aula ii - fbn i
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Autor: Prof. Dr. Rogério Melloni - IRN/UNIFEIMaterial disponível para o projeto UNIFEI-OCWhttp://unifei-ocw.wikispaces.com/TRANSCRIPT
FIXAÇÃO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO ATMOSFÉRICO
GERAL E NÃO LEGUMINOSAS
Ciclo do nitrogênio
NO3-
NO2-
NH3
NH4
+
NO3
- NH3 NO3
-
N2
N2
N2 NO3-
Principaisperdas
Principalentrada
Ciclo do nitrogênio
NO3-
NO2-
NH3
NH4
+
NO3
- NH3 NO3
-
N2
N2
N2 NO3-
Principaisperdas
Principalentrada
A DISPONIBILIDADE DE N PARA OS ORGANISMOS VIVOS
N (crosta terrestre)=93,8% e N (ecosfera)=6,2%
Da ecosfera: 99,96% (atmosfera – N2) e
0,04% (N combinado – N org. e N inorg.)
Na atmosfera: 78% de N2
ANIMAIS, VEGETAIS e a maioria dos MICRORGANISMOS
PROCARIOTOS: enzima NITROGENASE
FIXADORES DE N2 ou DIAZOTRÓFICOS FBN
N2 + 8H+ + 16ATP + 8e- NITROGENASE 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi
OUTRAS VIAS DE FIXAÇÃO
PROCESSOS INDUSTRIAIS: Haber-Bosch (fertilizantes)
N2 + 3H2 2NH3 (400oC, > 107 Pa)
DESCARGAS ELÉTRICAS NA ATMOSFERA
Baixa contribuição
FBN:
• ENERGIA = ATP (energia solar em energia química)
• Fotoassimilados: ATP, substratos para crescimento celular e esqueletos de C.
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NITROGÊNIO DO SOLONITROGÊNIO DO SOLO
N NN N
AR
SOLO
NONO22
FERTILIZANTES49 milhões t de N ano-1
FBN =FBN = 175 milhões t de N 175 milhões t de N ano-1
N-ORGÂNICO
N-MINERAL (NO3-, NH4
+)
PERDAS: erosão, lixiviação, colheitas, volatilização (N22O, N22)
DESCARGAS ELÉTRICASDESCARGAS ELÉTRICAS11-- 50 kg N ha50 kg N ha-1ano-1
GRUPOS kg N2 fixado ha -1 ano-1
Potencial de fixação de nitrogênio
Bactérias heterotróficas de vida livre 1-2Cianobactérias (vida livre) 5-30Simbióticas (rizóbio-trevo) 100-200
McGrath (1994)
Organismos procarióticos (Brookes, 1995)
FIXAÇÃO BIOLÓGICA DE N2
Complexo enzimático: Nitrogenase + Fe, Mg, Mo e ATP
Fixação anual de N atmosférico
Fixação industrial 49 milhões de t N ano-1
Descargas elétricas 10
FBN TOTAL 175
Oceanos 36
Sistemas terrestres 139
• Leguminosas 35
• Arroz 4
• Pastagens 45
• Outras 5
• Florestas 40
• Outros 10
A NITROGENASE
Complexo composto por 2 unidades básicas:
FERRO-PROTEÍNA e FERRO-MOLIBDÊNIO
N2 + 8H+ + 16ATP + 8e- 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi
Enzima muito versátil:
N2, acetileno (C2H2) para etileno (C2H4), H3O, N3-, N2O
Media processos redutores: SENSÍVEL AO O2
PROCESSO ANAERÓBIO X METABOLISMO AERÓBIO !
NITROGENASE
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7 MECANISMOS DESENVOLVIDOS DE PROTEÇÃO AO O2
1 PROTEÇÃO RESPIRATÓRIA: Azotobacter
Aumento da respiração
2 PROTEÇÃO CONFORMACIONAL DA ENZIMA: Azotobacter
Localização de pontos da enzima protegidos do O2
3 PRODUÇÃO DE GOMA: família Azotobacteriaceae
Cobertura de proteção limitando o acesso do O2
4 FORMAÇÃO DE CÉLULAS ESPECIALIZADAS:cianobactérias - Heterocisto (paredes espessas)
5 RELAÇÃO SUPERFÍCIE/VOLUME CELULAR:
Células de Azotobacter são, geralmente, maiores em relação a outras bactérias (reduzir a entrada de O2)
6 LOCOMOÇÃO DAS CÉLULAS: microaerofilia
(Azospirillum e Herbaspirillum)
7 LEGHEMOGLOBINA E NODULAÇÃO
Mecanismo mais evoluído de proteção da nitrogenase!
• Ocorrência: rizóbio e leguminosas
• Rizóbio = NÓDULOS RADICULARES
• Leghemoglobina = “HEMOGLOBINA das leguminosas”
• Transporte de O2 para os microrganismos – alta afinidade !
ORGANISMOS FIXADORES DE N2:
DIVERSIDADE E OCORRÊNCIA
Procariotos: ALTA diversidade morfológica, fisiológica, genética e filogenética.
Listagem de: (número já ultrapassado)
40 gêneros entre as bactérias heterotróficas
24 entre as fototróficas anoxigênicas
37 entre as cianobactérias
6 em Archaebacteria
Entre os microrganismos AERÓBIOS, ANAERÓBIOS e ANAERÓBIOS FACULTATIVOS – BACTERIA E ARCHAE
Distânciaevolutiva
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IMPÉRIO 1. BACTERIA (procariotos, sem envelope nuclear)
Reino 1: EUBACTERIA (paredes de peptideoglicano) –bactérias, cianobactérias, actinomicetos
Reino 2: ARCHAEBACTERIA (ausência, memb.ext. ausente) – metanogênicas, halofílicas, termofílicas extremas
IMPÉRIO 2. EUCARYOTA (cél. nucleadas, sem peptideogl.)
Reino 3: ARCHAEOZOA (archaeamebas, giardias)
Reino 4: PROTOZOA (protoz., euglenóides, dinoflagelados)
Reino 5: CHROMISTA (algas verde-douradas, marrons, diatomáceas, pseudofungos)
Reino 6: PLANTAE (plantas, algas verdes, algas vermelhas)
Reino 7: FUNGI (fungos verdadeiros-quitina na parede celular)
Reino 8: ANIMALIA (animais multicelulares)
BACTERIA:
Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium, Azorhizobium, Azospirillum, Beijerinckia, Acetobacter, Derxia, Azotobacter, Bacillus, Clostridium, celulolíticos, ciclo do S, denitrificadores, etc.
ARCHAE:
Halófilos e metanogênicos
ALTA DIVERSIDADE = RESILIÊNCIA NO SISTEMA
OCORRÊNCIA GENERALIZADA
Vida livre (rizosfera, filosfera, águas doces e salgadas, trato intestinal de cupins, etc.), em simbiose com fungos, em associações, etc.
ASSOCIAÇÕES DE DIAZOTRÓFICOS COM ESPÉCIES VEGETAIS
• Colonização da rizosfera e ENDOFITICAMENTE
• Dicotiledôneas e MONOCOTILEDÔNEAS
• Gêneros mais comuns: Azospirillum, Azotobacter, Bacillus, Azoarcus, Herbaspirillum, Acetobacter
• Início das pesquisas: 1950 (Döbereiner – RJ): Azotobacter e Beijerinckia
• Crise do Petróleo: Azospirillum (alternativa ao adubo N)
• Descoberta de novas espécies
• Ensaios de inoculação – resultados variados
• Contribuição de N fixado por gramíneas:
25-50 kg N/ha/ano (cerca de 17% da necessidade N)
• Trigo, arroz, milho... GRANDE ECONOMIA!
• Cana-de-açúcar: obtenção até de 60% do N necessário (taxa de 164 kg N fixado/ha/ano)
• Espécie principal: Acetobacter (Gluconobacter) diazotrophicus
• Tolera altas concentrações de açúcar e alta acidez!
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Espécie vegetal Bactéria Respostas (%)
Zea mays A. brasilense
A. lipoferum
0 - 37
0 – 154
Oryza sativa Azospirillum sp.
A. lipoferum
5 - 15
-32 – 99
Triticum aestivum A. brasilense
A. lipoferum
A. amazonense
0 - 79
0 - 64
37
Respostas na produção de diferentes espécies vegetais à inoculação. (Moreira & Siqueira, 2006)
1 Aumento da densidade e comprimento dos pelos radiculares
5 Produção de substâncias promotoras de crescimento pela planta
2 Maior número de raízes laterais e superfície radicular
6 Maior absorção de água e nutrientes pelas plantas –crescimento vegetal
3 FBN (N na planta e no solo) 7 Interações na rizosfera: biocontrole (competição, amensalismo)
4 Produção de substâncias promotoras de crescimento pela bactéria
8 Outros
Possíveis mecanismos do efeito da inoculação com Azospirillum. (Moreira & Siqueira, 2006)
Total de isolados por grupo fenotípico cultural com similaridade maior ou igual a 70% com as estirpes-tipo (Inverno), em amostras de solo da Reserva Serra dos
Toledos - Silva & Melloni (2008)
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Dendrograma de similaridade construído pelas características culturais dos isolados e estirpes-tipo (Verão), em amostras de
solo da Reserva Serra dos Toledos
SIMBIOSES DE CIANOBACTÉRIAS COM FUNGOS, DIATOMÁCEAS E PLANTAS
Cianobactérias: simbiose com DIATOMÁCEAS, FUNGOS e PLANTAS
Filamentosas heterocísticas (FBN)
• CIA x DIATOMÁCEAS: ciclo do N em ambientes aquáticos
• CIA x FUNGOS (LÍQUENS): colonizadores primários
• CIA x PLANTAS: Anabaena (Nostoc) e Azolla
liquen
musgo
Azolla
cavidades
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CIANOB. x PLANTAS: Anabaena (Nostoc) e Azolla
• Seis espécies de Azolla
• Crescimento rápido e alto teor de N (4-5%)
• Biomassa: 100 kg N em 37d de cultivo (dobra 5-7d)
• Decomposição rápida = Efic. comparada ao adubo N
• Ásia: uso como adubo verde ou junto com arroz irrigado
• Alimentação de peixes, aves e suínos
• Amazônia (EMBRAPA): 1 ha Azolla = 9 t prot./ano
(= 50 ha de pasto e capineiras) – reduz queimadas
• Controle de plantas daninhas: competição por luz
ACTINORRIZAS
• Actinomicetos = Frankia (simbioses radiculares e caulinares) - Ervas, arbustos e árvores
• Plantas de 8 famílias (7 ordens) = ACTINORRIZAS
• Atualmente: 279 sp. de 24 gên. (Casuarina e Alnus)
• Distribuição ampla na África, regiões desérticas e frias da América do Sul e do Norte, regiões de clima temperado, elevadas altitudes (trópicos e subtrópicos) – áreas inóspitas e pobres em N
• Revegetação de dunas e áreas degradadas
• Produção de madeiras, lenha e carvão
• FBN = 40 a 300 kg N/ha/ano
• Estudos: isolamento do endófito (nódulos, crescimento em meios de cultura)
Frankia
Actinorriza
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