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

Bibliografia:

•       Bousserrhine, N., Gasser, U. G., Jeanroy, E. & Berthelin, J. (1999). Bacterial and chemical reductive dissolution of Mn-, Co- Cr-, and Alsubstituted goethites. Geomicrobiol J 16, 245–258.

•       Gadd, G. M. (2004). Microbial influence on metal mobility and application for bioremediation. Geoderma 122, 109–119.

•       Geoffrey Michael Gadd (2010) Metals, minerals and microbes: geomicrobiology and bioremediation. Microbiology, 156, 609–643.

•       Gonzalez-Chavez, M. C., Carrillo-Gonzalez, R., Wright, S. F. & Nichols, K. A. (2004). The role of glomalin, a protein produced by arbuscular mycorrhizal fungi, in sequestering potentially toxic elements. Environ Pollut 130, 317–323.

•       Fomina, M., Charnock, J., Bowen, A. D. & Gadd, G. M. (2007b). X-ray absorption spectroscopy (XAS) of toxic metal mineral transformations by fungi. Environ Microbiol 9, 308–321.

•       Joanne M. Willey, Linda M. Sherwood, Christopher J.(2008)  Prescott, Harley, and Klein’s microbiology. McGraw-Hill— 7th ed. Pg 652

•       Michael T. Madigan, John M. Martinko, David A. Stahl e David P. Clark. (2011). Brock Biology of Microorganisms, 13ra edn

•       Leyval, C., Turnau, K. & Haselwandter, K. (1997). Effect of heavy metal pollution on mycorrhizal colonization and function: physiological, ecological and applied aspects. Mycorrhiza 7, 139–153.

•       Lloyd, J. R., Lovley, D. R. e Macaskie, L. E. (2003). Biotechnological application of metal-reducing microorganisms. Adv Appl Microbiol  53, 85–128.

•       Lloyd, J. R., e Macaskie, L. E. (2000) Bioremediation of Radionuclide-Containing Wastewaters. Em: Lovley, D. R., (Ed.), Environmental Microbe-Metal Interactions. American Society for Microbiology, Washington, pp. 277-327.

•       Lovley, D. R. (2000). Fe(III) and Mn(IV) reduction. In Environmental Microbe–Metal Interactions, pp. 3–30. Edited by D. R. Lovley. Washington, DC: American Society for Microbiology.

•       Patrice Dion e Beatriz E. Guerra S. (2011) Otros ciclos biogeoquímicos. Em: Microbiologia de suelos. Colombia. Cap 6, pg 20-28.

•       Plante AF (2007) Soil biogeochemical cycling of inorganic nutrients and metals. Em: Paul EA (ed) Soil microbiology, ecology and biochemistry, 3ra edn. Academic Press, Burlington, MA, pg 389-432

•       Purvis, O. W. e Halls, C. (1996). A review of lichens in metal-enriched environments. Lichenologist 28, 571–601.

•       Saratovsky, I., Gurr, S. J. & Hayward, M. A. (2009). The structure of manganese oxide formed by the fungus Acremonium sp. strain KR21- 2. Geochim Cosmochim Acta 73, 3291–3300.