MicrobiologiaAPLICADA

CEMAL- Meio Ambiente -Turma 0113Prof.: Msc.Amanda Fraga

Disciplina: Microbiologia Aplicada

Microbiologia do Solo

Solo: maior reservatório de microrganismos do planeta

• 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 tons de microrganismos

Introdução

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

Centenas de anos

O solo como hábitat microbiano

Principais fatores que afetam a atividade:

- Umidade

- Status nutricional

O efeito rizosférico

Rizosfera

Região onde o solo e as raízes das plantas entram em contato

• Minerais: – sílica (SiO2), Fe, Al, Ca,Mg, K

– P, S, Mn, Na, N ...

• 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

Constituintes do solo

• Água– livre: poros do solo– adsorvida: ligada aos colóides (argilas)

• Gases: CO2, O2, N2 ...

– composição variável em função dos processos biológicos

Constituintes do solo

• Sistemas biológicos:

– plantas– animais– Microrganismos: grande diversidade e abundância

Dependendo de:nutrientesumidadeaeraçãotemperaturapHinterações

Constituintes do solo

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

Fonte: Lindegreen & Jensen, 1973

• 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 freqüentes: • Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia,

Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios

• Cianobactérias: pioneiras, fixação de N2

A microbiota do solo

Streptomyces

• 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

• Algas– 103 - 5 x 105 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, ...

A microbiota do solo

Microrganismos e os ciclos da matéria

• Terra: quantidade praticamente constante de matéria

Mudanças no estado químico produzindo uma grande diversidade de compostos.

• Ciclo carbono• Ciclo nitrogênio• Ciclo do enxofre• Ciclo do ferro

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) 0,05Rochas e sedimentos 75 x 106 (>80% C inorgânico) > 99,5Biosfera terrestre 2 x 103 0,003Biosfera aquática 1-2 0,000002Combustíveis fósseis 4,2 x 103 0,006Hidratos de metano 104 0,014

Transformações bioquímicas do carbono

• Fixação do CO2

• CO2 + 4H (CH2O) + H2O

– Plantas– bactérias verdes e púrpuras fotossintetizantes– algas– cianobactérias– bactérias quimiolitróficas– algumas bactérias heterotróficas:

» CH3COCOOH + CO2 HOOCCH2COCOOH

ácido pirúvico ácido oxaloacético

O mecanismo mais rápido de transferência global do carbono ocorre pelo CO2

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 + 6CO2 6CO2 + 6H2O

Transformações bioquímicas do nitrogênio

O N é encontrado em vários estados de oxidação (-3 a +5)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.

- Importância ecológica e econômica envolvida na fixação

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

• Associações simbióticas fixadoras:– Anabaena - Azolla– Frankia - Alnus– Rizóbios - Leguminosas

Transformações bioquímicas do nitrogênio

• Fixação do nitrogênio atmosférico

N2 NH3

aminoácidos

• etapas da formação de um nódulo:

– reconhecimento: lectinas

– disseminação:

• citocininas células tetraplóides

– formação dos bacteróides nas células

– leghemoglobina

– maturidade: fixação do nitrogênio

– senescência do nódulo: deterioração

Transformações bioquímicas do nitrogênio

Rizóbios - Leguminosas

Associação simbiótica rizóbios-leguminosas

Associação simbiótica rizóbios-leguminosas

Redução de acetileno: medida da capacidade fixadora

• 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 nitrito2NH3+ 3O2 2HNO2 + 2H2O

(Nitrosomonas, Nitrosovibrio, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus)

Nitratação: oxidação de nitrito a nitratoNO2- + ½O2 NO3-

(Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrospira)

Utilização do nitrato:

• Redução assimilatória: plantas e microrganismos– NO3

- + 8e- + 9H+ NH3 + 3H2O

Transformações bioquímicas do nitrogênio

• Desnitrificação: ocorre em condições de anaerobiose 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.

- Por outro lado, é importante no tratamento de efluentes

Transformações bioquímicas do enxofre

• Oxidação do enxofre elementar:

– 2S + 2H2O + 3O2 2H2SO4

2H+ + SO4=

– ex. Thiobacillus thioxidans

• O S0 também pode ser reduzido pela respiração anaeróbia

As transformações do enxofre são ainda mais complexas que do nitrogênio:- Devido à variedade de estados de oxidação (-2 a +6) (S-orgânico a sulfato)- Porém, apenas 3 estados de oxidação se encontram em quantidade

significativas na natureza (-2, 0, +6)

Alguns componentes do ciclo:

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 enzimas/luz

Transformações bioquímicas do ferro

Um dos elementos mais abundantesNaturalmente 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

Máquinadecompositora

Húmus

MS

MSMS

MSMS

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

Microrganismooperário

MS

NitrogênioCarbonoFósforoPotássioCálcioMagnésioFerroEnxofreManganêsCobreoutros

Resíduos orgânicos