Microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos

Introdução Microrganismos e as atividades biológicas Solo: maior reservatório de microrganismos do planeta direta ou indiretamente recebe todos os dejetos dos seres vivos (ciclagem com valor econômico estimado de U$ 1280/ha-1/ano) ocorrendo a transformação da matéria orgânica em substâncias nutritivas 1 hectare de solo contém cerca de 0,5-4 toneladas de microrganismos

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

A microbiota do solo Bactérias: Fungos: grupo mais numeroso e mais diversificado 3 x 106 a 5 x 108 por g de solo seco 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

A microbiota do solo Algas Protozoários e vírus 103 - 5 x 105 por g de solo seco abundantes na superfície acumulo de matéria orgânica em solos nus e erodidos Protozoários e vírus - equilíbrio das populações - predadores de bactérias - parasitas de bactérias, fungos, plantas, etc.

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) Microrganismos

- Matéria Orgânica do Solo - Natureza química e origem muito complexa, constituída por material adicionado, seus produtos de transformação, células microbianas, metabólitos microbianos, produtos da sua interação com os componentes inorgânicos do solo e materiais recalcitrantes. Fatores Determinantes Efeitos sistema solo-planta

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

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

Resíduos Orgânicos e sua degradabilidade Celulose Polissacarídeo de maior ocorrência natural Insolúvel em água Principal componente dos vegetais Decomposição: celulases, celobiohidrolases

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 velocidade de degradação = Baixa incorporação do C à biomassa microbiana Decomposição: Laccases e peroxidases Teor de lignina: relação inversa com a velocidade de decomposição Somente fungos decompõem Fatores edáficos influenciam na atividade e competição dos decompositores

Razão 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

O Carbono e o aquecimento global CO2 aumentou em mais de 30% desde a revolução industrial (C-CO2 aumentou 31% e C-CH4 145%) A maioria desse aumento é devido a queima de combustíveis fósseis e mudanças no uso da terra (desmatamento, queimadas, etc.)

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 a incorporação/fixação via organismos fotossintéticos) 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 que vivem no estômago de ruminantes como ovelhas, gado, búfalos, camelos, etc. (archaea, protozoários, leveduras, 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 baleia х 75,000,000 = 75.1011 kg de C só nos vírus) Microrganismos e o aquecimento

Microrganismos e o aquecimento Áreas de tundra e do ártico estão com temperaturas 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