segunda-feira, 23 de janeiro de 2012

Ciclo do Nitrogênio (N), Oxigênio (O), Fósforo (P) e Enxofre (S)



INTRODUÇÃO: 


Como visto no post “Fluxo de Energia e Matéria no Ecossistema”, existe um fluxo de matéria nos ecossistemas, resultado das relações alimentares entre os organismos. Os elementos químicos que são utilizados pelos organismos são transferidos nessas relações e se movimentam no meio biótico do ecossistema. No entanto, estes elementos não permanecem somente como parte dos seres vivos, mas integram também o meio abiótico. 

A composição química da terra permanece praticamente constante com o passar do tempo, no entanto, os elementos e substâncias químicas do planeta se movimentam e sofrem transformações. Os seres vivos necessitam de diversas substâncias para sua sobrevivência, as quais são obtidas do meio abiótico ou do consumo de outros seres vivos. Quando um organismo absorve um nutriente do meio abiótico, ele está promovendo a entrada deste no meio biótico. No entanto, em determinado momento, este mesmo elemento pode ser devolvido ao meio abiótico, fechando assim um ciclo. 

Um ciclo biogeoquímico é o percurso realizado por um elemento químico essencial a vida no meio ambiente, incluindo tanto sua passagem pela matéria orgânica quanto pela matéria inorgânica. Neste post explicarei os principais processos envolvendo o ciclo dos principais elementos essenciais a vida. 

Lembre-se que a matéria nunca é perdida e que a composição química do planeta é constante. Os elementos são reciclados pelos organismos, transitando entre o meio biótico e abiótico, e entre um organismo e outro. A mesma molécula de água que um dia esteve no sangue de um dinossauro, pode estar congelada numa geleira, pode estar numa gota de chuva, pode estar no citoplasma de uma bactéria ou mesmo, pode estar em você agora.


EQUILÍBRIO: 

Os elementos químicos estão em constante intercâmbio entre o meio biótico e abiótico. Geralmente, existe um equilíbrio nessa transferência, de maneira que a composição de ambos os meios permanecem constantes. O entendimento dos ciclos biogeoquímicos é essencial na compreensão dos atuais problemas ambientais, já que vários destes são causa ou conseqüência de um desequilíbrio nestes ciclos.


CICLO DO NITROGÊNIO (N):

Também conhecido como ciclo do Azoto. 

O nitrogênio é usado pelos seres vivos na síntese de diversas moléculas orgânicas, tais como os Ácidos Nucléicos e as Proteinas. Todos os organismos conhecidos são altamente dependentes destas substâncias. 

O maior reservatório de nitrogênio no planeta é a atmosfera, onde este se encontra, principalmente, na forma de N2. O nitrogênio também pode ser encontrado no solo na forma de substâncias inorgânicas, nos organismos vivos e em depósitos de substâncias orgânicas. 

Abaixo se encontra um pequeno esquema do ciclo do Nitrogênio e seus principais processos:


Fixação: 

A fixação é a conversão do nitrogênio gasoso da atmosfera em substâncias sólidas, líquidas ou íons solúveis no solo. As principais formas do nitrogênio no solo são os íons Amônia (NH4), Nitrato (NO2) e Nitrito (NO3). 

A fixação é um processo de elevada importância ecológica porque a maioria dos seres vivos não é capaz de absorver o nitrogênio na forma gasosa, dependendo portanto desses íons dissolvidos no solo para a síntese de suas moléculas. 

Fixação atmosférica: 

A fixação pode ocorrer através de processos não bióticos. As descargas elétricas, o calor de vulcões e até mesmo a radiação solar podem provocar a conversão do nitrogênio atmosférico nos íons Amônia, Nitrato ou Nitrito. Este processo é denominado fixação atmosférica. 

Fixação Biológica: 

Algumas bactérias possuem a capacidade de absorver o nitrogênio na forma gasosa e converte-lo em íons no solo. Estas bactérias são chamadas “fixadoras” e possuem importante papel no ecossistema, pois disponibilizam estes nutrientes para posterior absorção pelas plantas. As bactérias fixadoras podem estar livres no solo, liberando amônia, ou na raízes das plantas, realizando uma interação de mutualismo com estas. 

Nitrificação: 

Este processo é realizado pelas bactérias nitrificantes e ocorre em dois passos. Primeiramente, a Amônia é convertida em Nitrito, e posteriormente, o Nitrito é convertido em Nitrato. A importância desse processo se dá no fato de que as plantas não são capazes de absorver Amônia, somente o Nitrato. Dessa forma, a nitrificação é essencial para a disponibilização do nitrogênio para as plantas. 

Assimilação: 

A assimilação é realizada pelas plantas, que absorvem os o nitrogênio principalmente na forma de nitrato e o utiliza na síntese de substâncias orgânicas. A assimilação é o único meio de entrada do nitrogênio na cadeia alimentar. 

Consumo: 

O consumo provoca o fluxo de nitrogênio na cadeia alimentar. O nitrogênio assimilado pelas plantas e utilizado na síntese de substâncias orgânicas é transferido para outro ser vivo através do consumo e assim consecutivamente. 

Decomposição: 

O processo de decomposição da matéria orgânica resulta em liberação de íons nitrogenados no solo, principalmente Amônia. O nitrogênio retorna assim ao ciclo, podendo ser convertido pelas bactérias em Nitrito e Nitrato e assimilado pelas plantas posteriormente. 

Desnitrificação: 

É um processo que pode ocorrer por meios abióticos ou por ação de bactérias e que resulta na conversão dos íons Nitrato em nitrogênio gasoso (N2). 


TÓPICOS IMPORTANTES RELACIONADOS AO CICLO DO NITROGÊNIO: 

Mutualismo entre Leguminosas e bactérias fixadoras: 

As plantas do grupo conhecido como leguminosas realizam uma relação de mutualismo com bactérias fixadoras que habitam suas raizes. Nesta interação, as plantas são beneficiadas pela disponibilização de Nitrato para assimilação e as bactérias são beneficiadas pela disponibilização de abrigo e nutrientes pelas plantas. 


INFLUÊNCIAS ANTRÓPICAS NO CICLO DO NITROGÊNIO: 

Adubação e Rotação de Culturas: 

Os nutrientes nitrogenados estão entre os mais importantes ao desenvolvimento de plantas. O uso da terra para agricultura por período prolongado pode gerar a escassez desse elemento, comprometendo assim a produtividade. Por esse motivo é comum o uso destes nutrientes, principalmente nitrato, como adubo para plantações. 

Outra estratégia é o plantio de leguminosas, pois estas possuem bactérias fixadoras que aumentam a concentração de nitrogênio no solo. No sistema de rotação de cultura, ocorre um revezamento no plantio entre leguminosas e outras plantas, dessa forma as leguminosas evitam o esgotamento dos nutrientes nitrogenados no solo. 

Poluição e Eutrofização: 

A adubação e irrigação de plantações pode provocar o descarte de grandes quantidades de nutrientes nitrogenados, principalmente Nitrato nos rios e lagos. Além disso, alguns gases liberados em atividades industriais também possuem nitrogênio. 

O aumento abrupto da concentração destas substâncias nos ambientes aquáticos é denominado eutrofização e pode provocar grandes impactos nos ecossistemas, pois facilita o desenvolvimento de algas e macrófitas levando à uma superpopulação e causando desequilíbrio na comunidade.


CICLO DO OXIGÊNIO (O):

O oxigênio é um elemento de grande importância para a biosfera. A maioria dos organismos vivos necessita do gás oxigênio (O2) para a respiração, boa parte utiliza o gás carbônico (CO2) na fotossíntese e praticamente todos são dependentes da água (H2O) para suas funções vitais, sendo todas estas, substâncias que contém o elemento oxigênio (O) em sua composição e que participam do ciclo biogeoquímico deste. 

A atmosfera, a hidrosfera e a litosfera são reservatórios de oxigênio. Na atmosfera o oxigênio é encontrado nas formas de O2, CO2, ozônio (O3), dióxido de nitrogênio (NO2), monóxido de nitrogênio (NO), dióxido de enxofre (SO2) e outros. Na hidrosfera o oxigênio está presente principalmente na composição da própria água (H2O) e na forma de O2 dissolvido. Porém, o maior reservatório de oxigênio do planeta é a litosfera. As rochas possuem tamanha quantidade de oxigênio em suas composições que fazem deste o elemento mais abundante do planeta. 

Por fim, a biosfera é também um reservatório que, embora possua menor quantidade de oxigênio, não pode ser desconsiderada já que os processos biológicos influenciam o fluxo deste elemento entre os demais reservatórios. 

Abaixo se encontra um esquema resumido do Ciclo do Oxigênio:



Respiração: 

A respiração é um processo utilizado pela maioria dos seres vivos na obtenção de energia. O tipo de respiração mais comum é a aeróbica, na qual o oxigênio é absorvido pelo ser vivo, gerando energia e liberando gás carbônico. Este processo provoca mudanças na composição da atmosfera, aumentando a concentração de CO2 e diminuindo a de O2

Fotossíntese: 

Este processo é realizado por seres autótrofos gerando incorporação do gás carbônico e liberação de oxigênio, resultado oposto ao da respiração. É importante perceber a ligação do ciclo do oxigênio com o do carbono, afinal respiração e fotossíntese são os dois processos biológicos mais importantes dos dois. Outra observação, óbvia, porém muitas vezes esquecida é a de que os produtores também respiram. 

Consumo: 

Provoca o fluxo de oxigênio dentro do ciclo biológico. 

Conversão entre O2 e O3

Na atmosfera ocorre uma constante transformação de moléculas de O2 em O3 e também o contrário. A energia da radiação solar provoca a separação dos átomos de O2 e sua reorganização na forma de O3. O processo contrário ocorre com liberação de energia. O equilíbrio destas conversões é essencial para a manutenção da camada de ozônio e da concentração de O2 no ar. 

Fluxo de oxigênio entre litosfera, atmosfera e hidrosfera: 

O O2 está sempre se movimentando entre seus grandes reservatórios. A evaporação da água provoca fluxo entre hidrosfera e atmosfera, a dissolução do O2 e o condensamento da água causa o fluxo no sentido oposto. Diversos processos biológicos causam incorporação do oxigênio na litosfera, tais como a gênese de calcários, um mineral que contem este elemento em sua composição e é formado pela ação de seres vivos. 


TÓPICOS RELACIONADOS AO CICLO DO OXIGÊNIO: 

Camada de Ozônio: 

Esta camada se encontra na região da atmosfera denominada estratosfera, é formada pelo processo explicado anteriormente de conversão do O2 em O3, e possui um importante papel para a manutenção da vida como ela é no planeta. A camada de ozônio absorve parte da radiação ultravioleta que chega ao planeta, durante a conversão do O2 em O3, impedindo que esta atinja a superfície do planeta e os organismos que a habitam. A luz ultravioleta provoca efeitos nocivos à maioria dos seres vivos, principalmente mutações genéticas. 


INFLUÊNCIAS ANTRÓPICAS NO CICLO DO OXIGÊNIO: 

Destruição da camada de ozônio: 

A emissão de determinados gases, principalmente os CFC (Clorofluorcarbonos) provoca a destruição desta camada. Atualmente, a camada de ozônio apresenta regiões já impactadas pela ação destes gases. Este processo provoca danos à biosfera como um todo e à humanidade em particular, afinal a maior exposição à raios ultravioletas está diretamente relacionada a ocorrência de diversos tipos de cânceres, principalmente os melanomas (cânceres de pele).


CICLO DO FÓSFORO (P): 

O fosforo é outro elemento importante para a biosfera. Ele está presente na constituição dos ácidos nucléicos (DNA e RNA) e nas moléculas energéticas (ATP), além de participar de diversos processos fisiológicos e metabólicos dos organismos. Diversas doenças humanas estão relacionadas à ausência de fósforo no corpo. 

O ciclo do Fósforo é muito simples se comparado ao de outros elementos como o Carbono e Nitrogênio. Este elemento não apresenta formas gasosas estáveis e por isso, sua concentração na atmosfera é praticamente nula. A maior parte do fósforo do planeta se encontra na composição de rochas. Outro aspecto que confere simplicidade ao ciclo do fósforo é que a única forma desse elemento realmente importante à biosfera é o íon fosfato (PO4³)

Abaixo, um pequeno esquema do Ciclo do Fósforo:


Decomposição de rochas: 

A maior parte do fósforo do planeta se encontra indisponível aos seres vivos na composição de rochas. No entanto, sob a ação da chuva, neve, vento e outros fatores químicos, físicos e biológicos, estas rochas podem ser decompostas, liberando fosfato. Este fosfato pode ficar no solo ou ser carregado pela água para rios, lagos e oceanos. A decomposição das rochas faz com que o fosforo indisponível das rochas, se torne disponível na forma de fosfato. 

Ingestão e assimilação: 

Quando o fosfato está no solo ele pode ser absorvido pelas raízes das plantas e utilizado na síntese das moléculas orgânicas destas. Quando o fosfato se encontra na água ele pode ser ingerido pelos animais e utilizado por estes. 

Consumo: 

O consumo causa o fluxo de fósforo dentro da biosfera. 

Excreção e decomposição: 

A excreção e a decomposição dos seres vivos resultam na liberação de fosfato no solo ou na água. 

Sedimentação: 

O fosfato solubilizado na água pode passar por um processo de decantação, que é a descida dele para o fundo do leito do rio, lago ou oceano no qual ele se encontra. Esta é a primeira etapa do processo de origem de rochas sedimentares. O material que se acumula no fundo dos ambientes marinhos pode formar novas rochas, inclusive o fosfato que ali estava. Dessa forma, o fosforo volta à litosfera. 


TÓPICOS RELACIONADOS AO CICLO DO FÓSFORO: 

Esgotamento dos solos e adubação: 

O fosfato é um nutriente extremamente importante aos vegetais. O uso contínuo da terra para agricultura pode provocar a escassez desse nutriente no solo, e comprometer a produtividade. Justamente por isso, diversos adubos incluem fosfato entre os seus componentes. 


INFLUÊNCIAS ANTRÓPICAS NO CICLO DO FÓSFORO: 

As principais ações humanas relacionadas ao ciclo do fósforo é a mineração de rochas que possuem este elemento em suas composições, e a adubação. Esta segunda, quando em excesso provoca prejuízos ambientais, já que o fosfato é solúvel e pode ser levado pela água para rios e lagos em grandes quantidades, causando desequilíbrios ecológicos.


CICLO DO ENXOFRE (S): 

O Enxofre faz parte da composição de varias proteínas e por isso é essencial aos seres vivos. 

O maior reservatório de enxofre no planeta é a litosfera. O enxofre se encontra na composição de muitas rochas. Após um processo de decomposição destas rochas ele pode ser liberado no solo na forma de diversos compostos, tais como o sulfato (SO4²). 

A atmosfera também é um reservatório de enxofre, na qual ele se encontra, principalmente, nas formas de dióxido de enxofre (SO2) e anidrido sulfídrico (SO3). 

Abaixo um resumido esquema do Ciclo do Enxofre:



Erupções vulcânicas: 

Estes eventos resultam na liberação de gases que contem enxofre e consequentemente, no fluxo desse elemento da litosfera para a atmosfera. O principal gás liberado pela atividade vulcânica é o Ácido Sulfídrico (H2S). No entanto, este gás possui pouca estabilidade e rapidamente é convertido em SO2 na atmosfera. 

Chuvas ácidas: 

Este evento ocorre pela reação entre o SO2 presente na atmosfera e a água, resultando em Ácido Sulfídrico, que é precipitado junto com a chuva. As chuvas ácidas ocorrem naturalmente, principalmente em locais próximos a vulcões e causam a transferência do enxofre que estava na atmosfera para os solos ou para ambientes aquáticos. Embora ocorra naturalmente, este processo é acentuado por determinadas ações humanas que discutiremos posteriormente. 

Decomposição de rochas e assimilação: 

O enxofre presente nas rochas está indisponível aos seres vivos. No entanto, quando estas rochas são decompostas elas liberam sulfato no solo e este pode ser absorvido e assimilado pelas plantas. 

Consumo: 

O consumo faz com que o enxofre circule dentro da biosfera. 

Decomposição: 

A decomposição da matéria orgânica por micro-organismos resulta na liberação de H2S. Este gás é o responsável pelo cheiro de podridão na matéria em decomposição. Este processo causa o fluxo de enxofre da biosfera para a atmosfera. 

Sulfobactérias: 

As sulfobactérias utilizam o Ácido Sulfídrico na síntese de compostos orgânicos. Algumas delas utilizam a luz solar como fonte de energia para as reações, enquanto outras realizam quimiossíntese, obtendo a energia necessária através da oxidação de compostos inorgânicos. 


INFLUÊNCIAS ANTRÓPICAS NO CICLO DO ENXOFRE: 

Emissão de SO2, SO3 e H2S: 

A principal interferência humana no ciclo natural do enxofre é a emissão de gases, causada pela queima de combustíveis fósseis e outras atividades industriais. Tal processo pode causar aumento da concentração destes gases na atmosfera. 

Chuvas Ácidas: 

Embora as chuvas ácidas ocorram naturalmente em determinadas circunstâncias, o aumento da concentração de gases de enxofre na atmosfera provocado pela emissão em atividades humanas pode causar uma acentuação desse processo. 

As chuvas ácidas, além de causar danos e doenças aos seres vivos (inclusive aos homens), danificam também edifícios, obras de arte e outras construções humanas.



Rafael Pinheiro - Biologia no Ensino Médio (www.bionoem.blogspot.com)

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