Microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos

Introdução• Atividades biológicas

• Solo: maior reservatório de microrganismos do planeta

• direta ou indiretamentre recebe todos os dejetos dos seres vivos

• ocorrendo a transformação da matéria orgânica em substâncias nutritivas

Introdução

(Fonte: Microbiologia de Brock, Madigan et al.)

O ambiente solo

Perfil do solo

(Fonte: Microbiologia de Brock, Madigan et al.)

Presença de microrganismos heterotróficos nas váriasprofundidades do solo

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

aeróbias anaeróbias0 - 8 18,2 4,4 24 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

Introdução Os ciclos biogeoquímicos

Ciclo do Carbono Ciclo do Nitrogênio Ciclo do Fósforo

Os ciclos biogeoquímicos e os microrganismos

Mudanças climáticas Camada de gases que envolvem a terra a mantêm aquecida Principais gases dessa camada: CO2, CH4 e N2O

Os ciclos biogeoquímicos e o controle do balanço dos gases que envolvem a terra, principalmente o ciclo do C

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 Carbono como medida de produtividade

1 Pg = 1,000,000,000,000 kg

Fixação/liberação de C CO2 fixado via fotossíntese (autotroficamente em compostos biológicos)

com liberação de O2

Os compostos orgânicos resultantes dessa fixação de CO2 são oxidados por quimioheterótrofos produzindo CO2 novamente

Calcula-se que cada molécula de CO2 da atmosfera é fixada via fotossíntese a cada 300 anos

Fixação/liberação de C Os oceanos e a fotossíntese terrestre absorvem cerca de 200 bilhões de

toneladas de CO2 da atmosfera a cada ano (93% nos oceanos) – algas e cianobactérias principalmente

Mais de 40 quadrilhões de toneladas de CO2 estão dissolvidos nos oceanos e formam grandes depósitos de CaCO3 e MgCO3

100 mil toneladas/ano de C são fixadas em fósseis fazendo parte do estimado volume de 4 quadrilhões de toneladas de carvão, óleo, gás natural

CO2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas)

Outros

Fotossintéticos e quimiolitotróficos fazem produção 1ª: conversão de C inorgânico a C orgânico (fungos e bactérias que decompõem MO)

Respiração/decomposição/combustão retorna C a atmosfera Fixação > que consumo (respiração) = acúmulo de C orgânico Fixação < que consumo (respiração) = declínio das populações (a menos que

adições ocorram)

Fixação/liberação de C

Fixadores: fotossintetizantes, oxidantes/redutores de H2S, Fe, etc.

Relações tróficas: C e Energia transferidos (10%) Decomposição de MO vegetal: T, pH, natureza química, condições

ambientais, [O2], etc.

Produtos recalcitrantes: DDT, lignina, celulose, ácidos húmicos, ácidos fúlvicos, etc.

Fixação/liberação de C

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

Todo ano há remoções de CO2 via fotossíntese, mas muita adição via respiração e decomposição

(ppm)(ppm)

Concentração atmosférica de CO2 (ppm)

O Carbono e o aquecimento global

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 incorporação via plantas fotossintéticas)

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 (archaea, protozoários, leveduras, etc.) que vivem no estômago de ruminantes como ovelhas, gado, búfalos, camelos, etc.

CH4 absorve 20% a mais de calor que CO2

Produção de vacina para reduzir a emissão de CH4

Microrganismos e o aquecimento

Aumentos das temperaturas aumentam as áreas biogeográficas de micróbios infecciosos: malária, dengue, febre amarela, viroses, etc.

Os microrganismos fazem a ciclagem da maioria do C dos oceanos Micro, nano, e pico plâncton Bactérias Vírus: o total de C em vírus nos oceanos equivale ao C de 75 milhões de

baleias azuis

Microrganismos e o aquecimento

Áreas de tundra e do ártico estão com T mais elevadas, aumentando a produção de CH4 (Archaea metanogênicas), muito mais nocivo que CO2 como gás de efeito estufa

Microrganismos e o aquecimento

Mudanças nas concentrações de populações oceânicas de microrganismos utilizados como aviso da mudança climática

Microrganismos e o aquecimento

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 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 algas 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

Microrganismos e as soluções

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

O ciclo do Nitrogênio Formas quimicamente disponíveis de N: amônio (NH4

+), nitrato (NO3

-), e uréia ((NH3)2CO2)

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 Absorção (crescimento dos organismos) Mineralização (decomposição) Nitrificação Denitrificação

Fixação/liberação de N Os microrganismos (notadamente bactérias) têm um papel

fundamental na ciclagem do N Bactérias de vida livre Bactérias simbióticas

Fixação do N N2 NH3

+ ou NO3-

Única forma que os organismos conseguem obter N da atmosfera Simbiontes como Rhizobium + legumes, Frankia + Alder, etc.: N

em troca por carboidratos e ambiente favorável Fixadores de vida livre (ambientes aquáticos principalmente):

Cyanobacteria, Azotobacter, Clostridium

Fixação do N Outros eventos como raios (oxidam N2 a NO3

- e NO2-), fogo, a

queima de combustíveis fósseis, e lava, fixam quantidades pequenas de N

O homem tem contribuído para elevar a quantidade de N fixado: processo Haber-Bosch, etc.

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 - actinomicetos, 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

Denitrificação NO3

- NO2- NO N2O N2

Processo anaeróbico feito por bactérias denitrificadoras 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

Atividades humanas Queima de florestas e de combustíveis fósseis colocando N na atmosfera Fertilização química que pode lixiviar-se para os corpos d’água Criação de animais com produção de NH3

+ que pode entrar nos corpos d’água e no solo

Derrame de excrementos em corpos d’água

Efeitos nocivos da deposição de N Mudança da composição vegetal dos ecossistemas (redução da

diversidade) Formação de ácido nítrico (HNO3) responsável, junto com dióxido de

enxofre (SO2), pelas chuvas ácidas

Altas concentrações de óxidos de N são precursores do ozônio da troposfera, o qual causa dano aos tecidos vivos

Efeitos nocivos da deposição de N Altas concentrações de N nos rios causam eutrofização, reduzindo a

diversidade dos ecossistemas aquáticos Pode participar de uma maior captura e fixação de C, mas devido ao

efeito negativo da alta concentração de N (citado acima), é provável que isso não aconteça

Fósforo O fósforo é essencial para plantas e animais na forma dos íons PO4

3- e HPO4

2- (ortofosfato)

Faz parte de moléculas como ácidos nucléicos (DNA), energéticas (ATP e ADP), de células lipídicas, e da estrutura do corpo de animais como fosfato de cálcio (ossos, dentes, etc.) – ausente em celulose, hemicelulose, lignina, e proteínas

Fósforo Junto com N e K é um dos 3 nutrientes mais importantes Um dos principais elementos da fotossíntese, transporte de nutrientes, e

transferência de energia Essencial para o florescimento e formação das sementes das plantas

Fósforo Três formas de fósforo nos solos:

Fósforo orgânico: na matéria viva, plantas, microrganismos, etc. Fósforo solúvel: disponível. Orgânico bem como ortofosfato. Menor

proporção de P do solo Fósforo adsorvido: indisponível. Anionicamente ligado a cátions de

Al, Fe e Ca.

Volumes de fósforo A fitomassa terrestre tem 500,000,000 kg de P e o crescimento das plantas

assimila 100,000,000 kg de P/ano Fitomassa marinha 75,000,000 kg de P, absorvendo 1,000,000,000 kg de P/ano Os solos têm por volta de 40,000,000,000 kg de P (15% na MO) Na maioria dos solos 50-75% do P é inorgânico Em solos neutros o P normalmente esta precipitado como fosfato de cálcio Em solos ácidos precipita como fosfato de Al ou Fe

O ciclo do Fósforo O ciclo do fósforo tem 2 componentes principais que ocorrem em

diferentes escalas de tempo: No componente local ele cicla nos ecossistemas em tempo ecológico Nos sedimentos ele faz parte da porção classificada em tempo geológico.

Somente será mobilizado milhões de anos mais tarde

O ciclo do Fósforo

O ciclo do Fósforo Encontrado em formações rochosas, sedimentos, e em sais de fosfato

(absorvido por plantas), mas nunca na forma gasosa Encontrado em pequenas quantidades, por isso é um fator limitante para

o crescimento de plantas terrestres e aquáticas Ciclado pela água, solo, e sedimentos

O ciclo do Fósforo A ciclagem do fósforo é uma das mais lentas, especialmente se estiver nos

sedimentos (feita por microrganismos) Plantas absorvem fosfatos do solo e os incorporam a compostos

orgânicos No solo pode ser adsorvido por partículas do solo, tornando-se, assim,

imobilizado

Perda de fósforo dos solos Perdas volumosas logo após fertilização orgânica (chuva) Perda gradual: excesso de P aplicado, etc. Perdas por erosão: P está associado a partículas do solo. Aração,

transformação de ecossistemas florestais a agricultura, etc. Queimas de compostos combustíveis Rejeitos humanos (3,000,000 kg de P/ano)

Uso excessivo de fertilizantes Contaminação das correntes de água pelo uso de ácido sulfúrico para

extrair o fósforo das rochas Lixiviação contaminando lençóis freáticos causando eutrofização

Efeito antropogênico