Bioprospection of native microorganisms with bio-remediating capacity of soils contaminated by herbicides

Keywords: Biodegradation, Fertilizers, Organic agriculture

Abstract

Organic farming has grown considerably in the wake of decrease in the use of chemical fertilizers. However, in contaminated areas its development is vetoed, and a long period of decontamination is necessary. A method to speed up the process is the use of bioremediation, or rather, the use of living microorganisms, in the degradation of pesticides. Current study aims at isolating microorganisms with bio-remediator potential of soils contaminated by three herbicides, and the effect of the herbicides on soil microorganisms. Tests were conducted to determine CO2 emission by soil biological activity. The effect of contaminants under the microbial population was evaluated by determining Shannon, Simpson and Pielou indexes. The potential of isolates as bioremediating agents was determined by the evaluation of the growth capacity of microorganisms in contaminated liquid BDA medium. Thirty-two microorganisms, 18 bacteria and 14 fungi, were isolated. Six fungal isolates and six bacterial isolates were used. The fungal isolate UERGS-FNI6 demonstrated great capacity to develop in liquid medium contaminated with glyphosate and atrazine, and its growth stimulated in both situations. The same was done for fungal isolates UERGS-FNI4 and UERGS-FNI1, which also had their development stimulated by atrazine and glyphosate, respectively. In the case of bacterial isolates, UERGS-BNI3 showed satisfactory growth in liquid medium contaminated by Imazetapir, showing to be resistant to this contaminant, and with potential for use as bio-remediators of soils contaminated with herbicides.

Author Biographies

Jéssica Maciel Machado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS
Graduada em Agronomia pela Universidade Estadual do Rio Grande do Sul (UERGS), campus Cachoeira do Sul. Doutoranda no Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Porto Alegre (RS), Brasil.
Benjamin Dias Osorio Filho, Universidade Estadual do Rio Grande do Sul - UERGS
Doutor em Ciência do Solo pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UERGS), com estágio doutoral na Universidad Nacional Autónoma de México. Professor Adjunto da Universidade Estadual do Rio Grande do Sul, nos cursos de Bacharelado e Mestrado. Brasil.
Rodrigo Sanchotene Silva, Universidade Estadual do Rio Grande do Sul - UERGS
Doutor em Engenharia pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais (PPGE3M) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Professor adjunto da UERGS e Pesquisador Líder do Laboratório de Recuperação e Tratamento de Materiais (LRTM/UERGS). Brasil.
Valeria Pohlmann, Universidade Federal de Santa Maria - UFSM
Graduada em Agronomia pela Universidade Estadual do Rio Grande do Sul (UERGS), campus Cachoeira do Sul. Doutoranda no Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Produção Agrícola Familiar na Universidade Federal de Pelotas (UFPEL), Pelotas (RS), Brasil.

References

ALBERGONI, L.; PELAEZ, V. Da revolução verde à agrobiotecnologia: ruptura ou continuidade de paradigmas? Revista de Economia, v. 33, n. 1, 2007.

ANDRADE, J. A.; AUGUSTO, F.; JARDIM, I. C. S. Biorremediação de solos contaminados por petróleo e seus derivados. Eclética química, v. 35, n. 3, p. 17-43, 2010.

ANDRIGHETTI, Marília Scopel et al. Biodegradação de glifosato pela microbiota de solos cultivados com macieira. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v. 38, n. 5, p. 1643-1653, 2014.

ARAÚJO, A. S. F. de. Biodegradação, extração e análise de glifosato em dois tipos de solos. 2002. Dissertação (Mestrado em Agronomia) - Universidade de São Paulo, 2002.

ARAÚJO, A. S. F. et al. Biodegradação de glifosato em dois solos brasileiros. Pesticidas: Revista de Ecotoxicologia e Meio Ambiente, v. 13, 2003.

BASTOS, F. A.; SIMONI, J. A. Determinação da variação de entalpia da interação entre o herbicida glifosato e os íons cálcio, cobre, zinco e alumínio em solução aquosa por calorimetria por titulação isotérmica. Augmdomus, La Plata, v. 2, n. 1, p. 60-71, 2010.

BELO, A. F. et al. Potencial de espécies vegetais na remediação de solo contaminado com sulfentrazone. Planta daninha, v. 29, n. 4, p. 821-828, 2011.

BLANCO, F. M. G.; VELINI, E. D. Persistência do herbicida sulfentrazone em solo cultivado com soja e seu efeito em culturas sucedâneas. Planta Daninha, v. 23, n. 4, p. 693-700, 2005.

BLANCO, F. M. G.; VELINI, E. D.; BATISTA FILHO, A. Persistência do herbicida sulfentrazone em solo cultivado com cana-de-açúcar. Bragantia, v. 69, n. 1, p. 71-75, 2010.

BOHM, G. M. B. et al. Controle de plantas daninhas, biomassa e metabolismo microbiano do solo em função da aplicação de glifosato ou imazetapir na cultura da soja. Semina: Ciências Agrárias, v. 32, n. 3, p. 919-929, 2011.

BOTELHO, A. A. A.; MONTEIRO, A. C. Sensibilidade de fungos entomopatogênicos a agroquímicos usados no manejo da cana-de-açúcar. Bragantia, v. 70, n. 2, p. 361-369, 2011.

CASTRO JÚNIOR, J. V.; SELBACH, P. A.; ZÁCHAAYUB, M. A. Avaliação do efeito do herbicida glifosato na microbiota do solo. Pesticidas: Revista de Ecotoxicologia e Meio Ambiente, v. 16, 2006.

COLLA, L. M. et al. Isolamento e seleção de fungos para biorremediação a partir de solo contaminado com herbicidas triazínicos. Ciência e Agrotecnologia, v. 32, n. 3, p. 809-813, 2008.

DEMICHELLI, F. N. et al. Caracterização de microrganismos isolados de solo contaminado com Glifosato na região sul do Brasil/Characterization of microorganisms isolated from soil contaminated with Glyphosate in southern Brazil. Brazilian Journal of Animal and Environmental Research, v. 3, n. 1, p. 2-8, 2020.

DEMICHELLI, F. N. et al. Isolamento, seleção e avaliação do potencial de biodegradação de glifosato (n-(Fosfonometil) glicina) por microrganismos isolados de solo de lavoura, em Laranjeiras do Sul, PR. 2016. Dissertação de mestrado - Universidade Federal da Fronteira Sul.

DUGGLEBY, R. G.; PANG, S. S. Acetohydroxyacid synthase. BMB Reports, v. 33, n. 1, p. 1-36, 2000.

FAN, F. M. et al. Resíduos de agrotóxicos em água e solo de município em região produtora de fumo no Rio Grande do Sul. Saúde coletiva, desenvolvimento e (in) sustentabilidades no rural. p. 89-108, 2018.

FERREIRA, D. F. Sisvar: a computer statistical analysis system. Ciência e Agrotecnologia, v. 35, n. 6, p. 1039-1042, 2011.

GAYLARDE, C. C.; BELLINASO, M. L.; MANFIO, G. P. Biorremediação. Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento, v. 34, p. 36-43, 2005.

GIMENES, L. J. Fungos Basidiomicetos. Instituto de Botânica de São Paulo. São Paulo, 2010.

GODOI, I. Impacto da presença de atrazina na comunidade bacteriana do solo. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Universidade Estadual do Oeste do Pará, 2012.

GÓNGORA-ECHEVERRÍA, V. R. et al. Pesticide bioremediation in liquid media using a microbial consortium and bacteria-pure strains isolated from a biomixture used in agricultural areas. Ecotoxicology and Environmental Safety, v. 200, p. 110734, 2020.

JABLONOWSKI, N. D. et al. Persistence of 14C-labeled atrazine and its residues in a field lysimeter soil after 22 years. Environmental Pollution, v. 157, n. 7, p. 2126-2131, 2009.

JANKE, D.; FRITSCHE, W. Nature and significance of microbial cometabolism of xenobiotics. Journal of basic microbiology, v. 25, n. 9, p. 603-619, 1985.

JUNIOR, O. P. et al. Glifosato: propriedades, toxicidade, usos e legislação. Química nova, v. 25, n. 4, p. 589-593, 2002.

KOLEKAR, P. D. et al. Microcosm study of atrazine bioremediation by indigenous microorganisms and cytotoxicity of biodegraded metabolites. Journal of Hazardous Materials, v. 374, p. 66-73, 2019.

LIMA, S. A. O.; FREITAS, A. J. R.; ANDRADE, H. A. Diversidade da malacofauna associada à distribuição de Anomalocardia flexuosa (Linnaeus, 1767) (Mollusca: Bivalvia) em uma praia arenosa tropical. Biotemas, v. 32, n. 4, p. 51-62, 2019.

LUPWAYI, N. Z. et al. Soil microbial response to herbicides applied to glyphosate-resistant canola. Agriculture, ecosystems & environment, v. 129, n. 1-3, p. 171-176, 2009.

MALLMANN, V. et al. As Vantagens da Biorremediação na Qualidade Ambiental. Ensaios e Ciência, v. 23, n. 1, p. 12-15, 2019.

MALTY, J. S.; SIQUEIRA, J. O.; MOREIRA, F. M. S. Efeitos do glifosato sobre microrganismos simbiotróficos de soja, em meio de cultura e casa de vegetação. Pesquisa Agropecuária Brasileira, v. 41, n. 2, p. 285-291, 2006.

MARIA, M. A. et al. Efeito do Herbicida Roundup Original® a base de glifosato em organismos não alvo utilizando modelo mesocosmo. Revista em Agronegócio e Meio Ambiente, v. 13, n. 1, p. 279-300, 2020.

MARTINS, P. F. et al. Selection of microorganisms degrading s-metolachlor herbicide. Brazilian archives of Biology and Technology, v. 50, n. 1, p. 153-159, 2007.

MONTEIRO, R. T. R.; FRIGHETTO, R. T. S. Determinação da umidade, pH e capacidade de retenção de água do solo. In: Indicadores biológicos e bioquímicos da qualidade do solo, [S.l: s.n.], 2000.

MOREIRA, F. M. S.; SIQUEIRA, J. O. Microbiologia e bioquímica do solo UFLA, Lavras, 2006.

NOGUEIRA, O. M. N. et al. Tolerância de microrganismos eucariotos ao herbicida glifosato. Semina: Ciências Biológicas e da Saúde, v. 42, n. 1, p. 103-112, 2021.

PELLEGRINI, L. G. et al. Produção de forragem e dinâmica de uma pastagem natural submetida a diferentes métodos de controle de espécies indesejáveis e à adubação. Revista Brasileira de Zootecnia, v. 39, n. 11, p. 2380-2388, 2010.

PIELOU, E. C. An introduction to mathematical ecology. New York: Wiley Interscience, 1969. 286p.

PORTO, M. F.; SOARES, W. L. Modelo de desenvolvimento, agrotóxicos e saúde: um panorama da realidade agrícola brasileira e propostas para uma agenda de pesquisa inovadora. Revista Brasileira de Saúde Ocupacional, v. 37, n. 125, p. 17-31, 2012.

ROBERTSON, B. K.; ALEXANDER, M. Growth‐linked and cometabolic biodegradation: Possible reason for occurrence or absence of accelerated pesticide biodegradation. Pesticide Science, v. 41, n. 4, p. 311-318, 1994.

ROS, M. et al. Molecular and physiological bacterial diversity of a semi-arid soil contaminated with different levels of formulated atrazine. Applied Soil Ecology, v. 34, n. 2-3, p. 93-102, 2006.

SEGATTO, A. et al. Fitotoxicidade do herbicida imazethapyr na cultura da aveia em sucessão com arroz irrigado. Anais do Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão, v. 10, n. 2, 2018.

SHANNON, C. E.; WEAVER, W. The Mathematical Theory of Communication. Urbana: University of Illinois Press, 1949. 131p.

SILVA, E. E.; DE AZEVEDO, P. H. S.; DE-POLLI, H. Determinação da respiração basal (RBS) e quociente metabólico do solo (qCO2). Embrapa Agrobiologia-Comunicado Técnico (INFOTECA-E), 2007.

SILVA, P. V. da. Comportamento ambiental e bioatividade sobre plantas daninhas de herbicidas residuais aplicados sobre a palha de cana-de-açúcar em diferentes condições hídricas do solo. 2018. Tese (Doutorado) - Universidade de São Paulo, 2018.

SILVA, R. F. et al. Influência da aplicação de herbicidas pré-emergentes na fauna do solo em sistema convencional de plantio de cana-de-açúcar. Biotemas, v. 25, n. 3, p. 227-238, 2012.

SIMPSON, E. H. Measurement of diversity. Nature, New York, v. 163, n. 4148, p. 688, 1949.

SOULAS, G.; CHAUSSOD, R.; VERGUET, A. Chloroform fumigation technique as a means of determining the size of specialized soil microbial populations: application to pesticide-degrading microorganisms. Soil Biology and Biochemistry, v. 16, n. 5, p. 497-501, 1984.

STUART, R. M. Comunidade de fungos endofíticos associada à cana-de-açúcar convencional e geneticamente modificada. 2006. Tese (Doutorado) - Universidade de São Paulo, 2006.

TAVELLA, L. B. et al. O uso de agrotóxicos na agricultura e suas consequências toxicológicas e ambientais. Agropecuária Científica no Semiarido, v. 7, n. 2, p. 06-12, 2011.

TRIQUES, Maria Carolina et al. Assessing single effects of sugarcane pesticides fipronil and 2, 4-D on plants and soil organisms. Ecotoxicology and Environmental Safety, v. 208, p. 111622, 2021.

VARGAS, L.; ROMAN, E. S. Resistência de plantas daninhas a herbicidas: conceitos, origem e evolução. Embrapa Trigo-Documentos (INFOTECA-E), 2006.

WIN, P. M.; MATSUMURA, E.; FUKUDA, K. Effects of Pesticides on the Diversity of Endophytic Fungi in Tea Plants. Microbial Ecology, p. 1-11, 2021.

Published
2021-12-01