fixação biológica de nitrogênio

Importância do nitrogênio
• Essencial à sobrevivência e crescimento dos organismos.
Importância do nitrogênio
• Limitante para o crescimento e produtividade das plantas;
• 4º elemento mais abundante;
• 78% da atmosfera terrestre – não disponível;
• N2 – união muito estável impossibilita sua absorção e
assimilação pelos eucariontes;
• Dependem do N da matéria orgânica do solo ou da adição
de fertilizantes nitrogenados.
Importância do nitrogênio
• Processos de transformação N2 em formas disponíveis;
• Quebra da tripla ligação entre os átomos de N;
• Fixação espontânea;
• Fixação industrial;
• Fixação biológica.
FIXAÇÃO INDUSTRIAL
• Haber-Bosch;
• Altas temperaturas (entre 300 e 500 °C);
• Pressões acima de 300 atm;
• Catalisadores a base de ferro;
• Combustíveis fósseis como fonte de energia
N2 + energia fóssil + pressão + 3H2 → 2 NH3
• 100 milhões t/ano – custos financeiros, energéticos e,
sobretudo, ambientais.
FIXAÇÃO BIOLÓGICA (FBN)
• Um dos mais importantes processos realizados;
• Nitrogenase – quebra dos átomos de N à temperatura
ambiente e pressão normal;
• Energia de processos fotossintéticos, quimiossintéticos ou
carboidratos (fermentação ou respiração);
N2 + 16 ATP + 8 é + 8 H+ → 2 NH3 + H2 + 16 ADP+ 16 Pi
• Sistemas fixadores N2 – microrganismos de vida livre,
associativos e simbióticos – diazotróficos.
FIXAÇÃO SIMBIÓTICA DO N2
EM LEGUMINOSAS
• Família – 16000 a 19000 spp / 750 gêneros globais;
• Em importância econômica é superada apenas por
Gramineae;
• Não comum a todas as espécies – particularidade
ecológica;
• Capacidade de nodular e fixar nitrogênio em simbiose com
bactérias do grupo dos rizóbios.
Taxonomia das bactérias capazes de
formar nódulos em leguminosas
• Bactérias conhecidas genericamente como rizóbios;
• Atualmente – 12 gêneros e 62 espécies;
• A maioria das leguminosas ainda não foi investigada.
PROCESSO DE INFECÇÃO
• No solo, os rizóbios podem viver saprofiticamente, quando
em vida livre, na forma de bacilos;
• Presença da leguminosa – desencadeia sinais químicos
pela exsudação de moléculas por suas raízes (flavonóides,
isoflavonóides, chalconas e betaínas);
• Atração
por quimiotaxismo positivo – Fator NOD
(lipoquitooligosacarídeo) – reconhecimento.
PROCESSO DE INFECÇÃO
• Fatores NOD – envolvidos na resposta da planta
hospedeira na despolarização da membrana, deformação
do pêlo radicular, pré-infecção e iniciação dos primórdios
nodulares;
• Importante para determinar a especificidade do rizóbio
ao hospedeiro
PROCESSO DE INFECÇÃO
• Os rizóbios colonizam a rizosfera e multiplicam-se ao
redor dos pêlos radiculares;
• O pêlo encurva-se envolvendo os rizóbios e, por meio da
degradação de uma parte da parede celular do pêlo, a
plasmalema começa a se invaginar;
• Rizóbios invadem o pêlo radicular utilizando o cordão de
infecção – multiplicação – nódulo;
• Aumento de tamanho e alterações bioquímicas –
bacteróides (fixação de N2).
PROCESSO DE INFECÇÃO
PROCESSO DE INFECÇÃO
• Lectinas atuam na adesão das células do rizóbio às
células radiculares do hospedeiro.
Genética e fisiologia da FBN
• Processo de infecção varia de acordo com a planta e a
bactéria – + 60 genes podem estar envolvidos;
• Genes de nodulação e fixação N2:
• Bradyrhizobium,
Azorhizobium
e
Mesorhizobium
–
cromossomo;
• Rhizobium
e Ensifer (Sinorhizobium) – plasmídeo
simbiótico;
• Condições desfavoráveis – perdidos ou transferidos.
Genética e fisiologia da FBN
• O2 necessário para respiração celular – raízes da planta e
bacteróides;
• ↑O2 desativam a enzima nitrogenase;
• Estratégia anatômica: o parênquima do nódulo funciona
como uma barreira de difusão de O2, dificultando sua
entrada;
• Estratégia bioquímica: células vegetais da região central
do nódulo produzem a leghemoglobina;
• Carregador de O2 – garante aos bacteróides o recebimento
do O2 necessário para sua respiração.
Genética e fisiologia da FBN
• Corte do nódulo – maneira prática de saber se os rizóbios
são eficientes em fixar N2;
• Quanto mais vermelho for seu interior mais eficiente;
• Presença da leghemoglobina.
FATORES BIÓTICOS E ABIÓTICOS À
FIXAÇÃOBIOLÓGICA DE N2
• Busca por estirpes mais eficientes e competitivas para
superar as limitações;
• A combinação favorável dos fatores bióticos e abióticos
presentes nos ecossistemas vai determinar o sucesso da
inoculação,
sendo
primordial
o
conhecimento
da
características dos microrganismos a serem introduzidos,
sua adaptabilidade e capacidade competitiva.
FATORES BIÓTICOS À
FIXAÇÃO DE N2
• Tipo de inóculo e a via de inoculação;
• Seleção de cultivares apropriados;
• Controle de pestes e enfermidades;
• Competitividade do rizóbio na rizosfera;
• Sobrevivência saprofítica no solo;
• Interação sinergística e antagônica.
FATORES BIÓTICOS À
FIXAÇÃO DE N2
Competitividade dos rizóbios
• Definida como a relação entre o número de bactérias de
uma determinada estirpe no inóculo e a porcentagem de
nódulos que essa estirpe consegue ocupar nas raízes da
planta hospedeira;
• Bactéria
introduzida – favorecimento devido à
características genéticas ou fisiológicas ou vantagem
numérica;
• Competição com as estirpes naturalizadas ou nativas do
solo.
FATORES BIÓTICOS À
FIXAÇÃO DE N2
• Fatores que influenciam a capacidade competitiva:
- Mobilidade no solo;
- Resposta às substâncias indutoras dos genes de nodulação;
- Velocidade de infecção das raízes;
- Produção de bacteriocina;
- Eficiência da estirpe em formar nódulos;
- Possibilidade de realizar manipulações genéticas.
FATORES ABIÓTICOS À
FIXAÇÃO DE N2
• pH;
• Temperatura;
• Deficiência de nutrientes;
• Metais pesados;
• Luminosidade;
• Estresse hídrico e osmótico.
FATORES ABIÓTICOS À
FIXAÇÃO DE N2
• Grande variação de espécie pra espécie;
• Redução da sobrevivência, com consequente redução da
população bacteriana, combinada com maior instabilidade
genética, frequentemente ligada à redução da eficiência
das estirpes quanto à fixação biológica de nitrogênio;
• Solos ácidos – produção de goma pela estirpe tolerante;
• Contribui para estabilidade do pH citoplasmático;
• Níveis ↑ Ca –integridade da parede celular;
• Troca de sinais fortemente impactada.
FATORES ABIÓTICOS À
FIXAÇÃO DE N2
Luminosidade
• Permeabilidade da membrana do pêlo radicular (fitocromo);
• Biossíntese de etileno – inibe número de nódulos;
• Fotossíntese
– carboidratos para
funcionamento dos nódulos – ↑FBN;
crescimento
e
• ↑ Fotossíntese - ↑biomassa sistema radicular e ↑C fixado
(exsudado);
• Estimulação da atividade microbiana na rizosfera e aumento
da nodulação.
FATORES ABIÓTICOS À
FIXAÇÃO DE N2
Estresse hídrico e osmótico
• Flutuações osmóticas associadas aos períodos de déficit
hídrico - ↓sobrevivência das populações de rizóbio no
solo ou redução no seu crescimento;
• Diferentes níveis de tolerância;
• Simbiose – sensível à salinidade;
• Leguminosas e o processo de iniciação nodular são mais
afetados pelo estresse osmótico e hídrico que o rizóbio.
FIXAÇÃO DO N2 POR
CIANOBACTÉRIAS
• Provavelmente os primeiros organismos a liberar oxigênio
elementar na atmosfera primitiva;
• Teoria da endossimbiose – cloroplastos surgiram da fusão
com um antepassado das cianobactérias atuais;
• Únicas – fotossíntese oxigênica e fixação de nitrogênio
atmosférico;
• Proteção da nitrogenase do efeito deletério do O2 –
condições microaeróbias (heterócitos e diazocitos) ou
condições anóxicas.
FIXAÇÃO DO N2 POR
CIANOBACTÉRIAS
FIXAÇÃO DO N2 POR
CIANOBACTÉRIAS
• Tolerância a ambientes extremos – sucesso colonização;
• Ambientes aquáticos a sistemas terrestres, em solos
tropicais e regiões polares;
• Certos grupos simbiontes do Domínio Eukarya (fungos,
algas, plantas e animais);
• Associações com plantas e fungos permite ao hospedeiro
colonizar habitats pobres em nutrientes e ambientes
hostis.
FIXAÇÃO DO N2 POR
CIANOBACTÉRIAS
• Para contornar o dilema da fixação de N2 e fotossíntese
oxigênica, as cianobactérias diazotróficas desenvolveram
várias estratégias para segregar a fixação de N2 do O2.
CIANOBACTÉRIAS FIXADORAS DE
N2 QUE FORMAM ASSOCIAÇÕES
• Como
organismos fotoautotróficos e fixadores
nitrogênio, as cianobactérias podem fornecer
hospedeiro nitrogênio e ocasionalmente carbono;
de
ao
• Por outro lado, o hospedeiro protege a cianobactéria de
condições ambientais extremas como alta irradiância e
dessecação, ou até mesmo predação.
CIANOBACTÉRIAS FIXADORAS DE
N2 QUE FORMAM ASSOCIAÇÕES
• Estratégias e comportamentos comuns:
- Mudança
do
heterotrófico;
modo
de
vida
autotrófico
para
- Aumento da taxa de fixação de N2, resultante do
aumento da atividade da nitrogenase;
- Aumento do número de heterócitos que geralmente
resulta na maior fixação de N2;
- Diminuição da taxa de crescimento (divisão), só
ocorrendo aumento do volume celular.
CIANOBACTÉRIAS FIXADORAS DE
N2 QUE FORMAM ASSOCIAÇÕES
• Importância econômica na agricultura;
• Folhas de Azolla – fertilização de campos de arroz;
• Nostoc e Anabaena podem aderir raízes de arroz e
colonizá-las;
• Associação Nostoc-Gunnera (angiosperma) – associação
nas glândulas axilares;
• Brasilonema –morte de mudas de eucalipto.
FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO
ASSOCIATIVA E EM VIDA LIVRE
• Maioria diazotróficas de vida livre é heterotrófica –
ecossistemas capazes de prover uma fonte de carbono
utilizável;
• Beijerinkia fluminensis e Beijerinkia indica (aeróbicos) –
rizosfera de cana-de-açucar;
• Klebsiella e Enterobacter (anaeróbicas facultativas);
• Azotobacter e Azomonas (aeróbios);
• Somente 1 caso há forte evidência de que um diazotrófico de
vida livre, Azotobacter paspali, contribua para acumulação de
nitrogênio na planta.
FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO
ASSOCIATIVA E EM VIDA LIVRE
• Diazotróficos
associativos
(endofíticos
facultativos
ou
obrigatórios;
• Capazes de produzir fitohormônio – efeito estimulatório;
• Azospirillum (auxinas, citoquininas e giberilinas) – milho,
arroz, cana-de-açucar, sorgo e gramíneas forrageiras;
• Cana-de-açucar – maior frequência de isolamento raízes,
colmos e folhas – Azospirillum e Herbaspirillum.
FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO
ASSOCIATIVA E EM VIDA LIVRE
• Gramíneas de importância econômica (arroz, trigo, sorgo,
milho e alguma forrageiras) – hospedeiros de diversas
espécies de bactérias endofíticas obrigatórias – aumento de
produção;
• Burkholderia
spp.,
Azoarcus
spp.,
Herbaspirillum
seropedicae, Herbaspirillum rubrisubalbicans;
• Capacidade de fixação do N2 atmosférico:
- Arroz cultivado em sistema inundado 60Kg/ha/ano;
- Cultura da cana-de-açucar 150 Kg/ha/ano.
VANTAGENS DA FBN
 Economia em nitrogênio mineral;
 Redução no custo de produção;
 Redução na emissão de Gases de Efeito Estufa relacionados à
fabricação e uso de adubos químicos que contribuem para o
aquecimento global;
 Ganhos ambientais pela menor poluição de lagos, rios e lençóis
freáticos por nitrato;
 Facilita o sequestro de carbono (fixação de 90 milhões de t de N
equivale ao sequestro de quase 1 bilhão t/ano de carbono);
Por tudo isso, a Fixação Biológica de Nitrogênio é uma das
tecnologias agrícolas contempladas pelo Programa Agricultura de
Baixo Carbono (ABC), coordenado pelo Ministério da Agricultura,
Pecuária e bastecimento (MAPA).