BIOMASSA MICROBIANA GASES DO SOLO

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1 BIOMASSA MICROBIANA GASES DO SOLO
1. Componentes,funções e distribuição da biota do solo 2. Vias de produção dos gases do efeito estufa e fatores condicionantes 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 6. Interrelações biomassa microbiana/gases do solo

2 Dinâmica dos gases do efeito estufa
360 ppm CO2 Fotossíntese > 360 ppm CO2 N2O 310 ppb Nitrificação Denitrificação N2O  N2 CH ppb Respiração radicular Respiração microbiana Metanogênese Oxidação do CH4 Decomposição da MOS Em condições aeróbicas Em condições anaeróbicas

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

4  produção e consumo dos gases por processos microbianos
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 N2O Em condições anaeróbicas: Processos de desnitrificação: NO, N2O e N2 Gases com carbono Produção de CO2 e consumo de CH4 Produção de CH4

5 Bactérias fixadoras de N2 Bactérias fermentadoras CO
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) Gás Produzido Terra firme Terreno alagado H2 Bactérias fixadoras de N2 Bactérias fermentadoras CO Conversão química de C org. Bactérias anaeróbicas CH4 Desconhecido Bactérias metanogênicas N2O Nitrificadores, denitrificadores Denirificadores, (nitrificadores) NO Nitrificadores, denitrificadores, decomposição química do nitrito Gás Consumido Terra firme Terreno alagado H2 Hidrogenases abióticas Bactérias metanogênicas, redutoras de sulfato e ferro CO Bactérias oxidadoras de amônia Bactérias anaeróbicas CH4 Bactéris metanotróficas desconhecidas Bactérias metanotróficas comuns N2O Bactérias denitrificadoras Bactérias denirificadoras NO Denitrificadoras, bactérias heterotróficas, metanotróficas Denitrificadoras

6 Ecosystem Carbon Balance
NEE = GPP - Recosystem Recosystem = Rplant + Rheterotrophs Recosystem = (50%)Rplant + (50%)Rhet. Rheterotrophs = Rmicrobes + Ranimals Rheterotrophs = (90%)Rmicrobes + (10%)Ranimals

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

8 Gases com carbono Decomposição de compostos orgânicos em condições aeróbicas CO2 + 2H2O + energia (478 kJ mol-1 C) (C, 4H) + 2O2 R Oxidação de compostos orgânicos oxidação enzimática Oxidação de metano CH4 + 2O2 CH4 monooxigenase (bactérias metanotróficas) NH3 monooxigenase (bactérias nitrificadoras) CO2 + 2H2O + energia metanol formaldeído ácido fórmico oxidação enzimática

9 O2 [18-20%] [0,035%] CO2 [0,07-0,23%] CO2 produzido  1-3%
Respiração radicular = 20 a 50% Atividade microbiana = 50 a 80% CO2 produzido oxidação enzimática (C, 4H) + 2O2 compostos contendo carbono e hidrogênio CO2 + 2H2O + energia (478 kJ mol-1 C) R

10 Efeitos das condições de aero e anaerobiose na evolução de CO2 do solo incubado com glicose (1%)
Adaptado de Parr, Smith e Willis, 1970 80 ar sem CO2 argônio Incubação em: (mg C-CO2) 40 Argônio substituído por ar sem CO2 200 400 600 Período de incubação (horas)

11 Decomposição de compostos orgânicos em condições anaeróbicas
Oxidação parcial dos compostos orgânicos CO2 + 4H2 2H2O + CH4 CO2 + CH4 CH3COOH acetato Substrato orgânico (açúcares, amino-ac.) fermentação redução

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

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

14 Nitrificação Primeiro passo: oxidação do amônio (66 kcal / atomo g NH4+) Nitrosomonas, Nitrospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus (amônia-monooxigenase) NH ½ O2  NH2OH + H+ NH2OH NO2- + HOH + H+ em condições aeróbicas NH2OH  NOH em condições anaeróbicas NO N2O Segundo passo: oxidação do nitrito (18 kcal / atomo g NO2-) Nitrobacter NO2- + ½ O2  NO3- em condições aeróbicas

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 (O2). • Competição pelo NH4+ entre plantas e microrganismos. Uso de nitrapyrin para inibir crescimento de nitrificadores.

16 Redução do nitrato (24 ATP / mol NO3-) Pseudomonas spp., Bacillus spp.
Desnitrificação Redução assimilativa: NO3-  compostos orgânicos Redução dessimilativa: NO3-  N2  Redução do nitrato (24 ATP / mol NO3-) Pseudomonas spp., Bacillus spp. NO3-  NO2-    N2 gás NO N2O condições anaeróbicas ou baixa pressão de O2

17  transporte físico através do solo
Umidade do solo WFPS% = [100 x (g x d)] / [1 - (d/dp)] g = umidade gravimétrica (g H2O. 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 H2O é x mais lenta do que através do ar). Água portanto controla: • taxa de difusão de O2 e CH4 para dentro do solo; • taxa de NO, N2O, CH4 e CO2 para for a do solo. Acidez do solo Temperatura do solo

18 OXIDAÇÃO DE METANO  WFPS < 40% METANOGÊNESE  WFPS > 40%
NITRIFICAÇÃO > DESNITRIFICAÇÃO  WFPS < 60% DESNITRIFICAÇÃO > NITRIFICAÇÃO  WFPS > 60% N2O:NO < 1  WFPS < 60% N2O:NO > 1  WFPS > 60% Portanto: NITRIFICAÇÃO produz mais NO do que N2O DESNITRIFICAÇÃO produz mais N2O 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
Liteira Tampa Base Câmara T5 T10 T20 T0 T5 T10 T20

20 Quantificação de CO2, N2O e CH4 na mesma amostra: Cromatografia Gasosa
CROMATÓGRAFO À GAS T0 T5 T10 T20 T0 T5 T10 T20 [ ppm] ECD: CO2 e N2O FID: CH4

21 DIÓXIDO DE CARBONO 3 5 9 13 20 PASTAGEM (anos) FLORESTA
2000 1500 DIÓXIDO DE CARBONO 1000 CO2 (mg C m-2 ano-1) 500 5 10 15 20

22 METANO 3 5 9 13 20 PASTAGEM (anos) FLORESTA CH4 (mg C m-2 ano-1) 1200
1000 800 METANO 600 CH4 (mg C m-2 ano-1) 400 200 5 10 15 20 -200 -400

23 ÓXIDO NITROSO 3 5 9 13 20 PASTAGEM (anos) FLORESTA
3.0 2.5 2.0 1.5 ÓXIDO NITROSO 1.0 N2O (mg N m-2 ano-1) 0.5 0.0 5 10 15 20

24 13C-CO2 DA RESPIRAÇÃO DO SOLO
Espectrômetro de massa 13C/12C CO2

25 3 5 9 13 20 (Cdp) PASTAGEM (anos) FLORESTA  13C -CO2(%o) 70% 73% 88%
74% 84% -10 -15  13C -CO2(%o) -20 -25 -30 5 10 15 20

26 Escalas de resolução na decomposição e acúmulo de MOS
Controle ambiental Tipo e qualidade da fonte Organsimos Pool de MOS Ecossistema Macroclima Condições edáficas Textura do solo Folhas Raízes Madeira Biota total (95% microbiano) MOS total População Microclima 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 Organismo Minerais do solo Celulose, lignina, células microbianas e produtos como fontes energéticas Sp microbianas e animais Frações MOS Molécula Oxigênio Água Substratos específicos como fonte energética Enzimas livres e ligadas Compostos específicos NH3+ H3C - C - COO- R

27 Água/Atmosfera do solo
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% Solos bem aerados: Teor de O2 raramente < 18-20% Teor de CO2 raramente > 1-2%  + textura argilosa + alta umidade + intensa atividade = CO2 > 10% A presença de água afeta: • aeração • natureza e quantidade dos materiais solúveis • pressão osmótica • pH da solução do solo

28 Mineralização de N Evolução de CO2 3 1 2 Água no solo (%) 10 20 120 40
75 50 25 3 1 2 Água no solo (%) 10 20 120 40 80 Mineralização de N (mg NH4 + NO3) 100g-1 solo seco Evolução de CO2 (mg C-CO2) 100g-1 solo seco Tensão (cm H2O)

29 Nitrificadores < Amonificadores
Potencial de água [Solução] MPa NaCl Sacarose Organismos (w/v) -1,5 2,0 17 Rhizobium, Nitrosomonas -10 12,3 52 Clostridium, Mucor -25 25,3 70 Micrococcus, Penicillium -65 - 83 Xeromyces, Saccharomyces Níveis de tolerância máxima de potencial de água dada pela concentração de solutos Nitrificadores < Amonificadores (Nirosomonas) (Clostridium, Penicillium)

30 CO2 liberado (mg c 50 g-1 solo)
Nutrientes Efeito do N inorgânico na decomposição de serragem (adaptado de Allison, 1965 ) 180 Solo + serragem + 0,9% N 120 Solo + serragem+ 0,4 % N CO2 liberado (mg c 50 g-1 solo) 60 Solo + serragem Solo 40 80 120 160 Incubação (horas)

31 Mineralização de NO3+NH4 Período de incubação (dias)
Mineralização do N em incubações de materiais orgânicos com diferentes relações C/N (Jenkinson, 1981) Micelio de fungo (10) 40 Lucerne (13) Mineralização de NO3+NH4 (mg N 100g-1 de solo) 20 Controle Esterco (16) Trevo (26) Palha de trigo (84) 50 100 150 Período de incubação (dias)

32 Imobilização líquida Nitrificação 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,

33 Prof. (cm) Variação de temp. (oC)
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. (oC)

34 Efeito da temperatura sobre a evolução de CO2 de um solo
subtropical (Bunt e Rovira, 1955) 40 30 Taxa de evolução do CO2 (mm3 CO2 g-1 solo h-1) 20 10 20 40 60 80 Temperatura (oC)

35 Carbono retido no solo (%)
% de argila Decomposição de cevada incubada em solos com diferentes porcentagem de argila (Jenkinson, 1977) 80 60 Carbono retido no solo (%) 40 18% de argila no solo 20 8% de argila no solo 2 4 6 8 10 Período de decomposição (anos)

36 C evoluida na forma de CO2 (%)
Efeitos da montmorilonita na decomposição de proteína (3,6% adição) em um solo arenoso (Jenkinson, 1981) 20 40 60 80 100 2 4 6 8 10 Período de incubação (semanas) C evoluida na forma de CO2 (%) Somente proteína Proteína mais argila Proteína complexada com argila

37 Plant Litter Decomposition

38 Potencial de oxi-redução/pH do solo
P = -log [e-] P = Eh (volts)/0,059 (mede afinidade por elétrons) pH = -log [H+] Compostos reduzidos 2e - cadeia respiratória O2, Fe3+, NO3-, Mn2+, SO42-

39 pH do solo Efeito do pH do solo na decomposição de MO 100
(Jenkinson, 1977) 80 60 Material incubado (%) 40 pH 3,7 pH 4,8 20 pH 6,9 2 4 6 8 10 Período de incubação (anos)

40

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.