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  1. Microbiologia do Solo

  2. 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

  3. 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

  4. O solo como hábitat microbiano Principais fatores que afetam a atividade: - Umidade - Status nutricional

  5. Rizosfera Região onde o solo e as raízes das plantas entram em contato O efeito rizosférico

  6. 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

  7. Constituintes do solo • Água • livre: poros do solo • adsorvida: ligada aos colóides (argilas) • Gases: • CO2, O2, N2 ... • composição variável em função dos processos biológicos

  8. Constituintes do solo • Sistemas biológicos: • plantas • animais • Microrganismos: grande diversidade e abundância • Dependendo de: • nutrientes • umidade • aeração • temperatura • pH • interações

  9. Presença de microrganismos nas várias profundidades do solo Profundidade Umidade Mat. orgânica Bactérias Fungos (cm) (%) (%) (x 106)/g (m/g) aeróbias anaeróbias 0 - 8 18,2 4,4 24 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

  10. 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

  11. 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

  12. 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, ...

  13. 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

  14. O ciclo do carbono Principais reservatórios de carbono na Terra Reservatório Carbono (gigatons) % total de carbono na Terra Oceanos 38 x 103 (>95% C inorgânico) 0,05 Rochas e sedimentos 75 x 106 (>80% C inorgânico) > 99,5 Biosfera terrestre 2 x 103 0,003 Biosfera aquática 1-2 0,000002 Combustíveis fósseis 4,2 x 103 0,006 Hidratos de metano 104 0,014

  15. 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

  16. 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 2 glicose -glicosidase Glicose + 6CO2 6CO2 + 6H2O

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. Associação simbiótica rizóbios-leguminosas

  21. Associação simbiótica rizóbios-leguminosas

  22. Redução de acetileno: medida da capacidade fixadora

  23. 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

  24. 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)

  25. 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

  26. 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. Thiobacillusthioxidans • O S0 também pode ser reduzido pela respiração anaeróbia

  27. 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

  28. 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 (CH2O) + H2O + 2S • enzimas/luz

  29. 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. Comum em solos alagados e pântanos Precipitação de depósitos marrons de ferro