O ciclo do Nitrogênio

Introdução O Nitrogênio compõe 78% dos gases da atmosfera A maioria do N do solo ligada a MO Quarto elemento mais abundante nas plantas (C, O2, H2, N)

Está presente em aminoácidos, proteínas, bases nitrogenadas, ácidos nucléicos (DNA, RNA), hormônios, clorofila, etc.

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Introdução Na atmosfera na forma de gás constituída por 2 átomos de N Para ser absorvida deve estar na forma iônica: NH4

+ ou NO3--

Fixação do N2 atmosférico é necessária para que o mesmo possa ser utilizado

Fixação espontânea (queimadas, raios, lava), fixação biológica (grande maioria), ou fixação industrial (Haber-Bosch)

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O ciclo do Nitrogênio

Fixação do N N2 NH4

+ ou NO3-

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

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

Cyanobacteria, Azotobacter, Clostridium

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

Processos da fixação biológica do N2

Fixação Biológica N2 2NH3

+ + H2

Mediadores: enzima nitrogenase com proteção ao O2, doadores de e-, ATP, Mg, Fe, Co, esqueletos carbonados

Fonte de fixação Toneladas/ano

N no solo 105.000.000.000

N Mineralizado 3.500.000.000

Absorção total de N 1.400.000.000

N denitrificado 135.000.000

N perdido (erosão/lixiviação) 85.000.000

Fixação biológica total 170.000.000

Leguminosas 90.000.000

Gramíneas 49.000.000

Ecossistemas florestais 5.000.000

Outros 26.000.000Adaptado de Craswell 1990.

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Processos da fixação biológica do N2

Fixação espontânea (10% do total fixado biologicamente) Alguns dos processos:

N2 + O3 (ozônio) N2O (óxido nitroso) + O2 (ozonização do N2)

N20 NO (óxido nítrico) + N (fotólise do N2)

NO + O3 NO2 (dióxido de N) + O2 (ozonização do N2)

3NO2 + H2O 2HNO3 (ácido nítrico) + NO (hidratação do N2)

NH3 + O NO3- (oxidação do N2)

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Processos da fixação biológica do N2

Processos industriais (Haber-Bosch) N2 + H2 2NH3

+

Mediadores 1000 C 200-300 ATMs

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Fixação biológica do N2 A maioria do nitrogênio presente nos ecossistemas terrestres e aquáticos é fixado

por organismos diazotróficos, que fixam N2 em formas usáveis (NH3+)

Oferecem forma não poluente de aumentar a produção agrícola Reduzem a fertilização artificial (redução de custos) Reduzem a emissão de gases de efeito estufa como N2O

Reduzem a lixiviação de NO3-- para os lençóis freáticos

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A maioria dos diazotróficos pertence às Bacterias, mas também há representantes do grupo Archaea

Anaeróbicos, anaeróbicos facultativos, aeróbicos e microaerófilos São divididos em:

De vida livre Associativos Simbióticos

Fixação biológica do N2

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Anaeróbicos: não toleram O2 mesmo quando não estão fixando N2. Encontrados em:

Materiais em decomposição – Clostridium Sedimentos oceânicos, redutoras de SO4

2- – Desulfovibrio

Intestinos de animais – Archaea metanogênicas

Diazotróficos e seu metabolismo

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Anaeróbicos facultativos: crescem tanto na presença quanto na ausência de O2, mas só fixam N2 anaerobicamente. Exemplos:

Klebsiella pneumoniae Paenibacillus polymyxa Bacillus macerans Escherichia intermedia

Diazotróficos e seu metabolismo

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Aeróbicos: necessitam de O2 para crescer, contudo a nitrogenase, enzima essencial para a fixação, é debilitada se entrar em contato direto com o O2. Exemplos:

Azotobacter vinelandii Azomonas Beijerinckia

Diazotróficos e seu metabolismo

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Aeróbicos fototróficos: bactérias fotossintéticas que geram O2 como subproduto da fotossíntese e, além disso, fixam N2. Exemplos:

Anabaena cylindrica Nostoc commune Plectonema sp. Outras cianobactérias: Trichodesmium (nos aceanos), etc.

Diazotróficos e seu metabolismo

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Microaerófilos: aeróbicos somente quando não fixam N2. Exemplos incluem:

Mycobacterium Azospirillum Rhizobium Frankia

Diazotróficos e seu metabolismo

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Diazotróficos de vida livre Beijerinckia e gramíneas (cana-de-açúcar) Enterobacteraceae:

Klebsiella Enterobacter

Azotobacteraceae: Azotobacter Azomonas

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Diazotróficos Associativos Segundo Baldani et al. (1997), divididos em 2 grupos:

Endofíticos facultativos Rizosfera e interior das raízes, colmos, e folhas: Azospirillum,

Herbaspirillum, Acetobacter Endofíticos obrigatórios

Colonizam o interior das raízes, colmos, e folhas: Gluconacetobacter, Azoarcus, Herbaspirillum, Burkholderia, Alcaligenes, Erwinia, Bacillus, etc.

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Diazotróficos simbióticos Exemplos de famílias de simbiontes vegetais

Fabaceae: soja, feijão, ervilha, trevo, vassoura-de-bruxa, alfafa, Lupinus, Sesbania, Oxytropis, Astragalus, etc.

Leguminosae: Ulex, Mimosa Gramíneas: cana-de-açúcar, sorgo, milho, trigo Arecaceae: Welfia (palmeira) Gunneraceae: Gunnera (nalca) Betulaceae: Alnus (Alder) Casuarinaceae: Casuarina Eleagnaceae: Shepherdia (amora de búfalo) Zamiaceae: Ceratozamia (cícada) Rhamnaceae: Ceanothus (arbusto da neve) Myricaceae: Myrica Rosaceae: Cercocarpus (mogno da montanha), Purshia (arbusto amargo)

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Leguminosas são cultivadas em 250 milhões de ha no mundo, e fixam por volta de 90.000.000 de toneladas de N/ano, contribuindo com cerca de 50% do N usado na agricultura

Legumes podem fixar até 600 kg de N/ha/ano (trevos); soja e feijão fixam de 150 a 450 kg/ha/ano

Programas de inoculação com o microsimbionte

Diazotróficos simbióticos: leguminosas

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Genes específicos fazem o reconhecimento, contato, e penetração O2 ligado a leghemoglobina nos nódulos onde estão as bactérias

simbiontes e liberado em taxas que não danificam a nitrogenase

Diazotróficos simbióticos: leguminosas

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Diazotróficos simbióticos: leguminosas

Ordem Proteobacteria, Classe Alphaproteobacteria Família Rhizobiaceae: Allorhizobium spp., Rhizobium spp., Ensifer

spp. Família Bradyrhizobiaceae: Bradyrhizobium spp. Família Phyllobacteriaceae: Mesorhizobium spp. Família Hyphomicrobiaceae: Azorhizobium spp. Outros: Burkholderia, Cupriavidus, Devosia, Herbaspirillum, etc.

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Associam com gramíneas de interesse agrícola como cana-de-açúcar, arroz, trigo, sorgo, milho, cevada, centeio, aveia, etc.

Associam-se com gramíneas de interesse pastoril como Spartina, Pennisetum, capim colonião, capim elefante, etc.

Diazotróficos simbióticos: gramíneas

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Ordem Proteobacteria, Classe α-, β-, e γ-proteobacteria Nas raízes, talos e folhas: Alcaligenes, Azoarcus, Azonexus,

Azorhizobium, Azospirillum, Azotobacter, Azydromonas, Bacillus, Beijerinckia, Burkholderia, Dechloromonas, Delftia, Derxia, Geobacter, Gluconacetobacter, Herbaspirillum, Ideonella, Klebsiella, Methylobacterium, Methylocella, Methylocystis, Methylosinus, Mesorhizobium, Paenibacillus, Pelomonas, Pseudomonas, Raoultella, Rhizobium, Rhodoblastus, Rhodovulum, Xanthobacter, etc.

Diazotróficos simbióticos: gramíneas

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Associações simbióticos com Frankia

Frankia Bactérias actinorrizas (actinomicetos) que se associam com várias

angiospermas formando nódulos: Allocasuarina, Alnus, Casuarina, Ceanothus, Coriaria, Datisca, Dryas, Myrica, Purshia, Shepherdia, etc.

Podem fixar até 90 kg de N/ha/ano

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Heterocitadas e não-heterocitadas Além da fixação de nitrogênio em vida livre, também fixam

simbioticamente Associam-se com fungos, liquens, briófitas, pteridófitas, cícadas,

palmeiras, diatomáceas marinhas, plâncton marinho, etc. Associação com animais: no estômago de alguns animais, como cupins

Associações simbióticas com Cianobactérias

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Anabaena azollae (=Nostoc) Cianobactérias fotossintetizam e também fixam N2 (100 kg/ha/ano)

Associa-se as folhas da pteridófita aquática Azolla Azolla usada como fertilizante na agricultura (arroz irrigado)

Associações simbióticas com Cianobactérias

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Iniciação e desenvolvimento dos nódulos

Rhizobium associa-se a seu simbionte(leguminosas) e induz a formação de nódulos nas raízes e talos usando diferentes mecanismos:

Contato do inóculo com os pelos radiculares (reconhecimento) Início da deformação e curvatura dos pelos radiculares Superfície do pelo radicular hidrolisado para permitir a penetração

dos pelos radiculares e a formação do “fio de infecção”

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Penetração via feridas Inóculo se move em direção ao córtex da raiz O inóculo nunca recebe acesso livre intracelular Penetração de primórdios nos talos, como é o caso de Sesbania

Iniciação e desenvolvimento dos nódulos

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Proliferação do inóculo em células do córtex adjacentes ao ponto de entrada via pelo radicular formando os nódulos

Formação de um primórdio nodular e liberação da bactéria nas células do córtex (envoltas por uma membrana peribacteróide que protege a bactéria das defesas do simbionte vegetal)

Iniciação e desenvolvimento dos nódulos

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Modificações gênicas durante a formação dos nódulos (gene nodD) produzindo oligossacarídeos específicos responsáveis pela formação dos nódulos

Produção de flavonóides (compostos fenólicos complexos) pelas plantas, responsáveis pelo reconhecimento. Esses também são encontrados nas micorrizas

Iniciação e desenvolvimento dos nódulos

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N2 fixado a NH3+ convertido no simbionte vegetal a asparagina via

glutamina, glutamato e aspartato Glutamanto e aspartato sintetizam purinas (xanteinas) e estas são

convertidas a ureídeos, alantoína e ácido alantóico Várias proteínas só formadas quando em simbiose (nodulinas,

leghemoglobina, nitrogenase, uricase, glutamina sintetase, etc.)

Funcionamento dos nódulos

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Adições de micróbios benéficos Inoculantes na forma liquida, desidratada, encapsulados em polímeros

(poliacrilamida ou alginato de Ca) Inoculantes produzidos por fermentação semi-solida Mercado promissor (R$)

Produção de inoculantes

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