Frontiers in Environmental Science

en 1936, hace poco más de 80 años, Selman Waksman publicó un libro trascendental y monumental en el que revisaba con gran detalle lo que se sabía y no se sabía en ese momento sobre el origen, la composición química y la importancia del humus. Este libro debe haber requerido una cantidad fenomenal de trabajo., De hecho, para escribirlo, Waksman recopiló y analizó un número enorme (1311) de fuentes primarias que abarcan varios siglos, algunas en alemán, francés, ruso y latín. Incluso con todas las bases de datos electrónicas disponibles para nosotros hoy en día, esto sería un esfuerzo extremadamente lento, que requiere muchos meses, si no años, de lectura a tiempo completo y extractos., En la década de 1930, sin internet, las fotocopiadoras o la opción de enviar correos electrónicos a colegas para obtener reimpresiones de sus publicaciones, identificar, y mucho menos revisar las fuentes de 1311 debe haber sido una empresa absolutamente formidable, que bien vale la pena celebrar por derecho propio.,

aparentemente influenciado por varios autores alemanes anteriores, a quienes citó, Waksman (1936) definió el humus de la siguiente manera: «químicamente, el humus consiste en ciertos constituyentes del material vegetal original resistente a una mayor descomposición; de sustancias en descomposición; de complejos resultantes de la descomposición, ya sea por procesos de hidrólisis o por oxidación y reducción; y de varios compuestos sintetizados por microorganismos.,»Una década antes, Waksman (1925) había sido un fuerte defensor de la práctica tradicional de extraer materia orgánica del suelo con álcali, seguida por la identificación, basada en la solubilidad en agua, de tres categorías diferentes de alto peso molecular, inherentemente estables y químicamente únicas» sustancias húmicas » (ácido fúlvico, ácido húmico y humina)., Sin embargo, en 1936 había cambiado de opinión sobre el asunto, convencido de que los extractos alcalinos eran una construcción estrictamente operativa y arbitraria, que «no da una imagen de la verdadera naturaleza del humus, su origen y su condición dinámica en el suelo. Sus escritos sugieren que la idea de que las sustancias húmicas podrían tener una estructura química única o definitiva data de la época en que «la química estaba todavía en su infancia y cuando todos los compuestos orgánicos e inorgánicos se consideraban sustancias muy simples en composición química.,»Un microbiólogo de formación, Waksman también siguió insistiendo fuertemente, a lo largo de su libro, en los fundamentales, pero a menudo ignorados, «lazos invisibles» que conectan el humus y los microorganismos vivos, «que deben ser apreciados para comprender el origen y la naturaleza del humus., Argumentó que, » sin negar el papel de las reacciones puramente químicas en la formación y transformación del humus, especialmente las de oxidación y reducción, hidrólisis y polimerización, se debe reconocer que los agentes primarios en la formación y transformación del humus son los microorganismos; al pasar por alto sus funciones, los químicos anteriores no entendieron el origen y la importancia del humus, a pesar de los muchos años de esfuerzo, desde los inicios de la química orgánica hasta tiempos recientes.,»

dada la claridad del resumen de Waksman (1936) sobre el estado del conocimiento del humus y la hoja de ruta para futuras investigaciones, es sorprendente que nadie haya seguido sus sugerencias hasta los años 90, más de medio siglo después. En lo que respecta al propio Waksman, hay una razón relativamente simple, vinculada a un momento desfavorable, por la que no siguió trabajando a lo largo del camino que tan minuciosamente había trazado., Como también sucedió en el caso del trabajo seminal de Langmuir (1938) sobre las interacciones electrostáticas entre partículas cargadas (McBride y Baveye, 2002), los eventos mundiales de finales de los años 30 rápidamente llevaron a Waksman a desviar su atención de un trabajo importante hacia asuntos más urgentes. Después de que Dubos (1939) lograra aislar por primera vez un antibiótico (gramicidin) producido por un microorganismo del suelo, las enormes consecuencias prácticas de este avance fundamental para la atención de la salud, y especialmente para el tratamiento de soldados heridos, se hicieron rápidamente obvias (Moberg, 1999; Van Epps, 2006)., Para encontrar otros antibióticos, la industria farmacéutica comenzó a financiar programas de pruebas sistemáticas, incluido uno grande en el laboratorio de Waksman después de 1939. En 1942, Albert Schatz, uno de los asistentes de Waksman que trabajaba con actinomicetos, descubrió la estreptomicina. La amarga batalla legal sobre las regalías que se produjo entre Schatz y Waksman (por ejemplo, Lawrence, 2002; Kingston, 2004; Casadevall y Fang, 2013; Pringle, 2013), y la concesión del Premio Nobel de medicina a Waksman en 1952 le hizo centrar prácticamente toda su atención posterior en los antibióticos., No encontramos evidencia de que haya reanudado su trabajo sobre el humus o sus interacciones con microorganismos.

esto no explica, sin embargo, por qué otros microbiólogos del suelo no retomaron donde Waksman lo dejó. Hasta cierto punto, una respuesta a esta pregunta se puede encontrar en reflexiones hechas más tarde por Waksman (Waksman, 1958) cuando señaló que los científicos del suelo demostraron muy poco reconocimiento hacia la microbiología del suelo a principios del siglo XX., El énfasis en la ciencia del suelo fue en cambio en la física y química de los suelos, particularmente en relación con la fertilidad del suelo, o en la clasificación del suelo. Ese estado de cosas todavía estaba claramente en curso en 1936, como lo ilustra el hecho de que durante ese año, la revista Soil Science contenía solo 6 artículos sobre microorganismos del suelo de un total de 77 artículos, mientras que las actas de la Soil Science Society of America no contenían un solo artículo relacionado con la microbiología del suelo., El predominio de un punto de vista, el punto de vista del químico, explica por qué la opinión de un microbiólogo del suelo sobre la naturaleza de lo que se percibía esencialmente como un componente químico de los suelos es probable que haya caído en oídos relativamente sordos. Igualmente, muy probablemente, es el punto de vista de Waksman de que la investigación futura sobre el humus debería ser lo que ahora llamaríamos » multidisciplinario «o incluso» interdisciplinario » (Baveye et al., 2014)., Waksman (1936) vio claramente que la estrecha conexión que identificó entre los microorganismos del suelo y la naturaleza de las sustancias húmicas del suelo requería un enfoque de investigación que involucrara la cooperación de varias disciplinas. En su opinión, el » físico, el químico, el botánico y el microbiólogo pueden contribuir a la solución de los numerosos problemas complicados involucrados en la formación y utilización del humus.»Sin embargo, era mucho más acorde con los hábitos de la época para que los químicos del suelo siguieran haciendo lo que habían sido entrenados para hacer, I. e.,, extraer compuestos químicos de los suelos y tratar de determinar su estructura química única e hipotéticamente bien definida, de alto peso molecular, un esfuerzo que persiguieron con gran energía y convicción durante varias décadas, totalmente independientemente de lo que los físicos y microbiólogos del suelo, alojados en las mismas organizaciones, estaban haciendo de su lado.

para ser justos, durante muchos años, una dificultad adicional fue que no era realmente factible en la práctica llevar a cabo el tipo de investigación interdisciplinaria que Waksman había previsto en 1936., En los años 50 y 60, varios microbiólogos (por ejemplo, Alexander, 1965; Griffith, 1965) también llegaron a la conclusión de que para comprender la actividad de los microorganismos en los suelos, se requería un análisis detallado a la escala espacial de los microorganismos (es decir, a la «microescala»). Pero, desafortunadamente, «las dificultades técnicas inherentes en la experimentación bioquímica a nivel microscópico» (Alexander, 1965) obstaculizaron severamente el progreso en esa dirección., El advenimiento de los microscopios electrónicos de transmisión o barrido, en los años 60 y 70, proporcionó una gran cantidad de información cualitativa sobre los hábitats microbianos como se ve en micrografías de calidad cada vez más alta (por ejemplo, Foster, 1988). Sin embargo, esa nueva información no pudo correlacionarse con los datos microscópicos correspondientes sobre la composición de la materia orgánica, porque los métodos de análisis químicos pertinentes seguían siendo casi totalmente macroscópicos.,

sin embargo, el progreso en varias técnicas de análisis espectroscópico, en particular en varios métodos de Resonancia Magnética Nuclear, durante los años 90 permitió a los investigadores caracterizar la composición química de las sustancias húmicas en los suelos con mucho más detalle, y confirmar la solidez de la perspectiva de Waksman (1936). En un artículo de revisión histórico, Piccolo (2002) concluyó que las sustancias húmicas son «asociaciones supramoleculares de moléculas heterogéneas y relativamente pequeñas autoensambladas que se derivan de la degradación y descomposición de material biológico muerto.,»Otros casi al mismo tiempo expresaron puntos de vista similares también, basados en su lectura de la literatura (e.g., Burdon, 2001; Wander, 2004). Unos años más tarde, en una revisión exhaustiva y ampliamente citada de la investigación analítica independiente llevada a cabo durante la década anterior, Sutton y Sposito (2005) se refirieron a las sustancias húmicas como «colecciones de diversos componentes de masa molecular relativamente baja que forman asociaciones dinámicas estabilizadas por interacciones hidrofóbicas y enlaces de hidrógeno.,»De especial mención en las publicaciones de ese período Son los modelos de agregación molecular (Wershaw, 1986, 1999; Piccolo, 2001; Kleber et al., 2007; Chilom et al., 2009), que describen el papel que desempeñan las interacciones lípido-húmicas en la formación de materia orgánica del suelo. Se podría considerar esta la única idea «nueva» que el uso de métodos de extracción clásicos ha añadido a nuestra conceptualización de la materia orgánica del suelo que se estableció a principios de siglo.,

aproximadamente al mismo tiempo que la publicación de la revisión de Sutton y Sposito (2005), la comercialización de equipos de tomografía computarizada de rayos X de mesa permitió cuantificar la geometría y topología del espacio de poros en suelos (E.G., Young y Crawford, 2004; O’Donnell et al., 2007)., Las líneas de haz dedicadas en las instalaciones de sincrotrón de todo el mundo permitieron a los científicos del suelo y geoquímicos realizar mediciones de una serie de características químicas del suelo a escalas nanométricas y micrométricas, utilizando técnicas como la espectroscopía de absorción de rayos X de estructura cercana al borde (XANES) o la espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X cercana (NEXAFS). Finalmente, el acceso rutinario a nuevos tipos de microscopía, como la fluorescencia o los microscopios láser confocales, hizo que los datos cuantitativos estuvieran disponibles por primera vez sobre la distribución celular bacteriana (por ejemplo, Nunan et al., 2003; Eickhorst y Tippkötter, 2008)., En muchos sentidos, todas las estrellas se alinearon, metafóricamente hablando, para lanzar en serio el programa de investigación interdisciplinaria sobre sustancias húmicas que Waksman (1936) había previsto décadas atrás. Hubo algunos intentos limitados en ese sentido., De hecho, aproximadamente al mismo tiempo que Sutton y Sposito (2005) concluyeron a partir de su revisión de la literatura que «los componentes húmicos muestran un comportamiento mocional molecular contrastante y pueden ser segregados espacialmente en una escala de nanómetros», los análisis de XANES y NEXAFS fueron capaces de proporcionar evidencia visual clara de que la última parte de esa afirmación era de hecho la regla, en suelos representativos (Jokic et al., 2003; Schumacher et al., 2005; Solomon et al., 2005; Kinyangi et al., 2006)., Pero más allá de esta confirmación limitada, no se llevó a cabo una integración real de las técnicas y las perspectivas disciplinarias, y se avanzó poco durante otra década en la química y la dinámica de las sustancias húmicas. La mayoría de las investigaciones de humics continuaron describiendo la materia orgánica en un sentido macroscópico promedio, restringiendo nuestra capacidad de entender las conexiones entre los componentes bióticos y abióticos de los suelos y las funciones del suelo., Si bien cada una de las perspectivas disciplinarias individuales se ha explorado más, a veces en gran profundidad, la renuencia, la intransigencia o la inercia disciplinaria continúan impidiendo que los investigadores junten las piezas del rompecabezas para finalmente permitirnos comprender en detalle cómo los microorganismos influyen en la creación y transformación de sustancias húmicas, o los factores que controlan estos procesos (Baveye et al., 2018).,

diez años casi al día siguiente de la síntesis de Sutton y Sposito (2005), Lehmann y Kleber (2015), en un artículo bien elaborado, revisaron en detalle una serie de opiniones diferentes sobre la naturaleza química de la materia orgánica del suelo y propusieron el «modelo continuo del suelo» (SCM)1. Este modelo conceptualiza la materia orgánica del suelo, no como una colección de macromoléculas de alto peso molecular (es decir, la «visión tradicional»), sino como un «continuo» de fragmentos orgánicos de todos los tamaños «que abarcan toda la gama desde material vegetal intacto hasta carbono altamente oxidado en ácidos carboxílicos.,»Estos fragmentos orgánicos son» procesados continuamente por la comunidad de descomponedores hacia un tamaño molecular más pequeño.»A pesar de los diagramas ilustrativos que contrastan el SCM con el «punto de vista tradicional», y la afirmación de que el SCM ofrece un nuevo «camino a seguir en el modelado de la dinámica del carbono del suelo y el desarrollo de la gestión del suelo que se basa en la evidencia observable», es difícil ver ningún avance significativo en este modelo en relación con el «nuevo punto de vista» de las sustancias húmicas descrito 80 años antes por Waksman (1936), o con los puntos de vista repetidos más recientemente por Piccolo (2002) y Sutton y Sposito (2005)., En cuanto a la dinámica de las sustancias húmicas, Lehmann y Kleber (2015) piden métodos que produzcan «evidencia observable», necesaria para obtener «predicciones confiables de la rotación de la materia orgánica del suelo», y que nos permitan estudiar la «disposición espacial de la materia orgánica dentro de la matriz mineral, el ambiente redox a escala fina, la ecología microbiana y la interacción con superficies minerales bajo condiciones de humedad y temperatura observadas en los suelos., También reiteran la observación de Waksman de que la extracción de sustancias húmicas no proporciona una imagen realista de la verdadera composición y propiedades de la materia orgánica que existe en los suelos, y recomendaron que términos como «humus», «humificación» o incluso «sustancias húmicas», utilizados rutinariamente durante siglos, ya no deberían formar parte del vocabulario de los científicos del suelo.

durante los últimos 3 años, las diferentes sugerencias de Lehmann y Kleber (2015) han causado un gran revuelo entre los científicos del suelo (por ejemplo, Piccolo, 2016; Gerke, 2018; Hayes y Swift, 2018; Weber et al., 2018; Olt et al.,, en prensa). Las defensas de hábitos arraigados contra lo que se presenta casi como una herejía han sido extremadamente apasionadas, y las reacciones negativas a las propuestas hechas han sido muy inflexibles. Esto se ilustra vívidamente en dos números especiales publicados recientemente por el Journal of Soils and Sediments, uno que celebra el trabajo de Frank Stevenson sobre la materia orgánica del suelo (Knicker et al., 2018) y el otro dedicado a las sustancias húmicas (Weber et al., 2018). Ambos números especiales contienen muchos artículos que todavía tratan explícitamente de los extractos alcalinos y argumentan los méritos inherentes de este enfoque., En cuanto a la recomendación, hecha por Lehmann y Kleber (2015), de abandonar la terminología de «humus», hasta ahora ha habido muy poco debate abierto en la literatura sobre si los Términos sancionadores que se usan rutinariamente en la esfera pública tienen sentido y deberían, o incluso podrían, ser adoptados ampliamente. Según la Web of Science, no parece que la recomendación de Lehmann y Kleber (2015) haya sido bien recibida, ya que el número de artículos publicados que se refieren al «humus» o a la «humificación» en los suelos no ha disminuido en absoluto desde 2015., En lugar de sancionar el uso de estos Términos cargados de historia, podría ser mejor seguir el ejemplo de Waksman (1936), y simplemente asegurarse de que estén adecuadamente definidos.,

en todo el alboroto que siguió a la publicación del artículo de Lehmann y Kleber (2015), desafortunadamente parece que se ha dedicado poca atención a la naturaleza química y la dinámica de las sustancias húmicas, por lo que es probable que veamos una vez más lo que Jenny (1961), escribiendo sobre la acidez del suelo, una vez se refirió sarcásticamente como un «tiovivo»: hay una buena posibilidad de que otro artículo de ciencia o naturaleza se publique alrededor de 2025, ensalzando la perspectiva perpetuamente «emergente» de Waksman sobre humus del suelo., Sin embargo, desde una perspectiva más optimista, la comunidad científica del suelo aún puede decidir retomar la agenda de investigación de Lehmann y Kleber y, críticamente, notar que las herramientas necesarias para responder a su llamado y mejorar nuestra comprensión de la dinámica de la materia orgánica del suelo en la microescala ya existen, de hecho han estado disponibles durante una década, pero han permanecido en gran parte sin usar.,

en este contexto, sería crucial comprender las razones clave por las que las oportunidades disponibles para el análisis a microescala de sustancias húmicas en suelos no se han aprovechado desde 2005 hasta hace poco, con el fin de evitar trampas o repetir los errores cometidos. A este respecto, nos parece que la explicación más probable para nuestro estado actual de cosas, y para el movimiento muy lento hacia adelante en relación con la naturaleza y la dinámica de las sustancias húmicas, está relacionada con la existencia de una barrera considerable en el camino hacia la investigación interdisciplinaria., Es posible que haya varias causas para tal barrera. Los esfuerzos interdisciplinarios son notoriamente difíciles de lanzar, debido a las limitaciones institucionales y los mecanismos de financiación que a menudo favorecen fuertemente los esfuerzos monodisciplinarios (por ejemplo, Baveye et al., 2014). Otra razón es que la microbiología ha evolucionado cada vez más en las últimas 3 décadas lejos de la ecología a lo largo de líneas paralelas al desarrollo de la química agrícola moderna e inicialmente causó divisiones entre las ciencias biológicas y físicas en los días de Waksman (Wander, 2009)., Gran parte de la investigación en microbiología del suelo en las últimas dos décadas se ha basado en la noción de que las propiedades físicas o químicas de los microambiente donde los microorganismos residen en los suelos son irrelevantes, y que las moléculas de ADN o ARN extraídas contienen toda la información necesaria para dar sentido a la actividad de los microbios en los suelos. La adopción de este enfoque ha tenido el mérito de generar representaciones macroscópicas o masivas de la composición de la comunidad que satisfacen las demandas de medidas cuantitativas reproducibles., Sin embargo, durante las últimas dos décadas, esta perspectiva, que ha atraído críticas crecientes (por ejemplo, O’Donnell et al., 2007; Baveye, 2009; Baveye et al., 2018; Young y Bengough, 2018), podría decirse que ha contribuido de manera significativa a frustrar los esfuerzos de investigación interdisciplinaria que se ocupan de los microorganismos del suelo, y ha llevado a los microbiólogos a la misma trampa que ha limitado el progreso de los químicos y físicos del suelo que trabajan a escala macroscópica.

para salir de esa trampa, necesitamos reconocer cómo hemos organizado y compartimentado la disciplina de la ciencia del suelo., El funcionamiento interno de nuestras sociedades académicas, con divisiones separadas asociadas con la física del suelo, la química del suelo, etc., demuestran que todavía percibimos que nuestra disciplina está fuertemente organizada de acuerdo con una serie de subdisciplinas distintas. Esta estructuración de la ciencia del suelo ha sido criticada durante muchos años. Gardner (1991), por ejemplo, nos amonestó a ser conscientes del hecho de que «si la ciencia del suelo ha de continuar y prosperar como una disciplina científica por derecho propio, será a través de la integración exitosa de los avances en cada subdisciplina en un todo integral.,»A pesar de los repetidos consejos en ese sentido, no ha pasado mucho. Peor aún, con algunas excepciones notables (por ejemplo, programas fundacionales de Agroecología), la capacitación de la próxima generación de científicos del suelo tampoco ha evolucionado mucho hacia una integración más disciplinaria. Aparte de la notable excepción de los programas que enfatizan el aprendizaje basado en problemas (Amador y Görres, 2004; Amador et al., 2006), las conferencias en la mayoría de los programas de grado en Ciencias del suelo todavía se centran únicamente en subdisciplinas individuales, y la especialización de los estudiantes de Ciencias del suelo ocurre demasiado pronto y es demasiado pronunciada., Lamentablemente, no es inconcebible hoy en día, por ejemplo, que un físico del suelo no sepa nada sobre la ecología de la meso – o macro-fauna del suelo, o que un microbiólogo del suelo no esté consciente de cómo la intrincada geometría del espacio de poros en los suelos afecta a los microorganismos. Cada año, en todo el mundo, los programas de educación en Ciencias del suelo producen un gran número de graduados discapacitados por este tipo de ignorancia paralizante.

y sin embargo, a pesar de las claras deficiencias de nuestros sistemas educativos, parece haber razones para la esperanza., No solo un grupo de investigadores predominantemente jóvenes ha pedido recientemente un mayor énfasis en la investigación interdisciplinaria en la ciencia del suelo (Baveye et al., 2018), pero este llamamiento ha sido seguido rápidamente por pasos significativos en este camino. Vidal et al. (2018) han combinado diferentes técnicas espectroscópicas y microscópicas para obtener simultáneamente información sobre la distribución de minerales y biomasa en las proximidades de las raíces. Más recientemente, Schlüter et al., (2019), utilizando una combinación de µCT de rayos X, microscopía de fluorescencia, Microscopía Electrónica de barrido y nanosimos, pudieron estudiar la distribución de bacterias en un suelo y mostrar que tienen una preferencia por alimentarse cerca de superficies macroporas y cerca de materia orgánica particulada fresca., Esta investigación interdisciplinaria pionera abre el camino hacia el análisis a micro y mesoescala no solo de la dinámica de la materia orgánica del suelo y procesos relacionados como el cebado o el almacenamiento y protección de carbono, que son eminentemente relevantes en el contexto del cambio climático global, sino también de otros procesos transmitidos por el suelo de gran importancia práctica, como la regulación de la acidez del suelo y la Unión de metales, sobre los cuales varias preguntas han quedado sin respuesta, a pesar de un esfuerzo de investigación considerable en el pasado (por ejemplo, Tipping y Hurley, 1988; Tipping, 2002).,

dadas las funciones clave que cumplen los suelos en una serie de contextos ambientales, sin olvidar con respecto al desalentador objetivo de alimentar a 10 mil millones de habitantes en la tierra para 2050 (por ejemplo, Baveye, 2015), sería simplemente inaceptable no solo para la disciplina de la ciencia del suelo, sino también para la sociedad en general, si no rompiéramos la barrera interdisciplinaria que se ha interpuesto en nuestro camino hasta ahora. Comprender la dinámica de las sustancias húmicas del suelo y la materia orgánica natural es demasiado crucial para evitar una vez más tomar el camino no recorrido.,

contribuciones de los autores

tanto PB como MW han contribuido al contenido de este artículo y han colaborado estrechamente en su redacción.

Declaración de conflicto de intereses

los autores declaran que la investigación se realizó en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran ser interpretadas como un potencial conflicto de intereses.

notas de pie de Página