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

Introdução

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

Perfil do solo (Fonte: Microbiologia de Brock, Madigan et al.)

Presença de microrganismos heterotróficos nas várias profundidades do solo Profundidade Umidade Mat. orgânica Bactérias Fungos (cm) (%) (%) (x 106) (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

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

Mudanças climáticas Camada de gases que envolvem a terra a mantêm aquecida Principais gases dessa camada: CO2, CH4 e N2O Os ciclos biogeoquímicos e o controle do balanço dos gases que envolvem a terra, principalmente o ciclo do C

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 Carbono como medida de produtividade

1 Pg = 1,000,000,000,000 kg

Fixação/liberação de C CO2 fixado via fotossíntese (autotroficamente em compostos biológicos) com liberação de O2 Os compostos orgânicos resultantes dessa fixação de CO2 são oxidados por quimioheterótrofos produzindo CO2 novamente 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 Mais de 40 quadrilhões 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 quadrilhões 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) 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)

Fixação/liberação de C Fixadores: fotossintetizantes, oxidantes/redutores de H2S, Fe, etc. Relações tróficas: C e Energia transferidos (10%) Decomposição de MO vegetal: T, pH, natureza química, condições ambientais, [O2], etc. Produtos recalcitrantes: DDT, lignina, celulose, ácidos húmicos, ácidos fúlvicos, etc.

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 Todo ano há remoções de CO2 via fotossíntese, mas muita adição via respiração e decomposição (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 micróbios infecciosos: malária, dengue, febre amarela, viroses, etc. Os microrganismos fazem a ciclagem da maioria do C dos oceanos Micro, nano, e pico plâncton Bactérias Vírus: o total de C em vírus nos oceanos equivale ao C de 75 milhões de baleias azuis 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 utilizados como aviso da mudança climática 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 algas 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

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 Absorção (crescimento dos organismos) Mineralização (decomposição) Nitrificação Denitrificação

Fixação/liberação de N Os microrganismos (notadamente bactérias) têm um papel fundamental na ciclagem do N Bactérias de vida livre Bactérias simbióticas

Fixação do N N2 NH3+ 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

Fixação do N Outros eventos como raios (oxidam N2 a NO3- e NO2-), fogo, a queima de combustíveis fósseis, e lava, fixam quantidades pequenas de N O homem tem contribuído para elevar a quantidade de N fixado: processo Haber-Bosch, etc.

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 óxidos de N são precursores do ozônio da troposfera, o qual causa dano aos tecidos vivos

Efeitos nocivos da deposição de N Altas concentrações de N nos rios causam eutrofização, reduzindo a diversidade dos ecossistemas aquáticos Pode participar de uma maior captura e fixação de C, mas devido ao efeito negativo da alta concentração de N (citado acima), é provável que isso não aconteça

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

Fósforo Junto com N e K é um dos 3 nutrientes mais importantes Um dos principais elementos da fotossíntese, transporte de nutrientes, e transferência de energia Essencial para o florescimento e formação das sementes das plantas

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.

Volumes de fósforo A fitomassa terrestre tem 500,000,000 kg de P e o crescimento das plantas assimila 100,000,000 kg de P/ano Fitomassa marinha 75,000,000 kg de P, absorvendo 1,000,000,000 kg de P/ano Os solos têm por volta de 40,000,000,000 kg de P (15% na MO) Na maioria dos solos 50-75% do P é inorgânico Em solos neutros o P normalmente esta precipitado como fosfato de cálcio Em solos ácidos precipita como fosfato de Al ou Fe

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

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 para o crescimento de plantas terrestres e aquáticas Ciclado pela água, solo, e sedimentos

O ciclo do Fósforo A ciclagem do fósforo é uma das mais lentas, especialmente se estiver nos sedimentos (feita por microrganismos) Plantas absorvem fosfatos do solo e os incorporam a compostos orgânicos No solo pode ser adsorvido por partículas do solo, tornando-se, assim, imobilizado

Perda de fósforo dos solos Perdas volumosas logo após fertilização orgânica (chuva) Perda gradual: excesso de P aplicado, etc. 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