MetabolismoeProcessosMicrobianos

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Metabolismo e Processos

Microbianos

Prof. Paulo Henrique Grazziotti Microbiologia do Solo

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Metabolismo e processos

microbianos

4. Os processos microbianos e a manutenção dos ecossistemas

 Organismos do solo ⇒ sustentabilidade e equilíbrio

dos ecossistemas

⇒ responsáveis por processos bioquímicos ⇒ transformações dos elementos químicos e

transferências de energia no sistema solo-planta-atmosfera

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ORGANISMOS DO SOLO: PRINCIPAIS PROCESSOS

E FUNÇÕES NO ECOSSISTEMA

Siqueira & Trannin, 2002

Princípios ativos Alelo-químicos e Toxinas Regulação crescimento Ciclo dos elementos Biofertili-zação Bioproteção Equilíbrio biológico Evolução Erosão conservação Aeração Destoxi-ficação Fluxo de energia Patógeno e Parasita Retenção de água ORGANISMOS ORGANISMOS DO SOLO DO SOLO Intemperi-zação FERT IL IDADE DO S O LO E FERT IL IDADE DO S O LO E Q U AL IDADE AM BI EN TAL Q U AL IDADE AM BI EN TAL SAN IDADE, C O N TRO LE BI O LÓ GI C O , SAN IDADE, C O N TRO LE BI O LÓ GI C O , BI O FERT IL IZ AÇ ÃO , ES TABI LI DADE BI O FERT IL IZ AÇ ÃO , ES TABI LI DADE Transformações inorgânicas Interações biológicas Decomposição Mineralização Produção metabólitos Agregação do solo Relações tróficas Produção de húmus

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Tabela 4.1. Resumo dos principais processos bioquímicos no solo e respectivos aspectos mais relevantes (modificado de Siqueira & Franco, 1988)

Processos bioquímicos Aspectos mais relevantes

- Decomposição de materiais orgânicos.

• Evita seu acúmulo na superfície e no solo;

• Libera CO₂ para a atmosfera e nutrientes para as plantas;

• Garante o fluxo de energia e nutrientes no sistema solo-planta; • É a principal via de perda de C do

solo (fonte);

• Pode contribuir para a eutroficação das águas, anoxia no solo e efeito estufa;

• Promove a produção de

microbiomassa do solo e a

formação de húmus (seqüestra carbono no solo).

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- Mineralização de compostos orgânicos.

Controla a disponibilidade para as plantas e fluxo de nutrientes no planeta (ciclagem);

Pode contribuir para a poluição da atmosfera e de mananciais hídricos; Pode contribuir para o

empobrecimento e a degradação do solo;

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- Transformações inorgânicas de N e S (amonificação,

nitrificação, desnitrificação, oxidação do S e redução do SO₄2-_).

• Controlam a permanência desses

elementos no solo;

• Regulam a disponibilidade para as

plantas;

• Promovem perdas para a atmosfera e

para o lençol freático, contribuindo para a poluição ambiental;

• Promovem alterações químicas no solo

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- Produção de metabólitos diversos.

• Substâncias reguladoras do

crescimento vegetal (hormônios e alelopáticos) e microbiano

(antibióticos);

• Substâncias solubilizantes, quelantes e complexantes

(sideróforos, ácidos orgânicos);

• Agentes de aderência, cimentação e agregação do solo;

• Metabólitos carcinogênicos e poluentes;

• Importante fonte de novos químicos de aplicação industrial.

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`- Degradação de compostos xenobióticos (ex: pesticidas).

•Promove a desintoxicação e a

degradação de pesticidas e materiais poluentes no solo;

•Diminui o acúmulo desses compostos no ambiente, nos alimentos e na cadeia alimentar.

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 Processos ⇒

 Principais

fotossíntese Compostos

X intermediários decomposição/mineralização

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•Fluxo de energia, carbono e nutrientes no sistema solo-planta- organismo (Moreira e Siqueira, 2002) Luz CO₂ Parte aérea Liteira Raízes Solo Absorção Organismos Translocação Deposição Incorporação CO₂ CO₂ Perdas Heterotróficos Simbiontes Rubisco Rizodeposição Translocação Energia e carbono Nutrientes Fluxos:

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INTERMEDIÁRIOS -Organo-fosfatados -Puruvato -α - cetoglutarato -Succinil CoA -Oxalacetato -Acetil CoA Autotróficos CO₂ + Luz Aminoácidos Nucleotídeos Vitaminas Carboidratos Ác. graxos Outros co-fatores Lipídeos Polissacarídeos Ác. nucléicos Proteínas Heterotróficos Compostos orgânicos CO₂ e ATP

Autotróficos e heterotróficos: balanceando os processos da natureza através dos metabólitos intermediários que rotas metabólicas do catabolismo e anabolismo

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 Matéria orgânica do Solo ⇒ matéria morta (necromassa),

rizodeposição (ativa ou passiva) e fotoassimilados

transferidos para as simbioses (mutualístas ou parasítiva)

 Fotossíntese ⇒ absorção de água e nutrientes inorgânicos

da solução do solo

 Nutrientes ⇒ devolvido ao solo na forma de serrapilheira e

MO

 Transformações químicas ⇒ pelos heterotróficos:

volatilização, reabsorvidos pelas raízes, imobilizados na microbiota ou perdidos por lixiviação ou pela erosão do solo

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 Decomposição/mineralização e FBN ⇒ 2o _{mais importantes}

processos do planeta

 Atividade Biológica ⇒ conjunto de reações químicas

catalisadas biologicamente ou metabólicas que acontecem no solo.

– Metabolismo do solo ⇒ conjunto de todas as transformações biocatalisadas que nele ocorre, incluindo o metabolismo

microbiano

•  Solo ⇒ no contexto da bioquímica comportasse com

uma entidade viva, onde ocorrem inúmeras reações químicas complexas, conduzidas ou mediadas na sua maioria pela microbiota.

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Ilustracao da natureza indissociável entre os organismos, processos bioquímicos e condicoes

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Resumo das rotas metabólicas por meio das quais os

microrganismos do solo adquirem energia, força redutora e intermediários de carbono para biossíntese.

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4.2. Os fundamentos do metabolismo do solo (Micro geral)

4.3. Fluxo de energia e dos elementos no sistema organismo-solo-planta

⇒ a energia captada da luz solar é transferida para o solo

juntamente com o C e os elementos minerais essenciais

⇒ no solo sofrerão um tipo de processamento biológico

 fragmentação dos resíduos pela fauna do solo

 despolimerização enzimática (ataque microbiano)  processamento intracelular dos monômeros e

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 Sucessão trófica ⇒ induzida pelo tipo de substrato,

ambiente e velocidade do processo

 Decompositores

Zimógenos (estrategistas “r” ou copiotróficos) ⇒

crescimento rápido

• Autóctones (estrategistas “k” ou oligotróficos) ⇒

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 Material orgânico depositado ⇒

 Solos cultivados ⇒ 2 t ha-1

 Ecossistemas florestais ⇒ 8 t ha-1

 Importância da microbiota para a fertilidade dos solos e

nutrição das plantas



⇒ considerando um tempo médio de 0,5 ano, a biomassa

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Esquema generalizado das transformações e ciclagem de C, N, P e S no sitema solo-planta mediados pela microbiota do solo

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 Respiração do solo ou respiração edáfica

⇒ liberação do C depositado no solo, após ser utilizado

como fonte de energia primária para o crescimento microbiano pela oxidação bioquimicamente a CO₂

⇒ bom indicador de “saúde” ou da qualidade do solo

⇒contribui para a elevação da concentração de C-CO₂ da atmosfera ⇒

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4. 4. Enzimas do solo (parágrafos: 4, 5, 6, 7 e 8)

 Hidrolases e oxiredutases ⇒ principais transformações

no solo

 Transferases e liases ⇒ importância tb expressiva

⇒ milhares de enzimas em uma única célula microbiana ⇒

apenas ± 50 têm sido identificadas ou detectadas no solo

 Impotância ⇒ na decomposição de resíduos ⇒ na fertilidade

⇒ na eficiência de uso dos fertilizantes ⇒ nas interações entre plantas

⇒ no estado de oxi-redução do solo ⇒ serve como extratificador ecológico

⇒ serve como indicadoras de qualidade de solo

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 Características ⇒ alta estabilidade térmica

⇒ mais resistentes ao ataque de proteases

⇒ menor eficiência catalítica (menor V_max)

⇒reduzida afinidade com o substrato (maior K_m)

 Atividade enzimática no solo

 Enzimas extracelulares ⇒ livres na solução do solo, adsorvidas nos colóides do solo ou

imobilizadas em complexos húmicos (mais importantes)

 Enzimas intracelulares ⇒ podem tb atuar como

extracelulares. Algumas são exclusivas intracelular//. Ex.: desidrogenases.

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 Classificação quanto à posição de ataque

 Exoenzimas ⇒ catalizam a remoção terminal de

monômeros de um polímero

 Endoenzimas ⇒ degradam polímeros através de

ligações internas produzindo oligômeros que são atacados por exoenzimas

 Enzimas imobilizadas ⇒ complexas com

substâncias húmicas, argila ou com o próprio substrato

 Atividade X Agregados do solo ⇒

predominância da atividade de várias

enzimas em microunidades estruturais com

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 Interações das enzimas com os colóides do solo

⇒ interfere na concentração e acessibilidade do

substrato para o ataque enzimático

 Imobilização nos colóides inorgânicos do solo

(complexos orgâno-minerais)

 Imobilização nas substâncias húmicas

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Célula microbiana Substrato Produto

A

d

s

o

r

ç

ã

o

D e s n a t u r a ç ã o B i o d e g r a ç a ç ã o Enzima

Atenuação no solo das interações enzima-substrato

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Atividade média de várias enzimas

⇒correlaciona-se positivamente com a

produtividade e qualidade de solo

⇒bom indicador de qualidade de solo

⇒difícil relação entre atividade enzimática X taxa

de respiração ou no _{de microrganismos}

⇒ hidrólise do diacetato de fluoresceína 

fluoresceína

- Enzimas: várias proteases, lípases e esterases

liberadas por bactérias e fungos (decompositores) - relação positiva com o grau de reabilitação de

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Atividade relativa de enzimas e biomassa microbina em solos contaminados por metais pesados. 1x corresponde a 300, 100, 50, 50 e 3 µg g-1 _{de solo para Zn, Cu, Ni e Cd respectivamente.} _{(adaptado de Kandeler et al.,} 1996)

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4. 5. A biomassa microbiana

 Biomassa microbiana ⇒ parte viva da matéria orgânica

do solo, composta por todos os organismos menores que 5 x 10-3 µm3_{, como fungos, bactérias, actinomicetos,}

leveduras e microfauna como os protozoários

 C orgânico do solo ⇒ 98% está na MO morta (húmus) ⇒ 1 a 5 % está na fração viva

 Fração viva ⇒ 5 a 10% - raízes

⇒ 15 a 30% - macrofauna

⇒ 60 a 80% - microrganismos 4.5.1. Aspectos gerais

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Fatores que influenciam na quantidade da

biomassa ⇒

 quantidade de substrato oxidável incorporado

pela raízes

restos culturais ou outros resíduos  disponibilidade de C, N, P e S

 umidade do solo  aeração

 pH

 teor e tipo de argila  textura do solo

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Métodos para quantificação da Biomassa

a)Estimativas indiretas da contagem de

organismos e conversão para biovolume;

b)Determinação de constituintes microbianos especifícos (macromoléculas, ATP);

c)Taxa de respiração em resposta à adição de fonte de C;

d)Fluxo de CO2 em amostras submetidas à fumigação e reinfestação;

e)Quantificação de C extraído de amostras fumigadas

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Significado da quantificação da Biomassa

a)Estimar o potencial microbiano de um solo e sua capacidade de transformação

b)Quantificar substâncias relacionadas às

quantidades de elementos essenciais à vida microbiana, vegetal e animal

c)Relacionar estas quantidades de

microrganismos com formas inorgânicas de interesse agronômico e ecológico no solo

d)Relacionar as características acima com a

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Valores típicos relatados para vários

ecossistemas

⇒solo da Amazônia = 765 a 1.287 mg C kg-1 _solo

⇒ 3 a 4% do C org.

⇒solos de clima temperado ⇒ 2 %

⇒assim, grande importância para a agricultura

tropical

⇒ a quantidade de C que fica na biomassa

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Sucessão trófica

⇒a população microbiana consome rapidamente o

substrato oxidável e morre

⇒outra população usa as anteriores mais outros

substratos menos prontamente assimiláveis

Efeito do cultivo do solo

Cutivo mínimo (Paraná) ⇒ biomassa microbiana 50 % > que o cultivo convencional

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Biomassa ativa ⇒ em média entre 15 a 30%. Ex.: Local/manejo Biomassa total, mg kg-1 solo Biomassa ativa, % Alemanha/Média 90-2.300 23 Bélgica/Trigo 1.139 12 Bélgica/pousio 856 13 • 4.5.2. Atividade catalizadora

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Quociente metabólico (qCO₂)

⇒média de atividade metabólica específica

⇒corresponde à liberação de CO₂ por unidade de

biomassa por certo tempo (C-CO₂/C-mic h-1₎

⇒índice de atividade heterotrófica específica da

biomassa

⇒ solos sob interferência antrópica possuem

maior atividade metabólica específica, devido ao estresse da população

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500 400 300 200 100 0 600 m g k g s o lo -1 700 800 25 20 15 10 5 0 30 100 80 60 40 20 0 120 140 160 180 200 UF C 1 0 5 g -1 s olo UF C 1 0 5 g -1 s olo µg P NF g – 1 h -1 µg P NF g – 1 h -1 µg C -CO 2 µg C – 1 h -1 5 4 3 2 1 0 6 1 0 2 1 0 2

Não contaminado Contaminado

C-biomassa Fungos Bactérias

Fosfatase ácida β-Glicosidase

q-CO₂

Parâmetros microbiológicos em solo contaminado e não contaminado (Moreira e Siqueira, 2002)