microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos
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Microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos
Introdução• Atividades biológicas
• Solo: maior reservatório de microrganismos do planeta
• direta ou indiretamentre recebe todos os dejetos dos seres vivos
• ocorrendo a transformação da matéria orgânica em substâncias nutritivas
Introdução
(Fonte: Microbiologia de Brock, Madigan et al.)
O ambiente solo
Perfil do solo
(Fonte: Microbiologia de Brock, Madigan et al.)
Presença de microrganismos heterotróficos nas váriasprofundidades do solo
Profundidade Umidade Mat. orgânica Bactérias Fungos (cm) (%) (%) (x 106) (m/g)
aeróbias anaeróbias0 - 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
Fonte: Lindegreen & Jensen, 1973
Introdução Os ciclos biogeoquímicos
Ciclo do Carbono Ciclo do Nitrogênio Ciclo do Fósforo
Os ciclos biogeoquímicos e os microrganismos
Mudanças climáticas Camada de gases que envolvem a terra a mantêm aquecida Principais gases dessa camada: CO2, CH4 e N2O
Os ciclos biogeoquímicos e o controle do balanço dos gases que envolvem a terra, principalmente o ciclo do C
O Carbono nos ecossistemas O Carbono compõe 18% da massa na terra: aminoácidos, proteínas,
ácidos nucléicos (DNA), lipídios, carboidratos 0.03% da atmosfera é Carbono Carbono como medida de produtividade
1 Pg = 1,000,000,000,000 kg
Fixação/liberação de C CO2 fixado via fotossíntese (autotroficamente em compostos biológicos)
com liberação de O2
Os compostos orgânicos resultantes dessa fixação de CO2 são oxidados por quimioheterótrofos produzindo CO2 novamente
Calcula-se que cada molécula de CO2 da atmosfera é fixada via fotossíntese a cada 300 anos
Fixação/liberação de C Os oceanos e a fotossíntese terrestre absorvem cerca de 200 bilhões de
toneladas de CO2 da atmosfera a cada ano (93% nos oceanos) – algas e cianobactérias principalmente
Mais de 40 quadrilhões de toneladas de CO2 estão dissolvidos nos oceanos e formam grandes depósitos de CaCO3 e MgCO3
100 mil toneladas/ano de C são fixadas em fósseis fazendo parte do estimado volume de 4 quadrilhões de toneladas de carvão, óleo, gás natural
CO2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas)
Outros
Fotossintéticos e quimiolitotróficos fazem produção 1ª: conversão de C inorgânico a C orgânico (fungos e bactérias que decompõem MO)
Respiração/decomposição/combustão retorna C a atmosfera Fixação > que consumo (respiração) = acúmulo de C orgânico Fixação < que consumo (respiração) = declínio das populações (a menos que
adições ocorram)
Fixação/liberação de C
Fixadores: fotossintetizantes, oxidantes/redutores de H2S, Fe, etc.
Relações tróficas: C e Energia transferidos (10%) Decomposição de MO vegetal: T, pH, natureza química, condições
ambientais, [O2], etc.
Produtos recalcitrantes: DDT, lignina, celulose, ácidos húmicos, ácidos fúlvicos, etc.
Fixação/liberação de C
CO2 aumentou em 30% desde a revolução industrial
A maioria desse aumento é devido a queima de combustíveis fósseis e mudanças no uso da terra (desmatamento, queimadas, etc.)
O Carbono e o aquecimento global
Todo ano há remoções de CO2 via fotossíntese, mas muita adição via respiração e decomposição
(ppm)(ppm)
Concentração atmosférica de CO2 (ppm)
O Carbono e o aquecimento global
Microrganismos podem ter várias respostas positivas e negativas à mudança climática global
Aumentos das temperaturas fazem com que os microrganismos decomponham os resíduos orgânicos mais rapidamente (> emissão de CO2 que incorporação via plantas fotossintéticas)
Microrganismos e o aquecimento
O degelo das capas polares pode estar trazendo de volta à vida formas virulentas de microrganismos que estavam dormentes no gelo
O aumento da agropecuária tem aumentado a produção de CH4 produzido pelos microrganismos (archaea, protozoários, leveduras, etc.) que vivem no estômago de ruminantes como ovelhas, gado, búfalos, camelos, etc.
CH4 absorve 20% a mais de calor que CO2
Produção de vacina para reduzir a emissão de CH4
Microrganismos e o aquecimento
Aumentos das temperaturas aumentam as áreas biogeográficas de micróbios infecciosos: malária, dengue, febre amarela, viroses, etc.
Os microrganismos fazem a ciclagem da maioria do C dos oceanos Micro, nano, e pico plâncton Bactérias Vírus: o total de C em vírus nos oceanos equivale ao C de 75 milhões de
baleias azuis
Microrganismos e o aquecimento
Áreas de tundra e do ártico estão com T mais elevadas, aumentando a produção de CH4 (Archaea metanogênicas), muito mais nocivo que CO2 como gás de efeito estufa
Microrganismos e o aquecimento
Mudanças nas concentrações de populações oceânicas de microrganismos utilizados como aviso da mudança climática
Microrganismos e o aquecimento
Fertilizar os oceanos com Fe para aumentar as populações de algas (fitoplâncton) e outros microrganismos como Prochlorococcus e Synechococcus que absorvem quantidades enormes de CO2
Prochlorococcus e Synechococcus absorvem cerca de 700 bilhões de toneladas de CO2 por ano, o que é 2/3 de todo o CO2 fixado anualmente nos oceanos
Microrganismos e as soluções
Utilização de algas para a extração de biocombustíveis Utilização de microrganismos geneticamente modificados para aumentar
a produtividade de plantas para extração de óleo (biocombustíveis) Utilização de celulose (hemicelulose) para produzir etanol
Sulfolobus solfatarius - archaea Trichonympha sp. - protozoário Trichoderma reesei - fungo
Microrganismos e as soluções
O ciclo do Nitrogênio O Nitrogênio compõe 80% dos gases da atmosfera Está presente em aminoácidos, proteínas, ácidos nucléicos (DNA,
RNA), clorofila, etc. Fixação do N2 atmosférico é necessária para que o mesmo possa
ser utilizado Fixação biológica (grande maioria), via queimadas, lava ou via raios
O ciclo do Nitrogênio Formas quimicamente disponíveis de N: amônio (NH4
+), nitrato (NO3
-), e uréia ((NH3)2CO2)
Elemento versátil que pode ser encontrado na forma orgânica e inorgânica
O ciclo do Nitrogênio
Fixação/liberação de N 5 processos principais ciclam N
Fixação Absorção (crescimento dos organismos) Mineralização (decomposição) Nitrificação Denitrificação
Fixação/liberação de N Os microrganismos (notadamente bactérias) têm um papel
fundamental na ciclagem do N Bactérias de vida livre Bactérias simbióticas
Fixação do N N2 NH3
+ ou NO3-
Única forma que os organismos conseguem obter N da atmosfera Simbiontes como Rhizobium + legumes, Frankia + Alder, etc.: N
em troca por carboidratos e ambiente favorável Fixadores de vida livre (ambientes aquáticos principalmente):
Cyanobacteria, Azotobacter, Clostridium
Fixação do N Outros eventos como raios (oxidam N2 a NO3
- e NO2-), fogo, a
queima de combustíveis fósseis, e lava, fixam quantidades pequenas de N
O homem tem contribuído para elevar a quantidade de N fixado: processo Haber-Bosch, etc.
Absorção do N NH4
+ N orgânico
NH4+ é rapidamente incorporado em proteínas e outros compostos
nitrogenados orgânicos pelas plantas ou organismos do solo Consumidores no topo da cadeia alimentar usam esse nitrogênio
fixado
Mineralização do N N orgânico NH4
+
Decomposição: N orgânico transformado em N inorgânico (NH4+) por
fungos e bactérias - actinomicetos, fungos e bactérias modificam o N da MO de NH3
+ a NH4+
Esse NH4+ pode então ser usado por plantas ou transformado a NO2
- e NO3
- via nitrificação
Nitrificação NH4
+ NO2- NO3
-
Bactérias transformam amônio a nitrato ganhando energia Ocorre apenas em ambientes aeróbicos NH4
+ se adsorve as partículas de solo com carga negativa
NO3- é lixiviado com redução da fertilidade do solo e contaminação do
lençol freático
Nitrossomonas Nitrobacter
Denitrificação NO3
- NO2- NO N2O N2
Processo anaeróbico feito por bactérias denitrificadoras N2O é um gás de efeito estufa
Esta é a única transformação que remove N dos ecossistemas (irreversível) e faz o balanço do ciclo do N
Atividades humanas Queima de florestas e de combustíveis fósseis colocando N na atmosfera Fertilização química que pode lixiviar-se para os corpos d’água Criação de animais com produção de NH3
+ que pode entrar nos corpos d’água e no solo
Derrame de excrementos em corpos d’água
Efeitos nocivos da deposição de N Mudança da composição vegetal dos ecossistemas (redução da
diversidade) Formação de ácido nítrico (HNO3) responsável, junto com dióxido de
enxofre (SO2), pelas chuvas ácidas
Altas concentrações de óxidos de N são precursores do ozônio da troposfera, o qual causa dano aos tecidos vivos
Efeitos nocivos da deposição de N Altas concentrações de N nos rios causam eutrofização, reduzindo a
diversidade dos ecossistemas aquáticos Pode participar de uma maior captura e fixação de C, mas devido ao
efeito negativo da alta concentração de N (citado acima), é provável que isso não aconteça
Fósforo O fósforo é essencial para plantas e animais na forma dos íons PO4
3- e HPO4
2- (ortofosfato)
Faz parte de moléculas como ácidos nucléicos (DNA), energéticas (ATP e ADP), de células lipídicas, e da estrutura do corpo de animais como fosfato de cálcio (ossos, dentes, etc.) – ausente em celulose, hemicelulose, lignina, e proteínas
Fósforo Junto com N e K é um dos 3 nutrientes mais importantes Um dos principais elementos da fotossíntese, transporte de nutrientes, e
transferência de energia Essencial para o florescimento e formação das sementes das plantas
Fósforo Três formas de fósforo nos solos:
Fósforo orgânico: na matéria viva, plantas, microrganismos, etc. Fósforo solúvel: disponível. Orgânico bem como ortofosfato. Menor
proporção de P do solo Fósforo adsorvido: indisponível. Anionicamente ligado a cátions de
Al, Fe e Ca.
Volumes de fósforo A fitomassa terrestre tem 500,000,000 kg de P e o crescimento das plantas
assimila 100,000,000 kg de P/ano Fitomassa marinha 75,000,000 kg de P, absorvendo 1,000,000,000 kg de P/ano Os solos têm por volta de 40,000,000,000 kg de P (15% na MO) Na maioria dos solos 50-75% do P é inorgânico Em solos neutros o P normalmente esta precipitado como fosfato de cálcio Em solos ácidos precipita como fosfato de Al ou Fe
O ciclo do Fósforo O ciclo do fósforo tem 2 componentes principais que ocorrem em
diferentes escalas de tempo: No componente local ele cicla nos ecossistemas em tempo ecológico Nos sedimentos ele faz parte da porção classificada em tempo geológico.
Somente será mobilizado milhões de anos mais tarde
O ciclo do Fósforo
O ciclo do Fósforo Encontrado em formações rochosas, sedimentos, e em sais de fosfato
(absorvido por plantas), mas nunca na forma gasosa Encontrado em pequenas quantidades, por isso é um fator limitante para
o crescimento de plantas terrestres e aquáticas Ciclado pela água, solo, e sedimentos
O ciclo do Fósforo A ciclagem do fósforo é uma das mais lentas, especialmente se estiver nos
sedimentos (feita por microrganismos) Plantas absorvem fosfatos do solo e os incorporam a compostos
orgânicos No solo pode ser adsorvido por partículas do solo, tornando-se, assim,
imobilizado
Perda de fósforo dos solos Perdas volumosas logo após fertilização orgânica (chuva) Perda gradual: excesso de P aplicado, etc. Perdas por erosão: P está associado a partículas do solo. Aração,
transformação de ecossistemas florestais a agricultura, etc. Queimas de compostos combustíveis Rejeitos humanos (3,000,000 kg de P/ano)
Uso excessivo de fertilizantes Contaminação das correntes de água pelo uso de ácido sulfúrico para
extrair o fósforo das rochas Lixiviação contaminando lençóis freáticos causando eutrofização
Efeito antropogênico
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