AULA II - FBN I

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


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


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!


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)


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


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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