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Transformaes Bioqumicas e Ciclos dos Elementos no Solo
Prof. Paulo Henrique GrazziottiMicrobiologia do Solo
7. Transformaes Bioqumicas e Ciclos dos Elementos no Solo
7.1. As transformaes dos elementos e a sustentabilidade
Solo e Biota componentes essenciais da ciclagem de energia e elementos
Servios da natureza Ciclagem de energia e Ciclagem de energia e Ciclagem dos elementos valor estimado US$ 1.280,00 ha-1
ano-1
30% do PIB verde (US$ 33 trilhes) ao PIB econmico mundial (US $ 18 trilhes ano-1)
Fluxo dos elementos X Clima X Ao antrpica
Relao entre caractersticas ambientais, processos no solo e funes do ecossistema que determinam as
transformaes e fluxos dos elementos no solo
Relao dos principais mecanismos e processos biolgicos Relao dos principais mecanismos e processos biolgicos importantes dos ciclos dos elementos no soloimportantes dos ciclos dos elementos no solo (Siqueira, 1993)(Siqueira, 1993)
Ele-mento Processo Mecanismo ImportnciaC Fotossntese,
DecomposioMineralizao
Incorporao de C eenergia CO2 enutrientes
Atividade microbiana Formao de hmus Fertilidade do solo Concentrao CO2
atmosferaN Amonificao
I bili N-org. NH3NO NH N
Aumenta N disponvelImobilizaoNitrificaoDesnitrificaoFixao biolgica
NO3 e NH4 N-org.NH4 NO3NO3 N2O, N2N2 N-org.
Reduz N disponvel Lixiviao do N Perdas N forma gas Incorporao de N
P MineralizaoImobilizaoSolubilizao
P-org. PO4PO4 P-org.P-insolvel PO4
Aumenta P disponvel Reduz P disponvel Aumenta P disponvel
S MineralizaoOxidaoReduo
S-org. SO4SO SO4SO4 H2S
Aumenta S disponvel Provoca acidificao Perda de S e fitotoxidez
Outros Oxi-reduoSolubilizao
M ox. M red. Solubilidade, toxidez epoluio
Interferncia humana nos ciclos biogeoqumicos dos elementos (Falkowski et al., 2000)
a) a queima de combustveis fsseis e a mudana no uso da terra aumento de 13 % no fluxo de C-CO2 para atmosfera
b) a queima de combustveis fsseis e a produo de fertilizantes eleva em 108 % a intensidade do fluxo de N reativo.
c) a minerao de fontes de P aumento de 400 % a magnitude do fluxo de P na biosfera .
d) i d b t i f i d t td) a queima de combustveis fsseis e o desmatamento contribu em 113 % para elevar a emisso de S para a atmosfera.
e) o desbalano entre precipitao e o uso da gua alterado em 16 % os fluxos de O e H (H2O).
f) a carga de material em suspenso no rios almentando em 200 %.
As transformaes e os fluxos dos elementos no solo esto estritamente ligados ao do Corg
Ilustrao dos principais compartimentos e processos de adio, retirada e transformao dos elementos no sistema solo-planta.
Setas mais largas indicam a intensidade e a relevncia relativa do processo
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VEGETAOQUALIDADE DO SOLO
NO SUSTENTVEL
FUNCIONALIDADE DO ECOSSISTEMA(estabilidade e resilincia)
Fluxo hdricoProteo do solo e fauna
Cadeia trficaEquilbriobiolgico
SUSTENTA-BILIDADEEquilbrio
Mantida Comprometida
OS PILARES DA SUSTENTABILIDADE
Fluxo de energia Ciclagem denutrientesBiodiversidade
(atividade)
FotossnteseHeterotrofiaBiomassa/hmus
MineralizaoTransformaoDisponibilidadeAbsoro
Ampla e funcional(redundncia e estabilidade)
Perda Reduo RetiradaNO SUSTENTVEL
SUSTENTVELConserva-o
Manuteno Entrada
Fluxo e estoque de C em floresta tropical da reserva Jar-Rondnia.
* Contribuio relativa de razes e respirao do solo.
Florestas temperadasaltos teores e compostos aromticosbaixos teores de K, Ca, Mg, etc.
Florestas tropicaisalta intensidade dos processos biolgicos
Dificultando a decomposio
Ecossistemalta intensidade dos processos biolgicosSusceptveis perda de MO e nutrientes > quantidade de C e nutrientes armazenada nos
ecossistemas naturais.
a frgil
X
Solos desmatados so produtivos por pouco tempo.
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7.2. Carbono7.2.1. As transformaes e o ciclo
Estoque (1015 g C) e fluxo (1015 g C ano-1) de C nos principais componentes da biosfera mostrando as fontes e os drenos de C na
atmosfera (Bolin & Fung, 1992; Falkowski et al., 2000)
O fluxo total de nutrientes no sistema solo-planta pode atingir 400 kg ha-1 ano-1
Qdade total de nutrientes nas plantas/ nutrientes no solo
< 1 > 1
Sustentvel Pouco sustentvelSustentvel Pouco sustentvel
Ex.: floretas sob solos arenosos e pobres em
nutrientes
Ao antrpica
7.2.2. Emisso e sequestro de C do solo
Ano C-CO2 atmosfrico, mg L-1
1850 280
2000 370 31 %
Aumento anual de 1% 50 % das causas do Efeito estufa Metano (C-CH4) aumento de 145%, aumento anual
mdio de 0,5 a 1% Seqestro de C balano entre fotossntese e
respirao ideal: fotossntese respirao
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Causas do aumento da emisso de CO2 (506 bilhes de t)
Queima de combustvel fsseis Desmatamento
Tabela 7.8
Tabela 7.9 Tabela 7.10
ha/a
no)
PD (dC/td=-0,54+0,129C)
Plantio direto (PD)
PR (dC/td=-0,59+0,081C)PC (dC/td=-1,02+0,115C)
C adicionado X variao do C adicionado X variao do estoque em sistemas de cultivosestoque em sistemas de cultivos
dC/d
t(M
g/h
C adicionado, Mg/ha/ano
Plantio reduzido (PR)
dC/td 0)Plantio convencional (PC)
1. Aveia/milho sem N2. Ervilha/milho sem N3. Aveia+ervilha/milho+cau
pi sem N4. Aveia/milho com N5. Ervilhaca/milho com N6. Aveia/milho+caupi sem N
rgdo
sol
o an
o) Manual
PD
CCorgorg X C adicionado em X C adicionado em sistemas de cultivossistemas de cultivos
Var
ia
o do
Cor
(Mg/
ha/a
PC
C adicionado ao solo, Mg/ha/ano
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Recomendaes para manter o solo seguestrando Ca) No remover os restos culturais do solo
b) Evitar o revolvimento do solo
c) Mant-lo sempre coberto por vegetao com abundante sistema radicular e a mxima diversidade possvel
d) Praticar rotao de culturas, pousios e rotao no uso de agroqumicos para ampliar a diversidade biolgica no agrossistemaagrossistema.
e) Adotar prticas de manejo integrado para maximizar o uso de recursos e, assim, minimizar a aplicao de insumos qumicos.
f) Promover a integrao de sistemas de produo agrosilvopastoril
g) Propiciar aes para recuperao de solos degradados ou marginais.
MO x sociedadeFunes locais (solo)
Fornecimento de nutrientes
Substrato microbiano
Propriedades qumicas e fsicas.
Funes fora do local Reduo de sedimentos nos corpos dgua
Ao filtrante de poluentes qumicos
Biodegradao de substncias txicas
Efeito tampo na emisso de gases do efeito estufa
Estabilidade da produo agrcola (efeito econmico e social)
ConsequnciasConsequncias do esgotamento da do esgotamento da M.O.S.M.O.S.
Moreira e Siqueira, 2006
Efeito estufa (temperatura) x atividade biolgica do solo Elevao da temperatura do solo de 25 para 35 oC triplicou o
C mineralizado. Este efeito mais acentuado em solos de clima frio
Temperatura Global est aumentando 0,2 a 0,5oC/dcada aumenta a atividade microbiana e a liberao de CO2 efeito mais acentuado no hemisfrio norte efeito mais acentuado no hemisfrio norte
Metano de origem biognica terras encharcadas, arroz inundado, fermentao entrica e dejetos animais, tratamento de esgoto e lixes
OBS: no arroz 75% do CH4 produzida transformado p/ CO2na regio aerbia (produzida pela planta) por bactrias metanotrficas (Methylomonas, Methylococcus e Methylosinus)
7.2.3. A reciclagem de materiais de matriz orgnica Produo de lixo/esgoto Lixo 500 a 700 g habitante-1 dia-1
No Brasil: perde-se com a no reciclagem 5,0 bilhes dlares por ano.
Esgoto 40 g de matria seca habitante-1 dia-1 No Brasil: quando o tratamento de esgoto atingir 50 % da
populao haver uma produo de 1,0 milhoes de toneladas.
Biosslido material resultante do tratamento biolgico do esgoto Valor agronmico R$ 10,00/t base seca Composio por kg 250 g de MO decomponvel 80 g de N 10 g de P 22 g de Ca
Outros resduos (Principais)
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Resduos e seus perigos para o meio ambiente e a sade
a) Liberao de gases malcheirosos e metais pesadosb) Liberao ou formao de orgnicos poluentes e de
compostos mutagnicos, teratognicos e carcinognicos.
c) Contaminao do solo alimentos e corpos dgua porc) Contaminao do solo, alimentos e corpos d gua por nutrientes inorgnicos poluidores como nitratos, fosfatos e metais pesados.
d) Transmisso de doenas para o homem e animais e atrao de insetos indesejveis
e) Liberao de odores desagradveis e com reaes alrgicas, tais como metablitos microbianos e amnia.
Produtividade relativa (% da adubao mineral) do milho em resposta a doses crescentes (base seca) de um biosslido
industrial. (Trannin et al. 2005) Classes de logo
Caracterstica Classes
A B
Coliformes fecais, NMP g-1 lodo seco < 1.000 < 2.000
Salmonella, NMP g-1 lodo seco < 4
Limites para aplicao no solo
Vrus entricos, UFP g-1 lodo seco < 1
Prticas de higienizao dos lodos para sua carga biolgica de patgenos
Digesto Calagem para elevao do pH Compostagem Pasteurizao
eficcia de 50 a aproximadamente 100 %
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Para aplicao de resduos slidos necessrio: Planos de aplicao Monitoramento Aprovados por rgos ambientais
O plano tcnico de aplicao baseia-se:a) Caracterizao do material: alm da classificao quantoa) Caracterizao do material: alm da classificao quanto
ao tipo de resduo, composio, patgenos, MO, taxa de minaralizao e capacidade de neutralizao.
b) Caracterizao do local: localizao na paisagem, tipo de solo e uso da terra e cultura.
c) Taxa de aplicao: N disponvel, metais pesados, teor de outros elementos e carga orgnica.
d) Impactos ambientais: atrao de vetores, odores desagradveis e outros impactos.
Resduos da suinocultura Extremamente poluidores Elevada carga microbiolgica Suinocultura: objeto de licenciamento ambientalResduos da bovinocultura Rebanho brasileiro = 190 milhes Produo diria por cabea = 24 kg com 80 % de umidade Composio (%) Composio (%)
0,55 % de N 0,25 % de P2O5 0,60 % de K2O
Correspondendo a 25 milhes de Mg de N, P2O5 e K2O > que ao que se consome de fertilizantes por ano = 9,6
milhes de Mg de N, P2O5 e K2O 5 % dos animais esto disponveis para a coleta = 1 milhes
de Mg de N, P2O5 e K2O
7.2. Nitrognio 7.2.1. Aspectos gerais
Distribuio geral:
Locais Estoque de N, g
R h f d d di t 1 0 1023Rochas, fundo dos oceanos e sedimentos 1,0 x 1023
Atmosfera (78% N2) 3,9 x 1021
Biosfera 2,8 a 6,5 x 1021
M.O. 3 a 5,5 x 1017
Biomassa microbiana 1,5 x 1015
Distribuio na biosfera:
M.O. mortaOrganismos vivos
AnimaisPlantas
Microbiota
C/N = 150
C/N = 10 a 15
96%
4%
2%94% 4%
Valores tpicos de N:
Locais N, kg ha-1Solo:N 11 500N2 11.500N-orgnico 7.250N-NH4+ 10N-NO3- 50Planta: 250
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Reaes de amonificao, nitrificao, desnitrificao e imobilizao
N i NH+H
NH NO NO
N2O
N-orgnico NH3-H
NH4 NO2 NO3
Amonifio Nitrificao
Imobilizao
Subciclos, compartimentos e transformaes biolgicas do N no solo
40 %
72 %2X
Adio e perda de N no solo
Adio Perdas
FBN: 50 a 500 kg ha-1 Lixiviao: at 500 kg ha-1
ano-1Mineralizao: 2 a 5% do N-orgnico Eroso: 40 a 150 kg ha
-1 ano-1
Reposio pelas chuvas: Extrao pelas culturas:Reposio pelas chuvas: 5 a 20 kg ha-1 ano-1
Extrao pelas culturas: 10 a 300 kg ha-1
Fertilizao: 50 a 400 kg ha-1ano-1
Volatilizao/desnitrificao: 10 a 80% do N aplicadoImobilizao no solo: 25 a 30% do N aplicado
Interferncias antrpicas grande significado
Desmatamento
Cultivo de no leguminosas (fertilizantes nitrogenados) acelera a mineralizao da M.O.
Plantio direto e de leguminosas aumenta o teor de N no solo
7.3.2. Mineralizao/Imobilizao
N-org. NH3 NO3-Mineralizao aerobiose
N-org. do solo
protenas, peptdeos, bases nitrogenadas, peptidioglicano, c. nuclicos e outros 24 a 37%
Acares aminados 5 a 10%
Formas complexas 50%
Teor de N nos solos varia de 1.000 a 6.000 kg ha-1
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Contribuio das fraes de N no solo
64 %11 %
2 a 5% do reservatrio total de N-org. mineralizado a cada ano
Um solo com 0,9 g kg-1 de N 2.700 kg de N ha-1(camada arvel)
54 a 135 kg de N ha-1 ano-1
Outro solo com 3,8 g kg-1 de N 11.400 kg de N ha-1(camada arvel)
228 a 570 kg de N ha-1 ano-1
Relao dos principais mecanismos e processos biolgicos Relao dos principais mecanismos e processos biolgicos importantes dos ciclos dos elementos no soloimportantes dos ciclos dos elementos no solo (Siqueira, 1993)(Siqueira, 1993)
Ele-mento Processo Mecanismo ImportnciaC Fotossntese,
DecomposioMineralizao
Incorporao de C eenergia CO2 enutrientes
Atividade microbiana Formao de hmus Fertilidade do solo Concentrao CO2
atmosferaN Amonificao
I bili N-org. NH3NO NH N
Aumenta N disponvelImobilizaoNitrificaoDesnitrificaoFixao biolgica
NO3 e NH4 N-org.NH4 NO3NO3 N2O, N2N2 N-org.
Reduz N disponvel Lixiviao do N Perdas N forma gas Incorporao de N
P MineralizaoImobilizaoSolubilizao
P-org. PO4PO4 P-org.P-insolvel PO4
Aumenta P disponvel Reduz P disponvel Aumenta P disponvel
S MineralizaoOxidaoReduo
S-org. SO4SO SO4SO4 H2S
Aumenta S disponvel Provoca acidificao Perda de S e fitotoxidez
Outros Oxi-reduoSolubilizao
M ox. M red. Solubilidade, toxidez epoluio
Efeito do tipo de cultivo na mineralizao
em condies anxidas a demanda de N menor, devido a menor biomassa, mineralizao e imobilizao
I > M
I M
I < M
e ca
rbon
o
Contedo de C e dinmica da Contedo de C e dinmica da imobilizao/imobilizao/mineralizaomineralizao de N no solode N no solo
S, 1999, extrado de Moreira e Siqueira, 2006
I = imobilizaoM = mineralizao
3 6 9Tempo de adoo de PD, anos
Con
ted
o de
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7.3.3. Nitrificao
um processo, aerbio das bactrias quiolitotrficas, de oxidao do amnio (NH4+) a nitrato (NO3-)
bactrias gram (+) da famlia Nitrobacteriaceae
NH3+H NO3-NO2NH4+
Nitrossomonas-H
Nitrobacter
Amnia Amnio Nitrito Nitrato
NHNH44 + 1/2 O+ 1/2 O22 NONO22 + H+ H22O + 2HO + 2H++ GG = = --65 kcal (65 kcal (NitrosomonasNitrosomonas))6 e6 e--
NONO22 + 1/2 O+ 1/2 O22 NONO33 GG = = --17,8 kcal (17,8 kcal (Nitrobacter))2 e2 e--
NHNH44 + 2 O+ 2 O22 NONO33 + H+ H22O + 2HO + 2H++ GG = 82,8 = 82,8 kcal8 e8 e--
Nitrificao
a oxidao do NH4 acidifica o solo (adubao qumica)
Assimilao de N e nitrificao fotoautotrfica em leguminosas
Fatores que afetam a Nitrificao Aerao processo aerbio Temperatura tima 26 a 32oC No ocorre acima de 51oC Muito pequena abaixo de 5 oC (clima frio)
Umidade tima prximo a capacidade de campo
Taxas relativas de desnitrificao e outos processos microbianos em funo da % de gua no solo
pH do solo a nitrificao estimulada pela calagme dos solos
cdios.exige altos teores de bases trocveis baixa em solos cidos
Mxima pH 6,6 a 8,0 Reduzida pH < que 6,0 Nula pH < que 4,5 Nula pH < que 4,5
Fertilizantes fertilizantes amoniacais em solos alcalinos inibe a segunda fase da nitrificao
a amnia txica a Nitrobacter nitrito poder ser acumulado no solo
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M.O. e relao C/N incorporao de rezduos com alta relao C/N reduz a nitrificao por falta de substrato (imobilizao)
relao C/N melhor < 30 Presena de fatores txicos as bactrias
nitrificadoras so muito sensveis Inibidores comerciais de nitrificao acumula
NH4+ no solo e tem como objetivo reduzir as perdas de N aplicadoperdas de N aplicado
Destino do NO3- no solo absoro, imobilizao, lixiviao (poluio) e reduo (desnitrificao, baixa conc. de O2)
7.3.4. Reduo do Nitrato
Reduo assimilatria imobilizao do NO3-, por plantas e microrganismos
Quimiodesnitrificao dissimilatria (desnitrificao no respiratria) no conserva energia e favoredica pela acidez
bi ( l d l O ) ocorre em anaerobiose (regulada pelo O2)
Respirao do NO3-
produz NO2- e conserva energia ocorre em anaerobiose (regulada pelo O2)
Reduo dissimilatria do NO3- para NH4+
conserva energia e ocorre em anaerobiose ocorre em anaerobiose (regulada pelo O2)
Desnitrificao respiratria (desnitrificao) produz N2 > N2O > NO e conserva energia respirao anaerbica e oxidao fosforilativa
principal via de perda de N do soloevita que o N atinja os oceanos bactrias anaerbias facultativas
2 NO3 2 NO2 2 NO N2N2O
(bactrias desnitrificantes)
Fatores que afetam a desnitrificao Tab 7.16 Moreira & Siqueira, 2002 Umidade do solo ocorre a partir de 60% de
saturao, acentuando-se a partir de 80%
pH lenta em pH menor que 5,0
Temperatura aumenta com o aquecimento global
Teor de C necessrio p/ o metabolismo dos desnitrificadores
correlao positiva entre o teor total de MO e o potencial de desnitrificao
a decomposio da MO produz CO2 e consome O2
Perda de N 5 a 15 kg ha-1
contribui para diminuio da camada de oznio e aumento do efeito estufa
Reduo das perdas de N da adubao nitrogenada do arroz irrigado
incorporar o fertilizante (N-NH4+) abaixo da camada oxidada
absoro mais rpida pela cultura absoro mais rpida pela cultura controlar ou reduzir a nitrificao
pH < 6,0 aplicao do fertilizante mais profundo aumentar a lmina dgua fazer uso de inibidores de nitrificao
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Processos das transformaes de N e outros elementos em solo inundado
7.3.5. A disponibiidade de N no solo