Ciclos biogeoquímicos e organismos do solo

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Ciclo dos Nutrientes
e
Microrganismos do Solo 
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Brisa Cabral
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Os ciclos biogeoquímicos constituem na ciclagem, em escala global, de elementos ou substâncias químicas que necessariamente contam com a participação de seres vivos.
Principais ciclos:
Carbono
Oxigênio
Nitrogênio
Fósforo
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Processos do Fluxo de Energia, Carbono e Nutrientes no Sistema Solo-Planta-Organismos
Moreira & Siqueira, 2006
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Moreira & Siqueira, 2006
Transformações e Ciclagem de C, N, P e S no Sistema Solo-Planta Mediados pela Microbiota do Solo
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Ciclo da água
. Mais abundante componente dos seres vivos.
. 75% da superfície da Terra é coberta por água.
. Menos de 1% da água está disponível para o consumo.
. Reservatório: Oceanos, rios e lagos.
. Atuação do homem – Desmatamento e eutrofização
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Ciclo do oxigênio
. Reservatório: Atmosfera – 21%.
. Entra: Fotossíntese
. Sai: Respiração aeróbica, decomposição e combustão.
. Atuação do homem: Camada de ozônio
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Ciclo do oxigênio
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Ciclo do nitrogênio
Reservatório: Atmosfera – 78%.
Indispensável na formação de ácidos nucléicos e proteínas.
Fixação: Descargas elétricas (raios)
 bactérias e cianofícias
 
 Retorno: Decomposição 
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4 fases do Ciclo do Nitrogênio
• Fixação Atmosférica
• Fixação Biológica
• Nitrificação
• Desnitrificação
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FIXAÇÃO ATMOSFÉRICA
O N2 atmosférico, é fixado, transformando-se em óxidos de nitrogênio. Estes, ao serem hidratados pelo vapor- d’- água, transformam-se em nitratos, que são levados para a terra pela chuva. 
N2 + 02 ------ > NO3
 (Nitrato) 
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FIXAÇÃO BIOLÓGICA
É a principal forma de fixação;
Algumas espécies de cianobactérias e de bactérias são capazes de transformar o gás nitrogênio (N2) em amônia (NH3);
- Bactérias do gênero Rhizobium + Leguminosas
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Nesta fase, o nitrito obtido na nitrosação é convertido em nitrato pelas bactérias Nitrobacter.
amônia (NH3), proveniente da fixação, excreção animal ou decomposição é convertida em nitrito (NO2) por bactérias Nitrosomonas e Nitrosococcus. 
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Ciclo do Carbono
. O Carbono está presente na estrutura de todas as substâncias orgânicas.
. Reservatório: Atmosfera – CO2.
. Sai: Respiração, decomposição e combustão.
. Retorno: Fotossíntese
. Atuação do homem:
. Combustíveis fósseis.
. Atuação do homem: Efeito estufa 
???
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1 Pg = 1,000,000,000,000,000 g
	quatrilhões
100.1021 g
150.1016 g
380.1017 g
4.1018 g
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O Ciclo do Carbono
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Carbono
Fotossíntese
Quimiossintese
Respiração
Combustão
Mat. Org. (CHO)
Biomassa
CO2 + H2O
Autótrofos
Heterótrofos
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O Carbono nos Ecossistemas
O Carbono compõe 18% da massa na Terra: aminoácidos, proteínas, ácidos nucléicos (DNA), lipídios, carboidratos
0,03% da atmosfera é Carbono
Principais gases que envolvem a Terra: CO2 e CH4
 Reservatório: Atmosfera 
 N2 ----------------------> 78,00%
 O2 ----------------------> 21,00%
 G.N obres---------------> 0,97%
 CO2 ----------------------> 0,03%
 
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Principais reservatórios de carbono na Terra
Reservatório 	 Carbono(gigatons) 		 % total de C na Terra
Oceanos 			 	38 x 103	(>95% C inorgânico)			 0,05
Rochas e sedimentos	 75 x 106 	(>80% C inorgânico) 			> 99,5
Biosfera terrestre 		 2 x 103 								0,003
Biosfera aquática 	 1-2 								0,000002
Combustíveis fósseis 	 4,2 x 103 							0,006
Hidratos de metano 	 104								0,014
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Fixação / Liberação de C
CO2 fixado via fotossíntese (autotroficamente em compostos biológicos) com liberação de O2
Calcula-se que cada molécula de CO2 da atmosfera é fixada via fotossíntese a cada 300 anos
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(70-120)
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Redução do Carbono (Fixação do CO2)
CO2 + 4H		(CH2O) + H2O
Plantas
bactérias verdes e púrpuras fotossintetizantes
algas
cianobactérias
bactérias quimiolitróficas
algumas bactérias heterotróficas:
CH3COCOOH + CO2	 HOOCCH2COCOOH
	 ácido pirúvico	 ácido oxaloacético
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Resumo dos Processos do Ciclo de Oxi-Redução do Carbono
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Biomassa Microbiana
Parte viva da matéria orgânica do solo, composta por todos os organismos menores que 5.10-3 mm3 – Fungos, bactérias, actinobacterias, leveduras e microfauna (protozoários)
 Cerca de 98% do C-orgânico do solo é matéria orgânica morta
 2% do C-orgânico do solo é composto pela fração viva.
5 a 10% - Raízes
15 a 30% - Macrofauna
60 a 80% - Microrganismos
(1 a 5% da MOS total)
BIOMASSA
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 Atividade Decompositora no Solo
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Características da Biomassa Microbiana
Muito dinâmica, responsável por grande parte da atividade biológica do solo;
Catalisa as transformações bioquímicas, representando fonte e dreno de C e troca de nutrientes entre a atmosfera e o ecossistema solo-planta;
Destino inicial do C em transformação;
Principal fonte de enzimas do solo;
Atividade catalisadora – De 15 a 30% da população total é ativa (depende das condições);
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Características da Biomassa Microbiana
Atividade:
 Fungos 
 700 a 2.700 kg ha-1 
Tempo de geração = 4 a 8 horas (2-10% atividade)
 Bactérias 
500 a 750 kg ha-1 
Tempo de geração = 0,5 hora (15-30% atividade)
 Microfauna 
 < 50 kg ha-1
 Tempo de geração = 2 a 4 horas (pouco conhecida)
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Enzimas do Solo
São proteínas com ação catalítica e alta especificidade funcional que viabilizam reações que sustentam o metabolismo celular.
Origem: microrganismos, plantas e animais
Características:
 Alta especificidade de reação
 Não são consumidas na reação
 Sujeitas à indução, ativação, inibição, desnaturação e biodegradação
 Alta resistência (alta estabilidade térmica e resistência ao ataque de proteases)
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Decomposição da Matéria Orgânica
 Macrorganismos = reguladores da degradação
 Microrganismos = Transformadores
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 Decomposição = Quebra do material orgânico particulado, geralmente na forma de polímeros, em materiais solúveis que são absorvidos pelas células microbianas
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 Decomposição = Processo complexo, cuja velocidade do processo pode ser medida por diferentes maneiras:
a) Quantidade de C evoluída como CO2 (C-CO2);
b) Estimativa da biomassa formada com base na eficiência de conversão microbiológica dos substratos em decomposição;
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Degradabilidade dos Constituintes dos Resíduos Orgânicos
 Celulose
 Polissacarídeo de maior ocorrência natural
 Insolúvel em água
 Principal componente dos vegetais
Decomposição:
Celulase: microrganismos celulolíticos
Microrganismos aeróbios: via CTA
Solos: úmidos (fungos), semi-áridos (bactérias)
Fatores: pH, água, temperatura, O2
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 Hemicelulose e Pectinas
 Segundo maior componente dos vegetais
 Polissacarídeo de pentoses, hexoses e ácidos urônicos
 Ex: Xilanas, mananas e galactanas
 Pectinas = importante componente da lamela
 média da parede celular das plantas
Decomposição:
Bacillus: xilanas
Erwinia, Clostridium, Pseudomonas e Bacillus
Produzem protopectina, pectina e ácido péctico
 Fungos patogênicos produzem enzimas que
 facilitam sua penetração
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 Lignina
 25% da fitomassa seca produzida na biosfera (35% da madeira)
 Biopolímero mais abundante na biosfera (recalcitrância)
 Estrutura complexa – sub-unidades aromáticas sem ligações idênticas
 Em materiais lignocelulósicos, protege a celulose e a hemicelulose
 Baixa taxa de degradação = Baixa incorporação do C à biomassa microbiana
Decomposição:
Laccasese peroxidases
Teor de lignina: relação inversa com a taxa de decomposição
Basidiomicetos e alguns ascomicetos
Fatores edáficos influenciam na atividade e competição dos decompositores
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Estrutura e Rota de Degradação Microbiana da Lignina no Solo
Lacases e Peroxidases
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 Amido
 Mistura de polímeros de glicose (amilose e amilopectina)
 Poucos microrganismos aptos à degradação (actinobactérias)
 Lipídeos
 Ácidos graxos e álcoois (ésteres)
 Quitina: importante componente do exoesqueleto de artrópodes, da parede celular de fungos, de algumas algas e de ovos de nematóides
Degradação:
Cutina – Leveduras, bactérias e fungos
Quitina – Quitinase e gliconase
 Taninos – Aspergillus e Penicillium
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 Proteínas
 Alto teor de N – fácil decomposição
 Pode persistir no solo (adsorção/complexação). 
Ex: proteínas Cry de plantas transgênicas Bt
 Associação com taninos, lignina e argilas
 Degradação: proteases; Queratina degradada por fungos queratinolíticos
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 Outras Substâncias Orgânicas
 Exsudatos
 Produtos da Decomposição
 Compostos aromáticos (decomposição da lignina; sintetizados por fungos e plantas)
 Compostos alifáticos (etileno e ácidos orgânicos alifáticos)
 Metabólitos microbianos
Ex: fármacos,
 toxinas
 fitorreguladores (ácido giberélico, auxinas, citocininas, ácido fusárico, ácido abcísico, ácidos graxos)
 agentes de biocontrole, enzimas e polissacarídeos
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Fatores que Favorecem a Decomposição de Resíduos Orgânicos
Resíduos com baixo teor de lignina ou compostos fenólicos, altos teores de materiais solúveis e partículas de tamanho reduzido com baixa relação C:N, além do próprio teor de N;
Condições físicas e químicas do solo que maximizem a atividade biológica (temperatura entre 30-35 oC, umidade próxima à capacidade de campo e aeração adequada);
Ausência de fatores tóxicos no resíduo ou no solo que podem limitar a atividade dos heterotróficos decompositores.
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Importante na atividade dos processos bioquímicos responsáveis pela reciclagem de nutrientes e outros benefícios para a ecologia do solo
Taxa de Decomposição dos Resíduos Orgânicos Depositados no Solo
Moreira & Siqueira, 2006
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Substratos
primários
reciclagem
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 Húmus
 Considerado um estado indefinido da matéria orgânica do solo
 Formado por moléculas recalcitrantes de origem vegetal e microbiana
 Rico em compostos fenólicos
 Grande estabilidade química
 Sub-produto da decomposição dos resíduos orgânicos
 
Efeitos do húmus no solo:
Aumenta a retenção de água
Aumenta a reserva de nutrientes
Aumenta a CTC
Reduz a erosão
Efeitos fisiológicos sobre plantas
Quelantes de metais e poluentes
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Mineralização da Matéria Orgânica
Processo envolvido na transformação de substâncias orgânicas de baixo peso molecular em formas inorgânicas.
 Última etapa da transformação dos materiais orgânicos no solo a qual ocorre simultaneamente com a imobilização de nutrientes minerais para atender a demanda nutricional da microbiota decompositora
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Substratos pobres adicionados ao solo apresentam relação C:N > 30:1 e, por isso, há um déficit acentuado de N.
Alternativas para Evitar Deficiências de N
Incorporar os resíduos com alta relação C:N, no mínimo 60 dias antes do plantio;
 Adicionar fertilizantes nitrogenados sempre que os resíduos de alta relação C:N forem incorporados ao solo destinados ao plantio imediato;
Manutenção dos restos culturais na superfície do solo
 Fazer a compostagem do material antes de sua aplicação, reduzindo a relação C:N.
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Importancia de Estudos do Solo
Agricola
Fonte de nutrientes para plantas
Substrato de Crescimento e suporte
Reciclagem Nutrientes (decomposição)
Biomassa microbiana 
Mineral 
Fonte Minerais e elementos
Mineração
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 Características Físicas
Textura e Estrutura
Compactação (densidade)
Umidade (capacidade de retenção de água)
Caracteristicas Química (Nutrientes)
pH
Capacidade de troca catiónica (CTC)
Disponibilidade de Nutrientes (NPKS Ca Mg)
Solo: Propriedades Físicas e Química
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Perfíl de um solo  Horizontes
L – “Litter” ou Serapilheira
0 – Região de decomposição
A – Orgânico - Húmus
E - Lixiviação
B – Sub-solo
C – Região Intemperizada 
R – Rocha- mãe
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Características dos colóides Orgânicos do Solo
Humus
Material orgânico altamente polimerizado
Elevada Recalcitrancia e estrutura omplexa
Componentes: C= 40-50% N= 1 a 5%
Carga Residual Negativa – Elevada CTC
Efeito benéfico para as propriedades do solo
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Atividades Antrópicas no Solo Impactos ambientais
Impactos Ambientais Negativos
	Fertilizaçao Quimica 
	Irrigaçao e salinização de solos
	Acidificação (Chuva ácida)
	Desmatamento (Diminuição da materia orgãnica)
	Erosão
Impactos positivos
	Agricultura organica ( Adição de Matéria Orgânica)
	Plantio direto ( Matéria |Orgânica da Palha no solo)	
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Onde está o Carbono?
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Substratos
primários
reciclagem
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 Minerais: 
Sílica (SiO2), Fe, Al, Ca,Mg, K
P, S, Mn, Na...
Matéria orgânica: origem vegetal, animal e microbiana
insolúvel (húmus): melhora a estrutura, libera nutrientes
efeito tampão, retenção de água
solúvel: produtos da degradação de polímeros complexos: 
Açúcares, fenóis, aminoácidos
Constituintes do Solo
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 Água
livre: poros do solo
adsorvida: ligada aos colóides (argilas)
Gases: 
 CO2, O2, N2 ...
composição variável em função dos processos biológicos
Constituintes do Solo
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MICORRIZAS
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Os microrganismos garantem a qualidade do solo
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Classificação Ecológica dos Microrganismos do Solo
 Autóctones = população de microrganismos pouco afetada pela adição de nutrientes ao solo, vivendo às custas dos resíduos em estágios avançados de decomposição
- Zimógenes = população de microrganismos estimulada pela adição de resíduos ao solo, principalmente os resíduos facilmente decomponíveis
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Distribuição de microrganismos em vários horizontes do perfil (Starc, 1942 apud Alexander, 1977)
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Bactérias: 
	
grupo mais numeroso e mais diversificado
		3 x 106 a 5 x 108 por g de solo seco
limitações impostas pelas discrepâncias entre técnicas
heterotróficos são mais facilmente detectados
Gêneros mais freqüentes: 	
Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia, Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios
Cianobactérias: pioneiras, fixação de N2	
A microbiota do solo
Streptomyces
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Fungos: 
5 x 103 - 9 x 105 por g de solo seco
limitados à superfície do solo
favorecidos em solos ácidos
ativos decompositores de tecidos vegetais
melhoram a estrutura física do solo
Gêneros mais freqüentes:	
Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium, Aspergillus, Trichoderma
A microbiota do solo
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A microbiota do solo
Algas
103 - 5 x 105 por g de solo seco
abundantes na superfície
acumulação de matéria orgânica: solos nus, erodidos
Protozoários e vírus
- equilíbrio das populações
- predadores de bactérias
- parasitas de bactérias, fungos, plantas, ...
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Processos Biológicos do Solo: Suas Inter-relações e Funções no Ecossistema
Siqueira & Trannin, 2003
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REDUNDÂNCIA FUNCIONAL
- Várias espécies de microrganismos realizam o mesmo processo, i.e., têm a mesma função.
- Garante RESILIÊNCIA dos processos no solo Cada espécie microbiana realiza várias funções. 
E. g.
Azospirillum brasilense , Bradyrhizobium japonicum – fixadores de N2 e desnitrificadores.
Outros fixadores de N2 participam dos Ciclos do C, P, S, etc.
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Con
tribui
ção dos Microrganismos para a formação do solo
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Microrganismos e Agregaçãodo solo
Polissacarídeos e hifas
de fungos como
agentes agregantes
de partículas do solo
(Robert & Chenu, 1992)
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RIZOSFERA
Hiltner (1904) – zona de influência das raízes- 0,01 a 3 mm da superfície
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Rizosfera: O Paraíso dos Microrganismos do Solo
(Antagonistas e Patógenos)
Rizosfera
A Grande Maioria é Benéfica
O Efeito Rizosférico
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Compostos Excretados pelas Plantas na Rizosfera (Rizodeposição)
Modificado de Alexander, 1977; Curl & Truelove, 1986
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Actinobactérias
Actinobactérias
(R)
(S)
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A Redução da Diversidade Facilita o Desequilíbrio Biológico nos Agrossistemas
Microrganismos Antagonistas
Fitopatógenos = Espécies fúngicas dos gêneros Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Mucor, Rhizopus, Stachybotris, Alternaria, etc
Efeito do tempo de monocultivo no favorecimento de fungos fitopatogênicos para as culturas do trigo e maçã
 (Vancura & Kunc, 1988, 1989)
Fungos
Patógenos
(% total)
Fungos
Patógenos
Actinobacterias
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· Biomassa refere-se à material biológico fresco ou com vida derivado de qualquer ser vivo, como por exemplo uma árvore recém cortada, folhas recém colhidas, insetos ou microrganismos.
· Resíduo orgânico natural, refere-se principalmente à biomassa já morta ou em início de decomposição. Geralmente é muito difícil a separação física nítida entre biomassa e resíduo.
·  Material orgânico natural, geralmente refere-se aos a um tipo específico de resíduo ou, também, aos componentes orgânicos presentes na biomassa ou resíduos orgânicos, tais como amido, celulose, hemiceluloses, quitina, etc.
·  Matéria Orgânica Resíduos ou material orgânico já processado e complexado no ambiente. Geralmente tomado como sinônimo de Húmus, no seu estágio de processamento final e já estabilizado.
·   Xenobiótico refere-se a compostos orgânicos artificialmente produzidos e que podem constituir uma fração do resíduo orgânico presente em um ambiente.
·  Recalcitrância é o termo que descreve a resistência a transformações ou decomposição de uma determinada molécula ou resíduo orgânico.
Biodegradabilidade – Propriedade de um composto ou substância ser transformada em CO2 ou CH4 ou moleculas menores facilmente assimilaveis. Sin. Decomposiçao ou biotransformação
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