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Atividade microbiana para mais matéria orgânica do solo

 

Nos últimos anos, houve um tremendo aumento no interesse pelo potencial dos solos para sequestrar o carbono [C] da atmosfera, e muitos estudos se concentraram na dinâmica e na natureza da matéria orgânica do solo. Além dos aspectos óbvios e positivos do sequestro de carbono para o clima, muitos benefícios surgem da acumulação de matéria orgânica do solo para o ecossistema e para a agricultura, pois a produção e a rentabilidade podem ser melhoradas - claramente uma situação vantajosa para todos. Há muitas ideias e modelos novos que também podem desafiar algumas das reflexões anteriores sobre a matéria orgânica do solo. Um exemplo é a decomposição e estabilização de resíduos vegetais complexos versus simples à medida que são incorporados ao solo - ou seja, componentes sólidos de plantas como lignina e celulose em comparação com metabólitos vegetais como exsudados radiculares, açúcares e aminoácidos. Portanto, estamos falando de materiais complexos e difíceis de decompor em comparação com componentes de fácil decomposição.

Decomposição lenta: o modelo anterior

A forma anterior de pensar sobre o acúmulo de matéria orgânica do solo estava principalmente preocupada com os componentes mais estruturais das plantas - pensava-se que estes compostos complexos de carbono eram lentos de decompor e lentos de degradar1-3. Quanto mais lenta a decomposição, mais tempo o carbono permanece no solo e, portanto, proporciona benefícios duradouros à funcionalidade do solo. Consequentemente, a implementação prática deste pensamento colocou mais ênfase em práticas como a preservação do restolho e a conservação dos resíduos de cereais e gramíneas em comparação com os resíduos de leguminosas. Esta diferença na relação C:N significa que os resíduos de leguminosas se decompõem muito mais rapidamente. Portanto, sentiu-se que os benefícios desses resíduos também eram de curta duração. Da mesma forma, os exsudados radiculares também foram negligenciados porque eram muito fracos e a visão geral era que eles eram rapidamente liberados como dióxido de carbono [CO2]1. Entretanto, como veremos, a matéria orgânica do solo derivada de substratos de alta qualidade [resíduos de leguminosas e exsudados de raízes] é de qualidade muito diferente e, em última análise, mais durável que a matéria orgânica do solo derivada de resíduos complexos que são difíceis de degradar. É claro que não estou sugerindo que as práticas de conservação de restolho e altos resíduos devam ser abandonadas - é uma estratégia importante especialmente em regiões de clima seco, onde a umidade é o maior fator limitante.

No entanto, o problema com resíduos de cultivo os alta lignina contendo elevada relação C:N é que os microrganismos não podem assimilar facilmente o carbono nesses resíduos devido à sua complexidade. Portanto, muita energia microbiana é necessária para degradar primeiro esses resíduos. Assim, é necessário um processo de pré-decomposição antes da assimilação microbiana. Os microrganismos só podem degradar essas composições de carbono difíceis de decompor produzindo e secretando várias enzimas, que depois atacam quimicamente e decompõem esses resíduos complexos. Através desta decomposição enzimática, os microrganismos podem então absorver os produtos de decomposição menores e mais fracos. Isto significa, em última análise, que os microrganismos têm que gastar ou desperdiçar energia metabólica para produzir estas elaboradas enzimas extracelulares. E este desperdício de energia resulta em menores taxas de crescimento ou menor produção de biomassa microbiana. Em outras palavras, a quantidade de biomassa microbiana produzida por unidade de carbono a partir desses resíduos complexos é menor e, portanto, eles têm uma menor taxa de utilização de carbono4.

Assimilação eficiente: o novo modelo

A questão agora é: e se nós simplesmente alimentássemos os microrganismos mais fracos com uma relação C:N mais baixa em primeiro lugar? Assim, os microrganismos não gastariam energia metabólica produzindo enzimas externas e poderiam acumular mais biomassa microbiana de forma muito mais eficiente. Esta ideia de atividade microbiana para mais matéria orgânica do solo está se tornando mais difundida: se os microrganismos se alimentam de compostos de carbono com uma maior taxa de utilização de carbono - por exemplo, exsudados radiculares fracos e resíduos com baixas taxas de C:N, eles podem produzir biomassa microbiana muito mais efetivamente4,5. É importante encontrar a maneira mais eficiente de construir esta biomassa, pois estudos recentes mostram que a biomassa microbiana morta [necromassa] é responsável por mais de 50% do carbono orgânico do solo6-8. Esta contribuição microbiana é maior do que pensávamos anteriormente. Presumia-se que a maior parte do carbono no solo era material vegetal em vários estágios de decomposição. Essas entradas de carbono - uma cadeia contínua de resíduos vegetais em decomposição que ainda não foram absorvidos pela biomassa microbiana viva devido à sua complexidade estrutural - são chamadas de matéria orgânica particulada9. O ponto-chave é que eles ainda não foram integrados em ou por um microrganismo. Portanto, a matéria orgânica do solo é na verdade uma mistura de entradas de carbono que vêm da planta E de microorganismos10. Portanto, é muito importante fornecer alimentos para os microrganismos no solo - mas da forma mais eficiente possível11. Olhando para o futuro, a gestão de campo para a próxima geração significa promover a conservação de biomassa microbiana e necromassas para obter solos saudáveis, ecossistemas saudáveis e um clima saudável7".

Mais que sequestro de carbono: estabilização

Por mais que o foco esteja no sequestro de carbono no solo, e por mais intensamente este tópico seja discutido, gostaria de deixar claro um aspecto crítico. Não há sequestro sem estabilização. Está tudo bem e bom para fixar carbono no solo (seja pela planta ou por microrganismos), mas então o carbono tem que ficar lá! Se não, somos apenas parte do ciclo global do carbono - inalar, exalar. Mas como o carbono sequestrado pode ser estabilizado? Existem importantes processos químicos e físicos que estabilizam igualmente o carbono em diferentes reservas de matéria orgânica do solo12. A estabilização química ocorre quando as misturas de carbono se ligam firmemente a superfícies minerais, resultando em matéria orgânica do solo9 associada a minerais. Está ficando cada vez mais claro que a necromassa microbiana e os resíduos vegetais de alta qualidade [baixa relação C:N] juntos são mais capazes de formar esta fração durável de matéria orgânica do solo9,13. A ciclagem da matéria orgânica do solo associada aos minerais é muito lenta, portanto, esta matéria orgânica do solo permanece no solo por um longo tempo. Sua vida útil é estimada em 10 a 1000 anos14.

Por outro lado, os processos físicos que podem estabilizar as entradas de carbono são mais familiares para nós - eles ocorrem através do acúmulo físico em micro e macro agregados no solo. Embora as condições químicas e físicas do solo tenham uma influência inicial, a síntese agregada é impulsionada principalmente por processos biológicos - uma complexa interação de raízes, exsudados radiculares, microrganismos, metabólitos microbianos e macrofauna15. Estes processos interagem para montar partículas do solo em agregados de várias formas e tamanhos e, por padrão, também geram volumes de poros e poros interligados que otimizam a troca de gás e água16. Em todas estas interações biológicas, os fungos micorrízicos parecem desempenhar um papel particularmente importante através da ramificação hialina extensiva e da síntese da glomalina - uma cola microbiana particularmente pegajosa e durável17. Nos agregados do solo, qualquer matéria orgânica do solo pode ser estabilizada fisicamente18 - mas este mecanismo é particularmente importante para estabilizar a matéria orgânica particulada, que não tem esta forte ligação química com superfícies minerais. Assim, a matéria orgânica particulada tem maior probabilidade de se estabilizar através deste acúmulo físico em agregados onde o oxigênio é aprisionado, protegendo assim o carbono. No entanto, os agregados não existem para sempre. Eles têm uma vida útil limitada e estão em constante mudança - eles estão sempre sendo remodelados e divididos e esta mudança contínua torna a matéria orgânica particulada menos durável do que o carbono mineral estabilizado. O ciclo da matéria orgânica particulada é, portanto, mais rápido e por causa disso14 a vida útil é de cerca de 1 a 50 anos.

Substâncias de qualidade e acompanhantes

Como descrito acima, a qualidade do resíduo ou carbono que entra no solo afeta a qualidade e a longevidade da matéria orgânica do solo. Resíduos de baixa qualidade ou C:N alto não passam facilmente através de microrganismos e, portanto, formam predominantemente matéria orgânica particulada. A matéria orgânica particulada é estabilizada principalmente em agregados, mas é, portanto, suscetível à perda por oxidação durante a agregação12. Por outro lado, os exsudados radiculares e os resíduos com alta qualidade ou baixa relação C:N, são rapidamente decompostos por microrganismos do solo. Uma vez que estes conjuntos de carbono são absorvidos e se tornam microrganismos [e, portanto, parte do processo microbiano], eles formam proporções mais permanentes de carbono no solo quando a necromassa microbiana adere às superfícies minerais19. Aqui há, portanto, uma conexão com o diferente potencial de ligação dos solos argilosos em comparação com os solos arenosos. Como os solos de textura média e fina têm mais área de superfície mineral, é mais provável que formem matéria orgânica do solo associada a minerais. Solos arenosos e mais leves com menos área de superfície mineral não podem produzir tanta matéria orgânica deste solo associado a minerais e, portanto, é provável que acumulem mais matéria orgânica particulada14. Isto não é para diminuir o potencial de matéria orgânica particulada - pode muito bem formar uma proporção menos permanente de matéria orgânica do solo de qualidade inferior. Mas em solos mais leves é uma proporção maior e isto destaca a importância de minimizar a mobilização do solo e manter a estabilidade agregada em tais solos arenosos. Talvez a seguinte conclusão possa ser tirada: uma cobertura de restolho é ideal em solos mais leves e em regiões com climas secos, enquanto uma cobertura viva é benéfica em áreas com climas temperados e solos com estrutura média.

Conclusão

Deixar restolho em pé é um método apropriado para promover a saúde do solo que ainda tem seu espaço. E os benefícios para a conservação do solo e retenção de umidade não podem ser subestimados. Entretanto, está se tornando cada vez mais evidente que resíduos de leguminosas e raízes vivas produzem biomassa microbiana e necromassas mais eficientes com seus exsudados. Portanto, deve ser uma prioridade máxima para todos os agricultores, se possível, implementar o princípio de saúde do solo de "raízes vivas permanentes". Este princípio de saúde do solo ajudará principalmente a otimizar a atividade microbiana para mais matéria orgânica do solo. Entretanto, a fixação não é possível sem estabilização. E, portanto, a estabilização química e física de substratos derivados de necromassas e plantas é essencial. Portanto, se o solo for mobilizado o mínimo possível, os efeitos positivos das raízes vivas, exsudados e subsequentes interações microbianas, bem como a estabilização do carbono, podem ser ainda mais acentuadas.

Referências

  1. Leveraging a New Understanding of how Belowground Food Webs Stabilize Soil Organic Matter to Promote Ecological Intensification of Agriculture. In: Soil Carbon Storage. (2018). doi:10.1016/b978-0-12-812766-7.00004-4
  2. Soil organic matter turnover is governed by accessibility not recalcitrance. (2012). doi:10.1111/j.1365-2486.2012.02665.x
  3. How relevant is recalcitrance for the stabilization of organic matter in soils? (2008). doi:10.1002/jpln.200700049
  4. Managing Agroecosystems for Soil Microbial Carbon Use Efficiency: Ecological Unknowns, Potential Outcomes, and a Path Forward. (2019). doi:10.3389/FMICB.2019.01146
  5. Evidence for the primacy of living root inputs, not root or shoot litter, in forming soil organic carbon. (2019). doi:10.1111/nph.15361
  6. SOM genesis: Microbial biomass as a significant source. (2012). doi:10.1007/s10533-011-9658-z
  7. Quantitative assessment of microbial necromass contribution to soil organic matter. (2019). doi:10.1111/gcb.14781
  8. Divergent accumulation of microbial necromass and plant lignin components in grassland soils. (2018). doi:10.1038/s41467-018-05891-1
  9. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century. (2019). doi:10.1111/gcb.14859
  10. Microbial and plant-derived compounds both contribute to persistent soil organic carbon in temperate soils. (2018). doi:10.1007/s10533-018-0475-5
  11. The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage. (2017). doi:10.1038/nmicrobiol.2017.105<
  12. Mechanisms of carbon sequestration in soil aggregates. (2004). doi:10.1080/07352680490886842
  13. Soil organic matter is stabilized by organo-mineral associations through two key processes: The role of the carbon to nitrogen ratio. (2020). doi:10.1016/j.geoderma.2019.113974
  14. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter. (2019). doi:10.1038/s41561-019-0484-6
  15. Soil Aggregate Stability: A Review. (1999). doi:10.1300/J064v14n02_08
  16. Soil structure as an indicator of soil functions: A review.(2018). doi:10.1016/j.geoderma.2017.11.009
  17. Soil aggregation and carbon sequestration are tightly correlated with the abundance of arbuscular mycorrhizal fungi: Results from long-term field experiments. (2009). doi:10.1111/j.1461-0248.2009.01303.x
  18. Sub-micron level investigation reveals the inaccessibility of stabilized carbon in soil microaggregates. (2018). doi:10.1038/s41598-018-34981-9
  19. Nitrogen-rich microbial products provide new organo-mineral associations for the stabilization of soil organic matter. (2018). doi:10.1111/gcb.14009