2 Metabolismo e Processos Microbianos graduação

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METABOLISMO E 
PROCESSOS MICROBIANOS
Prof. Dr. Kaio Dias
IF Sul de Minas
Campus Machado
 Processos Sequencias de reações através 
dos quais se realizam 
transformações da matéria.
 Solo Processos com alto grau de 
complexidade
Bioquímicos ~> Atividades de 
microrganismos
Processos microbianos e a 
manutenção dos ecossistemas
CO2
Luz CO2
Parte aérea
Necromassa Raízes
Solo
Perdas
Fluxos:
Energia e carbono
Nutrientes
Rubisco
Deposição Translocação
Organismos
CO2
Simbiontes 
vida livre
Moreira & Siqueira, 2002
Processos do fluxo de energia, carbono, nutrientes no 
sistema solo-planta-organismo
Rizodeposição
Incorporação
Principais processos bioquímicos no solo e aspectos relevantes
Processos bioquímicos Aspectos mais relevantes
Decomposição de materiais 
orgânicos
-Evita seu acúmulo na superfície do solo;
-Libera CO2 para a atmosfera e nutrientes para as plantas;
-Garante o fluxo de energia e nutrientes no sistema solo-
planta;
-Pode contribuir para a eutroficação das águas, anoxia no solo
e efeito estufa.
Mineralização de 
compostos orgânicos
-Controla a disponibilidade para as plantas e fluxo de
nutrientes no planeta (ciclagem);
-Pode contribuir para a poluição da atmosfera e mananciais
hídricos;
-Pode contribuir para o empobrecimento e a degradação do
solo.
Transformações 
inorgânicas de N e S 
(amonificação, nitrificação, 
desnitrificação, oxidação 
do S e redução do SO42-
-Controlam a permanência desses elementos no solo;
-Regulam a disponibilidade para as plantas;
-Promovem perdas para a atmosfera e para o lençol freático,
contribuindo para a poluição ambiental;
-Promovem alterações químicas no solo (Ex.: pH)
Degradação de compostos
xenobióticos (pesticidas)
-Promove a desintoxicação e a degradação de pesticidas e
materiais poluentes no solo;
-Diminui o acúmulo desses compostos no ambiente, nos
alimentos e na cadeia alimentar.
Processos biológicos do solo: suas inter-relações e funções no 
ecossistema
Siqueira & Trannin, 2003
Princípios
ativos
Alelo-
químicos e
Toxinas
Regulação
crescimento
Ciclo dos
elementos
Biofertili-
zação
Bioproteção
Equilíbrio
biológico
Evolução
Erosão
conservação Aeração
Destoxi-
ficação
Fluxo de
energia
Patógeno e
Parasita
Retenção 
de água
ORGANISMOSORGANISMOS
DO SOLODO SOLO
Intemperi-
zação
F
E
R
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A
D
E
Transformações
inorgânicas
Interações
biológicas
Decomposição
Mineralização
Produção
metabólitos
Agregação 
do solo
Relações
tróficas
Produção
de húmus
São órgãos heterotróficos 
das plantas cujas principais 
funções são suporte a 
absorção de água e 
nutrientes
RIZOSFERA
RHIZO/RHIZA
(Raiz)
SPHERA
(Esfera)
Zona de influência das raízes
Volume de solo ao redor de raízes onde o crescimento microbiano é estimulado
(Hiltner, 1904).
Alterações conceituais:
~> Endorrizosfera
~> Rizoplano
~> Ectorrizosfera
Esfera de maior atividade física, química e biológica
~> Grande interesse agronômico e ecológico
~> Interface: planta - solo.
RIZOSFERA: PARAÍSO DOS MICRORGANISMOS
No solo, as raízes tem outras importantes funções que são mediadas por 
meio da liberação de diversos tipos de materiais orgânicos oriundos da 
fotossíntese
C fotoassimilado
Raízes
RespiraçãoCrescimento
Mucigel TecidosExsudatos
Matéria orgânica do solo
Microrganismos
Compostos 
livres
CO2
CO2
Decomposição
CO2
25-50% da FS
60%
50% 50%
Efeitos das raízes sobre o solo
FÍSICAS
-Ação agregante sobre as partículas do solo
-Compressão do solo na interface com a raiz reduzindo a porosidade e
distribuição de poros com consequências para aeração e retenção de
umidade
-Alto potencial de água negativo criado pela evaporação da parte aérea
pode causar estresse hídrico nos microrganismos
BIOLÓGICAS QUÍMICAS
Efeitos das raízes sobre o solo
FÍSICAS
-Precipitação ou acúmulo de sais na interface com redução do potencial
osmótico
-Modificações no pH (queda de até 2 unidades)
-Alteração na relação O2/CO2 provocada pela respiração
-Liberação de compostos voláteis inibidores e alelopáticos
-Liberação de produtos orgânicos diversos (mucigel, exsudatos) que atingem
50-100 mg/g raiz/dia
-Liberação das moléculas com ação específica, como mediadores nutricionais,
indutores da transcrição de genes (móleculas sinais), fatores de crescimento e
compostos quelantes
BIOLÓGICAS QUÍMICAS
Efeitos das raízes sobre o solo
FÍSICAS
-Ecossistema microbiano muito especializado que suporta população várias
vezes superior ao solo adjacente (=efeito rizosférico)
-O efeito rizosférico estende de 1 a 3 mm de superfície da raiz
-Os microrganismos colonizam de 7 a 15% da superfície das raízes
-Favorece a proliferação e atividade de microrganismos responsáveis por
processos específicos (Ex. amonificação)
BIOLÓGICAS QUÍMICAS
Tipos de materiais orgânicos depositados na rizosfera
Liberados de células vivas para 
o solo
Liberados de tecidos 
senescentes ou mortos
• Exsudatos
• Secreções
• Mucilagens
• Mucigel
• Lisados
Origem dos materiais orgânicos depositados na rizosfera
Lisados
Bactérias 
Esporos
Secreções e 
exsudatos
Mucigel
Células
desprendidas
Bactérias
Risosfera
(0,4 – 3 mm)
Risosfera interna
(0,01 – 0,3 mm)
Rizoplano
Mucigel
Córtex
Meristema Apical 
Coifa
Mucilagem
Conjunto de 
transformações e reações 
químicas catalisadas 
biologicamente ou 
metabólicas que acontecem 
no solo
Processos
Organismos
Ambiente
Contínuo indissociável com 
organismos que nele se 
proliferam e com as condições 
ambientais dominantes
Fundamentos do metabolismo do 
solo
Microrganismos
São capazes de converter uma forma de 
energia para outra através de um 
conjunto de reações químicas 
denominadas 
METABOLISMO
-Alto grau de ordenação
-Mediado pela absorção de nutrientes e
substâncias energéticas que, através de
transformações metabólicas sustentam
o crescimento e multiplicação celular
Após a morte, a nova 
massa celular será 
ingerida e oxidada 
por outros 
microrganismos

Sucessão trófica no 
ecossistema
Rotas metabólicas por meio das quais os microrganismos 
do solo adquirem energia, força redutora
ATP
Luz
Fotolitotróficos
NADH
FADH
Compostos 
Inorgânicos
Substrato 
orgânico
Litotróficos
Organotróficos
QUIMIOTRÓFICOS
Compostos orgânicos 
intermediários
Novas Células (Biomassa)
Heterotróficos
CO2, HCO3
-, CH4Autotróficos
Carbono
Energia
Elétrons
Grupos de microrganismos de ambientes anaeróbicos 
típicos de solos inundados
Aeróbios 
que podem 
usar 
moléculas 
inorgânicas 
oxidadas
Aeróbios 
facultativos 
que fazem 
fermentação 
na ausência 
de O2
Anaeróbios 
obrigatórios que 
não possuem 
cadeia 
respiratória com 
O2 como aceptor 
terminal de 
elétrons
Metabolismo Anaeróbico
Principais classes de enzimase suas reações
Classes Nome comum Ciclo Reações
Oxi-redutase
Peroxidase
Catalase
desidrogenase
Nitrogenase
C
O
O
N
S + H2O2 Oxidação S + 
H2O
2 H2O2 2 H2O + O2
XH2 + A X + AH2
N2 2NH3Hidrolase
Glicosidase
Invertase
Urease
Fosfatase
Arilsulfatase
C
C
N
P
S
Transferase
 e -glicosideo ROH + Gli
Sacarose Glicose + frutose
Urea 2NH3 + CO2
PNF-P PNF + P
PNF-S PNF + S
Transaminase N R1-CH-NH2 + R2CO R1-CO +
R2 CH-NH2
Liases
Descarboxilase N Ac. Aspartico alamina
Fonte: Burns, 1978.
Solo
Receptáculo final dos resíduos 
orgânicos de origem vegetal 
animal e dos produtos das suas 
transformações
Componente biotransformador
Materiais orgânicos depositados no solo

Transformados na superfície ou incorporados no 
perfil, passando a fazer parte de sua matriz

Matéria Orgânica do Solo (MOS)
Organismos habitantes do solo
(Atividade decompositora) Fungos
Bactérias
Microfauna
Consumidores 
primários
Elevada 
atividade 
respiratória
Respiração do Solo
Atividade
Invertebrado
Atividades
das raízes
Representantes:
Atividade 
Microbiana
Degradação:
* Resíduos vegetais
* Exudatos de raízes
* M.O.S. nativas
* C orgânicos (esterco, pesticidas, etc)
* Micro e Macrorganismos mortos
Consequencias:
* Perda C orgânico
* Reciclagem de nutrientes
* Resposta ao manejo
Qualidade biológica do solo
Indicadores de:
Parkin et al., 1996
Respiração como indicador de processos biológicos e 
qualidade do solo
Solo

Grande incinerador biológico

Máquina biotransformadora 
operada por microrganismos
Regulador de 
processos globais
Trocas gasosas
Fluxos de 
nutrientes
Balanço Geral:
Respiração do solo = 65% C
Biomassa e compostos orgânicos = 30% C
Humus = 5-10% C
CO2
GasesLixiviação
Erosão
Transformação
O2
CO2 Absorção
C-N-P-S
orgânico
Imobilização
O2
BACTÉRIAS
FUNGOS MICROFAUNA
ACTINOMICETOS
Biomassa Microbiana
CO2
CO2O2
CO2
Remoção
O2
CO2Luz
recalcitrantes
Restos microbianos
MATÉRIA
ORGÂNICA
HUMUS
PLANTAS ANIMAIS
NH4, NO3, PO4, SO4 e 
outros
Mineralização
RESÍDUOS
“Roda Microbiológica”
O2
Vegetais e animais
Transformações e ciclagem de C, N, P e S no sistema solo-
planta mediados pela microbiota do solo
Organismos envolvidos na cadeia trófica decompositora de 
materiais orgânicos no solo e serapilheira
Trituradores
• Coleópteros
• Ácaros
• Crustáceos
• Lepdópteros
• Formigas
• Miriápodes
• Quilópodes
Trituradores
Decompositores
• Colêmbolas
• Miriápodes
• Coleópteros
• Dípteros
• Ácaros
• Minhocas
• Enquitreídeos
• Fungos
• Bactérias
• Actinomicetos
Decompositores
Trituradores
• Fungos
• Bactérias
• Actinomicetos
• Colêmbolas
• Enquitreídeos
• Minhocas
Apenas 
decompositores
• Fungos
• Bactérias
• Actinomicetos
DECOMPOSIÇÃO
Quebra do material orgânico particulado, geralmente na forma 
de polímeros, em materiais solúveis que são absorvidos pelas 
células microbianas
Fases da decomposição dos resíduos orgânicos no solo com serapilheira
Redução do tamanho das partículas:
• Fauna do solo promove a fragmentação.
• Ocorre pouca ou nenhuma decomposição.
Ataque microbiano inicial:
• Substâncias mais facilmente decompostas são atacadas por fungos e 
bactérias esporulantes, formando biomassa e liberando NH3, H2S, CO2 e 
ácidos orgânicos.
Ataque microbiano intermediário:
• Subprodutos orgânicos e tecidos microbianos são atacados por uma variedade de 
microrganismos, produzindo nova biomassa, aumentando perdas de C-CO2.
Ataque final:
• Decomposição gradual dos componentes mais resistentes (lignina) por 
actinomicetos e fungos especialistas.
Quantidade inicial de resíduo
Resíduos sem substâncias
facilmente decomponíveis B CO2
Resíduos resistentes B CO2
Materiais mais resistentes B CO2
B CO2
Progressão da utilização do resíduo
B = Biomassa microbiana
Tempo:
dias
meses
vários 
meses
segundo 
ano
decomponí
vel
I
II
III
IV
Húmus do solo
Estágio
Decomposição e Mineralização
Açúcares, amido proteínas celulose lignina
> resistência a decomposição
> 100 anos
Lignina, gorduras
6 - 8 anos
< 1 ano
fração ativa
Tempo
I. Decomposição do material prontamente decomponível ;
II. Decomposição da celulose e outros carboidratos. Início da mineralização da 
biomassa.
III. Continuação da decomposição da celulose e biomassa e inicio do ataque à 
lignina.
IV. Estádio sucessivo, onde a biomassa diminui e acumula húmus no solo.
Pectinas
Pigmentos
Graxas
MOS e origem
Material adicionado
Produtos formados
Células microbianas
Metabólitos microbianos
Produtos da interação
Material recalcitrante
Vegetação e 
resíduos
Clima e manejoCondições 
biológicas
Reservas de nutrientes
(90% N, 80% P do solo)
Fitotoxinas e 
aleloquímicos
Estimulante 
crescimento 
vegetal
Energia para os 
microrganismos
Agentes de 
intemperização
Efeito tampão 
e troca iônica
Condicionamento 
físico
Composição, origem da MOS e principais fatores determinantes da
quantidade ( ) e efeitos ( ) no sistema solo planta.
Componentes 
Solúveis e oxidáveis
Celulose, hemicelulose,
acúcares, proteínas e outros
Componentes celulares
metabólitos e sub-produtos
CO2CO2
Polimerização, peso molecular, % de C e N e cor escura
Solubilidade, acidez, CTC, grupos reativos e % de oxigênio
lignina
ceras
gorduras
BIOMASSA MICROBIANA
Substâncias húmicas
Material vegetal e animal Matéria orgânica do solo
Ácidos fúlvicos Ácidos húmicos Humina
Principais Frações Húmicas do Solo
C/N < 20
C/P < 200
C/S < 200 
Teores de N > 1,8% 
e P > 0,3%
Célula
microbiana
(C/N = 10/1)
Mineralização
líquida
Imobilização
líquida
C/N > 20
C/P > 200
C/S> 200 
Teores de N < 1,2% 
e P < 0,2%
SUBSTRATO 
RICO
SUBSTRATO 
POBRE
CO2
O2
DISPONIBILIDADE
NH4
+, NO3
-, PO4
2- e SO4
2- DIMINUÍDAAUMENTADA
M
I
NH4
+, NO3
-, PO4
2- e SO4 
2- E OUTROSN, P, S - ORGÂNICO
Enzimas 
extracelulares
Monômeros
Enzimas 
extracelulares
Monômeros
Mineralização e Imobilização de Nutrientes
DINÂMICA DA MINERALIZAÇÃO
................................................................................................................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
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.......... ......... ......... ........
........ ....... ....... .......
...... ..... ..... ....
.... ... ...
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......................................................................................................................................................................................................................................................................................................
Adição do
resíduo
TEMPO
......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................I > M
I  M
4 - 8 semanas
NO3
-
no solo
Ganho
deNO3
-
Taxa de
liberação
de CO2
% N
Mineralização
líquida
Imobilização
líquida
R
E
L
A
Ç
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 C
/N
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ID
A
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S
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M
 
E
Q
U
IL
ÍB
R
IO
População 
microbiana
Nutrientes disponíveis
no solo (Ex: NO3
-)
Imobilização
Mineralização
...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................I < M
Resíduo orgânico
10 t
3 t de carbono
Demanda de N
150 kg/10t
120 kg N imobilizado
(Deficit de N/10t resíduo)
CO2
O2
Metabolismo
respiratório
(1,5 t de C)
Monômeros
(Ex. glicose)
Enzimas 
extracelulares
1/3 não utilizado
no primeiro ano
Célula microbiana
(1500 kg C - biomassa)
(150 kg N - biomassa)
Relação C/N = 10
Aproveitamento 
energético = 50%
Composição:
50% de carbono
90% de matéria seca
0,5% de nitrogênio
30 kg N
(6,7 t x 0,9 x 0,005)
Deficit N
2/3 utilizados 
(6,7 t x 0,9 x 0,5)
Balanço da mineralização e deficiência de N
Químicas
Superfície específica
CTC e capacidade tampão
Complexação
Destoxicação
Energia metabólica
Estoque de nutrientes
Atividade biológica
Interações/Equilíbrio
Retenção de umidade
Agregação e estabilidade
Aeração e porosidade
Fluxo hídrico e erosão
Matéria 
Orgânica do Solo
A matéria orgânica como moduladora das propriedades e 
funções do solo
Manejo do solo e conteúdo de Matéria orgânica do solo
40
60
80
100
120
0 5 10 15
Tempo
M
O
S
, 
%
Solo sem cultivo
PC
Pottker, 1977
Queda do conteúdo da MOS
a) Intensidade de cultivo;
b) Incorporação de resíduos;
c) Ruptura dos agregados e
d) Monocultura 
PD
0 1 2 3 4 5
0 ,0 0
2 ,5 0
5 ,0 0
7 ,5 0
1 2 ,5 0
1 7 ,5 0
3 0 ,0 0
P
ro
fu
n
d
id
a
d
e
, 
c
m
C orgânico, %
PD
A+V/M+C
PC
A/M
Argissolo, 9 anos
11 t ha-1
Concentração de C orgânico em sistema Plantio 
Direto e Plantio Convencional
a) Maior quantidade de
deposição de resíduos e
b) Menor taxa de
decomposição
Aumento da MOS
Efeitos 
Diretos
Indiretos
Adição de MO
Microbiota 
do solo
Processos benéficos Processos maléficos
-Maior atividade microbiana
-Maior mineralização (nutrientes)
-Produção de húmus
-Estabilidade biológica
-Maior agregação do solo
-Retenção de umidade
-Efeitos no crescimento de plantas
-Maior imobilização de nutrientes
-Aumento na liberação de gases do efeito 
estufa
-Liberação da fatores tóxicos ou contami-
nantes
-Estímulo de patógenos saprofíticos
-Possibilidade de causar anoxia temporária no 
solo
-Favorecimento de antagonismo a simbiontes
-Liberação do excesso de nutrientes 
(eutrofização)
Favorecer Prejudicar
Diversidade, atividade e equilíbrio biológico no solo
Nutrição, sanidade e produção de plantas
Qualidade ambiental (solo, água e ar)