Microbiologia do Solo e Ciclos Biogeoquímicos

Diversidade Microbiana e
Habitats
• Não se conhece a identidade da grande maioria de espécies que
habita o solo;
• Afetada: partículas de matéria orgânica, raízes, facilidade de
trocas gasosas e outros;
O solo como hábitat microbiano
Principais fatores que afetam a atividade:
- Umidade
- Status nutricional
Presença de microrganismos nas várias profundidades do solo
Profundidade
(cm)
Umidade
(%)
Mat. orgânica
(%)
Bactérias
(x 106)/g
Fungos
(m/g)
0-8
18,2
4,4
aeróbias
24
anaeróbias
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
Bactérias:
grupo mais numeroso e mais diversificado;
3 x 106 a 5 x 108 por g de solo seco;
limitações impostas pelas discrepâncias entre técnicas;
heterotróficos são mais facilmente detectados;
Gram-negativas e não esporuladas são mais favorecidas;
Gêneros mais freqüentes:
Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia,
Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios
Cianobactérias: pioneiras, fixação de N2
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, ...
Terra: Um sistema fechado
Plantas utilizam compostos inorgânicos como nutrientes;
Animais requerem compostos orgânicos mais complexos;
VIDA: dependência de compostos químicos do seu estado elementar para
compostos inorgânicos, então para compostos orgânicos, com retorno ao e
estado elementar;
Mineralização;
Ciclo do Carbono
Compõe 18% da massa da Terra e 0,03% da atmosfera;
Atmosfera acima de 1 acre de solo: 18 toneladas de CO2 e que
organismos vivos nesta mesma área devolvem a mesma quantidade
desta molécula;
http://unifei-poluicao.blogspot.com/2008/12/poluio-atmosfrica_05.html
Ciclo do Carbono
FIXAÇÃO/LIBERAÇÃO DE CARBONO NO AMBIENTE
CO2 fixado via fotossíntese (autotroficamente em compostos biológicos)
com liberação de O2;
Compostos orgânicos resultantes dessa fixação de CO2 são oxidados
por quimioheterotróficos produzindo CO2 novamente;
Calcula-se que cada molécula de CO2 da atmosfera é fixada via
fotossíntese a cada 300 anos;
Fotossintéticos e quimiolitotróficos fazem produção: 1º - 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);
Ciclo do Carbono
CO2 + 4H
enzimas
(CH2O)x + H2O;
algas, cianobactérias, bactérias fototróficas verdes e púrpuras e
bactérias quimioautotróficas. Maioria utiliza o Ciclo de Calvin;
Ciclo do Carbono
Degradação da celulose (polímero de glicose insolúvel em água):
Madeira (40-50% celulose, 20-30% lignina e 10-30% hemicelulose);
Celulose
celulase
Celubiose
muitas moléculas de celubiose;
β-glicosidase
Glicose + 6O2
enzimas
2 moléculas de glicose;
6CO2 + 6H2O;
Ciclo do Nitrogênio
O nitrogênio compõe 80% dos gases da atmosfera;
Está presente em aminoácidos, proteínas, ácidos nucléicos, clorofila, etc.
Fixação do N2 atmosférico é necessária para que o mesmo possa ser
utilizado;
Formas quimicamente disponíveis de N: amônio (NH4+), nitrato (NO3-) e
uréia ((NH3)2CO2);
5 processos ciclam o nitrogênio:
Fixação;
Absorção (crescimento dos microrganismos);
Mineralização (decomposição);
Nitrificação;
Denitrificação;
Ciclo do Nitrogênio
FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO
N2 atmosférico em amônia;
Complexo nitrogenase;
http://files.wordpress.com/2010/04/ciclo_nitrogenio.png
N2 + 6H+ + 6e+ + 12ATP
NH3 + H2O
NH4+ + OH-
2NH3 + 12ADP + 12Pi;
Ciclo do Nitrogênio
FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO
Aeróbios e Anaeróbios;
Azotobacter: respiração rápida;
Ciclo do Nitrogênio
FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO
Fixação Não-Simbiótica do nitrogênio;
Bactéria : gênero/espécie
Características fisiológicas
Azotobacter chroococcum
Beijerinckia indica
Heterotrófico
Aeróbios
Derxia gummosa
Cianobactérias
Clostridium sp.
Fotossintético
Heterotrófico
Desulfovibrio sp.
Chromatium vinosum
Chlorobium thiosulfatophilum
Rhodospirilium rubrum
Rhodomicrobium vannielii
Anaeróbios
Fotossintético
Ciclo do Nitrogênio
FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO
Fixação Simbiótica do nitrogênio;
Particular interesse na
agricultura: Rhizobiumleguminosa, AnabaenaAzolla, Frankia-amieiro e
outros sistemas;
http://textbookofbacteriology.net/Impact_2.html
http://evolution-textbook.org/content/free/figures/06_EVOW_Art/26_EVOW_CH06.jpg
Ciclo do Nitrogênio
FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO
Fixação Simbiótica do nitrogênio;
Anabaena-Azolla
http://emdefesadacidadania.com.br/2010/10/06
http://www.botany.wisc.edu/courses/botany_330/AnabaenaAzolla1.html
Ciclo do Nitrogênio
Proteólise:
Proteínas de animais/plantas são quebradas em peptídeos por
proteinases;
Peptidases de microrganismos convertem os peptídeos em
aminoácidos
Ciclo do Nitrogênio
NITRIFICAÇÃO
Conversão da amônia em nitrato;
Ocorre em duas etapas:
1 – Oxidação da amônia para nitrito
por bactérias amônia-oxidante
2NH3 + 3O2
Amônia
2HNO2 + 2H2O
Ácido nitroso
H+ + NO2Íon nitrito
2 – Oxidação da nitrito por
bactérias nitrito-oxidante
NO2- +
Íon nitrito
½ O2
NO3Íon nitrato
Bactérias aeróbias, Gram-negativas e autotróficas, obtem o carbono do
CO2 e retiram energia para fixar o dióxido do carbono do NH3 ou NO2-
Ciclo do Nitrogênio
NITRIFICAÇÃO
Bactérias nitrificantes habitam o solo, esgoto e ambiente aquáticos;
Não são fáceis de isolar em laboratório;
Bactérias que oxidam amônia
Bactérias que oxidam nitrito
Nitrosomonas europaea
Nitrobacter winogradskyi
Nitrosovibrio tenuis
Nitrospina gracilis
Nitrosococcus nitrosus
Ciclo do Nitrogênio
DESNITRIFICAÇÃO
Conversão do nitrato a
nitrogênio gasoso;
Condições de anaerobiose;
Nitrato – aceptor final de e2NO3
Nitrato
2NO2
Nitrito
2NO
Óxido Nítrico
N2O
N2
Óxido
Nitrogênio
Nitroso
gasoso
Bactérias desnitrificantes:
Agrobacterium, Alcaligenes,
Bacillus, Thiobacillus e
Pseudomonas
Ponto de vista agronômico: desvantajoso
Ciclo do Enxofre
Microrganismos podem oxidar ou reduzir compostos sulfurados;
Ciclo do Enxofre
Enxofre elementar – não pode ser utilizado por plantas e animais;
Bactérias podem oxidar o enxofre em sulfato (SO42-);
Thiobacillus thiooxidans:
2S + 2H2O + 3O2
Enxofre elementar
2H2SO4
Ácido sulfúrico
2H+ + SO42Íon sulfato
Processo quimioautotrófico aeróbio que produz ácido;
Reduz o pH alcalino do solo;
Ciclo do Enxofre
Plantas usam o sulfato para síntese de aminoácidos que contêm enxofre;
CH2SH
HC
CH3
NH2 + H2O
Dessulfurase
C
O + NH3 + H2S
COOH
COOH
Cisteína
Ácido pirúvico
Gás Sulfídrico
Sulfato pode ser reduzido a sulfeto – bactéria anaeróbia Desulfotomaculum
8H + CaSO4
Sulfato de Cálcio
H2S + Ca(OH)2 + 2H2O
Hidróxido de Cálcio
Ciclo do Enxofre
Bactérias fototróficas verdes e púrpuras oxidam o sulfeto de hidrogênio
resultante da redução do sulfato e decomposição de aminoácidos;
CO2 + 2H2S
Enzimas; luz
(CH2O) + H2O + 2S
Carboidrato