Revista Brasileira de Geociência 20(l-4):299-301, março/dezembro de 1990

BIODEGRADAÇÃO DE RESÍDUOS ORGÂNICOS NO SOLO

SÂ MI A M A R I A T A U K *

ABSTRACT BIODEGRADATION OF ORGANIC RESIDUES IN SOIL. Biodegradation is acomplex and multifacited process involving an enormous nmnber and variety of soil organisms. Fourgroups of microorganisms OCCUR during the decomposition of vegetal residues: cellutolytics,nemicellulolytics pectinolytics and ligninolytics, with exception of the anaerobics and chimiotrophicsorganisms, these have large energy demands. The study of biodegradation does not require complexmethods, but does require long time intervals and is labor intensive . During the decomposition of leaflitther in a "cerrado sensu stricto" area me most frequent filamentous fungi Were: TMchoderma, AbsUBa,f usariam and CyündrodacKum. The addition of organic residue can change the litter decomposition rate.

Keywords: Filamentous range, "cerrado".

RESUMO A biodegradaçfo 6 um processo complexo que envolve grande número e variedade de mi-crorganismos na decomposiçio de material vegetal. Existem peto menos quatro grupos distintos desses or-ganismos: celulolíticos, hemkelulolfticos, pectinolftícos e Hgninolíticos, que necessitam de muita energia,exceto os casos de anaeróbios e qumüotíofkos. Nem sempre o estudo da btodegradaçSo exige metodologiacomplicada, entretanto, é trabalhosa e muitas vezes demorada. Durante a decomposição de folhedo da áreade cerrado sensu stricto, os fungos filamentosos mais freqüentes foram Trichodema, Abstâa, Fusarium eCyBndrookuOum. A adiçjto de um resíduo orgânico altera a velocidade de decomposição do folhedo no solo.Algumas proposições de estudos futuros sSo colocadas.

Palavras-chaves: Fungos filamentosos, cerrado.

INTRODUÇÃO A decomposição de resíduos orgânicospode ser determinada diretamente pela perda de peso ou portécnicas que utilizem elementos marcados, demonstrando queno final do processo há liberação de CCfe, formação denova biomassa e metabolites, e de materiais resistentes adegradação.

No solo ocorre rápida decomposição inicial de material lá-bil e, posteriormente, num processo mais lento, de materiaismais resistentes. Essa lentidão pode ocorrer devido ao meca-nismo de adsorção, à estabilização de metabolites e à queda dataxa de biomassa no solo. Enfim, a biodegradação é um pro-cesso complexo e multifacetado, envolvendo grande número evariedade de microrganismos do solo.

A degradação de diferentes resíduos depende das condi-ções locais e regionais como clima, tipo de solo, vegetação,fauna e microrganismos decompositores. A diversidade bio-química de substratos macromoleculares indica que os orga-nismos devem possuir amplo espectro de enzimas extracelu-lares para convertê-los em metabolites assimiláveis. As pro-priedades do solo, tais como, argila, pH, matéria orgânica,tensão de água e aeração atuam como fatores ambientais doprocesso de decomposição.

Assim, a complexidade física e química dos resíduos orgâ-nicos desfavorece a ocorrência de um processo degradativobiologicamente simples. As paredes das células vegetais, porexemplo, são compostas de uma intrincada rede de fibras decelulose juntamente com a pectina heteropolimérica, hemice-lulose e, em tecidos maduros, lignina. Além disso, os tecidosvegetais freqüentemente possuem uma cutícula protetora degomas e ceras, podendo conter ainda compostos antimicrobia-nos que podem inibir a ação de certas enzimas degradativas.

COMPOSIÇÃO QUÍMICA Entre 50% e 80% da matériaseca dos vegetais é carboidrato, enquanto os microrganismoscontêm até 60% de C orgânico. A quantidade e proporçãodeste elemento na célula, tecidos ou organismos inteiros sãodeterminadas pelas espécies e idade dos indivíduos. Por exem-plo, embora os carboidratos solúveis em água possam predo-minar em plantas jovens, as maduras têm maior porcentagemde celulose, hemicelulose e lignina.

De modo geral, a matéria orgânica vegetal é constituída deicelulose, mais abundante polímero, compreendendo 40% a60% do lenho maduro, 10% das folhas, 30% a 40% do caule e90% das fibras de algodão; hemicelulose, grupo diverso depolissacarídeos solúveis em álcalis, intimamente associado àcelulose; substâncias pecticas, polissacarídeos estruturais elignina, importante composto de carbono constituinte deplantas vasculares, participando com 15% a 34% da madeira.

Os tecidos animais geralmente contêm menor proporção decarboidratos em relação aos vegetais e microrganismos. Aquitina, contudo, é um importante componente orgânico dosartrópodes. O gÜcogênio tem estrutura e função similares àsdo amido e um grande número de carboidratos animais ocor-rem como glicoprotemas.

Os constituintes orgânicos microbianos compreendem: aquitina, superada somente pela celulose em abundância; asquitosanas, que ocorrem nas paredes de bifas de fungos zigo-micetos como o Mucor, Mortiereüa e Rhizopus; o peptideoglu-cam, polímero estrutural, de praticamente todas as paredesbacterianas, contribuindo de 5% a 10% em Escheria coti e deate' 60% a 70% em Micrococcus luteus da matéria seca da pa-rede celular, os lipopolissacarídeos, que formam parte damembrana externa de bactérias Gram-negativas e represen-tam 20% a 30% da massa seca da parede celular, os ácidos te-cóicos e teicurônicos, componentes da parede celular de bac-térias Gram-positivas e os exopolissacarídeos, produzidos pormicrorganismos do solo, Pseudamonas, Xanthomonas, Bacil-lus, Azotobacter, RMbobium e Arthrobacter.

Os ácidos húmicos, que constituem a reserva de matériaorgânica do solo, parecem ser constituídos de polímeros com-plexos de hidroxi-fenóis, ácidos hidroxibenzóicos e outrassubstâncias aromáticas, ligadas a peptfdeos, compostos ami-noaçúcares, ácidos graxos, parede celular e fragmento proto-plasmático microbiano, e possivelmente outros constituintes.A capacidade de vários compostos fenólicos sofrerem reaçõesenzimáticas e polimerização auto-oxidativas, é provavelmentede grande importância na formação de moléculas de ácidoshúmicos. Estruturas condensadas de anéis aromáticos e partesde lignina e moléculas de melanina podem também integrar asmoléculas do polímero húmico. A simples hidrólise ácida

* Departamento de Ecologia, Instituto de Biodêndas, UNESP, Caixa Postal 178, CEP 13500, Rio Claro, SP, Brasil

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liberará aminoácidos peptfdeos e açúcares de unidadespolissacarídicas, associadas com ácidos húmicos.

Metflação e oxidação dos ácidos húmicos compermanganato ou oxido de cobre (u) formam uma série deácidos carboxflicos di-, tri-, tetra-, penta- e hexabenzeno,fenóis e ácidos graxos. A degradação de ácidos húmicos poramálgama de sódio produz aproximadamente de 15% a 35%de material éter solúvel e grande variedade de substânciasfenólicas simples. Estudos têm demonstrado que esses fenóis,produzidos por essa degradação, são os mesmos que aquelesutilizados para sintetizar o polímero ou compostos levementealterados, formados por decarboxilação ou migração de umgrupo hidroxila para outro anel de benzeno por meio deligação éter-anel.

Uma grande parte dos estudos da biodegradação,envolvendo resíduos marcados ou não com carbono, mostrouque a maior porcentagem desse elemento é liberada como CO2e que a quantidade estabilizada do novo húmus não ésignificativamente influenciada por adições de até 2% dosubstrato. Foi demonstrado que a quantidade de húmus, o pHe a cobertura vegetal exercem pouca influência sobre o teortotal de carbono orgânico estabilizado.

A quantidade e o tipo de argila podem afetar, entretanto,grandemente o local de carbono orgânico estabilizado. Assim,para a celulose, as argilas podem com freqüência aumentar ataxa de crescimento microbiano, especialmente durante adegradação inicial de substratos prontamente disponíveis, maspoderão reduzir a perda de carbono na forma de CO2 poraumentar a eficiência da utilização desse elemento pelosmicrorganismos e por formar complexos com produtos dedecomposição e com substâncias húmicas.

A comparação da perda de carbono de muitos substratosorgânicos prontamente degradáveis, em solos agrícolascomuns do Chile e da Califórnia, demonstrou que a presençade argilas alofanas reduziu as perdas de carbono da maioriados substratos e que essa redução foi acentuada quando seutilizou substrato com polímeros mais resistentes, comoligninas vegetais e melaninas de fungos em solos alofânicos.

Técnicas com isótopos demonstraram as influências deum tipo de substrato orgânico na decomposição de um outro,ou do húmus já presente no solo. Em uma série deexperimentos, notou-se que a aplicação no solo de doissubstratos prontamente disponíveis, um marcado com carbonoe o outro não, decompuseram-se com a mesma velocidade deque quando aplicados individualmente. Foi sugerido que aadição de um substrato orgânico, prontamente degradável,pode aumentar grandemente a liberação de CO2 do húmusdo solo.

Vários pesquisadores têm tentado preparar modelos parapolímeros de ácidos húmicos na tentativa de entender melhoros possíveis mecanismos de formação, a natureza epropriedades dos mesmos. Substâncias fenólicas são fontesimportantes na formação de polímeros de ácidos húmicos, jáque numerosos defensivos agrícolas e outros produtosorgânicos sintéticos contêm porções de anéis benzênicos. Deforma semelhante à que ocorre com os substratos orgânicosnaturais, é necessário introduzir grupos hidroxila na porçãobenzênica para promover a ruptura destes compostos. Nesteestágio, os compostos aromáticos podem ser polimerizados demodo oxidativo e integrados às moléculas de húmus, ou sofrerruptura do. anel. Deve-se esperar, portanto, que adegradação parcial de compostos organo-fenólicos fabricadospelo homem integrem-se aos polímeros do humus do solo.

Recentemente, vários investigadores têm expressado oconceito de que os resíduos de defensivos agrícolas ouprodutos tóxicos de decomposição parcial podem serestabilizados no humu do solo e, posteriormente, liberados eabsorvidos por microrganismos, mesofauna ou por plantas, epor isso, constituírem problema sério de poluição ambiental, oque é extremamente indesejável.

METODOLOGIA Para estudar a biodegradação no solo épreciso considerar a amostragem, que por sua vez, deverá serestabelecida pela biologia do mesmo, local, tempo, estação,variações na textura, umidade, pH, temperatura, acúmulo deserapilheira e associações que ocorrem na rizosfera.

Nem sempre o estudo da biodegradação exige metodologiacomplicada, entretanto é trabalhosa e muitas vezes demorada.O fluxo de nutrientes pode ser estudado pela produção e de-composição da serapilheira em um determinado ecossistema,entretanto, observa-se a necessidade desses estudos seremefetuados durante alguns anos. As altas concentrações de nu-trientes minerais existentes no folhedo podem indicar que afitocenose não dispõe de mecanismos especiais de conservaçãopara esses elementos essenciais, quer em mata mesófila semi-descídua quer em ecossistemas amazônicos. Elementos como oK, Mg, S e B são ciclados mais rapidamente do que os demais,por serem lixiviados com maior facilidade pela água da chuva,permanecendo assim um tempo menor no folhedo (Pagano1985). Também em uma mata mesófila semidescídua no Esta-do de São Paulo, verificou-se que a quantidade total estimadade macronutrientes devolvidos no solo, anualmente, por meioda serapilheira, foi de 400,32 kg/ha e a seqüência de partici-pação, em ordem decrescente, foi a seguinte: N, Ca, K, Mg, Se P (César 1988).

MICROBIOLOGIA Embora aqui estejam enfatizados osaspectos microbianos da degradação, não há dúvidas quanto aimportância da fauna do solo, especialmente os nematóides ,anélidas e artrópodas, nos estágios iniciais da decomposição.A ação desses animais dá-se pela formação de galerias no so-lo, aumentando a área de exposição, aeração, difusão de inó-culo ou pela redução do tamanho dos resíduos e pela digestão,facilitando a incorporação dos mesmos no solo.

A decomposição de material vegetal exógeno envolve pelomenos quatro grupos distintos de microrganismos: celulolíti-cos, hemicelulolíticos, pectinolíticos e ligninolíticos. Geral-mente a degradação de um substrato complexo, folhas, tecidosmicrobianos mortos ou exoesqueletos de insetos processa-semais rapidamente na presença de uma comunidade microbianado que na presença de uma única população.

Muitos microrganismos do solo, fungos, bactérias e acti-nomicetos sintetizam melaninas e podem secrètá-las ou retê-las em suas células ou esporos. As melaninas de Epicoccwnnigrum, Aspergülus sydowi, Hendersoruda tondoidea e Euro-tiwn echinulatum são similares aos ácidos húmicos quanto àcomposição elementar, elevada acidèz, liberação de aminoáci-dos via hidrólise ácida, liberação de fenóis via degradação re-dutiva por amálgama de sódio, resistência a degradação mi-crobiana, tipos de estruturas liberadas por degradação oxidati-va e pirólise, e baixo conteúdo de polissacarídeos.

Os microrganismos decompositores precisam de muitaenergia e , exceto em casos dos anaeróbios e quimiotróficos,as reações requerem consumo de O2 e a liberação de CO2. Astaxas do primeiro aumentam e a evolução do segundo tem sidomais ou menos igualada com as taxas de decomposição damatéria orgânica e pode muitas vezes ser utilizada nos estudodeste processo. A evolução de CO2 é complicada pela solubi-lidade em soluções, além do que essas medidas representama respiração total da comunidade, não distinguindo a contri-buição individual de plantas ou dos microrganismos.

Em uma área de cerrado sensu stricto vários parâmetrosapresentaram variação .sazonal, com exceção do teor do íonSO4

-2 do folhedo e do teor de K+ do solo. Os gêneros de fun-gos filamentosos mais freqüentes durante o processo de de-composição desse folhedo foram: Trichoderma, Absidia, Fu-sarium, Cytindrocladium, Mucor e representantes do grupoMycelia sterilia (Attili 1989).

Nesta mesma área verificou-se que a adição de vinhaça,restilo ou vinhoto no solo acarretou diminuição da velocidadede decomposição de folhas de Ocotea pulcheüa, demons-

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trando maior retenção dos elementos Ca, Mg e diminuição dosteores de nitrogênio e proteína na fração foliar. A sazonalida-de esteve presente em todos os parâmetros estudados. Verifi-cou-se que os gêneros Trichoderma, PenicíUium, Aspergiüus eFusarium foram freqüentes durante a sucessão fúngica noprocesso de decomposição dessas folhas (Schoenlein-Crusius1988). No solo tratado com vinhaça em cultura de milho, nãohouve variação do número de fungos fflamentosos, masocorreu decréscimo do número de leveduras (Tauk 1988a).Este resíduo, entretanto, aumentou o número de bactérias eactínomicetos na mesma área (Tauk 1988b).

A velocidade de decomposição de diferentes substratosvaria, sendo que a seguir estão citados alguns deles: 84% deácido benzóico foi decomposto após 28 semanas; 81% de áci-do pirúvico após 12 semanas; 26% de catecol após 28 semanase 69% de ácido fenóüco também após 28 semanas.

As primeiras estimativas matemáticas para a decomposiçãode resíduos de plantas, animais e microrganismos no solo con-sideraram suas taxas de C:N e o conteúdo de N. O cresci-mento microbiano nos resíduos não foi considerado, devido àsdificuldades encontradas para a determinação do mesmo.Existem atualmente duas tendências para descrever o processode decomposição dos resíduos no solo. A primeira utiliza aanálise de regressão da curva de decomposição e o número degrupos de indivíduos e suas taxas específicas. A segunda, pro-cura calcular a velocidade da decomposição total dos resíduose a formação de materiais microbiarioís.

PROPOSTAS DE ESTUDOS FUTUROS Na literaturaencontram-se algumas das proposições de estudos futurosquanto ao processo de biodegradação:• Mecanismos de transformação do nitrogênio orgânico parao mineral, dentro ou fora da célula. O papel das enzimas exo eintracelulares envolvidas deverá ser melhor elucidado, assimcomo os mecanismos de regulação NH4 e de NO3-.• A eficiência de utilização do substrato e suas taxas cons-tantes de decomposição deverão ser independentemente de-terminadas. Estes dois parâmetros determinam a quantidadede C utilizada para o crescimento microbiano, o que podeafetar a ciclagem do Ce do N.• Fatores que afetam as taxas de C:N dos organismos dosolo.• Controles biofísicos, tais como a reorganização estrutural ea atividade da fauna do solo, por controlarem as relações es-paciais do substrato, organismos e ciclagem de nutrientes.• Comparação de dados experimentais com modelos de si-mulação e maior empenho para comparação e síntese dosmesmos já existentes.

CONCLUSÃO Verifica-se que ainda resta muito a serestudado sobre a biodegradação de resíduos orgânicos no solo,principalmente em ecossitemas tropicais, o que provavelmentecontribuirá para melhor manejo da agricultura, visando efeti-vamente a conservação do solo.

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MANUSCRITO POOSRecebido em 23 de fevereiro de 1990

Revisão do autor em 02 de julho de 1990Revisão aceita em 10 de julho de 1990