Microbiologia do Solo

Microbiologia do Solo
Introdução
Solo: maior reservatório de microrganismos do planeta
• direta ou indiretamente recebe todos os dejetos dos seres
vivos
• local de transformação da matéria orgânica em substâncias
nutritivas
• com grande abundância e diversidade de
microrganismos
• 1 hectare de solo pode conter até 4 tons de
microrganismos
Definição:
Em agricultura e geologia, solo é a
camada que recobre as rochas, sendo
constituído de proporções e tipos
variáveis de minerais de húmus
Solos minerais
Solos orgânicos
Perfil do solo
Centenas de anos
O solo como hábitat microbiano
Principais fatores que afetam a atividade:
- Umidade
- Status nutricional
Rizosfera
Região onde o solo e as raízes das plantas entram em contato
O efeito rizosférico
Constituintes do solo
• Minerais:
– sílica (SiO2), Fe, Al, Ca,Mg, K
– P, S, Mn, Na, N ...
• Matéria orgânica: origem vegetal, animal e microbiana
– insolúvel (húmus): melhora a estrutura, libera nutrientes
• efeito tampão, retenção de água
– solúvel: produtos da degradação de polímeros complexos:
• Açúcares, fenóis, aminoácidos
Constituintes do solo
• Água
– livre: poros do solo
– adsorvida: ligada aos colóides (argilas)
• Gases:
CO2, O2, N2 ...
– composição variável em função dos processos
biológicos
Constituintes do solo
• Sistemas biológicos:
– plantas
– animais
– Microrganismos: grande diversidade e abundância
Dependendo de:
nutrientes
umidade
aeração
temperatura
pH
interações
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
A microbiota do solo
• 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
Gêneros mais freqüentes:
• Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia,
Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios
• Cianobactérias: pioneiras, fixação de N2
Streptomyces
A microbiota do solo
• 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
A microbiota do solo
• 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, ...
Microrganismos e os ciclos da matéria
• Terra: quantidade praticamente constante de matéria
Mudanças no estado químico produzindo uma grande diversidade
de compostos.
•
•
•
•
Ciclo carbono
Ciclo nitrogênio
Ciclo do enxofre
Ciclo do ferro
O ciclo do carbono
Principais reservatórios de carbono na Terra
Reservatório
Carbono (gigatons)
Oceanos
Rochas e sedimentos
Biosfera terrestre
Biosfera aquática
Combustíveis fósseis
Hidratos de metano
38 x 103 (>95% C inorgânico)
75 x 106 (>80% C inorgânico)
2 x 103
1-2
4,2 x 103
104
% total de carbono na Terra
0,05
> 99,5
0,003
0,000002
0,006
0,014
Transformações bioquímicas do carbono
O mecanismo mais rápido de transferência global do carbono ocorre pelo CO2
• 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
Transformações bioquímicas do carbono
• Degradação de substâncias orgânicas complexas
• celulose (40-50% dos tecidos vegetais)
• hemiceluloses (10-30% dos tecidos vegetais)
• lignina (20-30%)
Celulose
celobiose (n moléculas)
celulases
Celobiose
-glicosidase
Glicose + 6CO2
2 glicose
6CO2 + 6H2O
Transformações bioquímicas do nitrogênio
O N é encontrado em vários estados de oxidação (-3 a +5)
O nitrogênio gasoso corresponde a forma mais estável, assim a atmosfera é o
maior reservatório (contrário do carbono)
- A alta energia para quebra de
N2 indica que o processo
demanda energia.
-Relativamente, um número
pequeno de microrganismos é
capaz disso
- Em diversos ambientes, a
produtividade é limitada pelo
suprimento de N.
- Importância ecológica e
econômica envolvida na
fixação
Transformações bioquímicas do nitrogênio
• Fixação do nitrogênio atmosférico
N2
NH3
aminoácidos
• Fixação simbiótica: 60-600 Kg/ha.ano
• 90% pelas leguminosas
• Economia em fertilizantes nitrogenados
• Associações simbióticas fixadoras:
– Anabaena - Azolla
– Frankia - Alnus
– Rizóbios - Leguminosas
Transformações bioquímicas do nitrogênio
Rizóbios - Leguminosas
• etapas da formação de um nódulo:
– reconhecimento: lectinas
– disseminação:
• citocininas
células tetraplóides
– formação dos bacteróides nas células
– leghemoglobina
– maturidade: fixação do nitrogênio
– senescência do nódulo: deterioração
Associação simbiótica rizóbios-leguminosas
Associação simbiótica rizóbios-leguminosas
Redução de acetileno: medida da capacidade fixadora
Transformações bioquímicas do nitrogênio
• Proteólise:
Proteínas Peptídeos  Aminoácidos
• Amonificação (desaminação)
– CH3-CHNH2-COOH + ½O2  CH3-CO-COOH + NH3
» alanina
ác. pirúvico
amônia
» A amônia é rapidamente reciclada, mas uma parte volatiliza
Transformações bioquímicas do nitrogênio
Nitrificação: - produção de nitrato
- Solos bem drenados e pH neutro
Embora seja rapidamente utilizado pelas plantas, também pode ser
lixiviado quando chove muito (muito solúvel).
Uso de inibidores da nitrificação na agricultura
- Etapas:
Nitritação: oxidação de amônia a nitrito
2NH3+ 3O2  2HNO2 + 2H2O
(Nitrosomonas, Nitrosovibrio, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus)
Nitratação: oxidação de nitrito a nitrato
NO2- + ½O2  NO3(Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrospira)
Transformações bioquímicas do nitrogênio
Utilização do nitrato:
• Redução assimilatória: plantas e microrganismos
– NO3- + 8e- + 9H+  NH3 + 3H2O
• Desnitrificação: ocorre em condições de anaerobiose
como aceptor de elétrons.
redução de nitratos a N2 (nitrogênio atmosférico)
– 2NO3  2NO2  2NO  N2O  N2
(Agrobacterium, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus etc.)
- Como o N2 é menos facilmente utilizado que o nitrato como fonte de N, esse
processo é prejudicial pois remove o N fixado no ambiente.
- Por outro lado, é importante no tratamento de efluentes
Transformações bioquímicas do enxofre
As transformações do enxofre são ainda mais complexas que do nitrogênio:
- Devido à variedade de estados de oxidação (-2 a +6) (S-orgânico a sulfato)
- Porém, apenas 3 estados de oxidação se encontram em quantidade
significativas na natureza (-2, 0, +6)
Alguns componentes do ciclo:
• Oxidação do enxofre elementar:
– 2S + 2H2O + 3O2
2H2SO4
2H+
+ SO4=
– ex. Thiobacillus thioxidans
• O S0 também pode ser reduzido pela respiração anaeróbia
Transformações bioquímicas do enxofre
• Degradação (oxid/red) de comp. orgânicos sulfurados:
– cisteína + H2O
ácido pirúvico + NH3 + H2S
• Utilização dos sulfatos:
– plantas
– microrganismos
• S é incorporado a aminoácidos:
» cistina
» cisteína
» metionina
Transformações bioquímicas do enxofre
• Redução de sulfatos (por bactérias amplamente distribuídas na natureza)
– anaerobiose
• CaSO4 + 8H
H2S + Ca(OH)2 + 2H2O
» Desulfovibrio
- Necessidade da presença de compostos orgânicos (doadores de e-)
• Oxidação de sulfato
– bactérias fototróficas
• CO2 + 2H2S
enzimas/luz
(CH2O) + H2O + 2S
Transformações bioquímicas do ferro
Um dos elementos mais abundantes
Naturalmente encontrado em apenas dois estados de oxidação
O O2 é o único aceptor
de elétrons que pode
oxidar o ferro Fe2+, e
em pH neutro.
Em condições ácidas
ocorre o crescimento
de acidófilos oxidantes
do ferro.
Precipitação de depósitos
marrons de ferro
Comum em solos
alagados e pântanos
MS
Nitrogênio
Carbono
Fósforo
Potássio
Cálcio
Magnésio
Ferro
Enxofre
Manganês
Cobre
outros
MS
Resíduos
orgânicos
Máquina
decompositora
MS
MS
MS
Microrganismo
operário
MS
Húmus
Decomposição de restos vegetais no solo: máquina decompositora
operada pelos microrganismos (Siqueira & Franco, 1988)