Revista de Ciencias Biológicas y de la Salud http://biotecnia.unison.mx
Universidad de Sonora
ISSN: 1665-1456
Artículo original
Cyanobacteria as alternative for biological fertilization of maize crop
1 Ingeniería Ambiental, Universidad del Mar, campus Puerto Ángel. San Pedro Pochutla, Oaxaca. México.
2 Instituto de Ecología, Universidad del Mar, campus Puerto Ángel. San Pedro Pochutla, Oaxaca. México.
3 Instituto de Recursos, Universidad del Mar, campus Puerto Ángel. San Pedro Pochutla, Oaxaca. México.
The continuous use of chemical fertilizers in agricultural fields causes soil degradation and environmental pollution, in addition to causing damage to human health. Nitrogen fertilizers are not very efficient, more than 50 % of the applied N is lost by leaching, adsorption to soil particles or NH3 vola- tilization into the atmosphere; and its negative effect causes soil acidification, eutrophication of water bodies and loss of biodiversity in ecosystems. The use of biofertilizers based on nitrogen-fixing cyanobacteria is a promising alternative for agricultural production; they are also a potential source of useful fertilization to replace chemical fertilizers and promo- te soil fertility. The objectives of this work were to compare the biofertilizer vs chemical fertilizer and establish the best application site for the biofertilizer. Maize variety V-524 was planted in pots with a sandy loam soil, a 20 % (v/v) solution of the biofertilizer was sprinkled every 8 days on the soil, foliar and, combined; control was without biofertilizer. Biochemical indicators of the plant and N soil were analyzed. According to the results obtained, cyanobacteria provide the nitrogen re- quired by the plant; the growth rate of corn in treatment C/B was 1.09 times higher than treatment S/B. We conclude that cyanobacteria are an alternative for biological fertilization in maize cultivation, reducing the use of chemical fertilizer by up to 50 %.
El uso continuo de fertilizantes químicos en los campos agrícolas provoca la degradación del suelo, la contaminación ambiental y daños a la salud humana. Los fertilizantes nitro- genados son poco eficientes, más del 50 % del N aplicado se pierde por lixiviación, adsorción a las partículas del suelo o volatilización de NH3 a la atmosfera; y su efecto negativo provoca la acidificación del suelo, la eutroficación de los cuerpos de agua y la pérdida de biodiversidad en los eco- sistemas. El uso de biofertilizantes a base de cianobacterias fijadoras de nitrógeno es una alternativa prometedora para la producción agrícola, además son una fuente potencial de fertilización útil para remplazar a los fertilizantes químicos y promover la fertilidad del suelo. Los objetivos del trabajo fueron: comparar el biofertilizante vs fertilizante químico, y
*Autor para correspondencia: Eustacio Ramírez-Fuentes Correo-e: eustacioram@gmail.com
Recibido: 31 de octubre de 2024
Aceptado: 22 de agosto de 2025
Publicado: 18 de septiembre de 2025
establecer el mejor sitio de aplicación del biofertilizante. La variedad de maíz V-524 se sembró en macetas en un suelo franco-arenoso, se asperjó cada 8 d una solución al 20 % (v/v) del biofertilizante en suelo, foliar y, combinado; el control fue sin biofertilizante. Los indicadores bioquímicos de la planta y el N en el suelo fueron analizados. Por los resultados obteni- dos, las cianobacterias aportan el nitrógeno requerido por la planta; la tasa de crecimiento del maíz en el tratamiento C/B fue 1.09 veces mayor al tratamiento S/B. Podemos concluir que las cianobacterias son una alternativa de fertilización biológica en el cultivo de maíz, reduciendo hasta en un 50 % el uso de fertilizante químico.
El uso de fertilizantes químicos para satisfacer la creciente demanda de alimentos ha conducido indudablemente a la contaminación, y a dañar severamente hábitats microbianos e insectos benéficos; el resultado del uso excesivo de insumos químicos ha provocado que los cultivos sean más propensos a las enfermedades y la fertilidad del suelo reducida. Tenien- do en cuenta el efecto negativo de los fertilizantes químicos, los biofertilizantes son una alternativa para minimizar la perturbación ecológica. Un biofertilizante es una sustancia que contiene microorganismos vivos o materia orgánica y cuando se aplica a semillas, plantas o suelo, se incrementa la colonización de la rizosfera (Vessey, 2003), mejora las propie- dades físicas y químicas del suelo (Miransari, 2010; Singh et al., 2011), participan en el reciclaje de nutrientes y beneficia la productividad de los cultivos (Bhardwaj et al., 2014). Las cianobacterias son microorganismos autótrofos de vida libre, por su capacidad de fijar carbono (CO2); algunas son fijadoras de nitrógeno (N2) (ejem. Nostoc, Anabaena, Fische- rella), además de la producción de sustancias promotoras del crecimiento para las plantas, han sido utilizadas como biofer- tilizante en el cultivo de arroz, frijol, trigo y chícharo (Irisarri et al., 2006; Pereira et al., 2009, Osman et al., 2010; Hussain y Hasnain, 2011; Renuka et al., 2018).
Existen diversos tipos de formulaciones utilizadas para la aplicación de los biofertilizantes en los cultivos seleccionados: liquido, turba, gránulos y polvos liofilizados; la formulación líquida tiene la ventaja de contener mayor
Volumen XXVII
DOI: 10.18633/biotecnia.v27.2467
concentración de células y con cantidades menores de inoculante su eficiencia es similar a las otras formulaciones (Schulz y Thelen, 2008); sin embargo, presentan la desventaja de ser más sensibles a tensores ambientales, como el pH del suelo, salinidad, entre otros (Hynes et al., 2001), así como a la competencia y predación a las cianobacterias; aplicar al follaje el biofertilizante puede resultar una mejor opción para la nutrición de las plantas. Kuepper (2003) menciona que la nutrición foliar puede ser de 8 a 20 veces más eficiente comparada con la aplicación directa al suelo; lo anterior de- pende de varios factores como, frecuencia de la aplicación, condiciones ambientales y edad de la planta, entre otros.
En la agricultura tradicional la mayoría de los cultivos son de temporal, con periodos de lluvias irregulares (en gran parte debido al cambio climático); por ello, la fertilización fo- liar puede representar una alternativa para los productores. El cultivo de maíz es un cereal que demanda N, sus requeri- mientos van desde 60 hasta 200 kg N/ha (Mendoza-Elos et al., 2006; Hokmalipour y Hamele, 2011), y en algunos casos de 200 hasta 320 kg N/ha (Fallah y Tadayyon, 2010), dependien- do de diversos factores como el tipo de semilla, tipo de suelo, densidad de siembra, entre otros. En la costa de Oaxaca el maíz es el principal cultivo en la agricultura tradicional; la do- sis utilizada para fertilización nitrogenada en maíz es de 120- 60-00; sin embargo, la perdida de N por lixiviación, adsorción en el suelo y volatilización puede llegar hasta el 50 % del total del fertilizante nitrogenado adicionado al cultivo (Lu et al., 2019). Maqubela et al. (2009), reportaron el incremento en el crecimiento de las plantas de maíz en aproximadamente 45
% con la aplicación de una suspensión de Nostoc comparado al control (sin Nostoc); el mejor crecimiento estuvo asociado a una mayor concentración de N en tejidos de las plantas y mayor contenido de N total y mineral en el suelo después de la aplicación con Nostoc. En cultivo de maíz, Subramaniyan et al. (2012), aplicaron el biofertilizante (Oscillatoria annae) rociado (spray), en comprimidos (pellet) y combinado. El me- jor resultado fue en la combinación de rociado (0.4 %) más comprimidos (25 g); con lo anterior, la producción de maíz (g x 10 plantas) fue siete veces más comparado al control (sin biofertilizante); además registraron mayor concentración de clorofila a y b, proteínas y carbohidratos en la planta. Por otra parte, Osman et al. (2010), aplicaron un biofertilizante líquido de Nostoc y Anabaena en plantas de chícharo; la com- binación del biofertilizante con el fertilizante químico (100
% de la dosis recomendada) produjo el mayor rendimiento del chícharo con respecto a otros tratamientos y el control. Si bien el efecto benéfico del uso de cianobacterias como biofertilizante está bien documentado -principalmente en arroz- (Osman et al., 2010; Prasanna et al., 2012; Trishna et al., 2017), el efecto en otros cultivos como el maíz se cono- ce poco. Por lo anterior, los objetivos planteados fueron: i) probar que, con la aplicación del biofertilizante, es posible reducir el uso de fertilizantes químicos nitrogenados y no afectar el crecimiento de la planta de maíz; ii) establecer si existe diferencia en la forma de aplicación del biofertilizante: entre el rociado (aplicación foliar), basal (directo al suelo) o
mixto (combinación de ambas). Para cubrir los objetivos se consideraron indicadores bioquímicos (clorofila total, proteí- nas en raíz y hoja), talla, peso fresco, peso seco y la tasa de crecimiento del maíz; además de cuantificar el N del suelo.
El biofertilizante utilizado es un producto biotecnológico desarrollado en la Universidad del Mar, Oaxaca (registro de patente IMPI MX/a/2017/016603), está compuesto de un consorcio de cianobacterias fijadoras de nitrógeno (registro CM CNRG TB 22) y fue aislado, purificado e identificado a partir de muestras de un suelo agrícola ubicado en Bajos del Arenal, en la región costa de Oaxaca (Trujillo-Tapia y Ramírez- Fuentes, 2015; Trujillo-Tapia et al., 2016). La caracterización del biofertilizante se muestra en la Tabla I.
El suelo utilizado en el ensayo fue de una parcela ubicada en la localidad de Hacienda Vieja (Municipio de Santa María Huatulco, Oaxaca), se tomaron submuestras a una profun- didad de 0-20 cm para formar una muestra compuesta de aproximadamente 5 kg, utilizando un muestreador de alumi- nio; la muestra se colocó en bolsas de plástico previamente etiquetada y se llevaron al laboratorio para su acondiciona- miento; el cual consistió en el secado del suelo a temperatura ambiente, y el tamizado a través de una malla de 2 mm; se retiraron las piedras y restos vegetales de mayor tamaño (Foster, 1995a). Se separó aproximadamente un kilogramo de suelo para la caracterización fisicoquímica. Por otra parte, se tomó suelo suficiente del mismo predio para el estableci- miento del experimento en invernadero. La clasificación de las características físico-químicas del suelo se hizo de acuer- do a la NOM-021-RECNAT-2000: el suelo presenta una textura Franco-Arenosa: arena 64 %, limo 24 % y arcilla 12 %; una capacidad de retención de agua (CRA) de 65 %, pH modera- damente ácido (6.2), el contenido de materia orgánica (MO) es muy alto (6 %), mientras que el contenido de N total y el P disponible son medios (0.102 % y 6 mg/kg, respectivamente), la capacidad de intercambio catiónico (CIC) es alta (38 Cmol/ kg) y el valor de conductividad eléctrica (CE) de 0.0072 dS/m indica un suelo con efectos despreciables de salinidad.
Tabla 1. Características del biofertilizante a base de cianobacterias fijadoras de nitrógeno desarrollado en la Universidad del Mar, Oax. (CM CNRG TB 22). Table 1. Characteristics of the biofertilizer based on nitrogen-fixing cyanobacteria developed at the Universidad del Mar, Oax. (CM CNRG TB 22).
Característica Contenido (g/L) | |
Peso seco | 0.601 ± 0.141 |
Amonio | 5.28 ± 0.279 |
CHT | 30.54 ± 2.547 |
Carotenos Totales | 0.124 ± 0.021 |
Clorofila | 0.520 ± 0.100 |
Ficocianinas | 0.010 ± 0.001 |
Aloficocianinas Ficoeritrinas | 0.001 ± 0.000 0.016 ± 0.001 |
CHT: carbohidratos totales
El ensayo se realizó en el invernadero de las instalacio- nes de la Universidad del Mar, Campus Puerto Ángel. El ex- perimento consistió en los tratamientos: i) con biofertilizante (C/B); y ii) sin biofertilizante (S/B); con dos niveles: i) con fer- tilizante químico (C/FQ); y ii) sin fertilizante químico (S/FQ); y tres factores: aplicación del biofertilizante: i) basal al suelo (S),
ii) foliar (H) y iii) mixto (M) –ambos: suelo y foliar-. El material vegetal empleado fue el maíz V-524 (Tuxpeño), alcanza la floración a los 58 d, se cosecha a los 130 d; la variedad tiene una alta adaptabilidad, además de soportar las condiciones adversas del clima y suelo; se utiliza en las principales zonas maiceras de Oaxaca, Guerrero y Chiapas (INEGI, 1997).
En cada unidad experimental (maceta) se sembraron 5 semillas de maíz V-524 a 3 cm de profundidad, cada maceta contenia 5 kg de suelo; previo a la siembra el suelo fue re- gado a capacidad de campo. La aplicación del biofertilizante fue a una concentración del 20 % cada 8 d a partir del día 10 de la emergencia de la plántula y hasta el día 60, este periodo abarca las etapas fenológicas del maíz: temprana y crecimiento. El biofertilizante se aplicó rociando el follaje de manera uniforme (foliar), la misma cantidad de la suspensión se aplicó directo al suelo (basal), y en la combinación foliar + basal (mixto) se aplicó la mitad en cada una; en los tratamien- tos sin biofertilizante se utilizó agua en la misma cantidad. Para el tratamiento que lo requirió, la cantidad del fertilizante químico (fosfato de amonio) fue el equivalente a la dosis de 60-30-00 kg/ha, esta dosis es la mitad de la recomendada para el maíz cultivado en la costa de Oaxaca. En total se utilizaron 36 unidades experimentales (macetas convencionales) en un diseño de bloques al azar, los tratamientos se establecieron por triplicado, así como los análisis en el laboratorio.
La concentración de clorofila total, proteínas (en raíz y foliar), talla, peso fresco y peso seco y la tasa de crecimiento de las plantas de maíz fueron los parámetros analizados a los 10, 35, 60 y 85 d después de la emergencia de las plantas (DDG), que corresponden a las etapas: i) temprana, ii) crecimiento, iii) flo- ración y iv) formación del grano; respectivamente. El primer muestreo se realizó a los 10 d después de la germinación y nacencia de la plántula, porque determina las condiciones iniciales de las plantas, debido a que en esta etapa las plantas no han tomado ningún nutriente proveniente del suelo y se desarrollan únicamente con el aporte de nutrientes almace- nados en los cotiledones.
En cada día de toma de muestra, se tomaron al azar 3 plantas de cada tratamiento; la raíz de la planta fue sumergida en hielo inmediatamente después de ser retirada de la mace- ta y hasta el momento de ser procesada en los análisis. Para la cuantificación de clorofila y proteína se utilizó el método de Mackinney (1941) y Lowry et al. (1951), respectivamente.
La tasa de crecimiento (TCR) se calculó con base en el incremento de peso seco de la planta, en función del peso alcanzado en el tiempo dado (Hunt, 2003):
TCR = (ln W2 – ln W1) / (T2 – T1)
Donde ln = logaritmo natural; W = peso seco (g) de la planta; T = tiempo inicial y final.
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Al final del experimento se tomó muestra de suelo de los di- ferentes tratamientos para analizar el nitrógeno inorgánico: amonio (NH +), nitritos (NO -), nitratos (NO -) y nitrógeno total (N total). A 30 g de suelo previamente seco al aire y tamizado (malla de 2 mm), se le adicionó 120 mL de una solución ex- tractora de sulfato de potasio (K2SO4) 0.5 M (relación 1:4 p/v), se llevaron a agitación por 30 min y se filtraron con papel whatman #42 (Bundy y Meisinger, 1994). Los extractos obte- nidos se congelaron hasta su posterior análisis; se utilizaron las técnicas analíticas descritas por Foster (1995b).
Los resultados obtenidos fueron analizados estadísticamen- te (Stadistica 7.0.) para determinar el grado de significancia entre los diferentes tratamientos y las variables de la plan- ta. Los datos obtenidos cumplieron con los supuestos de normalidad y homocedasticidad, y se analizaron mediante una ANOVA de medias repetidas para detectar diferencias significativas entre los tratamientos y sitio de aplicación del biofertilizante, también se realizó la prueba a posteriori de Tukey para determinar diferencias entre las medias (P > 0.05).
De los indicadores analizados únicamente existió diferencia significativa entre tratamientos en la clorofila total y clorofila “a”; para la proteína en raíz, altura de planta, peso fresco y tasa de crecimiento no existieron diferencias significativas (Tabla 2, 3 y Figura 1).
La concentración promedio de clorofila total en los tratamientos S/B-S/FQ, S/B-C/FQ, C/B-S/FQ y C/B-C/FQ fue de 604.5, 689.9, 564.0 y 664.1 g/g, respectivamente, y existió
una diferencia significativa entre ellos (F3, 20 = 4.6959, p =
.0122). El comportamiento de los cuatro tratamientos fue
similar durante la cinética, la concentración de clorofila total disminuyó conforme transcurrieron los días. En el día 60 la disminución de la clorofila total con respecto al día 10 fue de aproximadamente 50 %; sin embargo, entre el día 60 y 85 tuvo un incremento del 1.2 veces, sin llegar al valor de la concentración inicial.
El valor promedio de clorofila “a” fue de 4.59, 4.79, 4.12 y
4.66 g/g para los tratamientos S/B-S/FQ, S/B-C/FQ, C/B-S/FQ y C/B-C/FQ; respectivamente. Los tratamientos en los cuales se aplicó el fertilizante químico (C/FQ) presentaron el valor promedio mayor vs sin fertilizante químico (S/FQ).
La concentración de proteína en raíz y hoja no presentó diferencias significativas entre tratamientos. La tendencia en la concentración de proteína en raíz a través de los días fue de aumento; por el contrario, la concentración de proteína en hoja disminuyó conforme transcurrieron los días (Tabla
Tabla 2. Resultados de la producción de metabolitos en las plantas de maíz con los diferentes tratamientos: con biofertilizante (C/B), sin biofertilizante (S/B); con fertilizante químico (C/FQ), sin fertilizante químico (S/FQ).
Table 2. Results of metabolite production in maize plants with different treatments: with biofertilizer (C/B), without biofertilizer (S/B); with chemical fertilizer (C/FQ), without chemical fertilizer (S/FQ).
Días Después de la Germinación Tratamiento (DDG) 10 35 60 85 | |||||||
Clorofila a (g/g) | |||||||
S/B S/FQ | 4.55 ns | ±0.00 | 4.75 ns | ±0.33 4.04 b | ±0.67 | 4.98 ns | ±0.33 |
S/B C/FQ | 4.55 ns | ±0.00 | 4.72 ns | ±6.33 4.89 a | ±0.67 | 4.99 ns | ±0.33 |
C/B S/FQ | 4.55 ns | ±0.00 | 4.38 ns | ±0.19 2.85 c | ±0.38 | 4.71 ns | ±0.19 |
C/B C/FQ | 4.55 ns | ±0.00 | 4.67 ns | ±0.19 4.53 a | ±0.38 | 4.90 ns | ±0.19 |
Clorofila total (g/g) | |||||||
S/B S/FQ | 746.4 ns | ±6.86 | 634.0 c | ±65.3 377.8 c | ±83.3 | 659.8 b | ±71.8 |
S/B C/FQ | 746.4 ns | ±6.86 | 797.2 a | ±65.3 566.2 a | ±85.3 | 649.7 b | ±71.8 |
C/B S/FQ | 746.4 ns | ±6.86 | 603.8 c | ±37.7 342.4 c | ±49.2 | 563.5 c | ±41.4 |
C/B C/FQ | 746.4 ns | ±6.86 | 733.0 b | ±37.7 501.7 b | ±49.2 | 675.4 a | ±41.4 |
Proteína en raíz (mg/g) | |||||||
S/B S/FQ | 1.10 ns | ±0.22 | 2.93 ns | ±0.26 3.14 ns | ±0.15 | 2.28 ns | ±0.18 |
S/B C/FQ | 1.10 ns | ±0.22 | 2.01 ns | ±0.26 2.42 ns | ±0.15 | 2.27 ns | ±0.18 |
C/B S/FQ | 1.10 ns | ±0.22 | 2.60 ns | ±0.15 2.42 ns | ±0.08 | 2.51 ns | ±0.10 |
C/B C/FQ | 1.10 ns | ±0.22 | 2.61 ns | ±0.15 2.52 ns | ±0.08 | 2.17 ns | ±0.10 |
Proteína en hoja (mg/g) | |||||||
S/B S/FQ | 3.17 ns | ±.0.17 | 3.99 ns | ±0.27 3.00 ns | ±0.30 | 1.77 ns | ±0.19 |
S/B C/FQ | 3.17 ns | ±0.17 | 3.50 ns | ±0.27 2.92 ns | ±0.30 | 2.34 ns | ±0.19 |
C/B S/FQ | 3.17 ns | ±0.17 | 3.30 ns | ±0.16 3.20 ns | ±0.17 | 1.80 ns | ±0.11 |
C/B C/FQ | 3.17 ns | ±0.17 | 3.61 ns | ±0.16 2.81 ns | ±0.17 | 1.75 ns | ±0.11 |
Nitratos (mg/g) | |||||||
S/B S/FQ | 6.31 ns | ±2.08 | 5.00 ns | ±3.40 4.86 ns | ±1.92 | 13.3 ns | ±2.37 |
S/B C/FQ | 6.31 ns | ±2.08 | 6.43 ns | ±3.46 8.97 ns | ±1.92 | 10.6 ns | ±2.37 |
C/B S/FQ | 6.31 ns | ±2.08 | 8.15 ns | ±2.00 4.20 ns | ±1.11 | 12.8 ns | ±1.37 |
C/B C/FQ | 6.31 ns | ±2.08 | 5.57 ns | ±2.00 7.57 ns | ±1.11 | 10.8 ns | ±1.37 |
Los valores son el promedio de tres repeticiones para cada día y tratamiento ± desviación estándar; la letra diferente en cada columna representa diferencia significativa; ns (no significativa).
2). El valor promedio de la concentración de proteína de raíz para los tratamientos sin fertilizante químico (S/FQ) fue ma- yor que con fertilizante químico (C/FQ) (2.38 g/g y 2.02 g/g, respectivamente). La concentración de proteína en hoja en los tratamientos sin biofertilizante (S/B) y con biofertilizante (C/B) presentó un valor promedio de 2.98 y 2.85 g/g, respecti- vamente. Se observó una disminución de la proteína en hoja en los tratamientos en el día 85 después de la germinación. Por el contrario, la concentración de nitratos en la planta se incrementó al día 85 y fue mayor en los tratamientos sin fertilización química (S/FQ) con respecto a los tratamientos con fertilización química (C/FQ) (Tabla 2).
De las variables morfológicas de las plantas de maíz (Tabla 3), el valor promedio para el peso fresco de los tratamientos C/B-S/FQ y C/B-C/FQ fue de 44.0 y 39.7 g/d,
respectivamente; en los tratamientos en donde no se aplicó el biofertilizante (S/B) a las plantas, el valor promedio fue de
33.0 g/d, es decir, 1.2 veces menos.
La altura de planta fue constante y creciente en todos los tratamientos (Tabla 3). El incremento en talla fue de 2, 5 y 11 veces (respectivamente), a los 35, 60 y 85 días después de la germinación. La altura de planta del tratamiento S/B en promedio fueron superiores 1.1 veces vs el tratamiento C/B (los promedios fueron de 52.1 y 45.5 cm respectivamente); sin embargo, la tasa de crecimiento del maíz en el tratamien- to C/B fue 1.09 veces mayor al tratamiento S/B (Figura 1). La tasa de crecimiento de las plantas aumentó progresivamente para todos los tratamientos en 46, 84 y 153 % en los días 35, 60 y 85 después de la germinación, sin presentar diferencia significativa entre los tratamientos (F (3, 20) = 1.4565, p = .2564).
Tabla 3. Resultados de la altura y peso fresco en las plantas de maíz con los diferentes tratamientos: con biofertilizante (C/B), sin biofertilizante (S/B); con fertilizante químico (C/FQ), sin fertilizante químico (S/FQ).
Table 3. Results of height and fresh weight in maize plants with different treatments: with biofertilizer (C/B), without biofertilizer (S/B); with chemical fertilizer (C/FQ), without chemical fertilizer (S/FQ).
Días Después de la Germinación Tratamiento (DDG) 10 35 60 85 | |||||||
Altura de planta (cm) | |||||||
S/B S/FQ | 12.0 ns | ±0.00 | 26.3 b | ±3.17 63.6 a | ±6.79 | 107.1 a | ±11.7 |
S/B C/FQ | 12.0 ns | ±0.00 | 26.3 b | ±3.17 52.6 b | ±6.79 | 119.3 a | ±11.7 |
C/B S/FQ | 12.0 ns | ±0.00 | 31.3 a | ±1.83 53.0 b | ±3.92 | 87.8 b | ±6.70 |
C/B C/FQ | 12.0 ns | ±0.00 | 31.7 a | ±1.83 47.5 c | ±3.92 | 88.1 b | ±6.78 |
Peso fresco (g/d) | |||||||
S/B S/FQ | 8.8 ns | ±6.86 | 32.8 c | ±12.4 35.1 b | ±11.5 | 67.6 a | ±6.00 |
S/B C/FQ | 8.8 ns | ±6.86 | 30.0 c | ±12.4 40.6 b | ±11.5 | 52.8 b | ±6.08 |
C/B S/FQ | 8.8 ns | ±6.86 | 56.5 a | ±7.18 60.5 a | ±6.64 | 50.1 b | ±3.51 |
C/B C/FQ | 8.8 ns | ±6.86 | 42.5 b | ±7.18 53.6 a | ±6.64 | 54.0 b | ±3.51 |
Los valores son el promedio de tres repeticiones para cada día y tratamiento ± desviación estándar; la letra diferente en cada columna representa diferencia significativa; ns (no significativa).
S/FQ C/FQ
A
A
A
A
2.7
2.6
Tasa de crecimiento (g/día)
2.5
2.4
2.3
2.2
2.1
2.0
1.9
1.8
SIN CON
BIOFERTILIZANTE
Figura 1. Tasa de crecimiento de las plantas de maíz después de 85 d (DDG), en los diferentes tratamientos: con biofertilizante (C/B), sin biofertilizante (S/B); con fertilizante químico (C/FQ), sin fertilizante químico (S/FQ). La misma letra en las barras, indica que no existe diferencia significativa.
Figure 1. Growth rate of corn plants at 85 d (DDG), in the different treatments: with biofertilizer (C/B), without biofertilizer (C/B); with chemical fertilizer (C/FQ), without chemical fertilizer (S/FQ). The same letter on the bars indicates no significant difference.
con respecto a la aplicación basal y mixta. En la clorofila total, la aplicación mixta del biofertilizante presentó el mayor valor con 622,6 g/g.
De acuerdo con el análisis de varianza (ANOVA), existió diferencia significativa (F (4, 17) = 4.6447, p = .01021) en el N
total, NH + y NO - (en suelo) entre los tratamientos con el relación a C/B + foliar (15.7 mg/kg de suelo) y C/B+ mixto (12
4 3
biofertilizante (C/B) vs fertilizante químico (C/FQ) (Tabla 5). El contenido de N total fue mayor con C/FQ (0.118 %) compara-
mg/kg de suelo).
La concentración de nitritos no mostró diferencias signi-
do a C/B (0.053 %); en cuanto al contenido de NH + y NO - con ficativas entre los tratamientos (F
= 54.590, p = 0.29400).
4 3 (8, 18)
la aplicación del C/B fue significativamente mayor vs C/FQ; el Los valores promedios fueron de 3.4, 3.1 y 3.3 mg/kg de suelo
valor de NH + (683.3 mg/kg) y NO - (18.2 mg/kg) con C/B fue para los tratamientos C/B + basal, C/B + foliar y C/B + mixto,
4 3
de 1.2 y 1.4 veces más, respectivamente. Por el contrario, en
el suelo S/B y S/FQ, el contenido de NH + y NO - fue mayor
respectivamente.
4 3
(725.8 y 19.3 mg/kg, respectivamente) comparado a los tra- tamientos con C/B y C/FQ.
3
4
2
Con relación al sitio de aplicación del biofertilizante: basal, foliar y mixto; existieron diferencias significativas (p > 0.05) para NO -, NH + y N total; los valores de NO - no presen- taron diferencias significativas (Tabla 6). La concentración de N total fue cuatro veces más en el tratamiento C/B + basal con respecto a C/B + foliar y C/B + mixto.
La concentración promedio de amonio fue de 721.5,
645.6 y 652.5 mg/kg de suelo, para el tratamiento C/B + basal, C/B + foliar y C/B + mixto, respectivamente; y fueron significativamente diferentes (F (8, 18) = 54.590, p = .00000). La aplicación basal presentó una concentración de amonio en
1.11 y 1.10 veces más con respecto al foliar y mixto.
Con relación al sitio de aplicación del biofertilizante (C/B), en la concentración de NO3- existieron diferencias significativas (F(8, 18) = 54.590, p = .00049); el promedio de nitratos en C/B + basal fue mayor (17.2 mg/kg de suelo) con
El nitrógeno juega un papel importante en la síntesis de clorofila y es una parte integral de la clorofila. Para lograr lo anterior, la planta debe presentar en las diferentes etapas fisiológicas la capacidad óptima de fotosíntesis, por lo que el suplemento de nitrógeno es importante. El contenido de clorofila es un indicador de deficiencia del N en las plantas de maíz. En nuestro trabajo, las plantas fertilizadas únicamente con biofertilizante (C/B) tuvieron concentraciones de clorofila menores que las de los tratamientos con fertilizante químico (C/FQ), sin demérito del crecimiento de las plantas. El biofer- tilizante cubrió las necesidades de nitrógeno de las plantas y permitieron que estas mantuvieran estable el contenido de pigmentos fotosintéticos (Lichtenthaler, 1995).
La producción de proteínas en hoja y raíz está íntima- mente relacionada con el aporte de nitrógeno en la nutrición del maíz. El nitrógeno es un componente esencial en los
Tabla 4. Resultados de la producción de metabolitos en las plantas de maíz con la aplicación del biofertilizante: basal (directo al suelo), foliar (al follaje) y mixto (basal y foliar).
Table 4. Results of metabolite production in maize plants with the application of biofertilizer: basal (direct to the soil), foliar (to the foliage) and mixed (basal and foliar).
Sitio Clorofila a (g/g) Clorofila total (g/g) Proteína en raíz Proteína en hoja Altura de planta (cm) Nitratos (mg/g) (mg/g) (mg/g) | ||||||||||||
Basal | 4.4 a | ± 0.1 | 561.6 a | ± 38 | 2.3 a | ± 0.11 | 2.6 a | ± 0.16 | 53.1 a | ± 7.4 | 6.2 a | ± 0.83 |
Foliar | 4.6 a | ± 0.0 | 601.4 a | ± 41 | 2.2 a | ± 0.10 | 2.8 a | ± 0.18 | 51.2 a | ± 6.7 | 9.3 a | ± 1.32 |
Mixto | 4.3 a | ± 0.2 | 622.6 a | ± 43 | 2.3 a | ± 0.10 | 2.8 a | ± 0.15 | 46.2 a | ± 5.4 | 8.1 a | ± 0.99 |
Los valores son el promedio de tres repeticiones para cada día y tratamiento ± desviación estándar; la letra a representa diferencia no significativa
.Tabla 5. Resultados de la concentración de N en el suelo con los diferentes tratamientos: con biofertilizante (C/B), sin biofertilizante (C/B); con fertilizante químico (C/FQ), sin fertilizante químico (S/FQ).
Table 5. Results of soil N concentration with different treatments: with biofertilizer (C/B), without biofertilizer (C/B); with chemical fertilizer (C/FQ), without
chemical fertilizer (S/FQ).
S/B C/B | |
C/FQ S/FQ C/FQ S/FQ | |
N total (%) 0.118 a ± 0.009 0.097 a ± 0.008 0.049 b ± 0.008 0.053 b ± 0.022 NH4 (mg/kg) 606.8 c ± 1.99 725.8 a ± 6.95 663.2 b ± 8.9 683.3 b ± 31.1 + NO3 (mg/kg) 12.2 b ± 1.6 19.3 a ± 0.17 11.8 b ± 0.3 18.2 a ± 1.5 - NO2 (mg/kg) ns ns ns ns - | |
Los valores son el promedio de tres repeticiones para cada día y tratamiento ± desviación estándar; la letra diferente en cada columna representa diferencia significativa; ns (no significativa).
Tabla 6. Resultados de la concentración de N en el suelo con la aplicación del biofertilizante: basal (directo al suelo), foliar (al follaje) y mixto (basal y foliar). Table 6. Results of N concentration in the soil with the application of the biofertilizer: basal (direct to the soil), foliar (to the foliage) and mixed (basal and foliar).
Sitio de aplicación | N total | NH4 + | (mg kg-1) | NO2 - | NO3 - |
Basal | 1104.9 a | 721.5 a | 3.4 a | 17.2 a | |
Foliar | 215.6 b | 645.6 b | 3.1 a | 15.7 b | |
Mixto | 224.5 b | 652.5 b | 3.3 a | 12.0 b | |
Los valores son el promedio de tres repeticiones para cada día y tratamiento ± desviación estándar; la letra diferente en cada columna representa diferencia significativa; ns (no significativa).
aminoácidos que forman las proteínas; los resultados de proteínas en hoja y raíz indican que no hubo inhibición en la síntesis de proteínas por deficiencia de nitrógeno en la nutrición de las plantas de maíz; como lo reportan Ding et al. (2005) en los tratamientos con menor aporte de nitrógeno, la concentración de proteínas fue menor.
La concentración de proteínas en la raíz de los trata- mientos C/B fue ligeramente superior a los tratamientos con C/B-C/FQ (Tabla 2), a pesar de que este último tratamiento tuvo más aporte de nitrógeno; lo anterior indica que parte del nitrógeno pudo haberse perdido por lixiviación en forma de nitratos antes de ser absorbido por las plantas. Por otro lado, el nitrógeno aportado por el biofertilizante permitió a la planta asimilarlo adecuadamente; tal situación coincide con los resultados reportados por García y Espinosa (2008), y Fallah y Tadayyon (2010), en ambos trabajos reportaron que la eficiencia del nitrógeno por plantas de maíz forrajero fue menor en aquellos tratamientos con la mayor dosis de aplicación de nitrógeno.
A pesar de que estadísticamente no hubo diferencias significativas entre tratamientos con respecto a la altura de planta, se observó en las últimas etapas de desarrollo (días 65 y 80) que las plantas de los controles (S/B) superaron en aproximadamente 5 % a los tratamientos C/B, este compor- tamiento pudo deberse al eu-estrés vegetal, un tipo de estrés que estimula el metabolismo celular, aumentando la activi- dad fisiológica de la planta y favoreciendo un crecimiento acelerado, es parecido a un mecanismo de supervivencia que se activa en condiciones precarias para acelerar el desarrollo de la planta y procurar la reproducción, aunque dicho meca- nismo no siempre garantiza alcanzar la madurez fisiológica si el factor que provoca el estrés no es corregido a tiempo (Lichtenthaler, 1995), el eu-estrés debió ser provocado por falta de nutrientes y se explica al considerar que los controles se desarrollaron con menor aporte de nitrógeno en com- paración a los tratamientos con biofertilizante y fertilizante químico, pues a pesar de que las plantas del control supera- ron en talla a los demás tratamientos, no sucedió lo mismo
las anteriores); no se aplicó fertilizante químico. De los resul- tados obtenidos, no se encontraron diferencias significativas en los parámetros fisiológicos y morfológicos del maíz (Tabla 4) cuando se aplicó el biofertilizante en forma basal (S), foliar
(H) y mixto (M); lo anterior infiere que, es indistinto el sitio de aplicación del biofertilizante en las condiciones del experi- mento reportado. En la agricultura tradicional, es común que el productor no cuente con mochila para aplicación foliar del biofertilizante, entonces, la aplicación basal del bioferti- lizante es una opción viable. Independientemente del sitio (basal o foliar) en donde se aplique el biofertilizante y en di- ferentes especies vegetales (cultivadas); se ha reportado un incremento en los parámetros evaluados en planta y suelo: en el crecimiento (tamaño de raíz, altura de planta, peso seco y área foliar) (Osman et al., 2010), el porcentaje de germina- ción; así como en el contenido de clorofila y carbohidratos (Dineshkumar et al., 2019), actividad enzimática: proteasa y amilasa -entre otras- (Nain et al., 2010); en el contenido de N, P K y carbono orgánico del suelo (Maqubela et al., 2009; Gheda y Ahmed, 2015). Bhuvaneshwari et al. (2011) probaron que la aplicación basal y foliar de cianobacterias (no men- cionan genero) en un cultivo de Helianthus annus (girasol), fue mejor comparada con la fertilización química; las plantas con cianobacterias presentaron mejores características bioquímicas y morfológicas. Por otra parte, Osman et al., (2010), compararon la actividad metabólica, crecimiento y rendimiento de plantas de Pisum sativum (chicharo) con dos especies de cianobacterias (Nostoc entophytum y Oscillatoria angustissima) como biofertilizante vs fertilización química. El mejor resultado fue la combinación del biofertilizante más el fertilizante químico; sin embargo, con el uso de las ciano- bacterias como biofertilizante se redujo en un 50 % la dosis recomendada del fertilizante químico; resultados similares se obtuvieron en el presente trabajo. El éxito de las cianobac- terias no solo como biofertilizantes sino también como me- joradores del suelo, se debe principalmente a la capacidad de llevar a cabo el metabolismo fotoautotrófico; mediante el
cual, el CO y N fijado, son materia prima esencial, procesada
con el resto de los parámetros estudiados (concentración de 2 2
clorofila y proteínas).
a través de reacciones metabólicas primarias y secundarias impulsadas por energía química derivada de la luz (Noreña- Caro y Benton, 2018). Con la aplicación del biofertilizante (basal o foliar), además de proporcionar el nitrógeno para la nutrición de las plantas, deposita cianobacterias viables (incluidas en el biofertlizante); a partir de ellas se inicia la
cadena trófica en el suelo, incrementando la actividad de microorganismos heterotróficos, acelerando la descomposi- ción de materia orgánica y transformándola en compuestos inorgánicos. Aunado a lo anterior, las cianobacterias, a través de la producción de exopolisacaridos (EPS) pueden conglo- merar otros microorganismos (microalgas, microhongos, líquenes y biofitas) con materia orgánica y partículas del suelo para formar costras biológicas (no investigadas en este experimento); las cuales, son benéficas para la productividad
ción de amonio; sin embargo, por el N reportado en nuestros resultados, obtuvimos un efecto positivo con la aplicación del biofertilizante.
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Si bien, el contenido de N total es un indicador químico de la calidad del suelo (Bünemann et al., 2018), no propor- ciona información de las formas del N disponible (NH + y NO -) para las plantas. En el presente trabajo, la aplicación del biofertilizante (a base de cianobacterias fijadoras de N) el
contenido de nitrógeno inorgánico (NH + y NO -) fue mayor
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del suelo y el crecimiento de las plantas (Lan et al., 2013; Rossi
et al., 2017; Tiwari et al., 2019).
Nitrógeno en suelo: Biofertilizante vs Fertilizante Químico El nitrógeno (N) es el elemento que limita con mayor frecuen- cia la nutrición de las plantas en los ecosistemas terrestres; el maíz (Zea mays) es una planta que requiere una gran cantidad de nutrientes y de manera particular, el N en mayor cantidad (Shrestha et al., 2018). Existen diversos factores relacionados con el aprovechamiento del N por las plantas: la dosis y fuente de N, época y método de siembra, densidad
comparado con el fertilizante químico (Tabla 5); Maqubela et al. (2009), reportaron resultados similares cuando aplicaron una suspensión de Nostoc (cianobacteria) al suelo; el con- tenido de N inorgánico fue 6 % mayor comparado al suelo sin aplicación de Nostoc, los resultados indicaron claramente que la inoculación con Nostoc enriqueció el suelo con N como resultado de la fijación de N.
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Con la aplicación del biofertilizante además del NH +, se incorporan lípidos, proteínas y polisacáridos (Tabla I), que pasan a formar parte de la materia orgánica del suelo.
La mayor concentración de NH + y NO - en el tratamiento
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de plantas y la variedad utilizada, entre otros; sin embargo, la forma (orgánica o inorgánica) en que se encuentre el N en el suelo, es fundamental para la absorción por las raíces de las plantas. De acuerdo con nuestros resultados, en el trata- miento con F/Q el contenido de N total en el suelo fue mayor comparado con el tratamiento C/B, debido al mayor porcen- taje de N contenido en la aplicación directa del fertilizante químico; sin embargo, esto no se vio reflejado en una mayor tasa de crecimiento de las plantas de maíz. Giacometti et al. (2013) y Do Nascimento et al. (2019), reportaron resultados similares, encontraron mayor contenido de N total después de aplicar urea al suelo, en comparación con el tratamiento de fertilización orgánica y Nostoc, respectivamente.
Con la fertilización química (inorgánica) el N aplicado es rápidamente hidrolizable y transformado a amonio (Agehara y Warncke, 2005); a su vez, el amonio en el suelo puede ser fijado a las arcillas del suelo, adsorbido en los coloides del suelo, o formar parte de los procesos de nitrificación, inmovi- lización o volatilización. La pérdida de N por volatilización del
C/B sin F/Q vs C/ B con F/Q, es debido a que parte del N orgánico incorporado con el biofertilizante se mineralizó a NH + y posteriormente entró al proceso de nitrificación: 1) se transformó a NO - por la acción de un grupo de bacterias autótrofas obligadas del género Nitrosomonas sp.; y 2) a NO -, por la actividad de bacterias autótrofas obligadas del género Nitrobacter sp. (Hofman y Van Cleemput, 2004). El proceso natural de la nitrificación se ve alterado por la frecuente aplicación de fertilizantes nitrogenados al suelo; además de modificar las propiedades fisicoquímicas del suelo, la diversi- dad y riqueza de los microorganismos del suelo (Zeng et al., 2016; Shen et al., 2016; Yu et al., 2019; Zhao et al., 2019).
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La capacidad de las cianobacterias de fijar nitrógeno atmosférico (CFN) es el inicio del ciclo del N en el suelo; el N fijado es reducido a NH3 y liberado al suelo donde poste- riormente se protona para convertirse en el catión NH + (Po- ffenbarger et al., 2018). Por otra parte, en el presente trabajo, en el suelo control (sin biofertilizante y sin fertilizante quími-
co) la concentración de NH + y NO - fue mayor comparado con
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amoniaco (NH3) a la atmosfera, representa entre 10-60 % del total del N aplicado (Sun et al., 2020), debido principalmente
la aplicación del biofertilizante (C/B) y fertilizante químico (C/ FQ); por el contrario, Maqubela et al. (2009), Dineshkumar et
a la alteración del equilibrio NH +/NH
con la aplicación del
al. (2019) y Do Nascimento et al. (2019), reportaron resultados
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fertilizante químico (Hofman y Van Cleemput, 2004). La vo- en donde, el contenido de nitrógeno inorgánico (NH + y NO -)
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latilización de NH3 causada por la aplicación de fertilizantes químicos es la fuente antropogénica más importante de la emisión global y representa entre un 80-90 % del total (Xu et al., 2019). El efecto negativo de la posterior deposición del
N de la atmósfera es la acidificación del suelo, eutroficación
en el control (sin aplicación de fertilizante) fue menor y no significativo (estadísticamente) comparado con la aplicación de Nostoc sp. La diferencia de resultados se puede deber a factores relacionados con producción de NH + y la velocidad
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de nitrificación autotrófica (NH + -- NO - -- NO -).
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de los cuerpos de agua y la pérdida de biodiversidad en los ecosistemas (Xi et al., 2020). Por el contrario, con la aplicación del biofertilizante, la volatilización de NH3 a la atmósfera es menor. Sun et al. (2020), reportaron una reducción de hasta el 70 % de volatilización de NH3 en el tratamiento con biofer- tilizante (Bacillus subtilis) en comparación con la fertilización química. En el presente trabajo no cuantificamos la volatiliza-
Con la aplicación del fertilizante N se modifican el pH del suelo y la concentración de NH +. Zeng et al. (2016), re- portaron el efecto negativo directo del pH (correlación -0.48) y NH + (correlación -1.01) en la diversidad y la abundancia bacterianas, respectivamente. El cambio en el pH debido a la fertilización química provoca acidificación (pH 4) en el suelo, lo que trae como consecuencia el cambio en la diversidad
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bacteriana (Acidobacteria) (Shen et al., 2016), y en la disponi- bilidad de nutrientes, como calcio y magnesio; sin embargo, otros factores pueden contribuir a cambios en la comunidad microbiana del suelo, como el contenido de C orgánico, N disponible, C y N de la biomasa microbiana, entre otros (Yu et al., 2019). La fertilización nitrogenada incrementa la dispo- nibilidad de NH + en el suelo, lo que trae como consecuencia un efecto directo en la disminución de la diversidad bacte- riana debido a la expansión o incremento de las especies nitrofilas, provocando una exclusión competitiva de otros microorganismos (Bobbink et al., 2010). Además, los cambios en la composición de la comunidad bacteriana posterior a la fertilización con N pueden explicarse porque los grupos copiotróficos prosperan en condiciones ricas en nutrientes, mientras que los grupos oligotróficos sobreviven mejor en entornos con condiciones bajas de C. La descomposición del C recalcitrante del suelo por microorganismos del suelo disminuye en respuesta a un requerimiento más bajo de N, lo que conduce a un cambio a la descomposición de C lábil en un ambiente rico en N (Craine et al., 2007). Pero el exceso de N no solo afecta a las bacterias, también tiene efecto en los hongos y protistas del suelo. Zhao et al. (2019), reportaron que con la aplicación de fertilizantes químicos afectó fuerte- mente a los protistas más que las comunidades de bacterias y hongos. Los protistas son predadores; su principal fuente de alimento son las bacterias y hongos; por lo tanto, la red trófica en el suelo se ve alterada, lo que tiene implicaciones en la funcionalidad y sustentabilidad del ecosistema de sue- los agrícolas.
Contrario a la fertilización química, el aporte de N al sue- lo por el biofertilizante a base de CFN, además de ser mayor, representa una importante fuente de materia orgánica en el agroecosistema, ya que está directamente involucrado en la asimilación del CO2 atmosférico a través de la fotosíntesis (Renuka et al., 2018). Lassaletta et al. (2014) reportaron que más de la mitad del nitrógeno utilizado para la fertilización de los cultivos, se pierde en el ambiente, provocando una mayor alteración de los recursos naturales como el agua superficial y subterránea, la eutrofización costera, la contaminación del aire y suelo, y la generación de una mayor emisión de gases de efecto invernadero; por lo tanto, y de acuerdo a diferentes trabajos reportados acerca del uso de los biofertilizantes a base CFN, es claro que la efectividad de las cianobacterias (y microalgas) como un biofertilizante es evidente (Rossi et al., 2017; Do Nascimento et al., 2019) y representa una alternati- va para la producción agrícola.
La fertilización química es una actividad que por mu- chos años ha permitido incrementar la producción agrícola; sin embargo, no es sostenible y ha traído consecuencias ne- gativas, entre ellas la alteración del ecosistema suelo, como se discutió anteriormente. Por ello, la fertilización biológica es una alternativa a la fertilización química, más aún en esta época en donde la preocupación y el cuidado del ambiente se están convirtiendo en prioridad para gobiernos, agrupa- ciones y colectivos en México y el mundo.
En el presente trabajo se reportan resultados relevantes, debido a que al no encontrar diferencias significativas en las diferentes formas del nitrógeno cuando se aplicó el bio- fertilizante vs fertilizante químico, significa que es posible disminuir el uso del fertilizante químico y sustituirlo por el biofertilizante.
El consorcio de cianobacterias (fijadoras de N) como biofertilizante en el cultivo de maíz es viable, las plantas fertilizadas únicamente con biofertilizante no sufrieron ningún efecto negativo a causa de estrés por deficiencia de nitrógeno.
Con el uso del biofertilizante se redujo en un 50 % la dosis recomendada de fertilizante químico; de esta manera se promueve disminuir el uso y aplicación de fertilizantes químicos y contribuir con un menor impacto al ambiente.
El biofertilizante favoreció el crecimiento de las plantas de maíz de la variedad V-524, independientemente del sitio donde sea aplicado (suelo, foliar o mixto), lo que se vio refle- jado en la tasa de crecimiento y la concentración de proteínas en raíz y hoja.
Si bien los resultados obtenidos son alentadores, es necesario en futuras investigaciones determinar la cantidad de biofertilizante y el número de aplicaciones para obtener la mejor eficiencia en el crecimiento y producción del maíz; además de encontrar una forma más práctica y económica de transportar y aplicar el biofertilizante, como el bioencap- sulamiento (Alonso-Santos et al., 2021).
A la Universidad del Mar, por facilitar los diferentes espacios (invernadero y laboratorios) para llevar a cabo el trabajo práctico.
Los autores de este trabajo declaran que no existe conflicto de interés.
Alonso-Santos, E., Cervantes-Hernández, P., Trujillo-Tapia, Ma. N. y Ramirez-Fuentes, E. 2021. Bioencapsulado de Fischerella sp.: crecimiento, metabolismo y concentración de inóculo. TIP Revista Especializada en Ciencias Químico-Biológicas. 24: 1-9.
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