Microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos

Apresentação em tema: "Microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos"— Transcrição da apresentação:

1 Microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos

2 Introdução Atividades biológicas
Solo: maior reservatório de microrganismos do planeta direta ou indiretamentre 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 ton de microrganismos

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4 Introdução

5 O ambiente solo (Fonte: Microbiologia de Brock, Madigan et al.)

6 Rizosfera O efeito rizosférico
Região onde o solo e as raízes das plantas entram em contato O efeito rizosférico

7 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 Perfil do solo Centenas de anos

8 Presença de microrganismos heterotróficos nas várias
profundidades do solo Profundidade Umidade Mat. orgânica Bactérias Fungos (cm) (%) (%) (x 106)/g (m/g) aeróbias anaeróbias , , ,7 280 , , ,1 0, , , ,9 0, , , ,9 0, , , ,7 0, , , ,15 0, Fonte: Lindegreen & Jensen, 1973

9 A microbiota do solo Bactérias: 3 x 106 a 5 x 108 por g de solo seco
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 Streptomyces

10 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 melhoram a estrutura física do solo Gêneros mais freqüentes: Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium, Aspergillus, Trichoderma

11 A microbiota do solo Algas Protozoários e vírus
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, ...

12 Introdução Os ciclos biogeoquímicos
Ciclo do Carbono Ciclo do Nitrogênio Ciclo do Fósforo Os ciclos biogeoquímicos e os microrganismos

13 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

14 g g g g 1 Pg = 1,000,000,000,000,000 g quatrilhões

15 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

16 Fixação/liberação de C
Os oceanos e a fotossíntese terrestre absorvem cerca de 200 bilhões de toneladas de CO2 da atmosfera a cada ano (93% nos oceanos) – algas e cianobactérias principalmente Cerca de 40 quatrilhões de toneladas de CO2 estão dissolvidos nos oceanos e formam grandes depósitos de CaCO3 e MgCO3 100 mil toneladas/ano de C são fixadas em fósseis fazendo parte do estimado volume de 4 quatrilhões de toneladas de carvão, óleo, gás natural

17 CO2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas)
Outros

18 Fixação/liberação de C
Fotossintéticos e quimiolitotróficos fazem produção 1ª: conversão de C inorgânico a C orgânico (fungos e bactérias que decompõem MO, plantas, cianobactérias) Respiração/decomposição/combustão retorna C a atmosfera Fixação > que consumo (respiração) = acúmulo de C orgânico Fixação < que consumo (respiração) = declínio das populações (a menos que adições ocorram), liberação de C

19 O Carbono e o aquecimento global
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.)

20 O Carbono e o aquecimento global
(ppm) Concentração atmosférica de CO2 (ppm)

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23 Microrganismos e o aquecimento
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

24 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 Microrganismos e o aquecimento

25 Microrganismos e o aquecimento
Aumentos das temperaturas aumentam 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 100,000 kg cada X 75,000,000 = kg de C Microrganismos e o aquecimento

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

27 Microrganismos e o aquecimento
Mudanças nas concentrações de populações oceânicas de microrganismos Microrganismos e o aquecimento

28 Microrganismos e as soluções
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 absorvem cerca de 700 bilhões de toneladas de CO2 por ano, o que é 2/3 de todo o CO2 fixado anualmente nos oceanos

29 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

30 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, lava ou via raios, antrópica (Haber-Bosch)

31 O ciclo do Nitrogênio Formas quimicamente disponíveis de N: amônio (NH4+), nitrato (NO3-), e uréia ((NH3)2CO2) Elemento versátil que pode ser encontrado na forma orgânica e inorgânica

32 O ciclo do Nitrogênio

33 Fixação/liberação de N
5 processos principais ciclam N: Fixação (biológica ou não) Absorção (microbiana) Mineralização (decomposição) Nitrificação Denitrificação Os microrganismos (notadamente bactérias) têm um papel fundamental na ciclagem do N Bactérias de vida livre Bactérias simbióticas

34 Fixação do N N NH4+ ou NO3- Única forma que os organismos conseguem obter N da atmosfera Simbiontes como Rhizobium + legumes, Frankia + Alder, etc.: N em troca por carboidratos e ambiente favorável Fixadores de vida livre (ambientes aquáticos principalmente): Cyanobacteria, Azotobacter, Clostridium

35 Associação simbiótica rizóbios-leguminosas
(Fonte: Microbiologia de Brock, Madigan et al.)

36 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

37 Mineralização do N N orgânico NH4+
Decomposição: N orgânico transformado em N inorgânico (NH4+) por fungos e bactérias - actinomicetos, 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

38 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

39 Denitrificação NO3- NO2- NO N2O N2
Processo anaeróbico feito por bactérias denitrificadoras 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

40 Atividades humanas Queima de florestas e de combustíveis fósseis colocando N na atmosfera Fertilização química que pode lixiviar-se para os corpos d’água Criação de animais com produção de NH3+ que pode entrar nos corpos d’água e no solo Derrame de excrementos em corpos d’água

41 Efeitos nocivos da deposição de N
Mudança da composição vegetal dos ecossistemas (redução da diversidade) Formação de ácido nítrico (HNO3) responsável, junto com dióxido de enxofre (SO2), pelas chuvas ácidas Altas concentrações de N nos rios causam eutrofização, reduzindo a diversidade dos ecossistemas aquáticos

42 Fósforo O fósforo é essencial para plantas e animais na forma dos íons PO43- e HPO42- (ortofosfato) Faz parte de moléculas como ácidos nucléicos (DNA), energéticas (ATP e ADP), de células lipídicas, e da estrutura do corpo de animais como fosfato de cálcio (ossos, dentes, etc.) – ausente em celulose, hemicelulose, lignina, e proteínas

43 O ciclo do Fósforo Encontrado em formações rochosas, sedimentos, e em sais de fosfato (absorvido por plantas), mas nunca na forma gasosa Encontrado em pequenas quantidades, por isso é um fator limitante A ciclagem do fósforo é uma das mais lentas, especialmente se estiver nos sedimentos (feita por microrganismos) No solo pode ser adsorvido por partículas do solo, tornando-se, assim, imobilizado

44 Fósforo 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.

45 O ciclo do Fósforo O ciclo do fósforo tem 2 componentes principais que ocorrem em diferentes escalas de tempo: No componente local ele cicla nos ecossistemas em tempo ecológico Nos sedimentos ele faz parte da porção classificada em tempo geológico. Somente será mobilizado milhões de anos mais tarde

46 O ciclo do Fósforo

47 Perda de fósforo dos solos
Perdas volumosas logo após fertilização orgânica (chuva) Perdas por erosão: P está associado a partículas do solo Aração, transformação de ecossistemas florestais a agricultura, etc. Queimas de compostos combustíveis Rejeitos humanos (3,000,000 kg de P/ano)

48 Efeito antropogênico Uso excessivo de fertilizantes
Contaminação das correntes de água pelo uso de ácido sulfúrico para extrair o fósforo das rochas Lixiviação contaminando lençóis freáticos causando eutrofização Efeito antropogênico