retos para la alimentaciÓn sostenible y la nutriciÓn vegetal uaaan departamento de horticultura...

RETOS PARA LA ALIMENTACIÓN SOSTENIBLE Y LA NUTRICIÓN VEGETAL

UAAANDepartamento de HorticulturaAdalberto Benavides Mendoza

[email protected]

1OCTUBRE 2015

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SOSTENIBILIDAD DE LOS SISTEMAS:

El concepto de sostenibilidad fue acuñado originalmente en la práctica forestal (1713): “No cosechar más madera de la que el bosque hacer crecer”.

En 1987 se creó la conocida definición actual: “Desarrollo que cubre las necesidades actuales sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones de cubrir sus propias necesidades”.

World Commission on Environment and Development (WCED). Our Common Future; Oxford University Press: New York, NY, USA, 1987.

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META DE LA AGRICULTURA: APORTAR LA PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS NECESARIOS PARA LA POBLACIÓN HUMANA

MUNDIAL

7300 millonesoct-2015

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MUNDIAL

15+28millones de km2

34% de la superficie libre de hielo

La superficie terrestre total es de aprox. 147 millones de km2

La NPP es de unas 132,000 x 106 ton por año

Suponer que toda la productividad primaria neta anual se dedicara a la especie humana. Con la población actual (7.3 x 109) corresponden unas 18 ton per capita por año de esa Productividad Primaria Neta (NPP).

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MUNDIAL

Geósfera

Hidrósfera

BiósferaAtmósfera

No es posible porque la estructura y el funcionamiento del sistema terrestre depende de intercambios de energía y materia de los susbsistemas que lo forman.

Suponer que toda la productividad primaria neta anual se dedicara a la especie humana. Con la población actual (7.3 x 109) corresponden unas 18 ton per capita por año de esa Productividad Primaria Neta (NPP).

¿ES POSIBLE ESTO?

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Impacto ambiental de actividades humanas: degradación del suelo, contaminación de aire, agua, sedimentos, suelos, metales pesados, compuestos sintéticos, biodiversidad, etc.


MUNDIAL

APORTE DE ALIMENTOS

POBLACIÓN HUMANA

IMPACTO AMBIENTAL

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MUNDIAL

¿Puede aportar algo la agricultura protegida?

Claro que si, pero ocurren restricciones termodinámicas, metabólicas y culturales (dieta variada) que limitan su impacto:

Cada año para cada persona deben producirse un total de 0.438 ton de alimento (dieta vegetariana).

Cada año para cada persona deben producirse un total de 1.53 ton de alimento que se transformarán en las 0.438 ton de alimentos variados (dieta con carne, cereales, vegetales, etc.).

Suponiendo una dieta 100% con base en vegetales como el tomate o productos análogos (mucho agua, muchos minerales y vitaminas, poca proteína) para alimentar a la población mexicana actual se requerirían 123,000 ha de invernaderos de alta tecnología produciendo 400 ton/ha por año con 0% de pérdidas en poscosecha. En 2014 se estimaron 20,000 ha de invernaderos, mallas sombra y macrotúneles para México.

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MUNDIAL

La desventaja de nuestra dieta variada (que incluye carne como

componente importante) tiene que ver con la producción de

entropía. En términos biológicos indica que ningún proceso de

transferencia de energía tendrá eficiencia del 100% por lo que el uso

de materia vegetal para producir ganado para carne eleva el impacto

ambiental de la actividad humana. Y solo consideramos las

transferencias de energía, faltaría considerar el tema del agua,

nutrimentos, pesticidas, plásticos, etc.

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MUNDIAL

Ejemplo de una pirámide de transferencia de energía en un sistema ecológico acuático.

Organismos fotosintéticos 36,000 kcal km-2 año-1Organismos fotosintéticos 36,000 kcal km-2 año-1

590590 Herbívoros3,900

descomponedores

3,900descomponedor

es

4848 Carnívoros

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MUNDIAL

Biomasa agrícola que puede ser consumida por humanosDesechos agrícolas

Proteína de alta calidadProteína de alta calidad

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MUNDIAL

Claro que si, pero ocurren restricciones termodinámicas, metabólicas y culturales (dieta variada) que limitan su impacto:

Para ser útil para este propósito la superficie protegida debería de producir hortalizas, granos, leguminosas, etc.

(-) Proteína en el alimento (+)

Dificultad para aumentar el rendimiento por ha

¿Puede aportar algo la agricultura protegida?

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Queda claro que el reto de la alimentación humana en el contexto de crecimiento poblacional no depende solamente de tecnología para su solución.


MUNDIAL

Sin embargo, la presión ejercida sobre los ecosistemas pudiera disminuir si se resuelve el reto nanotecnológico y biotecnológico de desarrollar fotosíntesis artificial acoplada a sistemas de biología sintética para la producción de alimentos, principalmente proteínas.

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Para el aporte de alimentos la nutrición vegetal es uno de varios pilares que ha tenido un gran desarrollo a partir de la mitad del siglo pasado.

Actualmente se mantiene como un factor crítico para asegurar la productividad agrícola y pecuaria.


MUNDIAL

¿Nutrición vegetal sostenible?¿o solamente nutrición?

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MUNDIAL


¿cuál es la diferencia?

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Elemento ¿Esencial? Suficiencia (mg/g PS) Toxicidad (mg/g PS)

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NUTRIMENTOS DE CICLO ABIERTO Y DE CICLO CERRADO

H, O, C, N, S, Cl, Na, K,P, Ca, Mg, Mn, Fe, B, Zn, Cu, Ni, Mo

LITÓSFERA

ATMÓSFERA

AGUA, SUELOS

SERES VIVOS

LITÓSFERA

AGUA, SUELOS

SERES VIVOS

I, Se, As, F, Si, V, Cr, Co

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MUNDIAL


¿cuál es la diferencia?

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Solamente nutrición

ALIMENTAR LA PLANTA.

EXTRAER LO NECESARIO PARA LA PRODUCCIÓN AGRÍCOLA SIN CUIDAR O PROMOVER LA CAPACIDAD DEL SISTEMA PARA AUTORENOVAR LOS ELEMENTOS DE CICLO

ABIERTO.

TAMPOCO RETORNANDO LAS EXTRACCIONES DE LOS ELEMENTOS DE CICLO CERRADO.

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SUELOSUELO

MATERIA ORGÁNICAMATERIA

ORGÁNICABIOMASA

MICROBIANABIOMASA

MICROBIANANUTRIMENTOS

DE CICLO CERRADO

NUTRIMENTOS DE CICLO CERRADO

AGUAAGUA ATMÓSFERAATMÓSFERA

NUTRIMENTOS DE CICLO ABIERTO


N, Fe, Ca, etc.

CULTIVO 1

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SUELOSUELO


ORGÁNICABIOMASA

MICROBIANABIOMASA

MICROBIANANUTRIMENTOS

DE CICLO CERRADO





N, Fe, Ca, etc.

CULTIVO 2

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SUELOSUELO


ORGÁNICA

BIOMASA MICROBIANA

BIOMASA MICROBIANA






N, Fe, Ca, etc.

CULTIVO n

Soil productivity is decreasing globally due toenhanced soil degradation in the form of

erosion, nutrient depletion, water scarcity, acidity, salinisation,

depletion of organic matter and poor drainage. Nearly

40% of the agricultural land has been affected by soil

degradation, particularly in Sub-Saharan Africa and

Central America (Cakmak, 2002)

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Nutrición vegetal sostenible

ADMINISTRAR EL SISTEMA.

PRODUCIR LO NECESARIO PARA LA ALIMENTACIÓN HUMANA MANTENIENDO O PROMOVIENDO LA CAPACIDAD DEL SISTEMA PARA AUTORENOVAR LOS ELEMENTOS DE CICLO ABIERTO Y RETORNANDO LAS EXTRACCIONES DE

LOS ELEMENTOS DE CICLO CERRADO.

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META DE LA AGRICULTURA. APORTAR LA PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS NECESARIOS PARA LA POBLACIÓN HUMANA MUNDIAL.


RETO 4. SOSTENIBILIDAD DE LOS SISTEMAS AGRÍCOLAS: SUELOS, AGUA, ATMÓSFERA,

ORGANISMOS.

RETO 2. MEJORA O CONSERVACIÓN DE LOS SUELOS Y DE LA CAPACIDAD DE LOS ECOSISTEMAS PARA APORTAR

PROCESOS (“SERVICIOS”) AMBIENTALES

RETO 3. LOGRAR UN MANEJO ADECUADO DE LOS SISTEMAS ECOLÓGICOS, ENTRE ELLOS EL SUELO:

ADMINISTRAR vs. EXPLOTAR

RETO 1: CONOCIMIENTO Y MANEJO DEL SUELO COMO UN SISTEMA COMPLEJO.

NUTRICIÓN VEGETAL SOSTENIBLENUTRICIÓN VEGETAL SOSTENIBLE

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ORGANISMOS.







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ORGANISMOS.







Sistemas de producción y

nuevas tecnologías

Sistemas de producción y

nuevas tecnologías

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ORGANISMOS.

RETO 3. CONSERVACIÓN DE LOS SUELOS Y DE LA CAPACIDAD DE LOS ECOSISTEMAS PARA APORTAR


RETO 2. LOGRAR UN MANEJO ADECUADO DE LOS SISTEMAS ECOLÓGICOS, ENTRE ELLOS EL SUELO: ADMINISTRAR vs.

EXPLOTAR


NUTRICIÓN VEGETAL SOSTENIBLENUTRICIÓN VEGETAL SOSTENIBLETÉCNICATECNOLOGÍA

CONOCIMIENTODE LOS SISTEMAS

CONOCIMIENTOREDUCCIONISTA,ESPECIALIZADO,INCONEXOO PARCELADO

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ORGANISMOS.


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RETO 4: SOSTENIBILIDAD DEL SISTEMA.



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RETO 4: SOSTENIBILIDAD DEL SISTEMA.



ALIMENTAR EL SUELO

ALIMENTAR LA PLANTA

MANEJO

MANEJO

APORTES

APORTES

FERTILIZACIÓN

FERTILIZACIÓN

FERTILIZACIÓN

FERTILIZACIÓN

APORTES

APORTES

MONITOREOMONITOREO COSECHACOSECHA

APORTES M.O.

APORTES M.O.

TRAYECTOTRAYECTO

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ALIMENTAR (Y CONSERVAR) EL SUELODEFINICIÓN

El suelo forma parte de la geósfera, es una entidad natural que ocurre en las zonas terrestres. Se origina a partir de las transformaciones del material parental o roca madre y la biota. Está formado de sólidos (minerales y materia orgánica), líquido, gases y una componente biótica (microbiota y mesobiota).Las funciones del suelo son el intercambio de energía y materia con la atmósfera, hidrósfera y biósfera, la producción o almacenamiento de gases que regulan la composición atmosférica, almacén temporal de agua y nutrimentos para la vegetación y anclaje de esta última.

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DISMINUIR EL PASO DE MAQUINARIA SOLO A LO NECESARIO.

EVITAR EL BARBECHO Y LA QUEMA DE RESIDUOS YA QUE

AUMENTA LA OXIDACIÓN DEL SUELO.

EL MANEJO DEBE ORIENTARSE A AUMENTAR LA CANTIDAD DE

MATERIA ORGÁNICA. NO SOBREFERTILIZAR CON N INORGÁNICO.

ESTA MATERIA ORGÁNICA DARÁ LUGAR A MAYOR BIOMASA DE

MESOFAUNA Y MICROBIANA QUE RESULTARÁ EN MAYOR

CAPACIDAD DE CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE ELEMENTOS

DE CICLO ABIERTO.

ALIMENTAR (Y CONSERVAR) EL SUELO

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LA MATERIA ORGÁNICA IGUALMENTE AUMENTARÁ LA

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO, LA RETENCIÓN DE

AGUA, EL N DISPONIBLE, LA DISPONIBILIDAD DE ELEMENTOS QUE

DEPENDEN DEL BALANCE REDOX DEL SUELO (P, Fe, Cu) Y LA

PRODUCCIÓN DE CO2 PARA AUMENTAR LA FOTOSÍNTESIS.

RETORNAR CON APORTES DE FERTILIZANTES NO

MANUFACTURADOS LAS EXTRACCIONES DE ELEMENTOS DE CICLO

CERRADO.


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FUNCIONES DE LA MATERIA ORGÁNICA

M.O. 3-5%CUBRE MUY BIEN ESTAS FUNCIONES

5% < M.O. < 30%FUNCIONA COMO RESERVORIO DE C (HASTA 5 VECES LA CANTIDAD DE C PRESENTE EN LA VEGETACIÓN)

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¿CUÁL ES EL MEJOR TRATAMIENTO?

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MATERIA ORGÁNICA ARCILLA

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO

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CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO

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EL APORTE DE FERTILIZANTES NO MANUFACTURADOS DEBE

CONSIDERAR EL BALANCE DE Ca, Mg, K, Na y ACIDEZ

INTERCAMBIABLE QUE SE TENGA COMO META EN LA MATRIZ DE

INTERCAMBIO CATIÓNICO DEL SUELO.

LA MEJOR FORMA DE CONSERVAR EL SUELO Y SUS PROPIEDADES

ES MANTENERLO CUBIERTO CON VEGETACIÓN O RESIDUOS DE LA

COSECHA.


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BALANCE DE LOS CATIONES DEL SUELO(BALANCE EN UNIDADES DE MILIEQUIVALENTES)

(PRINCIPIO EMPÍRICO)

Ca++ 60-70 %

Mg++ 10-20 %

K+ 2-5 %

Na+ 0.5-3 %

H+ 10-15 % (acidez intercambiable)

80 %

LOS DESBALANCES SE CORRIGEN EN PLAZOS MEDIOS (3-6 AÑOS) USANDO PRODUCTOS NO MANUFACTURADOS COMO LA ROCA FOSFÓRICA, DOLOMITA, YESO AGRÍCOLA Y LA CALCITA.

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PLANIFICAR A MEDIANO PLAZO USANDO EL BALANCE CATIÓNICO DEL SUELO. EL PRINCIPIO ES DISMINUIR LA

COMPETENCIA ENTRE LA PLANTA Y EL SUELO.

APLICAR LOS FERTILIZANTES USANDO EL SISTEMA 4R.

EL MANEJO DEL CULTIVO EN EL CORTO PLAZO SE HACE POR MEDIO DEL MONITOREO (ANÁLISIS QUÍMICO) DEL SUELO,

SOLUCIÓN DEL SUELO Y MUESTRAS VEGETALES.

ALIMENTAR A LA PLANTA

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Los principios de las 4R y sus interrelaciones con los factores de la producción agrícola (modificado de Mikkelsen, 2011, Hort Technology 21(6):658-662).

RETO: ADMINISTRACIÓN 4R

PARA LOGRAR LO ANTERIOR NECESITAMOS INFORMACIÓN

42

ABSORCIÓN DE NUTRIMENTOS DE LA SOLUCIÓN DEL SUELO

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ANÁLISIS DE SUELOVS.

ANÁLISIS DE LA SOLUCIÓN DEL SUELO

ANÁLISIS DE TEJIDO VEGETAL SECOVS.

ANÁLISIS DEL EXTRACTO CELULAR

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ANALIZAR PARA CONTROLAR Y EVITAR DEFICIENCIAS O EXCESOS

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CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE NUTRIMENTOS POR LA RAÍZ Y MODIFICACIÓN DE LA RIZOSFERA

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SOLUCIÓN DEL SUELO

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La eficiencia en el uso de los fertilizantes (EUF) se define como la capacidad del sistema agrícola para transferir al cultivo, o de conservar en el suelo en formas biodisponibles, los elementos aplicados a través de las adecuadas prácticas de fertilización.

EFICIENCIA EN EL USO DE LOS FERTILIZANTES

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EFICIENCIA EN EL USO DE LOS FERTILIZANTES

La definición de EUF indica que se trata de un complejo de variables ambiente-planta susceptibles de manejo. La EUF es función de tres componentes y un sistema de administración:

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CT = Capacidad de Transferencia de Nutrientes del suelo, sustrato o solución nutritiva.CC = Capacidad de Conservación de Nutrientes por parte del suelo o sustrato.EUN = Eficiencia en el Uso de los Nutrientes por las plantas.4R = sistema de administración de la aplicación de fertilizantes que asegure cuatro cosas: Fuente adecuada, Cantidad adecuada, Tiempo adecuado y Lugar adecuado.

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EUN = Eficiencia en el Uso de los Nutrientes por las plantas.

ESTOS PROCESOS DEPENDEN ENERGÉTICAMENTE DE LA FOTOSÍNTESIS, MISMA QUE DEPENDE EN GRAN PARTE DEL CO2 QUE PRODUCE LA RESPIRACIÓN DE LA M.O. DEL SUELO

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EL IONOMA DE LAS PLANTASRETO:

NUTRICIÓN VEGETAL PARA LA SALUD HUMANA.

ES NECESARIO AMPLIAR EL CONCEPTO DE NUTRICIÓN VEGETAL DE 17 ELEMENTOS:

oBIOFORTIFICACIÓN: MANEJAR ELEMENTOS NO ESENCIALES PARA LAS PLANTAS.

oDETERMINAR QUÍMICAMENTE OTROS ELEMENTOS, OTORGARLE VALOR AGREGADO A LA COSECHA.

oREALIZAR DETERMINACIONES QUÍMICAS ELEMENTALES EN OTRAS ESTRUCTURAS VEGETALES (FRUTOS, SEMILLAS, TALLOS, TUBÉRCULOS, RAÍCES).

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Los humanos requerimos al menos 24 (tal vez 26) elementos minerales para el funcionamiento metabólico. La fuente dietética directa o indirecta de la mayoría de estos elementos es la biomasa vegetal.

Los elementos minerales que comunmente faltan en la dieta son: Fe, Zn, I, Se, Ca, Mg y Cu.

Aún ahora la malnutrición mineral es común inclusive en regiones con alto índice de desarrollo económico o humano. Se ha estimado que 2/3 de la población humana se encuentra en riesgo de deficiencia de uno o más nutrimentos minerales.

Este se considera uno de los retos más graves para la humanidad. (Copenhagen Consensus 2008, http://www.copenhagenconsensus.com/Home.aspx).

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ELEMENTOS ESENCIALES Y ELEMENTOS ÚTILES PARA LOS SERES VIVOS

BrPd

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El concepto de ionoma. La concentración y perfil de los minerales contenidos en un tejido vegetal, el ionoma, refleja el estado funcional del organismo en respuesta a los factores externos bióticos y abióticos así como a los factores internos de tipo bioquímico y fisiológico. El ionoma incluye otros elementos adicionales a los 17 reconocidos como indispensables ya que, como se sabe, la planta absorbe prácticamente todos los elementos que se encuentran en el suelo, inclusive aquellos que nuestro conocimiento actual no les asigna una función.

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Aporte de Ca (mg capita−1 d−1) y riesgo de deficiencia (%).Aporte de Ca en 1992 (a) y 2011 (c).Riesgo de deficiencia de Ca en 1992 (b) y 2011 (d).

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Aporte de Zn (mg capita−1 d−1) y riesgo de deficiencia (%).Aporte de Zn en 1992 (a) y 2011 (c).Riesgo de deficiencia de Zn en 1992 (b) y 2011 (d).

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MANEJO Y CONSERVACIÓN DE LOS SUELOS Y DE LOS SISTEMAS ASOCIADOS CONSIDERANDO OTROS PROCESOS AMBIENTALES DIFERENTES A LOS MENCIONADOS ANTERIORMENTE:

BIODIVERSIDAD DEL MICROBIOMA DE LOS SUELOS, SEDIMENTOS, VEGETACIÓN, ETC.

HOMEOSTASIS ATMOSFÉRICA.

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ORGANISMOS.







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