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Palestra do Dr. Fábio Lopes Olivares no 1º SLACTIA, realizado na rural.

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  1. 1. Processos microbianosProcessos microbianos como insumos biológicoscomo insumos biológicos para a agriculturapara a agricultura sustentávelsustentável Fabio L.Fabio L. OlivaresOlivares && Luciano P.Luciano P. CanellasCanellas NúcleoNúcleo de Desenvolvimento de Insumos Biológicos parade Desenvolvimento de Insumos Biológicos para a Agricultura (NUDIBA/UENF).a Agricultura (NUDIBA/UENF).
  2. 2. Teoria populacional malthusiana (Thomas Malthus: 1766 -1834) An Essay on the Principle of Population (1798))
  3. 3. Revolução verde (Ciclo de inovações tecnológicas para a agricultura) Norman Ernest Borlaug, Nobel Paz 1970
  4. 4. 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)
  5. 5. N –demanda Custos (Eficiência uso) Aplicação: Cada 100 unid: < 50 unid – planta Destinos Impac. Ecológicos
  6. 6. Desafios para Agricultura Mundial • Demandas para alta produção de alimentos sob uma perspectiva ambiental e economicamente sustentável; • INCT-FBN (Segurança alimentar para os próximos 50 anos) requer avanços tecnológicos comparáveis a revolução verde; • Mudanças climáticas globais x Impactos da agricultura • Inovação científica e tecnológica para produção baseada em novos modelos; • Incremento da participação de insumos biológicos.
  7. 7. •• ““A construção de modelos de produção sustentável é colocada como marco central para agricultura do século XXI, nesta direção microrganismos, seus processos e produtos são os elementos essenciais para mudança dos paradigmas de produção agrícola e os ingredientes mais preciosos do “boom tecnológico” que esta por vir”. agrícola e os ingredientes mais preciosos do “boom tecnológico” que esta por vir”.
  8. 8. Processos Microbianos Biofertilizante Bioestimulante Biocontrole Bioproteção BiofármacosBiofertilizante Bioestimulante Biocontrole Bioproteção (abióticos) Biofármacos
  9. 9. Estratégias para melhor aproveitamento de microrganismoEstratégias 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
  10. 10. Biotecnologia deBiotecnologia de InoculantesInoculantes
  11. 11. 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 ; PROCESSOS MICROBIANOS MATÉRIA ORGÂNICA •• InoculantesInoculantes •• Substratos para plantasSubstratos para plantas •• BiofertilizantesBiofertilizantes •• BioestimulantesBioestimulantes •• Fertilizantes organomineraisFertilizantes organominerais
  12. 12. 10,00 C-labile added 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 15 20 25 30 35 40 45Log10nºcells /gsoil SOM (g/m3)
  13. 13. BiofertilizanteBiofertilizante: Uso combinado de ácidos: Uso combinado de ácidos húmicos e bactérias diazotróficas endofíticas.húmicos e bactérias diazotróficas endofíticas. Humic Acid Diazotrophic bacteria
  14. 14. BiofertilizanteBiofertilizante: Uso combinado de ácidos: Uso combinado de ácidos húmicos e bactérias diazotróficas endofíticas.húmicos e bactérias diazotróficas endofíticas. Estudos BásicosEstudos Básicos
  15. 15. • 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.
  16. 16. CH3COOH • Humic aggregate can be disrupted and its components released in nanometric scale, which constitute the bases for ratio structure and biological activity.
  17. 17. Root exudatesRoot exudates disassemble thedisassemble the Ácidos OrgânicosÁcidos Orgânicos disassemble thedisassemble the apparent complicatedapparent complicated structure of HAstructure of HA
  18. 18. Estimulação da HEstimulação da H++--ATPaseATPase da membrama plasmáticada membrama plasmática (Marcador bioquímico da bioestimulação)(Marcador bioquímico da bioestimulação) b ab ab a 0 2 4 6 8 10 12 Control AHfp Bacteria AHfp+bacteria treatments molofPi(mgofptn)-1 (min)-1 •• ChangesChanges atat rootroot architecturearchitecture •• 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 raiz Comprinento específico Área específica Comprimento radicular Área radicularTratamento *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 raiz Comprinento específico Área específica Comprimento radicular Área radicularTratamento *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 raiz Comprinento específico Área específica Comprimento radicular Área radicularTratamento *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 raiz Comprinento específico Área específica Comprimento radicular Área radicularTratamento
  19. 19. Crescimento ÁcidoCrescimento Ácido Auxinas Poliaminas Outros Transportadores
  20. 20. Alterações anatômicas sobre o sistema radicularAlterações anatômicas sobre o sistema radicular
  21. 21. Ácidos Húmicos Sim Não Fonte de C Fonte de N 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 7 14 21 28 Dias após a inoculação Logcélulas.gsolo-1 0 4 40 400 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 7 14 21 28 Dias após a inoculação Logcélulas.gsolo-1 0 4 40 400 Após 4 semanas H. seropedicaeH. seropedicae AHAH Inibição da FBN* * Contents higher than 400 mg AH. l-1 SobrevivênciaSobrevivência no solono solo
  22. 22. 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 filterAHv 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
  23. 23. BACTERIABACTERIA BACTERIA + HABACTERIA + HA C applied in solution (mg) % C removed solution (root) 4 100 40 100 120 88 200 71 400 69
  24. 24. Ácidos Húmicos como indutores de biofilmes Células Isoladas Agregados microbianos Biofilmes microbianos
  25. 25. 72 h 6 h
  26. 26. 6 h
  27. 27. Estabelecimento endofítico aumentadoEstabelecimento endofítico aumentado Infecção atravês deInfecção atravês de raízesraízes
  28. 28. WAYS OF INFECTIONWAYS OF INFECTION How Humic acid modulateHow Humic acid modulate pplantlant--bacteria interaction ?bacteria interaction ?CHEMOTAXYSCHEMOTAXYS ATTACHMENTATTACHMENT (SINGLE CELL WITH(SINGLE CELL WITH APOLAR ATTACHMENT)APOLAR ATTACHMENT) Canellas et al., 2008 Canellas & Olivares, 2014 Increase efflux of C- sources in rhizosphere Increase points of lateral root numbers WAYS OF INFECTIONWAYS OF INFECTION ENDOPHYTIC COLONISATIONENDOPHYTIC COLONISATION ((AGREGATES TOAGREGATES TO BIOFILM)BIOFILM) Canellas et al., 2008 Enhanced Establishmen t of Endophytic population Increase attachment by HA 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
  29. 29. • Favorece agregação na superfície das raízes. • Quando pulverizado na parte aérea exerce Daniele Frade -IC na parte aérea exerce efeito protetor. •UV •Dessecação
  30. 30. BiofertilizanteBiofertilizante: Uso combinado de ácidos: Uso combinado de ácidos húmicos e bactérias diazotróficashúmicos e bactérias diazotróficas endofíticasendofíticas.. Aplicações
  31. 31. Uso combinado de AH e bactérias diazotróficas em mudas micropropagadas de cana-de- açúcar. Casa de vegetaçãoCasa de vegetação InIn vitrovitro CampoCampo
  32. 32. Fase de Aclimatação das mudasFase de Aclimatação das mudas micropropagadasmicropropagadas em viveiroem viveiro Controle Bactéria AH Uso combinado BacAH
  33. 33. Controle Bactéria+AH
  34. 34. Experimentos de campo: plantas micropropagadasExperimentos de campo: plantas micropropagadas inoculadasinoculadas Contro l BACAH32 % 10 % n.s. control AH 0 20 40 60 80 100 BRIX FIBRA POL PCC PUR Características agroindustriais (g/Kg) Produção de colomos (Mg/ha)
  35. 35. A B C Transplante das mudas micropropagadas para o campo experimental A D B C E D E D E Figura 12. Visão parcial do ensaio de campo: pesagem do vermicomposto (A), distribuição do vermicomposto nas linhas de plantio (B), mudas micropropagadas (C), plantio no campo (D), plantas micropropagadas após 10 meses do plantio (E).
  36. 36. CONTROLE INOCULADO
  37. 37. Produção de Sacarose (kg/m2) C B AB A 0 50 100 150 200 Produção de Sacarose (kg/m2) Série1 145 167 186 194 Controle Bacteria AH BACAH
  38. 38. 150 200 250 300 36,89 A 31,64 AB 29,21 B 28,73 B TCH TPH 0 50 100 150 BACAH BAC Control AH 221,15 A 183,31 AB 179,46 B 168,54 B Tukey 5% Mg/ha 23 -30%
  39. 39. Produção de grãos milho (Mg /ha)
  40. 40. B A AB AB b a b a 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Controle Bac AH Bac + AH Tukey 5% Kgha-1 Com N Sem N
  41. 41. Efeito da época de aplicação foliar dos tratamentos: i) ácidos húmicos extraídos de 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* N 16 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
  42. 42. Vermicomposto como veículoVermicomposto como veículo microbianomicrobiano
  43. 43. Vermicomposto/ácidos húmicosVermicomposto/ácidos húmicos (bioestimulação)(bioestimulação) • Caracterização molecular dos compostos orgânicos presentes nos VC foi realizada com a técnica da pirólise off-line acoplada à espectrometria de massas; • Foram identificados mais de 300 compostos principalmente os derivados de ligninas, de carboidratos, de proteínas, ácidos e alcoóis graxos, compostos terpênicos e hidrocarbonetos; Dariellys Balmori, DSc terpênicos e hidrocarbonetos; • O conhecimento da composição molecular da matéria orgânica estabilizada pela vermicompostagem é fundamental para o aprimoramento desses processos biotecnológicos.
  44. 44. Vermicomposto/ácidosVermicomposto/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
  45. 45. Enriquecimento biológico de vermicomposto estabilizado • Culturáveis e não culturáveis • Fases de maturação • Combinação de resíduos • Seleção, compatibilidade
  46. 46. 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
  47. 47. Fortificação de composto & vermicomposto Vermicomposto como veículo microbiano
  48. 48. EEnriquecimento Biológiconriquecimento Biológico de Substratosde Substratos
  49. 49. Enriquecimento Biológico de SubstratosEnriquecimento 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)
  50. 50. Enriquecimento Biológico de SubstratosEnriquecimento Biológico de Substratos –– Desenho OperacionalDesenho Operacional Quem ? Fungos Actinobactéria s Bactéria s
  51. 51. Enriquecimento Biológico de SubstratosEnriquecimento Biológico de Substratos –– Desenho OperacionalDesenho Operacional (continuação)(continuação)Bioprospecção com base na composição do substrato e biorreatores Composto e VermicompostoSerrapilheira: Ciclagem Rizosfera/Rizoplano Planta-específico
  52. 52. Enriquecimento Biológico de SubstratosEnriquecimento Biológico de Substratos –– Desenho OperacionalDesenho Operacional (continuação)(continuação)Passos para seleção de combinações – in vitro Características Promoção do Crescimento Vegetal: isolados e em combinação: sinergias de atividade
  53. 53. Enriquecimento Biológico de SubstratosEnriquecimento Biológico de Substratos –– Desenho OperacionalDesenho Operacional (continuação)(continuação)Estudos de compatibilidade microbiana 4 5 6 7 Log10UFC/mL b b Fungos compatíveis: Taxa de sobrevivência, aumento da atividade? Maximização da PCV pela bactéria? 0 1 2 3 Controle Isolado 467 Isolado 476 Log10UFC/mL
  54. 54. Inoculantes microbianos mistosInoculantes microbianos mistos –– bactériabactéria--plantaplanta HIFA FÚNGICA
  55. 55. 4 5 6 7 8 9 log10cell/gfolha Sobrevivencia de H.seropedicae em folhas de milho Inoculantes microbianos mistosInoculantes microbianos mistos –– bactériabactéria--plantaplanta 100 120 140 160 180 200nmoles/frasco/h 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 0 1 2 3 4 log10cell/gfolha 0 20 40 60 80 100 24 48 60 72 nmoles/frasco/h Horas B B+F Aguiar, DSc Thesis
  56. 56. 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.
  57. 57. 100 100 116 206 Conteudo de N e P (%) em vermicomposto maturado VC VC+BAC 100 100 N P
  58. 58. Tomate Industrial: Enriquecimento de Substrato/Spray FoliarVCi Vci+FA C+FAC Plantlets and tomato fruit yields (70% increase)
  59. 59. + 55 22 27397198 www.nudiba.co m.br

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