Aspectos básicos sobre a importância dos microorganismos em plantio direto
Marcos Rubens Fries e Celso AitaUFSM/CCR/Departamento de Solos, Santa Maria-RS. E-mail: caita@ccr.ufsm.br
Introdução
As populações de microorganismos do solo são, na grande maioria, heterotróficas e dependem com isto de constante suprimento de carbono orgânico (resíduos orgânicos) para seu crescimento e manutenção. Em solos agrícolas, este suprimento se dá através das restevas de culturas. Compostos presentes na palha e de difícil decomposição e seus produtos parciais de degradação, os quais podem reagir entre si ou com outros compostos no solo, resultarão na fração húmica do solo. A fração húmica está associada à inúmeras propriedades do solo que ditam a sua qualidade. A grande maioria dos solos submetidos à agricultura intensiva tem sofrido reduções no teor de matéria orgânica do solo por mecanismos de exposição de frações ao ataque microbiano pela lavração e também devido às perdas de solo das camadas superficiais por erosão, carregando consigo grandes quantidades de húmus.O novo paradigma de que o revolvimento do solo não é necessário para a produção de grãos é baseado na ausência de revolvimento de solo com ênfase nos processos biológicos para aumentar e manter a produtividade do solo (plantio direto). Dentre as possibilidades para aumentar as populações de microorganismos do solo através do aumento da deposição de resíduos estão a não queima de restevas, o uso de adubos verdes, a rotação de culturas e o uso de estercos produzidos na propriedade rural.Solo é uma mistura de compostos orgânicos e inorgânicos que inicia a sua formação a partir das rochas. O processo de formação do solo é longo (milhões de anos). Com o passar do tempo, através da ação da água, do vento e variações em temperatura, estas rochas iniciam a sua degradação e produzem partículas de vários tamanhos, dependendo em parte do tipo da rocha de origem. Microorganismos como bactérias, fungos, algas, liquens e plantas extraem minerais das rochas e convertem estes em matéria orgância ou húmus, que fará parte do solo quando estes organismos morrerem ou produzirem resíduos. Os melhores solos agrícolas, em geral, são aqueles solos profundos e que apresentam uma combinação homogenea em tamanhos de partículas (areia, argila e silte), alto conteúdo de nutrientes minerais e alto conteúdo de húmus ou matéria orgânica.Muitos eventos devem acontecer antes que a planta possa utilizar os nutrientes minerais do solo. Moléculas de minerais devem ser dissolvidas nas camadas de água que encontram-se ao redor das partículas do solo. Então, os nutrientes movem-se para a raíz e são absorvidos e distribuidos a todas as partes da planta. Os nutrientes passam através da membrana plasmática dos pêlos radiculares, movem-se através do cortex radicular e do citoplasma das células da endoderme e são secretados para o xilema. No xilema, a força da transpiração pode levá-los, junto com a água, para todos os orgãos da planta, principalmente para a parte aérea. Os elementos nutrientes de plantas, associados à moléculas orgânicas deverão ser liberados ou “mineralizados” para a solução do solo, tornando-se então disponíveis às plantas, processo este que requer a participação de agentes decompositores no solo (microbiota em geral).O desenvolvimento de milhões de pêlos radiculares, nas raízes, fornece uma grande superfície para absorção de água e nutrientes para as plantas. Também, a associação de raízes com microorganismos que habitam a rizosfera pode auxiliar na absorção de nutrientes, além de expandir a superfície de absorção. A maioria das plantas possuem associações com micorrizas, fungos estes que invadem as raízes e através de seu micélio conseguem explorar e captar nutrientes de um volume maior de solo, quando compara-se o volume de solo explorado apenas pela raíz. Outros microorganismos associados a raízes podem auxiliar, além da absorção de nutrientes, na produção de fitohormônios, fixação de nitrogênio atmosférico e controle de infecção de raízes por patógenos. A análise de solo próximo a raízes revela uma grande diversidade e um maior número de microorganismos quando comparado ao solo distante da raíz. A influência de alguns microorganismos presentes na rizosfera sobre o crescimento de plantas tem sido estudada, mas existem evidências de que muitas populações rizosféricas ainda não foram isoladas em laboratório e não se conhece o seu papel interativo com plantas e sua influência no crescimento das mesmas. A Figura 1. mostra os números da biodiversidade de formas de vida no planeta terra, e a estimativa de diferentes espécies que podem estar presentes em uma simples grama de solo.O entendimento científico da Biodinâmica dos Solos, ou seja, das consequências das interrelações entre propriedades físicas, químicas e biológicas não é tarefa fácil. Conceitos modernos , como a degradação biológica dos solos, têm sido discutidos pela comunidade técnica e científica, mas algumas questões básicas devem ser levantadas:- Qual o nosso nível de conhecimento atual sobre a ESTRUTURA das populações e comunidades microbianas, bem como suas funções no solo, desde solos virgens até solos sob diferentes sistemas de manejo? Certamente, muitos estudos se fazem necessários para conhecermos todas as populações que habitam o solo.- Será que o conhecimento atual sobre populações e comunidades microbianas, permite o Manejo da Microbiota do solo em direção ao aumento da produtividade das culturas, explorando ao máximo os grupos fisiológicos benéficos e eliminando os grupos fisiológicos não desejados? Da mesma forma, poucos estudos tem sido realizados e que possam ser utilizados para predizer qual o efeito de diferentes práticas agrícolas sobre populações de interesse para a agricultura.- Até que ponto temos um entendimento da degradação biológica dos solos sob os diferentes sistemas de manejo? Entenda-se degradação biológica como a eliminação de uma ou mais populações de microorganismos significativos do solo e participantes ativos dos processos de decomposição de matéria orgânica e poluentes (principalmente pesticidas) e envolvidos diretamente com o crescimento de plantas. Microorganismos significativos são aqueles para os quais um papel ecológico importante é conhecido. Existem vários métodos para acessar padrões microbiológicos para solos. Estes métodos avaliam números de microrganismos ou sua atividade através de coletas de gás carbônico. Entretanto, nenhum destes métodos avaliam a biodiversidade microbiana de um sistema agrícola. Poucos trabalhos têm sido realizados com o objetivo de definir quais grupos de microorganismos devem ser incluidos como indicadores da qualidade microbiológica de um solo. Sem estes indicadores, é difícil sabermos se um solo está melhorando ou piorando suas propriedades microbiológicas. Além disso, alguns trabalhos realizados, utilizando-se de técnicas modernas de biologia molecular, onde não existe a necessidade de isolar-se os microrganismos para se ter uma idéia das populações que habitam um determinado habitat, indicam que não conhecemos, a nível de espécies, todas as populações de micróbios que habitam o solo.Microbiologistas de solo devem se empenhar em estabelecer padrões microbiológicos, para que possamos entender o impacto no sistema solo e sua microbiota, causado por diferentes sistemas de manejo, ou outras perturbações de solo.Outro ponto importante, refere-se à populações nativas e introduzidas. Nem sempre desejamos somente as população nativas de um solo. Um exemplo simples é o caso de bactérias chamadas de maneira geral rizóbios, as quais fixam nitrogênio atmosférico em associação com leguminosas. Este é um grupo de microorganismos que normalmente não habitam a maioria dos solos agrícolas, mas realizamos inoculações de sementes e esperamos que estas populações se estabeleçam no solo.
Manejo do Solo e a Atividade Microbiana
Os processos de mineralização/imobilização de vários nutrientes essenciais às plantas como nitrogênio, fósforo e enxofre, realizados por microorganismos para seu crescimento e perpetuação de suas espécies, estão entre os mais importantes processos para a reciclagem de nutrientes em sistemas de manejo como o plantio direto. Decréscimos na mineralização de nitrogênio orgânico e aumento na imobilização de fertilizantes nitrogenados tem sido observados próximos à superficie do solo, especialmente quando a cobertura do solo é realizada com plantas que possuem altas relações C/N. A estratificação na superfície de resíduos de plantas, matéria orgânica e consequentemente microorganismos no sistema plantio direto tem reduzido a reciclagem de nitrogênio, quando comparados ao sistema convencional de preparo do solo (Tabela 1).
Tabela 1. Comparação de propriedades do solo e parâmetros microbiológicos para plantio direto relativos ao plantio convencional.
Relação entre Plantio Direto/Covencional
Profundidade do solo (cm)
Água
Carbono Orgânico Total
N Total
BiomassaMicrobiana
0-7,5
1,3
1,4
1,3
1,5
7,5-15
1,1
1,0
15-30
1,1
0,9
1,0
Fonte: Doran, 1987.
O ciclo do nitrogênio envolve várias populações microbianas e deve ser entendido para se fazer uso deste elemento eficientemente na lavoura. Novas tecnologias de aplicação de nitrogênio, como a aplicação localizada e temporal controlada, se fazem necessárias para melhorar a eficiência dos adubos nitrogenados em sistemas sob plantio direto. O sistema de manejo pode causar influências nas transformações microbianas de carbono e nitrogênio, que dependem de oxigênio (Linn Doran, 1984). Predominância de microorganismos anaeróbicos na superfície de solos sob plantio direto tem sido encontrada (Tabela 2), e este aumento no número de microorganismos anaeróbicos tem sido associado à condições de maior umidade. Para solos com problemas de drenagem, estas condições mais anaeróbicas podem, potencialmente, aumentar a denitrificação, causando perdas gasosas de nitrogênio nas formas de gás nitrogênio (N2), ou óxido nitroso (N2O). Para solos bem drenados, mesmo com populações mais altas de denitrificadores, as perdas de nitrogênio não são esperadas serem significativas (Doran e Smith, 1987).
Tabela 2. Parâmetros microbiológicos para plantio direto, relativos ao plantio com arado de aiveca.
Grupo
Microbiologia relação entre plantio direto/arado de aiveca por profundidade (cm)
0-7,5
7,5-15
0-15
Aeróbicos
Fungos
1,4
0,6
1,0
Bactérias
1,4
0,7
1,1
Nitrificadores
1,0
0,5
0,8
Anaeróbicos
Denitrificadores
2,7
1,9
2,3
Facultativos
1,3
1,0
1,1
Obrigatórios
1,3
0,5
1,2
Fonte: Doran e Linn, 1994.
As PRÁTICAS DE MANEJO DO SOLO, como o plantio direto, quando comparado ao plantio convencional, controlam a disponibilidade dos substratos orgânicos para a MICROFLORA E MICROFAUNA DO SOLO de maneira diferenciada porque:- Alteram a localização da palha para o ataque pelos microorganismos.- O revolvimento de solo expõe partículas de matéria orgânica ao ataque microbiano, quando a quebra de agregados, deixam moléculas de húmus expostas ao ataque enzimático microbiano. - Influenciam diretamente fatores ambientais do solo como água, aeração e temperatura, os quais influenciam diretamente a predominância de diferentes organismos, os benéficos que promovem o crescimento das plantas e os maléficos que prejudicam ou impedem o crescimento das plantas.Um ecosistema tende a manter a sua composição biótica relativammente constante. Isto significa que as populações do solo tendem a equilibrar-se quanto a formas e potencialidades. Homeostase é o conjunto de todos os mecanismos que auxiliam na manutenção do equilíbrio, onde os nichos ecológicos estão ocupados. Em função da posição diferenciada de colocação dos resíduos de colheita e perturbação do solo causada pela aração e gradagens (Figura 2), quando comparamos o sistema plantio direto e o convencional, podemos esperar equilíbrios diferentes para as populações microbianas em número e diversidade.
Manejo e Populações Benéficas do Solo
Algumas populações podem ser consideradas indicadoras da qualidade do solo. Dentre os grupos microbianos, que tem um papel direto e reconhecido no cresimento de plantas, podemos citar os rizóbios e as micorrizas.Rizóbios. As bactérias chamadas de maneira geral de rizóbios pertencem à família Rhizobiaceae e são conhecidas há mais de cem anos pelo seu papel na nutrição nitrogenada, quando associadas à raízes de plantas da família leguminosae, como por exemplo a soja, onde formam nódulos e fixam todo o nitrogênio necessário para o desenvolvimento desta importante cultura. Uma das questões, quando se comparam sistemas de cultivos, está relacionada ao comportamento deste grupo tão importante de microorganismos que vêm substituindo totalmente a adubação nitrogenada da soja no Brasil. Do ponto de vista prático, sabe-se há muitos anos, através da pesquisa, que uma lavoura que apresente plantas com grande número de nódulos e estes nódulos possuam uma grande massa seca, é uma lavoura que tem seu suprimento de nitrogênio garantido, pois sabe-se que existe uma alta correlação entre nitrogênio fixado e a massa de nódulos. Resultados de Voss e Sidiras (1985), mostraram que, em lavouras sob plantio direto, estes dois parâmetros, massa seca de nódulos e número de nódulos, foram maiores do que quando comparados ao sistema convencional de plantio, indicando que esta população de micróbios adapta-se melhor ao sistema ou responde às melhores condições de crescimento oferecidas à planta hospedeira.Este grupo de microorganismos serve também para exemplificar o conceito de qualidade microbiológica do solo. Solos onde leguminosas nunca foram cultivadas, soja no cerrado brasileiro por exemplo, necessitam da inoculação com estas bactérias em grandes números, principalmente nos primeiros anos de plantio, até que estas bactérias se tornem habitantes naturalizados nestes solos. Dependendo das condições locais, as reinoculações futuras poderão ser diminuidas se estas bactérias se tornarem parte da população microbiana destes sistemas. Micorrizas arbusculares (MA). Micorrizas são associações entre microorganismos (fungos filamentosos) em simbiose com plantas (raízes). Estas associações estão presentes em quase 95% das plantas. As plantas não micorrizadas são uma exceção na natureza. Isto significa que culturas como o milho, trigo, soja, feijão, azevém, trevo etc., tem fungos benéficos associados em suas raízes a nível de lavoura. Os fungos micorrízicos favorecem o crescimento das plantas por funcionarem como sistemas radiculares secundários, aumentando a superfície de absorção e o volume de solo explorado pela planta. Isto causa um aumento na absorção de nutrientes, um aumento na nodulação e capacidade de fixação de nitrogênio atmosférico por leguminosas, alterações nas relações planta-patógenos, alterações benéficas na relação água-solo-planta, onde pode haver auxílio na absorção de água, aumento na produção de fitohormônios e modificações de ordem anatômica e fisiológica no hospedeiro (planta).Os fungos micorrízicos ocorrem em todos os tipos de solos agrícolas, e infectam as plantas naturalmente. Diferentes gêneros e espécies de fungos podem ser encontrados dependendo das sucessões de culturas que adotamos e das condições químicas dos solos. Como estes fungos não são cultiváveis em laboratório, até o momento, existe a dificuldade de sua exploração mais efetiva pelo homem a nível de lavoura, comparando-se ao rizóbio, que pode ser adquirido em cooperativas ou indústrias de inoculantes. Atualmente, a utilização prática deste grupo de micróbios limita-se à aplicá-los para melhor adaptabilidade das plantas à condições adversas, como é o caso do restabelecimento de cobertura vegetal em locais erodidos e degradados, e no estabelecimento das associações microrrízicas durante a formação de mudas em viveiros.Sistemas de manejo do solo podem favorecer espécies de fungos micorrízicos melhores e mais efetivos no campo. Os efeitos da práticas de manejo do solo sobre a percentagem de colonização de raízes por micorrizas foram estudados por alguns pesquisadores. Anderson et al.(1987) e Vivekanandan e Fixen (1991), em estudos a campo, encontraram uma percentagem mais alta na colonização de raízes de milho amostradas em plantio direto, quando comparada ao plantio convencional. Yocum et al.(1984) encontraram menor taxa de colonização por MA em raízes de trigo, em solos sob plantio convencional comparados a plantio direto em dois solos. Mulligan et al. (1985) observaram que a gradagem do solo reduziu a colonização por MA em raízes de feijão. Outras generalizações que podem ser feitas referem-se a solos deixados em pousio, os quais não fornecem uma grande quantidade de plantas hospedeiras que permitem a manutenção de altos níveis de inóculo no solo, podendo com isso haver redução de infecção em cultivos subseqüentes e, como consequência, redução na absorção de nutrientes e rendimentos das culturas em sucessão.Isto nos leva a concluir que o distúrbio do solo, causado por práticas de manejo mecânico (como o sistema convencional), pode reduzir a colonização de raízes. Os principais mecanismos sugeridos por pesquisadores para esta redução estão relacionados à redução da frequência de contacto entre fontes potenciais de inóculo (que são esporos e raízes velhas infectadas) e raízes novas (Yocum et al., 1984), e a destruição da rede de hifas no solo, reduzindo o potencial de inóculo, uma vez que a translocação dos assimilados da planta dentro da hifa é interrompido. (Evans e Miller, 1988).
Contribuição das populações de microorganismos no controle da poluição pelos agroquímicos, do solo e da água
Os principais agroquímicos utilizados na agricultura voltada para o aumento da produtividade são os pesticidas e os fertilizantes. Pesticidas são produtos químicos que matam ou controlam plantas e outras formas de vida, não desejadas na lavoura, que sem controle, reduzem a produção de alimentos ou a sua qualidade. Embora pesticidas naturais existam, a indústria que apoia a agricultura usa pesticidas sintéticos.Em grandes sistemas de produção, a aplicação maciça de pesticidas e fertilizantes, sem os devidos cuidados e muitas vezes desconsiderando diferenças nas características dos solos, pode conduzir à contaminação da água potável com nitratos, com os próprios pesticidas ou produtos parciais de sua decomposição e com bactérias presentes em estrumes, os quais são componentes perigosos à saúde humana e animal, se presentes em quantidades acima de níveis considerados seguros.Os agroquímicos podem chegar ao lençol freático, devido à aplicação em grandes áreas, mesmo que em baixos níveis, através da lixiviação pelo perfil do solo. Embora níveis baixos de aplicação possam não contribuir para a contaminação de águas subterrâneas, o uso amplo na agricultura tem causado preocupações, pois é difícil de controlar e existem poucas informações sobre o comportamento dos vários pesticidas no solo, quanto ao seu potencial de lixiviação. Existem evidências de que o acúmulo de certos pesticidas está ocorrendo em alguns locais de agricultura intensiva e os pesquisadores tem preocupações com a exposição do ser humano, mesmo que a baixas concentrações, mas por um período longo de tempo.Alguns fatôres importantes que podem auxiliar no controle da lixiviação de agroquímicos para a água subterrânea são o tipo de agricultura praticada, a quantidade e o tipo de agroquímicos utilizados, as características do solo, o clima, e o sistema de manejo de solo empregado. Estes fatôres interagem entre si, mas são agravados, quando localizados, como por exemplo, em confinamentos de animais onde não existe um planejamento para o uso dos dejetos. O cultivo de espécies vegetais que requerem altos níveis de fertilizantes e pesticidas também são locais pontuais de poluição, e aumentam o risco de lixiviação de agroquímicos para a água subterrânea. Práticas de manejo, onde estes compostos são aplicados além das necessidades das culturas, ou aplicados quando as culturas não os podem utilizar eficientemente, também estarão expondo agroquímicos à lixiviação. As características de solo são importantes nos processos de lixiviação e solos arenosos são solos mais permeáveis promovendo um risco maior de entrada de agroquímicos na água subterrânea quando comparados a solos argilosos, pois além de permitirem a passagem de fluidos como a água mais facilmente, também possuem menor capacidade de “reter” os pesticidas através de adsorção ou partição. O monitoramento de águas subterrâneas no Brasil vem sendo realizado somente há alguns anos e em escala reduzida. Portanto, é difícil discutir o cenário real de nossa situação. Com o aumento do uso de alguns pesticidas, existe a necessidade de maior monitoramento e estudos a campo de seu comportamento sob nossas condições de clima e solo, em função do crescente risco de contaminação de nossas fontes de água. Muitos microorganismos que habitam o solo tem a capacidade de degradar e eliminar pesticidas orgânicos na forma de gás carbônico. As preocupações que acompanham esta área de pesquisa estão relacionadas ao fato de que certos compostos químicos, quando degradados, podem produzir intermediários mais tóxicos que os produtos originais. Outro ponto importante está relacionado ao fato de que as concentrações presentes de pesticidas no solo podem ser muito pequenas para induzir enzimas de decomposição, mas em níveis suficientes para serem lixiviadas e causarem perigo de toxidez. Esta é uma preocupação mundial e que vem recebendo atenção nos últimos anos. Poucos trabalhos tem sido realizados no Brasil, acompanhando os vários produtos químicos utilizados na agricultura e seu destino após aplicação no solo.A poluição causada por fertilizantes tem como principal representante o nitrato, o qual é uma forma extremamente solúvel em água e, como um ânion, não é retido tão facilmente pelo solo, podendo lixiviar para as águas subterrâneas com facilidade. O nitrato, quando ingerido pelo ser humano, pode ser convertido no trato digestivo para nitrito, o qual é a forma tóxica do elemento, pois este pode combinar-se com a hemoglobina do sangue, quando absorvido para a corrente sanguinea, causando uma doença chamada de meta-hemoglobinemia. Os níveis permitidos de nitrato na água para beber, está em torno de 10 mg de nitrato por litro de água. As principais fontes de nitrato que podem poluir as águas subterrâneas são a própria matéria orgânica que, quando degradada pela população microbiana, libera formas de nitrogênio mineral que, se não forem utilizadas por plantas, estarão sucetíveis a lixiviação, os fertilizantes e os estrumes animais, principalmente em locais onde se realizam confinamentos e onde não existe um bom planejamento para seu descarte. Além dos grupos microbianos específicos relacionados anteriormente, podemos afirmar que o CRESCIMENTO microbiano no solo controla a PRODUTIVIDADE do solo.
Alguns pontos para reflexão:
1. Sem crescimento de microorganismos não haveria decomposição de restos orgânicos. A matéria orgânica acumularia na superfície do solo e os elementos C,H,O,N,P,S + MICRONUTRIENTES, estariam cada vez mais sendo sequestrados no solo. Depósitos de combustíveis fósseis são um exemplo de falta de decomposição de moléculas orgânicas.2. Crescimento excessivo de microorganismos poderia levar a destruição total da matéria orgânica do solo e as consequências seriam devastadoras. O cultivo de plantas se faria em substratos de areia, argila e silte. A erosão eólica e hídrica seriam inevitáveis.3. A natureza evolui de forma equilibrada para garantir a sua sobrevivência.
Crescimento Microbiano: como os resíduos orgânicos são decompostos no solo?
Os resíduos orgânicos dispostos no solo ou palhada deixada após a colheita dos grãos, são a fonte de energia e carbono para a maioria das populações microbianas do solo. Para que estes microorganismos possam absorver as moléculas orgânicas, quando unidas em polímeros, eles deverão sintetizar enzimas extracelulares para quebrá-los em monômeros que serão então absorvidos através da membrana celular (Figura 5). Internamente, na célula, estas moléculas serão oxidadas pelas rotas metabólicas características de cada tipo de molécula orgânica e característica da espécie ou estirpe de microorganismo envolvido. Os elétrons arrancados durante a oxidação serão então carregados por coenzimas (normalmente o NAD) para as cadeias respiratórias geradoras de ATPs, que se localizam nas membranas celulares (em bactérias) e nas membranas das mitocondrias (no caso de fungos e organismos mais evoluidos). Para que o ATP seja produzido neste processo, se faz necessária a presença de oxigênio para a grande maioria dos micróbios, que servirá como aceptor de elétrons no final da cadeia respiratória, e deste processo resultará o ATP que é a moeda energética das células. Outras alternativas metabólicas existem para serem utilizadas na fabricação de ATP para situações em que no ambiente, não haja oxigênio disponível. Na respiração anaeróbica, alguns microorganismos conseguem utilizar nitrato, sulfatos ou outros receptores de elétrons no final da cadeia respiratória. Na ausência total de receptores de elétrons ou desta capacidade, populações de microrganismos específicos conseguem gerar ATP através da fermentação, que é um processo de decomposição parcial dos substratos, e serão as únicas populações a competirem pelos elétrons presentes em substratos orgânicos.A facilidade na decomposição dos restos de palha em lavouras, ou de moléculas orgânicas incorporadas ao solo através de diferentes resíduos, está diretamente relacionada aos componentes bioquímicos que fazem parte do material orgânico. As plantas, assim como resíduos orgânicos, de acordo com a espécie vegetal ou a fonte, diferem em sua constituição bioquímica e podem apresentar diferentes quantidades de materiais de fácil ou difícil decomposição. Algumas moléculas bioquímicas são mais fáceis de serem atacadas por enzimas microbianas devido à natureza química que une os carbonos, do próprio arranjo dos carbonos nas moléculas e de elementos associados aos carbonos. Para moléculas naturais, com a evolução da microbiota do solo, existiu a oportunidade de evolução e aparecimento de enzimas de degradação. Para alguns compostos orgânicos sintéticos, desenvolvidos quimicamente pelo homem, a natureza não teve tempo de desenvolver enzimas para sua degradação e estes poderão permanecer no solo por tempos diferentes e reagirem quimicamente neste ambiente. Com base no exposto pode se concluir que: “SEM RESÍDUOS ORGÂNICOS NÃO TEREMOS MICROORGANISMOS NO SOLO”.Quando moléculas orgânicas ricas em nitrogênio estão presentes em abundância em uma palhada (resíduo de leguminosas por exemplo), o nitrogênio em excesso para a biosíntese microbiana, durante o processo de decomposição, será liberado como amônia, ou seja, resultando em sobras de nitrogênio para o solo (processo de mineralização de nitrogênio).A facilidade na decomposição dos restos de palha está diretamente relacionada aos componentes bioquímicos que fazem parte da resteva. As plantas, de acordo com a espécie vegetal, diferem em sua constituição e podem apresentar diferentes quantidades de materiais de fácil ou difícil decomposição. Algumas moléculas bioquímicas são mais fáceis de serem atacadas por enzimas microbianas devido à natureza química que une os carbonos, ou do próprio arranjo dos carbonos nas moléculas. Podemos utilizar os resultados apresentados na Tabela 3, como exemplo. Duas plantas diferentes em composição, a ervilhaca e a aveia, tiveram redução de matéria seca a campo, aos 45 dias de decomposição, na ordem de 58% e 31%, respectivamente.
Tabela 3. Produção de matéria seca das culuras de inverno (anos 85-87) e redução de massa aos 45 dias após o manejo.
Espécies
Matéria seca (t/ha)
Redução
0 dias
45 dias
de massa (%)
Aveia preta
(5,12 a 7,55)
6,34
4,37
31
Trigo
(1,84 a 2,54)
2,19
1,40
36
Ervilhaca
(1,89 a 4,60)
3,25
1,37
58
Fonte: Plantio direto na região de Cruz Alta (José Ruedell), 1995.
Também algumas enzimas, necessárias para a decomposição de moléculas orgânicas, estão presentes em um maior número de espécies microbianas, enquanto que outras são fabricadas somente por alguns microorganismos. Amido, proteinas e celulose, por exemplo, fazem parte dos vegetais e são moléculas para as quais a grande maioria dos microorganismos do solo possuem enzimas que permitem a sua degradação e utilização, como fonte de carbono e energia. Já a lignina e alguns compostos fenólicos, também constituintes comuns nos tecidos vegetais, são mais difíceis de serem atacados pois, em função de sua estrutra e das rotas de decomposição, necessitam de condições especiais como oxigênio para sua decomposição, ou permanecerão no solo por mais tempo até serem completamente mineralizados ou reagirem quimicamente no solo. Estas considerações devem ser levadas em conta quando se analiza degradação de moléculas orgânicas no solo. Portanto, quando selecionamos espécies vegetais para promover cobertura de solo e acúmulo de palhada devemos selecionar plantas que apresentem teores mais elevados de ligninas e derivativos de fenólicos, para que sua palhada permaneça por mais tempo no solo antes de serem decompostos.
Fatores abióticos que aceleram ou retardam a decomposição de resíduos orgânicos
1. Composição química dos materiais. 2. Relação C/N, C/P, C/S. Não adianta termos carbono no material em decomposição, pois células microbianas são feitas também de nitrogênio, fósforo, enxofre e micronutrientes e, sem a presença de todos os elementos que fazem parte de uma célula, não teremos crescimento microbiano e, portanto, não teremos decomposição. 3. Umidade do solo. Além da água ser essencial para manter a célula viva, a presença de oxigênio em um ambiente está diretamente relacionada à quantidade de água, e isto pode determinar o tipo de metabolismo energético possível de ser utilizado pela população microbiana. Portanto, está diretamente relacionado à velocidade de decomposição, a qual varia em função da umidade.4. Temperatura. Em baixas temperaturas existe pouca atividade microbiana (Microorganismos são sacos de enzimas, e a velocidade das enzimas é baixa em baixas temperaturas). A temperatura ideal está entre 25-30oC. Durante o inverno, as taxas de decomposição diminuem. Em solos congelados (não é o caso do Brasil) as taxas podem chegar próximas a zero.5. pH. A quantidade de prótons livres determina a acidez de um ambiente. Diferentes populações podem ser selecionadas em função do pH e teremos maior ou menor decomposição, dependendo de quais microorganismos estiverem ativos. Maior decomposição é observada em ambientes próximos a neutralidade.6. Potencial de Oxi-redução. A quantidade de oxigênio em um ambiente vai determinar o potencial de oxi-redução do ambiente. Solos bem drenados apresentam alto teor de oxigênio, pois os poros maiores estarão cheios de ar. Em solos alagados, os microorganismos não terão oxigênio suficiente para realizar a respiração aeróbica (oxigênio é o receptor de elétrons no final da cadeia respiratória no metabolismo aeróbico). Em solos alagados, encontraremos respiração anaeróbica, caso outro receptor de elétrons estiver disponível. O nitrato é um excelente receptor de elétrons e muitos tipos diferentes de micróbios podem usá-lo para este fim. Quando faltam receptores de elétrons, resta para os micróbios a fermentação dos substratos, que é uma decomposição parcial.
Compostos Intermediários da Decomposição (Alelopatia).
As plantas apresentam uma série de compostos fenólicos em sua constituição. Algumas funções na planta para os constituintes fenólicos são as seguintes: lignina (estrutura da planta), compostos que dão origem aos pigmentos (fotossíntese) e perfumes (atração de insetos para polinização)A decomposição microbiana de resíduos de culturas, incorporados ou deixados na superfície do solo, pode resultar na liberação de compostos fenólicos para as culturas em sucessão (Figura 6). Estes compostos podem ter um efeito positivo ou um efeito negativo (tóxico) para as culturas seguintes. Plantas expostas à fitotoxinas podem exibir vários sintomas (também chamados de efitos alelopáticos) que podem causar germinação reduzida, morte ou inibição de crescimento de plântulas, clorose, desenvolvimento anormal de raízes e também predisposição de plantas aos ataque de doenças de raízesAs fitotoxinas podem ser originadas a partir da liberação direta de resíduos de plantas como produtos intermediários na decomposição de resteva, ou como subprodutos do crescimento de certos microorganismos a partir de compostos simples. A composição química da resteva tem influência nos compostos fenólicos produzidos. Alguns compostos, sintetizados durante o crescimento microbiano, a partir de substâncias simples, são de natureza fenólica. Este fato ilustra a possibilidade de ocorrer a formação de moléculas mais complexas que o próprio substrato, durante o crescimento microbiano.A natureza química das fitotoxinas pode variar de ácidos orgânicos simples até ácidos orgânicos aromáticos, bem como ácidos graxos de cadeia curta.O favorecimento do aparecimento de fitotoxinas no plantio direto pode ser explicado pelas condições de maior umidade e ambiente com maior número de sítios anaeróbicos (que ditam a oxidação parcial de substratos, resultando no acúmulo de compostos alelopáticos). No plantio direto, a concentração de massa na superfície pode também concentrar estes compostos e causar maior toxidez à culturas em sucessão, embora estas fitotoxinas tenham um período curto de vida no solo, pois são moléculas de fácil decomposição pela população microbiana do solo. Elas podem ajudar também no controle de plantas invasoras. Plantio direto das culturas de verão, sobre os restos culturais de centeio pode favorecer o controle de algumas invasoras de verão.Alguns compostos fenólicos estimulam os fungos micorrízicos, quando presentes em baixas concentrações. Em altas concentrações podem se tornar tóxicos. Sistemas de monoculturas podem resultar em acúmulo do mesmo tipo de compostos fenólicos, por colocar o mesmo substrato no solo. Isto pode aumentar as populações de fungos maléficos e diminuir as populações de fungos micorrízicos. Exemplo: No cultivo de Aspargo em um mesmo solo (monocultura), ocorreu um declínio de produção após cinco anos, e foi observado um aumento do ácido fenólico ferrúlico no solo, bem como uma baixa taxa de micorrizas em raízes de aspargo. Alguns compostos fenólicos têm sido testados em laboratório para estimular o crescimento de micorrizas em cultura pura, pois estes fungos não se desenvolvem em laboratório. No dia em que conseguirmos cultivar estes fungos em laboratório poderemos pensar em inoculações a campo. Necessitamos mais avaliações a campo sobre os efeitos de rotação e sucessão de culturas nos níveis de micorrização das plantas.
Matéria orgânica (húmus) indicador de qualidade do solo
Baseado nas funções da matéria orgânica do solo, podemos afirmar que o seu conteúdo no solo é um dos melhores indicadores da produtividade do solo.Função química - fonte de nutrientes para as plantas principalmente nitrogênio, fósforo, enxofre e muitos micronutrientes. Segura nutrientes nos sítios de troca e em sua constituição.Função biológica - manutenção da microvida e de suas funções no solo, reciclagem do carbono, nitrogênio e de outros minerais integrantes dos resíduos orgânicos – mineralização. Fixação de nitrogênio da atmosfera para o crescimento das plantas, solubilização de fosfatos, auxílio que micróbios prestam na absorção de nutrientes pelas plantas (em especial micorrizas), através da produção de hormônios, quelatos e fitotoxinas. Através da produção e destruição de poluentes do solo: herbicidas, fungicidas, inseticidas e outras moléculas orgânicas introduzidas no solo pelo homem.Função na melhoria das propriedades físicas do solo estrutura, aeração e humidade influência direta na erosão. Contribuição microbiana através da produção de hifas (fungos) que “laçam” as particulas de solo, formando agregados, e de agentes cimentantes produzidos por bactérias.Atualmente, as principais questões relativas à matéria orgânica podem ser assim resumidas: É POSSIVEL MANTER OU RECUPERAR A MATÉRIA ORGÂNICA (M.O.) DOS SOLOS AGRÍCOLAS AO SEUS NÍVEIS DE EQUILÍBRIO ENCONTRADOS NO PASSADO? SE POSSÍVEL, QUANTO TEMPO LEVAREMOS PARA ATINGIR UM NOVO EQUILÍBRIO?A vida no Planeta Terra evoluiu a partir de organismos simples como as bactérias. Novos organismos e formas de obteção de energia, cada vez mais eficientes, surgiram, como a fotosíntese e a respiração aeróbica. Cada ecossistema, como campos nativos e florestas, com suas particularidades, estão em “equilíbrio” com as condições climáticas, de solo e de relevo, e o resultado deste estado estável é um teor de matéria orgânica característico a cada um destes diferentes locais (Figura 7). Como exemplo, podemos citar os solos mais arenosos, que apresentam uma maior quantidade de oxigênio e, portanto, permitem uma maior degradação da matéria orgânica.
Cálculo das perdas anuais de M.O. - decomposição anual do húmus
A importância da matéria orgânica no solo é reconhecida pela maioria dos agricultores e técnicos. Infelizmente, poucos entendem a magnitude das modificações que podem ser atingidas em seus teores no solo, mesmo quando boas práticas de manejo são adotadas. O cálculo a seguir ilustra este aspecto.BALANÇO ANUAL DO HÚMUS = PERDAS ANUAIS de M.O. - GANHOS ANUAIS de M.O.Quantos kg de HÚMUS ou Matéria Orgânica temos em um hectare? Vamos assumir um solo com 3% de Matéria Orgânica. Kg de Húmus em um ha = 2.159.000 kg de solo/ha X 3/100 = 64.770 KgParte do húmus presente no solo é decomposto pela população microbiana para sua manutenção, durante o ano, independentemente de manejarmos ou não o solo. Em experimentos realizados nos Estados Unidos, as taxas de decomposição encontradas foram dependentes do teor de matéria orgânica original: Solo com 2% de M.O. = 2% de decomposição anual. Solo com 4% de M.O. = 2.5% de decomposição anual. Utilizando-se estes valores para o nosso exemplo, teremos uma DECOMPOSIÇÃO ANUAL DO HUMUS de 2.25%, pois o nosso solo hipotético apresenta 3% de M.O. Se em um hectare temos 64.770 Kg de matéria orgânica x 2.25/100= 1.457 kg de húmus perdido por ano através da decomposição natural. As perdas anuais do húmus por erosão, para solos sob plantio convencional, são estimadas em 20 t/ha/ano. Junto com este solo, teremos também perdas de matéria orgânica, e esta perda deve ser computada: 20.000 kg X 3/100= 600 Kg por ha/ano de húmus perdidos por erosão. O solo perdido por erosão é mais rico em M.O. que o solo na profundidade de 0-20 cm para um mesmo local, pois a fração orgânica é mais leve e tende a ser carregada pela água mais facilmente do que as outras partículas que fazem parte do solo. Análises realizadas neste tipo de fração tem encontrado valores 1.5 vezes maiores para M.O. Portanto, teremos que multiplicar o valor encontrado por 1.5. 600 Kg de húmus X 1,5= 900 Kg por ha/ano de húmus perdidos por erosão (valor corrigido). Portanto a perda de húmus anual é de: 1.457 Kg + 900 Kg = 2.357 Kg de húmus perdidos por hectare/ano.
Cálculo dos ganhos anuais de M.O.
Os ganhos em matéria orgânica para o solo estão na dependência direta da espécie vegetal que estamos cultivando, e são uma função da produtividade de matéria seca e da composição química, ou seja, dos tipos de estruturas bioquímicas presentes no tecido da planta. Uma lavoura de milho, que produz 6.000 kg de grãos por hectare, vai fornecer aproximadamente a mesma quantidade de palhada ou resíduos. Além disto, a quantidade de massa das raízes é aproximadamente 17 % da parte aérea, e estima-se uma quantidade em exsudatos produzidos pela planta durante seu ciclo, igual a massa de raízes. QUANTO DA PALHADA, RAÍZES E EXSUDATOS , DEIXADOS NA LAVOURA SERÃO TRANSFORMADOS EM HUMUS APÓS 1 ANO NO SOLO? Estima-se que, para a palha de milho, 33% permanece como húmus após 1 ano e 20% após 5 anos no solo. A estimativa de conversão em húmus para raízes e exsudatos é de 18 %. O restante destes materiais orgânicos é liberado do solo como gás carbônico, produto principal da decomposição microbiana, que utiliza a energia da palha para seu crescimento e manutenção de suas populações no solo. Assumindo uma produção de grãos igual a 6.000 Kg e uma produção similar de palha, e que 33% da palha permanecerá como humus após 1 ano, teremos: 6.000 Kg X 33/100= 1.980 Kg de “húmus” provenientes da palha. Quantos kg de raízes? Se foram produzidos 1.2000 kg de grãos mais palha, então podemos estimar raízes em 1.2000 Kg X 17/100= 2.040 Kg de restos de raízes. Assumindo a mesma quantidade de exsudatos teremos 2.040 Kg de exsudatos radiculares. Total de raízes mais exsudatos = 4.080 Kg. Deste material 18% permanece após um ano como húmus, portanto: 4.080 Kg X18/100= 734 Kg de “húmus” serão adicionados ao solo provenientes de raízes e exsudatos. Portanto, o ganho de húmus anual, devido a uma lavoura de milho é de 1.980 Kg (provenientes da palha) + 734 Kg (proveniente de raízes e exsudatos) = 2.714 Kg de húmus. Balanço do húmus = ganhos anuais de m.o. - perdas anuais de m.o. = 2.714 kg - 2.357 kg = +357kg. Assumindo-se duas culturas anuais em uma mesma gleba o acúmulo de húmus proveniente de duas culturas (em um ano) pode ser estimado em= 357 Kg (provenientes do milho) + 2714 Kg (provenientes da segunda cultura) = 3071 Kg de húmus, que colocamos no solo devido a duas lavouras por ano e por hectare.O solo agora tem 64.770Kg de húmus (original) + 3.071 Kg = 6.7841Kg. O valor original de 3% de matéria orgânica aumentou. O novo teor de matéria orgânica é agora 3,14 %. AUMENTAMOS A MATÉRIA ORGÂNICA DE 3% PARA 3,14%.Pelo exposto, constata-se que, com relação ao aumento de matéria orgânica, teremos um dilema a ser enfrentado, pois nem sempre haverá a possibilidade de duas culturas anuais na mesma gleba e com produções de massa tão grandes como as apresentadas no exemplo hipotético acima. Plantas que são rapidamente decompostas, como as leguminosas, contribuem com a fertilidade do solo, aumentando os níveis de nitrogênio, mas como sua constituição é frágil, resultará em baixos níveis de M.O. deixados no solo. Para um aumento mais efetivo no teor de M.O., devemos selecionar plantas pela qualidade dos compostos bioquímicos que as constituem e que produzam bons rendimentos de palha, resultando assim em quantidades maiores de húmus no solo e não em gás carbônico. Para o sistema plantio direto, as perdas por erosão de solo podem ser desconsideradas. Um outro fator a analizar é a camada de solo que estamos considerando (Tabela 4.). Quando falamos em aumento de matéria orgânica, podemos estar nos referindo ao aumento na superfiície (0-5cm) ou na camada equivalente a “camada arável” (0-17 cm). Na tabela 4, estão os aumentos esperados em matéria orgânica , considerando várias profundidades, para uma lavoura com a sucessão de culturas milho-aveia. Nota-se que, quando consideramos a camada de 0-5cm, o aumento foi de 3% para 3.63 %, após um ano. Neste caso foram desconsideradas as perdas de matéria orgânica, que acompanham o solo perdido por erosão.
Tabela 4. Aumento estimado de Matéria Orgânica, para diferentes profundidades, após duas culturas anuais, uma de milho e uma de aveia, em um solo com zero perdas por erosão.
Massa desolo por profundidadeKg/ha
Kg dehúmus (3% M.O.)
Perdas de húmus (decomp. natural de 2,25%)
Ganho de húmusMilho
Ganho de húmusAveia
Nova quant. de húmuskg/ha
Novo % de M.O.
(0,5 cm)63.5000
19.050
476
2714
1775
23.063
3.63
(0-10 cm)1.270.000
38.100
953
2714
1775
41.636
3.27
(0-15 cm)1.905.000
57.150
1429
2714
1775
60.210
3.16
(0-17 cm)2.159.000
64.770
1457
2714
1775
67.802
3.14
0-20 cm)2.540.000
76.200
1905
2714
1775
78.784
3.10
O manejo biológico do sistema plantio direto, para suprimento de nutrientes às plantas e acúmulo de matéria orgânica, é mais complexo do que o fornecimento de nutrientes a partir de fertilizantes inorgânicos. Necessitamos entender cada vez mais os fatôres que determinam a decomponibilidade dos restos de cultura, se os nutrientes liberados são retidos ou perdidos do sistema solo-planta, se as taxas de decomposição podem ser manipuladas através de algumas práticas para melhorar a eficiência de uso dos nutrientes provenientes da decomposição, e como as várias frações dos restos de cultura se convertem em matéria orgânica. Poderemos então, ter modelos que poderão predizer quanto nutriente será liberado e disponível às plantas.
Considerações finais
O número e a diversidade de micróbios em um hectare de solo agrícola dependem de quantas toneladas de resíduos colocamos ou deixamos no solo após a colheita e da qualidade de resíduos que utilizarmos (diferentes resíduos, fornecem diferentes materiais para decomposição).Quanto maior e mais diversificada for a população microbiana no solo, maior será o potencial genético (presença de diferentes enzimas) para a decomposição de poluentes, e maior a probabilidade de organismos que auxiliam no crescimento das plantas habitarem este solo.O aumento e equilíbrio da matéria orgânica no solo, depende primeiramente do sistema de manejo utilizado, da quantidade de resíduos adicionados ao sistema, da qualidade ou composição bioquímica das plantas cultivadas, e da quantidade de resíduos transformados em húmus. Qualidade ambiental é uma preocupação política e social. A sociedade espera soluções da ciência. Isto nos leva a crer que a pesquisa deveria ser sempre integrada e com uma visão holística, balanceada com o reducionismo (pesquisa básica, ciências básicas). Precisamos nos integrar mais com os usuários de nossas informações. O desafio geral é colocar a ciência em prática.Bibliografia Citada
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