Prof. Paulo Duarte Filho

1. CICLO DO NITROGÊNIO Prof. Paulo Duarte Filho BAGÉ – SETEMBRO/2010

2. 1. INTRODUÇÃO • Aspecto agronômico, ecológico e biológico: tão importante quanto o processo fotossintético; • Estabelece uma relação de dependência: compostos nitrogenados (orgânicos e inorgânicos) – biosfera; • 78 % de N2 na forma molecular na atmosfera – reservatório inesgotável; • Paradoxo: carência de proteínas para humanos e animais, bem como a falta de nitrogênio em muitos solos cultivados;

3. 1. INTRODUÇÃO • Solos: quantidade pequena – predominância da forma (NO3-) sobre a (NH3); • Rochas sedimentares (NH4+) – conectado à rede cristalina dos minerais silicatados enquanto que nas rochas ígneas é mais escasso ainda; • Início do século XIX – ar atmosférico continha amônia – exigências dos vegetais;

4. 1. INTRODUÇÃO • Liebig: atmosfera era a principal fonte de nitrogênio para as plantas (NPK); • A atmosfera contribui com algumas formas nitrogenadas: • quantidade precipitada é proporcional à queda pluviométrica; • NO3- é formado pelas descargas elétricas; • NH3 – atividade vulcânica, queima de carvão e de outros materiais orgânicos.

5. 1. INTRODUÇÃO • Traços de nitrogênio também podem ser levados do litoral para o interior – atomização das águas oceânicas com arraste pelos ventos – não é uma fonte importante para as culturas; • Encontrado em formas químicas com grande variabilidade no número de oxidação.

6. 2. FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO • Conversão de nitrogênio molecular numa das formas inorgânicas; • Rompimento de uma ligação bastante estável – dois átomos de nitrogênio: • N2 + 3 H2 2 NH3 • Reação fundamental – fins industriais ou microrganismos que necessitem desta forma para manutenção do seu metabolismo. 450 °C 200 atm

7. 2.1. FIXAÇÃO NÃO BIOLÓGICA • Efetuada sem a participação de organismos vivos; • Pode ocorrer através de dois processos: • Naturais: ocorre durante as tempestades de relâmpagos – descargas elétricas na atmosfera, por intermédio das radiações ultravioleta. • N2 + O2 óxidos de N NO2- + NO3- hv H2O

8. 2.1. FIXAÇÃO NÃO BIOLÓGICA • Efetuada sem a participação de organismos vivos; • Pode ocorrer através de dois processos: • Industriais: Também denominado Haber – desenvolvido na Alemanha – obtenção de explosivos. Ainda é utilizado para a produção de fertilizantes. • N2 + 3 H2 2 NH3

9. 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA • Conduzido por diversos organismos – vida livre ou associados a outros (não simbióticos e simbióticos); • N2 + 6 H + 6 e- 2 NH3 • Nitrogênio molecular reduzido a amônia 1 atm 25 °C

10. 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA • Fixação biológica não simbiótica: • organismos autótrofos – Rhodospirillumrubrum • organismos heterótrofos – Clostridium e Azotobacter Azotobacter

11. 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA • Fixação biológica simbiótica: • líquens com algas do gênero Nostoc; • líquens com fungos; • bactérias do gênero Rhizobium com leguminosas – interessante para a área da agronomia. • Clostridium e Azotobacter: necessitam de fonte de carbono (heterótrofos);

12. 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA • Nostoc – principal fornecedor de nitrogênio para os campos irrigados de arroz na Ásia. Pigmentos fotossintéticos. Podem formar associação com certos fungos (líquens); • Rhizobium: infecta as raízes das leguminosas – formação de nódulos. A leguminosa fornece carboidratos para o microrganismos – oxidação – elétrons serão utilizados para redução do N2 a NH3.

13. 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA • Independentemente do tipo de fixação biológica são necessárias as seguintes condições que podem estar presentes num único indivíduo ou mais de um: • doador de elétrons (agente redutor); • aceptor de elétrons (será o reduzido – fonte de nitrogênio); • ATP em presença de magnésio (fonte de carbono orgânico);

14. 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA • Independentemente do tipo de fixação biológica são necessárias as seguintes condições que podem estar presentes num único indivíduo ou mais de um: • dois componentes protéicos associados a molibidênio e ferro formando o complexo nitrogenase (catalisador da reação de redução de N2) somente alguns grupos de microrganismos procarióticos possuem os determinantes genéticos de sua produção.

15. 2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA Fixação biológica de nitrogênio pelo sistema nitrogenase.

16. 3. NITRIFICAÇÃO • NH3: • forma como o nitrogênio é adicionado ao solo – baixo teor; • rapidamente transformada em nitrato (NO3-); • principal fonte de nitrogênio para os organismos não fixadores.

17. 3. NITRIFICAÇÃO • Schloesing e Muntz (1797) – Primeira evidência de que se tratava de um processo biológico: • Pasteur (1870) – Processo microbiológico análogo à conversão do álcool em vinagre; • Warrington (1878) – Processo que envolvia dois grupos de microrganismos; • Winogradsky (1890) – responsável pelo isolamento dos microrganismos nitrificantes;

18. 3. NITRIFICAÇÃO • Sendo assim, a oxidação da amônia até nitrato é efetuada por dois tipos de bactérias – nitrificantes • Bactérias do gênero nitrosomonas – transformam amônia em nitrito (NO2-) • NH3 + 3 /2 O2 NO2- + H2O • Bactérias do gênero nitrobacter – transformam o nitrito em nitrato (NO3-) • NO2- + 1 /2 O2 NO3-

19. 3. NITRIFICAÇÃO Bactérias qumioautotróficas oxidantes do nitrogênio * mais comumente encontradas Os dois grupos de bactérias são geralmente encontrados juntos em seus habitat. NO2- raramente acumula na natureza – interação sinérgica.

20. 3. NITRIFICAÇÃO • Fatores ambientais: • Acidez • correlação entre produção de NO3- e o pH; • taxa de nitrificação em solos agrícolas diminui sensivelmente em pH abaixo de 6,0; • calagem – aumento da nitrificação; • uso de fungicida – podem eliminar completamente as nitrificadoras.

21. 3. NITRIFICAÇÃO • Fatores ambientais: • Aeração: • requerimento obrigatório para todas as espécies aeróbias. • Umidade: • afeta o regime de aeração do solo e assim a produção de nitrato.

22. 3. NITRIFICAÇÃO • Fatores ambientais: • Temperatura: • a atividade microbiana é marcadamente afetada pela temperatura – 5 °C menor e em 40 °C maior. • Matéria orgânica: • a cultura pode afetar o tamanho e a atividade nitrificante; • acúmulo de metabólitos secundários de plantas no solo – diminuição da atividade nitrificante.

23. 4. REDUÇÃO DO NITRATO • NO3- forma nitrogenada mais abundante; • Plantas e demais organismos – habilidade no aproveitamento do ânion como fonte de nitrogênio para o seu desenvolvimento; • transformação do nitrato em amônia • NO3- NO2- NH3 Nitrato redutase Nitrito redutase Equipamento enzimático com necessidades de coenzimas, de ferro, molibdênio (metais ativadores).

24. 4. REDUÇÃO DO NITRATO • Por que a amônia do solo é rapidamente transformada em nitrato (nitrificação), e este novamente reduzido a amônia antes do nitrogênio integrar as moléculas orgânicas????

25. 5. ASSIMILAÇÃO DA AMÔNIA • NH3 – forma utilizada na síntese dos diversos constituintes celulares nitrogenados (proteínas, ácidos nucléicos, aminoácidos, aminas, vitaminas, etc.); • Sua assimilação, ou seja, transformação de uma forma nitrogenada inorgânica (NH3) em uma forma nitrogenada orgânica por duas rotas metabólicas:

26. 5. ASSIMILAÇÃO DA AMÔNIA • Glutamato desidrogenase – cataliza a aminação redutiva do α-cetoglutarato: Incorporação do nitrogênio fixado no grupo amida no aminoácido glutamato. O ácido glutâmico formado, doa por reações de transaminação, o grupo amino (-NH2) para a síntese de outros aminoácidos.

27. 5. ASSIMILAÇÃO DA AMÔNIA • Glutamina sintetase: A glutamina pode dar o seu grupo amino para o ácido aspártico se transformar em asparagina. A glutamina e asparagina são amidas armazenadoras de nitrogênio especialmente nas leguminosas.

28. 5. ASSIMILAÇÃO DA AMÔNIA • A glutamina contribui com o nitrogênio amídico para a síntese de outros compostos nitrogenados como as bases púricas e pirimídicas dos ácidos nucléicos.

29. 6. DESNITRIFICAÇÃO • Nitrato que não é absorvido pelos vegetais: • Lixiviado: facilmente percolado e acumular em lençóis freáticos; • em regiões mais profundas: metabolizado em parte por bactérias do gênero Pseudomonas(bactérias desnitrificantes). • NO3- N2 + H2O ATMOSFERA