Prof. Paulo Duarte Filho

BAGÉ – SETEMBRO/2010

CICLO DO NITROGÊNIO

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;

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;

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.

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.

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

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

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

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

2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA

• Fixação biológica não simbiótica:

organismos autótrofos – Rhodospirillum rubrum

organismos heterótrofos – Clostridium e Azotobacter

Azotobacter

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);

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.

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);

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.

2.2. FIXAÇÃO BIOLÓGICA

Fixação biológica de nitrogênio pelo sistema nitrogenase.

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.

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;

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

-

3. NITRIFICAÇÃO

GÊNERO ESPÉCIE HABITAT

Oxidantes do amônio (NH3+) a nitrito (NO2

-)

Nitrosomonas* N. europeae Solo, água, esgoto

Nitrosospira N. biensis Solo

Nitrosococcus N. nitrosus Mar

N. oceanus Mar

N. mobilis Solo

Nitrosovibrio N. tenuis Solo

Oxidantes do nitrito (NO2-) a nitrato (NO3

-)

Nitrobacter* N. winogradskyi Solo

Nitrospira N. gracilis Mar

Nitrococcus N. mobilis Mar

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.

3. NITRIFICAÇÃO

• Fatores ambientais:

o 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.

3. NITRIFICAÇÃO

• Fatores ambientais:

o Aeração:

requerimento obrigatório para todas as espécies

aeróbias.

o Umidade:

afeta o regime de aeração do solo e assim a

produção de nitrato.

3. NITRIFICAÇÃO

• Fatores ambientais:

o Temperatura:

a atividade microbiana é marcadamente afetada pela

temperatura – 5 °C menor e em 40 °C maior.

o Matéria orgânica:

a cultura pode afetar o tamanho e a atividade

nitrificante;

acúmulo de metabólitos secundários de plantas no

solo – diminuição da atividade nitrificante.

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

- NH3Nitrato redutase Nitrito redutase

Equipamento enzimático com necessidades de coenzimas, de ferro, molibdênio (metais ativadores).

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????

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:

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.

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.

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.

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