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Ciclo do oxigênio e etileno no solo, segundo Dr. Alan Smith INTERAÇÕES MICROBIANAS NO SOLO E NO CRESCIMENTO SAUDÁVEL DAS PLANTAS

As interacções microbianas no solo desempenham um papel fundamental no controlo biológico das doenças das plantas, no volume de negócios da matéria orgânica e na reciclagem dos nutrientes essenciais das plantas. Uma compreensão dos mecanismos envolvidos pode levar a métodos mais eficientes de cultivo de plantas, sejam elas culturas alimentares na agricultura ou plantas em jardins. Antes que essas interações possam ser discutidas, no entanto, é essencial reafirmar a posição única que as plantas têm em qualquer ecossistema. Eles são os únicos organismos vivos que podem utilizar diretamente a energia do sol e no processo eles transformam essa energia em formas disponíveis para outros seres vivos. O pigmento verde, a clorofila em suas folhas armadilhas a energia da luz do sol e uma interação ocorre em folhas com gás de dióxido de carbono da atmosfera para produzir compostos de carbono, em seguida, disponíveis como fontes de energia para outros seres vivos, incluindo o homem, outros animais, insetos e micro-organismos quando eles consomem plantas ou restos vegetais.

Embora as plantas tenham esta capacidade única de capturar a energia do sol e transformá-la na energia química de que precisam para crescer, metabolizar e reproduzir, também necessitam de outros materiais que são incapazes de produzir diretamente. Por exemplo, exigem vários elementos, incluindo azoto, fósforo, enxofre, cálcio, magnésio, potássio e oligoelementos. O solo é o reservatório destes elementos, mas para obter um abastecimento adequado, as plantas devem alterar o ambiente em torno das suas raízes para mobilizar esses nutrientes. Uma forma importante de a planta conseguir isso é estimulando a atividade de microrganismos no solo em torno de suas raízes e os micróbios, em seguida, aumentar a mobilização de nutrientes. A planta estimula a atividade microbiana no solo, fornecendo energia química sob a forma de exsudados de raiz e ninhada. Assim, existe uma relação íntima entre as plantas e os micróbios do solo.

Infelizmente, em muitos dos métodos convencionais utilizados na agricultura esta relação é prejudicada, resultando em problemas de fornecimento de nutrientes à planta e um aumento da incidência de doenças. A pesquisa mais recente indica que durante a vida da planta até 25% da energia química sob a forma de compostos de carbono que são fabricados nas folhas é perdida pela planta no solo diretamente adjacente à raiz. Este material é perdido quer como exsudados da raiz, quer como células vegetais mortas e cortadas.

Numa primeira análise, este parece ser um mecanismo altamente ineficiente e desperdiçador. A planta vai a um trabalho considerável para prender a energia do sol e convertê-la em energia química, mas então perde quase um quarto da energia no solo! Uma visão é que nada na natureza é perfeito e as raízes "vazadas" são inevitáveis. Não subscrevo, de modo algum, esta opinião. Acredito firmemente que se algum sistema vivo está aparentemente desperdiçando um quarto da energia que é vai para o trabalho de fabricação, então essa perda deve, em última análise, beneficiar os organismos diretamente. Se este não for o caso, então a evolução deveria ter resultado na seleção de plantas que perderam menos de sua energia.

Como essa perda de compostos de carbono no solo beneficia a planta? Mais importante ainda, estes compostos são fontes de energia para os microrganismos do solo que proliferam na rizosfera, ou seja, a zona do solo directamente adjacente à raiz vegetal. Estes microrganismos multiplicam-se tão rapidamente que destroem o solo de oxigénio em numerosos microsites na rizosfera. Assim, microssitos anaeróbicos livres de oxigênio são formados. A formação destes microssites anaeróbicos desempenha um papel importante na garantia da saúde e vigor das plantas.

PRODUÇÃO DE ETILENO NO SOLO

Nossa pesquisa mostra que etileno, um simples composto gasoso, é produzido nesses microssites anaeróbicos. Além disso, este etileno é um regulador crítico da actividade dos microrganismos do solo e, como tal, afecta a taxa de rotação da matéria orgânica, a reciclagem de nutrientes vegetais e a incidência de doenças das plantas transmitidas pelo solo. As concentrações de etileno na atmosfera do solo raramente excedem 1 a 2 partes por milhão. O etileno não actua matando os microrganismos do solo, mas simplesmente inactivando-os temporariamente – quando as concentrações de etileno no solo caem, a actividade microbiana recomeça.

O etileno do solo é produzido no que chamamos de ciclo oxigénio-etileno.Inicialmente, os microrganismos do solo proliferam nos exsudados da raiz vegetal e empobrecem o solo de oxigénio nos microssitos. O etileno é então produzido nestes microssites e difunde-se, inactivando sem matar os microrganismos do solo. Quando isso ocorre, a demanda por oxigênio diminui e o oxigênio se difunde de volta para os microsites. Isto pára ou reduz grandemente a produção de etileno, o que permite aos microrganismos do solo retomar a actividade. As condições favoráveis são então recriadas para a produção de etileno e o ciclo é continuamente repetido. Em solos não perturbados, como os encontrados sob florestas e prados, o etileno pode ser continuamente detectado na atmosfera do solo, o que indica que o ciclo oxigénio-etileno está a funcionar de forma eficiente. Inversamente, na maioria dos solos agrícolas, as concentrações de etileno são extremamente baixas ou inexistentes. Isto é de esperar se o etileno desempenhar um papel importante na regulação da actividade microbiana no solo.

Está bem estabelecido que em ecossistemas imperturbados, onde há um lento e equilibrado volume de negócios de matéria orgânica, a reciclagem eficiente de nutrientes vegetais e doenças vegetais do solo não são importantes. Quando estes ecossistemas são perturbados pelo uso agrícola da silvicultura a situação muda drasticamente, há um declínio alarmante na quantidade de matéria orgânica do solo, deficiências de nutrientes vegetais tornam-se comuns e a incidência de doenças vegetais aumenta drasticamente.

Tentamos superar estes problemas com a adição de fertilizantes inorgânicos e com a utilização de pesticidas, que aumentam consideravelmente os nossos custos de produção. Também é geralmente verdade que quanto mais tempo cultivarmos o solo, mais e mais desses insumos são necessários para manter os nossos rendimentos. Argumentamos que a tendência poderia ser invertida, pelo menos parcialmente, se pudéssemos criar condições favoráveis para a produção de etileno nestes solos perturbados.

Sabemos agora que uma das principais razões pelas quais os solos agrícolas perturbados não produzem etileno é porque as nossas técnicas provocam uma alteração na forma de azoto no solo. Em solos não perturbados, como por exemplo sob florestas ou prados, praticamente todo o nitrogênio presente está na forma de amônio, com apenas um traço de nitrogênio nitrato presente. Quando estes ecossistemas são perturbados para uso agrícola, praticamente todo o nitrogênio do solo ocorre na forma de nitrato. Esta alteração na forma de azoto ocorre porque a perturbação associada às operações agrícolas estimula a actividade de um grupo específico de bactérias que convertem azoto amónio em azoto nitrato. As plantas e os microrganismos podem utilizar qualquer forma de azoto, mas a nossa investigação demonstrou de forma conclusiva que a produção de etileno no solo é inibida sempre que a forma de nitrato está presente em mais do que quantidades residuais.

O azoto amónico não tem esse efeito inibidor na produção de etileno. O nitrogênio nitrato pára a produção de etileno porque interfere com a formação dos microssites anaeróbicos. Quando todo o oxigênio é consumido no microsite uma série de alterações químicas complexas então ocorrem. Uma das mudanças mais importantes que ocorre é que o ferro vai da forma oxidada ou férrica para a forma reduzida ou ferrosa. O ferro é um dos principais constituintes do solo, perfazendo entre 2 e 12% do seu peso. Em solo adequadamente arejado praticamente todo o ferro existe como pequenos cristais de óxido de ferro e nesta forma oxidada ou férrica está imóvel no solo. Se o oxigênio é completamente consumido em microsites no solo, e existem condições de redução, estes pequenos cristais se decompõem e o ferro é então transformado em ferro altamente móvel ou forma reduzida.

Mais uma vez, a nossa investigação mostrou que a produção de etileno só ocorre no solo quando o ferro está na forma reduzida ou ferrosa. Por outras palavras, o ferro ferroso é um gatilho específico para a produção de etileno. Se não houver oxigênio nos microssites, mas o nitrogênio nitrato está presente, então as complexas alterações químicas que levam à redução do ferro da forma férrica para a forma ferrosa são inibidas. É assim que o azoto nitrato impede a produção de etileno.

Como é que o ferro ferro ferroso desencadeia a libertação de etileno do solo? Esta forma de ferro reage com um precursor de etileno que já está presente no solo e ocorre uma reacção que resulta na libertação de etileno. Nosso trabalho estabeleceu que este precursor se origina de plantas e, mais importante, acumula-se em quantidades apreciáveis apenas em folhas de plantas antigas e senescentes. Quando estas velhas folhas caem para o chão e se decompõem, o precursor acumula o solo. Em seguida, quando as condições se tornam favoráveis para a mobilização de ferro ferro ferroso, produz-se etileno.

Também temos mostrado que diferentes espécies de plantas variam marcadamente nas quantidades de precursor que se acumulam em suas folhas antigas. Isto é importante saber quando as espécies de plantas de seleção para usar como culturas de cobertura para aumentar a capacidade dos solos agrícolas para produzir etileno. Algumas das espécies de plantas que produzem altas concentrações de precursor são arroz, falaris, crisântemo, abacate, bullrush e Pinus radiata. Alguns dos produtores mais baixos incluem Dolichos, paspalum, Lucerna e bracken fern. Em retrospectiva, não deve ser demasiado surpreendente que o precursor de etileno se acumule de forma apreciável apenas em folhas antigas e mortas. Afinal de contas, nas comunidades naturais de plantas, as velhas folhas mortas constituem a maior parte da ninhada que cai no solo. Além disso, é igualmente evidente que, na situação agrícola, A maior parte das antigas folhas vegetais são removidas quer durante a colheita, quer através do pastoreio ou da queima de resíduos de culturas.Assim, os solos agrícolas são geralmente deficientes em precursor.

É agora possível especificar as condições do solo necessárias para a produção de etileno –

(1) deve existir inicialmente uma actividade microbiana aeróbica intensa, pelo menos na rizosfera, para assegurar a formação de microssites anaeróbicos livres de oxigénio;

(2) as condições nos microssites devem ser suficientemente reduzidas para mobilizar o ferro ferro ferroso para desencadear a libertação de etileno;

(3) as concentrações de azoto nitrato no solo devem ser mantidas em quantidades vestigiais, caso contrário o ferro ferro ferroso não será mobilizado.;

(4) deve haver reservas adequadas de precursor de etileno no solo. MOBILIZAÇÃO DE NUTRIENTES VEGETAIS ESSENCIAIS

Uma das principais limitações ao crescimento das plantas na maioria dos solos agrícolas é o fornecimento inadequado de nutrientes vegetais essenciais. Isto ocorre apesar de existirem reservas adequadas destes nutrientes no solo, mas são mantidos em formas altamente insolúveis. Seu alto grau de insolubilidade impede a perda do solo por lixiviação, mas uma vez que eles só estão disponíveis para a planta na forma solúvel, problemas de taxa de fornecimento para as plantas são criados. A formação de microssites anaeróbicos na rizosfera das plantas, que é de importância primordial para a produção de etileno, pode desempenhar um papel crítico na mobilização e, portanto, na taxa de fornecimento desses nutrientes essenciais às plantas. Este mecanismo gira em torno da importância do ferro no solo.

Como já foi discutido, em condições normais no solo a maior parte do ferro ocorre como pequenos cristais de óxido de ferro. Estes cristais têm uma grande área de superfície e são altamente carregados. Como resultado, nutrientes vegetais como fosfato, sulfato e oligoelementos estão estreitamente ligados às superfícies destes cristais. Desta forma, estão praticamente indisponíveis para as plantas. Se, no entanto, os microssites anaeróbicos se desenvolverem, estes cristais decompõem-se e os nutrientes ligados são libertados para absorção pela planta. Ao mesmo tempo, elevadas concentrações de ferro ferro ferroso (forma reduzida e móvel) são liberadas para a solução de solo no microssite. Os outros nutrientes vegetais essenciais, incluindo cálcio, potássio, magnésio e amónio, são mantidos nas superfícies de argila e matéria orgânica. Quando as concentrações de ferro ferro ferroso aumentam tanto, estes nutrientes são deslocados pelo ferro ferro ferroso para a solução do solo, onde também eles estão agora disponíveis para absorção pelas raízes das plantas.

Uma vez que os microssites anaeróbicos são mais propensos a se formar na rizosfera das plantas, os nutrientes são mobilizados exatamente onde eles são necessários pela planta. Uma vantagem adicional deste mecanismo é que, se os nutrientes libertados não forem utilizados pelas raízes das plantas, não podem ser lixiviados no solo. Assim que migram para a borda do microsito anaeróbico, a reoxidação do ferro ocorre com recristalização do óxido de ferro. Estes cristais então reequilibram os nutrientes e impedem a sua perda por lixiviação.

As condições do solo necessárias ao funcionamento deste mecanismo são idênticas às exigidas para a produção de etileno. Assim, nos solos agrícolas, onde a produção de etileno é inibida ou prejudicada, este mecanismo de mobilização de nutrientes também é restrito. Mais uma vez, nestas condições, as elevadas concentrações de azoto nitrato que ocorrem nos solos agrícolas são um importante inibidor da mobilização eficiente de nutrientes.

Uma gestão bem sucedida dos solos para aumentar a semelhança da formação anaeróbica de microssitos, que ajudará a garantir um ciclo equilibrado de oxigénio-etileno e a aumentar a mobilização de nutrientes vegetais essenciais, exigirá alterações em algumas das práticas estabelecidas na agricultura. Por exemplo, as técnicas destinadas a aumentar o arejamento e os estados de oxidação do solo, que dão aumentos a curto prazo no crescimento das plantas, mas rapidamente criam problemas a longo prazo de depleção de nutrientes e aumento da incidência de doenças vegetais, necessitarão de modificação.

Os tratamentos que estimulam as taxas de nitrificação (transformação de azoto amónio em azoto nitrato), tais como a utilização excessiva de adubos azotados, a utilização excessiva de pastagens dominantes de leguminosas ou a remoção excessiva de plantas por sobrepastoreio ou por operações florestais, exigem um novo exame.

Algumas orientações práticas para uma gestão bem sucedida dos solos incluem::-

(1) é essencial que os resíduos orgânicos sejam devolvidos continuamente ao solo. Os resíduos orgânicos contêm nutrientes vegetais essenciais para a reciclagem, estimulam a actividade microbiana no solo, fornecem precursores de etileno e restringem a taxa de nitrificação no solo. É melhor utilizar plantas maduras como fonte de alterações orgânicas e é melhor devolver os resíduos à superfície do solo do que incorporá-los no solo.

(2) sempre que possível, devem ser utilizadas técnicas de mobilização mínima. Isto garante que as plantas estão crescendo no solo virtualmente continuamente, que há um mínimo de perturbação no solo e aumenta a quantidade de matéria orgânica que é devolvida ao solo. Mais uma vez, a nitrificação é restrita quando estas técnicas são usadas.

(3) sempre que o solo é alterado com adubo azotado, é melhor aplicar o azoto sob a forma de amónio e aplicá-lo em várias aplicações pequenas, em vez de um ou dois pensos pesados. Isso novamente restringe a chance de nitrificação.

(4) em algumas situações, será aconselhável adicionar inibidores químicos da nitrificação (por exemplo, N-Serve ou Terrazol) ao solo com as alterações azotadas para assegurar ainda mais a restrição da nitrificação.

Alan Smith, 1977

Este artigo apareceu pela primeira vez em "Australian Plants" Vol. 9 No. 73, 1977, em seguida, foi publicado na edição # 7 da Revista Internacional de Permacultura em Março de 1981 e foi republicado no PIJ # 39 em 1992.

Tradução eletrônica desde - https://permaculture.com.au/the-living-soil-ethylene-oxygen-cycle/}}}