olivares ppgctiaufrrj

Processos microbianos Processos microbianos como insumos biológicos como insumos biológicos

para a agricultura para a agricultura sustentávelsustentável

Fabio L. Fabio L. OlivaresOlivares & & Luciano P. Luciano P. CanellasCanellas

Núcleo Núcleo de Desenvolvimento de Insumos Biológicos para de Desenvolvimento de Insumos Biológicos para a Agricultura (NUDIBA/UENF).a Agricultura (NUDIBA/UENF).

Teoria populacional malthusiana (Thomas Malthus: 1766 -1834)

An Essay on the Principle of Population (1798))

Revolução verde (Ciclo de inovações tecnológicas para a agricultura)

Norman Ernest Borlaug, Nobel Paz 1970

Síntese de Haber-Bosch (amoníaco)

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) + energia

É uma reação catalisada com o ferro, sob as condições de 250 atmosferas de pressão e uma temperatura de 450 °C.

Para a produção da amônia, o nitrogênio é obtido do ar atmosférico, e o hidrogénio como resultado da reação entre a água e o gás natural:CH (g) + H O (g) → CO (g)+ 3 H (g)

Aparelho de laboratório utilizado por Fritz Haber para sintetizar a amônia em 1909.

Fotografia tirada em julho de 2009 no Museu Judaico de Berlim. Nobel, 1918

reação entre a água e o gás natural:CH4 (g) + H2O (g) → CO (g)+ 3 H2 (g)

N –demanda

Custos (Eficiência uso)

Aplicação:

Cada 100 unid:

< 50 unid –plantaDestinosImpac. Ecológicos

Desafios para Agricultura Mundial

• Demandas para alta produção de alimentos sob uma perspectivaambiental e economicamente sustentável;

• INCT-FBN (Segurança alimentar para os próximos 50 anos) requeravanços tecnológicos comparáveis a revolução verde;

• Mudanças climáticas globais x Impactos da agricultura

• Inovação científica e tecnológica para produção baseada em novosmodelos;

• Incremento da participação de insumos biológicos.

•• ““A construção de modelos de produção sustentávelé colocada como marco central para agricultura doséculo XXI, nesta direção microrganismos, seusprocessos e produtos são os elementos essenciaispara mudança dos paradigmas de produçãoagrícola e os ingredientes mais preciosos do “boomtecnológico” que esta por vir”.agrícola e os ingredientes mais preciosos do “boomtecnológico” que esta por vir”.

Processos Microbianos

Biofertilizante Bioestimulante BiocontroleBioproteção

BiofármacosBiofertilizante Bioestimulante BiocontroleBioproteção (abióticos)

Biofármacos

Estratégias para melhor aproveitamento de microrganismo Estratégias para melhor aproveitamento de microrganismo a favor da produção vegetala favor da produção vegetal

Promoção do Crescimento

Vegetal

Ativação de comunidades

microbianas nativas pelo manejo solo-planta-ambiente

Inoculação de microrganismos

selecionados

Biotecnologia de Biotecnologia de InoculantesInoculantes

PLANTA

Propostas baseadas na combinação de:Propostas baseadas na combinação de:((a)a) Bactérias promotoras do crescimento vegetal; Bactérias promotoras do crescimento vegetal; ((b)b) Matéria orgânica e suas subMatéria orgânica e suas sub--frações ;frações ;

PROCESSOSMICROBIANOS

MATÉRIAORGÂNICA

•• InoculantesInoculantes•• Substratos para plantasSubstratos para plantas•• BiofertilizantesBiofertilizantes•• BioestimulantesBioestimulantes•• Fertilizantes organominerais Fertilizantes organominerais

10,00 C-labile added

15 20 25 30 35 40 45Lo

ilSOM (g/m3)

BiofertilizanteBiofertilizante: Uso combinado de ácidos : Uso combinado de ácidos húmicos e bactérias diazotróficas endofíticas.húmicos e bactérias diazotróficas endofíticas.

Humic Acid Diazotrophic bacteria

BiofertilizanteBiofertilizante: Uso combinado de ácidos : Uso combinado de ácidos húmicos e bactérias diazotróficas endofíticas.húmicos e bactérias diazotróficas endofíticas.

Estudos BásicosEstudos Básicos

• Traditional view: Macropolymer (10-

500 KDa). “Monomers” (linear and

ramified chain assembled by covalent

bounds)

Humic acid: background

• Piccolo (2002) pointed that HS are more appropriated described as

Supramolecular self-association of small heterogeneous molecules stabilized by

weak bounds that can be disrupted adding small amount of organic acid.

CH3COOH

• Humic aggregate can be disrupted and its components released

in nanometric scale, which constitute the bases for ratio structure

and biological activity.

Root exudates Root exudates disassemble the disassemble the

Ácidos OrgânicosÁcidos Orgânicosdisassemble the disassemble the

apparent complicated apparent complicated structure of HA structure of HA

Estimulação da HEstimulação da H++--ATPase ATPase da membrama plasmática da membrama plasmática (Marcador bioquímico da bioestimulação) (Marcador bioquímico da bioestimulação)

Control AHfp Bacteria AHfp+bacteria

treatments

•• ChangesChanges atat rootrootarchitecturearchitecture

•• UptakeUptake ofof nutrientsnutrients

•• WaterWater contentscontents

*Média ± erro padrão da média; médias seguidas de letras diferentes na coluna são estatisticamente diferentes pelo teste de Tukey (p<0,05).

10101010101010n

16,46**8,73*8,53*6,50*4,50*15,62**39,71**F

34,234,227,230,834,730,218,3CV (%)

44 ±4,6 (B)28 ±15,1 (B)0,0297 ±0,0024(A)957(A)0,096(AB)269 ± 14 (A)264 ±11 (A)Bac.+AHtf

107 ±4,3 (A)40 ±18,8 (AB)0,0336 ±0,0021(A)568(B)0,084(AB)189 ± 12(B)261 ± 12 (A)ÁHtf

118 ±6,1(A)58 ±2,73 (A) 0,0245 ±0,0027(B)823(AB)0,101(A)179 ± 09(B)220 ± 23 (B)Bactéria

15 ±8,5 (B)16 ±2,17 (B)0,0182 ±0,0016(C)607(B)0,060(B)100 ± 10 (C)100 ± 09 (C)*Controle

-----no-----------no-----gm.g-1m2.g-1--------------%--------------

Raízes emergidas

Sítios de mitose

Massa seca da raizComprinentoespecífico

Área específica

Comprimento radicular

Área radicularTratamento

10101010101010n

16,46**8,73*8,53*6,50*4,50*15,62**39,71**F

34,234,227,230,834,730,218,3CV (%)

107 ±4,3 (A)40 ±18,8 (AB)0,0336 ±0,0021(A)568(B)0,084(AB)189 ± 12(B)261 ± 12 (A)ÁHtf

-----no-----------no-----gm.g-1m2.g-1--------------%--------------

Raízes emergidas

Sítios de mitose

Área específica

10101010101010n

16,46**8,73*8,53*6,50*4,50*15,62**39,71**F

34,234,227,230,834,730,218,3CV (%)

107 ±4,3 (A)40 ±18,8 (AB)0,0336 ±0,0021(A)568(B)0,084(AB)189 ± 12(B)261 ± 12 (A)ÁHtf

-----no-----------no-----gm.g-1m2.g-1--------------%--------------

Raízes emergidas

Sítios de mitose

Área específica

10101010101010n

16,46**8,73*8,53*6,50*4,50*15,62**39,71**F

34,234,227,230,834,730,218,3CV (%)

107 ±4,3 (A)40 ±18,8 (AB)0,0336 ±0,0021(A)568(B)0,084(AB)189 ± 12(B)261 ± 12 (A)ÁHtf

-----no-----------no-----gm.g-1m2.g-1--------------%--------------

Raízes emergidas

Sítios de mitose

Área específica

Crescimento ÁcidoCrescimento Ácido

Auxinas

Poliaminas

Outros Transportadores

Alterações anatômicas sobre o sistema radicular Alterações anatômicas sobre o sistema radicular

Ácidos Húmicos Sim Não

Fonte de C �

Fonte de N �

0 1 7 14 21 28

Dias após a inoculação

0 4 40 400

0 1 7 14 21 28

Dias após a inoculação

0 4 40 400

Após 4 semanas

H. seropedicaeH. seropedicae AHAH

Inibição da FBN* �

* Contents higher than 400 mg AH. l-1

SobrevivênciaSobrevivência no solo no solo

A aplicação de ácidos húmicos aumenta a população microbiana associada a planta

Zea mays (n = 16)

• 84%

•População nativa

Outras culturas

•Tomate, maracuja, mamão, cana-de-

• Incremento Populacional;

• Estabelecimento >

• Atividade > ?

AHv vermicompost; AHf filter AHv vermicompost; AHf filter cake, HAi: inceptsol; HAo: oxisol; Hal: cake, HAi: inceptsol; HAo: oxisol; Hal: litosol.litosol.

•Tomate, maracuja, mamão, cana-de-açúcar

• Abacaxi (exceção)

Evidencias microscópicas

•SEM

•Epifluorescence linked with Gfp

• Persistência > ?

• Resposta amplificada

• Depende da fonte

BACTERIABACTERIA BACTERIA + HABACTERIA + HA

C applied insolution (mg)

% C removed solution (root)

4 10040 100120 88200 71400 69

Ácidos Húmicos como indutores de biofilmes

Células Isoladas

Agregados microbianos Biofilmes microbianos

72 h6 h

Estabelecimento endofítico aumentadoEstabelecimento endofítico aumentado

Infecção atravês de Infecção atravês de raízesraízes

WAYS OF INFECTION WAYS OF INFECTION

How Humic acid modulate How Humic acid modulate pplantlant--bacteria interaction ?bacteria interaction ?

YS ATTACHMENTATTACHMENT

(SINGLE CELL WITH (SINGLE CELL WITH APOLAR ATTACHMENT)APOLAR ATTACHMENT)

Canellas et al., 2008

Canellas & Olivares, 2014

Increase efflux of C-sources in

rhizosphereIncrease points of

lateral root numbers

WAYS OF INFECTION WAYS OF INFECTION

ENDOPHYTIC COLONISATIONENDOPHYTIC COLONISATION

((AGREGATES TO AGREGATES TO BIOFILM)BIOFILM)

Canellas et al., 2008

Enhanced Establishmen

t of Endophyticpopulation

Increase attachment byHA sorption in cell wall and

bacteria

Chemotaxis & Rhizosphere

establishment

Root attachment: single cell to biofilm structure

Root Infection

(endophytic access)

Tissue Colonisation (apoplastic

compartment)

Successful (?) Endophytic

Interaction

Predominant Events

• Favorece agregação na superfície das raízes.• Quando pulverizado na parte aérea exerce

Daniele Frade -IC

na parte aérea exerce efeito protetor.

•UV•Dessecação

BiofertilizanteBiofertilizante: Uso combinado de ácidos : Uso combinado de ácidos húmicos e bactérias diazotróficas húmicos e bactérias diazotróficas

endofíticasendofíticas..Aplicações

Uso combinado de AH e bactérias diazotróficasem mudas micropropagadas de cana-de-

açúcar.

Casa de vegetaçãoCasa de vegetação

In In vitrovitroCampoCampo

Fase de Aclimatação das mudas Fase de Aclimatação das mudas micropropagadasmicropropagadas em viveiro em viveiro

Controle Bactéria AH Uso combinado BacAH

Controle

Bactéria+AH

Experimentos de campo: plantas micropropagadas Experimentos de campo: plantas micropropagadas inoculadasinoculadas

Contro

BACAH32

% n.s.

control

BRIX FIBRA POL PCC PUR

Características agroindustriais (g/Kg)

Produção de colomos (Mg/ha)

Transplante das mudas micropropagadas para o campo experimental

Figura 12. Visão parcial do ensaio de campo: pesagem do vermicomposto (A), distribuição do vermicomposto nas linhas deplantio (B), mudas micropropagadas (C), plantio no campo (D), plantas micropropagadas após 10 meses do plantio (E).

CONTROLE INOCULADO

Produção de Sacarose (kg/m2)

Série1 145 167 186 194

Controle Bacteria AH BACAH

36,89A

31,64AB

29,21B 28,73

TCH TPH

BACAHBAC

ControlAH

221,15A 183,31

AB179,46

B 168,54B

Tukey 5%Mg/ha23 -30%

Produção de grãos milho (Mg /ha)

Controle Bac AH Bac + AH

Tukey 5%

Com N Sem N

Efeito da época de aplicação foliar dos tratamentos: i) ácidos húmicos extraídosde vermicomposto (20 mg C L-1); ii) bactérias diazotróficas; iii) ácidos húmicos +de vermicomposto (20 mg C L ); ii) bactérias diazotróficas; iii) ácidos húmicos +bactérias e iv) controle, sobre a produtividade do milho DKB 789.

ÉPOCAº Produtividade agrícola média

Mg ha-1

8 folhas 3474 A

4 + 8 folhas 3447 A

4 folhas 2941 B

CV (%) 19,87

F 10,28*

DMS 328

médias seguidas por letras diferentes nas colunas são estatisticamente diferentes pelo teste Tukey (P<0,01);

ºaplicação foliar realizada com equipamento costal pressurizado.1composição do inoculo bacteriano: Herbaspirilum seropedicae estirpe HIII 206

Vermicomposto como veículo Vermicomposto como veículo microbianomicrobiano

Vermicomposto/ácidos húmicos Vermicomposto/ácidos húmicos (bioestimulação)(bioestimulação)

• Caracterização molecular dos compostos orgânicos presentes nos VC foirealizada com a técnica da pirólise off-line acoplada à espectrometria demassas;• Foram identificados mais de 300 compostos principalmente os derivados deligninas, de carboidratos, de proteínas, ácidos e alcoóis graxos, compostosterpênicos e hidrocarbonetos;

Dariellys Balmori, DSc

terpênicos e hidrocarbonetos;• O conhecimento da composição molecular da matéria orgânica estabilizadapela vermicompostagem é fundamental para o aprimoramento dessesprocessos biotecnológicos.

Vermicomposto/ácidos Vermicomposto/ácidos húmicos (bioestimulação)húmicos (bioestimulação)

Dariellys Balmori, DSc

• Compostos nitrogenados• Compostos derivados de ligninas• Ésteres metílicos de ácidos graxo• Alcoóis e epóxidos• Compostos terpênicos• Hidrocarbonetos • 900 compostos identificados

Enriquecimento biológico de vermicomposto estabilizado

• Culturáveis e não culturáveis

• Fases de maturação

• Combinação de resíduos

• Seleção, compatibilidade

Enriquecimento biológico de vermicomposto estabilizado

Microrganismo Alóctone

• Azotobacter chrococcum

• Azospirillum lipoferum

• Incremento de N & P;

• Incremento de P na presença de rocha;• Azospirillum lipoferum

• Pseudomonas striata

• 0,2% (m/m)

presença de rocha;

• P-nativo & P-adicionado;

• Incremento populacional

Fortificação de composto &

vermicomposto

Vermicompostocomo veículo microbiano

EEnriquecimento Biológico nriquecimento Biológico de Substratosde Substratos

Enriquecimento Biológico de Substratos Enriquecimento Biológico de Substratos --PressupostosPressupostos

Ativação Biológica de Substratos Agrícolas(Processos microbianos: FBN vida-

livre, solubilização de rochas, compostos bioativos)

Microrganismos Matéria Orgânica e condicionantes abióticos

Fonte de Carbono (lábil ou recalcitrante?) Ativação seletiva de grupos microbianos

introduzidos bioativos)

Bioaumentação (Inoculação de

microrganismos)

Introduzir quem no substrato ?

Empirismo?

Cooperação Metabólica e Sucessão Microbiana...

Imposição de Vantagens seletivas• Biorreatores (FBN, rocha fosfatada...)• Indutores de Biofilme• Substâncias Húmicas

Construção de nichos microbianos (sobrevivência, atividade e competitividade)

Enriquecimento Biológico de Substratos Enriquecimento Biológico de Substratos –– Desenho OperacionalDesenho Operacional

Quem ?

Fungos Actinobactérias

Bactérias

Enriquecimento Biológico de Substratos Enriquecimento Biológico de Substratos –– Desenho Operacional Desenho Operacional (continuação)(continuação)Bioprospecção com base na composição do substrato e biorreatores

Composto e VermicompostoSerrapilheira: Ciclagem

Rizosfera/Rizoplano Planta-específico

Enriquecimento Biológico de Substratos Enriquecimento Biológico de Substratos –– Desenho Operacional Desenho Operacional (continuação)(continuação)Passos para seleção de combinações – in vitro

Características Promoção do Crescimento Vegetal: isolados e em combinação: sinergias de atividade

Enriquecimento Biológico de Substratos Enriquecimento Biológico de Substratos –– Desenho Operacional Desenho Operacional (continuação)(continuação)Estudos de compatibilidade microbiana

Fungos compatíveis: Taxa de sobrevivência, aumento da atividade? Maximização da PCV pela bactéria?

Controle Isolado 467 Isolado 476

Inoculantes microbianos mistos Inoculantes microbianos mistos –– bactériabactéria--plantaplanta

HIFA FÚNGICA

Sobrevivencia de H.seropedicae em folhas de milho

Inoculantes microbianos mistos Inoculantes microbianos mistos –– bactériabactéria--plantaplanta

Atividade Diazotrófica da bactéria

1 7 14 21 28 56

Bac 8,2 5,4 4,2 3,4 2,2 0

Bac+Fungo 8,2 6,8 5,8 5 3,2 2,5

24 48 60 72

B B+FAguiar, DSc Thesis

Jucimara Anunciação –

MSc/DSc

Actinobactérias degradam ácidos húmicos e suportam populações de bactérias diazotróficas:

Biomacromoléculas poliméricas (amido, celulose) e Supramoléculas (matéria orgânica estabilizada)

• Streptomyces estirpes AC1, AC4 e AC5 são capazes de utilizer ácidos húmicos como fonte exclusive de carbono;

• Non-limited to specific molecules ;

• Biodegradation of aromatic , sulfonated , polysaccharides and carboxylic domains.

100 100116

Conteudo de N e P (%) em vermicomposto maturado

VC VC+BAC

100 100

Tomate Industrial: Enriquecimento de Substrato/Spray Foliar VCi Vci+FA

Plantlets and tomato fruit yields (70% increase)

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