Microbiologia do Solo

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02/09/2014
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA
CENTRO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS E DA SAÚDE
DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA
MBI 150 – Microbiologia do Solo
INFLUÊNCIA DE FATORES FÍSICO-QUÍMICOS 
SOBRE A MICROBIOTA DO SOLO
E 
ENZIMAS DO SOLO
Material mineral e, ou superfície da terra que serve para o
crescimento e desenvolvimento dos seres vivos.
Manta ou camada de material rochoso intemperizado que, além de
matéria orgânica, contém minerais e nutrientes capazes de
sustentar o crescimento das plantas.
Matéria mineral não consolidada, na superfície da terra que foi sujeita
e influenciada por fatores genéticos e ambientais do material de
origem e do clima, incluindo efeitos de umidade e temperatura,
macro- e microrganismos e de topografia, todos atuando durante
um período e produzindo um produto – o solo – que difere do
material do qual deriva em muitas propriedades físicas, químicas,
mineralógicas, morfológicas.
O que é solo?
O que é solo?
• Agriculturalmente, o solo é a região que suporta a vida das plantas e 
da qual elas obtêm seu suporte mecânico e muitos de seus nutrientes.
• Quimicamente, o solo contém uma grande variedade de substâncias 
orgânicas as quais não são encontradas nas camadas inferiores.
Para o microbiologista, o solo é um ambiente considerado único por vários 
motivos:
 Contém um vasto número de bactérias, actinomicetos, fungos, algas e 
protozoários;
 É um dos mais dinâmicos sítios de interações biológicas na natureza;
 É a região em que ocorre muitas das reações bioquímicas concernentes 
com a destruição da matéria orgânica; com a decomposição de rochas, e 
com a nutrição das culturas agronômicas.
Descrição do solo
• Solo orgânico (>20% de C orgânico)
– Solos orgânicos: somente 0,9% de solos do mundo
– Solos minerais: 99,1%
• Horizontes
• Textura  classe textural 
• Estrutura
• Densidade (real e aparente)  porosidade, CC
• Características químicas do solo 
– Nutrientes, pH, CTC, etc. 
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Composição volumétrica do solo
Horizontes:
Horizonte O: formado pela
deposição de materiais orgânicos,
tais como folhas, galhos, resíduos
animais
Horizonte A: primeiro horizonte
mineral, rico em matéria
orgânica, concentra grande parte
da atividade microbiana;
Horizonte B: segundo horizonte
mineral, chamado, também de
zona de iluviação em função do
aporte minerais e nutrientes;
Horizonte C: zona de material de
origem não consolidado;
Distribuição de microrganismos no perfil do solo
•Condições físico-químicas
•Disponibilidade de matéria orgânica
•Transporte de microrganismos
•Água da chuva ou irrigação
•Raízes 
•Aração e gradagem
•Interação com a fauna do solo
•Motilidade
Distribuição de microrganismos no perfil do solo
(no 103 g-1)
Profundidade Bactérias 
aeróbicas
Bactérias 
anaeróbicas
Actinomicetos Fungos Algas
3-8 7800 1950 2080 119 25
20-25 1800 379 245 50 5
35-40 472 96 49 14 0,5
65-75 10 1 5 6 0,1
135-145 1 0,40 - - -
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Triângulo 
Textural
http://nowlin.css.msu.edu/software/triangle_form_pt.html
Classificação das partículas do solo pelo sistema do 
Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, e pelo 
Sistema Internacional (Atterberg)
NOME DA 
FRAÇÃO
SISTEMA 
NORTE
AMERICANO
NOME DA 
FRAÇÃO
SISTEMA 
INTERNACIONAL
DIÂMETRO (mm)
Areia muito grossa 2,00 - 1,00
Areia grossa 1,00 - 0,50 I 2,00 - 0,20
Areia média 0,50 - 0,25
Areia fina 0,25 - 0,10 II 0,20 - 0,02
Areia muito fina 0,10 - 0,05
Limo ou Silte 0,05 - 0,002 III 0,02 - 0,002
Argila  0,002 IV  0,002
Tamanho e área da superfície das partículas do solo
NOME DA FRAÇÃO DIÂMETRO 
(mm)
NÚMERO DE 
PARTÍCULAS 
(nº/g)*
ÁREA DA 
SUPERFÍCIE 
cm2/grama
Areia muito grossa 2,00 - 1,00 90 11
Areia grossa 1,00 - 0,50 720 23
Areia média 0,50 - 0,25 5.700 45
Areia fina 0,25 - 0,10 46.000 91
Areia muito fina 0,10 - 0,05 722.000 227
Limo ou Silte 0,05 - 0,002 5.780.000 454
Argila < 0,002 90.300.000.000 8.000.000
As partículas são consideradas como esféricas e o cálculo foi baseado pelo diâmetro máximo da partícula.
CAPACIDADE DE TROCA CATIÔNICA
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POROSIDADE DO SOLO
Tamanho dos poros
• Depende da textura, estrutura e densidade do solo
• Tem efeito sobre o movimento do ar e da água
Macroporos > 75 µm
Mesoporos Entre 30 µm e 75 µm
Microporos Entre 5 µm e 30 µm
Ultramicroporos Entre 0,1 µm e 5 µm
Criptoporos < 0,1 µm
• Poros grandes movimento rápido de gases e água no solo
• Solos arenosos < espaço poroso total, maioria macroporos drenagem 
rápida, EP= 35 a 50% (maioria macroporos)
• Solos argilosos maior número total de poros, muitos microporos  drenagem 
lenta, EP = 40 a 60% (maioria microporos)
Estrutura do solo
Agregação de partículas primárias do solo em unidades 
compostas ou agrupamento de partículas primárias, que são 
separadas de agregados adjacentes por superfícies de baixa 
resistência.
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Agregação do solo
• Papel das hifas fúngicas
• Exopolissacarídeos
• Síntese de húmus
• Fungos micorrízicos 
arbusculares:
glomalina
Solo cultivado com planta colonizada 
com FMAs
Solo cultivado com planta não-
colonizada com FMAs
Glomalina = proteína secretada pelas hifas de fungos micorrízicos arbusculares
(FMAs); funciona como uma “super-cola”, unindo as partículas do
solo em agregados.
Glomalina = proteína secretada pelas hifas de fungos micorrízicos arbusculares;
funciona como uma “super-cola”, unindo as partículas do solo em
agregados.
Raízes e hifas Agregado
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Influência da microbiota sobre a percentagem de agregados estáveis em solo
tratado com lodo de esgoto e agentes biocidas (Levanon e Mingelgrin, 1987)
Radiação
- UV 200 a 300 nm (pode ser letal)
- visível 380 a 860 nm (fotossíntese)
Microrg. Temp.
ótima
(oC)
Faixa de
temp.
(oC)
Observação
Psicrófilos 15 a 20 -7 a 30 . capazes de crescer a 0oC ou menos
. não são comuns no solo
Mesófilos 25 a 35 25 a 40
Termófilos 45 a 65 25 a 75 .termófilas facultativas ou euritermófilas: crescem
à temperatura dos mesófilos, algumas não crescem
à temperatura acima de 40oC
.estenotermófilo: temperatura ótima acima de 60oC
e não crescem na faixa do mesófilo
Classificação de microrganismos quanto a temperatura de crescimento
Temperatura
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Temperatura
- Afeta a velocidade dos processos bioquímicos
- Aumento da temperatura desnatura proteínas
membrana celular
material genético
- Eubactéria termófila  aumenta a concentração de ácidos graxos
satirados na membrana que permanecem estáveis mesmo com a
elevação da temperatura.
- Proteínas de termófilas possuem pontes de sais (cátions que ligam
cargas entre os resíduos de aminoácidos) que ajudam a manter a
integridade mesmo a altas temperaturas.
- Membrana de termófilos extremos  maioria Archaebacteria  possui
membrana composta de repetidas unidades de isopreno composto de 5
compostos que estão ligados ao glicerol-P.
- DNA  ligado a proteínas que faz arranjo do DNA seja globular,
tornando-o mais resistente à degradação.
Temperatura
Divulgação Científica
Micróbios que vivem a 121 graus Celsius
Dupla de cientistas da Universidade de 
Massachusetts identifica arqueobactéria em fossas 
hidrotérmicas nas profundezas do Oceano Pacífico. 
Nunca um microrganismo foi encontrado em 
temperaturas tão elevadas
AGÊNCIA FAPESP
Boletim produzido pela Agência de Notícias 
da Fundação de Amparo à Pesquisa do 
Estado de São Paulo 25/08/2003
Temperatura
Meio-dia
Agosto – ano1
Meio-dia
Agosto – ano3
Meio-dia
Agosto – ano2
0
20
40
(Wild et al., 1988)
superfície
5 cm
10 cm
20 cm
Umidade
Ψ π potencial osmótico
Ψ m Potencial mátrico
Ψg  potencial gravitacionalPotencial de água
Ou pressão de água
MPa = N m-2
kPa = 100 bar
Mpa= 0.1bar
-1 bar = -100 kPa = -0,1 MPa
AwAtividade de água
Pressão de vapor na solução 
----------------------------------
Pressão de vapor da água pura
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Água 
gravitacional
Partícul
a do 
solo
Água 
higroscópica
Água aproveitada 
pela planta
Água capilar
Película de água 
retido por coesão
CC
Relação entre o potencial de água e conteúdo de água entre 
solos argilosos, siltosos e arenosos.
Solo arenoso
Solo siltoso
Solo argiloso
0,1
0,3
0,5
10
30
50
0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0
Pressão osmótica (MPa)
Tolerância dos microrganismos ao potencial mátrico 
controlado pelo estresse de água
pF (MPa) Aw Espessura do 
filme de água
Atividade microbiana 
limitada (exemplo)
-0,03
-0,10
-0,50
-1,50
-4,00
-10,00
-40,00
0,999
0,999
0,996
0,990
0,970
0,930
0,750
4,0 µm
1,5 µm
0,5 µm
3.0 nm
≤3,0 nm
≤1,5 nm
≤0,9nm
Movimento de protozoário, 
zoósporo e bactérias
Nitrificacao; oxidacao de S
Crescimento bacteriano (Bacillus)
Crescimento fúngico (Fusarium)
Crescimento fúngico (Penicillium)
Oxigenação/ Aeração
- A maioria dos microrganismos do solo é aeróbio
-Aeróbios
-Anaeróbios
-Anaeróbios facultativos
- Respiração x fermentação
- Aeração x coloração x potencial redox
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Potencial Redox dos aceptores de elétrons mais 
comumente funcionando nos sistemas 
biológicos dos solos
Pares redox E0 (volts)
O2/H2O
Fe3+/ Fe2+
NO3- / NO2-
Citocromo e Oxidado /Reduzido
Acetaldeído/Etanol
Citocromo b Oxidado/Reduzido
SO42- /S2-
NAD+ /NADH
CO2 / CH4
H+ / H2
0,82
0,77
0,42
0,25
0,20
0,07
-0,22
-0,32
-0,35
-0,42
2H2O + O2
Catalase 
O2- + O2- + 2H+ 2 H2O2 + O2
SOD
H2O2 + NADH + H+ H2O2 + O2
Peroxidase
H2O2 + H2O2
Salinidade
- Evapotranspiração > transpiração
- Elevação da pressão osmótica
- Sais de sódio NaHCO3 pH > 9,0 defloculação de colóides e húmus e
dispersão das argilas
- Halotorerantes (muitas bactérias, alguns fungos e algumas algas):
- ex.: Halobacterium e Haloanaerobium
- Mais específicos para altas concentrações de Na+
- Balanceamento de soluto: K+ para bactérias
glicerol para eucariotos
Salinidade
- Proteínas são ácidas e tipicamente têm baixa proporção de aminoácidos não
polares  necessita, portanto, de altas concentrações de sal para
balanceamento de suas cargas e acidez  assim, a maioria é halotolerante
obrigatório.
- Evita desidratação osmótica e mantém a turgidez ótima pelo acúmulo de íons
K+ ou compostos orgânicos de baixo peso molecular como as letaínas,
trealose e glicerol sob estresse osmótico.
- Outras adaptações a ambientes salinos incluem mudanças na composição
de fosfolipídeo da parede celular e no acúmulo de betaínas que estabilizam a
conformação molecular de várias enzimas.
- As argilas minerais podem parcialmente proteger os microrganismo contra
estresse osmótico.
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Toxidez de alumínio e manganês
- Densidade atômica > 6g/cm3 : Ar, Cd, Co, Cr, Cu, Pb, Hg, Mo, Ni, se e Zn.
- Fortemente adsorvidos aos componentes
- Acumulam no solo
- Aumentam a concentração com a cadeia trófica
- Pode servir como micronutriente
- Resistência a metais pesados plasmídeos
Metais pesados
Efeito do pH sobre os microrganismos do solo
pH do solo Número
Bactérias (106 g-1) Fungos(103 g-1)
7,5
7,2
6,9
4,7
3,7
3,4
95
58
57
41
3
1
18
19
24
97
28
20
pH
pH do solo e ocorrência de cianobactérias 
pH
0
20
40
60
80
100
<5,0 5 a 6 6 a 7 7 a 8 8 a 9
pH do solo
S
o
l
o
s
 
c
o
m
 
c
i
a
n
o
b
a
c
t
é
r
i
a
s
 
(
%
)
pH
Batatas com 
Sarna (%)
Crescimento relativo de 
Streptomyces scabies
100
75
25
50
100
75
25
50
00
5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5
Crescimento de Streptomyces scabies e incidência da 
doença influenciada pelo pH do solo.
Crescimento de 
Streptomyces
Incidência da
doença
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Matéria
Orgânica
Fungos Bactérias
Aumento (%)
Palha de alfafa
Palha de trigo
241
168
748
306
Qualidade da matéria orgânica x população microbiana
Matéria orgânica
Matéria orgânica
Cultivo mínimo x Convencional
Características do solo Relação cultivo mínimo:cultivo convencional a 
duas profundidades do solo*
A. Propriedades físicas e químicas
(0 a 7,5 cm) (7,5 a 15,0 cm)
Matéria orgânica total
N total
Densidade
Espaço poroso cheio de água
1,41
1,29
1,04
1,28
0,99
1,01
1,05
1,11
B. Grupo microbiano
Total de aeróbios 
Bactérias
Fungos
Anaeróbios facultativos
Total de anaeróbios 
1,35
1,41
1,35
1,31
1,27
0,66
0,68
0,55
0,96
1,05
*relação >1  valor para cultivo mínimo foi maior que o convencional.
Manejo agrícola
trevo vermelho
trevo branco e pensacola
aveia/feijao/aveia
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1 2 3 4
0
2
4
6
8
10
12
1 2 3 4
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1 2 3 4
Actinomicetos
Bactérias
Fungos
Testemunha
Mineral
Orgomineral
Orgânica 44
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CENTRO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS E DA SAÚDE
DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA
MBI 150 – Microbiologia do Solo
Enzimas do solo
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Enzimas no solo
Enzimas medeiam as transformações biológicas da matéria orgânica e
de minerais do solo;
A atividade enzimática representa a velocidade de ocorrência de
processos biológicos no solo;
A atividade enzimática nem sempre se correlaciona com a respiração,
biomassa ou densidade populacional microbiana do solo;
47
Razões:
Heterogeneidade do solo;
Reação ocorre em microssítios, não tendo a célula
microbiana acesso ao produtos;
Enzimas extracelulares estão dissociadas da célula;
a atividade nem sempre beneficia a célula que as
produziu.
48
Avaliação das propriedades básicas das enzimas no solo;
Atividade enzimática como medida da fertilidade do solo;
Atividade enzimática como medida indireta da biomassa microbiana;
Indicadores da capacidade de condução dos ciclos biogequímicos
Enzimas como preditoras da biorremediação e do potencial de sucesso;
Atividade enzimática como medida da fertilidade do solo;
BASES TEÓRICAS PARA O ESTUDO DAS ENZIMAS DO SOLO
Indicadores dos efeitos negativos de poluentes;
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Para que a atividade enzimática possa refletir o nível no qual um processo
biológico ocorre no solo, os seguintes critérios devem ser observados:
A atividade enzimática deve estar associada a células vivas;
A enzima deve participar de reação biológica essencial ao processo de 
interesse;
A atividade medida deve ser proporcional à quantidade de enzima 
presente;
A atividade enzimática deve ser essencial ao processo de interesse, sem 
maiores contribuições de outras reações bióticas ou abióticas alternativas.
50
Enzima  proteína que funciona como catalisador de reações
químicas.
Os catalisadores reduzem a energia de ativação de uma reação
química, permitindo que esta ocorra sob condições de
temperatura e pressão desfavoráveis.
Energia de ativação é a energia requerida para desestabilizar as
ligações químicas de um composto, permitindo a sua
transformação em outro produto, ou
Energia necessária para que os reagentes sejam aproximados
para que a reação ocorra.
51
Energia de 
ativação (Ea)
Energia de 
ativação (Ea)
+ enzima
Ener.
livre 
(G)
Diagrama esquemático de reação catalisada por uma enzima
52
Reação catalisada por uma enzima
S + E  ES E + P
Onde:
S = substrato
E = enzima
ES = complexo enzima-substrato
P = produto
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Velocidade da reação enzimática
(Vmax) (S)
Km + S
v = 
Onde: 
V = velocidade da reação enzimática
Vmax = velocidade máxima da reação enzimática
Km = constante de Michaelis, equivalente à concentração do 
substrato quando v = Vmax/2
S = concentração do substrato 54
Cinética de Michaelis-Menten: efeito da concentração do substrato sobre a 
velocidade da reação
Região de 
cinética de 
primeira 
ordem 
Região de 
cinética de 
ordem zero
(S>>>>Km)
V = Vmax
(S<<Km)
V = (Vmax/Km)(S)
55
Tipo Reação catalisada
1. Oxirredutases XH2 + Y  X + YH2
2. Transferases X-R + Y  Y-R + X
3. Hidrolases X-Y + H2O  X-H + Y-OH
4. Liases X-Y  X + Y
5. Isomerases X-R-Y-S  X-S-Y-R
6. Ligases X + Y + ATP  X-Y + ADP + Pi
(ou AMP + Ppi)
Principais tipos de enzimas encontradas no solo
56
Atividade de fosfatase 
em solos alcalinos e ácidos
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57Atividade da urease em três solos diferentes 58
Mineral de argila Conteúdo de argila 
(mg)
Km
(mM)
Vmax
(g PNP mL-1 h-1)
Controle 0 4,3 255
Caolinita 50 4,6 244
100 5,2 250
150 6,0 247
Ilita 50 4,0 175
100 5,5 164
150 3,9 98
Montmorilonita 50 5,7 275
100 7,1 281
150 7,9 279
Constantes cinéticas da fosfatase alcalina na presença de minerais de argila
PNP = paranitrofenol. Quando as fosfatases alcalinas hidrolisam o substrato
paranitrofenol-fosfato, no ensaio enzimático, o paranitrofenol é liberado. Em pH alcalino
esse composto é amarelo, podendo ser quantificado colorimetricamente.
59
Enzima
Invertase -amilase -amilase
% da atividade original
Muscovita 33 96 1
Ilita 9 27 1
Montmorilonita 0 4 0
Caolinita 45 1 0
Influência de minerais de argila sobre a atividade 
enzimática
250 mg de argila em um volume final de 3 mL foram adicionados ao meio das enzimas.
Atividades foram medidas em uma hora.
60
Relação entre atividade da desidrogenase e o 
potencial redox em solos inundados
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 Enzimas intracelulares, enzimas extracelulares
 Enzimas periplasmáticas
 Enzimas aderidas à superfície externa da membrana celular ou da membrana
externa
 Enzimas de células não-proliferativas (esporos, cistos, sementes, endosporos)
 Enzimas aderidas à células mortas
 Enzimas secretadas de células intactas ou liberadas de células lisadas
 Enzimas temporariamente constituintes dos complexos enzima-substrato
 Enzimas adsorvidas à superfície de minerais de argila
 Enzimas complexadas com colóides húmicos
LOCALIZAÇÃO DE ENZIMAS NO SOLO
62
Glicosidase
Urease
Amilase
Celobiose
Glicose
Uréia
NH4+
Amido
Maltose
Célula
Célula
Célula
Exemplo de enzimas imobilizadas 
no solo
•Proteção contra a ação de proteases;
•Maior resistência à desnaturação.
63
Enzima Ciclo Valor médio para 
amostras de solo úmido
Desidrogenase Oxigênio 337 mg TPF Kg-1 24 h-1
-glicosidase Carbono 148 mg pNF Kg-1 h-1
Urease Nitrogênio 220 mg N-NH4+ Kg-1 2 h-1
Amidase Nitrogênio 175 mg N-NH4+ Kg-1 2 h-1
Fosfatase ácida Fósforo 617 mg pNF Kg-1 h-1
Fosfatase alcalina Fósforo 122 mg pNF Kg-1 h-1
Arilsulfatase Enxofre 80 mg pNF Kg-1 h-1
Hidrólise do DAF Heterotrofia 61 mg fluoresceína kg h-1
Valores médios para atividade de algumas enzimas (Dick et al., 1996)
DAF= diacetato de fluoresceína; pNF = paranitrofenol; TPF = trifenilformazan
64
APLICAÇÃO
Indicadores de qualidade do solo
a. Índice biológico de fertilidade:
DH + KCA
2
IBF = 
DH e Ca = atividades da desidrogenase e da catalase, respectivamente.
K = constante
Correlaciona-se diretamente com o C, N e P total do solo.
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65
APLICAÇÃO
Indicadores de qualidade do solo
b. Índice de atividade enzimática (IAE):
0,2 (DH + CA/10 + PA/40 + PR/2 + AM/20)IAE = 
DH, CA, PA, PR e AM = atividades da desidrogenase, catalase,
fosfatase alcalina, protease e amilase,
respectivamente.
Correlaciona-se com o carbono da biomassa;
Valores de 1 a 4 para solos cultivado.
Valores de 2 a 8 para pastagens e florestas. 66
APLICAÇÃO
Indicadores de qualidade do solo
c. Coeficiente de hidrólise (CH) do diacetato de fluoresceína (DAF)
DAFhidrolisado/DAF adicionadoCH = 
Correlaciona-se com a atividade biológica e a transformação de
resíduos no solo.
Valores de 0 a 1,0
67
MONITORAMENTO DA RECUPERAÇÃO DE ÁREAS DEGRADAS
Área amostrada Fosfatase ácida Urease DAF
g pNF g-1 h-1 g de N-NH4+ g-1 h-1 g F g-1 dia-1
Mata nativa original 906 13 474
Eucalipto com 15 anos 897 16 399
Bracatinga com 10 anos 981 18 387
Espécies nativas com 10 anos 873 11 469
Braquiária e guandu com 2 anos 952 5 146
Recém-minerada sem vegetação 11 3 44
Atividade enzimática em uma cronoseqüência de reabilitação de solo de
mineração de bauxita em Poços de Caldas – MG (Carneiro, 2000)
68
Atividade da desidrogenase, -glicosidase, urease, fosfatase ácida, arilsulfatase e
biomassa microbiana em solos contaminados por diferentes concentrações de metais
pesados (1X corresponde a 300, 100, 50, 50 e 3 g g-1 para Zn, Cu, Ni, V e Cd,
respectivamente) (Adaptado de Kandeler et al., 1996)
Qual enzima pode ser utilizado como indicadora?
 Aquela que mostra sensibilidade às alterações. 
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Aumento na eficiência de uso da uréia
• CO(NH2)2 ( NH4)2CO3 NH4+
2H2O; urease
Uréia Carbonato de amônio Amônio
Alternativas para reduzir as perdas de amônia quando se aplica uréia:
a) Incorporação;
b) Uso de fertilizantes de liberação lenta
c) Uso de inibidores de urease (ditiocarbonatos, ác. fosfórico, sais
solúveis de Ca e Mg, compostos contendo boro.
APLICAÇÃO