Nitrogênio: sua fixação biológica está mais perto de você do que imagina

O nitrogênio (N) é um elemento químico necessário a todos os organismos vivos, essencial na síntese de proteínas, ácidos nucleicos e outros compostos. Contudo, nenhum ser vivo, com exceção de alguns microrganismos, possui a capacidade de aproveitar o Nitrogênio existente no ar. Este é um dos paradoxos da natureza.

Embora o nitrogênio constitua uma grande parte do ar que respiramos (78%), os vegetais não conseguem acessá-lo dessa forma. O nitrogênio atmosférico deve passar por um processo natural chamado fixação biológica de nitrogênio, realizado por bactérias. As mais famosas e utilizadas são as dos gêneros Rhizobium e Bradyrhizobium, que transformam o Nitrogênio em uma forma que pode ser usada na nutrição das plantas.

Nitrogênio: elemento do desenvolvimento dos vegetais

O nitrogênio é o elemento que mais participa no desenvolvimento das plantas. É necessário em grandes quantidades no solo para evitar deficiência na produção e sanidade dos vegetais. 

Plantas saudáveis geralmente contêm de 3 a 4% de nitrogênio em seus tecidos acima do solo. Esta é uma concentração muito maior quando comparado a outros nutrientes.

Dentro da planta, o nitrogênio é convertido em aminoácidos, os blocos de construção das proteínas. O Nitrogênio atua na formação do protoplasma, o local da divisão celular e do crescimento das plantas. Além disso, também está nas moléculas de DNA e RNA e é um componente necessário na composição de várias vitaminas, como por exemplo, biotina, tiamina, niacina e riboflavina.

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Esses aminoácidos também são utilizados na produção de enzimas e proteínas armazenadas nos grãos e sementes. Com isso, podemos dizer que o nitrogênio é uma espécie de combustível para as células.

O Nitrogênio desempenha um papel crucial na produção das culturas, pois é responsável pelo crescimento e vigor da planta. Isso, é claro, se todos os outros nutrientes da planta estiverem equilibrados, e atenderem às necessidades de cada cultura. 

Exerce função em todo o metabolismo vegetal. Está presente na produção de proteínas e desempenha um papel fundamental na fotossíntese, sendo essencial na formação da clorofila e cor verde das plantas. Elementos cruciais ao desenvolvimento e produção de qualquer planta.

O nitrogênio realmente é multitarefas! Por isso, é considerado um macronutriente para a planta, ou seja, um dos nutrientes que mais precisam ser ofertados, dada sua ampla utilização na fisiologia do vegetal.

Disponibilidade de nitrogênio para as plantas

Para as plantas poderem usar o nitrogênio (entenda qual a função do nitrogênio nas plantas) em seu metabolismo,  ele precisa ser oferecido via solo. Existem três principais formas de ofertar o nitrogênio para as culturas:

1. Fertilizantes sintéticos;
2. Matéria orgânica do solo;
3. Fixação biológica do nitrogênio atmosférico.

Atualmente, os fertilizantes sintéticos nitrogenados são a principal fonte desse nutriente para as plantas cultivadas. Nos sistemas agrícolas intensivos de hoje, o fertilizante sintético nitrogenado tornou-se cada vez mais crucial. Atualmente são produzidas mais de 100 milhões de toneladas do produto a cada ano.

Como outra forma, a disponibilidade de nitrogênio por meio da matéria orgânica do solo se dá pela decomposição de materiais vegetais, microrganismos e animais que acontece de maneira constante, porém lenta, durante um longo período de tempo.

Já a fixação biológica é feita pelas bactérias que estão naturalmente no solo. No entanto, esses microrganismos são também inoculados, para agilizar o processo e aumentar sua eficiência. A inoculação é feita por meio de produtos formulados, que entregam à planta uma grande quantidade de bactérias, que farão a fixação biológica do nitrogênio.

As plantas do grupo das leguminosas (soja, feijão, ervilha, lentilha por exemplo) são as que melhor se relacionam com essas bactérias (simbiose). Porém, a inoculação em outros grupos vegetais tem se mostrado eficiente.

A fixação biológica de nitrogênio traz redução de custos

A fixação biológica de nitrogênio (FBN), foi descoberta por Beijerinck em 1901, e é realizada por um grupo especializado de bactérias. Esses organismos utilizam a enzima nitrogenase para acelerar a conversão do nitrogênio atmosférico (N2) em formas disponíveis para as plantas, fazendo com que elas possam ser assimiladas facilmente.

O nitrogênio (N2) é fixado ou combinado na natureza como óxido nítrico (NO), que não é disponível para as plantas. Porém, quantidades mais significativas de nitrogênio são fixadas como amônia, nitritos e nitratos por microrganismos do solo, que são responsáveis por mais de 90% de toda a fixação de nitrogênio. Em formas reduzidas, o nitrogênio consegue ser absorvido e utilizado pelas plantas e outros micróbios.

Dois tipos de microrganismos fixadores de nitrogênio são reconhecidos: bactéria de vida livre (não simbiótica), incluindo as cianobactérias (ou algas verde-azuladas) Anabaena e Nostoc e gêneros como Azotobacter, Beijerinckia e Clostridium; e bactérias mutualísticas (simbióticas) como Rhizobium, associada a leguminosas, e várias espécies de Azospirillum, associadas a gramíneas.

As bactérias simbióticas fixadoras de nitrogênio invadem os pelos da raiz da planta hospedeira, onde se multiplicam e estimulam a formação de nódulos radiculares, que representam uma região de maior número de vegetais e bactérias, em íntima associação.

Dentro dos nódulos, a bactéria converte nitrogênio livre (N2) em amônia (NH3), que a planta hospedeira utiliza para seu desenvolvimento. Para garantir a formação de nódulos suficientes e o crescimento ideal de leguminosas (por exemplo, grão-de-bico, feijão, ervilha e soja), as sementes são geralmente inoculadas com culturas comerciais de espécies de rizóbio, especialmente em solos pobres ou com falta da bactéria necessária.

Benefícios da fixação biológica do nitrogênio

Segundo a Embrapa, a fixação biológica do nitrogênio promove vários benefícios para os cultivos agrícolas, cabendo destacar:

• o menor uso de adubos nitrogenados, o que resulta em economia para o produtor;
• autofornecimento de nitrogênio utilizado para a formação da planta, minimizando os impactos do nitrogênio sobre o meio ambiente;
• o uso de leguminosas como adubos verdes eficientes para FBN fornece nitrogênio para o solo e melhora suas propriedades físicas, químicas e biológicas;
• aumento de produtividade, especialmente em solos deficientes em nitrogênio.

Mas, se não têm bactérias suficientes no solo, a gente dá um jeito

Quando falamos em inoculação, estamos nos referindo ao ato de adicionar bactérias na superfície das sementes que serão plantadas. Seria como dar um banho de bactérias nas sementes antes do plantio. 

Essa inoculação faz com que haja a diminuição do uso de fertilizantes nitrogenados sintéticos, resultando em economia ao produtor. Além disso, por ser um processo que naturalmente ocorre, há um reaproveitamento do nitrogênio, formando um ciclo de utilização.

Atualmente a cultura da soja é a que mais utiliza esse recurso na produção agrícola. Estima-se que para cada 1000 kg de grãos de soja produzidos sejam necessários 80 kg de N, que podem ser totalmente fornecidos pela fixação biológica.

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A planta de soja obtém nitrogênio das bactérias, ao mesmo tempo que fornece carboidratos a elas. Quando a semente de soja germina, a bactéria invade os pelos da raiz da muda e começa a se multiplicar. Os nódulos, que abrigam as bactérias, se formam nas raízes. 

Em condições de campo, os primeiros nódulos se formam dentro de uma semana após a emergência da muda e se tornam visíveis à medida que aumentam de tamanho. A fixação ativa começa no estágio em que a planta ainda está vegetando e crescendo. Com o desenvolvimento das plantas o número de nódulos e a quantidade de nitrogênio fixada continuam a aumentar. 

A demanda de nitrogênio também vai aumentando, principalmente quando a planta começa a sua fase reprodutiva, momento em que surgem as flores e a formação das vagens e sementes. Nesse estágio é onde o nitrogênio vai ser mais utilizado pelo vegetal. 

A soja pode obter de 50 a 75% de suas necessidades de nitrogênio do ar quando bactérias fixadoras de nitrogênio estabelecem nódulos funcionais nas raízes. Mesmo em áreas cultivadas há longa data com soja, a reinoculação garante incrementos médios de 8% no rendimento, pois reintroduz anualmente bactérias eficientes.

Somente com esse exemplo, já percebemos o quanto a fixação biológica é importante nos cultivos agrícolas. É bom citar também que os inoculantes são usados em algumas espécies de adubos verdes. Essas plantas farão o acúmulo do nitrogênio em seus tecidos e com a decomposição da matéria orgânica, servirão de fonte de nutrientes para as plantas que vêm em um próximo cultivo.

A biotecnologia abrindo o leque de opções

Com a grande importância que traz a fixação biológica de nitrogênio para as plantas, muitas pesquisas têm sido conduzidas para entender melhor o sistema, além de buscar novas bactérias e genes que possam ampliar esse manejo. E o desenvolvimento de estratégias para a fixação biológica em cereais – milho, trigo, cevada etc. – vem sendo bastante estudado.

Alguns pesquisadores estão estudando novos inoculantes para o grupo dos cereais. Isso porque algumas espécies de rizóbio podem colonizar cereais, mas não fixam o nitrogênio neles.

De um modo geral, o propósito das investigações é o de combinar bactérias que já são utilizadas como inoculantes de milho, por exemplo, com as espécies de rizóbio (Azorhizobium caulinodans e Rhizobium sp.), diminuindo a necessidade de fertilizantes sintéticos e trazendo benefícios para o cultivo de cereais.

Outra abordagem tem sido a busca por maximização na taxa de conversão de nitrogênio atmosférico pelo rizóbio, em diferentes estágios da interação planta-bactéria. Para isso, a biotecnologia tem desenvolvido microrganismos geneticamente modificados (OGM) como alternativa.

Principais fontes:

Goyal R. K.  et al., Molecular biology in the improvement of biological nitrogen fixation by rhizobia and extending the scope to cereals. Microorganisms, 2021.

Basu S.e Kumar G., Nitrogen fixation in a legume-rhizobium symbiosis: the roots of a success story. Plant Microbe Symbiosis, 2020.