Ecologia Microbiana UNIVERSIDADE ESTADUAL DO SUDOESTE DA BAHIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRICOLA E SOLOS - DEAS MICROBIOLOGIA DO SOLO Ecologia Microbiana CANDIDATO Daniel M. Tapia T Eng. Agro MSc Vitória da Conquista - 2008

Ecologia dos solo (ODUM, 1971): “ Estuda a estrutura e função do ecossistema solo” Estrutura: composição da comunidade biológica e componentes abióticos Função: fluxo de energia, ciclagem biogeoquímica e regulação mútua dos organismos e ambiente

Estrutura dos solos

Componentes dos solos Componentes abióticos

Componentes dos solos Componentes bióticos: Heterogêneos: organismos com metabolismo diversos convivendo lado a lado, interagindo em equilíbrio dinâmico muitas vezes com dependência associada e gerando alta biodiversidade Estão em Associação com componentes abióticos Conseqüência do Manejo dos solos: efeitos impossíveis de se prever

Componentes bióticos e abióticos do solo Ar Areia Água Silte Hifas de fungos Bactérias Complexo matéria orgânica e argila Argila

Fatores que afetam a distribuição dos microrganismos no solo 1- Profundidade Concentração decrescente de microorganismos com a profundidade, acompanhando a matéria orgânica do solo.

2-Teor de argila sobre a BMS 2.8 453 72 2.3 508 49 3.2 741 43 - 750 42 2.7 463 40 2.4 361 34 460 26 2.1 20 1.7 213 18 1.4 262 16 0.6 83 12 6 (%) (mg C kg solo-1) Cmicr/Corg Biomassa microbiana Teor de argila

3-Frações granulométricas do solo na BMS Textura solo: argilo-siltoso 4.1 132.5 < 0.002 2.6 327.5 0.02-0.002 2.3 63.9 0.05-0.02 1.8 283.0 0.2-0.05 1.5 122.0 > 0.2 2.0 873.0 Solo total (mg kg solo-1) (mm) Cmicr/Corg Biomassa microbiana C Fração granulométrica

4- Utilização do solo Solos sob floresta Solos agrícolas 30 cm (gCmicr.g-1) 30 cm 400-1600 200-1000 kg ha-1 N 120 - 720 (100-700% >) P 90 – 560 (8-100% >) K 85 - 475 (1-69% >) Ca 12 - 66 kg ha-1 100-600 50-300 A BMS tem potencial para aumentar N, P e K Diaz-Raviña et al. (1993), Soil Biol.Biochem.25:25-31

Funções gerais dos microrganismos nos solos

Componentes bióticos dos solos Raízes de plantas e partes aéreas Número aproximado (porção de solo) Biomassa (libras/acre) Últimas fontes de quase todo carbono no solo para os microrganismos 100 x mais microrganismos perto das raízes das plantas que numa distância maior 60 – 150 polegadas (culturas anuais) 1.500 – 3,000 polegadas (pastagens perenes) 3.000 (culturas anuais) 15.000 (pastagens perenes)

Número aproximado por porção de solo Biomassa aproximada (libras/acre) Bactérias Número aproximado por porção de solo Biomassa aproximada (libras/acre) Junto com os fungos são o grupo mais importante na decomposição da matéria orgânica. Compostos extracelulares ajudam a se ligarem às partículas dos solos nos agregados. Grupos especializados estão envolvidos em cada etapa do ciclo do Nitrogêneo 300 milhões – 50 bilhões 400 – 4.000

Fungos Número aproximado (porção de solo) Biomassa (libras/acre) Grupo mais envolvido na decomposição de compostos resistentes (lignina) Crescimento da hifa através do solo ajuda sua ligação aos agregados Fungos em simbiose com raizes de plantas aumentam a absorção de nutrientes e água diminuindo a incidência de doenças 500.000 – 100 milhões 500 – 5.000

Actinomicetos Número aproximado (porção de solo) Biomassa (libras/acre) Tipos de bactéria com crescimento semelhante aos fungos e funções semelhante a ambos Produzem compostos que proporcionam ao solo um aroma típico 100 milhões– 2 bilhões 400 – 4.000

Nematóides Número aproximado (porção de solo) Biomassa (libras/acre) Animais mais numerosos no solo Auxiliam outros microrganismos na decomposição da matéria orgânica 100 mil– 50 milhões 50-100

Artrópodes Número aproximado (porção de solo) Biomassa (libras/acre) Auxiliam outros microrganismos na decomposição da matéria orgânica 100 - 1000 1-10

Minhocas Número aproximado (porção de solo) Biomassa (libras/acre) Auxiliam outros microrganismos na decomposição da matéria orgânica 0 - 2 10-40

Biomassa Microbiana nos solos Principal fonte de enzimas no solo Responsável por toda a atividade biológica Catalisa transformações bioquímicas Representam fonte e dreno de carbono Troca de nutrientes entre a atmosfera e o ecossistema solo-planta

Bactérias Decomposição (aeróbica, anaeróbica) Degradação de moléculas orgânicas complexas (Pseudomonas sp.) Transformações de nutrientes (Solubilização de fosfato, mineralização) Interações mutualísticas (FBN – simbiótica e assimbiótica)

Processos em que participam FUNGOS Processos em que participam Decomposição (aeróbica e fermentação por leveduras) Degradação de moléculas orgânicas complexas Basidiomicetos – lignina) Produção de antibióticos (Penicillium - penicilina) Solubilizadores de fosfato (Aspergillus) Micorrizas Agregação do solo

Produção primária Consumidores GEE GEE Plantas superiores Energia solar Nutrientes minerais Produção primária Resíduos vegetais Nematóides Colêmbolas Ácaros Minhocas Consumidores Matéria orgânica Bactérias e Actinomicetos Protozoários Fungos Perda de energia calórica GEE Humus Nutrientes minerais

Microrganismos e a agregação dos solos

Microrganismos e agregação (estruturação)dos solos Solo consiste de: Partículas minerais Matéria orgânica (proveniente da decomposição de plantas, animais e microrganismos) Minerais e partículas orgânicas são intimamente ligadas, formando vários tipos de agregados

Tipos de agregados

Formação dos agregados: etapas Floculação: quando partículas primárias permanecem íntimamente unidas devido a forças interativas (eletrostática, Van der Waals, e/ou pontes de hidrogênio) Cimentação: estabilização dos flóculos pela ação de agentes cimentantes (compostos orgânicos, carbonatos, Fe e óxidos de Al)

Exemplos de Polissacarídeos extracelulares derivados de microrganismos com ação cimentante Xantanas Xanthomonas campestris Dextrana Aerobacter spp, Streptococcus bovis Curdlan Alcaligenes faecalis Pullullan Aureobasidium pulullans

Comparação entre Flóculos formados e Matéria orgânica dispersa

Formação dos agregados Agregados ou partículas Hifas de fungos Sólido Poros Raízes Raízes e hifas de fungos Principais agentes ligantes

Fragmentos de plantas e fungos no interior de partículas inorgânicas Flocos de Partículas de argila Material húmico Partículas de argila Bactérias Hifa Partículas de argila Fragmentos de plantas e fungos no interior de partículas inorgânicas Fragmentos de plantas e fungos

Localização dos microrganismos em agregados

Interação entre raízes e hifas de fungos

Fatores bióticos e abióticos e a agregação do solo Tipo de vegetação Raízes finas Hifas extra radicais Agregação do solo Matéria orgânica Atividade da biota Polissacarídeos e húmus Argila Sesquióxidos hidratados Sílica

Fatores que afetam a agregação do solo Fatores Efeitos ou contribuição Tamanho das partículas Balanço/ densidade de cargas e superfície específica Regime hídrico Ciclos de umedecimento/ secagem Matéria orgânica do solo Substrato microbiano e ação cimentante Cultivo do solo Promove a dispersão das partículas Microrganismos Adesão das partículas e produção de agentes cimentantes Macrorganismos Promovem aglomeração das partículas Raízes finas Decomposição favorece microrganismos; ação mecânica que promove aproximação das partículas

Balanço entre microrganismos x agregação do solo Matéria Matéria orgânica viva (Principalmente Fungos Filamentosos) Comprimento e espessura de hifas e raízes Estabilidade Dos Agregados ≈ + Adição de matéria orgânica estéril (sem microrganismos, não afeta a agregação....

O cultivo do solo e a agregação Estrutura do solo (agregação) Manejo Protege Reduz Protege Favorece Estimula Microrganismos Matéria orgânica Decompõe

Solo como habitat

Considerações Microhabitat ou microsítio: volume do solo onde células, comunidades ou populações microbianas existem e que são afetadas por este microambiente e por sua vez também o afeta Microambiente: situação físico - química no qual uma célula, população ou comunidade microbiana vivem num dado momento

Equilíbrio biológico de um ecossistema Complexidade Biológica: maior diversidade genética Garante relações diversas: positivas ou negativas Limita explosão populacional Gera equilíbrio: tampão biológico impede a ação de efeitos externos “Solos com comunidade diversa de organismos se recuperam melhor do stress”

1- Papel dos microrganismos no solo 1- Gênese do solo: espécies fotossintéticas e fixadoras do nitrogêneo (Cianobactérias e lìquens) FBN Fotossíntese Anabaena

2- Intemperismo: através de participação de reações que liberam prótons, nutrientes inorgânicos e ácidos orgânicos 3- Agregação do solo:

4- Interações com partículas do solo: pili, Flagelos Micror-ganismos Colóides Sobrevivência Sucessão Interações Atividades dos microrganismos

5- Enzimas microbianas: ex.ureases e proteases Enzimas: funções Catalizadoras das reações bioquímicas e parte integral da ciclagem de nutrientes • Ciclo do C – glicosidase (liberação de açúcares Ciclo do N – ureases, amilases e proteases (liberação de N-inorg) Ciclo do S – arilsulfatase (libera SO4-) Ciclo do P – fosfatases ácidas e alcalinas (liberação de P-inorg) Desidrogenase – indicar o estado metabólico

6- Utilização de substratos por microrganismos como fonte de energia MO do solo: plantas e outros organismos Substâncias recalcitrantes: Naturais: ex. húmus Artificiais: xenobióticos

7- Microrganismos e pH do solo

8- Microrganismos e água dos solos Filmes de água: maior sítio de atividade microbiana Movimentação dos microrganismos entre os poros Acesso facilitado à substratos

9- Interação entre microrganismos Micorrizas: Associação Simbiótica positiva Endomicorrizas arbuscular Pinusspp.(Pine)

Ectomicorrizas

9- Interação entre microrganismos Líquens: Associação Simbiótica positiva Bioindicadores da qualidade do solo: sensíveis à poluição

Fixação do nitrogênio no solo 10- Interação entre os microrganismos: Nódulos de Rhizobium: associação Simbiótica positiva Fixação do nitrogênio no solo Pisumsativum(pea)

11- Interação entre os microrganismos: Comensalismo: associação Simbiótica positiva Desinto- xicando o ambiente Conver- tendo substratos ** Super- Comensalis-mo Microrganismo A Microrganismo B Beneficia Mas não é prejudicado

12- Interação entre os microrganismos: Parasitismo Associação simbiótica negativa Doenças

Maior habilidade genética 13-Interação entre os microrganismos: Competição: associação simbiótica negativa Microrganismo A Microrganismo B Espaço Nutrientes Água Oxigênio Mesmo Microhabitat Maior habilidade genética

14-Interação entre os microrganismos: Predação: associação simbiótica negativa

Secreção de produtos tóxicos 14-Interação entre os microrganismos: Amensalismo: associação simbiótica negativa Microrganismo A Secreção de produtos tóxicos Afeta Microrganismo B

Conclusão PEQUENA GRANDE Biomassa Diversidade Biomassa Diversidade Clima úmido Clima árido Temp. intermediárias (17-27 oC) Temperaturas extremas pH do solo 5-8 pH alto ou baixo GRANDE Floresta descídua Floresta tropical Floresta coníferas PEQUENA Pastagem permanente Cultivo contínuo Retôrno de resíduos compostagem Excesso fertilizantes e pesticidas Boa drenagem aeração Impedimento drenagem inundação

INTER-RELAÇÕES BIOMASSA MICROBIANA e GASES DO SOLO Quais são as principais relações ? • imobilização de nutrientes • mineralização de nutrientes • produção/oxidação de gases CO2 N2O CH4 biomassa microbiana decomposição da MOS fatores ambientais trocas solo/atmosfera efeito estufa

Biomassa microbiana N2O CH4 NOx Floresta tropical CO2 7-10 Mg.ha-1.ano-1 N2O CH4 NOx Floresta tropical CO2 Biomassa microbiana Na atmosfera NH4+ Mg Pastagem Ca+ K+ PO3- 15-16 Mg.ha-1.ano-1 NO3- Em solução Cultura anual Humus 1-15 Mg.ha-1.ano-1 No solo