Baixe Apostila Acidos Humicos e Acidos Fulvicos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Agronômica, somente na Docsity! Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 1 Matéria Orgânica do Solo 1. INTRODUÇÃO As substâncias húmicas (SH), as quais são naturalmente encontradas no solo, têm um papel fundamental na produção das culturas. Estas representam uma fonte de lenta liberação de nutrientes para a nutrição das plantas (principalmente N, P e S), contribuem com a maior parte da CTC dos solos, possuem a habilidade de formar complexos com vários íons metálicos e, devido ao seu caráter anfótero, agem como tamponantes da reação do solo em uma ampla faixa de pH. Essas características as tornam um dos principais fatores que governam a dinâmica e disponibilidade dos nutrientes no solo. Contudo, as SH têm um comportamento complexo no solo e de difícil compreensão, haja vista que, além de todos os fatores citados, que ocorrem concomitantemente, as SH influenciam a quantidade e atividade dos microrganismos dos solos, os quais são mediadores das reações de decomposição e síntese das SH, mineralização de nutrientes e ainda responsáveis pela imobilização de grande parte dos nutrientes aplicados ao solo via fertilizantes. Aliado a isso, o desconhecimento da composição molecular de cada fração das SH e a grande variação das destas em função de sua origem (compostos, solos, liteira, etc), contribuem ainda mais para dificultar o entendimento da contribuição de suas frações nas reações e mecanismos que envolvem a disponibilidade de nutrientes para as plantas. Além de influenciarem indiretamente o crescimento das plantas, aumentando ou reduzindo a disponibilidade de nutrientes e a agregação e retenção de água do solo, as SH podem agir diretamente nas plantas, facilitando a absorção de nutrientes, aumentando a produção de ATP e clorofila e aumentando ou inibindo a atividade de várias enzimas. Esses efeitos têm despertado o interesse de diversos pesquisadores, os quais intentam melhor entendê-los, porém, devido às dificuldades já mencionadas, oriundas das características das SH, resultados contrastantes em sido encontrados. Apesar disso o emprego agrícola de produtos à base de SH como fertilizantes orgânicos, condicionadores de solo e estimuladores fisiológicos tem crescido bastante nas últimas décadas em todo o mundo e mais recentemente no Brasil. A aplicação foliar destes produtos, tem se tornado uma prática bastante difundida entre produtores de Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 2 Matéria Orgânica do Solo hortaliças e fruteiras e, mais recentemente vem sendo realizada em cultivos de cereais e também algodão. Assim, objetiva-se com esse texto, apresentar como as SH interagem com o solo, influenciando a disponibilidade de nutrientes para as plantas e como estas podem alterar o crescimento e/ou desenvolvimento das plantas por meio de sua ação direta, além de compilar e trazer para discussão alguns resultados de pesquisas nesse sentido. 2. AS SUBSTÂNCIAS HÚMICAS (SH) Segundo (Stevenson, 1994), a matéria orgânica do solo consiste de uma mistura de compostos em vários estágios de decomposição, que resultam da degradação biológica de resíduos de plantas e animais, e da atividade sintética de microrganismos. Pode ser agrupada em substâncias húmicas e não húmicas. As substâncias não húmicas são compostas por substâncias com características químicas definidas, tais como, polissacarídeos, aminoácidos, açúcares, proteínas e ácidos orgânicos de baixa massa molar. As substâncias húmicas não apresentam características químicas e físicas bem definidas, e se dividem em ácido húmico, ácido fúlvico e humina, com base nas suas características de solubilidade. As substâncias húmicas compreendem uma mistura de espécies com variações em suas propriedades moleculares. Por esta razão, tem sido feito o fracionamento das SH de acordo com suas propriedades para obter frações distintas com características similares. Geralmente as SH são fracionadas em função de sua solubilidade em 3 principais frações, como mostra a Figura 1. Os ácidos húmicos (AH) definidos operacionalmente como a fração das SH solúvel em meio alcalino diluído a qual precipita pela acidificação do extrato alcalino. Os ácidos fúlvicos (AF) permanecem em solução quando o extrato alcalino é acidificado e a humina é a fração não extraída por ácido ou álcali diluído (Stevenson, 1994; Rosa, et al. 2000a). Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 5 Matéria Orgânica do Solo Na literatura existem várias propostas estruturais para as SH. Entretanto, de acordo com Stevenson (1985) nenhuma parece ser inteiramente satisfatória. Provavelmente, isto ocorre não apenas por causa da complexidade e heterogeneidade estrutural das SH, mas principalmente devido à falta de uma identidade estrutural genérica a qual é fortemente influenciada pelo grau e mecanismo de decomposição. A Figura 3 mostra o mais recente modelo estrutural para o ácido húmico, o qual foi proposto por Schulten (1995) a partir de estudos espectroscópicos, pirólise, degradação oxidativa e microscopia eletrônica. Figura 3. Estrutura proposta para o ácido húmico (Schulten, 1995). Essas afirmações e citações são baseadas na proposta que substâncias húmicas seriam macromoléculas orgânicas, com características similares às macromoléculas biológicas como, proteínas, polissacarídeos, ácidos nucléicos e lignina (Swift, 1989). Recentes estudos (Piccolo, et al. 2000), baseados em cromatografia e utilizando eletroforese capilar têm sugerido um novo conceito a respeito das características estruturais das SH. Neste caso, as SH não possuiriam estrutura extremamente complexa e seriam formadas pela agregação de pequenas moléculas. O paradigma da estrutura das Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 6 Matéria Orgânica do Solo SH tem permanecido, enquanto novos procedimentos analíticos e desenvolvimentos especialmente na área de espectroscopia têm sido desenvolvidos visando a obtenção de resultados mais contundentes os quais suportem as hipóteses propostas (Piccolo, 2000; Stevenson, 1994). Atualmente dois modelos tentam explicar as características observadas para as substâncias húmicas, sendo eles: Macromolecular: neste modelo as variações conformacionais das substâncias húmicas são similares àquelas observadas nas macromoléculas biológicas como, proteínas, polissacarídeos, ácidos nucléicos e ligninas (Figura 4a) (Swift, 1989). Schulten & Schnitzer (1997) propõem a existência de “vazios” hidrofóbicos dentro das moléculas (Figura 4b). (a) (b) Figura 4. Modelos conceituais propostos pela teoria macromolecular: (a) moléculas das substâncias húmicas aleatoriamente enoveladas (Swift, 1989) e (b) ácido húmico proposto por Schulten & Schnitzer (1997), carbono=azul; oxigênio=vermelho; nitrogênio=preto e hidrogênio=branco. As letras A, B e C indicam os espaços “vazios” presentes na molécula das substâncias húmicas capazes de interagir com outros compostos. Supramolecular: neste modelo é proposto que as substâncias húmicas em solução formem grandes agregados húmicos que são estabilizados por ligações fracas, tais como, ligações de hidrogênio e/ou interações hidrofóbicas. Além disso, é proposto que as substâncias húmicas são provenientes de produtos de degradação enzimática de plantas e complexos de ligninas. Esse modelo foi embasado por (Conte & Piccolo, 1999) para ilustrar como as principais estruturas identificadas nas substâncias húmicas Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 7 Matéria Orgânica do Solo poderiam formar um agregado na presença de cátions metálicos de ocorrência natural nos ecossistemas terrestres (Figura 5). Figura 5. Esquema de estrutura das substâncias húmicas proposto por Simpson et al. (2002). As unidades vermelhas representam os cátions metálicos, as unidades pretas os polissacarídeos, as unidades azuis os polipeptídios, as unidades verdes as cadeias alifáticas e as unidades marrons os fragmentos aromáticos provenientes da lignina. Mesmo com as contradições existentes quanto ao modelo estrutural, algumas características das SH já estão bem definidas: 1) as frações de ácido húmico e ácido fúlvico, são misturas heterogêneas de moléculas polidifusas, com intervalos de massa molar variando de algumas centenas até milhares (Stevenson, 1994); 2) há variação da razão entre ácido húmico e ácido fúlvico em função do tipo de solo. Essa razão está associada ao grau de humificação do mesmo (Rocha, et al. 1998). 3) as substâncias húmicas extraídas de solos têm composição elementar média de acordo com a Tabela 1. Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 10 Matéria Orgânica do Solo 3. INFLUÊNCIA DAS SH NA DISPONIBILIDADE DE NUTRIENTES As SH, além de representarem uma grande reserva de alguns nutrientes, influenciam, ainda, algumas propriedades químicas, físicas e biológicas do solo que são determinantes da disponibilidade de nutrientes para as plantas. O seu poder tamponante, a sua influência na CTC dos solos e na complexação de metais serão aqui abordados, assim como a sua atuação na estabilização, imobilização e mineralização de alguns nutrientes, principalmente, de N, P e S. 3.1. REAÇÃO DO SOLO (Poder tampão) A acidez do solo é resultante do equilíbrio entres os fatores intensidade, quantidade e capacidade ou poder tampão desta acidez. A redução da acidez do solo promove a insolubilização de Al e Mn tóxicos, aumenta a disponibilidade de P e Mo e diminui a disponibilidade de micronutrientes, como Zn, Mn, Cu e Fe (Sousa et al., 2007). Assim, o poder tampão dos solos pode ser fator importante para determinar a disponibilidade de nutrientes para as plantas. A matéria orgânica do solo (MOS) influencia a capacidade tamponante do solo, tendo, inclusive, maior influência nesse atributo comparado a fração argila de solos onde esta é composta, principalmente, por caulinita e gibbsita, sendo os grupos carboxílicos dos ácidos fúlvicos e húmicos de particular importância (Mendonça & Rowell, 1996; Mendonça et al., 2006). No ambiente, a MOS funciona como ácido fraco, agindo como par conjugado ácido/base. A diversidade química dos componentes da MOS esta relacionada com sua diversidade de grupamentos funcionais, fazendo com que a MOS tenha ação tamponante numa ampla faixa de pH do solo (Silva & Mendonça et al., 2007). A adição de MO proporcionará um aumento ou redução do pH do solo, dependendo da predominância dos processos que consomem ou liberam H + . O aumento do pH pode ser decorrência de alguns processos como, redução da atividade de H + resultante, principalmente, da liberação de cátions metálicos; mineralização de formas orgânicas de N; desnitrificação; e descarboxilação dos ácidos orgânicos (Yan et al., 1996; Pocknee & Sumner, 1997). Em solos alcalinos espera-se que o efeito seja o contrário, ou seja, ocorra redução do pH em decorrência do influência da MOS sobre o aumento da concentração do CO2 durante o processo de decomposição/mineralização, Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 11 Matéria Orgânica do Solo contribuindo para aumentar a concentração de ácido carbônico (CO2 + H2O ↔ HCO3 - + H + ) e a subseqüente dissociação do ácido carbônico (H2CO3 ↔ HCO3 - + H + ) (Silva & Mendonça et al., 2007). A adição de matéria orgânica no solo resulta, ainda, no crescimento da atividade microbiológica do solo. Tal atividade propicia a formação de um número maior de agentes complexantes, que alteram a condição de redução dos solos (Shuman, 1988). Para avaliar a o efeito dos AH no poder tampão do solo Hanafi & Salwa (1998) aplicaram doses crescentes de AH em três solos tropicais com diferentes valores de pH (4,8; 3,9 e 6,3). Após um período de incubação de 30 dias, todos os solos apresentavam o mesmo valor de pH (5,8) na dose mais alta de AH (350 mg kg -1 de C). Segundo os autores, o valor comum de pH aos três solos foi devido ao pKa do AH utilizado. Mendonça et al. (2006), a contribuição dos AH e AF no poder tampão de solos de Cerrado por meio de curvas de titulação com NaOH e incubação com Ca(OH)2. Verificaram que quando o poder tampão é mensurado com Ca(OH)2, os AH e AF contribuem igualmente para esse parâmetro em solo argiloso, porém, em solo franco arenoso, os AF mostram mais importantes. Segundo os autores, isto pode ser entendido considerando que em solos com menor quantidade de argila ocorre uma menor interação entre os AF e sesquióxidos, possibilitando a dissociação dos AF e a ligação com Ca 2+ . Entretanto, quando mensurado com NaOH, os AH contribuíram mais para o poder tampão do que os AF em ambos os solos. Tal fato pode ser explicado devido à alta reatividade dos AH com a fração mineral, o que bloquearia os sítios ativos destes pelos minerais de argila, composto por grande quantia de oxihidróxidos (Mendonça & Rowell, 1996). De acordo com Hardgrove & Thomas (1982) o Al pode formar com a MO um complexo bastante estável no qual o Al não é facilmente substituível. Considerando que uma grande parte da MO é composta de substâncias húmicas (Stevenson, 1994), parte dos sítios ativos dos AF podem também ser complexados com Al. No mesmo trabalho supracitado, o poder tampão foi maior quando medido com Ca(OH)2, o que provavelmente decorreu da reação com Ca ++ com os grupamentos carboxílicos dos AF. Os autores observaram ainda que uma grande parte do Ca aplicado foi convertido para formas não-trocáveis, provavelmente por substituição de compostos de Al por MO e neutralização dos sítios de H + não-trocável. Parte do forte efeito da MO Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 12 Matéria Orgânica do Solo no poder tampão é devido a complexação com Al. Pode ser que o Ca substitua parte do Al fortemente complexado com a MO e mova o Al para sítios mais reativos. Conseqüentemente, a MO pode ser mais acessível a microrganismos e mais facilmente mineralizada (Stevenson, 1994). 3.2. CTC DO SOLO Há muito tempo se reconhece a importância da MOS para a CTC dos solos, contribuindo com 20-90% da CTC das camadas superficiais de solos minerais e, praticamente, toda a CTC de solos orgânicos (Silva & Mendonça, 2008). Segundo Stevenson (1994), a habilidade de um solo para reter cátions é uma propriedade de suas partículas minerais (argilas) e de seu comportamento húmico, assim ambos contribuem na capacidade de troca de cátions. A presença de cargas elétricas nas frações argilosas é resultado das substituições isomórficas, da ionização dos grupos OH e de cargas dependentes do pH associadas a óxidos de alumínio. Na estrutura macromolecular das substâncias húmicas as cargas provêm da ionização dos grupos carboxílicos e fenólicos, o que confere características polieletrolíticas que permitem formar ligações de hidrogênio com as águas de hidratação de cátions metálicos bem como, interações eletrostáticas mais fracas como, forças de van der Waals. A presença de grupos carboxílicos e fenólicos, permite também a formação de ligações químicas simples e ligações polidentadas produzindo quelatos. De acordo com Mendonça et al. (2006), considerando que os grupamentos reativos da MOS estão, em grande parte, nas substâncias húmicas e que, praticamente, 80% da fração humina está complexada com a fração mineral, a habilidade do solo em desenvolver carga negativa correlaciona-se fortemente com os AH e AF, r = 0,98 ** e 0,99 ** , respectivamente. Yagi et al. (2003), após calagem e adubação orgânica, observaram que, mesmo sendo a forma que apresenta a maior concentração de radicais responsáveis pela capacidade de troca do solo (Stenvenson, 1994), não foi possível estabelecer uma relação entre o C-AF e a CTC do solo, devido a variabilidade nessa fração da MOS. Quanto ao C-AH houve uma relação negativa com a CTC do solo, sendo atribuída ao fato da calagem e a adubação orgânica terem reduzido a concentração de C-AH. Por outro lado, a CTC do solo foi linearmente incrementada com o aumento da Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 15 Matéria Orgânica do Solo em que ligações de coordenação (esfera interna, perdendo a camada de hidratação e estabelecendo ligação covalente diretamente com a superfície do ligante) com os ligantes orgânicos são formadas (Figura 6). Figura 6. Modelo estrutural de complexo de esfera externa (adsorção eletrostática, exemplificado para Cd 2+ ) (A) e esfera interna (ligação covalente, exemplificada para Ca 2+ ). Fonte: Sparks (1995). Características do metal, tais como valência e tamanho do raio hidratado, eletronegatividade e polarizabilidade (Sparks, 1999); características da molécula orgânica, tais como densidade e tipo de grupamentos reativos, localização dos grupamentos reativos na molécula e tamanho da molécula, e características da solução, tais como pH, força iônica e temperatura, terão grande influência sobre a ocorrência e predominância de determinado mecanismo e sua estabilidade (Silva & Mendonça, 2007). A ordem decrescente de afinidade dos grupamentos dos compostos orgânicos com íons metálicos é aproximadamente a seguinte (Sparks, 1999; Silva & Mendonça, 2007): -O- > -NH2 > -N=N- > =N > -COO - > -O- > C=O Alcoólico Amino Azo N Anel Carboxilato Éter Carbonila A influência do tamanho da molécula orgânica fica evidente no caso do transporte de micronutrientes catiônicos no solo por fluxo difusivo, ou seja, enquanto ácidos orgânicos de baixa massa molecular, tal como citrato, são capazes de formar complexos com o Cu, Fe, Zn e Mn e favorecer sua difusão no solo (Pegoraro et al., (A) (B) Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 16 Matéria Orgânica do Solo 2005), a presença de concentrações mais elevadas de ácidos húmicos (elevada massa molecular) reduz o fluxo difusivo de Cu, por exemplo. Existem muitas evidências para a complexação de cátions di e tri valentes por ácidos húmicos e fúlvicos, incluindo: a) correlação entre o conteúdo de húmus e a retenção de micronutrientes pelo solo; b) habilidade de agentes quelantes conhecidos extraírem metais enquanto solubilizam parte do húmus do solo; c) retenção seletiva de íons metálicos pelos ácidos húmicos e fúlvicos na presença de resinas trocadoras de cátions (Stevenson, 1994). Os ácidos húmicos e fúlvicos podem formar complexos solúveis e insolúveis com cátions polivalentes, dependendo do grau de saturação. Segundo Stevenson (1994), trabalhos indicam que ambos, compostos bioquímicos individuais e constituintes dos ácidos fúlvicos, estão envolvidos no movimento dos micronutrientes, sendo os ácidos fúlvicos os mais eficientes na complexação dos metais. Embora o ácido húmico forme complexos mais estáveis com os íons metálicos, é o ácido fúlvico, o maior responsável pela complexação dos íons metálicos no solo, devido ao grande número de grupos carboxílicos que contém e, devido a sua elevada acidez e relativamente baixo peso molecular, os ácidos fúlvicos são mais solúveis que os ácidos húmicos. Segundo Silva & Mendonça (2007) a solubilidade do complexo é determinada pela relação SH/metal. Quando a relação SH/metal é alta, o complexo é solúvel em água. Dessa forma, por meio da dissolução da fração mineral, há liberação de mais íons metálicos. Contudo, quando a relação SH/metal é baixa, o complexo não fica solúvel em água, diminuindo sua disponibilidade para as plantas. Assim, complexos organometálicos envolvendo ácidos fúlvicos geralmente são de maior solubilidade e mobilidade no solo que aqueles envolvendo ácidos húmicos. Stevenson (1994) cita que cátions polivalentes têm potencial para ligarem-se as moléculas individuais produzindo estruturas semelhantes a cadeias e conclui que complexos metál-ácido húmico são solúveis em baixos teores de metal-ácido húmico (poucas moléculas combinadas em uma cadeia), mas a precipitação se dá conforme a estrutura da cadeia vai aumentando e os grupos de COOH isolados vão tornando-se neutralizados por pontes de sal. O ponto no qual ocorre uma precipitação visível será influenciado por fatores como pH, força iônica, concentração do ácido húmico e tipo do metal. Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 17 Matéria Orgânica do Solo O mesmo autor reporta que quando os ácidos húmicos e fúlvicos estão dissolvidos na água, ocorre a dissociação dos grupos funcionais ácidos e a molécula assume uma configuração expandida devido à repulsão dos grupos carregados; quando os íons metálicos são associados, a carga é reduzida pela formação de um sal e a molécula sofre um colapso, reduzindo, portanto, sua solubilidade. Os ácidos húmicos possuem a habilidade de reduzir formas oxidadas de certos íons metálicos. O caso mais típico é a redução da forma Fe 3+ a Fe 2+ . Existe ainda a possibilidade dos AH reduzirem a forma MoO4 2- aniônica a forma MO 5+ . Sendo que as formas catiônicas destes elementos são subsequentemente fixadas pelos ácidos húmicos, tornando-se assim indisponíveis pelas plantas e microorganismos (Stevenson, 1994). Portanto, a formação de complexos organo-metálicos tem os seguintes efeitos no solo (Stevenson, 1994): 1. Íons metálicos que, normalmente, em valores de pH de solos agrícolas, se converteriam a precipitados insolúveis, ficariam mantidos na solução. Isto ocorre quando, ao elevarmos o pH do solo, os íons metálicos, nele contido, forem complexados pela fração fúlvica deste solo. 2. Agentes complexantes orgânicos podem influenciar a disponibilidade de metais micronutrientes para plantas, bem como para organismos da micro e macro fauna do solo. Alguns componentes da matéria orgânica do solo formam complexos insolúveis com os íons metálicos, enquanto outros formam complexos solúveis. 3. Sob certas circunstâncias, a concentração de um íons metálico poderá ser reduzida a um nível não tóxico. Isto será particularmente verdadeiro quando o complexo organo-metálico tiver baixa solubilidade, como no caso de complexos com o ácido húmico e outras moléculas de matéria orgânica com elevado peso molecular. 4. A interação do Al 3+ com a matéria orgânica pode ser de importância considerável no controle de níveis tóxicos de Al +3 na solução em solos ácidos. Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 20 Matéria Orgânica do Solo ocorrer como aminoácidos ligados a anéis aromáticos; como componente de ligações que une grupos quinonas; como parte de anéis heterocíclicos; como grupo de cadeia aberta (-NH-, =N-); e como peptídeos e proteínas ligados à pontes de hidrogênio. Para um melhor entendimento dos diferentes componentes do N orgânico do solo, este é freqüentemente fracionado via hidrólise ácida. Com base nesse método, o N orgânico é enquadrado nas frações não-hidrolisável e hidrolisável e esta, por sua vez, é subdividida em N-amida, N-hexosamina, N-α-amino e N-não identificado (Stevenson, 1994). A distribuição das formas de N nas SH é apresentada na Tabela 4. Existem diferenças na concentração de N dentro de cada fração quando comparados o solo e apenas suas substâncias húmicas, um resultado geral é apresentado na Figura 7. Uma considerável parte do N (mais de 60%) não pode ser determinada como formas conhecidas (e.g., aminoácidos, aminoaçúcares), assumindo-se que esta exista como componente integral de macromoléculas húmicas, como em anéis heterocíclicos ou como componente de ligações. A maior proporção do N em AH, variando de 30 a 60%, é recuperada como N-insolúvel em ácido (Haworth, 1971). Esses compostos heterocíclicos entram no solo predominantemente na forma de material vegetal em anéis pirrólicos de clorofilas e citocromos e nas bases nitrogenadas purina e pirimidina, integrantes dos ácidos nucléicos. Embora pareçam muito resistentes, esses anéis podem passar por várias transformações, fazendo com que o N heterocíclico se acumule no solo (Mengel, 1996). Por essa razão, somente pequena percentagem das formas orgânicas de N do solo é facilmente mineralizável – aquela oriunda, principalmente, de aminoácidos e polímeros de aminoaçúcares da biomassa microbiana do solo (Silva & Mendonça, 2007). Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 21 Matéria Orgânica do Solo Tabela 4. Distribuição das formas de N em ácidos húmicos e fúlvicos (Stevenson, 1994). Extrator Forma do N Referência N Insolúvel em ácido NH3 Não identificado Aminoácido Aminoaçúcar -----------------------------------------------%------------------------------------------------- Ácidos húmicos 0,1 mol L-1 Na4P2O7 (6)† 1,79-2,63 41,3-59,0 8,8-12,8 5,2-10,6 19,5-34,5 2,6-5,0 Bremner (1955) 0,5 mol L-1 NaOH (5) 2,31-3,74 32,6-43,7 8,4-13,7 4,7-8,6 32,2-44,7 3,4-8,1 Bremner (1955) 0,5 mol L-1 NaOH (4) 2,11-2,69 35,9-50,8 8,2-14,0 16,2-21,8 22,1-26,5 1,8-3,9 Rossel et al. (1978) Ácidos fúlvicos‡ 0,5 mol L-1 NaOH (3) 3,37-3,89 -- 15,1-19,3 41,3-54,9 26,4-34,2 3,6-5,2 Khan & Sowden (1972) † Números entre parênteses indicam o número de amostras analisadas ‡ Os resultados são para preparação dializada Figura 7. Comparação da distribuição das formas de N por hidrólise ácida de solos e seus AH. Adaptação dos dados de Rossell et al. (1978) por Stevenson (1994). Admite-se que o N estrutural das SH representa o mais estável componente do N orgânico do solo (Estruturas I e II). Com base nisso, esperaria-se que ocorresem variações na distribuição das formas do N quando os solos são submetidos ao cultivo intensivo, isto é, grandes perdas de N de aminoácidos e outras formas mais diponíveis com redução da fração do N insolúvel em ácido. Porém, na prática, isto não tem sido observado (Stevenson, 1994). Surpreendentemente, nem o cultivo a longo prazo nem a Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 22 Matéria Orgânica do Solo adição de produtos orgânicos ao solo afetam significativamente a distribuição relativa das formas de N no solo. O O N O OR O O N O O O O H I II Resultados de vários experimentos mostram que as SH não são completamente inertes, mas são constantemente alteradas em conseqüência das atividades dos microrganismos. Sob condições estáveis, a mineralização do húmus é compensada pela síntese de novo húmus. Durante a humificação, o N de aminoácidos e outros aminocompostos são incorporados nas estruturas dos AH e AF, ficando indisponível momentaneamente para as plantas (Stevenson & He, 1990). Um fator chave que afeta a eficiência que o N-fertilizante é absorvido pelas culturas é a progressiva estabilização do N por conversão a formas humificadas mais resistentes. O resultado é uma redução no “pool” de N potencialmente disponível no solo (Stevenson & He, 1990). Portanto, a significância das SH para a fertilidade do solo quanto ao N advém do fato que muito do N orgânico no solo resiste ao ataque de microrganismos ficando assim indisponível para as plantas. Também, como uma conseqüência da mineralização/imobilização pelos microrganismos, uma porção do fertilizante nitrogenado aplicado torna-se estabilizado pela incorporação nas substâncias húmicas (Stevenson & He, 1990). Sincronizar a liberação do N através da decomposição da matéria orgânica com a necessidade do nutriente pelas plantas é uma estratégia econômica importante para a racionalização do uso dos recursos naturais. A harmonia entre a decomposição da matéria orgânica e absorção de nutrientes depende do estágio de desenvolvimento da planta e da taxa de mineralização que, por sua vez, depende tanto do conhecimento das Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 25 Matéria Orgânica do Solo plantio direto e, finalmente, por solo sob plantio convencional (Kliemann & Buso, 2002). Devrêve & Horwárth (2001) observaram, em solos cultivados com arroz, que a quantidade de N potencialmente mineralizável esteve sempre abaixo de 5%, porém foi muito variável em função da presença ou ausência de palha, irrigação e também da temperatura (Figura 9). Figura 9. Porcentagem de N-fertilizante extraído da fração humina com KCl 2 mol L -1 a quente (N potencialmente mineralizável) aos 160 dias de incubação. Os tratamentos foram designados: SPSI, sem palhada e sem inundação; SPCI, sem palhada com inundação; CPSI, com palhada e sem inundação; CPCI, com palhada e com inundação. Dentro e entre barras, letras diferentes indicam diferença pelo teste F ao nível de 5%. Fonte: Devêvre e Horwáth et al. (2001). Informação adicional a respeito do N estabilizado em formas humificadas tem sido fornecida por estudos no qual o N orgânico é marcado com 15 N por incubação do solo por curto prazo com 15 N inorgânico e um substrato apropriado de C. Os resultados destes estudos têm confirmado que a estabilização do N ocorre muito rapidamente e que uma porção significativa do N imobilizado ocorre em formas que não são prontamente disponíveis para as plantas e microrganismos como mostra os resultados de Devêvre & Horwárth (2001) apresentados nas Figuras 10 e 11. Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 26 Matéria Orgânica do Solo Figura 10. N-fertilizante recuperado em AH e AF aos 160 dias de incubação. Os tratamentos foram designados: SPSI, sem palhada e sem inundação; SPCI, sem palhada com inundação; CPSI, com palhada e sem inundação; CPCI, com palhada e com inundação. Dentro e entre barras, letras diferentes indicam diferença pelo teste F ao nível de 5%. Fonte: Devêvre e Horwáth et al. (2001). Figura 11. N-fertilizante recuperado na fração humina aos 160 dias de incubação. Os tratamentos foram designados: SPSI, sem palhada e sem inundação; SPCI, sem palhada com inundação; CPSI, com palhada e sem inundação; CPCI, com palhada e com Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 27 Matéria Orgânica do Solo inundação. Dentro e entre barras, letras diferentes indicam diferença pelo teste F ao nível de 5%. Fonte: Devêvre e Horwáth et al. (2001). Segundo Devêvre & Horwáth (2001) a estabilização do N-fertilizante nas SH é substancialmente menor em áreas inundadas e a temperatura é fator importante nesse processo, sendo que com o aumento de temperatura menos N-fertilizante é estabilizado. Os autores acreditam que precursores de SH que contêm N ciclam mais rapidamente em maiores temperaturas dando menos oportunidade para estabilizarem como SH. 3.4.2. FÓSFORO O teor de P nas substâncias húmicas é de 0,1 a 1% e é particularmente abundante nos ácidos húmicos (Varanini & Pinton, 2001 citado por Silva & Mendonça, 2007). Em extratos de NaOH de solos da região Noroeste do Cáucaso (Rússia), o P orgânico (Po) contribuiu com 92 - 99% do P total extraído, encontrando-se 52 - 90% desse P orgânico nos AH. Pouco se conhece sobre as formas de Po em solos tropicais. Em solos sob savanas na Colômbia, foi observado que o P dos AH encontrava-se na forma de ortofosfato de monoésteres, seguido pelos ortofosfatos de diésteres. Os fosfonatos, ácido teióico e pirofosfato, estavam presentes em pequenas quantidades. Adicionalmente, observou-se que os AF tinham menor proporção de ortofosfatos de diésteres, mas apresentavam maiores proporções de ortofosfato inorgânico (Guggenberger et al., 1996). A forma com que o P se liga a matéria orgânica é similar à forma com que o P é adsorvido pelos oxihidróxidos de Fe e Al. Assim, as SH podem afetar sua disponibilidade pelos seguintes mecanismos: (a) bloqueando os sítios de adsorção de P dos hidróxidos de Fe e Al; (b) competindo com os sítios de adsorção da fração mineral pelo P solúvel; e (c) deslocando parte do P adsorvido pela fração mineral (Andrade et al., 2003). A decomposição da MOS pode liberar ácidos orgânicos e a eficiência desses ácidos aumentarem a disponibilidade do P para as plantas depende do pH do solo, da persistência destes quando liberados no solo (Stevenson, 1986; Kirk, 1999) e da sua afinidade com os sítios de adsorção (Strom et al., 2002). Os compostos de cadeia Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 30 Matéria Orgânica do Solo sulfatados, assim como thioglicosídeos e sulfamatos. Essa forma é a mais disponível para as plantas e está, geralmente, ligada à matéria orgânica de baixo peso molecular. A mineralização do S-orgânico é principalmente devida a estas formas que são mais disponíveis para as plantas (Schoenau & Germida, 1992). A outra fração, ou seja, os compostos com ligação S-C representam, aproximadamente, metade do S-orgânico total do solo e podem ser divididos em outras duas frações: (1) compostos com ligação S-C, susceptíveis à redução pela liga de Raney-Ni, e (2) S inerte ou residual (S em compostos não identificados) (Stenvenson, 1986; Schoenau & Germida, 1992). A primeira fração é dominada, sobretudo, por aminácidos, podendo chegar a 30% do S-orgânico total (Stevenson, 1986). Estes compostos apresentam baixa estabilidade no solo, sendo decompostos (Schoenau & Germida, 1992). A fração inerte compreende formas complexas de S, não-identificáveis e, provavelmente, ligadas às substâncias húmicas (Stevenson, 1986; Schoenau & Germida, 1992). Análises mais refinadas de substâncias húmicas extraídas das frações granulométricas de solos da Etiópia mostram que o S em estados intermediários de oxidação foram as formas dominantes para SH extraídas da fração argila, contribuindo com 39-50 %, enquanto formas altamente oxidadas eram dominantes (39-50 %) na SH extraídas da fração silte. Os efeitos na mudança de uso do solo foram observados nas formas mais reduzidas e em estados intermediários de oxidação, principalmente das formas mais lábeis de S ligado ao C, sendo tal proporção maior no solo sob floresta, decrescendo substancialmente em solos cultivados (Solomons et al., 2003). Já, análises de SH extraídas de solos da África do Sul por XANES revelaram que as formas altamente oxidadas, como os ésteres sulfatos, eram as predominantes (39-55 % do S orgânico total), seguidas pelas formas em estádio intermediário de oxidação (30-37 %). Apenas 17-24 % do S das SH encontrava-se em formas altamente reduzidas (Solomons et al., 2005). Xia et al. (1998) também verificaram que as formas altamente oxidadas de S eram as que predominavam em SH extraídas de solos. Usando a mesma técnica de XANES para solos da Nova Zelândia, China e Reino Unido, verificou-se que as formas mais oxidadas, intermediárias e mais reduzidas contribuíam com, respectivamente, 22-53, 33-50 e 14-32 % do S orgânico das SH, respectivamente. Solos bem aerados sob cultivo de espécies anuais Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 31 Matéria Orgânica do Solo apresentaram maiores proporções de S na forma altamente oxidada que os mesmos solos sob pastagem, enquanto solos sob cultivo de arroz inundado tiveram maior proporção de S em formas mais reduzidas. A conversão de solos sob cultivos anuais em florestas ou pastagens e adição de esterco colaboraram para redução na proporção das formas de S mais oxidadas com aumentos proporcionais nas formas mais reduzidas e em estádios intermediários de oxidação (Zhao et al., 2006). Essa caracterização é importante para a compreensão da dinâmica do S das SH nos solos. Segundo Zhao et al. (2006), a mineralização bruta de S durante um período de 53 dias estava mais diretamente relacionada com as quantidades de S na forma reduzida e intermediária do que nas formas mais oxidadas, ou seja, as menores frações. Isto evidencia que formas de S ligadas ao C é a principal forma de S orgânico mineralizada no curto prazo. Como observado, a exemplo do N, a taxa de mineralização do S orgânico depende de práticas de manejo e de culturas envolvidas, provavelmente em virtude da diferenças na população microbiana da rizosfera (Kertesz & Mirleau, 2004). 4. EFEITOS DIRETOS DAS SH NAS PLANTAS Efeitos diretos são aqueles que envolvem a absorção de macromoléculas orgânicas, tal como as SH, no tecido da planta resultando em vários efeitos bioquímicos, podendo ser na parede celular, na membrana plasmática ou no citoplasma (Chen & Aviad, 1990). Esses efeitos muitas vezes têm favorecido a absorção de nutrientes e o crescimento das plantas. Façanha et al. (2002) reporta que os efeitos das SH sobre o metabolismo das plantas são resultado (i) da influência positiva sobre o transporte de íons facilitando a absorção; (ii) do aumento da respiração e da velocidade das reações enzimáticas do ciclo de Krebs, resultando em maior produção de ATP; (iii) do aumento no conteúdo de clorofila; (iv) do aumento na velocidade e síntese de ácidos nucléicos; (v) do efeito seletivo sobre a síntese protéica; (vi) do aumento ou inibição da atividade de diversas enzimas (Nannipieri et al.,1993). Todavia, os alvos moleculares primariamente envolvidos nessas respostas não foram ainda elucidados. Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 32 Matéria Orgânica do Solo Alguns autores atribuem os efeitos SH sobre a absorção de nutrientes pelas plantas a interações destes compostos com os sítios de absorção da membrana celular (Lee & Bartlett, 1976; Marschner et al, 1986). Chen & Schnitzer (1978) identificaram uma interação entre AH e estruturas fosfo-lipídicas da membrana celular, agindo como carreadores de nutrientes. Neste caso o efeito dos ácidos húmicos ocorreria de forma passiva, sem a necessidade de entrada destes compostos na célula vegetal. Contudo, experimentos conduzidos por Vaughan & Ord (1981), utilizando compostos húmicos marcados com 14 C, demonstraram a absorção destes compostos pela célula vegetal. Essa evidência abriu uma nova perspectiva em relação ao efeito de substâncias húmicas sobre plantas, mostrando que é possível uma ação direta destes compostos sobre mecanismos fisiológicos da planta. O incremento da absorção de nutrientes proporcionado pela presença de SH em solução tem sido também justificado por um hipotético aumento da permeabilidade da membrana plasmática por meio da ação surfactante das SH e a ativação da H + -ATPase de membrana plasmática (Varanini et al., 1993). Entretanto, segundo Façanha et al. (2002) seria improvável que o aumento da permeabilidade da membrana plasmática e a dissipação do potencial transmembranar possa induzir qualquer efeito benéfico sobre as plantas. Os autores comentam que o controle da permeabilidade celular está intimamente relacionado à manutenção da seletividade da membrana plasmática, fator fundamental para a manutenção da homeostase celular. Por outro lado, o gradiente eletroquímico gerado pela H + -ATPase de membrana plasmática está diretamente envolvido com dois mecanismos fundamentais do desenvolvimento vegetal: (i) a energização de sistemas secundários de translocação de íons fundamentais para a absorção de macro e micronutrientes e (ii) o aumento da plasticidade da parede celular para possibilitar o processo de crescimento e divisão da célula vegetal. Esse último mecanismo está relacionado com a teoria do crescimento ácido que postula que um aumento da extrusão de prótons mediado pela H + -ATPase promove a acidificação do apoplasto, que por sua vez ativa enzimas específicas que atuam sobre a parede celular aumentando sua plasticidade e, conseqüentemente, permitindo o alongamento da célula (Rayle & Cleland, 1992). Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 35 Matéria Orgânica do Solo Tempo, h 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 C om pr im en to , c m 0 5 10 15 20 25 a a a a a a a b b bb b b b Controle SH Figura 13. Cinética de elongação de raízes de milho em função da ausência ou presença de SH na solução nutritivas. Fonte: Eyheraguibel et al. (2008). Figura 14. Efeito das SH (esquerda) na quantidade de raízes laterais em comparação com o controle (direita). Fonte: Eyheraguibel et al. (2008). Também Nikbakht et al. (2008) avaliaram os efeitos da aplicação AH (0, 100, 500 e 1000 mg L -1 ) em solução nutritiva no crescimento e teores de macro e micronutrientes e plantas de gerbera (Gerbera jamesonii L.) cv. Malibu. O crescimento de raízes aumentou até a dose de 1000 mg L -1 de AH e os teores de macro e micronutrientes nas folhas e hastes, incluindo N, P, K, Ca, Mg, Fe e Zn, foram significativamente incrementados. Porém, altos níveis de AH diminuíram os teores de Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 36 Matéria Orgânica do Solo alguns nutrientes. A aplicação de 500 mg L -1 de AH aumentou também o número de flores colhidas por planta (52%). O efeito da aplicação de AF no crescimento e nutrição de plantas de aveia foi avaliado por Rosa et al. (2004). Os autores observaram que a adição de ácido fúlvico de vermicomposto de esterco bovino favoreceu o crescimento da parte aérea da aveia (Figura 15), acompanhado por um maior acúmulo de macro e micro nutrientes (Tabela 15). Dose de AF, mg C L -1 0 10 20 30 40 M as sa s ec a, g 2 3 4 5 6 y = 3,28 + 0,04 x R2 = 0,72 Dose de AF, mg C L -1 0 10 20 30 40 A lt u ra , cm 60 65 70 75 y = 62,15 + 0,28 x R 2 = 0,94 Figura 15. Massa seca da parte aérea e altura de plantas de aveia em resposta à adição de AF. Fonte: Rosa et al. (2004). Tabela 6. Nutrientes acumulados nas plantas de aveia em resposta a níveis de AF. Níveis AF Ca Mg K P N Cu Zn Fe Mn mg C L -1 ------------------g/vaso------------------ ------------- mg/vaso -1 ------------- 0 13,8 6,3 98,3 13,9 79,1 0,035 0,252 0,181 0,176 5 18,3 8,3 134,6 19,2 104,0 0,056 0,254 0,289 0,275 10 18,8 9,1 150,8 21,9 102,6 0,055 0,300 0,305 0,273 20 18,5 8,1 142,6 20,9 104,5 0,052 0,293 0,260 0,260 40 16,0 9,5 159,9 24,7 120,1 0,062 0,364 0,238 0,232 Gonçalves et al (2004), avaliaram a influência de SH extraídas de vermicompostos de diferentes matéria primas, no desenvolvimento da alface. Verificaram que o peso fresco da parte aérea, peso seco da parte aérea e área foliar não foram influenciados pelas SH, independentemente de sua origem (Tabela 7). Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 37 Matéria Orgânica do Solo Verificaram que as SH extraídas de vermicomposto de esterco suíno, reduziram o número de folhas por planta (Figura 16), sendo que as plantas que não receberam SH apresentaram 9,82% mais folhas. Já, para o diâmetro médio das cabeças de alface, a aplicação de SH oriundas de vermicomposto de borra de café proporcionou o melhores resultados (Figura 17). Tabela 7. Peso fresco, peso seco da parte aérea e área foliar por planta de alface, em resposta a SH de diferentes vermicompostos. Tratamentos Peso fresco Peso seco Área foliar ---------------- g ---------------- cm 2 Testemunha 129,63 a 7,91 a 2866,5 a Verm. esterco bovino 106,53 a 7,03 a 2491,7 a Verm. esterco ovino 112,49 a 7,23 a 2709,8 a Verm. esterco suíno 114,56 a 7,15 a 2598,9 a Verm. borra café 128,52 a 6,66 a 2893,6 a Verm. erva-mate 108,00 a 6,49 a 2614,8 a C.V. 14,2 13,6 13,1 Médias seguidas da mesma letra não diferem estatisticamente pelo teste de Duncan a 5% de significância. Figura 16. Número de folhas por planta de alface em função da aplicação de SH de diferentes origens. Fonte: Gonçalves et al. (2004). Substâncias húmicas e disponibilidade de nutrientes para as plantas 40 Matéria Orgânica do Solo diversas causas de variação possíveis. Para essa prática, a aplicação das SH via foliar mostra-se mais viável, uma vez que, para a aplicação via solo, a quantidade necessária para induzir efeitos nas plantas torna a prática extremamente onerosa. Mais uma vez ressalta-se a necessidade do conhecimento de unidades estruturais das frações das SH que se relacionem com os efeitos causados nos vegetais. 6. REFERÊNCIAS ALLEN, A.L.; STEVENSON, F.J.; KURTZ, L.T. Chemical distribution of fertilizer nitrogen in soil as revealed by nitrogen-15 studies. J. Environm. Qual., v.2, p.120-125, 1973. ALVAREZ V., V.H.; ROSCOE, R.; KURIHARA, C.H.; PEREIRA, N. de F. Enxofre. In: NOVAIS, R.F; ALVAREZ V., V.H.; BARROS, N.F. de; FONTES, R.L.F.; CANTARUTTI, R.B.; NEVES, J.C.L. (Eds.) Fertilidade do solo. Sociedade Brasileira de Ciência do Solo, Viçosa, MG, p.595-644, 2007. ANDRADE, F.V.; MENDONÇA, E.S.; ALVAREZ V., V.H.; NOVAIS, R.F. Adição de ácidos orgânicos e húmicos em Latossolos e adsorção de fosfato. Rev. Bras. Ci. Solo, v.27, p.1003-1011, 2003. ANDRADE, F.V.; MENDONÇA, E.S; SILVA, I.R.; MATEUS, R.F. Dry-matter production and phosphorus accumulation by maize plants in response to the addition of organic acids in Oxisols. 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