ICROBIOLOGIA DO DO SOLO MICROBIOLOGIA
MICRORGANISMOS & SOLO É o maior reservatório de microrganismos do planeta recebe todos os dejetos dos seres vivos direta ou indiretamente, transformando animais e plantas mortos em nutrientes local de decomposição da matéria orgânica, transformando-as em substâncias nutritivas Importantes para os ciclos biogeoquímicos grande abundância e diversidade de ! Possui microrganismos = 1g de solo = até 107 células ! Poucas gramas de solo de um jardim podem conter bilhões de microrganismos !
!
!
!
Formação do Solo "
Solo – depende do material de origem, clima, organismos, relevo e tempo) CLIMA E ORGANISMOS
TEMPO
DEFINIÇÃO DE SOLO Os solos constituem a camada mais superficial da crosta terrestre. ! São materiais que resultam do intemperismo ou meteorização das rochas, por desintegração mecânica ou decomposição química e biológica . do Intemperismo: temperatura; pressão; ! Agentes hidratação ! agentes biológicos – vegetação, microbiota ! agentes químicos – dissolução, oxidação, redução, hidratação, hidrólise, lixiviação. !
COMPOSIÇÃO DO SOLO Os solos apresentam camadas paralelas, chamadas de horizontes ou horízons camadas paralelas ! As possuem variadas estruturas e espessuras ! Cada horizonte difere dos outros em: Conteúdo orgânico e mineral, cor, textura, estrutura, porosidade e pH !
!
Efeito da profundidade sobre distribuição dos microrganismos no solo Concentração decrescente de microorganismos com a profundidade, acompanhando a matéria orgânica do solo.
) 0 18,0 1 x 16,0 ( o l o 14,0 s g r 12,0 o p s o 10,0 m s i n 8,0 a g r 6,0 o e d 4,0 o i d é 2,0 m o N 0,0
7
5
15 25
45
75
105
Profundidade (cm)
Constituintes do solo !
Minerais: sílica (SiO2), Fe, Al, Ca, Mg, K, P, S, Mn, Na, N ... !
o
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 o
o
o
o
Constituintes do solo Água livre: poros do solo adsorvida: ligada aos colóides (argilas)
!
!
!
o o o
Gases: CO2, O2, N2 ... composição variável em função dos processos biológicos
MICRORGANISMOS DO SOLO A quantidade e os tipos de microrganismos no solo dependem de muitos fatores ambientais, como: a) Quantidade e tipo de nutrientes b) Umidade c) Nível de aeração d) Temperatura e) pH f) Eventos adversos !
!
!
Ex.: aplicação de adubos, dejetos de esgoto, enchentes, tempestades
Presença de raízes – Efeito rizosfera
Rizosfera
Região onde o solo e as raízes das plantas entram em contato
Efeito rizosfera
Presença de microrganismos em várias profundidades do solo Profundidade (cm)
Umidade (%)
Mat. orgânica (%)
Bactérias (x 106)/g
Fungos (m/g)
0-8
18,2
4,4
aeróbias 24
anaeróbias 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
A microbiota do solo !
Bactérias: !
grupo mais numeroso e mais diversificado
3 x 106 a 5 x 108 por g de solo seco Dificuldade de quantificação imposta pelas discrepâncias entre as técnicas heterotróficos são mais facilmente detectados Gêneros mais freqüentes: !
!
B a c i l l u s , C l o s t r i d i u m , A r t h r o b a c t e r , P s e u d o m o n a s , N o c a r d i a , S t r e p t o m y c e s , Micromonospora, Rizóbios
!
!
Cianobactérias: pioneiras, fixação de N2 Streptomyces
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
!
A microbiota do solo o
Algas 103 - 5 x 105 por g de solo seco abundantes na superfície o
o
o
Protozoários e vírus o o o
equilíbrio das populações predadores de bactérias parasitas de bactérias, fungos, plantas, ...
INTERAÇÕES MICROBIANAS NO SOLO Os microrganismos podem viver em associação íntima com indivíduos de outras espécies ! No solo, as relações ecológicas são comuns devido ao enorme número de microrganismos que compartilham o mesmo ambiente ! os microrganismos podem manter relações ecológicas do tipo: Mutualismo; comensalismo; amensalismo; competição; parasitismo e predação. !
!
INTERAÇÕES MICROBIANAS NO SOLO MUTUALISMO ! Relação harmônica onde ambos os organismos são beneficiados. ! Ex.: Liquens – uma alga ou cianobactéria crescendo em associação íntima com um fungo Esta associação permite o crescimento em substratos inadequados para o crescimento de outros organismos – sucessores primários !
!
INTERAÇÕES MICROBIANAS NO SOLO MUTUALISMO ! Ex.: Micorriza – associação entre raízes e fungos O fungo fixa o nitrogênio enquanto a planta fornece nutrientes !
!
INTERAÇÕES MICROBIANAS NO SOLO Mutualismo ! Ex.: Sistema Rhizobium-leguminosa (soja, ervilha, feijão) a bactéria Rhizobium sp. fixa o nitrogênio enquanto a planta fornece nutrientes e a protege do contato com oxigênio !
!
INTERAÇÕES MICROBIANAS NO SOLO !
COMENSALISMO Associação em que um dos organismos é beneficiado e o outro não é afetado. Existência de bactérias fastidiosas juntamente com fungos degradadores de celulose no solo !
!
Tubarão e rêmora
INTERAÇÕES MICROBIANAS NO SOLO ANTAGONISMO ou AMENSALISMO
!
!
!
!
Inibição de uma espécie de microrganismo por outra. Ex.: Produção de antibiótico por microrganismos Produção de cianeto, tóxico para outros microrganismos
Parasitismo Associação simbiótica negativa o
o
Interação em que um organismo vive sobre ou dentro de outro organismo O parasita alimentase de células, fluidos ou tecidos do h o s p e d e i r o , prejudicando-o
COMPETIÇÃO: DISPUTA POR UM MESMO NICHO ECOLÓGICO, POR NUTRIENTES DISPONÍVEIS Nutrientes
Espaço
Água
Microrganis mo A Microrganis mo B Mesmo Microhabitat
Oxigênio
PREDAÇÃO: ASSOCIAÇÃO SIMBIÓTICA NEGATIVA Associação em que um organismo (predador) alimentase e digere outro organismo, a presa.
!
PREDAÇÃO: ASSOCIAÇÃO SIMBIÓTICA NEGATIVA Associação em que um organismo (predador) alimentase e digere outro organismo, a presa.
!
MICRORGANISMOS E RECICLAGEM DA MATÉRIA !
Os microrganismos são essenciais para as transformações químicas que resultam na reciclagem de matéria orgânica Ex.: reações de conversão de compostos orgânicos, inorgânicos ou seus elementos !
O CICLO DO CARBONO
Principais reservatórios de carbono na Terra Reservatório
Carbono (gigatons)
Oceanos Rochas e sedimentos Biosfera terrestre Biosfera aquática Combustíveis fósseis
38 x 103 (>95% C inorgânico) 75 x 106 (>80% C inorgânico) 2 x 103 1-2 4,2 x 103
% total de carbono na Terra 0,05 > 99,5 0,003 0,000002 0,006
TRANSFORMAÇÕES BIOQUÍMICAS DO CARBONO o
!
O mecanismo mais rápido de transferência global do carbono ocorre pelo CO2
Fixação do CO2 - Fotossíntese !
CO2 + 4H ! ! ! ! !
!
(CH2O)n + H2O
Plantas bactérias verdes e púrpuras fotossintetizantes algas cianobactérias bactérias quimiolitotróficas
Fixação por bactérias heterotróficas: !
CH3COCOOH + CO2 ácido pirúvico
HOOCCH2COCOOH ácido oxaloacético
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 + 6O2
6CO2 + 6H2O
TRANSFORMAÇÕES BIOQUÍMICAS DO NITROGÊNIO • Fixação do nitrogênio atmosférico N2 NH3 aminoácidos Fixação simbiótica: 60-600 Kg/ha.ano ! 90% pelas leguminosas (associação com rizóbios) ! Economia em fertilizantes nitrogenados !
Associações simbióticas fixadoras:
!
!
Anabaena – Azolla ( cianobactéria – samambaia)
!
Frankia – Alnus (actinomicete e planta ornamental)
!
Rizóbios – Leguminosas
TRANSFORMAÇÕES BIOQUÍMICAS DO NITROGÊNIO O nitrogênio gasoso corresponde à 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. Um número pequeno de microrganismos é capaz de realizar essa quebra ! Em diversos ambientes, a produtividade é limitada pelo suprimento de N ! Importância ecológica e econômica envolvida na fixação !
INTERAÇÕES MICROBIANAS NO SOLO Mutualismo ! Ex.: Sistema Rhizobium-leguminosa (soja, ervilha, feijão) a bactéria Rhizobium sp. fixa o nitrogênio enquanto a planta fornece nutrientes e a protege do contato com oxigênio !
!
Associação simbiótica rizóbios-leguminosas
!
etapas da formação de um nódulo: reconhecimento disseminação formação dos bacteróides nas células Leghemoglobina – sequestro de O2 maturidade: fixação do nitrogênio senescência do nódulo: deterioração !
!
!
!
!
!
Associação simbiótica rizóbios-leguminosas
Redução de acetileno - medida da capacidade fixadora de nitrogênio
TRANSFORMAÇÕES BIOQUÍMICAS DO NITROGÊNIO !
Proteólise:
Proteínas !Peptídeos ! Aminoácidos • Amonificação (desaminação) CH3-CHNH2-COOH + !O2 » alanina
!
CH3-CO-COOH + NH3 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). Etapas: Nitritação: oxidação de amônia a nitrito 2NH3+ 3O2 ! 2HNO2 + 2H2O Nitrosomonas, Nitrosovibrio, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus)
Nitratação: oxidação de nitrito a nitrato NO2- + !O2 ! NO3(Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrospira)
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 • Ex.: redução de nitratos a N 2 (nitrogênio atmosférico) 2NO3 ! 2NO2 ! 2NO ! N2O ! N2 ( Agrobacterium, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus etc.)
- Como o N2 é menos 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
TRANSFORMAÇÕES BIOQUÍMICAS DO ENXOFRE Como o Nitrogênio e o Carbono, o enxofre passa por um ciclo de transformação mediada por microrganismos Alguns microrganismos oxidam vários compostos sulfurados, enquanto outros os reduzem O “S” elementar não pode ser utilizado por plantas ou animais. Por isso, algumas bactérias o oxidam a sulfato
" " "
!
Oxidação do enxofre elementar: !
2S + 2H2O + 3O2
2H2SO4 2H+ + SO4=
!
•
ex. Thiobacillus thiooxidans
O S0 também pode ser reduzido pela respiração anaeróbia
TRANSFORMAÇÕES BIOQUÍMICAS DO ENXOFRE !
Utilização dos sulfatos: plantas microrganismos S é incorporado a aminoácidos:Cisteína e metionina !
!
!
o
o
o
Quando plantas e animais morrem, os microrganismos do solo degradam suas proteínas Os aminoácidos são degradados por enzimas chamadas desulfurases Degradação (oxid/red) de comp. orgânicos sulfurados: !
cisteína + H2O
ácido pirúvico + NH3 + H2S
TRANSFORMAÇÕES BIOQUÍMICAS DO ENXOFRE !
!
Redução e oxidação de compostos sulfurados Redução de sulfatos (bactérias do solo amplamente distribuídas na natureza) !
anaerobiose !
CaSO4 + 8H !
H2S + Ca(OH)2 + 2H2O
Desulfovibrio
- Necessidade da presença de compostos orgânicos
(doadores de e-) • Oxidação de sulfatos
– bactérias fototróficas verdes / púrpuras • CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + 2S enzimas/luz
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+ em pH neutro. ! Em condições ácidas ocorre o crescimento de acidófilos oxidantes do ferro !
!
Precipitação de depósitos marrons de ferro
