Enzimas no solo

By: Wilk Sampaio de Almeida

UFRRJ

As moléculas orgânicas de modo geral existem em estado metaestável e necessitam de energia de ativação antes que passem para uma configuração mais estável. Tal energia de ativação é fornecida por fonte externa ou reduzida através de um catalisador da reação. Nas células vivas, as reações químicas, como aquelas que causam a quebra de moléculas orgânicas, são catalisadas por um grupo especial de proteínas com alta especificidade funcional, denominadas enzimas Moreira e Siqueira (2006).

Os autores afirmam que estas se ligam fortemente ao substrato, de maneira específica e tridimensional, causando mudanças na configuração eletrônica nas ligações mais facilmente modificáveis, reduzindo a energia de ativação, permitindo ou regulando a velocidade da reação química. Esse aumento de velocidade se dá até 1020 vezes e o número de moléculas de substrato transformadas por molécula de enzima por minuto pode ser superiora 106, graças à reversibilidade e à ciclagem da enzima.

A uréia, por exemplo, tem a 25ºC meia vida em torno de 32 anos, mas, na presença de urease, sua decomposição é instantânea, meia vida de apenas 10-4 segundos de acordo com Ruggerio et al. (1996).

A interação da enzima como substrato depende da solubilidade deste e de outros fatores, tais como concentração e propriedade da enzima, natureza do substrato, presença de outros constituintes e fatores ambientais.

Todas as transformações bioquímicas do planeta são dependentes ou relacionadas à presença das enzimas, e o solo, como entidade biológica, é um sistema altamente regulado por catálises, onde as principais reações de transformação são mediadas, principalmente, pelas hidrolases e oxirredutases que controlam os processos de decomposição dos materiais orgânicos e transformações inorgânicas.

As principais classes e subclasses de enzimas que são conhecidas são apresentadas na tabela abaixo, e dentre elas quase todas são encontradas no solo.

As principais catálises que encontradas no solo são hidrolases, oxirredutases, transferases e liases. Nestas classes destacam-se as enzimas que promovem o rompimento de ligações químicas, reações de oxirredução, transferências de constituintes e adição ou remoção de grupos químicos, representando a base das transformações químicas biocatalisadas no solo.

No solo as enzimas são relacionadas à decomposição de resíduos, fertilidade do solo, eficiência de uso dos fertilizantes, interações entre plantas e estado de oxirredução, além de servir como estratificador ecológico e indicador da presença de poluentes.

São classificadas de acordo com algumas características funcionais. Em relação à posição de ataque podem ser exo e endoenzimas. As primeiras, tipicamente extracelulares, que catalisam a remoção terminal de monômero de polímero. Por sua vez, as endoenzimas também tipicamente extracelulares, degradam polímeros por meio de ligações internas e produzem oligômeros que são atacados por exoenzimas. Quanto ao local de ação podem ser extracelulares ou intracelulares. Como exemplo desta última cita-se a desidrogenase, que é muito utilizada como indicadora da atividade biológica do solo. Esta enzima tem destaque, pois ela correlaciona com a atividade oxidativa total dos microrganismos do solo.

Portanto, o estudo das enzimas do solo é de grande importância para compreensão da taxa de degradação da matéria orgânica do solo, para indicação da atividade biológica dos microrganismos do solo, para estudos de diversidade microbiana etc.

Dentre as enzimas, as extracelulares fazem parte de um sistema heterogêneo, no qual as reações ocorrem nas interfaces sólido/ líquido. Nestas condições, não são todas as moléculas de substrato que se encontram disponíveis, pelo menos de imediato, para a formação do complexo enzima-substrato. Por outro lado, há que se levar em consideração o fato de, durante as determinações das constantes de reação, ter ou não havido proliferação de microrganismos. As cargas existentes na superfície dos colóides do solo e na própria molécula do substrato também devem ser levadas em consideração.

As enzimas podem sofrer influência de diversos fatores como agroquímicos aplicados no solo, pH, temperatura do solo, características do local de amostragem do solo; obtenção, preparo e armazenamento das amostras; inibição da atividade microbiana; concentração do substrato, pH do meio; tempo de incubação das amostras.

Valores de pH muito altos ou muito baixos tendem a diminuir a atividade enzimática ou mesmo inibir a enzima de maneira total. Algumas enzimas requerem um valor de pH bem definido para a expressão de sua atividade máxima, enquanto que outras a expressam em uma determinada faixa de pH. O pH do meio deve ser controlado por meio de solução tampão na melhor faixa de pH para a enzima. No caso da amilase, por exemplo,

o pH pode ser tamponado com solução de acetato-fosfato 0,5M, pH 5,5 (0,5M ácido acético, 0,5M Na2HPO4).

O efeito da temperatura sobre a atividade enzimática sugere que os ensaios enzimáticos sejam conduzidos sob temperatura adequada para a enzima em estudo. No caso de amilases de solo, a temperatura indicada é de 37oC.

O tempo de incubação deve ser também adequado à sensibilidade do método, uma vez que a quantidade de substrato transformado é, dentro de certos limites, proporcional ao tempo de incubação.

Assim, por exemplo, a urease poderá fornecer informações sobre a disponibilidade de nitrogênio para as plantas, enquanto que a atividade de celulase ou carboidrases poderá fornecer informações sobre a decomposição do material orgânico adicionado ao solo.

Na literatura se dispõe de informações da ação de enzimas do solo sobre alguns fertilizantes. Por exemplo, a uréia, no solo, sofre um processo de hidrólise corn produção de amônia a dióxido de carbono, sendo que a enzima que catalisa tal reação é a urease. Há muitas evidências de que tal enzima se encontra acumulada no solo e diversos autores conseguiram extrair uma fração com atividade de urease.

Muito importante, com relação à nutrição nitrogenada das plantas, são os processos de nitrificação e desnitrificação, os quais são considerados por demais complexos para dependerem apenas de enzimas acumuladas no solo. Cawse (1968) observou, em solo esterilizado por radiação gama, rápida oxidação da amônia a nitrato, o que atribuiu principalmente a microrganismos que não estavam em processo de proliferação.

Logo, as enzimas que participam da nitrificação permanecem ativas em células que perderam sua viabilidade após um processo de irradiação. Cawse & Cornfield (1969, 1972) não observaram aumento no teor de nitrito, quando a irradiação foi precedida de autoclavagem, o que se explicaria pelo fato de o calor destruir a nitrato redutase. Todavia, se o tratamento com radiação gama fosse muito intenso, ocorria a produção de nitrito, o que se atribuiu a uma gama radiólise do nitrato.

Dos metafosfatos a pirofosfatos, sabe-se que os mesmos são transformados a fosfatos, que. por catálise enzimática, quer pela inorgânica, a qual contribui com cerca de dois terços do total. Hossner & Philips (1971) realizaram estudos para estimar o valor da

energia de ativação da hidr6lise do pirofosfato em solos inundados, encontrando um valor de 18.900 J mol-1 para a pirofosfatase e 105.000 para a catálise química.

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O PAPEL DA BIOTA NO CICLO DOS MICRONUTRIENTES

By: Julie  Ch. Orozco
UFRRJ

Os micronutrientes, também chamados elementos traço ou oligoelementos, são compostos orgânicos como metais e minerais essenciais para os organismos, são necessários em pequenas quantidades, sua falta resulta em uma deficiência e seu excesso resulta em toxicidade.

Os micronutrientes são componentes imprescindíveis de enzimas e de hormônios de crescimento. Os elementos traça são essenciais para as plantas são Ferro (Fe), zinco (Zn), manganês (Mn), Cobre (Cu), Boro (B), molibdênio (Mo) e Níquel (Ni), além destes elementos os micro-organismos e Animais precisam também no seu organismo Cobalto (Co), Cromo (Cr), Selênio (Se) e Estanho (Sn). Outros elementos metálicos como mercúrio (Hg), arsênico (As), Chumbo (Pb) e cádmio (Cd) não são essenciais para os organismos, mas podem se encontrar nos solos como contaminantes potencialmente tóxicos (Patrice Dion, 2011).

As concentrações dos elementos como íons livres ou complexos solúveis são fortemente influenciadas por reações abióticas tais como processos de oxido-redução, fixação a superfícies minerais, Conteúdo de matéria orgânica, formação de minerais insolúveis, pH do solo, atividade radical, processos de intercâmbio catiônico e fatores climáticos e de manejo.

As plantas e os microorganismos (bactérias e fungos) do solo também podem interatuar com os metais e minerais mediante mecanismos de extração, estabilização, biosorção, bioacumulação, biomineralização e biotransformação (Lloyd e  Macaskie, 2000).

Os micro-organismos também são capazes de solubilizar minerais e de cambiar o potencial redox e o pH do solo. Consequentemente, a disponibilidade dos micronutrientes para as plantas depende em grande medida da atividade microbiana.

A ciclagem dos micronutrientes ocorre quando a litera vegetal é depositada no solo e mineralizada pela biomassa microbiana, o que libera os metais traço. A produção e a secreção de vários agentes quelantes pelas raízes vegetais e os micro-organismos promovem a dissolução e a lixiviação dos minerais e facilita o movimento dos microelementos até as raizes (Plante AF, 2007).

A maior parte das Fontes de elementos traça no solo são, os materiais originais (rochas e minerais); Impurezas em fertilizantes; agrotóxicos e águas residuais; Resíduos industriais e produtos de combustão de materiais fósseis e vulcânicos.

Ferro

O ferro é um dos mais abundantes elementos na terra. Existe naturalmente na superfície da terra em dois estados de oxidação, Ferroso (Fe₂⁺) e férrico (Fe₃⁺).

É essencial para a nutrição de todos os organismos procariotas e eucariotas, com a exceção de um pequeno grupo de bactérias fermentativas homolácticas. É requerido em processos enzimáticos da respiração aeróbica e anaeróbicas, que envolvem a transferência de elétrons até um aceptor final.

Os organismos fotossintéticos incorporam Fe à ferredoxina, que é um fator da via fotossintética. O íon ferroso (Fe₂⁺) serve como fonte de energia para algumas bactérias, e o íon férrico (Fe₃⁺) pode se utilizar como aceptor final de elétrons em varias condições, por parte das mesmas ou de outras bactérias.

A redução do íon férrico e feita quimicamente e pela ação de algumas bactérias, fungos e Archea que podem usar Fe₃⁺ como aceptor de elétrons na respiração anaeróbica isto é comum em solos alagados, pântanos, e sedimentos de lagos anóxicos. Devido a que os micro-organismos não são capazes de assimilar as formas insolúveis de Fe, e considerando-se que a solubilidade de Fe₃⁺ na solução do solo é baixa, algumas bactérias e fungos do solo têm evoluído a capacidade de produzir substancias quelantes de Fe₃ ⁺ (sideróforos). Os sideróforos mantêm o Fe₃⁺ em solução e facilitam a sua absorção pelas células microbianas. Após o transporte de Fe₃⁺ para dentro da célula, o Fe₃⁺ quelado é reduzido enzimaticamente para Fe₂⁺ é libertado fora do sideróforo. Uma vez que o sideróforo é liberado pela célula, serve para quelar Fe₃ ⁺ novamente.

Exemplo:

Geobacter, Desulfovibrio, Pseudomonas, Acidithiobacillus, Geospirillum e Geovibrio.

O Movimento das águas subterrâneas dos solos anoxicos encharcados ou pântanos Pode também mover grandes quantidades de Fe₂⁺. Quando esta água carregada de Fe₂⁺ atinge regiões oxicas, o Fe₂⁺ é oxidado quimicamente ou pela ação de algumas bactérias.

A oxidação de Fe₂⁺ e feita só por micro-organismos de metabolismo quimiolitotrofico, ou seja, que tem a capacidade de oxidar compostos inorgânicos como fonte de energia, na presença do oxigênio.

Exemplo:

Acidithiobacillus ferrooxidans, Ferroglobus, Gallioella, Leptospillum, Thiobacillus ferroxidans e Sulfolobus.

Os compostos de Fe logo precipitam, e conduzem à formação de óxidos de ferro, como o Hidroxido Férrico. O Fe(OH)₃ precipitado pode espontaneamente interagir com substâncias húmicas para reduzir Fe₃⁺ e voltar para Fe₂^+.

Manganês

O manganês é requerido para a fotossíntese, onde esta envolvido  na produção de oxigênio pelo fotossistema II. Também pode servir como fonte de energia e aceptor terminal de elétrons em algumas bactérias.

O manganês tem vários estados de oxidação, dos quais o mangánico (Mn4 +) e a íon manganês (Mn2 +) são os mais relevantes na obtenção de energia microbiana.

Em presença de oxigênio com um pH superior a 8, o íon manganês se oxida a íon mangánico tetravalente , este forma um dióxido (MnO2) insolúvel em água, que não  pode ser assimilado diretamente pelas plantas.

Os microorganismos fazem importantes contribuições para o ciclo do manganês. Na difusão da zona anaeróbia, para a zona aeróbia, o íon manganês (Mn²⁺⁾ é oxidado quimicamente e por muitos microorganismos morfologicamente distintos na água para óxido mangánico  MnO₂ (IV) valência equivalente a o íon Manganico  (Mn⁴⁺).

Exemplo:

Arthrobacter, Pseudomonas, Leptothrix, Pedomicrobium

Quando o MnO₂(IV) difunde-se para a zona anóxica, algumas bactérias crescem anaerobicamente em acetato ou várias outras fontes de carbono com Mn4 + como receptor de elétrons. O potencial de redução Mn4 + / + Mn2 é extremamente elevado, assim vários compostos podem doar elétrons para redução Mn4 +.

Exemplo:

Geobacter, Shewanella, Desulfovibrio, Pseudomonas, Bacillus

Além das reações bacterianas bastante conhecidas no ciclo do manganês, os fungos também intervêm na solubilização e oxidação deste elemento. Gonzalez-Chavez et al. (2004) encontraram que a  glomalina glicoproteína insolúvel produzida pelas hifas de fungos micorrízicos arbusculares, pode Sequestrar metais como cobre, o cádmio e manganês. O que pode ser considerado um instrumento útil agente de estabilização na remediação de solos contaminados.

Saratovsky et al. (2009) reportaram que muitos fungos podem promover a oxidação de Mn(II) a Mn(IV)O2,  incluindo o fungo  Acremonium spp.. Na maioria dos casos a redução fungica do Mn é não enzimatica, e se devido a interações com produtos metabólicos (ácidos Hicroxicarboxilicos como; citrato, lactato, alato, gluconato) ou componentes celulares.

Molibdênio

O molibdênio é um componente essencial na estrutura de varias enzimas, como a nitrogenase, a nitrato redutase e a sulfito redutase, e também pode inibir eficientemente a redução do sulfato.

A fixação biológica de nitrogênio é catalisada pelo complexo enzimático chamado Nitrogenase, o qual consiste em duas proteínas distintas, dinitrogenase e dinitrogenase redutase. As duas contem ferro e dinitrogenase redutase contem molibdênio.

O ferro e molibdênio são conhecidos como co-fator FeMo, onde ocorre a redução de N2.

A solubilização do Molibdênio é feita pela ação indireta de algumas bactérias que realizam a oxidam compostos que contem Mo na sua estrutura.

Exemplo:

A Bacteira  Sulfolobus cresce sobre o mineral molybdenite (MoS2) a 60°C.

A pH  de 1.5–3, as bactérias oxidam os componentes de  sulfito do mineral a sulfato e solubilizam molibdênio

Cobre

O cobre é Catalisador da respiração e constituinte de enzimas, Intervém no metabolismo de carboidratos e proteínas, Intervém na fotossíntese e na redução de nitratos.

Os sulfuros são a principal fonte de subministro de Cu para os solos, sendo os mais comuns o sulfuro cuproso (SCu₂),  o sulfuro férrico-cuproso (S₂FeCu) e o  sulfuro cúprico (SCu).

Na solução do solo encontra-se fundamentalmente como Cu₂+ e formando complexos estáveis com as substancias húmicas.

A solubilização bacteriana de cobre é um processo chamado lixiviação microbiana. A lixiviação é importante para a recuperação de cobre, urânio e ouro a partir de minerais de baixo grau.

A maioria dos sulfuros metálicos se oxidam espontaneamente a uma velocidade baixa.

Algumas bactérias podem atuar como catalisador e acelerar a taxa de oxidação dos minerais que contem sulfuro, solubilizando o metal.

Exemplo:

Tiobacillus ferroxidans oxida o Cu+ presente na Calcocita (Cu2S) a Cu²⁺  solúvel e forma covelita (CuS)

Cu2S + O2 +2H ------------> Cu²⁺ + CuS +H2O

Diferentes autores tem descrito atividades microbianas em diferentes processos de precipitacao e acumulacao do Cu.

Purvis e Halls (1996) Encontraram que nos líquenes pode acumular-se o cobre. Eles podem também formar uma variedade de Biominerais metal orgânicos, por exemplo, oxalatos, especialmente durante o crescimento em substratos ricos em metais (pedras de sulfeto de cobre) dando origem  à precipitação de oxalato de cobre que  ocorre dentro do talo  do líquen.  

Bradley et al. (1982) Describeram que as micorrizas ericais dão proteção a sua planta hospedeira, crescendo em solos contaminados com metais (Cu), o fungo evita a translocação do metal  na planta.

Fomina, M. et al .(2007) Reportaram o Moolooite (oxalato de cobre) na deposição de um biofilme pelas hifas fúngicas , formando um  agregado de matriz exopolimerica.

                    

Cloro

O cloro nas plantas participa na fotólise da água e é muito importante na função dos estômatos, sua presença é uma vantagem ante o ataque de pragas e doenças (plantas mais resistentes), os frutos são de melhor sabor e maior tamanho. Nos animais é um componente essencial do suco gástrico e do soro e participa no transporte de CO₂ no sangue. E nos micro-organismos participa na regulação da pressão osmótica, que mantém a forma e tamanho da célula.

Decloração Aeróbia

Os Xenobioticos são compostos clorados químicos sintéticos que não existem de forma natural, a maioria deles são os praguicidas, e muitos deles estão relacionados com compostos naturais, pelo que podem ser degradados lentamente por enzimas. A Decloração pode se entender também como detoxicacão de xenobioticos.

As traves da respiração aerobica a cloracao de xenobioticos têm uma importância ecologicamente, mas a decloração anaeróbica tem um interesse ambiental especial a causa da rapidez com que na natureza os habitat microbianos contaminados viram-se anaeróbicos para degradar os compostos.

Exemplo:

A bactéria Burkholderia (antes Pseudomona) declora o pesticida 2,4,5-T, aerobicamente, liberando o íon cloreto (Cl-) no processo. Esta reação é catalisada pela enzima Oxigenasa. Depois da decloracao, a enzima dioxigenasa rompe o anel aromático do composto gerando compostos que são metabolizados pela vias do ciclo do acido cítrico para produzir energia.

Decloração Redutora

Alguns compostos Halogenados (que apresentam pelo menos um átomo de halogênio (F, Cl,Br, I) ligado a um radical derivado de hidrocarboneto) funcionam como aceptor de elétrons na respiração anaeróbia no processo chamado, Decloração redutora (Dehalo-respiração)

Muitos compostos podem ser declorados como os dicloro-, tricloro-, e tetracloro- (percloro-) ethileno, cloroformio, diclorometano, alguns bifeniles policlorados (PCBs) e vários compostos orgânicos com bromo e fluor podem ser dehalogenados.

Muitos destes compostos clorados o halogenados são altamente tóxicos e alguns podem ser carcinogênicos (particularmente o tricloroetileno).

Alguns destes compostos como o PCBs, são muito usados na indústria como dissolventes ou agentes desengraxastes ou isoladores elétricos, que as vezes são introduzidos acidentalmente no ambiente causando acumulação de resíduos tóxicos no solo e águas subterrâneas, onde as bactérias Decloradoras Redutoras  os transformam em metabolitos inócuos. Estes micro-organimos são de grande interesse como estratégia de biorremediação em ambientes anóxicos.

Exemplos:

·         Desulfomonile cresce anaerobicamente com H₂ ou compostos orgânicos como doador de elétrons e com clorobenzoato como aceptor, que é reduzido a benzoato e acido hidroclorico (HCl)

·         Dehalococcoides reduze tri- e tetracloroetileno a gás  Eteno

·         Dehalobacterium reduze diclorometano (CH₂Cl₂) a Acetato mais Formato

Zinco

O zinco Intervém na formação de hormônios que afeitam o crescimento das plantas (Auxina), Participa na formação de proteínas, Se as plantas não têm o nível adequado de Zinco não se aproveita bem o Nitrogênio nem o Fósforo, favorece um melhor tamanho dos frutos, formação do grano de pólen e é um elemento que esta pressente no álcool deshidrogenase, fosfatase alcalina, aldolase, ARN polimerase e ADN polimerase

Algumas microrrizas eriais e ectomicorrízicas podem dissolver cádmio, cobre e zinco (Leyval e Joner, 2001).

Fungos como Aspergillus e Penicillium spp, têm sido usados ​​para lixiviação de metais: Tais  como zinco, cobre, níquel e cobalto a partir de uma variedade de materiais mineiros de baixo grau, pela ação de Ligados extracelulares. (Santhiya & Ting, 2005).

Boro

O boro relaciona-se com o transporte de açúcares, afeita a fotossíntese, o aproveitamento de Nitrogênio e a síntese de proteínas.

Intervém no processo de floração e na formação do sistema radicular das plantas, regulando também o conteúdo de água e formação do tubo polínico

Nos micro-organismos é Auto- indutor do Quorum Sensing nas bactérias

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