CICLOS BIOGEOQUÍMICOS: O CICLO DO NITROGÊNIO
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CICLOS BIOGEOQUÍMICOS: O CICLO DO NITROGÊNIO Figura 1 – Plantação de soja Fonte: Microsoft CONTEÚDOS O nitrogênio no ambiente A fixação do nitrogênio Os seres fixadores de nitrogênio Nitrificação Desnitrificação A importância do nitrogênio para a indústria e agricultura A contaminação por nitrogênio AMPLIANDO SEUS CONHECIMENTOS O nitrogênio no ambiente Um ecossistema é resultado da interação entre os fatores físicos e químicos do ambiente, denominados fatores abióticos do ecossistema e entre os seres vivos que nele habitam, denominados de fatores bióticos. A fonte de nutrientes necessários para sobrevivência dos organismos não é obtida restritamente através da interação entre os seres vivos na cadeia alimentar. Parte desse aporte nutricional é obtido na interação com os fatores abióticos, como o solo, ar e água. Esse fenômeno caracteriza um movimento cíclico da matéria, isto é, um ciclo em que os elementos químicos realizam, do qual participam o ambiente e os seres que nele habitam, sendo denominado de ciclo biogeoquímico. Nesse capítulo, vamos nos concentrar no ciclo do nitrogênio, esse é um dos mais importantes na natureza, porque o nitrogênio é necessário para a construção de moléculas complexas e imprescindíveis para o crescimento e desenvolvimento dos seres vivos, tais como, proteínas, aminoácidos e até mesmo para a construção da molécula de DNA e RNA (os ácidos nucleicos). Sabe-se que esse componente químico representa 78% da composição atmosférica, mas somente algumas bactérias e cianobactérias conseguem fixá-lo diretamente do ar, a maioria dos organismos o obtém através das cadeias alimentares. Outros gases 1% Oxigênio 21% Nitrogênio (N2) 78% Figura 2 – Composição atmosférica Fonte: Fundação Bradesco 2 Apesar de ser extremamente abundante na atmosfera, o nitrogênio é um fator limitante no crescimento e desenvolvimento dos vegetais, porém, ele não pode ser absorvido diretamente da atmosfera pelas plantas, somente suas formas sólidas, presentes no solo, podem ser absorvidas. IMPORTANTE O ciclo do nitrogênio é um dos mais importantes e complexos dos ciclos globais. Este ciclo descreve um processo dinâmico de intercâmbio de nitrogênio entre a atmosfera, a matéria orgânica e compostos inorgânicos. O nitrogênio é essencial à vida, sendo necessário, por exemplo, na constituição das proteínas e do DNA, que contém as informações genéticas. Nesse contexto, você pode se questionar, como o nitrogênio gasoso (N2) vai parar no solo? Para entender esse processo, vamos estudar o processo de fixação do nitrogênio atmosférico realizado por alguns tipos de micro-organismos. A Fixação do nitrogênio A fixação do nitrogênio consiste na transformação do gás nitrogênio, N2, em compostos orgânicos nitrogenados, como amônia e nitrato. Isso acontece em pequena escala, de forma não-biológica, quando o N2 da atmosfera se transforma em óxidos de nitrogênio pela ação de cargas elétricas (relâmpagos) e, em escala maior, de forma biológica, pela ação de alguns seres vivos, como, bactérias e cianobactérias. Os seres fixadores de nitrogênio Poucos organismos tem a capacidade de fixar o nitrogênio atmosférico. Entre as bactérias que apresentam essa capacidade, as mais importantes e estudadas, pertencem aos gêneros Rhizobacterium, Clostridium e Azotobacter. Entretanto, os mais importantes seres fixadores de nitrogênio são bactérias do gênero Rhizobium, que vivem associadas a raízes de plantas leguminosas, formando nódulos nas raízes de feijão, soja, ervilha, lentilha e amendoim, entre outras. Vale destacar que esses nódulos se conectam diretamente ao sistema vascular da planta, o que garante às bactérias, acesso direto a uma fonte de energia. Quando 3 essas plantas morrem e entram em decomposição, liberam íon amônia (NH4+), o qual é convertido em íon nitrato, para ser absorvido pelas plantas. Não devemos nos esquecer, que a amônia, também é produto da excreção de muitos seres vivos. Esses processos na natureza recebe o nome de amonização do solo. Sabendo desse processo natural de liberação da amônia por determinadas culturas, agricultores realizam a rotação no plantio da lavoura para reposição química desse componente. É comum na agricultura, por exemplo, que após o plantio e a colheita do milho, que retira nitrogênio do solo, plantar feijão ou soja, que restabelece o nitrogênio perdido e evita o apodrecimento da terra. Culturas de rodízio alternam plantas que retiram minerais do solo, com plantas que repõem esses minerais, como acontece, respectivamente, com o milho e a soja. Nitrificação Embora alguns vegetais incorporem nitrogênio diretamente da amônia, a maioria o faz na forma de nitrato. A nitrificação é a transformação do nitrogênio fixado em nitrito e nitrato. Esses processos são realizados pelas bactérias nitrificantes dos gêneros Nitrosomonas e Nitrobacter respectivamente. Essas bactérias realizam quimiossíntese, produzindo nitritos e nitratos. As bactérias do gênero Nitrosomonas são responsáveis pela conversão da amônia em nitrito (nitrosação). Enquanto as do gênero Nitrobacter, mediam a oxidação do nitrito em nitrato (nitratação). Os nitratos são componentes químicos assimilados pelas raízes das plantas e é a forma química fonte de nitrogênio para os vegetais. Os nitratos podem ainda ser convertidos em nitrogênio atmosférico (N2), graças a ação de bactérias desnitrificantes presentes no solo, em um processo químico conhecido como desnitrificação. Desnitrificação A desnitrificação, realizada pelas bactérias desnitrificantes presentes no solo, é um processo que converte o nitrato, em um gás contendo o elemento nitrogênio em sua composição, normalmente N2, que retorna à atmosfera. A desnitrificação é o oposto da fixação. Ela é um processo importante na natureza, sendo o mecanismo pelo qual o nitrogênio fixado é devolvido para a atmosfera. As principais bactérias desnitrificantes pertencem aos gêneros Thiobacillus e Pseudomonas. Na ausência de oxigênio atmosférico, essas bactérias usam o nitrato para oxidar compostos orgânicos (respiração anaeróbia). 4 A figura a seguir, ilustra as etapas de fixação, nitrificação e desnitrificação do ciclo do nitrogênio, observe: Figura 3 – Ciclo do Nitrogênio Fonte: Wikipédia A importância do nitrogênio para a indústria e agricultura Um dos grandes desafios da humanidade é a produção de alimentos em larga escala para atender a grande demanda da população mundial. Ao longo do tempo e com o avanço da Ciência, descobriu-se que as plantas necessitavam, além dos elementos como carbono, oxigênio e hidrogênio, abundantes na atmosfera e no solo, de outros em menor concentração, como fósforo, hidrogênio e nitrogênio. No mundo, nem todas as superfícies terrestres são adequadas ao plantio, justamente porque a composição química do solo não atende as necessidades metabólicas para o desenvolvimento das culturas. Em face disso, o homem desenvolveu produtos para o enriquecimento artificial do solo, que possibilitaram ampliar as áreas agricultáveis. 5 Por volta do século XIX, muitos pesquisadores se esforçaram na criação de produtos assimiláveis pelas plantas, que poderiam aumentar a disponibilidade desses componentes químicos limitantes. No caso do nitrogênio, os pesquisadores desenvolveram adubos e fertilizantes, contendo como principal matéria prima, a amônia (NH3). A amônia produzida pelas indústrias de fertilizantes utiliza o método de processo Haber-Bosch, desenvolvido pelo pesquisador Fritz Haber, que descobriu como combinar diretamente, em laboratório, o N2 e o H2 (equação representada abaixo). Equação Química para Produção Industrial de Amônia Fritz Haber recebeu o prêmio Nobel de Química em 1918. Carl Bosch foi um engenheiro químico que desenvolveu os equipamentos necessários para a produção industrial de amônia aproveitando essa reação. Ele também recebeu o Prêmio Nobel de Química, mas em 1931, por suas pesquisas sobre reações a altas pressões. CURIOSIDADE Calcula-se que cerca de 175 milhões de toneladas de N2 são fixados pelas bactérias anualmente. Essa quantidade pode ser comparada com os 110 milhões de toneladas de NH3 produzida industrialmente em 1992 (principalmente pelo processo HaberBosch). Os produtos enriquecidos com a amônia industrial são classificados como fertilizantes nitrogenados e o processo produtivo, consiste na fixação industrial de nitrogênio. A contaminação por nitrogênio Conforme vimos, o uso de fertilizantes químicos aumenta a eficiência produtiva das plantações, porém, a introdução artificial de compostos nitrogenados, pode causar um desequilíbrio no ciclo natural do nitrogênio, que necessita de um conjunto de fatores 6 bióticos e abióticos para se manter em equilíbrio. Portanto, nem sempre o ambiente está apto para assimilar o excesso sintetizado artificialmente. Muitos países apresentam sérios problemas ambientais decorrentes da utilização excessiva do nitrogênio industrial em seus processos produtivos. Países como China, Índia e Brasil já apresentaram contaminações graves de seus recursos hídricos. Os lençóis freáticos são os mais afetados pelo intensivo uso de fertilizantes nitrogenados. Uma preocupação recente é a contaminação de água potável por íon nitrato, especialmente de águas de poços de localidades rurais, sendo a principal fonte de nitrato a lixiviação de terras cultivadas enriquecidas com fertilizantes nitrogenados para rios e fluxos de água. Já quando a contaminação acontece em águas superficiais, acarreta a eutrofização de rios e riachos, levando a reprodução exagerada de algas e de outros vegetais aquáticos em função da maior disponibilidade de nutrientes. Essa situação, ainda implica na baixa penetração de luz e, consequentemente, em menor quantidade de oxigênio dissolvida na água. Alguns estudos, têm discutido a possibilidade do excesso de nitrogênio na água e nos alimentos, causarem o desenvolvimento de câncer de estômago em humanos, uma vez que parte dele é transformado no estômago em íon nitrito, que por sua vez, pode reagir com outros compostos no organismo, formando substâncias cancerígenas. Em crianças, a contaminação por nitrogênio pode causar a síndrome do bebê-azul, que ocorre porque o nitrito oxida os íons ferrosos da hemoglobina a íons férricos gerando a meta-hemoglobina, que é menos eficiente na absorção e transferência de oxigênio para as células. SAIBA MAIS! O NITROGÊNIO E A POLUIÇÃO AMBIENTAL Poluição do solo por nitrogênio é a nova crise ambiental chinesa? Nutriente que serviu de pilar da "Revolução Verde" na agricultura está se transformando em um vilão ambiental. Estudo indica que a poluição do solo por nitrogênio cresceu 60% em 30 anos. Em meio à poluição atmosférica recorde que assola a China, o país enfrenta outra crise ambiental pouco conhecida e praticamente invisível: a contaminação do solo por 7 nitrogênio. Segundo um estudo publicado pela revista Nature, a poluição por nitrogênio aumentou 60% em 30 anos no país, o que representa uma ameaça para os ecossistemas e a saúde humana. Dentre as diversas formas de nitrogênio presentes no meio ambiente, a principal preocupação dos pesquisadores é com a amônia (NH3) e o nitrato (NO3). O acúmulo dessas substâncias na natureza deriva principalmente do uso indiscriminado de fertilizantes sintéticos, além das emissões causadas pelo transporte e indústria. Em alta concentração, esses poluentes podem levar à perda da biodiversidade, reduzir o crescimento das plantas, poluir o lençol freático e acidificar o solo. Desde 1990, a China tornou-se o maior consumidor de fertilizantes nitrogenados do mundo que, apesar de ajudarem no crescimento rápido do cultivo, aumentando a oferta de alimentos, também poluem e deterioram o solo quando usados de forma indiscriminada. A pesquisa aponta que a deposição de nitrogênio no solo do país subiu anualmente 8 kg por cada 10 mil m² de terra entre 1980 e 2010. Grosso modo, o nutriente que serviu de pilar da "Revolução Verde" na agricultura, está se transformando em um verdadeiro vilão ambiental. Disponível em: <http://planetasustentavel.abril.com.br/noticia/ambiente/poluicao-solo-nitrogenio-novaeco-crise-chinesa-734270.shtml>. Acesso em: 19 maio 2016. 09h59min. 8 ATIVIDADES 1. (FUVEST) Observe o esquema: a) O esquema mostra, de maneira simplificada, o ciclo de que elemento químico? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ b) Que informação, dada pelo esquema, permite identificar esse elemento químico? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ c) Cite duas classes de macromoléculas presentes nos seres vivos, que contenham esse elemento químico. _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 2. (PUC) Johanna Döbereiner foi uma pesquisadora pioneira no Brasil, que correlacionou a maior produção de biomassa vegetal em leguminosas com a presença de nódulos em suas raízes. Essas estruturas estão relacionadas a que processo abaixo descrito? a) Desnitrificação. b) Fixação de N2. c) Fixação do CO2. d) Respiração das raízes. 9 e) Amonificação. 3. (PUC) Quando se estuda o ciclo do nitrogênio, verifica-se que os seres que devolvem este elemento à atmosfera são bactérias particularmente denominadas a) nitrificantes. b) ferrosas. c) sulfurosas. d) desnitrificantes. e) simbiontes. 4. (FUVEST) O esquema representa o ciclo do elemento nitrogênio. a) Explique de que maneira os animais obtêm nitrogênio para a fabricação de suas substâncias orgânicas. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 10 b) Em quais dos processos indicados por letras (A, B, C, D e E) participam bactérias? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ c) Qual a importância do processo “E” para a continuidade da vida? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ INDICAÇÕES No Portal EJ@, você poderá acessar os seguintes materiais: Coletânea de Atividades Interdisciplinares – do Ensino Médio - Ciclo da Vida/Ciclo do Nitrogênio Exercícios On Line – Ciclo do Nitrogênio Simulador – Ciclo do Nitrogênio E na internet, você ainda poderá consultar: Artigo: Nitrogênio – Revista Química na Escola Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc06/elemento.pdf>. Acesso em: 19 maio 2016. 10h18min. Artigo: Fluxos de matéria e energia no reservatório do solo: da origem à importância para a vida. Revista Química na Escola. Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/05/fluxos_de_materia_e_energia_no_solo.pdf >. Acesso em: 19 maio 2016. 10h22min. Artigo: Poluição por nitrogênio é ameaça à saúde ainda pouco conhecida. Disponível em: <http://oglobo.globo.com/sociedade/ciencia/poluicao-por-nitrogenio11 ameaca-saude-ainda-pouco-conhecida-2670267>. Acesso em: 19 maio 2016. 10h24min. Vídeo: Alteração do ciclo do nitrogênio. Canal Conexão Ciência. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=QOVzEHxDXkA>. Acesso em: 19 maio 2016. 10h27min. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CARVALHO, W. Biologia em Foco –1ª ed. São Paulo: Editora FTD, 2002. MAGALHÃES, L.C.S.; BROTTO, M.E. Nitrato em água: ocorrência e consequências. Escola Superior de Química, Faculdades Oswaldo Cruz. Disponível em: http://www.creasp.org.br/biblioteca/wp-content/uploads/2014/09/Nitrato-em-agua1.doc. Acesso em: 19 maio 2016. 10h58min. MANAHAN, STANLEY E. Química Ambiental. 9ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. MARTINS, C.R., PEREIRA, P.A.P., LOPES, W. A. E ANDRADE, J.B. Ciclos Globais de Carbono, Nitrogênio e Enxofre: a importância na química da atmosfera. Revista Nova Química na Escola. Disponível em: http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/05/quimica_da_atmosfera.pdf>. Acesso em: 19 maio 2016. 10h46min. PEIXOTO, E. M. A. Nitrogênio. Revista Nova Química na Escola – Elemento Químico. Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc06/elemento.pdf>. Acesso em: 19 maio 2016. 10h43min. WIKIPÉDIA. Ciclo do Nitrogênio. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_do_nitrog%C3%AAnio#/media/File:Nitrogen_Cycle_ pt.png>. Acesso em: 19 maio 2016. 10h40min. 12 GABARITO 1a) O elemento químico é o nitrogênio. b) O fato das bactérias, no esquema, retirarem esse elemento da atmosfera e o transferirem aos vegetais é indicador de um processo de fixação biológica, seguido de seu fornecimento às plantas numa forma aproveitável. c) Podemos citar as proteínas e os ácidos nucléicos. 2 - Alternativa B: Fixação de N2. 3 - Alternativa D: Desnitrificantes. 4a) Os animais obtêm nitrogênio se alimentando de plantas e de outros animais. Plantas e animais contêm nitrogênio sob a forma de proteínas, aminoácidos livres, ácidos nucléicos, etc. b) As bactérias participam de todos os processos indicados: A, B, C, D e E. c) O processo E é a decomposição, que libera a amônia (NH3), tornando-a disponível para a utilização pelas plantas e para o processo B que a transforma em nitritos; e assim sucessivamente. 13
