O ciclo do carbono e a matéria orgânica 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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Presentation Transcript

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

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


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

Moreira & Siqueira, 2006


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

Moreira & Siqueira, 2006


As Transformações dos Elementos e a Sustentabilidade Sistema Solo-Planta-Organismos

  • O fluxo dos elementos é complexo e apresenta forte relação e influência do clima e de ações antrópicas

  • É um dos grandes serviços da natureza (valor econômico estimado em US$ 17 trilhões ano-1) – Costanza et al. (1997)


Tempo de reciclagem é 3-4 vezesmenorqueemfloresta

- Solo de floresta é maisprodutivo (oxidação da MO) logo após o desmatamento mas emcurtoespaço de tempo perdeessacapacidade

- Com o tempo háperda de C – Perda da capacidadeprodutiva (degradação)


O Carbono nos ecossistemas ecossistemas naturais (como florestas) em relação aos agrossistemas ou solo sem vegetação.

  • O Carbono compõe 18% da massa na terra: aminoácidos, proteínas, ácidos nucléicos (DNA), lipídios, carboidratos

  • 0.03% da atmosfera é Carbono

  • Principais gases que envolvem a terra: CO2 e CH4

  • Carbono como medida de produtividade


4.10 ecossistemas naturais (como florestas) em relação aos agrossistemas ou solo sem vegetação.18 g

150.1016 g

100.1021 g

380.1017 g

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

quatrilhões


Fluxo ecossistemas naturais (como florestas) em relação aos agrossistemas ou solo sem vegetação.

(emissão)

(sequestro)

Gt

Contém a maior parte do C circulante do planeta

3,4 Gt de C na atmosfera anualmente


Fixação/liberação de C ecossistemas naturais (como florestas) em relação aos agrossistemas ou solo sem vegetação.

  • CO2 fixado via fotossíntese (autotroficamente em compostos biológicos) com liberação de O2

  • Calcula-se que cada molécula de CO2 da atmosfera é fixada via fotossíntese a cada 300 anos


CO ecossistemas naturais (como florestas) em relação aos agrossistemas ou solo sem vegetação.2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas)

Microrganismos


O Carbono e o aquecimento global ecossistemas naturais (como florestas) em relação aos agrossistemas ou solo sem vegetação.

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

  • A maioria desse aumento é devido a queima de combustíveis fósseis e mudanças no uso da terra (desmatamento, queimadas, etc.)



(± 2000 kg C-C02/ha/ano)


  • Funções locais (solo): melhoria das propriedades funcionais do solo (fornecimento de nutrientes, substrato microbiano, propriedades químicas e físicas);

  • Funções fora do local: redução dos sedimentos nos corpos d’água, ação filtrante, efeito tampão na emissão de gases, estabilidade da produção agrícola.


  • Temperatura x Emissão de gases do efeito estufa qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

    - Solos de clima frio apresentam maior liberação de CO2 que solos tropicais quando se eleva a temperatura – Sensibilidade da comunidade microbiana à elevação da temperatura (40 % de aumento na respiração no primeiro ano)

    - O aumento da temperatura global da atmosfera tem potencial de aumentar a liberação de C-CO2 de solos de regiões temperadas, onde, inclusive, existe maior quantidade de C armazenado no solo (alto potencial de aceleração do impacto nas mudanças climáticas)

  • Produção e Absorção de CH4 no Solo

    - O fator controlador da decomposição ou acúmulo de materiais orgânicos em solos anóxicos é a atividade da enzima fenoloxidase (anoxia reduz a atividade desta enzima, promovendo acúmulo de compostos fenólicos que são potentes inibidores das enzimas hidrolíticas)

    - Solos anaeróbios ou encharcados (-200 mV) são importantes reservatórios de C, onde as bactérias metanogênicas podem ter importante papel na emissão de CH4.


A Matéria Orgânica do Solo (MOS) qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

  • Deposição de materiaisorgânicos no solo

    • a) Vegetação

    • - Necromassa (serapilheira e resteva) – reguladapeloaporte e suadecomposição;

    • - Rizodeposição

    • b) Adições de resíduos

  • Deposição do dossel

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

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

    • Emsuperfície (serrapilheira):

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

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


A Matéria Orgânica do Solo (MOS) qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

  • Composição de Materiais Vegetais Depositados no Solo

    • 20 a 50% - Celulose

    • 10 a 30% - Hemicelulose

    • 5 a 30% - Lignina

    • 2 a 15% - Proteína

    • 10% - Substâncias solúveis

    • Ceras, gorduras, etc.

    • No solo:

    • Celulose e hemicellulose < 10%

    • Lignina = 45%

    • Proteinas = 30%


Fatores Determinantes qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

Efeitos sistema solo-planta

- Matéria Orgânica do Solo - Natureza química e origem muito complexa, constituída por material adicionado, seus produtos de transformação, células microbianas, metabólitos microbianos, produtos da sua interação com os componentes inorgânicos do solo e materiais recalcitrantes.


96% respiração total do solo


Biomassa Microbiana qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

Parte viva da matéria orgânica do solo, composta por todos os organismos menores que 5.10-3mm3– Fungos, bactérias, actinobacterias, leveduras e microfauna (protozoários)

  • Cerca de 98% do C-orgânico do solo é matéria orgânica morta

  • 2% do C-orgânico do solo é composto pela fração viva.

5 a 10% - Raízes

15 a 30% - Macrofauna

60 a 80% - Microrganismos

(1 a 5% da MOS total)

BIOMASSA


Decomposição da Matéria Orgânica qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

  • Macrorganismos = reguladores da degradação (engenheiros)

  • Microrganismos = Transformadores

Macrofauna

Representantes no nível trófico mais alto na cadeia

Microrganismos

Decompositores primários

Fluxo de E

Produtores primários


  • Decomposição = qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.Quebra do material orgânico particulado, geralmente na forma de polímeros, em materiais solúveis que são absorvidos pelas células microbianas

actinobactérias e fungosespecialistas


I = material prontamente decomponível qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

II = decomposição de celulose e outros carboidratos e inicio da mineralização da biomassa

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

IV = estádio sucessivo: biomassa diminui e acumula húmus no solo


  • Decomposição = qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.Processo complexo, cuja velocidade do processo pode ser medida por diferentes maneiras:

  • Quantidadede C evoluídacomo CO2 (C-CO2) – portitulação, porexemplo;

  • b) Estimativa da biomassaformada com base naeficiência de conversãomicrobiológica dos substratosemdecomposição;

  • c) Empregando-se modeloscinéticos de decomposição


  • Cálculo da velocidade de decomposição pela qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.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 informações é possível determinar a % de decomposição da palha:

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

  • b) Estimativa da biomassa formada com base na eficiência de conversão microbiológica dos substratos em decomposição;


Degradabilidade dos Constituintes dos Resíduos Orgânicos qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

  • Celulose

  • Polissacarídeo de maior ocorrência natural

  • Insolúvel em água

  • Principal componente dos vegetais

  • Decomposição:

    • Celulase: microrganismos celulolíticos

    • Microrganismos aeróbios: via CTA (ácidos tricarboxílicos)

    • Microrganismos anaeróbios: fermentação (acetato, propionato, H2, CO2, etc.)

    • Solos: úmidos (fungos), semiáridos (bactérias)

    • Fatores: pH, água, temperatura, O2


Decomposição da matéria orgânica qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural. : Celulose

http://www.cchem.berkeley.edu


Decomposição da matéria orgânica qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural. : Celulose

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

    • Endocelulases: hidrolisam as ligações glicosídicas dentro da cadeia

    • Exocelulases ou celobiohidrolases: hidrolisam a partir das pontas

    • Beta glucosidades: clivam a celobiose em monômeros de glicose

http://www.cchem.berkeley.edu


  • Hemicelulose e Pectinas qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

  • Segundo maior componente dos vegetais

  • Polissacarídeo de pentoses, hexoses e ácidos urônicos

  • Ex: Xilanas, mananas e galactanas

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

  • Decomposição:

    • Erwinia, Clostridium, Pseudomonas e Bacillus (xilanas)

      Produzem protopectina, pectina e ácido péctico

    • Fungos patogênicos produzem enzimas que

      facilitam sua penetração


  • Lignina qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

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

  • Biopolímero mais abundante na biosfera (recalcitrância)

  • Estrutura complexa – sub-unidades aromáticas sem ligações idênticas

  • Em materiais lignocelulósicos, protege a celulose e a hemicelulose

  • Baixa velocidade de degradação = Baixa incorporação do C à biomassa microbiana

  • Decomposição:

    • Laccases e peroxidases

    • Teor de lignina: relação inversa com a velocidade

      de decomposição

    • Fungos e bactérias

    • Fatores edáficos influenciam na atividade e

      competição dos decompositores


Decomposição da matéria orgânica qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.: Lignina

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

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

http://www.sigmaaldrich.com


Decomposição da matéria orgânica qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.: Lignina

  • LMEs

    • Manganês peroxidase: catalisa oxidações dependentes de H2O2

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

    • Glioxal oxidase: enzima produtora de H2O2

    • Álcool veratril: mediador para ligação da lignina peroxidase

  • Passos da degradação

    • Quebra das ligações éter entre os monômeros

    • Quebra oxidativa das cadeias laterais de propanos

    • Desmetilação

    • Quebra do anel benzênico a ácido ketoadípico o qual é alimentado no ciclo do ácido tricarboxílico como ácido graxo


  • Amido qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

  • Mistura de polímeros de glicose (amilose e amilopectina)

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

  • Degradação: α-amilases e β-amilases

  • Proteínas

  • Alto teor de N, teoricamente fácil decomposição

  • Pode persistir no solo (adsorção/complexação). Ex: proteínas Cry de plantas transgênicas Bt

  • Associação com taninos, lignina e argilas

  • Degradação: proteases

  • Outros compostos

  • Quitina: importantecomponente do exoesqueleto de artrópodes, daparedecelular de

  • fungos, de algumasalgas e de ovos de nematóides

  • Degradação: quitinases


Fatores que favorecem a decomposição qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

  • Resíduos com baixo teor de lignina ou compostos fenólicos

  • Altos teores de materiais solúveis

  • Partículas de tamanho reduzido com baixa relação C:N

  • Condições físicas e químicas do solo que maximizem a atividade biológica (temperatura entre 30-35 oC, umidade próxima à capacidade de campo e aeração adequada)

  • Ausência de fatores tóxicos no resíduo ou no solo que podem limitar a atividade dos heterotróficos decompositores


Substratos qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

primários

reciclagem


Dinâmica e Manutenção da MOS qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

- O balanço entre a velocidade de deposição e de decomposição determina o acúmulo ou a perda da MOS (variação do conteúdo de MO = COS)

Quantidade perdida de C

Variação temporal do COS

Quantidade adicionada de C

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

K1 = fração de A que permanece no solo após 1 ano

K2C = razão de perda de COS/ano


Dinâmica e Manutenção da MOS qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

- O balanço entre a velocidade de deposição e de decomposição determina o acúmulo ou a perda da MOS (variação do conteúdo de MO = COS)

= adições x fração retira ÷ estoque inicial

= 4,2 x 0,129 ÷ 32,5

K2 = 0,0166

K2 = 0,0181

K2 = 0,0314

Para manter o COT


Compartimentalização e Frações da MOS qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

Principais Frações:

- MO protegida quimicamente: interações com colóides orgânicos e minerais

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

Tempo de reciclagem diminui, variando de poucos meses a vários séculos

- C-Lábil: materiais parcialmente decompostos, resíduos microbianos, células vivas e produtos da transformação

- C-Biomassa: biomassa microbiana


  • Considerado um estado indefinido da MOS

  • Formado por moléculas recalcitrantes de origem vegetal e microbiana

  • Rico em compostos fenólicos derivados da lignina

  • Grande estabilidade química

  • Subproduto da decomposição dos resíduos orgânicos

  • Efeitos do húmus no solo:

    • Melhora condições físicas

    • Aumenta a reserva de nutrientes

    • Aumenta a CTC, superfície específica

      e efeito tampão (estabilidade)

    • Efeitos fisiológicos sobre plantas

    • Quelantes de metais e poluentes

      Substâncias húmicas contêm até 90%

      do N e 80% do P orgânico do solo)


Mineralização da Matéria Orgânica qual tem numerosas funções locais (solo) e fora do local, tornando-se um valioso recurso natural.

  • Processo de transformação de substâncias orgânicas de baixo peso molecular em formas inorgânicas.

  • Última etapa da transformação dos materiais orgânicos no solo a qual ocorre simultaneamente com a imobilização de nutrientes minerais para atender a demanda nutricional da microbiota decompositora


FATOR N – Expressa o grau em que o resíduo é deficiente no nutriente para a decomposição.

- É definido como o número de unidades de N-inorgânico necessário para a mineralização de 100 unidades de material orgânico, sem que ocorra imobilização líquida de N do solo

Alternativas para Evitar Deficiências de N

  • Incorporar os resíduos com alta relação C:N, no mínimo 60 dias antes do plantio;

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

  • Manutenção dos restos culturais na superfície do solo

  • Fazer a compostagem do material antes de sua aplicação, reduzindo a relação C:N.


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