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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.64.2011.tde-30092011-105127
Document
Author
Full name
Mariana Gomes Germano Silva
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2011
Supervisor
Committee
Mui, Tsai Siu (President)
Fiore, Marli de Fatima
Lemos, Eliana Gertrudes Macedo
Maldonado, Gabriel Padilla
Mendes, Rodrigo
Title in Portuguese
Diversidade funcional em solos de Terra Preta de Índio da Amazônia e carvão pirogênico
Keywords in Portuguese
Bacteria
Biologia molecular
Ecologia microbiana
Solo
Abstract in Portuguese
Solos com horizonte superficial antrópico, conhecidos como Terra Preta Antropogênica (TPA), Terra Preta de Índio (TPI) ou simplesmente Terra Preta, representam um dos mais marcantes registros da antiga ocupação humana na região amazônica, sendo comumente localizados ao longo de rios e interflúvios, ocupando várzeas, elevações marginais adjacentes e terra firme. Um dos principais fatores responsáveis pelo comportamento diferenciado dos solos TPI é a maior quantidade e a diferença qualitativa da sua matéria orgânica, que consiste em, aproximadamente, 35% de carvão pirogênico. A presença de material orgânico estável e a atividade biológica indicam que as TPI podem ser sítios de alta diversidade microbiana. O manejo da matéria orgânica visando à conservação e melhoria da qualidade do solo é fundamental na ciclagem de nutrientes e na manutenção da sustentabilidade dos agroecossistemas tropicais. Nesse contexto, os processos de biodegradação regem grande parte do ciclo do carbono, cuja fração biológica é dependente de enzimas microbianas como as dioxigenases, que utilizam compostos orgânicos presentes no solo como fonte de carbono e energia. A caracterização e o isolamento de bactérias potencialmente degradadoras de resíduos orgânicos em solos TPI pode gerar dados indicativos da qualidade biológica desse solo, além de prover informações sobre a diversidade genética destes micro-organismos. Da mesma forma, o estudo da diversidade de genes catabólicos pode facilitar a compreensão das bases adaptativas de micro-organismos funcionais do carvão pirogênico e seu papel no equilíbrio da fertilidade das TPI, além de determinar sua influência nas comunidades biológicas destes solos. Este estudo analisou a diversidade de comunidades bacterianas associadas a processos de degradação de compostos aromáticos em amostras de solo TPI e carvão pirogênico na Amazônia Central, coletadas nos sítios do Caldeirão sob capoeira e sob cultivo agrícola, Costa do Açutuba, Hatahara e Balbina, por meio de técnicas de cultivo e técnicas moleculares. Estes sítios são caracterizados por diferentes épocas de ocupação pelas populações indígenas, que variam desde 1200 anos atrás (Caldeirão) até mais de 2000 anos, como o Costa do Açutuba. Os isolados obtidos a partir do enriquecimento apresentaram grande diversidade de gêneros e espécies, extensamente descritas como degradadores de vários substratos aromáticos, tanto naturais quanto xenobióticos. As bibliotecas de clones contendo genes funcionais mostraram que a diversidade microbiana no carvão pirogênico foi frequentemente maior em relação aos solos TPI. A grande maioria dos clusters gerados no pirosequenciamento (98%) reuniu sequências de dioxigenases obtidas unicamente neste estudo. A abundância de genes catabólicos foi determinada por PCR quantitativo. Os resultados deste estudo apresentaram uma diversidade de genes associados à ciclagem de C ainda não descrita em solos antrópicos da Amazônia, demonstrando o papel fundamental das comunidades microbianas funcionais na manutenção da fertilidade dos solos TPI
Title in English
Functional diversity in Amazonian Dark Earth soils and black carbon
Keywords in English
Bacteria
Microbial ecology
Molecular biology
Soil
Abstract in English
Antropogenic Dark Earth or Amazonian Dark Earth soils (ADE) represents one of the most important records of pre-Colombian settlements in Brazilian Amazon region, commonly located along rivers and interfluves. One of the main factors responsible for the singular features of these soils is the presence of high amounts of pirogenic black carbon or biochar, consisting of approximately 35% along anthropogenic surface. The presence of stable organic matter and biological activity are indicative that ADE soils may be hotspots of microbial diversity. The management of organic matter with the aim of conserving and improving soil quality is critical to nutrient cycling and maintenance of sustainable tropical agroecosystems. In this context, the biodegradation processes govern most of the carbon biogeochemical cycle, which quite depends on microbial enzymes such as dioxygenases, which use organic compounds in soil as carbon source and energy. The characterization and isolation of potentially degrader bacteria from ADE soils can generate indicative data of the biological quality of these soils, as well as provide information of the genetic diversity of these microorganisms. Likewise, studies involving diversity of catabolic genes may facilitate the understanding of the role of functional microorganisms present in black carbon in the balance of the fertility of ADE soils, besides the evaluation of their influence on biological communities in these soils. This study assessed the diversity of bacterial communities associated with degradation processes of aromatic compounds in ADE soils and black carbon in Central Amazon through cultivation and molecular techniques. The samples were collected in Caldeirão Experimental Station (Embrapa-CPAA) under secondary forest and manioc culture, along with Costa do Açutuba, Hatahara and Balbina sites. These TPI sites are characterized by distinct ages of occupation by pre-Colombian populations, ranging from 1,200 years ago (Caldeirão sites) to more than 2,000 years, such Costa do Açutuba site. The isolates obtained from enrichment showed great diversity of species and genera, widely described as potentially degraders of a wide range of aromatic substrates, both natural and xenobiotic. The clone libraries containing functional genes showed that the microbial diversity in black carbon was often greater in relation to soil ADE. The vast majority of clusters generated by pyrosequencing (98%) grouped dioxygenases sequences obtained solely in this study. The abundance of catabolic genes was determined by quantitative PCR. The results of this study showed great diversity of genes associated with C cycling, not previously reported in Amazonian anthropogenic soils, proving the essential role of functional microbial communities supporting the fertility of ADE soils
 
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Doutorado.pdf (8.58 Mbytes)
Publishing Date
2011-10-03
 
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