redujo significativamente la conductancia estomática. A pesar de ello, dicho tratamiento mostró una tendencia a incrementar la calidad de los frutos. Por todo ello, se puede concluir que las técnicas de remediación del suelo pueden alterar las propiedades fisicoquímicas y biológicas del mismo, afectando en particular a la comunidad microbiana del suelo. Es importante tener en cuenta el modo de aplicación de estas técnicas, pues la aplicación de ozono en forma de gas en el suelo afecta en mayor medida a la comunidad microbiana del suelo que el ozono aplicado en el agua de riego. En cuanto a los efectos de la aplicación de ozono en el agua de riego durante el cultivo de S. lycopersicum L., destacar que algunos parámetros agro-fisiológicos de la planta de tomate también se vieron ligeramente afectados. No obstante, el contenido en nutrientes no sufrió alteraciones debido a los tratamientos evaluados. Además, la calidad de los frutos obtenidos con la aplicación continua de ozono en el riego fue ligeramente mejor que la del resto de tratamientos.

Water and soil are two of the fundamental pillars of agriculture, so their correct management is essential for the development of sustainable agriculture. However, certain agricultural practices cause imbalances in the balance established by microbial communities in the soil and in the physiological state of crops. Some of these practices are related to the application of chemical compounds that can alter the metabolism of soil microorganisms in a general or specific way. The continuous and increasing use of these chemical compounds in soil has increased the concern about soil contamination. Some of the most recent remediation techniques used in recent years are solarization and ozonation. Solarization is a widely used technique in soil to eliminate or reduce pathogen content prior to cultivation. Ozonation, on the other hand, consists of the application of ozone in gas form on the soil. Both strategies are broad-spectrum techniques that are recently obtaining promising results in the reduction of contaminating compounds in soils. The objective of this Doctoral Thesis is to evaluate how different remediation strategies applied to the soil (solarization and ozonation) before and during the cultivation of Solanum lycopersicum L. can alter the chemical, biological and biochemical characteristics of the soil, as well as plant physiology, productivity and fruit quality. To reach this general objective, this PhD Thesis has been articulated in three chapters in which the effects of different remediation strategies on the soil and on the plant have been analyzed. The results obtained indicate that soil remediation strategies can alter the chemical, biological and biochemical characteristics of the soil. Specifically, the soil microbial community was affected by solarization (Chapter III), as it significantly reduced some of the enzymatic activities evaluated (β-glucosidase and alkaline phosphatase) and microbial biomass, especially fungal biomass. However, the joint application of solarization and ozonation (Chapter IV) did not intensify the effects of solarization. In addition, certain microbial populations with the ability to degrade pesticides showed increases in their relative abundance. Finally, the application of ozone in irrigation water (Chapter V), compared to the application of ozone gas on the soil, altered the physicochemical and biological properties of the soil to a lesser extent. Likewise, the diversity, structure and composition of microbial communities are practically unaffected. Finally, the continuous application of ozone in irrigation water significantly reduced stomatal conductance. Nevertheless, this treatment showed a tendency to increase fruit quality. Therefore, it can be concluded that soil remediation techniques can alter the physicochemical and biological properties of the soil, particularly affecting the soil microbial community. It is important to take into account the mode of application of these techniques, since the application of ozone in gas form in the soil affects the soil microbial community to a greater extent than ozone applied in irrigation water. Regarding the effects of ozone application in irrigation water during the cultivation of S. lycopersicum L., it should be noted that some agro-physiological parameters of the tomato plant were also slightly affected. However, the nutrient content did not suffer alterations due to the treatments evaluated. In addition, the quality of the fruits obtained with the continuous application of ozone in irrigation was slightly better than that of the other treatments