Ciclos biogeoquímico

CICLOS BIOGEOQUÍMICOSCICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Biogeoquímico é o resultado dos conjuntos de agentes biológicos (microorganismos), constituição da litosfera (rocha) e degradação química.

A Biogeoquímica é a ciência que estuda a troca ou a circulação de matéria entre os componentes vivos e físico-químicos da Biosfera (Odum, 1971).


Ciclos: representam a troca e a circulação de

matéria entre os componentes vivos e físico-químicos da biosfera.

Bio: os organismos interagem no processo de síntese orgânica e na decomposição dos elementos.

Geo: o meio terrestre (solo) é o reservatório dos elementos.

Químico: ciclo dos elementos e processos químicos de síntese e decomposição.

CLASSIFICAÇÃO DOS CICLOSCLASSIFICAÇÃO DOS CICLOS

1. Ciclo da água ou hidrológico.

2. Ciclos dos macro e micronutrinentes: minerais em geral.

3. Ciclos sedimentares: fósforo, enxofre, cálcio, magnésio e potássio.

4. Ciclos gasosos: carbono, nitrogênio e oxigênio.

CICLO HIDROLÓGICOCICLO HIDROLÓGICO

Aspectos quantitativos:

evaporação; infiltração; escoamento superficial.

Aspectos qualitativos: parâmetros de qualidade: - físico-químicos;

- biológicos.

INTERVENÇÕES DO HOMEMINTERVENÇÕES DO HOMEM

• Desmatamento.

• Pavimentação = taxa de impermeabilização.

• Utilização de defensivos agrícolas.

• Despejos de esgotos e efluentes industriais.

• Eutrofização.

• Diminuição do teor de oxigênio dissolvido nos rios.

• Lançamento de substâncias tóxicas perigosas.

• Poluição atmosférica.

• Resíduos sólidos.

• Represamento das águas.

CICLO DO CARBONOCICLO DO CARBONO

O reservatório de carbono é a atmosfera, onde o nutriente das plantas encontra-se na forma de dióxido de carbono (CO2), um gás que, nas condições naturais de temperatura e pressão é inodoro e incolor. O carbono é o principal constituinte da matéria orgânica (49% do peso seco). O ciclo do carbono é perfeito, pois o elemento é devolvido ao meio à mesma taxa a que é sintetizado pelos produtores.

As plantas utilizam o CO2 e o vapor de água da atmosfera para, na presença de luz solar, sintetizar compostos orgânicos de carbono, hidrogênio e oxigênio, tais como a glicose (C6H12O6).

Reação da fotossíntese:

6CO2 + 6 H2O + energia solar = C6H12O6 + 6O2


A fixação do carbono em sua forma orgânica indica que a fotossíntese é a base da vida na Terra.

A energia solar é armazenada como energia química nas moléculas orgânicas da glicose.

A energia armazenada nas moléculas orgânicas é liberada no processo inverso ao da fotossíntese: a respiração. Nesta, ocorre a quebra das moléculas com a conseqüente liberação de energia para a realização das atividades vitais dos organismos.

Reação da respiração:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6 H2O + 640 kcal / molde glicose


Por meio da fotossíntese e da respiração, o carbono passa de sua fase inorgânica à fase orgânica e volta para a fase inorgânica, completando seu ciclo. Fotossíntese e respiração são processos de reciclagem do carbono e do oxigênio em várias formas químicas em todos os ecossistemas.

A partir da Revolução Industrial, o homem passou a fazer uso intenso da energia armazenada, e no processo de queima (respiração) passou a devolver o CO2 à atmosfera a uma taxa superior à capacidade assimiladora das plantas (fotossíntese) e dos oceanos (pela reação de difusão). Esse desequilíbrio do ciclo natural pode ter implicações na alteração do efeito estufa, com conseqüente aumento da temperatura global. Aproximadamente 50% do excesso de CO2 gerado é absorvido pelos oceanos (Perkins, 1974). Difícil é prever até que ponto os oceanos suportarão o aumento de CO2, diante da multiplicidade de fatores que intervêm no mecanismo de recuperação do sistema.


O carbono é um elemento químico presente na estrutura de todas as moléculas orgânicas. É, portanto, essencial para a vida. Na natureza, o carbono encontra-se à disposição dos seres vivos na forma de CO2 (gás carbônico), na atmosfera ou dissolvido na água.

Através da fotossíntese, o CO2 é fixado e transformado em matéria orgânica pelos produtores. Já os consumidores somente adquirem carbono através da nutrição. Tanto os produtores como os consumidores, porém, perdem carbono da mesma forma: através da respiração (que libera CO2 para o ambiente) ou da cadeia alimentar (ao servirem de alimento para um organismo qualquer) ou, ainda, ao fornecerem material que fará parte da constituição do húmus (ou detritos orgânicos), pela morte do organismo ou de parte dele e pela eliminação de excreções ou resíduos digestivos.


Os decompositores atuam sobre os detritos orgânicos liberando CO2, que retorna à atmosfera, reintegrando-se a seu reservatório natural.

Detritos orgânicos ainda podem originar os combustíveis fósseis que, através da combustão, eliminarão CO2 de volta para a atmosfera.

Obs.:

Fotossíntese: CO2 + H2O = > C6H12O6 + H20 + O2

Respiração: C6H12O6 + O2 = > CO2 + H2O + energia

Combustão: combustível + energia + O2 = > CO2 + ...(detritos)


Aspectos relevantes:Aspectos relevantes:

• O ciclo do carbono e o ciclo hidrológico são, provavelmente, os dois ciclos biogeoquímicos mais importantes com relação à humanidade.

• O pool / reservatório atmosférico é pequeno se comparado com o do carbono dos oceanos e dos combustíveis fósseis e outros depósitos.

• Fluxo entre os pools – do continente, da atmosfera e dos oceanos, que até o início da Era Industrial estavam em equilíbrio.


• Durante os últimos anos, o conteúdo de CO2 tem-se elevado por causa de novas entradas antropogênicas. A queima de combustível fóssil parece ser a principal fonte de novas entradas, mas a agricultura e o desmatamento também contribuem.

• Perda líquida de CO2 na agricultura, ou seja, um acréscimo de CO2 na atmosfera maior do que sua retirada, pois suas culturas são ativas durante apenas uma parte do ano, não compensando o CO2 liberado do solo (lavouras freqüentes) .

• O desmatamento poderá liberar carbono armazenado na madeira, principalmente se a madeira for queimada imediatamente e o uso se segue à oxidação do húmus, se a terra for usada para agricultura ou para desenvolvimento urbano (rápida oxidação do húmus e liberação de CO2 gasoso que está retido no solo).


Desmatamento:Desmatamento:

• Aumento do CO2 emitido em função da emissão no

momento da queima.

• Redução da taxa fotossintética.

• Queimadas de florestas.

• Efeito estufa – intervenções antropogênicas no ciclo do carbono.


Efeito estufa:Efeito estufa:

• Utilização excessiva de combustíveis fósseis (falta de incentivos para a geração de energia alternativa).

• Desmatamento.

• Poluição ambiental.

• Intensificação do efeito estufa.

• Mudanças climáticas.

• Aquecimento global.

• Mudança nos níveis dos oceanos.

CICLO DO NITROGÊNIOCICLO DO NITROGÊNIO

O aumento acentuado da população humana e, principalmente, da taxa de crescimento populacional após a Revolução Industrial, na segunda metade do século XIX, implicou um aumento da produtividade agrícola para fazer frente à demanda crescente de alimentos.

O nitrogênio, assim como o fósforo, são fatores limitantes do crescimento dos vegetais e tornaram-se, por isso, alguns dos principais fertilizantes utilizados hoje na agricultura. O nitrogênio desempenha um importante papel na constituição das moléculas de proteínas, ácidos nucléicos, vitaminas, enzimas e hormônios, elementos vitais aos seres vivos.


O ciclo do nitrogênio, assim como o do carbono, é um ciclo gasoso. Apesar dessa similaridade, existem algumas diferenças notáveis entre os dois ciclos:

a atmosfera é rica em nitrogênio (78%) e pobre em Carbono (0,032%);

apesar da abundância de nitrogênio na atmosfera, somente um grupo seleto de organismos consegue utilizar o nitrogênio gasoso;

o envolvimento biológico no ciclo do nitrogênio é muito mais extenso do que no ciclo do carbono.


Grande parte do nitrogênio existente nos organismos vivos não é obtida diretamente da atmosfera, uma vez que a principal forma de nutriente para os produtores são os nitratos (NO3

-).

No ciclo do nitrogênio existem quatro mecanismos diferentes e importantes:

1. fixação do N atmosférico em nitratos;

2. amonificação;

3. nitrificação;

4. desnitrificação.


A fixação do nitrogênio ocorre por meio dos organismos simbióticos fixadores de nitrogênio, dentre os quais destaca-se o Rhizobium, que vive em associação simbiótica (mutualismo) com raízes vegetais leguminosas (ervilha, soja, feijão, etc.).

A fixação do nitrato por via biológica é a mais importante. O nitrogênio fixado é rapidamente dissolvido na água do solo e fica disponível para as plantas na forma de nitrato. Essas plantas transformam os nitratos em grande moléculas que contêm nitrogênio e outras moléculas orgânicas nitrogenadas, necessárias à vida. Inicia-se, assim, o processo de amonificação.


Quando o nitrogênio orgânico entra na cadeia alimentar, passa a constituir moléculas orgânicas dos consumidores primários, secundários, etc ... Atuando sobre os produtos de eliminação desses consumidores e do protoplasma de organismos mortos, as bactérias mineralizam o nitrogênio produzindo gás amônia (NH3) e sais de amônio (NH4

+), completando a fase de amonificação do ciclo.

NH4+ e NH3 são convertidos em nitritos (NO2

-) e, posteriormente, no processo de nitrificação, de nitritos em nitratos (NO3

-) por um grupo de bactérias quimiossintetizantes.


A síntese industrial da amônia (NH3) a partir do nitrogênio atmosférico (N2), desenvolvida durante a Primeira Guerra Mundial, possibilitou o aparecimento dos fertilizantes sintéticos, com um conseqüente aumento da eficiência da agricultura. Entretanto, o ciclo equilibrado do nitrogênio depende de um conjunto de fatores bióticos e abióticos determinados e, portanto, nem sempre está apto a assimilar o excesso sintetizado artificialmente. Esse excesso, carregado para os rios, lagos e lençóis de água subterrâneos tem provocado o fenômeno da eutrofização, comprometendo a qualidade das águas.


O Nitrogênio (N2) é um elemento químico que participa da constituição de ácidos nucléicos, proteínas e clorofilas. Compreende-se, portanto, a importância do estudo do ciclo desse elemento na natureza, cujo reservatório natural é a atmosfera, onde perfaz cerca de 78% do ar. Entretanto, o N2 é uma molécula que não constitui fonte adequada do elemento para a grande maioria dos seres vivos. De fato, com raras exceções, os seres vivos não conseguem fixar e, portanto, incorporar à matéria viva o N2 atmosférico.


• Ciclo gasoso do tipo complexo.

• Interação dinâmica entre os fluxos e diferentes grupos de microorganismos.

• Ciclo importante, pois limita ou controla a abundância dos organismos.

• A atmosfera contém 80% do nitrogênio disponível na biosfera sendo, dessa forma, o maior reservatório do composto e a válvula de escape do sistema.


• O nitrogênio entra constantemente na atmosfera pela ação das bactérias desnitrificantes, e continuamente retorna ao ciclo pela ação das bactérias ou algas fixadoras de nitrogênio (biofixação).

• A degradação do nitrogênio presente na célula (formas orgânicas ou inorgânicas) acontece pelas ação de espécies bacterianas especializadas presentes no solo, as quais disponibilizam amônia e nitrato. Essas duas formas de nitrogênio são os compostos facilmente utilizáveis pelas plantas verdes.


A fixação biológica do N2A fixação biológica do N2

Na natureza, são poucas as formas vivas capazes de promover a fixação biológica do N2. Alguns desses organismos têm vida livre, e entre eles podem-se citar certas algas azuis, como a Nostoc, e bactérias do gênero Azotobacter e Clostridium. Outros, considerados os mais importantes fixadores de N2, vivem associadas às raízes de leguminosas (feijão, soja, ervilha, alfafa, etc.). Nesse caso estão as bactérias Rhizobium, que vivem normalmente no solo, de onde alcançam o sistema radicular das leguminosas jovens e penetram através dos pêlos absorventes, instalando-se finalmente nos tecidos corticais das raízes; ali se desenvolvem, fixando o N2 atmosférico e transformando-o em sais nitrogenados, que são utilizados pelas plantas. O Rhizobium, então, funciona como um verdadeiro adubo vivo, fornecendo à planta os sais de nitrogênio necessários a seu desenvolvimento. Em contrapartida, a planta fornece matéria orgânica para as bactérias, definindo uma relação de benefícios mútuos denominada mutualismo.


A nitrificaçãoA nitrificação

Quando os decompositores atuam sobre a matéria orgânica nitrogenada (proteína do húmus, por exemplo) liberam diversos resíduos para o meio ambiente, entre eles a amônia (NH3). Combinando-se com a água do solo, a amônia forma hidróxido de amônio que ionizando-se, produz NH4

+ (íon amônio) e OH- (hidroxila).

Ao processo de decomposição, em que compostos orgânicos nitrogenados se transformam em amônia ou íon amônio, dá-se o nome de amonização. Os íons amônio presentes no solo seguem então duas vias: ou são absorvidas pelas plantas ou aproveitados por bactérias do gênero Nitrosomonas e Nitrosococcus. Essas bactérias quimiossintetizantes oxidam os íons e, com a energia liberada, fabricam compostos orgânicos a partir do CO2 e água, definindo a quimiossíntese. A oxidação dos íons amônio produz nitritos como resíduos nitrogenados, que são liberados para o meio ambiente. À conversão dos íons amônio em nitritos dá-se o nome de nitrosação.


Os nitritos liberados pelas bactérias nitrosas (Nitrosomonas e Nitrosococcus) são absorvidos e utilizados como fonte de energia por bactérias quimiossintetizantes do gênero Nitrobacter. Da oxidação dos nitritos formam-se os nitratos que, liberados para o solo, podem ser absorvidos e metabolizados pelas plantas. À conversão do nitrito (ou ácido nitroso) em nitrato (ou ácido nítrico) dá-se o nome de nitratação.

A ação conjunta das bactérias nitrosas (Nitrosomonas e Nitrosococcus) e nítricas (Nitrobacter) permite a transformação da amônia em nitratos. A esse processo denomina-se nitrificação e às bactérias envolvidas dá-se o nome de nitrificantes.


Resumindo:

Nitrosação: conversão de íons amônio (ou amônia) em nitritos.

Nitratação: conversão de nitritos em nitratos. Nitrificação: conversão de íons amônio em nitratos. Bactérias nitrificantes: compreendem as bactérias nitrosas (Nitrosomonas e Nitrosococcus) e nítricas (Nitrobacter). No solo existem muitas bactérias (Pseudomonas, por exemplo) que, em condições anaeróbicas, utilizam nitratos em vez de oxigênio no processo respiratório. Ocorre, então, a conversão de nitrato em N2, que retorna à atmosfera, fechando o ciclo. À transformação dos nitratos em N2 dá-se o nome de desnitrificação, e as bactérias que realizam essa

transformação são chamadas de desnitrificantes.

Nome do Processo Agente Equação

FixaçãoBactéria Rhizobium eNostoc (alga cianofícea)

N2 => sais nitrogenados

Amonização Bactérias decompositoras N orgânico => NH4

NitrosaçãoBactéria Nitrosomonase Nitrosococcus

NH4 => NO2

Nitratação Bactéria Nitrobacter NO2 => NO3

DesnitrificaçãoBactérias Desnitrificantes(Pseudomonas)

NO3 => N2

Resumo dos processos no ciclo do Nitrogênio:Resumo dos processos no ciclo do Nitrogênio:

PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃOPROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO

Enriquecimento das águas com nutrientes

essenciais, como o nitrogênio e o fósforo, e

desenvolvimento excessivo do fitoplâncton, provocando

problemas de consumo de oxigênio e baixa diversidade.

Consumo de oxigênio pelos processos de

biodegradação.

Processos de biodegradação sem oxigênio – liberação

de H2S e CH4.

CICLO DO ENXOFRECICLO DO ENXOFRE

O enxofre apresenta um ciclo basicamente sedimentar, embora possua uma fase gasosa, de pouca importância. A principal forma de assimilação do enxofre pelos seres produtores é como sulfato inorgânico. O processo biológico envolvido nesse ciclo compreende uma série de microorganismos com funções específicas de redução e oxidação.

A maior parte do enxofre que é assimilado é mineralizado em processos de decomposição. Sob condições anaeróbias, ele é reduzido a sulfetos, entre os quais o sulfeto de hidrogênio (H2S), composto letal à maioria dos seres vivos, principalmente aos ecossistemas aquáticos em grandes profundidades. Esse gás, tanto no solo como na água, sobe a camadas mais aeradas, onde então é oxidado, passando à forma de enxofre elementar, quando mais oxidado ele se transforma em sulfato.


Sob condições anaeróbias e na presença de ferro, o enxofre precipita-se, formando sulfetos férricos e ferrosos. Esses compostos, por sua vez, permitem que o fósforo converta-se de insolúvel a solúvel, tornando-se, assim, utilizável. Esse exemplo mostra a inter-relação que ocorre em um ecossistema entre diferentes ciclos de minerais.

As ação do homem também interfere nesse ciclo por meio de grandes quantidades de dióxido de enxofre liberados nos processos de queima de carvão e óleo combustível em indústrias e usinas termoelétricas. O dióxido de enxofre tem potenciais efeitos danosos ao organismo, além de provocar, em certas situações, a chuva ácida e o smog industrial.


INTERVENÇÕES ANTRÓPICASINTERVENÇÕES ANTRÓPICAS

• O dióxido de enxofre (SO2) é liberado na atmosfera

pela queima de combustíveis fósseis.

• O SO2 interage com o vapor d’água produzindo

gotículas de ácido sulfúrico (H2SO4) diluído, o que

acarretará a precipitação de chuva ácida.

• O excremento animal representa um fonte de

sulfato reciclado.

• A produção primária é responsável pela

incorporação do sulfato à matéria orgânica.

CICLO DO OXIGÊNIOCICLO DO OXIGÊNIO

O oxigênio molecular (O2), indispensável à respiração aeróbica, é o segundo componente mais abundante da atmosfera, onde existe na proporção de cerca de 21%.

O oxigênio teria desaparecido da atmosfera, não fosse o contínuo reabastecimento promovido pela fotossíntese, principalmente do fitoplâncton marinho, considerado o verdadeiro "pulmão" do mundo.


O oxigênio pode ser consumido da atmosfera

através das seguintes vias:

atividade respiratória de plantas e animais;

combustão;

degradação, principalmente pela ação de raios

ultravioleta, com formação de ozônio (O3);

combinação com metais do solo (principalmente o

ferro), formando óxidos metálicos.

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