Fixação Biológica do NitrogênioAtmosférico

Prof. Everlon Cid Rigobelo

Fixação Biológica do N2

Tudo começou...

Presença do Nitrogênio

• Crosta Terrestre – 93,8%

• Ecosfera – 6,2%

– 99,96% do nitrogênio está na forma de N2

• Restante 0,04%

Presença do Nitrogênio

• Grande maioria dos organismos

– Animais, vegetais e muitos micro-organismos

– Dependem das formas combinadas de Nitrogênio

Presença do Nitrogênio

• Nitrogênio atmosférico 78%

– Não estão disponíveis para os eucariotos

– Nem para a maioria dos procariotos

Ciclo do Nitrogênio

Fixação Biológica do Nitrogênio

• N2 + 8H+ +16 ATP + 8e- nitrogenase - 2NH3+H2+16ADP+16Pi

• Alguns procariotos produzem a enzima

– Nitrogenase que reduz o N2 para a forma inorgânica

– NH3

• Os micro-organismos que realizam isso

– Fixadores de N2 ou diazotróficos

Micro-organismos Diazotróficos

Azospirillum Rhizobium Bradyrhizobium

Frankia Nostoc Anabaena

Processos Industriais

• Haber-Bosch

– Produzem N2 utilizados no sistemas agrícolas e

florestais

Processos Industriais

• Rompimento da ligação tripla dos átomos

de N2

– Temperaturas > 400º C

– Pressões elevadas > 107 Pascal

– Obtidos de derivados de petróleo

N2 + 3H2 – 2NH3

Processos Industriais

Fotossintatos - FBN

• Geram força redutora e ATP

– Para o sistema nitrogenase

• São substratos

– Crescimento e manutenção das células microbianas

Fotossintatos - FBN

• Suprem esqueletos de carbono,

• ATP e força redutora para a assimilação de

NH3

• Maior disponibilidade de fotossintatos

• Maior fixação do N2

Descargas Elétricas

• Permitem a precipitação do N2 na natureza

– Quantidades relativamente baixas

– Comparando com os processos industriais e

biológicos

Fixação anual de N2 atmosférico

Fonte de fixação Milhões de toneladas de N por ano

Industrial (fertilizantes) 49

Atmosférico (eletroquímico) 30

Outros processos químicos 21

Fixação Biológica total 175

Oceanos 36

Total sistemas terrestres 139

Leguminosas (140 kg ha-1 ano-1 ) 35

Cultura do arroz (30 kg ha-1 ano-1 4

Pastagens (15kg ha-1 ano-1 ) 45

Outras culturas (5kgkg ha-1 ano-1 ) 5

Ecossistemas florestais (10kg ha-1 ano-1 ) 40

Outros sistemas (2kg ha-1 ano-1 ) 10

Moreira, FMS, Siqueira, Microbiologia e Bioquímica do Solo, 2ed. 2006, 729p.

Processo de Harber-Bosch

Industrial (Fertilizantes)

É um processo caro, tem alta demanda energética consome fósseis e pode

ser poluente

Fertilizantes nitrogenados exigem cuidados especiais para o transporte e

armazenamento, pois alguns são inflamáveis e explosivos

FN geralmente tem aproveitamento agronômico e podem ser poluentes

de solo, água e atmosfera

Processo de Harber-Bosch

FN representam de 5 a 20% do custo de produção das culturas

Expansão é limitada pelo capital e impacto ambiental

FN representam apenas 2% da absorção total de N pelas plantas

São fixados 49 milhões de Mg de N/ano

Fixação Biológica do N2

Biológica

É um recurso natural e passivo de manipulação

É barato e sem impacto ambiental

Consome em torno de 2,5% da energia da fotossíntese do planeta

Mecanismo responsável por 65% do N2 incorporado nos seres vivos do

planeta

Fixação Biológica do N2

Estima-se que a vida no planeta terminaria em 30 anos se a FBN

parasse

Representa 8,5% da absorção total de N

São fixados 175 milhões de Mg de N/ano nos ecossistemas terrestres

Nitrogenase

• Enzima composta por duas unidades

– Ferro proteína

• Coleta a força redutora e energia

– Ferro molibdênio

• Coleta e reduz o substrato

Nitrogenase

• Nitrogenase independente de molibdênio

– Contendo vanádio no lugar do molibdênio

Nitrogenase - Vanádio

Clostridium Rhodobacter Anabaena

Rhodospirillum Heliobacterium Azospirillum

Modo de ação da Nitrogenase

Nitrogenase

• Catalisa a redução de vários substratos

– Acetileno para etileno

• Extremamente sensível ao O2

– A nitrogenase funciona em Tº C elevadas

Streptomyces thermoautotrophicus

Micro-organismos diazotróficos

• Precisaram proteger a nitrogenase

– Presença do O2

• Desenvolveram mecanismos para proteger o

sítio da nitrogenase

Mecanismos de Proteção da

Nitrogenase

Proteção respiratória

Proteção conformacional

Produção de polissacarídeos extracelulares

Relação superfície

volume celular

Formação de células

especializadas

Locomoção das células

Proteção Respiratória

• Azotobacter

– Elevadas atividades respiratórias

• Proteção do sítio da nitrogenase

Proteção Respiratória

• Capacidade de ajuste do k respiratório

– A velocidade da respiração é controlada pela pressão

parcial de O2

– O micro-organismo mantém a [O2] na superfície da

célula igual a zero

– Gastando excessivamente as fontes de carbono

– Com a respiração não acoplada à geração de ATP

Proteção Conformacional

• Existência de nitrogenases

– Conformacionalmente protegidas

• Se pO2 ultrapassar ao controle celular

– A enzima protege os pontos sensíveis ao O2

– Serão protegidos por sua localização espacial

• Mecanismo

– Liga e desliga conforme a pO2

Proteção Conformacional

Produção de Polissacarídeos

Extracelulares

• Mecanismo está presente nos diazotróficos

– Em várias famílias – controlado geneticamente

• Derxia e Beijerinckia

– Produzem abundantemente um tipo de goma

– Torna as colônicas extremamente elástica

– Cobertura das células limitando o O2

Produção de Polissacarídeos

Extracelulares

Derxia Beijerinckia

Produção de Polissacarídeos

Extracelulares

• Polissacarídeos extracelulares

– Importantes nos processos de reconhecimento

simbionte e HO

Polissacarídeos Extracelulares Micro-organismos

Xantanas Xanthomonas campestris

Destranas Aerobacter

Curdlan Alcaligenes faecalis

Pullulan Aureobasidium pullulans

Relação superfície/Volume Celular

• Células de Azotobacter

– Grande tamanho comparado com outras bactérias

– Razão superfície/conteúdo celular menor

• Impediria o excesso de absorção de O2

Relação superfície/Volume Celular

Formação de Células Especializadas

• Cianobactérias dos gêneros

– Anabaena e Nostoc

• Formação de células vegetativas

• Formação de células chamadas heterocisto

• Heterocisto

– Paredes espessas que limitam a entrada de O2

Heterocisto em Anabaena

Heterocisto em Nostoc

Cianobactérias

• A fotossíntese é realizada nas células

vegetativas

– Fotossistemas I e II

• Heterocistos

– Localiza-se a nitrogenase e o fotossistema I

– Não ocorrendo a fotossíntese

Cianobactérias

• Anabaena em simbiose com a pteridófita Azolla

– Recebe fotossintatos da planta

– FBN é mais necessária que a fotossíntese

• Grande número de heterocistos em relação a

células vegetativa

Simbiose Azolla - Anabaena

Actinomiceto - Frankia

• Simbiose com diversas espécies vegetais

– Vesículas do micro-organismos

– Com espessas paredes

• São os sítios da nitrogenase

Frankia (actinomiceto)

Locomoção das Células

• Espécies microaerofílicas

– Falta de mecanismos de proteção eficiente

• Azospirillum spp e Herbaspirillum spp

– Movimento ondulatório rápido e característico

• Permite locomover-se até sítios onde pO2 é baixa

– Adequada para a respiração sem excessos

Azospirillum spp

Herbaspirillum spp

Locomoção das Células

• Cultivo de Azospirillum spp e Herbaspirillum spp

– Em meios de cultura semi sólido

– Ocorre um gradiente de difusão de O2

Locomoção das Células

• Multiplicação celular

– Demanda maior por O2

– Os micro-organismos suportam elevada pO2

– Locomoção permite fugir de elevada pO2

(Leg)- hemoglobina e nodulação

• Simbioses entre rizóbio e a família das

Leguminosae e Parasponia spp

• Simbiose entre Frankia e espécies de 8

famílias botânicas

– Mecanismo muito evoluído

(Leg)- hemoglobina e nodulação

• Nessas simbioses

– Microssimbionte localiza-se em hipertrofias

especializadas

– Originadas do córtex, periciclo ou caule

• Nódulos

– Leg-hemoglobina transportam o O2

– Para os micro-organismos

(Leg)- hemoglobina e nodulação

• Para a produção de ATP o O2 é essencial

• A hemoglobina tem alta afinidade pelo O2

– Age como um tampão

• A leg hemoglobina

– Supre a necessidade do simbionte

– Mantém a pO2 baixa no meio

Formação dos Nódulos

Nódulos Formados

Leg-hemoglobina

Produtividade

Grãos

Fim