Microbiologia do solo e os ciclos biogeoqu

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Microbiologia do solo e os ciclos biogeoquímicos
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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

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Introdução
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O ambiente solo
(Fonte Microbiologia de Brock, Madigan et al.)
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Perfil do solo
(Fonte Microbiologia de Brock, Madigan et al.)
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Presença de microrganismos heterotróficos nas
várias profundidades do solo
Profundidade Umidade Mat. orgânica Bactérias Fu
ngos (cm) () () (x
106) (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
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Introdução

• Os ciclos biogeoquímicos
• Ciclo do Carbono
• Ciclo do Nitrogênio
• Ciclo do Fósforo
• Os ciclos biogeoquímicos e os microrganismos

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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

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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

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1 Pg 1,000,000,000,000 kg
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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

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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

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CO2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas)
Outros
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Fixação/liberação de C

• 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 gt que consumo (respiração) acúmulo de C
  orgânico
• Fixação lt que consumo (respiração) declínio das
  populações (a menos que adições ocorram)

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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.

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O Carbono e o aquecimento global

• 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.)

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O Carbono e o aquecimento global

• Todo ano há remoções de CO2 via fotossíntese, mas
  muita adição via respiração e decomposição

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Microrganismos e as soluções

• 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

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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

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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

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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

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O ciclo do Nitrogênio
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Fixação/liberação de N

• 5 processos principais ciclam N
• Fixação
• Absorção (crescimento dos organismos)
• Mineralização (decomposição)
• Nitrificação
• Denitrificação

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Fixação/liberação de N

• Os microrganismos (notadamente bactérias) têm um
  papel fundamental na ciclagem do N
• Bactérias de vida livre
• Bactérias simbióticas

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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

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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.

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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

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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

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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
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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

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Atividades humanas

• Queima de florestas e de combustíveis fósseis
  colocando N na atmosfera
• Fertilização química que pode lixiviar-se para os
  corpos dágua
• Criação de animais com produção de NH3 que pode
  entrar nos corpos dágua e no solo
• Derrame de excrementos em corpos dágua

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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

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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

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Fósforo

• O fósforo é essencial para plantas e animais na
  forma dos íons PO43- e HPO42- (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

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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

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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.

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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

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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

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O ciclo do Fósforo
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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

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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

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(No Transcript)
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(No Transcript)