Microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos

Introdução Micorrganisamos e as 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 toneladas de microrganismos

Introdução

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

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

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

Presença de microrganismos heterotróficos nas várias profundidades do solo Profundidade Umidade Mat. orgânica Bactérias Fungos (cm) (%) (%) (x 106)/g (m/g) aeróbias anaeróbias 0 - 8 18,2 4,4 24 2,7 280 8 - 20 10,0 1,5 3,1 0,4 43 20-40 11,5 0,5 1,9 0,4 0 40-60 13,5 0,6 0,9 0,04 0 60-80 7,9 0,4 0,7 0,03 0 80-100 5,3 0,4 0,15 0,01 0 Fonte: Lindegreen & Jensen, 1973

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 frequentes: Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia, Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios Cianobactérias: pioneiras, fixação de N2

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: celulases, peroxidases, lacases, etc. melhoram a estrutura física do solo Gêneros mais freqüentes: Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium, Aspergillus, Trichoderma

A microbiota do solo Algas Protozoários e vírus 103 - 5 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, ...

Os ciclos Os ciclos biogeoquímicos (principais) Ciclo do Carbono Ciclo do Nitrogênio Ciclo do Fósforo Ciclo do Enxofre

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

4.1018 g 150.1016 g 100.1021 g 380.1017 g 1 Pg = 1,000,000,000,000,000 g quatrilhões

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

CO2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas) Outros

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.) (ppm) Concentração atmosférica de CO2 (ppm)

Processos do Fluxo de Energia, Carbono e Nutrientes no Sistema Solo-Planta-Organismos Moreira & Siqueira, 2006

Transformações e Ciclagem de C, N, P e S no Sistema Solo-Planta Mediados pela Microbiota do Solo Moreira & Siqueira, 2006

96% respiração total do solo Atividade Decompositora no Solo 96% respiração total do solo

Biomassa Microbiana Parte viva da matéria orgânica do solo, composta por todos os organismos menores que 5.10-3 mm3 – Fungos, bactérias, actinobacterias, leveduras e microfauna (protozoários) Cerca de 98% do C-orgânico do solo é matéria orgânica morta 2% do C-orgânico do solo é composto pela fração viva. 5 a 10% - Raízes 15 a 30% - Macrofauna 60 a 80% - Microrganismos (1 a 5% da MOS total) BIOMASSA

Decomposição da Matéria Orgânica Macrorganismos = reguladores da degradação (engenheiros) Microrganismos = Transformadores Macrofauna Representantes no nível trófico mais alto na cadeia Microrganismos Decompositores primários Produtores primários

Degradabilidade dos Constituintes dos Resíduos Orgânicos Celulose Polissacarídeo de maior ocorrência natural Insolúvel em água Principal componente dos vegetais Decomposição: Celulase: microrganismos celulolíticos Microrganismos aeróbios: via CTA Solos: úmidos (fungos), semi-áridos (bactérias) Fatores: pH, água, temperatura, O2

Hemicelulose e Pectinas Segundo maior componente dos vegetais Polissacarídeo de pentoses, hexoses e ácidos urônicos Ex: Xilanas, mananas e galactanas Pectinas = importante componente da lamela média da parede celular das plantas Decomposição: Bacillus: xilanas Erwinia, Clostridium, Pseudomonas e Bacillus Produzem protopectina, pectina e ácido péctico Fungos patogênicos produzem enzimas que facilitam sua penetração

Lignina 25% da fitomassa seca produzida na biosfera (35% da madeira) Biopolímero mais abundante na biosfera (recalcitrância) Estrutura complexa – sub-unidades aromáticas sem ligações idênticas Em materiais lignocelulósicos, protege a celulose e a hemicelulose Baixa taxa de degradação = Baixa incorporação do C à biomassa microbiana Decomposição: Laccases e peroxidases Teor de lignina: relação inversa com a taxa de decomposição Basidiomicetos e alguns ascomicetos Fatores edáficos influenciam na atividade e competição dos decompositores

Estrutura e Rota de Degradação Microbiana da Lignina no Solo Lacases e Peroxidases

Taxa de Decomposição dos Resíduos Orgânicos Depositados no Solo Importante na atividade dos processos bioquímicos responsáveis pela reciclagem de nutrientes e outros benefícios para a ecologia do solo Moreira & Siqueira, 2006

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

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

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 ton cada х 75,000,000 = 75.1011 kg de C) Microrganismos e o aquecimento

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

Microrganismos e o aquecimento Mudanças causando alterações nas concentrações de populações oceânicas de microrganismos Microrganismos e o aquecimento

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 (cianobactérias) absorvem cerca de 700 bilhões de toneladas de CO2 por ano, o que é 2/3 de todo o CO2 fixado anualmente nos oceanos

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

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)

O ciclo do Nitrogênio Formas quimicamente disponíveis de N: amônio (NH4+), nitrato (NO3-), e uréia ((NH2)2CO) Elemento versátil que pode ser encontrado na forma orgânica e inorgânica

O ciclo do Nitrogênio

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

Fixação do N N2 NH4+ ou NO3- Única forma que os organismos conseguem obter N da atmosfera Simbiontes como Rhizobium + plantas, Frankia + Alnus, etc.: N em troca por carboidratos e ambiente favorável

Fixação do N Fixadores de vida livre (ambientes aquáticos principalmente): Cyanobacteria, Azotobacter, Clostridium

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

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

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

Desnitrificação NO3- NO2- NO N2O N2 Processo anaeróbico feito por bactérias desnitrificadoras 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