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FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO 
NITROGÊNIO (FBN)
Profa Giselle Fracetto
Aula 8
Fixação Anual de N2
FIXAÇÃO INDUSTRIAL
- Processo caro.
- Tem baixo aproveitamento
agronômico.
- Podem poluir.
- Representam de 5 a 20%
do custo de produção.
FIXAÇÃO BIOLÓGICA
- Recurso natural renovável e
passivo de manipulação.
- É barato e sem impacto
ambiental.
- Consome em torno de 2,5%
da energia da fotossíntese do
planeta.
- Estima-se que a vida
terminaria em 30 anos se a
FBN parasse.
Fixação Biológica do Nitrogênio
Consumo aproximado de 12 g de C para cada 1 g de 
N2 fixado
N2 + 8H
+ + 16 ATP + 8e- 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
Nitrogenase
Fixação Biológica do Nitrogênio
Apenas uma pequena parcela de procariotos possui a 
enzima NITROGENASE
Capaz de reduzir o N2 para a forma inorgânica 
combinada NH3
Disponível para plantas e outros 
organismos
Nitrogenase
Ferro proteína: coleta a força redutora
Ferro-molibdênio: coleta e reduz o substrato
Mecanismos de proteção da 
nitrogenase contra o O2
1) Proteção respiratório: altas atividades respiratórias.
Azotobacter.
2) Proteção conformacional: altas [O2] a enzima “desliga”.
Azotobacter.
3) Produção de polissacarídeos extracelulares. Derxia.
4) Relação superfície/volume celular: Azotobacter tem
maior tamanho em relação à média das bactérias.
5) Formação de células especializadas: heterocisto.
Cianobactérias Anabaena e Nostoc.
Mecanismos de proteção da 
nitrogenase contra o O2
Heterocistos: localização da nitrogenase. Contem somente o 
fotossistema I, não ocorrendo, portanto, a fotossíntese
Mecanismos de proteção da 
nitrogenase contra o O2
6) Locomoção das células: Azospirillum e Herbaspirillum
são microaerofílicas. Movimento ondulatório rápido para
sítios onde a pO2 é baixa. Cultivo em meio semi-sólido.
7) Leg-hemoglobina e nodulação: alta afinidade pelo
oxigênio. Mantém a [O2] baixa no meio e fornece oxigênio
ao microssimbionte em taxa constante.
Exemplos de Bactérias Fixadoras de Nitrogênio
Vida livre Simbiontes/Associativos
Aeróbias Anaeróbias Leguminosas Outras plantas
Azotobacter
Beijerinckia
Klebsiella
(algumas)
Cianobactérias
(algumas)*
Clostridium (alguns)
Desulfovibrio
Bactérias púrpuras 
sulfurosas*
Bactérias púrpuras 
não-sulfurosas*
Bactérias verdes 
sulfurosas*
Rhizobium
Bradyrhizobium
Frankia
Azospirillum
Gluconacetobacter
* Bactérias fotossintéticas
Fixação Biológica do Nitrogênio
Interações Rhizobium - leguminosas
 Colonização da rizosfera
 Adesão
 Infecção e desenvolvimento dos nódulos
 Formação do simbiossoma
 Diferenciação de bacteroides
 Fixação do nitrogênio atmosférico
 Senescência dos nódulos
Interações Rhizobium - leguminosas
Imaizumi-Anraku et al. (2005) Nature 433, 527-531
Interações Rhizobium - leguminosas
Medicago truncatula
Interações Rhizobium - leguminosas
A. Microcolônia de rizóbios e curvamento do pelo radicular 4 dias após a inoculação de 
Medicago truncatula
B. Microcolônia de rizóbios e cordão de infecção 7 dias após a inoculação de M. truncatula
Limpens, et al., 2003
Interações Rhizobium - leguminosas
Interações Rhizobium - leguminosas
Interações Rhizobium - leguminosas
Genes relacionados à FBN
 nod: genes que afetam a nodulação. Podem ser comuns,
nodABC, ou hospedeiro-específicos, nodD, nodE, F, G.
 nif: genes que afetam a fixação do N2, requeridos para a
estrutura, biossíntese e regulação da nitrogenase;
 fix: genes que afetam a fixação do N2 , encontrados em
adição aos nif. Genes homólogos a alguns fix estão presentes
em algumas bactérias que não fixam nitrogênio.
 nodulinas: codificam proteínas essenciais para o
desenvolvimento e funcionamento dos nódulos; podem ser
precoces (ENODs) ou tardias;
 genes para síntese de compostos fenólicos.
Compostos fenólicos ativos como indutores 
de genes nod
Luteolina (flavona): induz genes 
nod em Rhizobium meliloti
Naringenina (flavonona): induz 
genes nod em Rhizobium
leguminosarum viciae
Daidzen (isoflavona): induz genes 
nod em Bradyrhizobium japonicum
Fatores nod (lipoquitooligossacarídeos)
Sinalização e regulação gênica em interações 
Rhizobium-leguminosas
Fatores que afetam a FBN
 Temperatura: 25 e 32°C. Uso de cobertura
minimiza efeitos negativos de altas temperaturas.
 Umidade e aeração.
 Pesticidas e antibióticos.
Fatores que afetam a FBN
Fertilidade do solo
 Acidez: ótimo entre pH 3,5 e 5,5.
 Alumínio: excesso inibe nodulação.
 Cálcio: baixa concentração afeta o desenvolvimento
dos nódulos.
 Fosfato: requer altos níveis de P.
 Molibdênio: elemento constituinte da nitrogenase.
Ferro e magnésio: funcionamento da nitrogenase.
 Nitrogênio: excesso inibe o desenvolvimento de
nódulos e atividade da nitrogenase.
Fatores que afetam a FBN
Franco & Munns, 1982
Fatores que afetam a FBN
Produção de grãos em kg/ha
Jacob-Neto & Franco, 1988
Outros sistemas fixadores de N
Simbioses actinorrízicas
 Actinomicetos do gênero Frankia com arbustos e
árvores: colonizadores de áreas inóspitas e sítios
pobres em N.
 Podem fixar entre 40 e 300 kg N ha-1 ano-1
Barreiras contra o vento
(estabilização de dunas);
revegetação de áreas
degradadas.
Alnus-Frankia
Outros sistemas fixadores de N
Simbioses Azolla-Anabaena
 Crescimento rápido e alto teor de N.
 Utilização como adubação verde ou consorciada
com arroz irrigado.
 Adubo para outras culturas.
 Controle de plantas invasoras.
Fatores limitantes à simbiose Azolla-
Anabaena
 Umidade: ótima entre 85-90%; crítica abaixo de 60%.
 Luminosidade e temperatura: variam com a origem da
espécie (clima tropical ou temperado).
 Salinidade: a planta é sensível a alta salinidade.
 Nutrientes: depende de P e Mo; N tem pouca influência.
 pH: ótimo entre 4,5 e 7,0.
 Turbulência da água: Azolla tem crescimento estimulado
em águas paradas.
 Fungos e insetos: atacam a planta nas estações quentes
e úmidas.
Azolla-Anabaena como biofertilizante
 Crescimento rápido (biomassa pode dobrar a cada 5-7
dias) e alto teor de N (4-5%).
 1 ha de Azolla pode produzir 9 t de proteína bruta por ano
(equivalente a 50 ha de pastagens). Embrapa Amazônia.
 São recomendados 4 a 6 cultivos de Azolla seguido de
drenagem e incorporação da biomassa (2 a 5 t/ha).
Na China, o plantio de arroz consorciado com Azolla
resulta em aproximadamente 100 mil t de fertilizante
nitrogenado por ano, com valor de US$ 50 milhões.
Diazotróficos associativos na rizosfera
Diazotrófico Espécie vegetal
Azotobacter paspali Paspalum notatum
Azospirillum brasiliense/ 
Azospirillum lipoferum
Milho, arroz, sorgo, trigo cevada
Azospirillum amazonense Panicum boliviense, Paspalum
repens, Sorghum arudinaceum, 
Brachiaria humidicola, Brachiaria 
brizantha
Beijerinckia spp. Cana-de-açúcar, braquiária
Burkholderia brasiliensis Arroz, mandioca, batata-doce e 
cana-de-açúcar.
Diazotróficos associativos na rizosfera
Espécie vegetal Bactéria Variação de 
crescimento* (%)
Pennisetum americanum A. lipoferum
A. brasiliense
0-29
-3-32
Panicum maximum A. lipoferum 0-16
Zea mays A brasiliense
A. lipoferum
0-37
0-154
Oryza sativa A. lipoferum -32-99
Sorghum bicolor A. Brasiliense / A. 
lipoferum
0-370
* Em relação ao tratamento não inoculado
N fixado em gramíneas ~ 25-50 kg N ha-1 ano-1 (aproximadamente 17% das 
necessidades das culturas)
Associação Gluconacetobacter diazotrophicus
– cana-de-açúcar
 G. diazotrophicus é uma bactéria endofítica isolada
do colmo de cana-de-açúcar; É uma bactéria acidófila (pH 3) e tolerante a altas
concentrações de açúcar;
 A cana-de-açúcar pode obter até 60% de sua
necessidade de N da FBN (aproximadamente 164 kg N
fixado ha-1 ano-1);
 Outras bactérias endofíticas ocorrem em cana, tais
como Herbaspirillum seropedicae;
 Transferência via toletes
Associação Gluconacetobacter diazotrophicus
– cana-de-açúcar
Variedade de cana N na planta
(kg ha-1 ano-1)
FBN
(kg ha-1 ano-1)
CB 45-3 281 175
SP 70-1143 258 173
NA 56-79 129 109
Krakatau 342 239
Chunee 110 56
Inoculação da soja com estirpes de Bradyrhizobium
no Brasil: economia de US$ 1,3 bilhão anuais em 
fertilizantes nitrogenados
Necessidade de inoculação
 Ausência da espécie hospedeira;
 Nodulação baixa;
 Baixo número de rizóbios no solo;
 Sistema de rotação;
 Solos degradados;
 Condições ambientais desfavoráveis aos rizóbios.
Inoculantes
Características desejáveis nos rizóbios
 Habilidade em nodular e fixar N na espécie alvo;
 Capacidade competitiva;
 Fixar N em vários hospedeiros;
 Alta persistência no solo;
 Habilidade em crescer no meio de cultura, no
veículo de inoculação e no solo;
 Compatibilidade com agroquímicos;
 Tolerância a estresses ambientais;
 Estabilidade genética.
Inoculantes
Inoculantes
Inoculação eficiente