Mecanismos fisiológicos e bioquímicos de fitoproteção em espécies nativas associadas a fungos micorrízicos arbusculares em solos contaminados

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Recursos Genéticos Vegetais, Florianópolis, 2018.A exploração de carvão no sul do Brasil levou à eliminação da vegetação nativa, à desestruturação do perfil natural do solo e à contaminação por metais pesados, sem ter havido devida mitigação do impacto ambiental. Essas condições edáficas dificultam a resiliência desses ambientes, sendo necessárias pesquisas embasando intervenções técnicas que acelerem o processo de recuperação. Os fungos micorrízicos arbusculares (FMAs) e as bactérias fixadoras de nitrogênio (BFN) são microrganismos, presentes nesses locais, reconhecidos por melhorar o estado nutricional das plantas, principalmente em solos com baixa fertilidade. A presente pesquisa avaliou quais benefícios a inoculação com FMAs e BFN traz para remediação desses solos e para a fitoproteção por espécies arbóreas nativas, com o objetivo de melhorar o crescimento das plantas e remediar o solo contaminado pela mineração. Foram conduzidos três estudos em substrato contendo solo e rejeito coletados em área de mineração de carvão em Criciúma, Santa Catarina. No primeiro ensaio foram cultivadas mudas de timbaúva (Enterolobium contortisiliquum) em substrato sem e com 30% de rejeito de mineração, inoculadas com Rhizophagus clarus ou Acaulospora colombiana. Avaliaram-se crescimento, qualidade de mudas, estado nutricional, colonização micorrízica, glomalina, clorofilas e teores de Cu, Zn e Mn na parte aérea e raízes. A timbaúva tolerou a presença de rejeito no substrato e a inoculação de timbaúva com R. clarus mostrou potencial para fitoextração de Cu e Zn, enquanto a inoculação com A. colombiana reduziu a translocação desses elementos da raiz para a parte aérea, sendo recomendado para a fitoestabilização desses metais no solo. No segundo experimento, buscou-se avaliar o potencial de fitoremediação por angico (Parapiptadenia rigida) cultivado em substrato sem e com 30% de rejeito de mineração, inoculado com R. clarus ou A. colombiana. Avaliaram-se as variáveis descritas no experimento anterior, além da eficiência na remediação e o fator de bioacumulação de metais pesados. O angico tolerou solo contendo rejeito de mineração de carvão e a inoculação com R. clarus ou A. colombiana promoveu maior acúmulo de Zn e Mn, e há maior acúmulo e eficiência na remediação de Cu em plantas inoculadas com R. Clarus. A partir dos resultados destes experimentos foram levantadas as hipóteses para o terceiro trabalho, cujo objetivo principal foi entender os mecanismos fisiológicos de fitoproteção ao estresse em plantas de timbaúva inoculada com FMAs e BFN. O experimento fatorial 4 x 4 foi conduzido em câmara de crescimento em substrato contendo 0, 15, 30 e 60% de rejeito, com os tratamentos controle (não inoculado), inoculado com FMAs (R. clarus + A. colombiana), BFN (Bradyrhizobium elkanii) e FMAs+BFN. A adição de rejeito e a inoculação de R. clarus + A. colombiana e/ou BFN aumentou o crescimento das mudas e promoveu aumento dos teores de proteínas solúveis totais e atividades das enzimas catalase, superóxido dismutase e glutationa redutase. Os FMAs aumentam a concentração das fitoquelatinas 3 e 4 complexando principalmente o Zn e Mn nas raízes, o que pode contribuir para reduzir a translocação e a toxidez das mudas. Conclui-se que a inoculação de E. contortisiluquum e P. rigida com FMAs e BFN aumentam a tolerância dessas espécies arbóreas nativas a metais por desencadear mecanismos fisiológicos que reduzem o estresse. Isso evidencia o potencial de utilização desses microrganismos em programas de fitorremediação e revegetação de solos degradados pela mineração de carvão.Abstract : Coal mining in southern Brazil led to losses in native vegetation, soil structure degradation, and contamination with trace elements, including heavy metals, without mitigation of its environmental impacts. Those soil conditions hamper resilience of former mining areas, and research is needed to support technical interventions aiming to accelerate recovery processes. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and nitrogen-fixing bacteria (NFB) are present in such sites and may help to improve plant nutrition. The present study evaluated the benefits of AMF and NFB inoculation of native tree species for remediation of these soils and for phytoprotection, aiming to improve plant growth and remediation of soil degraded by coal mining. Three experiments were carried out with soil added with tailings collected in a coal mining area in Criciúma, Southern Brazil. In the first essay, Enterolobium contortisiliquum seedlings were grown in substrate without and with 30% of tailings inoculated with Rhizophagus clarus or Acaulospora colombiana. Growth, seed quality, nutritional status, mycorrhizal colonization, glomalin, chlorophylls, and shoot and root Cu, Zn and Mn contents were evaluated. E. contortisiliquum tolerated tailing addition and inoculation with R. clarus enhanced Cu and Zn phytoextraction, while A. colombiana reduced translocation of those elements from roots to shoots, showing potential for phytostabilization of those metals in the soil. In the second experiment, with the aim of evaluating the phytoremediation potential of P. rigida grown in substrate without and with mining tailings, measured the variables described in the first experiment, as well as remediation efficiency and bioaccumulation factor of heavy metals. P. rigida grew in soil containing coal mining tailings, and inoculation with R. clarus or A. colombiana led to higher Zn and Mn accumulation. There was greater plant Cu accumulation and Cu remediation efficiency in plants inoculated with R. clarus. The third experiment aimed to identify physiological mechanisms of stress alleviation in E. contortisiliquum inoculated with AMF and NFB. A 4 x 4 factorial experiment was carried out in soil containing 0, 15, 30 and 60% of tailing, the other factor being inoculation with AMFs (R. clarus + A. colombiana), NFB (Bradyrhizobium elkanii), or AMFs + NFB, and a control (non-inoculated) treatment. Tailing addition and inoculation with AMF and/or NFB increased seedling growth. That was linked to an increase total soluble proteins and catalase, superoxide dismutase, and glutathione reductase activities. The increased enzyme activity reduced stress in leaves due to Cu translocation. AMF increased phytochelatin (PC3 and PC4) concentration. Zn and Mn complexation in roots may have contributed to reduce metal translocation and toxicity in seedlings. In conclusion, inoculation of E. contortisiluquum and P. rigida with AMF and NFB increase tolerance yo trace elements by inducing physiological mechanisms that alleviate stress in those native tree species. Combination of those plant species with microbial inoculation showed potential for use in phytoremediation and revegetation programs in areas under soils degraded by coal mining