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Prof. Paulo Duarte Filho BAGÉ – SETEMBRO/2010 CICLO DO NITROGÊNIO.

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1 Prof. Paulo Duarte Filho BAGÉ – SETEMBRO/2010 CICLO DO NITROGÊNIO

2 1. INTRODUÇÃO Aspecto agronômico, ecológico e biológico: tão importante quanto o processo fotossintético; Estabelece uma relação de dependência: compostos nitrogenados (orgânicos e inorgânicos) – biosfera; 78 % de N 2 na forma molecular na atmosfera – reservatório inesgotável; Paradoxo: carência de proteínas para humanos e animais, bem como a falta de nitrogênio em muitos solos cultivados;

3 1. INTRODUÇÃO Solos: quantidade pequena – predominância da forma (NO 3 - ) sobre a (NH 3 ); Rochas sedimentares (NH 4 + ) – conectado à rede cristalina dos minerais silicatados enquanto que nas rochas ígneas é mais escasso ainda; Início do século XIX – ar atmosférico continha amônia – exigências dos vegetais;

4 1. INTRODUÇÃO Liebig: atmosfera era a principal fonte de nitrogênio para as plantas (NPK); A atmosfera contribui com algumas formas nitrogenadas: quantidade precipitada é proporcional à queda pluviométrica; NO 3 - é formado pelas descargas elétricas; NH 3 – atividade vulcânica, queima de carvão e de outros materiais orgânicos.

5 1. INTRODUÇÃO Traços de nitrogênio também podem ser levados do litoral para o interior – atomização das águas oceânicas com arraste pelos ventos – não é uma fonte importante para as culturas; Encontrado em formas químicas com grande variabilidade no número de oxidação.

6 2. FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO Conversão de nitrogênio molecular numa das formas inorgânicas; Rompimento de uma ligação bastante estável – dois átomos de nitrogênio: N H 2 2 NH 3 Reação fundamental – fins industriais ou microrganismos que necessitem desta forma para manutenção do seu metabolismo. 450 °C 200 atm

7 2.1. FIXAÇÃO NÃO BIOLÓGICA Efetuada sem a participação de organismos vivos; Pode ocorrer através de dois processos: Naturais: ocorre durante as tempestades de relâmpagos – descargas elétricas na atmosfera, por intermédio das radiações ultravioleta. N 2 + O 2 óxidos de N NO NO 3 - hvH2OH2O

8 2.1. FIXAÇÃO NÃO BIOLÓGICA Efetuada sem a participação de organismos vivos; Pode ocorrer através de dois processos: Industriais: Também denominado Haber – desenvolvido na Alemanha – obtenção de explosivos. Ainda é utilizado para a produção de fertilizantes. N H 2 2 NH 3

9 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA Conduzido por diversos organismos – vida livre ou associados a outros (não simbióticos e simbióticos); N H + 6 e - 2 NH 3 Nitrogênio molecular reduzido a amônia 1 atm 25 °C

10 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA Fixação biológica não simbiótica: organismos autótrofos – Rhodospirillum rubrum organismos heterótrofos – Clostridium e Azotobacter Azotobacter

11 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA Fixação biológica simbiótica: líquens com algas do gênero Nostoc; líquens com fungos; bactérias do gênero Rhizobium com leguminosas – interessante para a área da agronomia. Clostridium e Azotobacter: necessitam de fonte de carbono (heterótrofos);

12 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA Nostoc – principal fornecedor de nitrogênio para os campos irrigados de arroz na Ásia. Pigmentos fotossintéticos. Podem formar associação com certos fungos (líquens); Rhizobium: infecta as raízes das leguminosas – formação de nódulos. A leguminosa fornece carboidratos para o microrganismos – oxidação – elétrons serão utilizados para redução do N 2 a NH 3.

13 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA Independentemente do tipo de fixação biológica são necessárias as seguintes condições que podem estar presentes num único indivíduo ou mais de um: doador de elétrons (agente redutor); aceptor de elétrons (será o reduzido – fonte de nitrogênio); ATP em presença de magnésio (fonte de carbono orgânico);

14 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA Independentemente do tipo de fixação biológica são necessárias as seguintes condições que podem estar presentes num único indivíduo ou mais de um: dois componentes protéicos associados a molibidênio e ferro formando o complexo nitrogenase (catalisador da reação de redução de N 2 ) somente alguns grupos de microrganismos procarióticos possuem os determinantes genéticos de sua produção.

15 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA Fixação biológica de nitrogênio pelo sistema nitrogenase.

16 3. NITRIFICAÇÃO NH 3 : forma como o nitrogênio é adicionado ao solo – baixo teor; rapidamente transformada em nitrato (NO 3 - ); principal fonte de nitrogênio para os organismos não fixadores.

17 3. NITRIFICAÇÃO Schloesing e Muntz (1797) – Primeira evidência de que se tratava de um processo biológico: Pasteur (1870) – Processo microbiológico análogo à conversão do álcool em vinagre; Warrington (1878) – Processo que envolvia dois grupos de microrganismos; Winogradsky (1890) – responsável pelo isolamento dos microrganismos nitrificantes;

18 3. NITRIFICAÇÃO Sendo assim, a oxidação da amônia até nitrato é efetuada por dois tipos de bactérias – nitrificantes Bactérias do gênero nitrosomonas – transformam amônia em nitrito (NO 2 - ) NH /2 O 2 NO H 2 O Bactérias do gênero nitrobacter – transformam o nitrito em nitrato (NO 3 - ) NO /2 O 2 NO 3 -

19 3. NITRIFICAÇÃO GÊNEROESPÉCIEHABITAT Oxidantes do amônio (NH 3 + ) a nitrito (NO 2 - ) Nitrosomonas* N. europeaeSolo, água, esgoto NitrosospiraN. biensisSolo NitrosococcusN. nitrosusMar N. oceanusMar N. mobilisSolo NitrosovibrioN. tenuisSolo Oxidantes do nitrito (NO 2 - ) a nitrato (NO 3 - ) Nitrobacter* N. winogradskyiSolo NitrospiraN. gracilisMar NitrococcusN. mobilisMar Bactérias qumioautotróficas oxidantes do nitrogênio * mais comumente encontradas Os dois grupos de bactérias são geralmente encontrados juntos em seus habitat. NO 2 - raramente acumula na natureza – interação sinérgica.

20 3. NITRIFICAÇÃO Fatores ambientais: o Acidez correlação entre produção de NO 3 - e o pH; taxa de nitrificação em solos agrícolas diminui sensivelmente em pH abaixo de 6,0; calagem – aumento da nitrificação; uso de fungicida – podem eliminar completamente as nitrificadoras.

21 3. NITRIFICAÇÃO Fatores ambientais: o Aeração: requerimento obrigatório para todas as espécies aeróbias. o Umidade: afeta o regime de aeração do solo e assim a produção de nitrato.

22 3. NITRIFICAÇÃO Fatores ambientais: o Temperatura: a atividade microbiana é marcadamente afetada pela temperatura – 5 °C menor e em 40 °C maior. o Matéria orgânica: a cultura pode afetar o tamanho e a atividade nitrificante; acúmulo de metabólitos secundários de plantas no solo – diminuição da atividade nitrificante.

23 4. REDUÇÃO DO NITRATO NO 3 - forma nitrogenada mais abundante; Plantas e demais organismos – habilidade no aproveitamento do ânion como fonte de nitrogênio para o seu desenvolvimento; transformação do nitrato em amônia NO 3 - NO 2 - NH 3 Nitrato redutaseNitrito redutase Equipamento enzimático com necessidades de coenzimas, de ferro, molibdênio (metais ativadores).

24 4. REDUÇÃO DO NITRATO Por que a amônia do solo é rapidamente transformada em nitrato (nitrificação), e este novamente reduzido a amônia antes do nitrogênio integrar as moléculas orgânicas????

25 5. ASSIMILAÇÃO DA AMÔNIA NH 3 – forma utilizada na síntese dos diversos constituintes celulares nitrogenados (proteínas, ácidos nucléicos, aminoácidos, aminas, vitaminas, etc.); Sua assimilação, ou seja, transformação de uma forma nitrogenada inorgânica (NH 3 ) em uma forma nitrogenada orgânica por duas rotas metabólicas:

26 5. ASSIMILAÇÃO DA AMÔNIA Glutamato desidrogenase – cataliza a aminação redutiva do α-cetoglutarato: Incorporação do nitrogênio fixado no grupo amida no aminoácido glutamato. O ácido glutâmico formado, doa por reações de transaminação, o grupo amino (-NH 2 ) para a síntese de outros aminoácidos.

27 5. ASSIMILAÇÃO DA AMÔNIA Glutamina sintetase: A glutamina pode dar o seu grupo amino para o ácido aspártico se transformar em asparagina. A glutamina e asparagina são amidas armazenadoras de nitrogênio especialmente nas leguminosas.

28 5. ASSIMILAÇÃO DA AMÔNIA A glutamina contribui com o nitrogênio amídico para a síntese de outros compostos nitrogenados como as bases púricas e pirimídicas dos ácidos nucléicos.

29 6. DESNITRIFICAÇÃO Nitrato que não é absorvido pelos vegetais: Lixiviado: facilmente percolado e acumular em lençóis freáticos; em regiões mais profundas: metabolizado em parte por bactérias do gênero Pseudomonas (bactérias desnitrificantes). NO 3 - N 2 + H 2 O ATMOSFERA

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