Microrganismos do Solo e o Disciplina: Ecologia Microbiana Microrganismos do Solo e o Ciclo do Carbono

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

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

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

O Ciclo do Carbono Principais reservatórios de carbono na Terra Reservatório Carbono (gigatons) % total de carbono na Terra Oceanos 38 x 103 (>95% C inorgânico) 0,05 Rochas e sedimentos 75 x 106 (>80% C inorgânico) > 99,5 Biosfera terrestre 2 x 103 0,003 Biosfera aquática 1-2 0,000002 Combustíveis fósseis 4,2 x 103 0,006 Hidratos de metano 104 0,014

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

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.)

Resumo dos Processos do Ciclo de Oxi-Redução do Carbono Redução do Carbono (Fixação do CO2) CO2 + 4H (CH2O) + H2O Plantas bactérias verdes e púrpuras fotossintetizantes algas cianobactérias bactérias quimiolitróficas algumas bactérias heterotróficas: CH3COCOOH + CO2 HOOCCH2COCOOH ácido pirúvico ácido oxaloacético

(70-120)

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

Características da Biomassa Microbiana Muito dinâmica, responsável por grande parte da atividade biológica do solo; Catalisa as transformações bioquímicas, representando fonte e dreno de C e troca de nutrientes entre a atmosfera e o ecossistema solo-planta; Destino inicial do C em transformação; Principal fonte de enzimas do solo; Atividade catalisadora – De 15 a 30% da população total é ativa (depende das condições); Atividade: Fungos = 700 a 2.700 kg ha-1; Tempo de geração = 4 a 8 horas (2-10% atividade) Bactérias = 500 a 750 kg ha-1; Tempo de geração = 0,5 hora (15-30% atividade) Microfauna = < 50 kg ha-1; Tempo de geração = 2 a 4 horas (pouco conhecida) Os valores de biomassa variam muito com o tipo de solo, vegetação e clima

Origem: microrganismos, plantas e animais Enzimas do Solo São proteínas com ação catalítica e alta especificidade funcional que viabilizam reações que sustentam o metabolismo celular. Origem: microrganismos, plantas e animais Classificação: Quanto ao local de atividade - Extracelulares Intracelulares Quanto à posição de ataque no polímero - Exoenzima - Endoenzima Características: Alta especificidade de reação Não são consumidas na reação Sujeitas à indução, ativação, inibição, desnaturação e biodegradação Alta resistência (alta estabilidade térmica e resistência ao ataque de proteases)

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

Decomposição = Quebra do material orgânico particulado, geralmente na forma de polímeros, em materiais solúveis que são absorvidos pelas células microbianas

Decomposição = Processo complexo, cuja velocidade do processo pode ser medida por diferentes maneiras: a) Quantidade de C evoluída como CO2 (C-CO2); b) Estimativa da biomassa formada com base na eficiência de conversão microbiológica dos substratos em decomposição;

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

Amido Lipídeos Proteínas Mistura de polímeros de glicose (amilose e amilopectina) Poucos microrganismos aptos à degradação (actinobactérias) Lipídeos Ácidos graxos e álcoois (ésteres) Quitina: importante componente do exoesqueleto de artrópodes, da parede celular de fungos, de algumas algas e de ovos de nematóides Degradação: Cutina – Leveduras, bactérias e fungos Quitina – Quitinase e gliconase Taninos – Aspergillus e Penicillium Proteínas Alto teor de N – fácil decomposição Pode persistir no solo (adsorção/complexação). Ex: proteínas Cry de plantas transgênicas Bt Associação com taninos, lignina e argilas Degradação: proteases; Queratina degradada por fungos queratinolíticos

Outras Substâncias Orgânicas Exsudatos Produtos da Decomposição Compostos aromáticos (decomposição da lignina; sintetizados por fungos e plantas) Compostos alifáticos (etileno e ácidos orgânicos alifáticos) Metabólitos microbianos Ex: fármacos, toxinas, fitorreguladores (ácido giberélico, auxinas, citocininas, ácido fusárico, ácido abcísico, ácidos graxos), agentes de biocontrole, enzimas e polissacarídeos

Fatores que Favorecem a Decomposição de Resíduos Orgânicos Resíduos com baixo teor de lignina ou compostos fenólicos, altos teores de materiais solúveis e partículas de tamanho reduzido com baixa relação C:N, além do próprio teor de N; Condições físicas e químicas do solo que maximizem a atividade biológica (temperatura entre 30-35 oC, umidade próxima à capacidade de campo e aeração adequada); Ausência de fatores tóxicos no resíduo ou no solo que podem limitar a atividade dos heterotróficos decompositores.

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

Substratos primários reciclagem

Húmus Considerado um estado indefinido da matéria orgânica do solo Formado por moléculas recalcitrantes de origem vegetal e microbiana Rico em compostos fenólicos Grande estabilidade química Sub-produto da decomposição dos resíduos orgânicos Efeitos do húmus no solo: Aumenta a retenção de água Aumenta a reserva de nutrientes Aumenta a CTC Reduz a erosão Efeitos fisiológicos sobre plantas Quelantes de metais e poluentes

Mineralização da Matéria Orgânica Processo envolvido na transformação de substâncias orgânicas de baixo peso molecular em formas inorgânicas. Última etapa da transformação dos materiais orgânicos no solo a qual ocorre simultaneamente com a imobilização de nutrientes minerais para atender a demanda nutricional da microbiota decompositora

Substratos pobres adicionados ao solo apresentam relação C:N > 30:1 e, por isso, há um déficit acentuado de N. Alternativas para Evitar Deficiências de N Incorporar os resíduos com alta relação C:N, no mínimo 60 dias antes do plantio; Adicionar fertilizantes nitrogenados sempre que os resíduos de alta relação C:N forem incorporados ao solo destinados ao plantio imediato; Manutenção dos restos culturais na superfície do solo Fazer a compostagem do material antes de sua aplicação, reduzindo a relação C:N.