Microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos

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

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

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

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, ...

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

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

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

CO2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas) Outros

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

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.)

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

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 100,000 kg cada X 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 (Archaea metanogênicas), muito mais nocivo que CO2 como gás de efeito estufa Microrganismos e o aquecimento

Microrganismos e o aquecimento Mudanças 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 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 ((NH3)2CO2) 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 Denitrificação 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 + legumes, Frankia + Alder, etc.: N em troca por carboidratos e ambiente favorável Fixadores de vida livre (ambientes aquáticos principalmente): Cyanobacteria, Azotobacter, Clostridium

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

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 - 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

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

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

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

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

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

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

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.

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

O ciclo do Fósforo

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)

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