capítulo 07 - transformações bioquímicas e ciclos … · importantes dos ciclos dos elementos...

Download Capítulo 07 - Transformações Bioquímicas e Ciclos … · importantes dos ciclos dos elementos no solo (Siqueira, 1993) Ele-mento Processo Mecanismo Importância C Fotossíntese,

If you can't read please download the document

Upload: trannguyet

Post on 26-Sep-2018

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 21/10/2011

    1

    Transformaes Bioqumicas e Ciclos dos Elementos no Solo

    Prof. Paulo Henrique GrazziottiMicrobiologia do Solo

    7. Transformaes Bioqumicas e Ciclos dos Elementos no Solo

    7.1. As transformaes dos elementos e a sustentabilidade

    Solo e Biota componentes essenciais da ciclagem de energia e elementos

    Servios da natureza Ciclagem de energia e Ciclagem de energia e Ciclagem dos elementos valor estimado US$ 1.280,00 ha-1

    ano-1

    30% do PIB verde (US$ 33 trilhes) ao PIB econmico mundial (US $ 18 trilhes ano-1)

    Fluxo dos elementos X Clima X Ao antrpica

    Relao entre caractersticas ambientais, processos no solo e funes do ecossistema que determinam as

    transformaes e fluxos dos elementos no solo

    Relao dos principais mecanismos e processos biolgicos Relao dos principais mecanismos e processos biolgicos importantes dos ciclos dos elementos no soloimportantes dos ciclos dos elementos no solo (Siqueira, 1993)(Siqueira, 1993)

    Ele-mento Processo Mecanismo ImportnciaC Fotossntese,

    DecomposioMineralizao

    Incorporao de C eenergia CO2 enutrientes

    Atividade microbiana Formao de hmus Fertilidade do solo Concentrao CO2

    atmosferaN Amonificao

    I bili N-org. NH3NO NH N

    Aumenta N disponvelImobilizaoNitrificaoDesnitrificaoFixao biolgica

    NO3 e NH4 N-org.NH4 NO3NO3 N2O, N2N2 N-org.

    Reduz N disponvel Lixiviao do N Perdas N forma gas Incorporao de N

    P MineralizaoImobilizaoSolubilizao

    P-org. PO4PO4 P-org.P-insolvel PO4

    Aumenta P disponvel Reduz P disponvel Aumenta P disponvel

    S MineralizaoOxidaoReduo

    S-org. SO4SO SO4SO4 H2S

    Aumenta S disponvel Provoca acidificao Perda de S e fitotoxidez

    Outros Oxi-reduoSolubilizao

    M ox. M red. Solubilidade, toxidez epoluio

    Interferncia humana nos ciclos biogeoqumicos dos elementos (Falkowski et al., 2000)

    a) a queima de combustveis fsseis e a mudana no uso da terra aumento de 13 % no fluxo de C-CO2 para atmosfera

    b) a queima de combustveis fsseis e a produo de fertilizantes eleva em 108 % a intensidade do fluxo de N reativo.

    c) a minerao de fontes de P aumento de 400 % a magnitude do fluxo de P na biosfera .

    d) i d b t i f i d t td) a queima de combustveis fsseis e o desmatamento contribu em 113 % para elevar a emisso de S para a atmosfera.

    e) o desbalano entre precipitao e o uso da gua alterado em 16 % os fluxos de O e H (H2O).

    f) a carga de material em suspenso no rios almentando em 200 %.

    As transformaes e os fluxos dos elementos no solo esto estritamente ligados ao do Corg

    Ilustrao dos principais compartimentos e processos de adio, retirada e transformao dos elementos no sistema solo-planta.

    Setas mais largas indicam a intensidade e a relevncia relativa do processo

  • 21/10/2011

    2

    VEGETAOQUALIDADE DO SOLO

    NO SUSTENTVEL

    FUNCIONALIDADE DO ECOSSISTEMA(estabilidade e resilincia)

    Fluxo hdricoProteo do solo e fauna

    Cadeia trficaEquilbriobiolgico

    SUSTENTA-BILIDADEEquilbrio

    Mantida Comprometida

    OS PILARES DA SUSTENTABILIDADE

    Fluxo de energia Ciclagem denutrientesBiodiversidade

    (atividade)

    FotossnteseHeterotrofiaBiomassa/hmus

    MineralizaoTransformaoDisponibilidadeAbsoro

    Ampla e funcional(redundncia e estabilidade)

    Perda Reduo RetiradaNO SUSTENTVEL

    SUSTENTVELConserva-o

    Manuteno Entrada

    Fluxo e estoque de C em floresta tropical da reserva Jar-Rondnia.

    * Contribuio relativa de razes e respirao do solo.

    Florestas temperadasaltos teores e compostos aromticosbaixos teores de K, Ca, Mg, etc.

    Florestas tropicaisalta intensidade dos processos biolgicos

    Dificultando a decomposio

    Ecossistemalta intensidade dos processos biolgicosSusceptveis perda de MO e nutrientes > quantidade de C e nutrientes armazenada nos

    ecossistemas naturais.

    a frgil

    X

    Solos desmatados so produtivos por pouco tempo.

  • 21/10/2011

    3

    7.2. Carbono7.2.1. As transformaes e o ciclo

    Estoque (1015 g C) e fluxo (1015 g C ano-1) de C nos principais componentes da biosfera mostrando as fontes e os drenos de C na

    atmosfera (Bolin & Fung, 1992; Falkowski et al., 2000)

    O fluxo total de nutrientes no sistema solo-planta pode atingir 400 kg ha-1 ano-1

    Qdade total de nutrientes nas plantas/ nutrientes no solo

    < 1 > 1

    Sustentvel Pouco sustentvelSustentvel Pouco sustentvel

    Ex.: floretas sob solos arenosos e pobres em

    nutrientes

    Ao antrpica

    7.2.2. Emisso e sequestro de C do solo

    Ano C-CO2 atmosfrico, mg L-1

    1850 280

    2000 370 31 %

    Aumento anual de 1% 50 % das causas do Efeito estufa Metano (C-CH4) aumento de 145%, aumento anual

    mdio de 0,5 a 1% Seqestro de C balano entre fotossntese e

    respirao ideal: fotossntese respirao

  • 21/10/2011

    4

    Causas do aumento da emisso de CO2 (506 bilhes de t)

    Queima de combustvel fsseis Desmatamento

    Tabela 7.8

    Tabela 7.9 Tabela 7.10

    ha/a

    no)

    PD (dC/td=-0,54+0,129C)

    Plantio direto (PD)

    PR (dC/td=-0,59+0,081C)PC (dC/td=-1,02+0,115C)

    C adicionado X variao do C adicionado X variao do estoque em sistemas de cultivosestoque em sistemas de cultivos

    dC/d

    t(M

    g/h

    C adicionado, Mg/ha/ano

    Plantio reduzido (PR)

    dC/td 0)Plantio convencional (PC)

    1. Aveia/milho sem N2. Ervilha/milho sem N3. Aveia+ervilha/milho+cau

    pi sem N4. Aveia/milho com N5. Ervilhaca/milho com N6. Aveia/milho+caupi sem N

    rgdo

    sol

    o an

    o) Manual

    PD

    CCorgorg X C adicionado em X C adicionado em sistemas de cultivossistemas de cultivos

    Var

    ia

    o do

    Cor

    (Mg/

    ha/a

    PC

    C adicionado ao solo, Mg/ha/ano

  • 21/10/2011

    5

    Recomendaes para manter o solo seguestrando Ca) No remover os restos culturais do solo

    b) Evitar o revolvimento do solo

    c) Mant-lo sempre coberto por vegetao com abundante sistema radicular e a mxima diversidade possvel

    d) Praticar rotao de culturas, pousios e rotao no uso de agroqumicos para ampliar a diversidade biolgica no agrossistemaagrossistema.

    e) Adotar prticas de manejo integrado para maximizar o uso de recursos e, assim, minimizar a aplicao de insumos qumicos.

    f) Promover a integrao de sistemas de produo agrosilvopastoril

    g) Propiciar aes para recuperao de solos degradados ou marginais.

    MO x sociedadeFunes locais (solo)

    Fornecimento de nutrientes

    Substrato microbiano

    Propriedades qumicas e fsicas.

    Funes fora do local Reduo de sedimentos nos corpos dgua

    Ao filtrante de poluentes qumicos

    Biodegradao de substncias txicas

    Efeito tampo na emisso de gases do efeito estufa

    Estabilidade da produo agrcola (efeito econmico e social)

    ConsequnciasConsequncias do esgotamento da do esgotamento da M.O.S.M.O.S.

    Moreira e Siqueira, 2006

    Efeito estufa (temperatura) x atividade biolgica do solo Elevao da temperatura do solo de 25 para 35 oC triplicou o

    C mineralizado. Este efeito mais acentuado em solos de clima frio

    Temperatura Global est aumentando 0,2 a 0,5oC/dcada aumenta a atividade microbiana e a liberao de CO2 efeito mais acentuado no hemisfrio norte efeito mais acentuado no hemisfrio norte

    Metano de origem biognica terras encharcadas, arroz inundado, fermentao entrica e dejetos animais, tratamento de esgoto e lixes

    OBS: no arroz 75% do CH4 produzida transformado p/ CO2na regio aerbia (produzida pela planta) por bactrias metanotrficas (Methylomonas, Methylococcus e Methylosinus)

    7.2.3. A reciclagem de materiais de matriz orgnica Produo de lixo/esgoto Lixo 500 a 700 g habitante-1 dia-1

    No Brasil: perde-se com a no reciclagem 5,0 bilhes dlares por ano.

    Esgoto 40 g de matria seca habitante-1 dia-1 No Brasil: quando o tratamento de esgoto atingir 50 % da

    populao haver uma produo de 1,0 milhoes de toneladas.

    Biosslido material resultante do tratamento biolgico do esgoto Valor agronmico R$ 10,00/t base seca Composio por kg 250 g de MO decomponvel 80 g de N 10 g de P 22 g de Ca

    Outros resduos (Principais)

  • 21/10/2011

    6

    Resduos e seus perigos para o meio ambiente e a sade

    a) Liberao de gases malcheirosos e metais pesadosb) Liberao ou formao de orgnicos poluentes e de

    compostos mutagnicos, teratognicos e carcinognicos.

    c) Contaminao do solo alimentos e corpos dgua porc) Contaminao do solo, alimentos e corpos d gua por nutrientes inorgnicos poluidores como nitratos, fosfatos e metais pesados.

    d) Transmisso de doenas para o homem e animais e atrao de insetos indesejveis

    e) Liberao de odores desagradveis e com reaes alrgicas, tais como metablitos microbianos e amnia.

    Produtividade relativa (% da adubao mineral) do milho em resposta a doses crescentes (base seca) de um biosslido

    industrial. (Trannin et al. 2005) Classes de logo

    Caracterstica Classes

    A B

    Coliformes fecais, NMP g-1 lodo seco < 1.000 < 2.000

    Salmonella, NMP g-1 lodo seco < 4

    Limites para aplicao no solo

    Vrus entricos, UFP g-1 lodo seco < 1

    Prticas de higienizao dos lodos para sua carga biolgica de patgenos

    Digesto Calagem para elevao do pH Compostagem Pasteurizao

    eficcia de 50 a aproximadamente 100 %

  • 21/10/2011

    7

    Para aplicao de resduos slidos necessrio: Planos de aplicao Monitoramento Aprovados por rgos ambientais

    O plano tcnico de aplicao baseia-se:a) Caracterizao do material: alm da classificao quantoa) Caracterizao do material: alm da classificao quanto

    ao tipo de resduo, composio, patgenos, MO, taxa de minaralizao e capacidade de neutralizao.

    b) Caracterizao do local: localizao na paisagem, tipo de solo e uso da terra e cultura.

    c) Taxa de aplicao: N disponvel, metais pesados, teor de outros elementos e carga orgnica.

    d) Impactos ambientais: atrao de vetores, odores desagradveis e outros impactos.

    Resduos da suinocultura Extremamente poluidores Elevada carga microbiolgica Suinocultura: objeto de licenciamento ambientalResduos da bovinocultura Rebanho brasileiro = 190 milhes Produo diria por cabea = 24 kg com 80 % de umidade Composio (%) Composio (%)

    0,55 % de N 0,25 % de P2O5 0,60 % de K2O

    Correspondendo a 25 milhes de Mg de N, P2O5 e K2O > que ao que se consome de fertilizantes por ano = 9,6

    milhes de Mg de N, P2O5 e K2O 5 % dos animais esto disponveis para a coleta = 1 milhes

    de Mg de N, P2O5 e K2O

    7.2. Nitrognio 7.2.1. Aspectos gerais

    Distribuio geral:

    Locais Estoque de N, g

    R h f d d di t 1 0 1023Rochas, fundo dos oceanos e sedimentos 1,0 x 1023

    Atmosfera (78% N2) 3,9 x 1021

    Biosfera 2,8 a 6,5 x 1021

    M.O. 3 a 5,5 x 1017

    Biomassa microbiana 1,5 x 1015

    Distribuio na biosfera:

    M.O. mortaOrganismos vivos

    AnimaisPlantas

    Microbiota

    C/N = 150

    C/N = 10 a 15

    96%

    4%

    2%94% 4%

    Valores tpicos de N:

    Locais N, kg ha-1Solo:N 11 500N2 11.500N-orgnico 7.250N-NH4+ 10N-NO3- 50Planta: 250

  • 21/10/2011

    8

    Reaes de amonificao, nitrificao, desnitrificao e imobilizao

    N i NH+H

    NH NO NO

    N2O

    N-orgnico NH3-H

    NH4 NO2 NO3

    Amonifio Nitrificao

    Imobilizao

    Subciclos, compartimentos e transformaes biolgicas do N no solo

    40 %

    72 %2X

    Adio e perda de N no solo

    Adio Perdas

    FBN: 50 a 500 kg ha-1 Lixiviao: at 500 kg ha-1

    ano-1Mineralizao: 2 a 5% do N-orgnico Eroso: 40 a 150 kg ha

    -1 ano-1

    Reposio pelas chuvas: Extrao pelas culturas:Reposio pelas chuvas: 5 a 20 kg ha-1 ano-1

    Extrao pelas culturas: 10 a 300 kg ha-1

    Fertilizao: 50 a 400 kg ha-1ano-1

    Volatilizao/desnitrificao: 10 a 80% do N aplicadoImobilizao no solo: 25 a 30% do N aplicado

    Interferncias antrpicas grande significado

    Desmatamento

    Cultivo de no leguminosas (fertilizantes nitrogenados) acelera a mineralizao da M.O.

    Plantio direto e de leguminosas aumenta o teor de N no solo

    7.3.2. Mineralizao/Imobilizao

    N-org. NH3 NO3-Mineralizao aerobiose

    N-org. do solo

    protenas, peptdeos, bases nitrogenadas, peptidioglicano, c. nuclicos e outros 24 a 37%

    Acares aminados 5 a 10%

    Formas complexas 50%

    Teor de N nos solos varia de 1.000 a 6.000 kg ha-1

  • 21/10/2011

    9

    Contribuio das fraes de N no solo

    64 %11 %

    2 a 5% do reservatrio total de N-org. mineralizado a cada ano

    Um solo com 0,9 g kg-1 de N 2.700 kg de N ha-1(camada arvel)

    54 a 135 kg de N ha-1 ano-1

    Outro solo com 3,8 g kg-1 de N 11.400 kg de N ha-1(camada arvel)

    228 a 570 kg de N ha-1 ano-1

    Relao dos principais mecanismos e processos biolgicos Relao dos principais mecanismos e processos biolgicos importantes dos ciclos dos elementos no soloimportantes dos ciclos dos elementos no solo (Siqueira, 1993)(Siqueira, 1993)

    Ele-mento Processo Mecanismo ImportnciaC Fotossntese,

    DecomposioMineralizao

    Incorporao de C eenergia CO2 enutrientes

    Atividade microbiana Formao de hmus Fertilidade do solo Concentrao CO2

    atmosferaN Amonificao

    I bili N-org. NH3NO NH N

    Aumenta N disponvelImobilizaoNitrificaoDesnitrificaoFixao biolgica

    NO3 e NH4 N-org.NH4 NO3NO3 N2O, N2N2 N-org.

    Reduz N disponvel Lixiviao do N Perdas N forma gas Incorporao de N

    P MineralizaoImobilizaoSolubilizao

    P-org. PO4PO4 P-org.P-insolvel PO4

    Aumenta P disponvel Reduz P disponvel Aumenta P disponvel

    S MineralizaoOxidaoReduo

    S-org. SO4SO SO4SO4 H2S

    Aumenta S disponvel Provoca acidificao Perda de S e fitotoxidez

    Outros Oxi-reduoSolubilizao

    M ox. M red. Solubilidade, toxidez epoluio

    Efeito do tipo de cultivo na mineralizao

    em condies anxidas a demanda de N menor, devido a menor biomassa, mineralizao e imobilizao

    I > M

    I M

    I < M

    e ca

    rbon

    o

    Contedo de C e dinmica da Contedo de C e dinmica da imobilizao/imobilizao/mineralizaomineralizao de N no solode N no solo

    S, 1999, extrado de Moreira e Siqueira, 2006

    I = imobilizaoM = mineralizao

    3 6 9Tempo de adoo de PD, anos

    Con

    ted

    o de

  • 21/10/2011

    10

    7.3.3. Nitrificao

    um processo, aerbio das bactrias quiolitotrficas, de oxidao do amnio (NH4+) a nitrato (NO3-)

    bactrias gram (+) da famlia Nitrobacteriaceae

    NH3+H NO3-NO2NH4+

    Nitrossomonas-H

    Nitrobacter

    Amnia Amnio Nitrito Nitrato

    NHNH44 + 1/2 O+ 1/2 O22 NONO22 + H+ H22O + 2HO + 2H++ GG = = --65 kcal (65 kcal (NitrosomonasNitrosomonas))6 e6 e--

    NONO22 + 1/2 O+ 1/2 O22 NONO33 GG = = --17,8 kcal (17,8 kcal (Nitrobacter))2 e2 e--

    NHNH44 + 2 O+ 2 O22 NONO33 + H+ H22O + 2HO + 2H++ GG = 82,8 = 82,8 kcal8 e8 e--

    Nitrificao

    a oxidao do NH4 acidifica o solo (adubao qumica)

    Assimilao de N e nitrificao fotoautotrfica em leguminosas

    Fatores que afetam a Nitrificao Aerao processo aerbio Temperatura tima 26 a 32oC No ocorre acima de 51oC Muito pequena abaixo de 5 oC (clima frio)

    Umidade tima prximo a capacidade de campo

    Taxas relativas de desnitrificao e outos processos microbianos em funo da % de gua no solo

    pH do solo a nitrificao estimulada pela calagme dos solos

    cdios.exige altos teores de bases trocveis baixa em solos cidos

    Mxima pH 6,6 a 8,0 Reduzida pH < que 6,0 Nula pH < que 4,5 Nula pH < que 4,5

    Fertilizantes fertilizantes amoniacais em solos alcalinos inibe a segunda fase da nitrificao

    a amnia txica a Nitrobacter nitrito poder ser acumulado no solo

  • 21/10/2011

    11

    M.O. e relao C/N incorporao de rezduos com alta relao C/N reduz a nitrificao por falta de substrato (imobilizao)

    relao C/N melhor < 30 Presena de fatores txicos as bactrias

    nitrificadoras so muito sensveis Inibidores comerciais de nitrificao acumula

    NH4+ no solo e tem como objetivo reduzir as perdas de N aplicadoperdas de N aplicado

    Destino do NO3- no solo absoro, imobilizao, lixiviao (poluio) e reduo (desnitrificao, baixa conc. de O2)

    7.3.4. Reduo do Nitrato

    Reduo assimilatria imobilizao do NO3-, por plantas e microrganismos

    Quimiodesnitrificao dissimilatria (desnitrificao no respiratria) no conserva energia e favoredica pela acidez

    bi ( l d l O ) ocorre em anaerobiose (regulada pelo O2)

    Respirao do NO3-

    produz NO2- e conserva energia ocorre em anaerobiose (regulada pelo O2)

    Reduo dissimilatria do NO3- para NH4+

    conserva energia e ocorre em anaerobiose ocorre em anaerobiose (regulada pelo O2)

    Desnitrificao respiratria (desnitrificao) produz N2 > N2O > NO e conserva energia respirao anaerbica e oxidao fosforilativa

    principal via de perda de N do soloevita que o N atinja os oceanos bactrias anaerbias facultativas

    2 NO3 2 NO2 2 NO N2N2O

    (bactrias desnitrificantes)

    Fatores que afetam a desnitrificao Tab 7.16 Moreira & Siqueira, 2002 Umidade do solo ocorre a partir de 60% de

    saturao, acentuando-se a partir de 80%

    pH lenta em pH menor que 5,0

    Temperatura aumenta com o aquecimento global

    Teor de C necessrio p/ o metabolismo dos desnitrificadores

    correlao positiva entre o teor total de MO e o potencial de desnitrificao

    a decomposio da MO produz CO2 e consome O2

    Perda de N 5 a 15 kg ha-1

    contribui para diminuio da camada de oznio e aumento do efeito estufa

    Reduo das perdas de N da adubao nitrogenada do arroz irrigado

    incorporar o fertilizante (N-NH4+) abaixo da camada oxidada

    absoro mais rpida pela cultura absoro mais rpida pela cultura controlar ou reduzir a nitrificao

    pH < 6,0 aplicao do fertilizante mais profundo aumentar a lmina dgua fazer uso de inibidores de nitrificao

  • 21/10/2011

    12

    Processos das transformaes de N e outros elementos em solo inundado

    7.3.5. A disponibiidade de N no solo