Desde agricultores de toda la vida hasta jardineros aficionados, la mayoría de los amantes de las plantas saben que añadir materia orgánica a un campo, huerto o maceta aumenta la humedad del suelo. Ahora, por primera vez, científicos de la Universidad Northwestern han descubierto los mecanismos moleculares que permiten que la materia orgánica aumente la capacidad del suelo para retener agua, incluso en condiciones desérticas. El estudio se publica en la revista PNAS Nexus .
por Amanda Morris, Universidad Northwestern
El equipo descubrió que los carbohidratos —componentes clave de plantas y microbios— actúan como un pegamento molecular, utilizando el agua para formar puentes adhesivos entre las moléculas orgánicas y los minerales del suelo. Estos puentes retienen la humedad que, de otro modo, podría evaporarse. El descubrimiento arroja luz sobre cómo los suelos se mantienen húmedos durante las sequías e incluso cómo el agua pudo haber sobrevivido durante miles de millones de años atrapada en rocas de otros mundos, como las de Marte y los meteoritos.
«La cantidad adecuada de minerales y materia orgánica en los suelos produce suelos saludables con buena humedad», afirmó Ludmilla Aristilde, de Northwestern, quien dirigió el estudio. «Es algo que todos hemos experimentado, pero aún no comprendemos completamente la física y la química de su funcionamiento. Al comprender esto, podríamos modificar el suelo para que tenga la química adecuada, convirtiéndolo en esponjas a largo plazo que preserven la humedad».
Experta en la dinámica de la materia orgánica en procesos ambientales, Aristilde es profesora asociada de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y miembro del Centro de Biología Sintética, del Instituto Internacional de Nanotecnología y del Instituto Paula M. Trienens para la Sostenibilidad y la Energía. La reciente doctoranda Sabrina Kelch y el investigador postdoctoral Benjamin Barrios-Cerda, ambos del laboratorio de Aristilde, son los autores principal y secundario del artículo, respectivamente.
Puentes que atrapan agua
Para realizar el estudio, el equipo de Aristilde mezcló un mineral arcilloso común (esmectita), presente en los suelos, con tres tipos de carbohidratos: glucosa, amilosa y amilopectina. Mientras que la glucosa es un carbohidrato simple o azúcar, la amilosa y la amilopectina son polímeros complejos del almidón, formados mediante la unión de unidades de glucosa. La amilosa es una cadena larga y lineal de glucosa; la amilopectina también es una cadena larga, pero con ramificaciones arbóreas.
«Decidimos usar carbohidratos como materia orgánica porque existen en todas partes», dijo Aristilde. «La celulosa, el biopolímero más abundante en la Tierra, está compuesta de glucosa, y las plantas y los microbios secretan diferentes carbohidratos, desde simples hasta complejos, en el suelo. También seleccionamos carbohidratos por su química simple para evitar que ciertas reacciones secundarias compliquen nuestros resultados».
Mediante una combinación de simulaciones de dinámica molecular, mecánica cuántica y experimentos de laboratorio, Aristilde y su equipo examinaron las interacciones a escala nanométrica entre los minerales arcillosos , las moléculas de agua y los tres tipos de compuestos de carbohidratos. Los científicos descubrieron que los enlaces de hidrógeno proporcionan un mecanismo clave que permite que las arcillas y los carbohidratos retengan agua.
Los enlaces de hidrógeno, una fuerza de atracción débil, hacen que las moléculas de agua se adhieran entre sí para formar una gota o fluir por un grifo. El equipo de Aristilde descubrió que el agua también forma enlaces de hidrógeno con la superficie de los minerales arcillosos y los carbohidratos simultáneamente, creando puentes de agua entre ambos. Estos puentes retienen el agua con mayor fuerza, lo que reduce su pérdida por evaporación.
«Cuando una molécula de agua queda retenida a través de un enlace de hidrógeno con un carbohidrato y un enlace de hidrógeno con la superficie de un mineral, esta agua tiene una fuerte energía de enlace y queda atrapada entre las dos cosas con las que está interactuando», dijo Aristilde.
El azúcar complejo quintuplica la fuerza de los enlaces
Mediante simulaciones moleculares, los investigadores descubrieron que las moléculas de agua alojadas entre la superficie mineral de la arcilla y los carbohidratos tenían una energía de enlace más fuerte que la del agua ligada únicamente a la arcilla. De hecho, los polímeros complejos de azúcar ayudaron a la arcilla a ligar el agua hasta cinco veces más fuertemente que la arcilla sin un carbohidrato asociado . Incluso en condiciones extremadamente secas, el agua ligada a la arcilla y los carbohidratos tuvo una probabilidad mucho menor de evaporarse y mayor de permanecer atrapada dentro de los nanoporos de la arcilla.
«Aumentamos la temperatura para medir la pérdida de agua tanto en presencia como en ausencia de carbohidratos», explicó Aristilde. «En comparación con la arcilla sola, se necesitaron temperaturas más altas para que el agua abandonara la matriz con la presencia conjunta de arcilla y carbohidratos. Esto significa que el agua se retuvo con mayor fuerza en presencia de carbohidratos».
Los carbohidratos ramificados y de cadena larga también evitaron que los poros de la arcilla colapsaran por completo en condiciones de sequía. Normalmente, a medida que la arcilla se seca, sus nanoporos se contraen con la creciente pérdida de agua. Sin embargo, los carbohidratos complejos pueden prevenir el colapso total del nanoporo de la arcilla . Esto puede ayudar a preservar la retención de humedad asociada con la materia orgánica atrapada en los poros durante largos períodos, incluso durante sequías.
Esta nueva información no sólo nos ayudará a comprender el suelo de nuestro propio planeta, sino que también podría proporcionar nuevos conocimientos sobre nuestros vecinos en nuestro sistema solar y más allá.
«Aunque nuestro objetivo era comprender cómo el suelo terrestre retiene su humedad, los mecanismos que descubrimos aquí podrían tener implicaciones para comprender fenómenos más allá de nuestro planeta», afirmó Aristilde. «Existe gran interés en cómo esta relación entre la materia orgánica y el agua podría desarrollarse en otros planetas, especialmente en aquellos que se considera que alguna vez albergaron vida».
Más información: Sabrina E. Kelch et al., Mecanismos de retención de agua en las interfaces carbohidrato-arcilla, PNAS Nexus (2025). DOI: 0.1093/pnasnexus/pgaf259 . academic.oup.com/pnasnexus/adv… exus/pgaf259/8229066
