O ciclo do Nitrogênio

1. O ciclo do Nitrogênio

2. Introdução • O Nitrogênio compõe 78% dos gases da atmosfera • A maioria do N do solo ligada a MO • Quarto elemento mais abundante nas plantas (C, O2, H2, N) • Está presente em aminoácidos, proteínas, bases nitrogenadas, ácidos nucléicos (DNA, RNA), hormônios, clorofila, etc. 2

3. Introdução • Na atmosfera na forma de gás constituída por 2 átomos de N • Para ser absorvida deve estar na forma iônica: NH4+ ou NO3-- • Fixação do N2 atmosférico é necessária para que o mesmo possa ser utilizado • Fixação espontânea (queimadas, raios, lava), fixação biológica (grande maioria), ou fixação industrial (Haber-Bosch) 3

4. O ciclo do Nitrogênio

5. Fixação do N • N2 NH4+ ou NO3- • Única forma que os organismos conseguem obter N da atmosfera • Simbiontes como Rhizobium + legumes, Frankia + Alnus, etc.: N em troca por carboidratos e ambiente favorável • Fixadores de vida livre (ambientes aquáticos principalmente): Cyanobacteria, Azotobacter, Clostridium

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. Processos da fixação biológica do N2 • Fixação Biológica • N2 2NH3+ + H2 • Mediadores: enzima nitrogenase com proteção ao O2, doadores de e-, ATP, Mg, Fe, Co, esqueletos carbonados Adaptado de Craswell 1990. 4

11. Processos da fixação biológica do N2 • Fixação espontânea (10% do total fixado biologicamente) • Alguns dos processos: • N2 + O3 (ozônio) N2O (óxido nitroso) + O2 (ozonização do N2) • N20 NO (óxido nítrico) + N (fotólise do N2) • NO + O3 NO2 (dióxido de N) + O2 (ozonização do N2) • 3NO2 + H2O 2HNO3 (ácido nítrico) + NO (hidratação do N2) • NH3 + O NO3- (oxidação do N2) 5

12. Processos da fixação biológica do N2 • Processos industriais (Haber-Bosch) • N2 + H2 2NH3+ • Mediadores • 1000 C • 200-300 ATMs 6

13. Fixação biológica do N2 • A maioria do nitrogênio presente nos ecossistemas terrestres e aquáticos é fixado por organismos diazotróficos, que fixam N2 em formas usáveis (NH3+) • Oferecem forma não poluente de aumentar a produção agrícola • Reduzem a fertilização artificial (redução de custos) • Reduzem a emissão de gases de efeito estufa como N2O • Reduzem a lixiviação de NO3-- para os lençóis freáticos 7

14. Fixação biológica do N2 • A maioria dos diazotróficos pertence àsBacterias, mas também há representantes do grupo Archaea • Anaeróbicos, anaeróbicos facultativos, aeróbicos e microaerófilos • São divididos em: • De vida livre • Associativos • Simbióticos 8

15. Diazotróficos e seu metabolismo • Anaeróbicos: não toleram O2 mesmo quando não estão fixando N2. Encontrados em: • Materiais em decomposição – Clostridium • Sedimentos oceânicos, redutoras de SO42- – Desulfovibrio • Intestinos de animais – Archaea metanogênicas 10

16. Diazotróficos e seu metabolismo • Anaeróbicos facultativos: crescem tanto na presença quanto na ausência de O2, mas só fixam N2 anaerobicamente. Exemplos: • Klebsiellapneumoniae • Paenibacilluspolymyxa • Bacillusmacerans • Escherichiaintermedia 11

17. Diazotróficos e seu metabolismo • Aeróbicos: necessitam de O2 para crescer, contudo a nitrogenase, enzima essencial para a fixação, é debilitada se entrar em contato direto com o O2. Exemplos: • Azotobactervinelandii • Azomonas • Beijerinckia 12

18. Diazotróficos e seu metabolismo • Aeróbicos fototróficos: bactérias fotossintéticas que geram O2 como subproduto da fotossíntese e, além disso, fixam N2. Exemplos: • Anabaenacylindrica • Nostoccommune • Plectonema sp. • Outras cianobactérias: Trichodesmium (nos aceanos), etc. 13

19. Diazotróficos e seu metabolismo • Microaerófilos: aeróbicos somente quando não fixam N2. Exemplos incluem: • Mycobacterium • Azospirillum • Rhizobium • Frankia 14

20. Diazotróficos de vida livre • Beijerinckia e gramíneas (cana-de-açúcar) • Enterobacteraceae: • Klebsiella • Enterobacter • Azotobacteraceae: • Azotobacter • Azomonas 15

21. Diazotróficos Associativos • Segundo Baldani etal. (1997), divididos em 2 grupos: • Endofíticos facultativos • Rizosfera e interior das raízes, colmos, e folhas: Azospirillum, Herbaspirillum, Acetobacter • Endofíticos obrigatórios • Colonizam o interior das raízes, colmos, e folhas: Gluconacetobacter, Azoarcus, Herbaspirillum, Burkholderia, Alcaligenes, Erwinia, Bacillus, etc. 16

22. Diazotróficos simbióticos • Exemplos de famílias de simbiontes vegetais • Fabaceae: soja, feijão, ervilha, trevo, vassoura-de-bruxa, alfafa, Lupinus, Sesbania, Oxytropis, Astragalus, etc. • Leguminosae: Ulex, Mimosa • Gramíneas: cana-de-açúcar, sorgo, milho, trigo • Arecaceae: Welfia (palmeira) • Gunneraceae: Gunnera (nalca) • Betulaceae: Alnus (Alder) • Casuarinaceae: Casuarina • Eleagnaceae: Shepherdia (amora de búfalo) • Zamiaceae: Ceratozamia (cícada) • Rhamnaceae: Ceanothus (arbusto da neve) • Myricaceae: Myrica • Rosaceae: Cercocarpus (mogno da montanha), Purshia (arbusto amargo) 19

23. Diazotróficos simbióticos: leguminosas • Leguminosas são cultivadas em 250 milhões de ha no mundo, e fixam por volta de 90.000.000 de toneladas de N/ano, contribuindo com cerca de 50% do N usado na agricultura • Legumes podem fixar até 600 kg de N/ha/ano (trevos); soja e feijão fixam de 150 a 450 kg/ha/ano • Programas de inoculação com o microsimbionte 20

24. Diazotróficos simbióticos: leguminosas • Genes específicos fazem o reconhecimento, contato, e penetração • O2 ligado a leghemoglobina nos nódulos onde estão as bactérias simbiontes e liberado em taxas que não danificam a nitrogenase 21

25. Diazotróficos simbióticos: leguminosas • Ordem Proteobacteria, Classe Alphaproteobacteria • Família Rhizobiaceae: Allorhizobium spp., Rhizobium spp., Ensifer spp. • Família Bradyrhizobiaceae: Bradyrhizobium spp. • Família Phyllobacteriaceae: Mesorhizobium spp. • Família Hyphomicrobiaceae: Azorhizobium spp. • Outros: Burkholderia, Cupriavidus, Devosia, Herbaspirillum, etc. 22

26. Diazotróficos simbióticos: gramíneas • Associam com gramíneas de interesse agrícola como cana-de-açúcar, arroz, trigo, sorgo, milho, cevada, centeio, aveia, etc. • Associam-se com gramíneas de interesse pastoril como Spartina, Pennisetum, capim colonião, capim elefante, etc. 23

27. Diazotróficos simbióticos: gramíneas • Ordem Proteobacteria, Classe α-, β-, e γ-proteobacteria • Nas raízes, talos e folhas: Alcaligenes, Azoarcus, Azonexus, Azorhizobium, Azospirillum, Azotobacter, Azydromonas, Bacillus, Beijerinckia, Burkholderia, Dechloromonas, Delftia, Derxia, Geobacter, Gluconacetobacter, Herbaspirillum, Ideonella, Klebsiella, Methylobacterium, Methylocella, Methylocystis, Methylosinus, Mesorhizobium, Paenibacillus, Pelomonas, Pseudomonas, Raoultella, Rhizobium, Rhodoblastus, Rhodovulum, Xanthobacter, etc. 24

28. Associações simbióticos com Frankia • Frankia • Bactérias actinorrizas (actinomicetos) que se associam com várias angiospermas formando nódulos: Allocasuarina, Alnus, Casuarina, Ceanothus, Coriaria, Datisca, Dryas, Myrica, Purshia, Shepherdia, etc. • Podem fixar até 90 kg de N/ha/ano 25

29. Associações simbióticas com Cianobactérias • Heterocitadas e não-heterocitadas • Além da fixação de nitrogênio em vida livre, também fixam simbioticamente • Associam-se com fungos, liquens, briófitas, pteridófitas, cícadas, palmeiras, diatomáceas marinhas, plâncton marinho, etc. • Associação com animais: no estômago de alguns animais, como cupins 26

30. Associações simbióticas com Cianobactérias • Anabaenaazollae (=Nostoc) • Cianobactérias fotossintetizam e também fixam N2 (100 kg/ha/ano) • Associa-se as folhas da pteridófita aquática Azolla • Azolla usada como fertilizante na agricultura (arroz irrigado) 27

31. Iniciação e desenvolvimento dos nódulos • Rhizobium associa-se a seu simbionte(leguminosas) e induz a formação de nódulos nas raízes e talos usando diferentes mecanismos: • Contato do inóculo com os pelos radiculares (reconhecimento) • Início da deformação e curvatura dos pelos radiculares • Superfície do pelo radicular hidrolisado para permitir a penetração dos pelos radiculares e a formação do “fio de infecção” 28

32. Iniciação e desenvolvimento dos nódulos • Penetração via feridas • Inóculo se move em direção ao córtex da raiz • O inóculo nunca recebe acesso livre intracelular • Penetração de primórdios nos talos, como é o caso de Sesbania 29

33. Iniciação e desenvolvimento dos nódulos • Proliferação do inóculo em células do córtex adjacentes ao ponto de entrada via pelo radicular formando os nódulos • Formação de um primórdio nodular e liberação da bactéria nas células do córtex (envoltas por uma membrana peribacteróide que protege a bactéria das defesas do simbionte vegetal) 30

34. Iniciação e desenvolvimento dos nódulos • Modificações gênicas durante a formação dos nódulos (gene nodD) produzindo oligossacarídeos específicos responsáveis pela formação dos nódulos • Produção de flavonóides (compostos fenólicos complexos) pelas plantas, responsáveis pelo reconhecimento. Esses também são encontrados nas micorrizas 31

35. Funcionamento dos nódulos • N2 fixado a NH3+ convertido no simbionte vegetal a asparagina via glutamina, glutamato e aspartato • Glutamanto e aspartato sintetizam purinas (xanteinas) e estas são convertidas a ureídeos, alantoína e ácido alantóico • Várias proteínas só formadas quando em simbiose (nodulinas, leghemoglobina, nitrogenase, uricase, glutamina sintetase, etc.) 33

36. Produção de inoculantes • Adições de micróbios benéficos • Inoculantes na forma liquida, desidratada, encapsulados em polímeros (poliacrilamida ou alginato de Ca) • Inoculantes produzidos por fermentação semi-solida • Mercado promissor (R$) 34