ABSTRACT

In terrestrial arid ecosystems, one of the most limiting factors for productivity, following water, is thought to be nitrogen (N) availability. The N cycle can be summarized as an exchange of N forms between the atmosphere and the biosphere, mediated by the biological activity of microorganisms. Arid lands typically have a heterogeneous distribution of resources, with vegetated areas and microbial crusts having greater nutrient concentrations and microbial densities than bare soils. However, the contribution of each compartment to the entire N budget in these arid ecosystems is poorly understood. In this chapter, we summarize studies performed in the terrestrial component of Cuatro Cienegas Basin (CCB) regarding different aspects of the N cycle. We present selected results from two different studies that contrast microbial diversity and specific N transformations in (i) different moisture conditions and (ii) different temperatures. Although microbial crusts are important components of many desert ecosystems, there is very little evidence that the N fixed within them is in turn available to higher plants. Considering this, N fixers in the rhizosphere of plants could also be relevant N suppliers. In the last part of this chapter, we compare the potential composition of the microbial N fixers and denitrifier communities present in bare soils and in the rhizosphere of Agave lechuguilla, one of the most characteristic plant species in the Mexican arid regions. In general, these data suggest that environmental changes such as soil moisture reduction, changes in temperature, and vegetation removal could dramatically affect the terrestrial N cycle in CCB

RESUMEN

En los ecosistemas terrestres áridos, se cree que uno de los factores más limitantes para la productividad, después del agua, es la disponibilidad de nitrógeno (N). El ciclo del N se puede resumir como un intercambio de formas de N entre la atmósfera y la biosfera, mediado por la actividad biológica de los microorganismos. Las tierras áridas suelen tener una distribución heterogénea de recursos, con áreas con vegetación y costras microbióticas que tienen mayores concentraciones de nutrientes y densidades microbianas que los suelos desnudos. Sin embargo, la contribución de cada compartimento al total de N en estos ecosistemas áridos no se conoce bien. En este capítulo resumimos los estudios realizados en el componente terrestre de la Cuenca de Cuatro Ciénegas (CCB) sobre diferentes aspectos del ciclo del N. Presentamos resultados seleccionados de dos estudios diferentes que contrastan la diversidad microbiana y las transformaciones específicas de N en (i) diferentes condiciones de humedad y (ii) diferentes temperaturas. Aunque las costras microbióticas son componentes importantes de muchos ecosistemas desérticos, hay muy poca evidencia de que el N fijado en ellas esté disponible a su vez para las plantas superiores. Teniendo esto en cuenta, los fijadores de N en la rizosfera de las plantas también podrían ser importantes proveedores de N. En la última parte de este capítulo, comparamos la composición potencial de las comunidades microbianas fijadoras de N y desnitrificantes presentes en suelos desnudos y en la rizosfera de Agave lechuguilla, una de las especies vegetales más características de las regiones áridas mexicanas. En general, estos datos sugieren que los cambios ambientales como la reducción de la humedad del suelo, los cambios de temperatura y la eliminación de la vegetación podrían afectar drásticamente el ciclo del N terrestre en CCB.

ABSTRACT

Given the fragility of the Cuatro Cienegas Basin and the danger of its loss, we started to study the variables affecting the resilience of the microbial community using different experimental approaches. How do microbial communities react to different kinds of perturbations and global change scenarios? We analyzed a series of experimental models that represent different ecosystem compartments: bulk soil, soil crusts, water, and sediment. The experiments were performed in mesocosm or microcosm model systems, which we call in general “cosm” experiments.

Different questions were addressed. How does water availability affect the recovery of microbial communities in disturbed soil patches? How do changes in temperature affect microbial crusts? How do bacterioplankton and bacterial mat communities respond to changes in temperature and UV radiation? What would happen to an oligotrophic environment if there was a high nutrient input? Our results suggested perturbations that influenced community structure and community cohesion were stronger in less fluctuating environments.

Although it had been suggested that there was a functional (ecological) equivalence between microbial communities, our results on N2-fixing microorganisms of two arid ecosystems showed functional differences, even though similar species occur in both systems. Currently, new experiments are being carried out in “cosms” with replicates of the sediment and water interphase. Sadly, in one of the sites we have studied better, the Churince ecosystem, its conditions were dire the last time that sediment and water were sampled there. This ecosystem has now nearly disappeared. Nevertheless, the sediment in these fish tanks seems to be recovering its original structure. While seeming like a white rhino in a zoo, it might be the only ecosystem of this kind left to learn about what we lost.

RESUMEN

Dada la fragilidad de la Cuenca de Cuatro Ciénegas y el peligro de perderla, comenzamos a estudiar las variables que afectan la resiliencia de la comunidad microbiana utilizando diferentes enfoques experimentales. ¿Cómo reaccionan las comunidades microbianas a diferentes tipos de perturbaciones y escenarios de cambio global? Analizamos una serie de modelos experimentales que representan diferentes compartimentos del ecosistema: interespacios del suelo, costras microbióticas, agua y sedimentos. Los experimentos se realizaron en sistemas modelo de mesocosmos o microcosmos, que en general llamamos experimentos "cosm".

Se abordaron diferentes cuestiones. ¿Cómo afecta la disponibilidad de agua a la recuperación de comunidades microbianas en parches de suelo alterados? ¿Cómo afectan los cambios de temperatura a las costras microbióticas? ¿Cómo responden las comunidades de bacterioplancton y tapetes microbianos a los cambios de temperatura y la radiación ultravioleta? ¿Qué pasaría con un ambiente oligotrófico si hubiera un alto aporte de nutrientes? Nuestros resultados sugirieron que las perturbaciones que influyeron en la estructura de la comunidad y su cohesión, fueron más fuertes en entornos menos fluctuantes.

Aunque se había sugerido que había una equivalencia funcional (ecológica) entre las comunidades microbianas, nuestros resultados sobre los microorganismos fijadores de N2 de dos ecosistemas áridos mostraron diferencias funcionales, aunque especies similares se encuentran en ambos sistemas. Actualmente, se están realizando nuevos experimentos en “cosms” con réplicas de la interface de sedimentos y agua. Lamentablemente, en uno de los sitios que hemos estudiado mejor, el ecosistema de Churince, sus condiciones eran muy malas la última vez que se tomaron muestras de sedimento y agua. Este ecosistema ahora casi ha desaparecido. Sin embargo, el sedimento de estas peceras parece estar recuperando su estructura original. Si bien parece un rinoceronte blanco en un zoológico, podría ser el único ecosistema de este tipo que queda para aprender sobre lo que perdimos.