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Microrganismos do Solo e o Ciclo do Carbono CCB / M IP Disciplina: Ecologia Microbiana 1

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

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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

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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

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• 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

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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