7400 Microbiologia do Solo

Microbiologia do Solo

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

Introdução

Perfil do solo

Definição:Em agricultura e geologia, solo é a camada que recobre as rochas, sendo constituído de proporções e tipos variáveis de minerais de húmusSolos mineraisSolos orgânicos

Centenas de anos

O solo como hábitat microbiano

Principais fatores que afetam a atividade: - Umidade- Status nutricional

O efeito rizosférico

RizosferaRegião onde o solo e as raízes das plantas entram em contato

• Minerais: – sílica (SiO2), 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: CO2, O2, N2 ...

– composição variável em função dos processos biológicos


• Sistemas biológicos:– plantas– animais– Microrganismos: grande diversidade e abundância

Dependendo de:nutrientesumidadeaeraçãotemperaturapHinterações


Presença de microrganismos nas várias profundidades do solo

Profundidade Umidade Mat. orgânica Bactérias Fungos (cm) (%) (%) (x 106)/g (m/g)

aeróbias anaeróbias 0 - 8 18,2 4,4 24 2,7

280

8- 20 10,0 1,5 3,1 0,443

20-40 11,5 0,5 1,9 0,4 0

40-60 13,5 0,6 0,9 0,040

60-80 7,9 0,4 0,7 0,030

80-100 5,3 0,4 0,15 0,010

Fonte: Lindegreen & Jensen, 1973

• Bactérias: – grupo mais numeroso e mais diversificado3 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 N2

A microbiota do solo

Streptomyces

• 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


• 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) % total de carbono na TerraOceanos 38 x 103 (>95% C inorgânico) 0,05Rochas e sedimentos 75 x 106 (>80% C inorgânico) > 99,5Biosfera terrestre 2 x 103 0,003Biosfera aquática 1-2 0,000002Combustíveis fósseis 4,2 x 103 0,006Hidratos de metano 104 0,014

Transformações bioquímicas do carbono

• Fixação do CO2•CO2 + 4H (CH2O) + H2O

– Plantas– bactérias verdes e púrpuras fotossintetizantes– algas– cianobactérias– bactérias quimiolitróficas– algumas bactérias heterotróficas:

» CH3COCOOH + CO2 HOOCCH2COCOOHácido pirúvico ácido oxaloacético

O mecanismo mais rápido de transferência global do carbono ocorre pelo CO2

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 2 glicose -glicosidase

Glicose + 6CO2 6CO2 + 6H2O

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 N2 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

• Fixação simbiótica: 60-600 Kg/ha.ano• 90% pelas leguminosas• Economia em fertilizantes nitrogenados

• Associações simbióticas fixadoras:– Anabaena - Azolla– Frankia - Alnus– Rizóbios - Leguminosas


• Fixação do nitrogênio atmosféricoN2 NH3

aminoácidos

• 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


Rizóbios - Leguminosas

Associação simbiótica rizóbios-leguminosas

Redução de acetileno: medida da capacidade fixadora

• Proteólise:

Proteínas Peptídeos Aminoácidos


• Amonificação (desaminação)

– CH3-CHNH2-COOH + ½O2 CH3-CO-COOH + NH3

» alanina ác. pirúvico amônia

» A amônia é rapidamente reciclada, mas uma parte volatiliza


Nitrificação: - produção de nitrato - Solos bem drenados e pH

neutroEmbora 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 nitrito2NH3+ 3O2 2HNO2 + 2H2O

(Nitrosomonas, Nitrosovibrio, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus)

Nitratação: oxidação de nitrito a nitratoNO2- + ½O2 NO3-(Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrospira)

Utilização do nitrato:• Redução assimilatória: plantas e microrganismos

– NO3- + 8e- + 9H+ NH3 + 3H2O


• Desnitrificação: ocorre em condições de anaerobiose como aceptor de elétrons.

redução de nitratos a N2 (nitrogênio atmosférico)

– 2NO3 2NO2 2NO N2O N2

(Agrobacterium, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus etc.)

- Como o N2 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

• Oxidação do enxofre elementar:

– 2S + 2H2O + 3O2 2H2SO4

2H+ + SO4=

– ex. Thiobacillus thioxidans

• O S0 também pode ser reduzido pela respiração anaeróbia

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:


• Degradação (oxid/red) de comp. orgânicos sulfurados:

– cisteína + H2O ácido pirúvico + NH3 + H2S

• Utilização dos sulfatos:– plantas– microrganismos

• S é incorporado a aminoácidos:» cistina» cisteína» metionina


• Redução de sulfatos (por bactérias amplamente distribuídas na natureza)

– anaerobiose• CaSO4 + 8H H2S + Ca(OH)2 + 2H2O

» Desulfovibrio- Necessidade da presença de compostos orgânicos (doadores de e-)

• Oxidação de sulfato

– bactérias fototróficas•CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + 2S

enzimas/luz

Transformações bioquímicas do ferroUm dos elementos mais abundantes

Naturalmente encontrado em apenas dois estados de oxidação

O O2 é o único aceptor de elétrons que pode oxidar o ferro Fe2+, e em pH neutro.

Em condições ácidas ocorre o crescimento de acidófilos oxidantes do ferro.

Comum em solos alagados e pântanos

Precipitação de depósitos marrons de ferro

M áquinadecom positora

Húm us

M S

M SM S

M SM S

Decom posição de restos vegetais no solo: m áquina decom positoraoperada pelos m icrorganism os (Siqueira & Franco, 1988)

M icrorganism ooperário

M S

NitrogênioC arbonoFósforoPotássioC álcioM agnésioFerroEnxofreM anganêsC obreoutros

Resíduos orgânicos

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