Capítulo07-TransformaçõesBioquímicaseCiclosdosElementosnoSolo1

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(1)21/10/2011. Transformações Bioquímicas e Ciclos dos Elementos no Solo Prof. Paulo Henrique Grazziotti Microbiologia do Solo. 7. Transformações Bioquímicas e Ciclos dos Elementos no Solo 7.1. As transformações dos elementos e a sustentabilidade.  Solo e Biota  componentes essenciais da ciclagem de energia e elementos  “Serviços da natureza”  Ciclagem de energia e  Ciclagem dos elementos valor estimado US$ 1.280,00 ha-1 ano-1.  30% do “PIB verde” (US$ 33 trilhões) .  ao PIB econômico mundial (US $ 18 trilhões ano-1).  Fluxo dos elementos X Clima X Ação antrópica. Relação entre características ambientais, processos no solo e funções do ecossistema que determinam as transformações e fluxos dos elementos no solo. Relação dos principais mecanismos e processos biológicos importantes dos ciclos dos elementos no solo (Siqueira, 1993) Elemento. Processo. Mecanismo. Importância. Incorporação de C e  Atividade microbiana energia CO2 e  Formação de húmus nutrientes  Fertilidade do solo  Concentração CO2 atmosfera N Amonificação N-org.  NH3  Aumenta N disponível I bili Imobilização ã NO3 e NH4  N-org. N  Reduz N disponível Nitrificação NH4  NO3  Lixiviação do N Desnitrificação NO3  N2O, N2  Perdas N forma gas Fixação biológica N2  N-org.  Incorporação de N P Mineralização P-org.  PO4  Aumenta P disponível PO4  P-org. Imobilização  Reduz P disponível P-insolúvel  PO4 Solubilização  Aumenta P disponível S Mineralização S-org.  SO4  Aumenta S disponível Oxidação SO  SO4  Provoca acidificação Redução SO4  H2S  Perda de S e fitotoxidez Outros Oxi-redução M ox.  M red.  Solubilidade, toxidez e Solubilização poluição C.  Interferência humana nos ciclos biogeoquímicos dos elementos (Falkowski et al., 2000). Fotossíntese, Decomposição Mineralização. Ilustração dos principais compartimentos e processos de adição, retirada e transformação dos elementos no sistema solo-planta.. a) a queima de combustíveis fósseis e a mudança no uso da terra  aumento de 13 % no fluxo de C-CO2 para atmosfera b) a queima de combustíveis fósseis e a produção de fertilizantes  eleva em 108 % a intensidade do fluxo de N reativo. c) a mineração de fontes de P  aumento de 400 % a magnitude do fluxo de P na biosfera . d) a queima i de d combustíveis b tí i fósseis fó i e o desmatamento d t t  contribuí em 113 % para elevar a emissão de S para a atmosfera. e) o desbalanço entre precipitação e o uso da água  alterado em 16 % os fluxos de O e H (H2O). f). a carga de material em suspensão no rios  almentando em 200 %..  As transformações e os fluxos dos elementos no solo estão estritamente ligados ao do Corg. Setas mais largas indicam a intensidade e a relevância relativa do processo. 1.

(2) 21/10/2011. Mantida. SUSTENTABILIDADE “Equilíbrio”. Fluxo e estoque de C em floresta tropical da reserva Jará-Rondônia.. Comprometida. FUNCIONALIDADE DO ECOSSISTEMA (estabilidade e resiliência) Cadeia trófica Equilíbrio biológico. Fluxo hídrico Proteção do solo e fauna. VEGETAÇÃO QUALIDADE DO SOLO Pe rda. SUSTENTÁVEL. Conservação. Redução. Manutenção. NÃO SUSTENTÁVEL. Retira da. Entrada. Ciclagem de. Fotossíntese Fluxo de energia nutrientes Heterotrofia Biodiversidade Biomassa/húmus. (atividade). Mineralização Transformação Disponibilidade Absorção. Ampla e funcional (redundância e estabilidade). * Contribuição relativa de raízes e respiração do solo.. OS PILARES DA SUSTENTABILIDADE. Florestas temperadas  altos teores e compostos aromáticos  baixos teores de K, Ca, Mg, etc.. Dificultando a decomposição. Florestas tropicais  alta intensidade dos processos biológicos. Ecossistem a frágil.  Susceptíveis perda de MO e nutrientes  > quantidade de C e nutrientes é armazenada nos ecossistemas naturais.. X. Solos desmatados são produtivos por pouco tempo.. 2.

(3) 21/10/2011. 7.2. Carbono 7.2.1. As transformações e o ciclo Estoque (1015 g C) e fluxo (1015 g C ano-1) de C nos principais componentes da biosfera mostrando as fontes e os drenos de C na atmosfera (Bolin & Fung, 1992; Falkowski et al., 2000). O fluxo total de nutrientes no sistema solo-planta pode atingir 400 kg ha-1 ano-1. 7.2.2. Emissão e sequestro de C do solo Qdade total de nutrientes nas plantas/ nutrientes no solo. <1 Sustentável. >1.  Ação antrópica Ano. C-CO2 atmosférico, mg L-1. 1850. 280. 2000. 370. 31 %. Pouco sustentável.  Aumento anual de 1%  50 % das causas do “Efeito estufa” Ex.: floretas sob solos arenosos e pobres em nutrientes.  Metano (C-CH4)  aumento de 145%, aumento anual médio de 0,5 a 1%  Seqüestro de C  balanço entre fotossíntese e respiração  ideal: fotossíntese  respiração. 3.

(4) 21/10/2011. Causas do aumento da emissão de CO2 (506 bilhões de t). Tabela 7.8.  Queima de combustível fósseis  Desmatamento. Tabela 7.9. Tabela 7.10. Corg X C adicionado em sistemas de cultivos. dC/dt(Mg/h ha/ano). PD (dC/td=-0,54+0,129C) PR (dC/td=-0,59+0,081C) PC (dC/td=-1,02+0,115C) Plantio direto (PD) Plantio reduzido (PR) dC/td ≠ 0) Plantio convencional (PC). C adicionado, Mg/ha/ano. 1. Aveia/milho sem N 2. Ervilha/milho sem N 3. Aveia+ervilha/milho+cau pi sem N 4. Aveia/milho com N 5. Ervilhaca/milho com N 6. Aveia/milho+caupi sem N. Variação do Corrg do solo (Mg/ha/a ano). C adicionado X variação do estoque em sistemas de cultivos. PD Manual. PC. C adicionado ao solo, Mg/ha/ano. 4.

(5) 21/10/2011.  Recomendações para manter o solo seguestrando C a) Não remover os restos culturais do solo b) Evitar o revolvimento do solo c) Mantê-lo sempre coberto por vegetação com abundante sistema radicular e a máxima diversidade possível d) Praticar rotação de culturas, pousios e rotação no uso de agroquímicos para ampliar a diversidade biológica no agrossistema. agrossistema e) Adotar práticas de manejo integrado para maximizar o uso de recursos e, assim, minimizar a aplicação de insumos químicos. f). Promover a integração de sistemas de produção agrosilvopastoril. g) Propiciar ações para recuperação de solos degradados ou marginais.. Consequências do esgotamento da M.O.S.. MO x sociedade  Funções locais (solo) • Fornecimento de nutrientes • Substrato microbiano • Propriedades químicas e físicas..  Funções fora do local • Redução de sedimentos nos corpos d´água • Ação filtrante de poluentes químicos • Biodegradação de substâncias tóxicas • Efeito tampão na emissão de gases do efeito estufa • Estabilidade da produção agrícola (efeito econômico e social).  Efeito estufa (temperatura) x atividade biológica do solo  Elevação da temperatura do solo de 25 para 35 oC triplicou o C mineralizado.  Este efeito é mais acentuado em solos de clima frio  Temperatura Global  está aumentando 0,2 a 0,5oC/década  aumenta a atividade microbiana e a liberação de CO2  efeito mais acentuado no hemisfério norte  Metano de origem biogênica  terras encharcadas, arroz inundado, fermentação entérica e dejetos animais, tratamento de esgoto e lixões • OBS: no arroz 75% do CH4 produzida é transformado p/ CO2 na região aeróbia (produzida pela planta) por bactérias metanotróficas (Methylomonas, Methylococcus e Methylosinus). Moreira e Siqueira, 2006. 7.2.3. A reciclagem de materiais de matriz orgânica  Produção de lixo/esgoto .  Lixo  500 a 700 g habitante-1 dia-1. • No Brasil: perde-se com a não reciclagem 5,0 bilhões dólares por ano..  Esgoto  40 g de matéria seca habitante-1 dia-1. • No Brasil: quando o tratamento de esgoto atingir 50 % da população haverá uma produção de 1,0 milhoes de toneladas..  Biossólido  material resultante do tratamento biológico do esgoto  Valor agronômico   R$ 10,00/t base seca  Composição por kg  250 g de MO decomponível  80 g de N  10 g de P  22 g de Ca.  Outros resíduos (Principais). 5.

(6) 21/10/2011. Resíduos e seus perigos para o meio ambiente e a saúde a) Liberação de gases malcheirosos e metais pesados b) Liberação ou formação de orgânicos poluentes e de compostos mutagênicos, teratogênicos e carcinogênicos. c) Contaminação do solo, solo alimentos e corpos d d’água água por nutrientes inorgânicos poluidores como nitratos, fosfatos e metais pesados. d) Transmissão de doenças para o homem e animais e atração de insetos indesejáveis e) Liberação de odores desagradáveis e com reações alérgicas, tais como metabólitos microbianos e amônia.. Produtividade relativa (% da adubação mineral) do milho em resposta a doses crescentes (base seca) de um biossólido industrial. (Trannin et al. 2005).  Classes de logo Característica Coliformes fecais, NMP. Classes g-1. lodo seco. A. B. < 1.000. < 2.000. Salmonella, NMP g-1 lodo seco. <4. Vírus entéricos, UFP g-1 lodo seco. <1.  Limites para aplicação no solo. Práticas de higienização dos lodos para sua carga biológica de patógenos  Digestão  Calagem para elevação do pH  Compostagem  Pasteurização.  eficácia de 50 a aproximadamente 100 %. 6.

(7) 21/10/2011.  Para aplicação de resíduos sólidos é necessário:  Planos de aplicação  Monitoramento  Aprovados por órgãos ambientais.  O plano técnico de aplicação baseia-se: a) Caracterização do material: além da classificação quanto ao tipo de resíduo, composição, patógenos, MO, taxa de minaralização e capacidade de neutralização. b) Caracterização do local: localização na paisagem, tipo de solo e uso da terra e cultura. c) Taxa de aplicação: N disponível, metais pesados, teor de outros elementos e carga orgânica. d) Impactos ambientais: atração de vetores, odores desagradáveis e outros impactos..  Resíduos da suinocultura  Extremamente poluidores. – 7.2. Nitrogênio.  Elevada carga microbiológica. – 7.2.1. Aspectos gerais.  Suinocultura: objeto de licenciamento ambiental. Distribuição geral:.  Resíduos da bovinocultura  Rebanho brasileiro = 190 milhões  Produção diária por cabeça = 24 kg com 80 % de umidade. Locais.  Composição (%). R h Rochas, fundo f d dos d oceanos e sedimentos di t. 1 0 x 1023 1,0 3,9 x 1021. •. 0,55 % de N. •. 0,25 % de P2O5. Atmosfera (78% é N2). •. 0,60 % de K2O. Biosfera.  Correspondendo a 25 milhões de Mg de N, P2O5 e K2O  > que ao que se consome de fertilizantes por ano = 9,6 milhões de Mg de N, P2O5 e K2O. M.O. Biomassa microbiana. Estoque de N, g. 2,8 a 6,5 x 1021 3 a 5,5 x 1017 1,5 x 1015.  5 % dos animais estão disponíveis para a coleta = 1 milhões de Mg de N, P2O5 e K2O. Distribuição na biosfera:. Valores típicos de N: Plantas C/N = 150 Animais Microbiota C/N = 10 a 15. M.O. morta Organismos vivos. 4% 96%. 94%. 4% 2%. Locais Solo: N2. N-orgânico. N-NH4+ N-NO3Planta:. N, kg ha-1. 11.500 11 500 7.250 10 50 250. 7.

(8) 21/10/2011. Subciclos, compartimentos e transformações biológicas do N no solo. Reações de amonificação, nitrificação, desnitrificação e imobilização. N2O N N-orgânico â i Amonifição. NH3. +H -H. NH4. NO2. NO3. Nitrificação. Imobilização.  Adição e perda de N no solo. Adição. Perdas. FBN: 50 a 500 kg 40 %. 2X 72 %. Lixiviação: até 500 kg ha-1 ano-1. ha-1. Mineralização: 2 a 5% do Norgânico Reposição pelas chuvas: 5 a 20 kg ha-1 ano-1 Fertilização: 50 a 400 kg ha-1 ano-1. Erosão: 40 a 150 kg ha-1 ano-1 Extração pelas culturas: 10 a 300 kg ha-1 Volatilização/desnitrificação: 10 a 80% do N aplicado Imobilização no solo: 25 a 30% do N aplicado. 7.3.2. Mineralização/Imobilização.  Interferências antrópicas  grande significado  Desmatamento Cultivo de não leguminosas (fertilizantes nitrogenados)  acelera a mineralização da M.O.  Plantio direto e de leguminosas  aumenta o teor de N no solo.  N-org.. Mineralização. NH3. aerobiose. NO3-.  N-org. do solo  proteínas, peptídeos, bases nitrogenadas, peptidioglicano, ác. nucléicos e outros  24 a 37%  Açúcares aminados  5 a 10%  Formas complexas   50%  Teor de N nos solos  varia de 1.000 a 6.000 kg ha-1. 8.

(9) 21/10/2011.  Contribuição das frações de N no solo.  2 a 5% do reservatório total de N-org. é mineralizado a cada ano  Um solo com 0,9 g kg-1 de N  2.700 kg de N ha-1 (camada arável) 11 %.  54 a 135 kg de N ha-1 ano-1. 64 %.  Outro solo com 3,8 g kg-1 de N  11.400 kg de N ha-1 (camada arável)  228 a 570 kg de N ha-1 ano-1. Relação dos principais mecanismos e processos biológicos importantes dos ciclos dos elementos no solo (Siqueira, 1993) Elemento. Processo. Mecanismo. Importância. Incorporação de C e  Atividade microbiana energia CO2 e  Formação de húmus nutrientes  Fertilidade do solo  Concentração CO2 atmosfera N Amonificação N-org.  NH3  Aumenta N disponível I bili Imobilização ã NO3 e NH4  N-org. N  Reduz N disponível Nitrificação NH4  NO3  Lixiviação do N Desnitrificação NO3  N2O, N2  Perdas N forma gas Fixação biológica N2  N-org.  Incorporação de N P Mineralização P-org.  PO4  Aumenta P disponível PO4  P-org. Imobilização  Reduz P disponível P-insolúvel  PO4 Solubilização  Aumenta P disponível S Mineralização S-org.  SO4  Aumenta S disponível Oxidação SO  SO4  Provoca acidificação Redução SO4  H2S  Perda de S e fitotoxidez Outros Oxi-redução M ox.  M red.  Solubilidade, toxidez e Solubilização poluição C.  Efeito do tipo de cultivo na mineralização. Fotossíntese, Decomposição Mineralização. Conteúdo de C e dinâmica da imobilização/mineralização de N no solo imobilização/mineralização Conteúdo de e carbono. I<M.  em condições anóxidas a demanda de N é menor, devido a menor biomassa, mineralização e imobilização. I≤M. I>M. I = imobilização M = mineralização. 3. 6. 9. Tempo de adoção de PD, anos Sá, 1999, extraído de Moreira e Siqueira, 2006. 9.

(10) 21/10/2011. 7.3.3. Nitrificação  é um processo, aeróbio das bactérias quiolitotróficas, de oxidação do amônio (NH4+) a nitrato (NO3-)  bactérias gram (+) da família Nitrobacteriaceae. NH3 Amônia. +H -H. NH4+ Amônio. Nitrossomonas. NO2 Nitrito. Nitrobacter. NO3-. Nitrato. Nitrificação NH4 + 1/2 O2. 6 e-. NO2 + H2O + 2H+. G = -65 kcal ((Nitrosomonas Nitrosomonas)). NO2 + 1/2 O2. 2 e-. NO3. G = -17,8 kcal ((Nitrobacter)). NH4 + 2 O2. 8 e-. NO3 + H2O + 2H+. G = 82,8 kcal.  a oxidação do NH4 acidifica o solo (adubação química). Assimilação de N e nitrificação fotoautotrófica em leguminosas.  Fatores que afetam a Nitrificação  Aeração  processo aeróbio  Temperatura  ótima 26 a 32oC  Não ocorre acima de 51oC  Muito pequena abaixo de 5 oC (clima frio)  Umidade  ótima é próximo a capacidade de campo. Taxas relativas de desnitrificação e outos processos microbianos em função da % de água no solo.  pH do solo  a nitrificação é estimulada pela calagme dos solos ácdios. exige altos teores de bases trocáveis  é baixa em solos ácidos  Máxima  pH 6,6 a 8,0  Reduzida  pH < que 6,0  Nula  pH < que 4,5  Fertilizantes  fertilizantes amoniacais em solos alcalinos inibe a segunda fase da nitrificação  a amônia é tóxica a Nitrobacter  nitrito poderá ser acumulado no solo. 10.

(11) 21/10/2011.  M.O. e relação C/N  incorporação de rezíduos com alta relação C/N reduz a nitrificação por falta de substrato (imobilização)  relação C/N melhor é < 30  Presença de fatores tóxicos  as bactérias nitrificadoras são muito sensíveis  Inibidores comerciais de nitrificação  acumula NH4+ no solo e tem como objetivo reduzir as perdas de N aplicado  Destino do NO3- no solo  absorção,  imobilização,  lixiviação (poluição) e  redução (desnitrificação, baixa conc. de O2). 7.3.4. Redução do Nitrato  Redução assimilatória  imobilização do NO3-, por plantas e microrganismos Quimiodesnitrificação  dissimilatória (desnitrificação não respiratória)  não conserva energia e é favoredica pela acidez  ocorre em anaerobiose bi (regulada ( l d pelo l O2)  Respiração do NO3 produz NO2- e conserva energia  ocorre em anaerobiose (regulada pelo O2).  Redução dissimilatória do NO3- para NH4+  conserva energia e ocorre em anaerobiose . ocorre em anaerobiose (regulada pelo O2).  Desnitrificação respiratória (desnitrificação)  produz N2 > N2O > NO e conserva energia  respiração anaeróbica e oxidação fosforilativa. 2 NO3. 2 NO2. 2 NO. N2O. N2. (bactérias desnitrificantes).  principal via de perda de N do solo  evita que o N atinja os oceanos  bactérias anaeróbias facultativas.  Fatores que afetam a desnitrificação Tab 7.16 Moreira & Siqueira, 2002  Umidade do solo  ocorre a partir de 60% de saturação, acentuando-se a partir de 80%  pH  é lenta em pH menor que 5,0  Temperatura  aumenta com o aquecimento global  Teor de C  é necessário p/ o metabolismo dos desnitrificadores  correlação positiva entre o teor total de MO e o potencial de desnitrificação  a decomposição da MO produz CO2 e consome O2.  Perda de N  5 a 15 kg ha-1  contribui para diminuição da camada de ozônio e aumento do efeito estufa  Redução das perdas de N da adubação nitrogenada do arroz irrigado  incorporar o fertilizante (N-NH4+) abaixo da camada oxidada  absorção mais rápida pela cultura  controlar ou reduzir a nitrificação  pH < 6,0  aplicação do fertilizante mais profundo  aumentar a lâmina d’água  fazer uso de inibidores de nitrificação. 11.

(12) 21/10/2011. Processos das transformações de N e outros elementos em solo inundado. 7.3.5. A disponibiidade de N no solo. 12.

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