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CICLO DO NITROGÊNIO O nitrogênio (N2) é um elemento fundamental para os seres vivos, pois ele participa da composição de aminoácidos, que compóem as proteínas; e também dos nucleotídeos, que compõem os ácidos nucleicos. A atmosfera tem cerca de 80% de nitrogênio, porém as plantas só conseguem utilizá-lo na forma de amônia (NH3) ou nitrato (NO-3), enquanto os animais conseguem aproveltá-lo somente na forma de aminoácidos.

Portanto, com exceção de alguns microrganismos, os seres vivos são incapazes de aproveitar diretamente esse gá oril Algumas poucas esp itrogênio disponível atm de nitrogênio as mai nitrogênio em suas do conseguem fixar o bactérias fixadoras rar os átomos de s microrganismos fazem um processo chamado de fixação do nitrogênio. É um processo que envolve multo gasto de energla, mas várias bactérias, cianobactérias e algumas espécies de fungos são capazes de fazê-lo.

A disponibilidade biológica do nitrogênio (N) no solo, juntamente com o fósforo (P), enxofre (S) e potássio (K) tem relação direta com a produtividade agrícola. Embora, este elemento seja encontrado em abundância na atmosfera na forma do gás N2, onstituindo cerca de 80% do seu volume total, nesta forma é quimicamente inerte e não disponível para os seres vivos. Geralmente as formas disponíveis ou “combinadas” de nitrogên10 para a nutrição dos seres vivos incluem as combinações amoniacais (NH4+), nítricas (N03-) ou orgânicas (R-NH2) que são metabolizadas visando a constr construção de biomassa.

Nos solos, o nitrogênio combinado é, geralmente, o fator limitante para a produção agrícola. Nesse sentido, torna-se necessário a adição do nitrogênio “combinado” no solo para compensar esta limitação. Geralmente isto é realizado por meio e adubações químicas ou orgânicas com o objetivo restaurar os níveis de N disponível e atender a demanda de N pelas culturas. Na natureza, o nitrogênio apresenta um grande número de transformações mediadas por microrganismos espec[ficos, visando a adição ou manutenção N disponfi. ‘el no solo.

Entretanto, algumas transformações podem promover uma retirada do N do solo, tais como a volatilização e lixiviação. Assim, o N-disponível no solo depende de um manejo correto e conhecimento das transformações desse elemento nos ambientes agrícolas. O nitrogênio é o nutriente do solo requerido em maior uantidade pelas plantas, as quais o assimilam na forma inorgânica, como amônio (NH4+) ou preferencialmente na forma de nitrato (N03-). A fonte primária de N do solo é a matéria orgânica do solo ou húmus, que apresentam o N na forma de R- NH2 formando complexos orgânicos.

Nesse caso, a mobilização ou mineralização do nitrogênio orgânico (N-org) constitui o prmeiro e importante passo para a sua disponibilidade para as plantas e microrganismos do solo. Geralmente, a mineralização do nitrogênio é entendida como a conversão do Nitrogênio orgânico (N-org) na sua forma inorgânica (Ni). Como o primeiro produto dessa transformação no solo é o amônio (NH4+), a amonificação é entendida como sinônimo de mineralização do N. org do solo.

Entretanto, o NH4+ sofre uma rápida oxidação até N03- PAGF70F11 rápida oxidação até N03- realizada pelos microrganismos nitrificantes. Na prática a avaliação da mineralização do N. org de um solo se realiza por meio de medldas tanto de NH4+ como N03-. AMONIFICAÇÃO Cerca de 75 a 95% do nitrogênio encontrado nos horizontes superficiais do solo está na sua forma orgânica (Norg) distribuídos entre 3 “compartimentos” a) biomassa; b)resíduos c) substâncias húmicas.

No caso de biomassa e resíduos, o nitrogênio é encontrado fazendo parte de paredes celulares (quitina, peptidioglicano), proteinas, aminoácios e ácidos nucleicos. Nas substâncias húmicas o nitrogênio forma complexos que somente podem ser fracionados artificialmente por meio de hidrólise ácida, sendo, portanto, de difícil caracterização. Estes compostos húmicos são recalcitrantes, isto é, persistem por longos períodos de tempo na solo.

Nesse caso, a sua resistência à mineralização tem sido atribu(da a duas razões: 1 . Compostos nitrogenados formam complexos ou polímeros om os fenóis ou polifenóis, resultando em substâncias menos susceptíveis à degradação. 2. Adsorção de substratos e enzimas no “‘lattice” de argilas. Sendo as enzimas que atuam no processo de mineralização do N, tipicamente com ação extra-celular, este aprisionamento pode ocasionar uma diminuição das taxas de mineralização do N do solo em determinados tipos de solos argilosos. ? importante frisar que todo o nitrogênio orgânico (Norg) está na forma de N-NHx (amina, amida, imidas) e por esta razão o prmeiro produto de sua mineralização é sempre o N-amoniacal (NH3 ou NH4+). DECOMPOSIÇÃO DAS PROTEÍNAS PAGF30F11 primeiro produto de sua mineralização é sempre o N-amoniacal DECOMPOSIÇAO DAS PROTEINAS Uma das principais fontes de nitrogênio orgânico no solo são as proteínas, liberadas após a morte e liberação do conteúdo celular da biomassa microbiana, vegetal ou animal.

O processo de decomposição é realizado em várias etapas. A primeira etapa é denominada proteólise que é a degradação enzimática de proteínas por meio de proteases ou proteinases, que separam a cadeia proteica em peptídios curtos e logo a seguir atacada por peptidases que liberam os dlversos aminoácidos: Proteases Peptidases — Peptídios aminoácidos Proteinas As Proteinases são produzidas por muitos fungos e bactérias principalmente aquelas pertencentes aos gêneros Clostridium, Pseudomonas e Bacillus.

As peptidases são muito mais comuns entre os microrganismos. Assim, muitos meios de cultivo de microrganismos heterotróficos do solo utilizam peptona, que são peptídios produzidos a partir hidrólise parcial de uma fonte proteica tais como: carne, leite (caseína), ou soja. Em uma segunda etapa os aminoácidos liberados durante a proteólise sofrem um processo de desaminação para liberação do rupo N-NH2 e liberação de NH3 por meio de rotas metabólicas envolvendo a desaminaçao direta, desaminação oxidativa ou descarboxilação com produção de C02 + NH3.

DECOMPOSIÇÃO DOS ÁCIDOS NUCLÉICOS Devido a sua estrutura polimérica de Bases(ATUGC)- açucar(Pentoses)- P04-, os ácidos nucleicos, RNA e DNA, são importantes fontes de N e também de P para os microrganismos. No aspecto quantitativo é considerada a segunda PAGFd0F11 também de P para os microrganismos. No aspecto quantitativo é considerada a segunda fração em importância no solo, logo após as proteínas.

São incorporados no solo após a autólise celular e seguem uma rápida degradação no solo por meio de enzimas denominadas genericamente de nucleases (ribonuclease ou deoxi-ribonuclease). Deve-se ressaltar que, similarmente a todas as enzimas envolvidas no processo de mineralização do N. org do solo, estas enzimas tem atuação extracelular gerando bases nitrogenadas (mononucleotídeos e mononucleosídeos Os nucleosídeos gerados podem ser assimilados pelos microrganismos e metabolizadas até a formação seus produtos finais na forma de uréia e C02, conforme a seguinte seqüência de eventos

Polinucleotideos (DNA, RNA) (1) mononucleotídeos + nucleosídeos + P(2) uréia + C02 + P04- (1) enzimas nucleases (extracelular) (2) metabolismo oxidativo (intracelular) DECOMPOSIÇAO DA UREIA A uréia é um produto da destruição de bases nitrogenadas liberadas na decomposição de ácidos nucleicos, sendo naturalmente um produto de excreção de animais superiores. A sua molécula pode ser sintetizada e utilizada na agricultura como um fertilizante nitrogenado orgânico.

A caracterização da uréia como um intermediário no metabolismo microbiano, como um produto de excreção de animais e como fertilizante faz dela um omposto chave no ciclo do nitrogênio em solos agrícolas. Aplicada no solo, é rapidamente hidrolizada e todo o nitrogênio liberado na forma amoniacal (NH3) em poucos dias conforme a seguinte equação: urease CO (NH2)2 + H20 – (NH4 2C03 2 NH3 + C02 + H20 equaçao: CO (NH2)2 H20 — (NH4)2C03 2 NH3 + C02 + H20 NITRIFICAÇÃO A nitrificação é definida como a formação biológica de nitrato ou nitrito a partir de compostos que contenham nitrogênio na forma amoniacal (NH4+).

A importância dos nitrificantes está no fato da produção de nitrato, que a principal fonte de nitrogênio assimilado pelas plantas. Durante a era Napoleônica, a demanda de sals de nitrato para produção de pólvora estava aumentando, e com a guerra houve interrupção quanto ao acesso às fontes naturais e o nitrato passou a ser produzido em pilhas de solo + calcário + esterco (ou urina ou esgotos). Estas pilhas quando misturadas e convenientemente aeradas, entravam em decomposição, sendo o N03- extraído com H20 quente do produto final.

Em 1870, Pasteur postulou que a formação de N03- era um processo microbiológico e análogo à conversão do álcool ao vinagre. Mas a primeira evidência expermental de que este era m processo biológico é atribuída a Schloesing e Muntz (1797) que adicionaram resíduos de esgotos a um tubo longo cheio com areia estéril e CaC03. Durante 20 dias a concentração de amônio no líquido permaneceu inalterada, mas após esse período o amônio desapareceu e houve o aparecimento do nitrato.

O aquecimento da coluna ou a adição de antiséptico eliminava a transformação, a qual era reiniciado pela adição de pequenas quantidades de solo de jardim. Em 1878, Warrington descobriu que a nitrificação era um processo que envolvia 2 grupos de microrganismos, mas o esponsável pelo isolamento do microrganismo nitrificantes foi S. WinogradZ3kY (1890). BACTÉRIAS NITRIFICANTES PAGF60F11 microrganismo nitrificantes foi S. Winogradsky (1890). BACTÉRIAS NITRIFICANTES E SUAS REAÇÕES BIOQUÍMICAS O trabalho pioneiro de Winogradsky estabeleceu que a nitrificação está tipicamente associada com certas bactérias quimioautotróficas.

Elas são aeróbias obrigatórias que derivam seu carbono do C02 ou carbonatos e a energia proveniente da oxidação de NH4+ ou N02-. As bactérias são classificadas em dois grupos, baseados se eles oxidam NH4+ a N02- ou N02- a N03-). Os principais grupos de bactérias nitrificantes são: BACTERIAS QUIMIOAUTOTROFICAS OXIDANTES DE NITROGENIO GÊNERO ESPÉCIE I HABITAT Oxidantes do amônio (NH4*) a nitrito (N02-) Nitrosomonas* N. europeae Solo, água, esgoto Nitrosospiral N. biensis Solo Nitrosococcus N. nitrosus I Mar N. oceanusl Mar I N. obilis I Solo I Nitrosovibrio I N. tenuis I Solo Oxidantes do nitrito (N02-) a nitrato (N03-) Nitrobacter* I N. winogradskyi Solo Nitrospira N. gracilis Mar Nitrococcus I N. mobilis I Mar * mais comumente encontrada Na maioria dos habitat as bactérias dos dois grupos são ncontradas juntas, sendo que o N02- raramente acumula na natureza, sendo clássicamente descritas como exemplo de interação sinérgica no solo. As bactérias nitrificantes exigem meios de cultivo com composição definida, utilizando como fonte de carbono o carbonato e uma fonte de N-amoniacal.

Sendo estes microrganimos tí icamente autotróficos aeróbios, podem crescer em meios ionados de amonia ou apenas. A eficiência bioquímica nesses organismos é convencionalmente expressa pela relação entre nitrogênio inorgânico oxidado (deriva a energia) para carbono C02 assmilado. ara a Nitrosomonas a relação NH4+-N:C02-C é 14 a 70:1 e para a Nitrobacter essa relação é de 76 a 135:1. A reação típica em sua primeira etapa é: N H 4++1 h 02 NO-2 + 2H+ + H20 Esta reação se processa em várias etapas e com a formação de vários produtos intermédiários, principalmente a hidroxilamina (NH20H) que é oxidada até HN02.

Deve-se ressaltar que esta prmeira etapa gera um elevado potencial de acidez do meio, devido a violenta liberação de H+. Assim, quando do cultivo desses microrganismos, deve-se promover um efeito tampão no meio com a utilização de CaC03 para evitar a morte desses icrorganismos nitrificantes por excesso de acidez do meio. A segunda etapa na sequência autotrófica é assim visualizada como envolvendo uma hidratação do nitrito da qual o íon hidrogênio é removido: N02- + H20 H20.

NO’2 NO’3 + 2H Embora o N02- raramente se acumula no meio, a possibilidade de sua a acumulação pode ser devida a um excesso de alcalinidade associada com elevados teores de amônio. A fertilização com amônia anidra pode elevar o pH a 9,0 ou e a fonte de nitrogênio junto com o alto pH local freqüentemente causa acumúlo de nitrito. Mesmo a decomposição de prote[nas u uréia pode resultar nesse efeito temporário. Com o progresso de nitrificação há o desenvolvmento da acidez e alivio do problema.

O acúmulo de nitrito pode também ser atribuída a sensibilidade da Nitrobacter a sais de amônio em meio alcalino. Em pH também ser atribuída a sensibilidade da Nitrobacter a sais de amônio em meio alcalino. Em pH 9,5 e 4 ppm NH4+-N suprime a reação produtora de energia do Nitrobacter. Assim o amônio é um Inibidor seletivo em condições alcallnas, da segunda etapa da nitrificação. NITRIFICAÇAO HETEROTROFICA Várias bactérias e actinomicetos heterotróficos são capazes de erar traços de N02- quando crescidos em meio contendo NH4+. lgumas bactérias, como estirpes de Arthrobacter, e fungos, como o Aspergillus flavus, produzem N03- de NH4+. Os heterotróficos não denvam energia dessas reações de oxidação e sua significância na natureza não é conhecida. A produção de N03- nos solos de agricultura pelos heterotroficos parece não ser significativa, comparado com os nitrificantes autotróficos. INIBIDORES DA NITRIFICAÇAO O nitrato geralmente não acumula em solos estáveis de campo e florestas. Há numerosas sugestões que o clímax de um cossistema produz compostos orgânicos, tais como o tanino, que são tóxicos ao nitrificantes.

Este processo, chamado alelopatia, parece representar um controle natural de nitrogênio- Um argumento alternativo mais aceito atualmente é que a competição por NH4+ pelas raízes de plantas, fungos micorrízicos e microrganismo imobilizadores de nitrogênio mantêm a taxa de N inorgânico baixa. Para reduzir as perdas de nitrogênio, tem sido desenvolvido pesquisas para se encontrar inibidores químicos que possam ser aplicados Juntos com a amônia ou uréia para reduzir a nitrificação. O composto não poderia ser fitotóxico nem poluente do ambiente. Um dos melhores é 0 2-cloro-6 (triclorometil) piridina. ouréia, isotiocian PAGF40F11 ambiente. Um dos melhores é 0 2-cloro-6 (triclorometil) piridina. Tiouréia, isotiocianatos, s-triazinas, etc… (ver tabela de inibidores). DESNITRIFICAÇÃO A discussão da desnitrificação está intimamente ligada ao destino do N03- no solo. Geralmente o N03- no solo tem 3 destinos: a) Assimilação – refere-se a sua assimilação pelas biomassa de plantas. Este processo é realizado por enzimas denominadas genericamente de redutases, que convertem o N03- em NH4+, qual é incorporado em carbono orgânico gerando aminoácidos para a síntese protéica. ) Desassimilação ou volatilização – refere-se ao processo de desnitrificação. Neste caso os microrganismos heterotróficos utilizam o nitrato como aceptor final de elétrons e prótons, no processo de respiração anaeróbia. As enzimas que realizam este processo são também denominadas redutases. As primeiras transformações nesta sequência de eventos são semelhantes ao processo assimilativo (Nitrato redutase e nitrito redutase). c) Lixlviação – O ânion N03- tem grande mobilidade no solo, evido a prevalência de cargas negativas.

Assim, o nitrato presente em horizontes superficiais do solo pode facilmente ser percolado e acumular em lençóis freáticos. O PROCESSO DE DESNITRIFICAÇAO Consiste na redução microbiana de nitrito e nitrato com a liberação de nitrogênio molecular e óxido nitroso (N20). É também conhecida como desnitrificação enzimática. Na desnitrificação o N é perdido ou volatilizado para a atmosfera. Ela é essencialmente um mecanismo respiratório em que o nitrato substitue o oxigênio molecular, e por isso é também denominada de respiração de nitrato.