Biomassamicrobianaequocientemetabolico

Prévia do material em texto

1 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA 
CENTRO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS E DA SAÚDE 
DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA 
MBI 150 – Microbiologia do Solo 
 
Prof. Maurício Dutra Costa 
 
 
BIOMASSA MICROBIANA E QUOCIENTE METABÓLICO (qMIC) 
 
 
Texto adaptado de: 
 
TÓTOLA, M. R. & CHAER, G. M. Microrganismos e processos microbiológicos como indicadores da 
qualidade dos solos. In: ALVAREZ V., V. H. et al. Tópicos em ciência do solo/ publicação da 
Sociedade Brasileira de Ciência do Solo. – vol. 1 (2000) – Viçosa: Sociedade Brasileira de Ciência 
do Solo, 2000. pp. 195-276. 
 
A biomassa microbiana (BM) é considerada a parte viva da matéria orgânica do solo e inclui 
bactérias, actinomicetos, fungos, protozoários, algas e microfauna. Constitui parte da fração da 
matéria orgânica ativa do solo, contendo, em média, de 2 a 5 % do C orgânico (CO) e de 1 a 5 % do N 
total do solo. 
A BM é um dos componentes que controlam funções-chave no solo, como a decomposição e o 
acúmulo de matéria orgânica, ou transformações envolvendo os nutrientes minerais. Representa 
ainda uma reserva considerável de nutrientes, os quais são continuamente desviados para os ciclos 
de crescimento dos diferentes organismos que compõem o ecossistema. Conseqüentemente, solos 
que mantêm alto conteúdo de BM são capazes não somente de estocar mais nutrientes, mas também 
de ciclar mais nutrientes através do sistema. Ademais, o fato de muitos microrganismos utilizarem a 
fração disponível da matéria orgânica os faz sensíveis a mudanças na sua qualidade. A BM tem sido, 
assim, proposta como um indicador do estado e das mudanças da matéria orgânica total do solo. 
A manutenção da matéria orgânica do solo é desejável para a sustentabilidade do uso da terra, 
em razão dos múltiplos benefícios sobre o status de nutrientes, sobre a capacidade de retenção de 
água e sobre a estrutura do solo. Entretanto, mudanças graduais e pequenas na matéria orgânica do 
solo podem ser difíceis de monitorar e detectar no curto prazo. A BM, a qual possui, 
comparativamente, uma taxa de giro (formação e decomposição) rápida (1 a 2 anos), tem sido 
sugerida como uma medida mais sensível de aumento ou decréscimo na quantidade total da matéria 
orgânica do solo. Powlson et al. (1987), avaliando o efeito da queima ou da incorporação da palhada 
de cevada ao solo durante 18 anos sobre o CO e sobre a BM, constataram que a incorporação anual 
de palhada aumentou, em média, o CO do solo em somente 5 % e o N total em 10 %, ao passo que o 
mesmo tratamento provocou aumento de 40 e 47 % no C e no N da BM, respectivamente, 
demonstrando a maior sensibilidade da BM a alterações no solo decorrentes do manejo. Assim, 
mudanças significativas na BM podem ser detectadas muito antes que alterações na matéria orgânica 
 2 
possam ser percebidas, possibilitando a adoção de medidas de correção antes que a perda da 
qualidade do solo seja mais severa. 
A relação entre o C microbiano (CM) e o CO ((CM/CO) 100), também denominada quociente 
microbiano ( qMIC), fornece uma medida da qualidade da matéria orgânica. Segundo Wardle (1994), 
em circunstâncias em que a biomassa encontra-se sob algum fator de estresse (deficiência de um 
nutriente, acidez, etc.), a capacidade de utilização do C é diminuída. Nesse caso, a relação CM:CO 
diminui (< qMIC). Ao contrário, com a adição de matéria orgânica de boa qualidade ou com a 
mudança do fator limitante para uma condição favorável, a BM pode aumentar rapidamente (> 
qMIC), mesmo se os teores de CO permanecerem inalterados. Durante o desenvolvimento do solo, 
essa relação, inicialmente, é submetida a mudanças rápidas e, com o passar do tempo, converge para 
um valor de “equilíbrio”. Se este valor for conhecido, a determinação dessa relação pode fornecer 
uma indicação sobre o quanto um solo está distante de seu “estado de equilíbrio”. 
As mudanças no qMIC podem refletir também os acréscimos de matéria orgânica ao solo, a 
eficiência de conversão do CO do solo para CM, as perdas de C do solo e a estabilização do CO pelas 
frações minerais do solo. Anderson & Domsch (1989) estudaram o relacionamento entre C da 
biomassa (CM) e C orgânico do solo (CO), ou qMIC, de comunidades microbianas de solos 
submetidos a monoculturas ou rotação de culturas por períodos superiores a 10 anos, em regiões 
temperadas da Europa Central. Os solos sob monocultura permanente apresentaram valores médios 
de qMIC de 2,3 %, os quais diferiram significativamente dos solos sob rotação de culturas, que 
apresentaram valores médios de 2,9 %. A mudança quantitativa da BM de solos submetidos a 
diferentes regimes de manejo foi atribuída à maior quantidade e diversidade de resíduos deixados 
nas áreas sob rotação. Esses autores hipotetizaram que, se a disponibilidade de C for uma das 
variáveis que direcionam a relação CM:CO, a maior diversidade química da matéria orgânica 
produzida nas áreas com rotação de culturas poderia favorecer ao longo do tempo os organismos 
que são dotados de um metabolismo mais econômico. Assim, menos C de um substrato orgânico é 
canalizado para o metabolismo energético e mais C é fixado nas células microbianas, afetando, desse 
modo, a relação CM:CO. 
A BM pode ser medida por diferentes métodos, como a observação e contagem direta de 
células microbianas em microscópio, e análises químicas do teor de substâncias que apresentam 
correlação com determinadas populações, como ácido murâmico para bactérias e quitina ou 
ergosterol para fungos. Análises de processos bioquímicos e de outros componentes das células 
microbianas também têm sido propostas para a determinação da biomassa, como a amonificação de 
arginina e a quantificação de ATP. Entretanto, os métodos mais comumente utilizados na 
determinação da BM do solo são o da fumigação e incubação (FI), o da respiração induzida pelo 
substrato (RIS) e o da fumigação e extração (FE). O método da FI emprega a fumigação do solo com 
clorofórmio para matar as células microbianas, seguindo-se a incubação para medição do CO2 
 3 
liberado, o qual se originou da decomposição da biomassa morta (Figura 1). Em razão da 
simplicidade e do custo relativamente baixo, o método da FI constitui um dos procedimentos mais 
comumente usados para a estimação da biomassa microbiana do solo. O protocolo baseia-se (1) na 
ruptura das membranas celulares pelo clorofórmio e (2) na quantificação do carbono contido nas 
células mortas pelos vapores desse composto. Após a fumigação, o solo deve ser incubado sob 
condições aeróbicas a fim de que haja a conversão da biomassa microbiana morta em dióxido de 
carbono. Assume-se que o carbono da biomassa das células lisadas pelo clorofórmio será utilizado 
como fonte de carbono e energia pela população microbiana inoculada no solo fumigado pela adição 
de uma pequena quantidade de solo fresco. O dióxido de carbono produzido durante o período de 
incubação é capturado em soluções alcalinas e titulado ou determinado por cromatografia gasosa. 
O método da RIS é baseado na medição de CO2 emitido após a adição de glicose ao solo, 
durante um período de uma a três horas. A biomassa é, então, estimada por curvas de calibração 
entre as medidas de CO2 e a biomassa total, pelo método da FI. Com base nesse método, Van de Werf 
& Verstraete (1987) propuseram a avaliação da BM ativa por relacionamentos biocinéticos e 
estequiométricos. No método da fumigação e extração, o C da BM é determinado pela diferença do 
teor de C extraído com solução de K2SO4 0,5 mol L-1 de amostras fumigadas e não-fumigadas com 
clorofórmio. O C extraído é quantificado pela oxidação da matéria orgânica com dicromato de 
potássio. Recentemente, Islam & Weil (1998) modificaram o método de Vance et al. (1987), 
substituindo a fumigação com clorofórmio pelo tratamento das amostras de solo com radiação de 
microondas. Apesar da menor eficiência deste tratamento quanto à extração do C da BM, o método 
apresentou alta correlação comos resultados obtidos pelo da fumigação com clorofórmio. O 
tratamento das amostras com radiação de microondas apresenta a vantagem de ser mais prático e 
rápido, além de não haver a necessidade da utilização do clorofórmio, que se constitui em uma 
substância potencialmente perigosa. 
 
TAXA DE RESPIRAÇÃO BASAL DO SOLO E QUOCIENTE METABÓLICO (qCO2) 
 
A taxa de respiração basal do solo consiste na medida da produção de CO2 resultante da 
atividade metabólica no solo de microrganismos, de raízes vivas e de macrorganismos como 
minhocas, nematóides e insetos. A atividade dos organismos no solo é considerada um atributo 
positivo para a qualidade do solo, sendo a respiração do solo um indicador sensível da decomposição 
de resíduos, do giro metabólico do carbono orgânico do solo (COS) e de distúrbios no ecossistema, 
mas a interpretação de seus valores deve ser realizada com cautela. Uma alta taxa de respiração, 
indicativo de alta atividade biológica, pode ser uma característica desejável se se considera que ela é 
um sinal de rápida decomposição de resíduos orgânicos em nutrientes
 4 
FIGURA 1. Fluxograma para a determinação do carbono da biomassa microbiana do solo.
Para a determinação do nitrogênio presente na biomassa microbiana, procede-se a extração das subamostras de solo com K2SO4 a 0,5 mol L-1, após o 
período de incubação de 10 dias. A determinação do nitrogênio no extrato poderá ser realizada colorimetricamente ou pelo Método de Kjeldahl. O 
nitrogênio da biomassa corresponderá à diferença entre o medido para o solo fumigado e aquele medido para o solo não-fumigado, após correção com a 
constante KN. O nitrogênio da biomassa será calculado pela seguinte fórmula: NBio = (NSF – NNF)/KN
Onde:
NBio = N contido na biomassa microbiana;
NSF = N medido no extrato do solo fumigado;
NNF = N medido no extrato do solo não-fumigado;
KN = constante (0,45). Representa a percentagem do nitrogênio contido na biomassa que foi mineralizado no período de 10 dias de incubação e extraído com 
K2SO4 0,5 mol L-1.
1
Amostra de solo Subamostras em 
duplicata
(25-100 g)
Fumigação com 
clorofórmio 
(25°C/24h)
1 2
CCl3
Eliminação do 
clorofórmio
1 2
Reinoculação da 
amostra com 1 g de 
solo.
Reinoculação da 
amostra com 1 g de 
solo.
NaOH1 NaOH2
Solo fumigado (SF) Solo não-fumigado (NF)
O dessecador é acoplado a uma 
bomba de vácuo. Ao ser ligada, a 
bomba elimina o ar, diminuindo a 
pressão interna. O clorofórmio entra 
em ebulição, saturando a atmosfera 
com vapores que irão lisar as células.
Após 24 horas de fumigação, o frasco 
contendo o clorofórmio é retirado do 
dessecador. A bomba é acionada para 
eliminar todo o clorofórmio residual 
presente no solo. 
O solo fumigado (SF) e o solo não-
fumigado (NF) são reinoculados com 1 
g de solo fresco. A nova população 
introduzida irá oxidar aerobicamente os 
substratos orgânicos liberados das 
células lisadas pelo tratamento com 
clorofórmio.
Procede-se a incubação do solo na 
presença de NaOH a 1 mol L-1, durante 
10 dias, a 25°C. Nesta etapa, o carbono 
das células lisadas será liberado na 
forma de CO2 e capturado na solução de 
NaOH. Naturalmente, a quantidade de 
CO2 produzida será proporcional à
massa de células lisadas, sendo maior 
para o solo fumigado em comparação ao 
não-fumigado.
1
Amostras de NaOH são tituladas com HCl a 0,5 mol L-1, determinando-se a quantidade de 
carbono desprendida do solo como CO2. A quantidade de C da biomassa será dada por:
CBio = (CSF – CNF)/KC
Onde:
CBIO = carbono da biomassa microbiana;
CSF = carbono evoluído do solo fumigado;
CNF = carbono evoluído do solo não-fumigado;
KC = constante (0,30). Representa a percentagem do carbono da biomassa microbiana que 
foi mineralizado a CO2.
Uma das subamostras de solo não é 
submetida ao processo de 
fumigação.
NaOH (SF) NaOH (NF)
111
Amostra de solo Subamostras em 
duplicata
(25-100 g)
Fumigação com 
clorofórmio 
(25°C/24h)
11 22
CCl3
Eliminação do 
clorofórmio
11 22
Reinoculação da 
amostra com 1 g de 
solo.
Reinoculação da 
amostra com 1 g de 
solo.
NaOH1 NaOH1 NaOH2 NaOH2
Solo fumigado (SF) Solo não-fumigado (NF)
O dessecador é acoplado a uma 
bomba de vácuo. Ao ser ligada, a 
bomba elimina o ar, diminuindo a 
pressão interna. O clorofórmio entra 
em ebulição, saturando a atmosfera 
com vapores que irão lisar as células.
Após 24 horas de fumigação, o frasco 
contendo o clorofórmio é retirado do 
dessecador. A bomba é acionada para 
eliminar todo o clorofórmio residual 
presente no solo. 
O solo fumigado (SF) e o solo não-
fumigado (NF) são reinoculados com 1 
g de solo fresco. A nova população 
introduzida irá oxidar aerobicamente os 
substratos orgânicos liberados das 
células lisadas pelo tratamento com 
clorofórmio.
Procede-se a incubação do solo na 
presença de NaOH a 1 mol L-1, durante 
10 dias, a 25°C. Nesta etapa, o carbono 
das células lisadas será liberado na 
forma de CO2 e capturado na solução de 
NaOH. Naturalmente, a quantidade de 
CO2 produzida será proporcional à
massa de células lisadas, sendo maior 
para o solo fumigado em comparação ao 
não-fumigado.
1
Amostras de NaOH são tituladas com HCl a 0,5 mol L-1, determinando-se a quantidade de 
carbono desprendida do solo como CO2. A quantidade de C da biomassa será dada por:
CBio = (CSF – CNF)/KC
Onde:
CBIO = carbono da biomassa microbiana;
CSF = carbono evoluído do solo fumigado;
CNF = carbono evoluído do solo não-fumigado;
KC = constante (0,30). Representa a percentagem do carbono da biomassa microbiana que 
foi mineralizado a CO2.
Uma das subamostras de solo não é 
submetida ao processo de 
fumigação.
NaOH (SF) NaOH (NF)NaOH (SF) NaOH (NF)
 5 
disponíveis para as plantas. Entretanto, a decomposição da matéria orgânica estável, ou seja, da fração 
húmica do solo, é desfavorável para muitos processos químicos e físicos, como a agregação, a 
capacidade de troca de cátions e a capacidade de retenção de água. Uma alta atividade respiratória 
pode resultar tanto de um grande “pool” de substratos de C lábeis, onde a decomposição da matéria 
orgânica é intensa (uma floresta tropical, por exemplo), como da rápida oxidação de um pequeno 
“pool” decorrente, por exemplo, da quebra de agregados do solo promovida pela aração, a qual expõe 
material orgânico que outrora se encontrava protegido da ação de várias populações microbianas com 
atividade aeróbica, ou como resultado da incorporação momentânea de resíduos culturais pela aração. 
Desse modo, altas taxas de respiração podem indicar tanto um distúrbio ecológico (como a 
incorporação de resíduos) como um alto nível de produtividade do ecossistema. 
Uma variável de interpretação aparentemente mais adequada é a taxa de respiração por 
unidade de BM, ou quociente metabólico (qCO2). Essa variável ecofisiológica da atividade específica 
foi proposta por Anderson & Domsch (1985) como uma adaptação da teoria do “desenvolvimento 
bioenergético dos ecossistemas” e prediz que, à medida que determinada BM se torna mais eficiente 
na utilização dos recursos do ecossistema, menos C é perdido como CO2 pela respiração e maior 
proporção de C é incorporada aos tecidos microbianos. Assim, uma BM “eficiente” (< qCO2) tem 
menor taxa de respiração em relação a uma mesma BM “ineficiente” (> qCO2). Dessa forma, tanto 
fatores de “estresse” (aqueles envolvendo “estado de equilíbrio” ou condições desfavoráveis, como 
metais pesados, limitações de nutrientes, baixo pH) como fatores de perturbação (aqueles 
envolvendo fluxo rápido de condições ambientais, ou seja, cultivo, queimada, etc.) induzem à 
redução da eficiência microbiana. Em geral, um baixo quociente metabólico indica economia na 
utilização de energia e supostamente reflete um ambiente mais estável ou mais próximo do seu 
estado de equilíbrio; ao contrário, valores elevados são indicativos de ecossistemas submetidos a 
alguma condição de estresse ou de distúrbio. Freqüentemente, solos com alto quociente metabólico 
são dominadospor organismos colonizadores de crescimento rápido. 
Islam & Weil (2000) estudaram os efeitos do uso do solo sobre vários indicadores de qualidade 
em ecossistemas de florestas tropicais em Bangladesh. Foram analisadas amostras de solos retiradas 
de áreas de floresta natural, reflorestada com Acacia auriculiformis (idade de 7 anos), pastagem de 20 
anos e de uma área cultivada durante 20 anos com diversas culturas. Dentre as características 
analisadas, os valores encontrados para o C da BM, a respiração basal e o qCO2 mostraram uma 
relação que ilustra o problema de se considerar somente os dados de respiração em estudos de 
determinação da qualidade do solo. Quando se avaliou somente a taxa de respiração basal do solo, 
não foram detectadas diferenças entre a floresta natural e a área cultivada, o que indicaria atividade 
microbiana semelhante nos dois solos. No entanto, quando se considerou a taxa de respiração por 
unidade de biomassa, ou qCO2, o valor obtido para o solo de floresta natural foi sensivelmente 
menor, o que demonstra um solo mais estável e equilibrado, de acordo com a teoria de Odum (1969). 
 6 
A respiração pode ser avaliada pela medição da liberação de CO2 ou pelo consumo de O2. É 
comum o uso de técnicas simples, como a incubação do solo em frascos hermeticamente fechados 
durante um período de até uma semana, em que o CO2 liberado é capturado em solução de NaOH, a 
qual é posteriormente titulada com HCl. Atualmente, tem havido grande avanço no 
desenvolvimento de respirômetros que fazem a leitura contínua da produção de CO2 por meio de 
detectores de infravermelho e permitem a análise de um grande número de amostras, com maior 
facilidade e rapidez. Outros instrumentos medem a atividade respiratória pela redução da pressão 
interna em frascos de incubação hermeticamente fechados, cuja leitura é feita por sensores 
manométricos que transmitem os dados por meio de ondas de infravermelho. É de grande 
importância que, em qualquer método utilizado, as medidas sejam feitas sob condições padronizadas 
quanto à umidade do solo e à temperatura de incubação, a fim de permitir a reprodutibilidade e 
comparação dos resultados. 
 
LITERATURA CITADA 
 
ANDERSON, T.H. & DOMSCH, K.H. Ratios of microbial biomass carbon to total organic carbon in 
arable soils. Soil Biol. Biohem., 21:471-479, 1989. 
 
ANDERSON, T.H. & DOMSCH, K.H. Determination of ecophysiological maintenance carbon 
requirements of soil microorganisms in a dormant state. Biol. Fertil. Soils, 1:81-89, 1985. 
 
ISLAM, K.R. & WEIL, R.R. Microwave irradiation of soil for routine measurement of microbial 
biomass carbon. Biol. Fertil. Soils, 27:408-416, 1998. 
 
ISLAM, K.R. & WEIL, R.R. Land use effects on soil quality in a tropical forest ecosystem of 
Bangladesh. Agric. Ecosys. Environ., 79:9-16, 2000. 
 
ODUM, E.P. The strategy of ecosystem development. Science, 164:262-270, 1969. 
 
POWLSON, D.S.; BROOKES, P.C & CHRISTENSEN, B.T. Measurement of soil microbial biomass 
provides an early indication of changes in total organic matter due to straw incorporation. Soil 
Biol. Biochem., 19:159-164, 1987. 
 
VAN DE WERF, H. & VERSTRAETE, W. Estimation of active soil microbial biomass by mathematical 
analysis of respiration curves: development and verification of the model. Soil Biol. Biochem. 19, 
253-260, 1987. 
 
VANCE, E.D.; BROOKES, P.C. & JENKINSON, D.S. An extraction method for measuring soil 
microbial biomass C. Soil Biol Biochem., 19:703-707, 1987. 
 
WARDLE, D. A. Metodologia para quantificação da biomassa microbiana do solo. In: HUNGRIA, M. 
& ARAUJO, R.S., eds. Manual de métodos empregados em estudos de microbiologia agrícola. 
Brasília, Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, 1994. p.419-436.