Microbiologia do Solo Introduo Solo maior reservatrio de
Microbiologia do Solo
Introdução Solo: maior reservatório de microrganismos do planeta • direta ou indiretamente recebe todos os dejetos dos seres vivos • local de transformação da matéria orgânica em substâncias nutritivas • com grande abundância e diversidade de microrganismos • 1 hectare de solo pode conter até 4 tons de microrganismos
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
O solo como hábitat microbiano Principais fatores que afetam a atividade: - Umidade - Status nutricional
Rizosfera Região onde o solo e as raízes das plantas entram em contato O efeito rizosférico
Constituintes do solo • Minerais: – sílica (Si. O 2), Fe, Al, Ca, Mg, K – P, S, Mn, Na, N. . . • Matéria orgânica: origem vegetal, animal e microbiana – insolúvel (húmus): melhora a estrutura, libera nutrientes • efeito tampão, retenção de água – solúvel: produtos da degradação de polímeros complexos: • Açúcares, fenóis, aminoácidos
Constituintes do solo • Água – livre: poros do solo – adsorvida: ligada aos colóides (argilas) • Gases: CO 2, N 2. . . – composição variável em função dos processos biológicos
Constituintes do solo • Sistemas biológicos: – plantas – animais – Microrganismos: grande diversidade e abundância Dependendo de: nutrientes umidade aeração temperatura p. H interações
Presença de microrganismos nas várias profundidades do solo Profundidade (cm) Umidade (%) Mat. orgânica (%) Bactérias (x 106)/g Fungos (m/g) 0 -8 18, 2 4, 4 aeróbias 24 anaeróbias 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: – 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 N 2 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 – 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, . . .
Microrganismos e os ciclos da matéria • Terra: quantidade praticamente constante de matéria Mudanças no estado químico produzindo uma grande diversidade de compostos. • • Ciclo carbono Ciclo nitrogênio Ciclo do enxofre Ciclo do ferro
O ciclo do carbono Principais reservatórios de carbono na Terra Reservatório Carbono (gigatons) Oceanos Rochas e sedimentos Biosfera terrestre Biosfera aquática Combustíveis fósseis Hidratos de metano 38 x 103 (>95% C inorgânico) 75 x 106 (>80% C inorgânico) 2 x 103 1 -2 4, 2 x 103 104 % total de carbono na Terra 0, 05 > 99, 5 0, 003 0, 000002 0, 006 0, 014
Transformações bioquímicas do carbono O mecanismo mais rápido de transferência global do carbono ocorre pelo CO 2 • Fixação do CO 2 • CO 2 + 4 H – – – (CH 2 O) + H 2 O Plantas bactérias verdes e púrpuras fotossintetizantes algas cianobactérias quimiolitróficas algumas bactérias heterotróficas: » CH 3 COCOOH + CO 2 HOOCCH 2 COCOOH ácido pirúvico ácido oxaloacético
Transformações bioquímicas do carbono • Degradação de substâncias orgânicas complexas • celulose (40 -50% dos tecidos vegetais) • hemiceluloses (10 -30% dos tecidos vegetais) • lignina (20 -30%) Celulose celobiose (n moléculas) celulases Celobiose -glicosidase Glicose + 6 CO 2 2 glicose 6 CO 2 + 6 H 2 O
Transformações bioquímicas do nitrogênio O N é encontrado em vários estados de oxidação (-3 a +5) O nitrogênio gasoso corresponde a forma mais estável, assim a atmosfera é o maior reservatório (contrário do carbono) - A alta energia para quebra de N 2 indica que o processo demanda energia. - Relativamente, um número pequeno de microrganismos é capaz disso - Em diversos ambientes, a produtividade é limitada pelo suprimento de N. - Importância ecológica e econômica envolvida na fixação
Transformações bioquímicas do nitrogênio • Fixação do nitrogênio atmosférico N 2 NH 3 aminoácidos • Fixação simbiótica: 60 -600 Kg/ha. ano • 90% pelas leguminosas • Economia em fertilizantes nitrogenados • Associações simbióticas fixadoras: – Anabaena - Azolla – Frankia - Alnus – Rizóbios - Leguminosas
Transformações bioquímicas do nitrogênio Rizóbios - Leguminosas • etapas da formação de um nódulo: – reconhecimento: lectinas – disseminação: • citocininas células tetraplóides – formação dos bacteróides nas células – leghemoglobina – maturidade: fixação do nitrogênio – senescência do nódulo: deterioração
Associação simbiótica rizóbios-leguminosas
Associação simbiótica rizóbios-leguminosas
Redução de acetileno: medida da capacidade fixadora
Transformações bioquímicas do nitrogênio • Proteólise: Proteínas Peptídeos Aminoácidos • Amonificação (desaminação) – CH 3 -CHNH 2 -COOH + ½O 2 CH 3 -CO-COOH + NH 3 » alanina ác. pirúvico amônia » A amônia é rapidamente reciclada, mas uma parte volatiliza
Transformações bioquímicas do nitrogênio Nitrificação: - produção de nitrato - Solos bem drenados e p. H neutro Embora seja rapidamente utilizado pelas plantas, também pode ser lixiviado quando chove muito (muito solúvel). Uso de inibidores da nitrificação na agricultura - Etapas: Nitritação: oxidação de amônia a nitrito 2 NH 3+ 3 O 2 2 HNO 2 + 2 H 2 O (Nitrosomonas, Nitrosovibrio, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus) Nitratação: oxidação de nitrito a nitrato NO 2 - + ½O 2 NO 3(Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrospira)
Transformações bioquímicas do nitrogênio Utilização do nitrato: • Redução assimilatória: plantas e microrganismos – NO 3 - + 8 e- + 9 H+ NH 3 + 3 H 2 O • Desnitrificação: ocorre em condições de anaerobiose como aceptor de elétrons. redução de nitratos a N 2 (nitrogênio atmosférico) – 2 NO 3 2 NO 2 2 NO N 2 (Agrobacterium, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus etc. ) - Como o N 2 é menos facilmente utilizado que o nitrato como fonte de N, esse processo é prejudicial pois remove o N fixado no ambiente. - Por outro lado, é importante no tratamento de efluentes
Transformações bioquímicas do enxofre As transformações do enxofre são ainda mais complexas que do nitrogênio: - Devido à variedade de estados de oxidação (-2 a +6) (S-orgânico a sulfato) - Porém, apenas 3 estados de oxidação se encontram em quantidade significativas na natureza (-2, 0, +6) Alguns componentes do ciclo: • Oxidação do enxofre elementar: – 2 S + 2 H 2 O + 3 O 2 2 H 2 SO 4 2 H+ + SO 4= – ex. Thiobacillus thioxidans • O S 0 também pode ser reduzido pela respiração anaeróbia
Transformações bioquímicas do enxofre • Degradação (oxid/red) de comp. orgânicos sulfurados: – cisteína + H 2 O ácido pirúvico + NH 3 + H 2 S • Utilização dos sulfatos: – plantas – microrganismos • S é incorporado a aminoácidos: » cistina » cisteína » metionina
Transformações bioquímicas do enxofre • Redução de sulfatos (por bactérias amplamente distribuídas na natureza) – anaerobiose • Ca. SO 4 + 8 H H 2 S + Ca(OH)2 + 2 H 2 O » Desulfovibrio - Necessidade da presença de compostos orgânicos (doadores de e-) • Oxidação de sulfato – bactérias fototróficas • CO 2 + 2 H 2 S enzimas/luz (CH 2 O) + H 2 O + 2 S
Transformações bioquímicas do ferro Um dos elementos mais abundantes Naturalmente encontrado em apenas dois estados de oxidação O O 2 é o único aceptor de elétrons que pode oxidar o ferro Fe 2+, e em p. H neutro. Em condições ácidas ocorre o crescimento de acidófilos oxidantes do ferro. Precipitação de depósitos marrons de ferro Comum em solos alagados e pântanos
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