5 TM - Microbiologia do Solo

Solo

:

• 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 ton de microrganismos

O solo contém um grande número de seres microscópicos, dentre eles bactérias, fungos, algas, protozoários e vírus. Ou seja, o solo contém ABUNDÂNCIA e DIVERSIDADE.

Solo: Ambiente de seres vivos muito complexo.

Perfil do solo

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

O solo como hábitat microbiano

Principais fatores que afetam a atividade:

- Umidade

O efeito rizosférico Rizosfera

Composição do solo

• Um solo é sempre

constituído por matéria mineral(areia, calcário, limo, argila), matéria

orgânica (húmus, restos de plantas e animais), ar e água.

• A fração sólida do solo ocupa cerca de metade do seu volume total e é constituída por matéria mineral e matéria

• Minerais:

– sílica (SiO₂), Fe, Al, Ca,Mg, K – P, S, Mn, Na, N ...

• Matéria orgânica

:

– insolúvel (húmus): melhora a estrutura, libera nutrientes • efeito tampão, retenção de água

– solúvel: produtos da degradação de polímeros complexos: • Açúcares, fenóis, aminoácidos

• Água

– livre: poros do solo

– adsorvida: ligada aos colóides (argilas)

• Gases:

CO₂, O₂, N₂ ...

– composição variável em função dos processos biológicos

• Sistemas biológicos:

– plantas – animais

– Microrganismos: grande diversidade e abundância

Constituintes do solo

Máquina decompositora Húmus MS MS MS MS MS

Decomposição de restos vegetais no solo: máquina decompositora operada pelos microrganismos (Siqueira & Franco, 1988)

Microrganismo operário MS Nitrogênio Carbono Fósforo Potássio Cálcio Magnésio Ferro Enxofre Manganês Cobre outros Resíduos orgânicos

Microbiologia do solo

• A quantidade de microrganismos presentes no solo depende:

– Quantidade e tipo de nutrientes – Umidade disponível

– Grau de aeração – Temperatura

– pH

– Práticas ou eventos que podem introduzir

microrganismos no solo (adubo, enchentes, dejetos de esgoto) ou remover microrganismos (tempestades de poeira)

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

Bacillus/ Chlostridium/Arthrobacter

bilhões/gr Pseudomonas/Rhizobium/Nitrobacter

de solo Cianobactérias/Bactérias fotossintéticas

Microbiologia do solo

• Tipos de microrganismos que habitam

o solo:

• Bactérias - maior parte da população

microbiana do solo, tanto em variedade

como em quantidade.

• 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 frequentes:

• Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia,

Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios • Cianobactérias: pioneiras, fixação de N₂

A microbiota do solo

• Fungos:

– 5 x 103 _{- 9 x 10}5 _{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 frequentes:

• Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium, Aspergillus,

Trichoderma

•Leveduras solos de vinhedo, pomares, solos com abundância em folhas, troncos, frutas que caem no solo. •Algas

•Algas chlorophyta chrysophyta

Fotoautrotóficas superfície do solo

Algas + fungos auxiliam na transformação do material rochoso em solo

Terras improdutivas e com erosão

* Micorrizas

tratam-se de fungos mais raízes, onde o micélio ao redor das raízes alimentam a planta.

• Algas

– 103 _{- 5 x 10}5 _{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, ...

Fertilidade do solo

• Está diretamente relacionada com a

presença de nutrientes no solo: Dejetos,

plantas e animais mortos penetram no

mesmo.

• Os microrganismos, com o tempo,

transformam essas substâncias em

substâncias inorgânicas simples e

enriquecem o solo.

Fertilidade do solo

• Os microrganismos funcionam como elo de

ligação entre animais e plantas, e

desempenham um papel importante na

manutenção da vida na terra.

• Húmus = matéria orgânica insolúvel formada

durante a decomposição microbiana de

Microrganismos e os ciclos da matéria

• Terra: quantidade praticamente constante de matéria

Mudanças no estado químico produzindo uma grande diversidade de compostos.

Ciclos Biogeoquímicos:

Permuta cíclica de elementos químicos que ocorre entre os seres vivos e o ambiente. Tais ciclos

envolvem etapas biológicas, físicas e químicas, alternadamente, daí a denominação usada.

Os principais ciclos bioquímicos que ocorrem na

natureza são: ciclo do carbono, ciclo do oxigênio, ciclo

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

Transformações bioquímicas do carbono

• Fixação do CO

• CO₂ + 4H (CH₂O) + H₂O

– Plantas

– bactérias verdes e púrpuras fotossintetizantes – algas

– cianobactérias – bactérias

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

Transformações bioquímicas do nitrogênio

O N é encontrado em vários estados de oxidação

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.

Ciclo do Nitrogênio

• Fixação simbiótica: 60-600 Kg/ha.ano • 90% pelas leguminosas

• Economia em fertilizantes nitrogenados

Transformações bioquímicas do nitrogênio

• Fixação do nitrogênio atmosférico

• Proteólise:

Proteínas Peptídeos  Aminoácidos

Transformações bioquímicas do nitrogênio

• Amonificação (desaminação)

– CH₃-CHNH₂-COOH + ½O₂  CH₃-CO-COOH + NH₃ » alanina ác. pirúvico amônia » A amônia é rapidamente reciclada, mas uma parte volatiliza

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

Utilização do nitrato:

• Redução assimilatória: plantas e microrganismos – NO₃- _{+ 8e}- _{+ 9H}+  NH

3 + 3H2O

Transformações bioquímicas do nitrogênio

• Desnitrificação

:

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.

Transformações bioquímicas do enxofre

• Oxidação do enxofre elementar:

– 2S + 2H₂O + 3O₂ 2H₂SO₄

2H+ _{+ SO}

4=

– ex. Thiobacillus thioxidans

• O S0 _{também pode ser reduzido pela respiração anaeróbia}

As transformações do enxofre são ainda mais complexas que do nitrogênio:

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

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

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

Microbiologia do solo

Interações dos microrganismos e o solo:

Simbiose – condição em que os indivíduos de uma espécie

vivem em associação íntima com indivíduos de outra espécie.

•Mutualismo - Simbiose na qual cada organismo recebe benefícios da associação.

* Líquens - compostos de m.os, algas ou

cianobactéria com um fungo, normalmente presentes em rochedos e em casca de árvores.

Possuem várias cores: branco, preto, vermelho, laranja, amarelo e verde.

Microbiologia do solo

•Comensalismo – associação em que um dos organismos recebe benefícios e o outro não é afetado

Ex: muitos fungos degradam a celulose em glicose e as bactérias podem utilizar essa glicose.

•Antagonismo – inibição de uma espécie de

microrganismo por outra.

Ex: alguns fungos produzem cianeto em

concentrações que são tóxicas para outros

Microbiologia do solo

•Parasitismo – um microrganismo vive sobre ou dentro de um outro organismo. O parasita vive em associação metabólica com o hospedeiro.

•Predação – um organismo (predador) alimenta-se e digere outro organismo (presa).

Ex: alguns protozoários alimentam-se de bactérias •Competição – na falta de nutrientes, a espécie que se desenvolve mais rápido privam de alimentos aqueles que crescem mais lentamente

Ecossistema:

O solo tem vida, pois os m.os. que nele habitam realizam suas funções metabólicas. Dessa forma:

Ecossistema Relação dos m.os. com o meio ambiente

Luz solar energia E Organismos fotossintéticos e minerais herbívoros E carnívoros E excretas microrganismos

Degradam compostos orgânicos a fim de dar continuidade ao ciclo vital

Importância:

Os microrganismos apresentam uma imensa diversidade genética e desempenham funções únicas e cruciais na manutenção de

ecossistemas, como componentes fundamentais de cadeias alimentares e ciclos biogeoquímicos.

Apesar de sua grande importância na manutenção da biosfera, estima-se que menos de 5% dos microrganismos existentes no planeta tenham sido caracterizados e descritos.

É importante ressaltar que grande parte dos avanços da biotecnologia moderna e agricultura são derivados das descobertas recentes nas áreas de genética, fisiologia e metabolismo de microrganismos.

A diversidade genética e metabólica dos microrganismos tem sido explorada há muitos anos visando a obtenção de produtos biotecnológicos, tais como:

* tratamento e/ou remediação de resíduos (esgotos domésticos, lixo)

*na agricultura: na fertilização de solos (fixação biológica de

nitrogênio) e controle biológico de pragas e doenças (controle da lagarta da soja, da cigarrinha da cana de açúcar, de