aula ciclos biogeoquimicos

Microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos

Doutoranda Ana Carla StievenProf. Dra. Daniela T.S. Campos

Microbiologia agrícolaFaculdade de Agronomia, Medicina Veterinária e Zootecnia

Universidade Federal de Mato GrossoCuiabá, 16 de outubro de 2012

Introdução

• Microrganismos e as atividades biológicas• Solo: maior reservatório de microrganismos do

planeta• direta ou indiretamente recebe todos os dejetos

dos seres vivos• ocorrendo a transformação da matéria orgânica

em substâncias nutritivas• 1 hectare de solo contém cerca de 0,5 – 4,0

toneladas de microrganismos

Introdução

(Fonte: Microbiologia de Brock, Madigan et al.)

O ambiente solo

O efeito rizosférico

RizosferaRegião onde o solo e as raízes das plantas entram em contato

Perfil do solo

Definição:Em agricultura e geologia, solo é a camada que recobre as rochas, sendo constituído de proporções e tipos variáveis de minerais de húmus

Solos minerais

Solos orgânicos

Centenas de anos

Presença de microrganismos heterotróficos nas váriasprofundidades do solo

Profundidade Umidade Mat. orgânica Bactérias Fungos (cm) (%) (%) (x 106)/g (m/g)

aeróbias anaeróbias0 - 8 18,2 4,4 24 2,7 280

8 - 20 10,0 1,5 3,1 0,4 43

20-40 11,5 0,5 1,9 0,4 0

40-60 13,5 0,6 0,9 0,04 0

60-80 7,9 0,4 0,7 0,03 0

80-100 5,3 0,4 0,15 0,01 0

Fonte: Lindegreen & Jensen, 1973

• Bactérias: – grupo mais numeroso e mais diversificado

3 x 106 a 5 x 108 por g de solo seco

• limitações impostas pelas discrepâncias entre técnicas• heterotróficos são mais facilmente detectados

Gêneros mais freqüentes:

• Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia, Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios

• Cianobactérias: pioneiras, fixação de N2

A microbiota do solo

• Fungos:

– 5 x 103 - 9 x 105 por g de solo seco– limitados à superfície do solo– favorecidos em solos ácidos– ativos decompositores de tecidos vegetais: celulases,

peroxidases, lactases, etc.– melhoram a estrutura física do solo

Gêneros mais freqüentes:• Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium,

Aspergillus, Trichoderma


• Algas– 103 - 5 x 105 por g de solo seco

– abundantes na superfície

– acumulação de matéria orgânica: solos nus, erodidos

• Protozoários e vírus– - equilíbrio das populações– - predadores de bactérias– - parasitas de bactérias, fungos, plantas, ...


Os ciclos

Os ciclos biogeoquímicos (principais)Ciclo do CarbonoCiclo do NitrogênioCiclo do FósforoCiclo do Enxofre

O Carbono nos ecossistemas O Carbono compõe 18% da massa na terra: aminoácidos, proteínas,

ácidos nucléicos (DNA), lipídios, carboidratos 0.03% da atmosfera é Carbono Principais gases que envolvem a terra: CO2 e CH4

Carbono como medida de produtividade

100.1021 g 150.1016 g

380.1017 g

4.1018 g

Fixação/liberação de C CO2 fixado via fotossíntese (autotroficamente em

compostos biológicos) com liberação de O2

Calcula-se que cada molécula de CO2 da atmosfera é fixada via fotossíntese a cada 300 anos

200

10

210.1

Respiracao

Fosseis

Microbios

Vulcoes

CaCO3

CO2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas)

Outros

CO2 aumentou em 30% desde a revolução industrial

A maioria desse aumento é devido a queima de combustíveis fósseis e mudanças no uso da terra (desmatamento, queimadas, etc.)

O Carbono e o aquecimento global

Concentração atmosférica de CO2 (ppm)

http://www.whrc.org/carbon/images/CO2_sources.jpg

Boas notícias! Com o aquecimento global nós

podemos ficar tranqüilos que em menos de 5 anos

comemos ele!!!

Processos do Fluxo de Energia, Carbono e

Nutrientes no Sistema Solo-Planta-Organismos

Moreira & Siqueira, 200620


Transformações e Ciclagem de C, N, P e S no Sistema Solo-Planta Mediados pela Microbiota do Solo

21

• Atividade Decompositora no Solo

96% respiração total do solo

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Biomassa Microbiana

Parte viva da matéria orgânica do solo, composta por todos os organismos menores que 5.10-3 mm3 – Fungos, bactérias, actinobacterias, leveduras e microfauna (protozoários)

- Cerca de 98 % do C-orgânico do solo é matéria orgânica morta

- 2 % do C - orgânico do solo é composto pela fração viva

5 a 10% - Raízes

15 a 30% - Macrofauna

60 a 80% - Microrganismos

(1 a 5% da MOS total)BIOMASSA

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Decomposição da Matéria Orgânica- Macrorganismos = reguladores da degradação (engenheiros)- Microrganismos = Transformadores

MacrofaunaRepresentantes no nível trófico mais alto na cadeia

MicrorganismosDecompositores primários

Produtores primários 24

Degradabilidade dos Constituintes dos Resíduos Orgânicos

• Celulose

- Polissacarídeo de maior ocorrência natural

- Insolúvel em água

- Principal componente dos vegetais

- Decomposição:

- Celulase: microrganismos celulolíticos

- Microrganismos aeróbios

- Solos: úmidos (fungos), semi-áridos (bactérias)

- Fatores: pH, água, temperatura, O2

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• Hemicelulose e Pectinas

- Segundo maior componente dos vegetais

- Polissacarídeo de pentoses, hexoses e ácidos urônicos

- Ex: Xilanas, mananas e galactanas

- Pectinas = importante componente da lamela média

da parede celular das plantas

- Decomposição:

- Bacillus: xilanas

- Erwinia, Clostridium, Pseudomonas e Bacillus

Produzem protopectina, pectina e ácido péctico

- Fungos patogênicos produzem enzimas que

facilitam sua penetração

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• Lignina

- 25 % da fitomassa seca produzida na biosfera (35 % da madeira)

- Biopolímero mais abundante na biosfera (recalcitrância)

- Estrutura complexa – sub-unidades aromáticas sem ligações idênticas

- Em materiais lignocelulósicos, protege a celulose e a hemicelulose

- Baixa taxa de degradação = Baixa incorporação do C à biomassa microbiana

- Decomposição:

- Lactases e peroxidases

- Teor de lignina: relação inversa com a taxa de decomposição

- Basidiomicetos e alguns ascomicetos

- Fatores edáficos influenciam na atividade e competição dos decompositores

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• Estrutura e Rota de Degradação Microbiana da Lignina no Solo

Lactases e Peroxidases

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Importante na atividade dos processos bioquímicos responsáveis pela reciclagem de nutrientes e outros benefícios para a ecologia do solo

Taxa de Decomposição dos Resíduos Orgânicos Depositados no Solo


Microrganismos podem ter várias respostas positivas e negativas à mudança climática global

Aumentos das temperaturas fazem com que os microrganismos decomponham os resíduos orgânicos mais rapidamente (> emissão de CO2 que incorporação via plantas fotossintéticas)

Microrganismos e o aquecimento

O degelo das capas polares pode estar trazendo de volta à vida formas virulentas de microrganismos que estavam dormentes no gelo

O aumento da agropecuária tem aumentado a produção de CH4 produzido pelos microrganismos (archaea, protozoários, leveduras, etc.) que vivem no estômago de ruminantes como ovelhas, gado, búfalos, camelos, etc.

CH4 absorve 20 % a mais de calor que CO2

Produção de vacina para reduzir a emissão de CH4


Aumentos da temperatura aumenta as áreas biogeográficas de microrganismos infecciosos: malária, dengue, febre amarela, viroses, etc.

Aumentos nas populações microbianas oceânicas: Vírus: o total de C em vírus nos oceanos equivale ao C de 75 milhões

de baleias azuis (média de 100 ton cada х 75,000,000 = 75.1011 kg de C)


Áreas de tundra e do ártico estão com T mais elevadas, aumentando a produção de CH4 (Archaeas metanogênicas), muito mais nocivo que CO2 como gás de efeito estufa


Mudanças causando alterações nas concentrações de populações oceânicas de microrganismos


Fertilizar os oceanos com Fe para aumentar as populações de algas (fitoplâncton) e outros microrganismos como Prochlorococcus e Synechococcus que absorvem quantidades enormes de CO2

Prochlorococcus e Synechococcus (cianobactérias) absorvem cerca de 700 bilhões de toneladas de CO2 por ano, o que é 2/3 de todo o CO2 fixado anualmente nos oceanos

Microrganismos e as soluções

Utilização de certos microrganismos para a extração de biocombustíveis Utilização de microrganismos geneticamente modificados para aumentar a

produtividade de plantas para extração de óleo (biocombustíveis) Utilização de celulose (hemicelulose) para produzir etanol

Sulfolobus solfatarius - archaea Trichonympha sp. - protozoário Trichoderma reesei - fungo

Microrganismos e as soluções

O ciclo do Nitrogênio O Nitrogênio compõe 80% dos gases da atmosfera

Está presente em aminoácidos, proteínas, ácidos nucléicos (DNA, RNA), clorofila, etc.

Fixação do N2 atmosférico é necessária para que o mesmo possa ser utilizado

Fixação biológica (grande maioria), via queimadas, larva ou via raios, antrópica (Haber-Bosch)

O ciclo do Nitrogênio Formas quimicamente disponíveis de N: amônio (NH4

+), nitrato (NO3

-), e uréia ((NH2)2CO)

Elemento versátil que pode ser encontrado na forma orgânica e inorgânica

O ciclo do Nitrogênio

Fixação/liberação de N 5 processos principais ciclam N:

Fixação (biológica ou não) Absorção (microbiana) Mineralização (decomposição) Nitrificação Desnitrificação

Os microrganismos (notadamente bactérias) têm um papel fundamental na ciclagem do N

Bactérias de vida livre Bactérias simbióticas

Fixação do N N2 NH4

+ ou NO3-

Única forma que os organismos conseguem obter N da atmosfera

Simbiontes como Rhizobium + plantas, Frankia + Alnus, etc.: N em troca por carboidratos e ambiente favorável

Fixação do N Fixadores de vida livre (ambientes aquáticos principalmente):

Cyanobacteria, Azotobacter, Clostridium

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Workertermite1.jpg

Absorção do N NH4

+ N orgânico

NH4+ é rapidamente incorporado em proteínas e outros

compostos nitrogenados orgânicos pelas plantas ou organismos do solo

Consumidores no topo da cadeia alimentar usam esse nitrogênio fixado

Mineralização do N N orgânico NH4

+

Decomposição: N orgânico transformado em N inorgânico (NH4

+) por fungos e bactérias - actinobacterias, fungos e bactérias modificam o N da MO de NH3

+ a NH4+

Esse NH4+ pode então ser usado por plantas ou transformado a

NO2- e NO3

- via nitrificação

Nitrificação NH4

+ NO2- NO3

-

Bactérias transformam amônio a nitrato ganhando energia Ocorre apenas em ambientes aeróbicos NH4

+ se adsorve as partículas de solo com carga negativa

NO3- é lixiviado com redução da fertilidade do solo e

contaminação do lençol freático

Nitrossomonas Nitrobacter

Desnitrificação NO3

- NO2- NO N2O N2

Processo anaeróbico feito por bactérias desnitrificadoras N2O é um gás de efeito estufa

Esta é a única transformação que remove N dos ecossistemas (irreversível) e faz o balanço do ciclo do N

Ciclo do Fósforo

* Grupo do fósforo orgânico (20 a 80 % do P total do solo)

* Origem: resíduos vegetais, tecido microbiano e produtos da decomposição.

* Formas de fosfatos orgânicos- inositol: 10 a 80 % do Pot

- fosfolipídios: 0,5 a 7 %- ácidos nucléicos: ± 3 %- outros ésteres fosfato: > 5%

1. Rochas sedimentares são o reservatório natural do

fósforo.

2. O fósforo é um elemento essencial para a constituição

de ATP, DNA e RNA.

3. A forma mais comum para a absorção dos vegetais é o

PO4.

4. Assim como o nitrogênio, é um elemento limitante,

controlando a abundância dos organismos.

Ciclo do Fósforo

INTERVENÇÕES ANTRÓPICAS

- EUTROFIZAÇÃO -

1. Despejos de efluentes ricos em fosfatos.

Ex.: detergentes.

2. Utilização de fertilizantes químicos, ricos em fosfatos.

Ciclo do Fósforo

* Uma das frações importantes de fósforo orgânico do solo é aquela contida na biomassa microbiana (P microbiano) por sua rápida dinâmica de fluxo entre componentes.

Ciclo do Fósforo

RIZOSFERA, MICORRIZAS, P

Três formas de fósforo nos solos: Fósforo orgânico: na matéria viva, plantas,

microrganismos, etc.

Fósforo solúvel: disponível. Orgânico bem como ortofosfato. Menor proporção de P do solo

Fósforo adsorvido: indisponível. Anionicamente ligado a cátions de Al, Fe e Ca.

Ciclo do Fósforo

Mineralização de Fosfatos Orgânicos• Frações: lábil, passiva ou resistente:

moderadamente lábeis são responsáveis por 80-90 % do P-mineralizado.

• Macromoléculas precisam ser degradadas antes da mineralização pelos heterotróficos do solo:

1- Fosfatases – Hidrólise de ésteres (MO - fungos, plantas, animais)

2- Nucleases/nucletidases – Nucleotídeos e Ac. Nucléicos (MO rizosféricos)

3- Fosfolipases – fosfolipídeos (actinomicetos)

Hidrólise enzimática

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Imobilização Biológica de Fosfatos

P-orgânico PO4-3

Mineralização

Imobilização

- Teor e relação C/P do resíduo em decomposição

• C:P 300 tendem a imobilizar.

C:P 200 favorece a mineralização líquida

• Relação C/P: Bactérias do solo = 30:1

Resíduos de alfafa = 26:1

Milho = 600:1

“ Imobilização é temporária em função da progressão da mineralização”

“ P-microbiano é a principal fração mineralizável (pode atingir 50% por ano)” 56

SOLUBILIZAÇÃO DE FOSFATOS

Fosfatos Insolúveis Pi assimilávelSolubilização

Plantas (exsudatos)Microrganismos

- Descoberta: Século passado (1908) quando Sackett detectou a “Ação solvente” de bactérias do solo

- Gerretsen (1948): Eliminação dos MO reduz absorção de P

- Sperber (1957): Solubilização é comum dentre os MO do solo e tentou elucidar o mecanismo, sugerindo o envolvimento de ácidos orgânicos

(P-Ca; P-Fe; P-Al)

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Solubilização de Fosfatos

- Os microrganismos solubilizadores de fosfatos (MSP)• ocorrência generalizada (bactérias, fungos):

Bacillus, Pseudomonas, Aspergillus

• Densidade população é variável (rizosfera > solo)

• Facilidade para solubilização de P-Ca, limitada solubilização para P-Al e P-Fe

Tem potencial, mas falta P&D para aplicação em larga escala

Ca5OH(PO4)3 + 4H+ 5Ca2+ + H2O + 3HPO4-2

FePO4 + 2H+ Fe2+ + H2PO4-

AlPO4 + 2H+ Al3+ + H2PO4-

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Processos Biológicos que Regulam a Disponibilidade de P na Rizosfera e sua Aquisição pelas Raízes


Ciclo do Enxofre

1. O grande reservatório de enxofre é no solo e nos sedimentos.2. É um ciclo que caracteriza-se pela participação efetiva e

rápida dos microorganismos.3. Recuperação de compostos de enxofre a partir da ação

microbiana sobre o sedimentos profundos.4. Interação nos processos geoquímicos, meteorológicos e

biológicos.5. Interdependência do ar, da água e do solo na regulação do

ciclo global.6. A principal forma disponível é o sulfato (SO4), que será

reduzido pelos seres autótrofos e incorporado às proteínas.7. É um ciclo menos limitante do que o do nitrogênio e o do

fósforo.

Ciclo do Enxofre

INTERVENÇÕES ANTRÓPICAS

1. O dióxido de enxofre (SO2) é liberado na atmosfera pela

queima de combustíveis fósseis.

2. O SO2 interage com o vapor d’água produzindo gotículas de

ácido sulfúrico (H2SO4) diluído, o que acarretará a

precipitação de chuva ácida.

3. O excremento animal representa um fonte de sulfato

reciclado.

4. A produção primária é responsável pela incorporação do

sulfato à matéria orgânica.

Ciclo do Enxofre

• OBRIGADA PELA ATENÇÃO!!!

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