Hitórico Evolução Tendencias

(1)

Microbiologia do Solo

- Professor Paulo Henrique Grazziotti

- Agronomia – UFES

-Mestrado em Microbiologia Agrícola – UFV

-Área de concentração Microbiologia do Solo

-Doutorado em Solos e Nutrição de Plantas – UFLA

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Microbiologia do Solo

-

Livro texto

MOREIRA, F.M.S.; SIQUEIRA, J.O. Microbiologia e bioquímica do

solo. Lavras: UFLA, 2002. 626p.

-

complementar

2 – LYNCH, J.M. Biotecnologia do solo: Fatores microbiológicos

na produtividade agrícola. São Paulo: Manole, 1986. 209p.

3 – CARDOSO, E.J.B.N.; TSAI, S.M.; NEVES, M.C.P. Microbiologia

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DIA/MÊS Teóricas DIA/MÊS Práticas 16-abr História, evolução e tendências 17-abr Amostragem de solo

23-abr Os organismos do solo 24-abr Preparo e armazenamento as amostras de solo

30-abr Feriado 1-mai Feriado

7-mai Ecologia do solo 8-mai Capacidade Máxima de retenção de água e teor de umidade

14-mai Ecologia do solo 15-mai Respiração do solo

21-mai Metabolismo Microbiano (Fim do conteúdo da Primeira Prova)

22-mai Carbono da Biomassa Microbiana - Extração

28-mai Matéria orgânica do solo 29-mai Primeira Prova Teórica - Prática

4-jun Matéria orgânica do solo 5-jun Carbono da Biomassa Microbiana - Digestão

11-jun Transformações bioquímicas 12-jun Compostagem/minhocultura

18-jun Transformações bioquímicas 19-jun Atividade Microbiana pela Redução do diacetado de fluoresceína

25-jun Rizosfera 26-jun Contagem de Rizobactérias

2-jul Xenobióticos (Fim do conteúdo da Segunda Prova)

3-jul Isolamento e caracterização cultural de bactérias fixadoras de nitrogênio de leguminosa

9-jul Fixação biológica do nitrogênio 10-jul Segunda Prova Teórica - Prática

16-jul Fixação biológica do nitrogênio 17-jul Isolamento e caracterização cultural de bactérias fixadoras de nitrogênio de leguminosa

23-jul Micorrizas 24-jul Extração e contagem de esporos (Prática)

30-jul Micorrizas 31-jul Isolamento de fungos ectomicorrízicos

6-ago Terceira Prova Teórica - Prática 7-ago

13-ago 14-ago

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Histórico, Evolução e Tendências

Importância

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Época/Data

Autoridade/Povo/R

egião

Fato/Evento

Comentários

Antes de Cristo até século XIV

Catão, Plínio,

Columella, Varrão

e Paládio.

Uso de leguminosas para

adubação verde.

Observação da produção de

vapores nos pântanos.

Evidências do efeito

biofertilizador das

leguminosas com uso

difundido entre chineses,

gregos e romanos.

Evidências da atividade

biológica.

Século XIV:

Sumerianos,

babilônios,

egípcios: Em várias

partes do mundo.

Obtenção e uso de produtos

fermentados e destilados.

Exploração empírica da

atividade microbiana na

produção de vinagre,

bebidas e produtos lácteos.

Segundo o livro Gênesis

“Noé bebia vinho além da

conta”.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

Autoridade/Povo/Região Fato/Evento Comentários

1º Grande Avanço: Período Histórico

Século XVII: Anton Van Leeuwenhoek

(1676, Holanda).

Lentes com capacidade de

ampliação de objetos. Ampliou os fundamentos da microscopia e observou os“animálculos”. Início da

Microbiologia.

Século XVIII: Carl Linnaeus

(1707–1778, Alemanha). Propôs o primeiro sistema de classificação dos seres vivos. microscópicos eram considerados como “caos”.Classificação e taxonomia binomial. Seres Thomas Malthus (1766 – 1834,

Inglaterra). Profecia da fome x Adam Smith (Essay on the Principle of Populations x Wealth of Nations). Estabelece relação entre a demanda por maior produção de alimentos e bens de consumo em função do crescimento da população.

Albrecht von Thaer (1752 – 1828,

Alemanha).

Teoria da humificação de materiais orgânicos e sua

importância.

“O húmus possui força vital essencial à vida das plantas”/

“Plantas retiram carbono e outros nutrientes do húmus do

solo”. Século XIX : Charles C. de la Tour (França) Theodor Schwann (Alemanha). Transformação da matéria orgânica é mediada pelos

micro-organismos. Papel da matéria orgânica e do húmus do solo.

Disputa sobre o envolvimento de micro-organismos no processo de transformação dos

materiais orgânicos.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

1º Grande Avanço: Período Histórico

Berzelius e Liebig (Alemanha) e outros.

Visões polarizadas entre o “Quimismo” e os pricípios biológicos.

Discussões acirradas. Surgiram vários trabalhos sobre o

envolvimento dos micro-organismos do solo na decomposição.

Vittadini (1831, Itália). Interação raízes – fungos. Observou que as raízes eram colonizadas por fungos do solo, mas sem sintomas específicos.

Liebig (1840,

Alemanha). Postula que N, P e K são requeridos para o crescimento das plantas. Teoria da

essencialidade dos nutrientes: reforça o “Quimismo”.

Postulados serviram de base para a nutrição vegetal e

indústria de fertilizantes, insumo que revolucionou a produção agrícola.

Nägeli (1842). Avançou no estudo das relações entre

fungos-raízes. Descreveu a interação dando evidências da existência dos arbúsculos.

Lachman,

Boussingault, Lawes e Gilbert (França e Inglaterra).

Valor das leguminosas para a fertilidade do solo deve-se à sua capacidade de fixar

biologicamente o N atmosférico (FBN).

Fracassaram ao provar que o valor das leguminosas devia-se a FBN. Não foram capazes de estabelecer a relação entre nódulos e ganho de N.

(8)

Época/Data

1º Grande Avanço: Período Histórico

Liebig e Frank. Ambos defensores do

“Quimismo”. Refutavam com veemência a teoria da fixação de N₂ afirmando: “Só adubos

fornecem os elementos encontrados nas cinzas vegetais”.

2º Grande Avanço: Período Áureo – Século XIX (segunda metade)

Zeidler, Tese Ph.D. na Alemanha

em 1874. Síntese do DDT em laboratório (inicia-se a era dos xenobióticos). Propriedade de inseticida só descoberta 60 anos depois. Louis Pasteur (1830 – 1900,

França). Elucidação da anaerobiose e confirmação de vários processos microbianos. Queda da teoria da geração espontânea (1857) microbiologia da fermentação, pasteurização e imunização.

Pfeffer (1877). Deu seqüência aos estudos da relação

fungo-raízes. Propôs a natureza simbiótica da relação, o que seria mais tarde denominado mutualismo. De Bary (1879). Propõe o termo “simbiose” e sua definição. Vida conjunta de dois organismos dissimilares.

Aplicado primeiramente aos liquens.

Koch e colaboradores

(1881, Alemanha). Desenvolvem o método da gelatina em placas e propem os postulados sobre

micro-organismos patogênicos.

Isolamento e cultivo de bactérias e relação agente causal (patógeno) e doença vegetal.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

2º Grande Avanço: Período Áureo – Século XIX (segunda metade)

Bernard Frank (1885,

Alemanha). Estudando a colonização de raízes de árvores por fungos, empregou pela primeira vez o termo micorriza.

Denominou a relação e

demonstrou seus benefícios para a nutrição das árvores, fato altamente contestado pelos patologistas da época.

Hellriegel & Wilfarth

(1886, Alemanha). Conduziram estudos experimentais sobre a fixação biológica de nitrogênio nas leguminosas.

Demonstraram a fixação

simbiótica. Liebig calou-se, mas Frank rebateu veementemente a nova proposição da FBN. Beijerinck (1885 – 1901, Holanda). Desenvolveu o método de culturas de enriquecimento. Primeiro isolamento de bactérias em nódulos de leguminosa (Bacillus radicicola,1888).

O organismo foi mais tarde denominado Rhizobium

leguminosarum ironicamente por Frank que inicialmente contestava a existência da fixação de N₂.

Muntz (1890). Descobriu a capacidade dos micro-organismos

de dissolver materiais inorgânicos. Decomposição e intemperização de rochas e ciclos biogeoquímicos dos elementos - intemperismo biológico.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

2º Grande Avanço: Período Áureo – Século XIX (segunda metade)

Sergei Winogradsky (Rússia –1856-1953) - 1890-92.

Descoberta da nitrificação / autotrofia microbiana, oxidação do enxofre. Introduziu a cultura de enriquecimento desenvolvida por Beijerinck. Início da

Microbiologia Experimental do Solo.

Melhorou o isolamento de tipos especiais de micro-organismos do solo. Bases da ecologia microbiana do solo abordando “os micro-organismos como eles ocorrem, interagem e funcionam em seu habitat”.

Buchner (1897). Metabolismo celular e enzimas oxidantes no

solo. Marco inicial sobre a existência de processos bioquímicos no solo. Weissenberg (1897). Descobriu a existência dos desnitrificadores. Responsáveis por importante processo de

perda do N e emissão de gases do solo.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

3º Grande Avanço: Ciência Autônoma – Século XX (até 1950)

Stahl (1900). Demonstrou inequivocamente os benefícios das

micorrizas. Efeitos definidos na nutrição vegetal.

Nitragin (Alemanha) . Primeiro inoculante microbiano . Aplicação de rizóbio na agricultura.

Weissenberg (1897). Descobriu a existência dos desnitrificadores. Responsáveis por importante processo de perda do N e emissão de gases do solo.

Brown (1901). Folhas das plantas absorvem CO₂ do ar. Bases da fotossíntese que têm estreita relação com a Microbiologia do Solo.

Mitscherlich (1909-1930). Avanços no entendimento da decomposição de

materiais orgânicos no solo. Encontra indícios da relação entre a transformação de restos vegetais e a fertilidade do solo.

Beijerinck (1901,

Holanda). Descobre as bactérias do gênero Azotobacter. Responsáveis pela fixação assimbiótica de N₂.

Haber (Alemanha). Descobre condições para síntese química da

amônia. Base para produção industrial de fertilizantes nitrogenados. Prêmio Nobel de Química de 1919.

Bosch (Alemanha). Incrementa o processo de Haber em escala

industrial. Grande benefício para a humanidade. Prêmio Nobel de Química de 1931. Hiltner (1904, Alemanha). Lança o conceito de rizosfera como zona de alta

atividade biológica ao redor das raízes. Plantas atraem hóspedes convidados e não convidados para suas raízes. Sackett (1908). Relaciona micro-organismos com as

transformações de P no solo. Estabelece a função dos micro-organismos na dissolução do P.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

3º Grande Avanço: Ciência Autônoma – Século XX (até 1950)

IAC, Campinas

(1908). Primórdios da Microbiologia do Solo no Brasil e surgem as primeiras publicações sobre o tema.

Criado o 1º laboratório de Microbiologia Agrícola, com atuação .U. Cavalcanti: “A

vacinação do solo”. M. Passon: “Os nossos fixadores de azote”.

Felix Lohnis (1910, Alemanha); Lipman(1908, EUA), Con (1918); Lönis & Fred (1923); E.J.Russel (1923).

Primeiras publicações considerando os micro-organismos do solo, suas atividades e relações com a produção agrícola.

Consolidação da Microbiologia do Solo. Lohnis - 1º livro Microbiologia do solo “Handbuch der Landwirtscheftliche Bakteriologie (19 edições).

Lipman (1916, EUA). Tenta relacionar atividade dos microrganimos com

produtividade agrícola.

A baixa produtividade do solo é o reflexo de uma máquina

microbiológica defeituosa.

1916 (EUA). É lançada a primeira edição do periódico “Soil

Science”. Forte ênfase em processos biológicos (54% do total de artigos publicados). Jones (1924). Estudou os efeitos da fumigação do solo no

crescimento vegetal. Verificou indiretamente o benefício nutricional das endomicorrizas, eliminadas pela fumigação. Selman Waksman (1927, EUA). Publica o livro “Principles of Soil Microbiology”,

que se tornou a bíblia da Microbiologia do Solo. Consolidação dos fundamentos e aplicação da Microbiologia do Solo: população microbiana era o enfoque principal.

Alexander Fleming (1928, escocês na Inglaterra) e Rene Dubos (francês nos EUA, 1939).

Descoberta dos antibióticos penicilina (de Penicillium notatum) e

gramicidina (de Bacillus brevis) em micro-organismos do solo. Fleming não relacionou propriedades nem isolou a substância.

Inicia-se a aplicação dos metabólitos

microbianos e da antibiose. Controvérsias sobre o crédito da descoberta dos antibióticos a

Fleming. Florey, Chain e Fleming demonstraram uso clínico posteriormente e ganharam o prêmio Nobel em 1945.

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Época/Data

3º Grande Avanço: Ciência Autônoma – Século XX (até 1950)

No Brasil, Perrier

(1930). Inicia-se a pesquisa em rizobiologia no Instituto Agronômico de Campinas.

Produção do primeiro inoculante para alfafa no País.

Paul Muller (1938). Propriedade inseticida de amplo espectro do DDT: usado para erradicar mosquitos

causadores da malária nas forças do Pacífico da 2a_{Guerra Mundial.}

Ganha o Prêmio Nobel em 1948. A persistência do produto, porém,causa danos aos animais, incluindo o homem. Problema ambiental,

denunciado em 1962, no livro “Silent Spring”. O uso da substância foi proibido.

Howard (1943). Estuda a relação entre Micorriza e a sanidade

das plantas. Micorriza é essencial à sanidade das plantas. Avery (1944, EUA). O DNA é responsável pela informação genética. Empregando a transformação bacteriana.

Álvaro Barcelos

(1947-51) Ph.D. com Waksman (EUA).

Criou novo núcleo de pesquisa em Microbiologia do Solo no SNPA -RJ e contratou a jovem imigrante Johanna Döbereiner.

Döbereiner inicia a pesquisa em FBN associativa e simbiótica e impulsiona a formação de

recursos humanos.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

4º Grande Avanço: Período Moderno – Século XX (após 1950)

Década de 50, em várias partes do mundo.

Euforia das altas produtividades para resolver problemas da

fome. Surgem os opositores a essa concepção, formando as bases para a agricultura

alternativa e orgânica.

Amplo desenvolvimento científico e tecnológico da agricultura: surgem os

dissidentes que rejeitam os agroquímicos e valorizam o

potencial biológico dos sistemas produtivos. Amplia-se o

interesse pela reciclagem e produção de húmus e

processos microbianos. Johanna Döbereiner

(1951, RJ). Apresenta os primeiros trabalhos na Reunião Brasileira de Ciência do Solo em Recife (PE) . Em 1953, “Azotobacter em solos ácidos” é publicado.

Início da pesquisa em FBN associativa no Brasil. Seu

laboratório expandiu, tornando-se, posteriormente, centro de referência mundial em fixação de N₂.

João R. J.

Freire(1951, IPAGRO-RS).

Primeira publicação específica:

“A inoculação de leguminosas”. Início da difusão dessa tecnologia no Brasil.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

4º Grande Avanço: Período Moderno – Século XX (após 1950)

Winogradsky (1952, Rússia). Lança o livro “Mikrobiologiya Pochvy”. Grande ênfase na função microbiana, consolidando a contribuição dos russos à Microbiologia do Solo.

Selman Waksman (1952). Quando estudava a decomposição da matéria orgânica no solo, descobriu antibióticos por actinomicetos do solo.

Prêmio Nobel da Medicina em 1952 pela

descoberta da estreptomicina (de Streptomyces griseus).

Watson e Crick (1953, EUA). Elucidam a estrutura do DNA. Grande impacto na genética e biologia celular. Prêmio Nobel em 1953.

Kornberg (1957). Descobre a DNA polimerase. Revoluciona os estudos de Biologia Molecular. MacLaren e colaboradores

(década de 60). É consolidada a Bioquímica do Solo e a abordagem sobre populações. Surge o periódico “Soil Biology and Biochemistry” (1967).

Grande enfoque para processos (Ex.: isolamento da nitrogenase por Carnahan e colaboradores e biomassa microbiana). Martin Alexander (1961, EUA). Professor em Cornel-EUA, lança o livro:

“Introduction to Soil Microbiology”. Texto com uma abordagem holística e que se tornou referência na área.

IPAGRO-RS (1968). Estirpe isolada de solo brasileiro

torna-se inoculante para soja. Inicia-se a biofertilização dos campos brasileiros.

Marmur & Doty (1961); Arber (1962); Nirenberg et al. (1966) e Gellert (1967).

Renaturação/Hibridização do

DNA/Endonucleases de restrição/ Seqüências do DNA/ Elucidação do código genético/ DNA ligase.

Bases para tecnologia do DNA recombinante: enorme impacto na pesquisa básica e no desenvolvimento da biotecnologia.

Norman Bourlaug

(EUA) e outros. Idealizou o avanço da Agroquímica, melhoramento vegetal e mecanização intensiva (Revolução Verde).

Borlaug ganha o prêmio Nobel em 1970. Grande impacto na produção agrícola mundial. Inicia-se um período de pouco interesse em Microbiologia do Solo.

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Época/Data

4º Grande Avanço: Período Moderno – Século XX (após 1950)

EUA: Boyer et al. (1972/73); Southern (1975) e Sanger et al. (1975/77).

Tecnologia do DNA recombinante (clonagem por inserção em elementos autoduplicativos, e.g. vírus, plasmídeos; renaturação ou hibridização; métodos mais rápidos de seqüenciamento).

Permitiu o desenvolvimento de técnicas

bioquímicas, genéticas e moleculares aplicadas à Microbiologia do Solo: grandes avanços na caracterização, ecologia e função microbiana. Jenkinson & Powlson (1976). Método da fumigação incubação /Biomassa

Microbiana Estudo da microbiota do solo como um todo: abordagem holística.

Vários autores no final

da década de 70. É consolidada a revolução verde e surge a primeira crise energética; preocupação com recursos naturais não

renováveis e idéia de sustentabilidade.

Fixação de N₂ e efeito

biofertilizante e de biocontrole dos micro-organismos voltam a despertar interesse científico e comercial.

Döbereiner e

colaboradores. Intensifica-se a descoberta de novas espécies de diazotróficos associativos e seleção de

rizóbio para a soja.

Pesquisa brasileira em

Microbiologia do Solo alcança projeção internacional. Ocorre a formação de pesquisadores

nucleadores de novos grupos. Estirpe 29W é selecionada para inoculação.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

4º Grande Avanço: Período Moderno – Século XX (após 1950)

Döbereiner e

Década de 80. Consolida-se a necessidade de produzir sustentavelmente,

conservando o ambiente e a biodiversidade, e a redução no uso de agroquímicos e cultivo mínimo do solo.

micro-organismos do solo e

seus processos têm importância aumentada, mas a falta de

conhecimento básico limita a aplicação plena da

Microbiologia do Solo na produção.

Palmiter & Brinster (1981); Sprading & Rubin (1982); Monsanto (1986); Integrated Genetics (1987).

Primeiros organismos geneticamente modificados – OGMs

(transgênicos).

Organismos transgênicos respectivamente: camundongos, moscas de frutas, gene de vagalume em tabaco; gene humano a

comercialização de variedades transgênicas e o debate sobre questões éticas e ambientais.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

4º Grande Avanço: Período Moderno – Século XX (após 1950)

Döbereiner e

Palmiter & Brinster (1981); Sprading & Rubin (1982); Monsanto (1986); Integrated Genetics (1987).

Primeiros organismos geneticamente modificados – OGMs

(transgênicos).

Organismos transgênicos respectivamente: camundongos, moscas de frutas, gene de vagalume em tabaco; gene humano a

comercialização de variedades transgênicas e o debate sobre questões éticas e ambientais. Mullis e colaboradores (1985). Reação em cadeia da polimerase (PCR). Amplificação do DNA “in vitro”: obtêm-se

milhões de cópias em poucas horas. Revolução na genética molecular. Prêmio Nobel de

Química em 1993. Kimura (1983). “Relógios evolucionários” (e.g. genes

ribossomais). Permitiu análises genéticas e o estabelecimento de relações filogenéticas entre os organismos. Carl Woese (1977-1987). Catalogação e seqüenciamento de ácidos

ribonucléicos ribossomais possibilita a classificação filogenética de bactérias.

Taxonomia bacteriana passa de artificial a natural (filogenética).

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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Época/Data

4º Grande Avanço: Período Moderno – Século XX (após 1950)

Década de 90. Preparação para o próximo milênio: ênfase na integração dos fatores biológicos nos

sistemas de produção; bases do segundo paradigma da

fertilidade do solo. Novo paradigma para alcançar a sustentabilidade agrícola.

Maximizar a aplicação de métodos avançados para

alcançar melhor entendimento da diversidade, forma e função microbiana do solo visando atingir a destoxificação do ambiente e a sustentabilidade dos ecossistemas e da

produção. Século XXI. Ênfase na biodiversidade,

impactos do uso da terra, emissão de gases do efeito estufa, biorremediação e dos cultivos transgênicos. Ampliação da agricultura orgânica e da

reciclagem no solo.

Solo como um ecossistema diverso, meio para disposição de resíduos e reciclagem de poluentes. Mediador de

processos globais, a plataforma fundamental dos ecossistemas terrestres e do agronegócio.

Principais marcos históricos relacionados à origem e ao

desenvolvimento da Microbiologia e Bioquímica do Solo

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 Impactos Econômicos  FBN na soja  Brasil U$ 1 bilhão.

 Pesquisa  Organismos promotores de crescimento, controle biológico de

pragas e doenças, fixação biológica do N₂ associativa, simbioses de rizóbio com leguminosas florestais, elevada biodiversidade de microsimbiontes nos

ecossistemas brasileiros

 Outubro de 2000  Johanna Döbereiner faleceu

 Século XXI

 Produção de alimentos X Manutenção da qualidade ambiental

 Novo paradigma  “a otimização da eficiência biológica visando à produção

sustentada dos agroecossistemas” (Fig. 1.1 - Moreira & Siquiera, 2002)

 FertBIO1998 – Caxambu, MG “Inter-realação Fertilidade, Biologia do Solo e

Nutrição de Plantas”

 Reunião Brasileira de Fertilidade do Solo e Nutrição de Plantas

 Reunião Brasileira sobre Micorrizas

 Simpósio Brasileiro de Microbiologia do Solo

(21)

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2 Base da agrotecnologia do século

XXI: a otimização de processos

biológicos

•Tolerância a estresses •Eficiência Nutricional

Fertilidade do Solo

Nutrição mineral e

sanidade das plantas

Biologia do solo

•Matéria orgânica •Nutrientes •Ciclagem •Organismos •Interações •Processos •Biodiversidade •Redundância funcional Biotecnologia (Transgênicos, controle biológico, etc.) X Planta Reciclagem, FBN, micorrizas X Fertilizantes, corretivos Cultivo mínimo X Convencional