Microrganismos do Solo e o Ciclo do Carbono Disciplina: Ecologia Microbiana 1.
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Microrganismos do Solo e oCiclo do Carbono
CCB / MIP
Disciplina: Ecologia Microbiana
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Processos do Fluxo de Energia, Carbono e Nutrientes no Sistema Solo-Planta-Organismos
Moreira & Siqueira, 20062
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
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1 Pg = 1,000,000,000,000,000 gquatrilhões
100.1021 g 150.1016 g
380.1017 g
4.1018 g
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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) 0,05Rochas 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
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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
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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
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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
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(70-120)
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Moreira & Siqueira, 2006
Transformações e Ciclagem de C, N, P e S no Sistema Solo-Planta Mediados pela Microbiota do Solo
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• Atividade Decompositora no Solo
96% respiração total do solo
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Biomassa Microbiana
Parte viva da matéria orgânica do solo, composta por todos os organismos
menores que 5.10-3 m3 – 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
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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
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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)
SKm
SVV
.max
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Decomposição da Matéria Orgânica- Macrorganismos = reguladores da degradação (engenheiros)- Microrganismos = Transformadores
MacrofaunaRepresentantes no nível trófico mais alto na cadeia
MicrorganismosDecompositores primários
Produtores primários 15
Decomposição = Quebra do material orgânico particulado, geralmente na forma de polímeros, em materiais solúveis que são absorvidos pelas células microbianas
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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;
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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
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• 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
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• 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
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•Estrutura e Rota de Degradação Microbiana da Lignina no Solo
Lacases e Peroxidases
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• Amido- 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 22
• 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
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Fatores que Favorecem a Decomposição de Resíduos Orgânicos
a) 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;
b) 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);
c) Ausência de fatores tóxicos no resíduo ou no solo que podem limitar a atividade dos
heterotróficos decompositores.
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Importante na atividade dos processos bioquímicos responsáveis pela reciclagem de nutrientes e outros benefícios para a ecologia do solo
Taxa de Decomposição dos Resíduos Orgânicos Depositados no Solo
Moreira & Siqueira, 200625
Substratosprimários
reciclagem
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• 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
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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
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- 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. 29