O ciclo do carbono e a matria orgnica do solo
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O ciclo do carbono e a matéria orgânica do solo. Introdução. Microrganismos e as atividades biológicas Solo: maior reservatório de microrganismos do planeta 1 hectare de solo contém cerca de 0,5-4 toneladas de microrganismos

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O ciclo do carbono e a matéria orgânica do solo

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Presentation Transcript


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

O ciclo do carbono e a matria orgnica do solo


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Introduo

  • Microrganismos e as atividades biolgicas

  • Solo: maior reservatrio de microrganismos do planeta

    • 1 hectare de solo contm cerca de 0,5-4 toneladas de microrganismos

    • direta ou indiretamente recebe todos os dejetos dos seres vivos (ciclagem com valor econmico estimado de U$ 1280/ha-1/ano)


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Transformaes e Ciclagem de C, N, P e S no Sistema Solo-Planta Mediados pela Microbiota do Solo

Moreira & Siqueira, 2006


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Processos do Fluxo de Energia, Carbono e Nutrientes no Sistema Solo-Planta-Organismos

Moreira & Siqueira, 2006


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

As Transformaes dos Elementos e a Sustentabilidade

  • O fluxo dos elementos complexo e apresenta forte relao e influncia do clima e de aes antrpicas

  • um dos grandes servios da natureza (valor econmico estimado em US$ 17 trilhes ano-1) Costanza et al. (1997)


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Maior quantidade de C e nutrientes armazenada nos ecossistemas naturais (como florestas) em relao aos agrossistemas ou solo sem vegetao.

Tempo de reciclagem 3-4 vezesmenorqueemfloresta

- Solo de floresta maisprodutivo (oxidao da MO) logo aps o desmatamento mas emcurtoespao de tempo perdeessacapacidade

- Com o tempo hperda de C Perda da capacidadeprodutiva (degradao)


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

O Carbono nos ecossistemas

  • O Carbono compe 18% da massa na terra: aminocidos, protenas, cidos nuclicos (DNA), lipdios, carboidratos

  • 0.03% da atmosfera Carbono

  • Principais gases que envolvem a terra: CO2 e CH4

  • Carbono como medida de produtividade


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

4.1018 g

150.1016 g

100.1021 g

380.1017 g

1 Pg = 1 Gt = 1,000,000,000,000,000 g

quatrilhes


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Fluxo

(emisso)

(sequestro)

Gt

Contm a maior parte do C circulante do planeta

3,4 Gt de C na atmosfera anualmente


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Fixao/liberao de C

  • CO2 fixado via fotossntese (autotroficamente em compostos biolgicos) com liberao de O2

  • Calcula-se que cada molcula de CO2 da atmosfera fixada via fotossntese a cada 300 anos


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

CO2 na atmosfera/ano (bilhes de toneladas)

Microrganismos


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

O Carbono e o aquecimento global

  • CO2 aumentou em mais de 30% desde a revoluo industrial (C-CO2 aumentou 31% e C-CH4 145%)

  • A maioria desse aumento devido a queima de combustveis fsseis e mudanas no uso da terra (desmatamento, queimadas, etc.)


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Reter carbono no solo por meio da adoo de prticas conservacionistas ou pela restaurao de reas degradadas, alm de melhorar sua qualidade, pode representar importante servio ambiental (Reduo do Efeito Estufa)


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Somente a reteno de C insuficiente para estabelecer se o solo atua como fonte ou dreno de C-CO2.

( 2000 kg C-C02/ha/ano)


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • O solo deve ser manejado para evitar o esgotamento da MOS, a qual tem numerosas funes locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

  • Funes locais (solo): melhoria das propriedades funcionais do solo (fornecimento de nutrientes, substrato microbiano, propriedades qumicas e fsicas);

  • Funes fora do local: reduo dos sedimentos nos corpos dgua, ao filtrante, efeito tampo na emisso de gases, estabilidade da produo agrcola.


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Temperatura x Emisso de gases do efeito estufa

    - Solos de clima frio apresentam maior liberao de CO2 que solos tropicais quando se eleva a temperatura Sensibilidade da comunidade microbiana elevao da temperatura (40 % de aumento na respirao no primeiro ano)

    - O aumento da temperatura global da atmosfera tem potencial de aumentar a liberao de C-CO2 de solos de regies temperadas, onde, inclusive, existe maior quantidade de C armazenado no solo (alto potencial de acelerao do impacto nas mudanas climticas)

  • Produo e Absoro de CH4 no Solo

    - O fator controlador da decomposio ou acmulo de materiais orgnicos em solos anxicos a atividade da enzima fenoloxidase (anoxia reduz a atividade desta enzima, promovendo acmulo de compostos fenlicos que so potentes inibidores das enzimas hidrolticas)

    - Solos anaerbios ou encharcados (-200 mV) so importantes reservatrios de C, onde as bactrias metanognicas podem ter importante papel na emisso de CH4.


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

A Matria Orgnica do Solo (MOS)

  • Deposio de materiaisorgnicos no solo

    • a) Vegetao

    • - Necromassa (serapilheira e resteva) reguladapeloaporte e suadecomposio;

    • - Rizodeposio

    • b) Adies de resduos

  • Deposio do dossel

    • floresta tropical: 10,5 Mg de matriaseca/ha/ano

    • florestatemperada: 4,0 Mg de matriaseca/ha/ano

    • Emsuperfcie (serrapilheira):

    • floresta tropical: 3,2 Mg/ha (k = 3,3)

    • florestatemperada: 8,4 Mg/ha (k = 0,5)


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

A Matria Orgnica do Solo (MOS)

  • Composio de Materiais Vegetais Depositados no Solo

    • 20 a 50% - Celulose

    • 10 a 30% - Hemicelulose

    • 5 a 30% - Lignina

    • 2 a 15% - Protena

    • 10% - Substncias solveis

    • Ceras, gorduras, etc.

    • No solo:

    • Celulose e hemicellulose < 10%

    • Lignina = 45%

    • Proteinas = 30%


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Fatores Determinantes

Efeitos sistema solo-planta

- Matria Orgnica do Solo - Natureza qumica e origem muito complexa, constituda por material adicionado, seus produtos de transformao, clulas microbianas, metablitos microbianos, produtos da sua interao com os componentes inorgnicos do solo e materiais recalcitrantes.


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Atividade Decompositora no Solo

96% respirao total do solo


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Biomassa Microbiana

Parte viva da matria orgnica do solo, composta por todos os organismos menores que 5.10-3mm3 Fungos, bactrias, actinobacterias, leveduras e microfauna (protozorios)

  • Cerca de 98% do C-orgnico do solo matria orgnica morta

  • 2% do C-orgnico do solo composto pela frao viva.

5 a 10% - Razes

15 a 30% - Macrofauna

60 a 80% - Microrganismos

(1 a 5% da MOS total)

BIOMASSA


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Decomposio da Matria Orgnica

  • Macrorganismos = reguladores da degradao (engenheiros)

  • Microrganismos = Transformadores

Macrofauna

Representantes no nvel trfico mais alto na cadeia

Microrganismos

Decompositores primrios

Fluxo de E

Produtores primrios


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Decomposio = Quebra do material orgnico particulado, geralmente na forma de polmeros, em materiais solveis que so absorvidos pelas clulas microbianas

actinobactrias e fungosespecialistas


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

I = material prontamente decomponvel

II = decomposio de celulose e outros carboidratos e inicio da mineralizao da biomassa

III = continua a decomposio da celulose e da biomassa e inicia-se o ataque lignina

IV = estdio sucessivo: biomassa diminui e acumula hmus no solo


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Decomposio = Processo complexo, cuja velocidade do processo pode ser medida por diferentes maneiras:

  • Quantidadede C evoludacomo CO2 (C-CO2) portitulao, porexemplo;

  • b) Estimativa da biomassaformada com base naeficincia de conversomicrobiolgica dos substratosemdecomposio;

  • c) Empregando-se modeloscinticos de decomposio


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Clculo da velocidade de decomposio pela estimative da biomassa

  • Exemplo:

  • 02 frascos com 100 gramas de solo cada:

  • 500 mg de palha de trigo contendo 45% de C

  • Incubados / 14 dias (umidade e T controladas)

    • Com palha: 94,6 mg de C-CO2

    • Sem palha: 18,1 mg de C-CO2

  • Com essas informaes possvel determinar a % de decomposio da palha:

  • a) Quantidade de C evoluda como CO2 (C-CO2);

  • b) Estimativa da biomassa formada com base na eficincia de converso microbiolgica dos substratos em decomposio;


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Degradabilidade dos Constituintes dos Resduos Orgnicos

  • Celulose

  • Polissacardeo de maior ocorrncia natural

  • Insolvel em gua

  • Principal componente dos vegetais

  • Decomposio:

    • Celulase: microrganismos celulolticos

    • Microrganismos aerbios: via CTA (cidos tricarboxlicos)

    • Microrganismos anaerbios: fermentao (acetato, propionato, H2, CO2, etc.)

    • Solos: midos (fungos), semiridos (bactrias)

    • Fatores: pH, gua, temperatura, O2


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Decomposio da matria orgnica : Celulose

http://www.cchem.berkeley.edu


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Decomposio da matria orgnica : Celulose

  • Fungos possuem dezenas de enzimas capazes de degradar essa substancia insolvel

    • Endocelulases: hidrolisam as ligaes glicosdicas dentro da cadeia

    • Exocelulases ou celobiohidrolases: hidrolisam a partir das pontas

    • Beta glucosidades: clivam a celobiose em monmeros de glicose

http://www.cchem.berkeley.edu


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Hemicelulose e Pectinas

  • Segundo maior componente dos vegetais

  • Polissacardeo de pentoses, hexoses e cidos urnicos

  • Ex: Xilanas, mananas e galactanas

  • Pectinas = importante componente da lamela mdia da parede celular das plantas

  • Decomposio:

    • Erwinia, Clostridium, Pseudomonas e Bacillus (xilanas)

      Produzem protopectina, pectina e cido pctico

    • Fungos patognicos produzem enzimas que

      facilitam sua penetrao


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Lignina

  • 25% da fitomassa seca produzida na biosfera (35% da madeira)

  • Biopolmero mais abundante na biosfera (recalcitrncia)

  • Estrutura complexa sub-unidades aromticas sem ligaes idnticas

  • Em materiais lignocelulsicos, protege a celulose e a hemicelulose

  • Baixa velocidade de degradao = Baixa incorporao do C biomassa microbiana

  • Decomposio:

    • Laccases e peroxidases

    • Teor de lignina: relao inversa com a velocidade

      de decomposio

    • Fungos e bactrias

    • Fatores edficos influenciam na atividade e

      competio dos decompositores


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Decomposio da matria orgnica: Lignina

  • Produtos/enzimas do processo oxidativo para a quebra da lignina

    • Enzimas modificadoras de lignina (LME): catalisam oxidaes dependentes de H2O2

http://www.sigmaaldrich.com


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Decomposio da matria orgnica: Lignina

  • LMEs

    • Mangans peroxidase: catalisa oxidaes dependentes de H2O2

    • Lacase (Cu): catalisa a desmetilao dos componentes da lignina

    • Glioxal oxidase: enzima produtora de H2O2

    • lcool veratril: mediador para ligao da lignina peroxidase

  • Passos da degradao

    • Quebra das ligaes ter entre os monmeros

    • Quebra oxidativa das cadeias laterais de propanos

    • Desmetilao

    • Quebra do anel benznico a cido ketoadpico o qual alimentado no ciclo do cido tricarboxlico como cido graxo


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Amido

  • Mistura de polmeros de glicose (amilose e amilopectina)

  • Poucosmicrorganismosaptos degradao (actinobacterias, Aspergillus, Rhizopus, Mucor, Penicillium, etc.)

  • Degradao: -amilases e -amilases

  • Protenas

  • Alto teor de N, teoricamente fcil decomposio

  • Pode persistir no solo (adsoro/complexao). Ex: protenas Cry de plantas transgnicas Bt

  • Associao com taninos, lignina e argilas

  • Degradao: proteases

  • Outros compostos

  • Quitina: importantecomponente do exoesqueleto de artrpodes, daparedecelular de

  • fungos, de algumasalgas e de ovos de nematides

  • Degradao: quitinases


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Fatores que favorecem a decomposio

  • Resduos com baixo teor de lignina ou compostos fenlicos

  • Altos teores de materiais solveis

  • Partculas de tamanho reduzido com baixa relao C:N

  • Condies fsicas e qumicas do solo que maximizem a atividade biolgica (temperatura entre 30-35 oC, umidade prxima capacidade de campo e aerao adequada)

  • Ausncia de fatores txicos no resduo ou no solo que podem limitar a atividade dos heterotrficos decompositores


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Substratos

primrios

reciclagem


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Dinmica e Manuteno da MOS

- O balano entre a velocidade de deposio e de decomposio determina o acmulo ou a perda da MOS (variao do contedo de MO = COS)

Quantidade perdida de C

Variao temporal do COS

Quantidade adicionada de C

A = C fotossintetizado adicionado anualmente que a quantidade de COS adicionado anualmente

K1 = frao de A que permanece no solo aps 1 ano

K2C = razo de perda de COS/ano


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Dinmica e Manuteno da MOS

- O balano entre a velocidade de deposio e de decomposio determina o acmulo ou a perda da MOS (variao do contedo de MO = COS)

= adies x frao retira estoque inicial

= 4,2 x 0,129 32,5

K2 = 0,0166

K2 = 0,0181

K2 = 0,0314

Para manter o COT


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Compartimentalizao e Fraes da MOS

Principais Fraes:

- MO protegida quimicamente: interaes com colides orgnicos e minerais

- MO protegida fisicamente: presente nos agregados e interagregados do solo

Tempo de reciclagem diminui, variando de poucos meses a vrios sculos

- C-Lbil: materiais parcialmente decompostos, resduos microbianos, clulas vivas e produtos da transformao

- C-Biomassa: biomassa microbiana


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Substncias hmicas (Hmus)

  • Considerado um estado indefinido da MOS

  • Formado por molculas recalcitrantes de origem vegetal e microbiana

  • Rico em compostos fenlicos derivados da lignina

  • Grande estabilidade qumica

  • Subproduto da decomposio dos resduos orgnicos

  • Efeitos do hmus no solo:

    • Melhora condies fsicas

    • Aumenta a reserva de nutrientes

    • Aumenta a CTC, superfcie especfica

      e efeito tampo (estabilidade)

    • Efeitos fisiolgicos sobre plantas

    • Quelantes de metais e poluentes

      Substncias hmicas contm at 90%

      do N e 80% do P orgnico do solo)


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

Mineralizao da Matria Orgnica

  • Processo de transformao de substncias orgnicas de baixo peso molecular em formas inorgnicas.

  • ltima etapa da transformao dos materiais orgnicos no solo a qual ocorre simultaneamente com a imobilizao de nutrientes minerais para atender a demanda nutricional da microbiota decompositora


O ciclo do carbono e a mat ria org nica do solo

  • Substratos adicionados normalmente apresentam relao C:N > 20:1 e, por isso, h um dficit acentuado de N.

FATOR N Expressa o grau em que o resduo deficiente no nutriente para a decomposio.

- definido como o nmero de unidades de N-inorgnico necessrio para a mineralizao de 100 unidades de material orgnico, sem que ocorra imobilizao lquida de N do solo

Alternativas para Evitar Deficincias de N

  • Incorporar os resduos com alta relao C:N, no mnimo 60 dias antes do plantio;

  • Adicionar fertilizantes nitrogenados sempre que os resduos de alta relao C:N forem incorporados ao solo destinados ao plantio imediato;

  • Manuteno dos restos culturais na superfcie do solo

  • Fazer a compostagem do material antes de sua aplicao, reduzindo a relao C:N.


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