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BIOMASSA MICROBIANA GASES DO SOLO 6. Interrelações biomassa microbiana/gases do solo 2. Vias de produção dos gases do efeito estufa e fatores condicionantes.

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1 BIOMASSA MICROBIANA GASES DO SOLO 6. Interrelações biomassa microbiana/gases do solo 2. Vias de produção dos gases do efeito estufa e fatores condicionantes. 3. Princípios metodológicos para a quantificação 4. Importância ambiental dos gases do efeito estufa 5. Importância agrícola da biomassa microbiana 1. Componentes,funções e distribuição da biota do solo 2. Vias de produção dos gases do efeito estufa e fatores condicionantes

2 CO 2 Fotossíntese Respiração radicular Respiração microbiana 360 ppm Em condições aeróbicas Em condições anaeróbicas Decomposição da MOS > 360 ppm CO 2 CH ppb Metanogênese Oxidação do CH 4 N 2 O 310 ppb Dinâmica dos gases do efeito estufa

3 Mecanismos de produção e consumo de GEE Processos químicos Processos enzimáticos não bióticos Processos microbianos - Não são interrompidos por autoclavagem - Não existe temperatura ótima para ocorrência

4 Fluxo de gases no contexto dos ecossistemas Trocas gasosa entre superfícies e a atmosfera depende de: produção e consumo dos gases por processos microbianos Gases com nitrogênio Em condições aeróbicas: Processos de nitrificação: NO e N 2 O Em condições anaeróbicas: Processos de desnitrificação: NO, N 2 O e N 2 Gases com carbono Em condições aeróbicas: Produção de CO 2 e consumo de CH 4 Em condições anaeróbicas: Produção de CH 4

5 GásProduzido Terra firmeTerreno alagado H2H2 Bactérias fixadoras de N 2 Bactérias fermentadoras COConversão química de C org.Bactérias anaeróbicas CH 4 DesconhecidoBactérias metanogênicas N2ON2ONitrificadores, denitrificadoresDenirificadores, (nitrificadores) NONitrificadores, denitrificadores, decomposição química do nitrito Denirificadores, (nitrificadores) Microrganismos e reações importantes na produção e consumo de gases do efeito estufa em condições aeróbicas de terra firme e condições anaeróbicas alagadas. (Conrad, 1996) GásConsumido Terra firmeTerreno alagado H2H2 Hidrogenases abióticasBactérias metanogênicas, redutoras de sulfato e ferro COBactérias oxidadoras de amôniaBactérias anaeróbicas CH 4 Bactéris metanotróficas desconhecidasBactérias metanotróficas comuns N2ON2OBactérias denitrificadorasBactérias denirificadoras NODenitrificadoras, bactérias heterotróficas, metanotróficas Denitrificadoras

6 NEE = GPP - R ecosystem Ecosystem Carbon Balance R ecosystem = R plant + R heterotrophs R heterotrophs = R microbes + R animals R ecosystem = (50%)R plant + (50%)R het. R heterotrophs = (90%)R microbes + (10%)R animals

7 Respiration from microbes occurs in conjunction with decomposition Ecosystem Carbon Balance R microbes = respiration by bacteria, fungi Decomposition is the physical and chemical breakdown of dead organic matter

8 Decomposição de compostos orgânicos em condições aeróbicas Gases com carbono Oxidação de metano CH 4 + 2O 2 CH 4 monooxigenase (bactérias metanotróficas) NH 3 monooxigenase (bactérias nitrificadoras) CO 2 + 2H 2 O + energia metanol formaldeído ácido fórmico oxidação enzimática CO 2 + 2H 2 O + energia (478 kJ mol -1 C) (C, 4H) + 2O 2 R Oxidação de compostos orgânicos oxidação enzimática

9 O2O2O2O2 [18-20%] 1-3% 1-3% [0,035%] CO 2 [0,07-0,23%] Respiração radicular = 20 a 50% Atividade microbiana = 50 a 80% CO 2 produzido oxidação enzimática (C, 4H) + 2O 2 compostos contendo carbono e hidrogênio CO 2 + 2H 2 O + energia (478 kJ mol -1 C) R

10 Efeitos das condições de aero e anaerobiose na evolução de CO 2 do solo incubado com glicose (1%) Adaptado de Parr, Smith e Willis, 1970 Argônio substituído por ar sem CO Período de incubação (horas) (mg C-CO 2 ) ar sem CO 2 argônio Incubação em:

11 Decomposição de compostos orgânicos em condições anaeróbicas Oxidação parcial dos compostos orgânicos CO 2 + 4H 2 2H 2 O + CH 4 CO 2 + CH 4 CH 3 COOH acetato Substrato orgânico (açúcares, amino-ac.) fermentação redução

12 Relação C:N crítica para a mineralização líquida de N C : N substrato C assimilado N microbiano (C microbiano + C respirado) 1/3 2/ = 24 C: N microbiano 3,3 = Escherichia coli (média bactéria = 4) 8 = média da biomassa 12,9 = Penicillium (média fungo = 10)

13 Redução Oxidação Nitrificação Redução do nitrato Redução do nitrato Fixação de nitrogênio Fixação de nitrogênio Desnitrificação Gases com nitrogênio

14 Nitrificação (amônia-monooxigenase) NH ½ O 2 NH 2 OH + H + NH 2 OH NO HOH + H + em condições aeróbicas Primeiro passo: oxidação do amônio (66 kcal / atomo g NH 4 + ) Nitrosomonas, Nitrospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus Segundo passo: oxidação do nitrito (18 kcal / atomo g ) Segundo passo: oxidação do nitrito (18 kcal / atomo g NO 2 - )Nitrobacter NO ½ O 2 NO 3 - em condições aeróbicas NH 2 OH NOH em condições anaeróbicas NO N2ON2ON2ON2O

15 A energia obtida na oxidação do amônio é usada na fixação de C, porém de forma ineficiente: 1 mol de C fixado requer a oxidação de 35 moles de amônia em nitrito e de 100 moles de nitrito a nitrato. Organismos nitrificadores são frágeis, sensíveis à acidez excessiva e à falta de aeração (O 2 ). Competição pelo NH 4 + entre plantas e microrganismos. Uso de nitrapyrin para inibir crescimento de nitrificadores.

16 Desnitrificação Redução assimilativa: NO 3 - compostos orgânicos Redução dessimilativa: NO 3 - N 2 NO 3 - NO 2 - N 2 gás NO N2ON2ON2ON2O condições anaeróbicas ou baixa pressão de O 2 Redução do nitrato (24 ATP / mol NO 3 - ) Pseudomonas spp., Bacillus spp.

17 transporte físico através do solo Umidade do solo WFPS% = [100 x ( g x d)] / [1 - (d/dp)] g = umidade gravimétrica (g H 2 O. g solo seco -1 ) d = densidade aparente do solo dp = densidade de partículas (2,65 g solo seco. cm -3 ) suprimento de substrato aos microrganismos; difusão de gases no solo (difusão através da H 2 O é x mais lenta do que através do ar). Água portanto controla: taxa de difusão de O 2 e CH 4 para dentro do solo; taxa de NO, N 2 O, CH 4 e CO 2 para for a do solo. Acidez do solo Temperatura do solo

18 NITRIFICAÇÃO > DESNITRIFICAÇÃO WFPS < 60% DESNITRIFICAÇÃO > NITRIFICAÇÃO WFPS > 60% N 2 O:NO < 1 WFPS < 60% N 2 O:NO > 1 WFPS > 60% Portanto: NITRIFICAÇÃO produz mais NO do que N 2 O DESNITRIFICAÇÃO produz mais N 2 O do que NO Davidson (1993) Em um mesmo solo em Rondônia observou-se que sob floresta sempre havia oxidação de metano, enquanto que sob pastagem havia produção sazonal: Steudler et al. (1995) OXIDAÇÃO DE METANO WFPS < 40% METANOGÊNESE WFPS > 40%

19 Sistema de coleta para medida do fluxo de gases entre o solo e a atmosfera T0 T5 T10 T20T0 T5 T10 T20 Liteira Tampa Base Câmara

20 Quantificação de CO 2, N 2 O e CH 4 na mesma amostra: Cromatografia Gasosa CROMATÓGRAFO À GAS ECD: CO 2 e N 2 O FID: CH 4 T0 T5 T10 T20 [ ppm]

21 FLORESTA PASTAGEM (anos) DIÓXIDO DE CARBONO CO 2 (mg C m -2 ano -1 )

22 FLORESTA PASTAGEM (anos) METANO CH 4 (mg C m -2 ano -1 )

23 FLORESTA PASTAGEM (anos) ÓXIDO NITROSO N 2 O (mg N m -2 ano -1 )

24 13 C-CO 2 DA RESPIRAÇÃO DO SOLO 13 C-CO 2 DA RESPIRAÇÃO DO SOLO CO 2 Espectrômetro de massa 13 C/ 12 C

25 C -CO 2 (% o ) FLORESTA PASTAGEM (anos) %88%74%84%73% (Cdp)

26 Escala Controle ambiental Tipo e qualidade da fonteOrgansimosPool de MOS EcossistemaMacroclima Condições edáficas Textura do solo Folhas Raízes Madeira Biota total (95% microbiano) MOS total PopulaçãoMicroclima Estrutura do solo Gradientes Composição da liteira de acordo com a sp vegetal Microbiota total Grupos funcionais Sp animais chave Variações locais da MOS total OrganismoMicroclima Estrutura do solo Minerais do solo Celulose, lignina, células microbianas e produtos como fontes energéticas Sp microbianas e animais Frações MOS MoléculaOxigênio Água Minerais do solo Substratos específicos como fonte energética Enzimas livres e ligadas Compostos específicos Escalas de resolução na decomposição e acúmulo de MOS NH 3 + H 3 C - C - COO - R

27 Água/Atmosfera do solo Solos bem aerados: Teor de O 2 raramente < 18-20% Teor de CO 2 raramente > 1-2% + textura argilosa + alta umidade + intensa atividade = CO 2 > 10% Conteúdo de água do solo: Dens. de partículas = 2,65 g.cm -3 Dens. do solo = 0,9 -1,3 g.cm -3 Espaço poroso = 50-60% c.c. solos arenosos 15-30% c.c. solos argilosos 40-45% Espaço poroso com ar 10% A presença de água afeta: aeração aeração natureza e quantidade dos materiais solúveis natureza e quantidade dos materiais solúveis pressão osmótica pressão osmótica pH da solução do solo pH da solução do solo

28 Água no solo (%) Água no solo (%) Mineralização de N (mg NH 4 + NO 3 ) 100g -1 solo seco Evolução de CO 2 (mg C-CO 2 ) 100g -1 solo seco Tensão (cm H 2 O)

29 Potencial de água [Solução] MPaNaCl Sacarose Organismos (w/v) ,52,0 17 Rhizobium, Nitrosomonas -1012,3 52 Clostridium, Mucor -2525,3 70 Micrococcus, Penicillium Xeromyces, Saccharomyces Níveis de tolerância máxima de potencial de água dada pela concentração de solutos Nitrificadores < Amonificadores (Nirosomonas) (Clostridium, Penicillium)

30 Solo + serragem+ 0,4 % N Incubação (horas) Solo CO 2 liberado (mg c 50 g -1 solo) Solo + serragem Solo + serragem + 0,9% N Efeito do N inorgânico na decomposição de serragem (adaptado de Allison, 1965 ) Nutrientes

31 Mineralização do N em incubações de materiais orgânicos com diferentes relações C/N (Jenkinson, 1981) Período de incubação (dias) Mineralização de NO 3 +NH 4 (mg N 100g -1 de solo) Trevo (26) Lucerne (13) Controle Micelio de fungo (10) Palha de trigo (84) Esterco (16)

32 Imobilização líquida Nitrificação líquida 0 Adição de resíduo Tempo (semanas) Muita lignina, relação C/N alta Pouca lignina, relação C/N alta Pouca lignina relação C/N baixa Muita lignina, relação C/N baixa

33 Temperatura do solo Interfere: taxa das reações fisiológicas das células; desnaturação de proteínas; alterações na permeabilidade das membranas; características fisico-química do ambiente (volume do solo, pressão, difusão, movimento Browniano, viscosidade e tensão superficial Variaçõe de temperatura, (superfície do solo), são tanto sazonais como diárias. Prof. (cm) Variação de temp. ( o C)

34 Efeito da temperatura sobre a evolução de CO 2 de um solo subtropical. (Bunt e Rovira, 1955) Temperatura ( o C) Taxa de evolução do CO 2 (mm 3 CO 2 g -1 solo h -1 )

35 Decomposição de cevada incubada em solos com diferentes porcentagem de argila (Jenkinson, 1977) Período de decomposição (anos) % de argila no solo 8% de argila no solo Carbono retido no solo (%) % de argila

36 Efeitos da montmorilonita na decomposição de proteína (3,6% adição) em um solo arenoso (Jenkinson, 1981) Período de incubação (semanas) C evoluida na forma de CO 2 (%) Somente proteína Proteína mais argila Proteína complexada com argila

37 Plant Litter Decomposition

38 Potencial de oxi-redução/pH do solo Compostos reduzidos 2e - cadeia respiratória O 2, Fe 3+, NO 3 -, Mn 2+, SO 4 2- pH = -log [H + ]P = -log [e - ] P = E h (volts)/0,059 (mede afinidade por elétrons)

39 Período de incubação (anos) pH 6,9 Material incubado (%) pH 4,8 pH 3,7 pH do solo Efeito do pH do solo na decomposição de MO (Jenkinson, 1977)

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41 CONCLUSÃO - Fluxos geralmente apresentam alta variabilidade local e temporal; - Extrapolação dos fluxos para áreas extensas ou longos períodos é altamente impreciso; - Cada evento de fluxo é causado por processos determinísticos que se alteram de forma não linear à menor alteração das condições ambientais; - Solos são geralmente analisados em escala macroscópica, embora suas funções sejam controladas, predominanatemente, a nível microscópico (microrganismos); - Precisamos saber mais a respeito desse nível microscópico antes de concluir sobre o papel do solo na dinâmica da composição atmosférica.


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