By: Livia Bischof Pian
UFRRJ
Nitrogênio (N)
O nitrogênio é um constituinte importante da litosfera, estando presente nas rochas, no fundo dos oceanos e nos sedimentos, em formas que representam 98% do N presente na Terra. Em sua forma gasosa (N2) representa 78% da atmosfera terrestre, sendo este o segundo maior reservatório do elemento. Na biosfera 96% do N-orgânico encontra-se na forma de matéria orgânica e apenas 4% encontra-se nos organismos vivos. Dentro dos organismos vivos, 94% encontra-se nas plantas e 6% encontra-se nos outros seres vivos (4% na microbiota e 2% nos animais).
De todos os elementos que circulam no sistema solo-planta-atmosfera é o que apresenta maior número de transformações bioquímicas no solo. Encontra-se distribuído nas formas de N2, N-orgânico, NO3 e NH4, estando em ordem decrescente de concentração no solo. Baseado em Wagner & Wolf (1998), o ciclo universal do N pode ser dividido em 3 subciclos, o elementar, o autotrófico e o heterotrófico. O subciclo elementar representa a conexão entre as formas vivas e o as formas elementares do N, representado pela fixação biológica de nitrogênio e pela desnitrificação. O subciclo autotrófico inclui a fotossíntese e a formação de compostos orgânicos nitrogenados que serão os substratos para os microorganismos heterotróficos, que representam o subciclo heterotrófico e apresentam a mineralização, dissipação de energia da matéria orgânica e a produção de formas inorgânicas de N no solo.
As formas inorgânicas de N, NH4, NO3 ou N2 atmosférico, são armazenadas na biomassa (animal, planta e microbiana). Onde uma porção desta biomassa é constantemente transformada no reservatório da matéria orgânica morta, sendo parte de N mineralizado e parte nela estabilizado. Estima-se que a quantidade de N mineralizado seja 2,5 vezes maior que a quantidade total absorvida pelas plantas, indicando constantes perdas por lixiviação no solo ou por emissão para a atmosfera. Já a fixação biológica de N representa a principal via de adição de N, sendo quase 2 vezes maior que o aplicado via fertilização mineral. As principais formas de perda de N do solo são a desnitrificação e a lixiviação que representam 72% do total de N perdido.
Mineralização / Imobilização
A maior parte do N do solos encontra-se na forma orgânica, constituindo proteínas, peptídeos, quitina, quitobiose, peptideosglicano, ácidos nucleicos, ureia e bases nitrogenadas. Apesar da grande reserva apenas uma pequena parte deste N é mineralizado, mais de 60% de N mineralizado vem de cerca de 10% do total de N orgânico presente no solo, o restante fica armazenado em suas formas mais estáveis (petróleo e sedimentos).
A mineralização do N envolve a ação inicial de peptidases extracelulares, que quebram proteínas, liberando peptídeos e aminoácidos. Estes são transportados para o interior das células dos microrganismos decompositores, onde são metabolizados, produzindo NH3 e compostos orgânicos. O produto final das reações são cadeias orgânicas e o NH3 que em contato com a H2O se equilibra formando NH4 que é absorvido ou sofre nitrificação.
Diversos trabalhos podem fornecer exemplos de microrganismo envolvidos na nitrificação, como o Bacillus subtilis, Aspergillus, Arthrobacter e Bacillus que metabolizam proteínas e peptídeos através de enzimas proteinases e peptidases resultando em hidrolisados e em aminoácidos. Os protozoários e a bactéria Streptomyces são responsáveis pela degradação de quitina em N-acetil glicosamina, por meio da enzima quitinase e quitobiase. Já as Amidas e amidinas são degradadas em aminoácidos, NH3 e ureia pelas bactérias Aspergillus, Streptomyces, Bacillus, Pseudomonas, Azotobacter e Proteus, pois apresentam as enzimas aminohidrolases e amidinohidrolases.
A assimilação de N ocorre por duas rotas metabólicas principais que envolve compostos orgânicos intermediários do ciclo de Krebs, a α-cetoglutamato e aspartato/glutamato que são transformados em gutamato, pela enzima glutamina sintetase, e depois em glutamina, sendo então empregados na síntese de aminoácidos essenciais para a produção de novas células e na síntese de proteínas. Este é o processo químico responsável pela imobilização biológica de N, pois as células, ao morrer, sofrem lise liberando enzimas no solo e alguns de seus componentes são condensados e complexados a substancias húmicas onde o N se estabiliza, não sendo mais susceptível a mineralização. Exemplos de componentes de células microbianas de difícil decomposição, que podem ser estabilizados, são os açucares aminados (quitina) e os peptídeosglicanos.
Estas substâncias podem se combinar com outros componentes do solo, fazendo parte da fração resistente da Matéria Orgânica dos Solos (MOS). A assimilação microbiana é influenciada pela qualidade do material em decomposição em termos de relação C:N e teor total de N. Quando se aplica de N no solo aumenta a atividade da população de microrganismos decompositores que acumulam N na sua biomassa e consomem rapidamente o C (liberação de CO2). Resíduos com baixa relação C:N tem decomposição lenta devido a baixa produção de biomassa causada pelo déficit de N.
Em solos com cultivo convencional há maior mineralização de N do que em sistema de plantio direto, pois o revolvimento do solo tem um efeito estimulante sobre os microrganismos e seus processos oxidativos. As bactérias e as amebas são os principais responsáveis pela mineralização de N no solo cultivado. No sistema de plantio direto ocorre um aumento da imobilização de N devido a maior biomassa estimulada pelo maior aporte de resíduos no solo, que alteram a dinâmica do N. Inicialmente se tem aumento da imobilização liquida e posteriormente há aumento da mineralização liquida, após alguns anos de implantação. Esta alteração deve-se a elevação do C no solo e dependerá do manejo da palha, da espécie de planta de cobertura e da aplicação de N-mineral na cultura.
Os fatores que influenciam a mineralização são os que controlam o crescimento e a atividade microbiana e a qualidade e taxa de aplicação do resíduo. A adição de N por resíduos com alta relação C:N aumenta a taxa de degradação do N no solo, aumentando a atividade microbiana e a imobilização de N (Blagodatsy & Richter, 1998). Isto depende da capacidade da microbiota de reutilizar a biomassa, ou seja, da taxa de crescimento e de mortalidade da população. A elevação da temperatura à aproximadamente 35°C eleva a taxa de imobilização, pelo aumento da atividade microbiana.
Em condições de anoxia (sem oxigênio), a população microbiana é muito distinta da encontrada em condições aeróbicas, a mineralização é muito mais lenta e são formados produtos diferentes, com menor imobilização devido à menor biomassa. Nestas condições é necessária uma menor quantidade de N no resíduo para que ocorra a mineralização.
Inibição da mineralização
Dentre os fertilizantes nitrogenados, a ureia é a mais amplamente utilizada no Brasil, esta forma de n-orgânico pode ser originada nos solos a partir de fertilizantes, por transformações no solo e pela urina de animais. A hidrólise da ureia é predominantemente biológica, sendo catalisada pela urease. Esta enzima é produzida pelas plantas, microrganismos e fauna, ela hidrolisa a ureia liberando CO2 e NH3. Em solos aerados o NH3 é imediatamente oxidado a NO3. A atividade da uréase é um indicador de qualidade biológica dos solos, sendo influenciada por inúmeros fatores como pH, teor de argila, carbono e metais pesados.
A presença de resíduos vegetais sobre o solo geralmente contribui para maiores perdas em função da maior atividade da urease, bem como pelo retardamento na difusão do amônio para o interior do solo (Cantarella e al., 1999). Com o objetivo de retardar a hidrólise da uréia, compostos com potencial de atuar como inibidores da urease têm sido avaliados, retardando as reações que levam a volatilização de N-NH3, até que a uréia possa ser incorporada pela chuva, irrigação ou mecânica. Centenas de compostos ou misturas são testadas como inibidor de uréase de solos, continuam sendo pesquisados o Fosfato de 4-metil-e nitrofenil triamida (NBPT) e o Fosfato de 2-nitrofenil triamida (Dominguez et al., 2008). Uma formulação comercial de NBPT, chamada Agrotain, está disponível no mercado para a mistura com uréia previamente fabricada.
O inibidor ocupa o local de atuação da urease, inativando a enzima (Kolodziej & Martins, 1992), retardando o início e reduzindo o grau de velocidade de volatilização de N-NH3 por aproximadamente 14 dias. O atraso na hidrólise reduz a concentração de N-NH3 presente na superfície do solo, diminuindo o potencial de volatilização de N-NH3 e permitindo o deslocamento da uréia para horizontes mais profundos do solo (Christianson et al., 1990).
Nitrificação
Após a mineralização a amônia (NH3), entra em equilíbrio com a água formando o amônio (NH4), que continua a sofrer transformações, convertendo-se em NO2 e logo em seguida em NO3, processo chamado nitrificação. Os procariotos quimioautotroficos
são os principais facilitadores do processo, mas fungos e também leguminosas fixadoras de nitrogênio também fazem nitrificação na parte aérea (Hipkin et al., 2004). As bactérias quimioautotróficas usam a nitrificação como fonte de energia para a fixação de CO2. O processo acontece em duas etapas, a primeira de nitrificação é a transformação de amônio a nitrito remediada por bactérias do gênero Nitrosomonas e a segunda etapa é a Nitração em que o nitrito é transformado em nitrato por bactérias do gênero Nitrobacter.Estas bactérias apresentam em geral baixa eficiência de crescimento e podem usar outros substratos mais reduzidos.
Bactérias do gênero Pseudomonas, Bacillus, Corynebacterium e Achromobacter também são capazes de efetuar nitrificação, acumulando NO2, esta forma também pode ser produzida pela oxidação de NH4. O gás N2O pode surgir pela desnaturação química do NOH (composto intermediário da nitrificação) ou pela ação da redutase do nitrito, ocorrendo a perca de uma pequena quantidade de NO2 por meio deste processo.
O fungo Aspergillus flavus e espécies de Penicillium e Cephalosporium formam NO3 na presença de NH4, em um processo conhecido como Nitrificação heterotrófica. Porém não existem evidencias que este processo ocorre no solo em ambiente natural, apenas em ambientes artificiais. Algumas leguminosas fixadoras de N2 sintetizam a partr da asparagina e acumulam o ácido 3-nitropionico que é um composto tóxico, convertido em NO3 e NO2 na parte aérea onde retornam ao solo via serrapilheira. Este processo é um fenômeno novo no ciclo do N.
Inibição da Nitrificação
Existem diversos fatores que influenciam a nitrificação, acelerando ou inibindo o processo de transformação do N no solo. O processo de nitrificação depende de O2, qualquer procedimento capaz de aumentar a aeração acelera a nitrificação, em ambientes anaeróbicos a nitrificação por organismos quimiolitotróficos não ocorre. A umidade esta indiretamente associada a aeração, o teor de umidade ótimo para a nitrificação, em geral, é o mesmo que o exigido para o crescimento ótimo dos microrganismos. Quando o espaço poroso é preenchido por 60% de água a desnitrificação é predominante.
A temperatura também regula o crescimento dos microrganismos, a mais favorável situa-se na faixa de 26 a 32°C. Os microrganismos também são sensíveis aos valores de pH, requerendo pH entre 6,6 a 8,0 para sua taxa máxima de nitrificação. Em solos ácidos (pH 4,0) a população de Nitrosomonas e Nitrobacter tem atividade extremamente baixa, porém existem bactérias adaptadas a condições ácidas como a Nitrospira briensis.
A aplicação de fertilizantes amoniacais em solos alcalinos em grandes quantidades inibe a segunda fase da nitrificação, pois a amônia formada é toxica para a Nitrobacter sem exercer influencia sobre a Nitrosomonas, resultando no acumulo de quantidades toxicas de nitrito no solo.
A relação C:N elevadas causam imobilização de N mineral cessando a nitrificação por falta de substrato (NH4) e podendo causar deficiência de N nas plantas. Os organismos responsáveis pela decomposição da MOS encontram-se em nível
reduzido e a produção de CO2 é mínima, quando se adiciona resíduos orgânicos ao solo os microrganismos decompositores se tornam ativos, consumindo o nitrato e o amônio.
Substancias alopáticas e xenobioticos podem inibir a nitrificação, existe uma grande variedade de compostos orgânicos, bases nitrogenadas e compostos aromáticos que inibem o crescimento de bactérias nitrificadoras. Estas também são muito sensíveis a produtos químicos como herbicidas, inseticidas e fungicidas, porem a redução na população é geralmente por um curto período de tempo, sendo reversíveis os efeitos. Este efeito inibidotorio de certos herbicidas é considerado positivo para a economia de fertilizantes, alguns produtos tem sido desenvolvidos para conservar o N dos fertilizantes e aumentar seu aproveitamento pelas plantas.
As pirimidinas, classe de herbicida, foram a base para a formulação de inibidores comerciais de nitrificação. Muitos compostos são testados para a inibição da nitrificação para aumento da eficiência de fertilizantes, com a Nitrapirina (2-cloro-6-(triclorometil) piridina), a Dicianodiamida (DCD) e a DMPP (fosfato de 3,4-dimetil pirazole). Porém os efeitos positivos não forma comprovados em todos os experimentos e apresentam potencial em solos leves e com risco de lixiviação.
Perdas de Nitrato
Ao contrario na amônia que é um cátion e pode ficar retido nas partículas do solo, o nitrato é um anion ficando predominantemente em solução, podendo ser lixiviado contaminando o lençol freático. O NO2, precursor do NO3 é raramente encontrado em no solo, porém desequilíbrios podem desfavorecer a segunda etapa da nitrificação, acumulando NO2. Condições como elevado pH, baixa taxa de CTC e a presença de NH3 limitam a nitrificação devido a toxidade de NH3 para a Nitrobacter.
O NO2 e os produtos de sua conversão são considerados cancerígenos.
A adição de ureia ou de fertilizantes amoniacais pode induzir a variação do pH, pela hidrolise da ureia que libera OH, podendo chegar a pH 10 o entorno do granulo de fertilizante. Este pH facilita a perdas por volatilização na forma de NH3. Quando o NH4 é oxidado a NO3, há liberação de 2H, que acidificam e interferem na ecologia microbiana dos solos. O uso de fertilizante amoniacal é uma das causas na acidificação dos solos e também apresenta altas perdas de N aplicado.
Tentativas de utilização de fertilizantes de liberação lenta estão sento testadas, como o desenvolvimento de ureia recoberta com enxofre, ou cera impermeabilizante ou outros materiais de baixa solubilidade, como polímeros. Porem é uma tecnologia cara e que tem problemas na operacionalização, mas já existem muitos produtos no mercado. Na cultura do arroz são utilizados supergranulos de ureia com dissolução controlada.
Desnitrificação
O nitrito pode ser reduzido por vários processos de assimilação e dissimulação, estes processos resultam na produção de gases, que ocasionam a destruição da camada de ozônio (O3), contribuindo para o aquecimento global. A redução pode ser pela imobilização em plantas e organismos e ocorre em baixas concentrações de NH4 também pode ocorrer a redução por quimiodesnitrificação, que ocorre em condições de elevada acidez, onde se produz mais NO que N2. Também chamada de desnitrificação
não respiratória ocorre em ambientes aerados e produz N2O com o envolvimento de fungos, bactérias e algas, não depende de condições de anaerobiose no solo
A respiração do nitrato produz NO2 em condições de baixa aeração, sendo regulada por este fator, sendo esta a principal via de redução do NO3 no solo. Já a redução dissimulatória de NO3 para NH4 é realizada pó algumas espécies de bactérias (Clostridium, Citrobacter, Enterobacter, Klebsiella), que produzem mais NH4 que N2O sendo reguladas pela disponibilidade de O2.
O processo de desnitrificação reduz o NO3 para NO seguido de N2O e por fim resultando em N2. O processo realizado por bactérias anaeróbicas facultativas, principalmente dos gêneros Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus, Agribacterium e Flavibacterium, que representam 0,1 – 5% da população total de bactérias do solo. As enzimas presentes na parte interna das bactérias agem na degradação do NO3. Entre as gran-negativas o processo ocorre dentro da membrana periplasmática onde a nitrato redutase reduz NO3 a NO2, que é convertido pela nitrito redutase em NO e por fim sofre de ouras redutases para N2O e N2.
Nas bactérias desnitrificantes, formas oxidadas de N atuam como receptores finais de elétrons oriundos da oxidação de substratos reduzidos. Este processo representa o principal meio de perda de N do solo para a atmosfera. Apesar de retirar o N que estaria disponível para as plantas, apresenta a vantagem de remover do solo N antes que este seja lixiviado e atinja reservatórios de água e os oceanos, onde o enriquecimento com o elemento pode causar desequilíbrios ambientais.
Inibição da desnitrificação
A umidade e aeração do solo afetam a desnitrificação, pois alteram toda a comunidade de microrganismos e sua ação. Quando o solo apresenta 60% da saturação do espaço poroso do solo com água a desnitrificação ocorre, se intensificando em valores de 85% de saturação. Mesmo em solos aerobiocos a desnitrificação ocorre, pois existe a formação de microssítios com saturação que permite o processo.
O pH e a temperatura também afetam o crescimento de bactérias, sendo o pH entre 6 a 8 em que elas melhor se desenvolvem. A desnitrificação aumenta exponencialmente a medida que a temperatura aumenta, em uma faixa de 20°C a 50°C. abaixo destees valores o crescimento é linear e acima destes valores pode haver a decomposição química do nitrato, não sendo mais intermediado por organismos.
O teor de nitrato e de carbono atua diretamente sobre o crescimento dos microorganismos, uma vez que os organismos utilizam o NO3 como aceptor de elétrons, sendo este mais limitante que o carbono. A taxa de desnitrificação cresce linearmente com a concentração de NO3. Existe correlação entre a quantidade de C do solo e a desnitrificação, pois alem de fornecer elétrons a decomposição da MOS consome O2, aumentando a necessidade de NO3 como aceptor de elétrons.
Aproximadamente 20% do N aplicado via fertilizante se perde, que alem de representar um prejuízo ocasionam problemas ambientais. Muitos trabalhos tem sido desenvolvidos para reduzir a emissão de gases de efeito estufa resultantes da desnitrificação. A principal fonte de N2O é a aplicação de fertilizantes, esta forma de N quando em contato com a estratosfera gera NO que em degrada a camada de ozônio.
Referencias Bibliograficas:
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