Ciclo do nitrogênio: características, reservatórios e estágios

O ciclo do nitrogênio é o processo de movimentação do nitrogênio entre a atmosfera e a biosfera. É um dos ciclos biogeoquímicos mais relevantes. O nitrogênio (N) é um elemento de grande importância, pois é exigido por todos os organismos para o crescimento. Faz parte da composição química de ácidos nucleicos (DNA e RNA) e proteínas.

A maior quantidade de nitrogênio do planeta está na atmosfera. O nitrogênio atmosférico (N 2 ) não pode ser usado diretamente pela maioria dos seres vivos. Existem bactérias capazes de fixá-lo e incorporá-lo ao solo ou à água de maneiras que podem ser usadas por outros organismos.

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Massa de água eutrofiada por enriquecimento com nitrogênio e fósforo, em Lille (norte da França). Autor: F. lamiot (trabalho próprio) [CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)], de Wikimedia Commons

Posteriormente, o nitrogênio é assimilado por organismos autotróficos. A maioria dos organismos heterotróficos a adquire através dos alimentos. Em seguida, eles liberam excessos na forma de urina (mamíferos) ou fezes (pássaros).

Em outra etapa do processo, existem bactérias que participam da transformação de amônia em nitritos e nitratos que são incorporados ao solo. E no final do ciclo, outro grupo de microorganismos utiliza o oxigênio disponível nos compostos de nitrogênio na respiração. Nesse processo, eles liberam o nitrogênio de volta para a atmosfera.

Atualmente, a maior quantidade de nitrogênio usada na agricultura é produzida por seres humanos. Isso resultou em um excesso desse elemento nos solos e nas fontes de água, causando um desequilíbrio nesse ciclo biogeoquímico.

Características gerais

Origem

Considera-se que o nitrogênio se originou pela nucleossíntese (criação de novos núcleos atômicos). Estrelas com grandes massas de hélio atingiram a pressão e a temperatura necessárias para a formação de nitrogênio.

Quando a Terra se originou, o nitrogênio estava em estado sólido. Então, com a atividade vulcânica, esse elemento passou para o estado gasoso e foi incorporado à atmosfera do planeta.

O nitrogênio estava na forma de N 2 . Provavelmente, as formas químicas usadas pelos seres vivos (amônia NH 3 ) apareceram por ciclos de nitrogênio entre o mar e os vulcões. Assim, o NH 3 se ter construído para a atmosfera e com outros factores conduziram a moléculas orgânicas.

Formas químicas

O nitrogênio vem em várias formas químicas, referindo-se a diferentes estados de oxidação (perda de elétrons) desse elemento. Essas diferentes formas variam tanto em suas características quanto em seu comportamento. O gás nitrogênio (N 2 ) não é oxidado.

As formas oxidadas são classificadas como orgânicas e inorgânicas. Formas orgânicas ocorrem principalmente em aminoácidos e proteínas. Os estados inorgânicos são amônia (NH 3 ), íon amônio (NH 4 ), nitritos (NO 2 ) e nitratos (NO 3 ), entre outros.

História

O nitrogênio foi descoberto em 1770 por três cientistas de forma independente (Scheele, Rutherford e Lavosier). Em 1790, o Chaptal francês nomeou o gás como nitrogênio.

Na segunda metade do século XIX, foi encontrado um componente essencial dos tecidos dos organismos vivos e no crescimento das plantas. Da mesma forma, foi evidenciada a existência de um fluxo constante entre as formas orgânica e inorgânica.

Inicialmente, considerou-se que as fontes de nitrogênio eram raios e deposição atmosférica. Em 1838, Boussingault determinou a fixação biológica desse elemento nas leguminosas. Então, em 1888, descobriu-se que os microrganismos associados às raízes das leguminosas eram responsáveis ​​pela fixação do N 2 .

Outra descoberta importante foi a existência de bactérias capazes de oxidar amônia em nitritos. Assim como outros grupos que transformaram nitritos em nitratos.

Já em 1885, Gayon determinou que outro grupo de microorganismos tinha a capacidade de transformar nitratos em N 2 . De tal maneira, que o ciclo do nitrogênio no planeta pudesse ser entendido.

Requisito da agência

Todos os seres vivos exigem nitrogênio para seus processos vitais, mas nem todos o usam da mesma maneira. Algumas bactérias são capazes de usar nitrogênio atmosférico diretamente. Outros usam compostos de nitrogênio como fonte de oxigênio.

Organismos autotróficos requerem um suprimento na forma de nitratos. Por outro lado, muitos heterotróficos só podem usá-lo na forma de grupos amino que eles obtêm de seus alimentos.

Componentes

-Reservadores

A maior fonte natural de nitrogênio é a atmosfera, onde 78% desse elemento é encontrado na forma gasosa (N 2 ), com alguns traços de óxido nitroso e monóxido de nitrogênio.

Rochas sedimentares contêm aproximadamente 21% que são liberadas muito lentamente. O 1% restante está contido na matéria orgânica e nos oceanos na forma de nitrogênio orgânico, nitratos e amônia.

-Microorganismos participantes

Existem três tipos de microorganismos que participam do ciclo do nitrogênio. Estes são fixadores, nitrificadores e desnitrificadores.

Bactérias fixadoras de N 2

Eles codificam um complexo de enzimas nitrogenase envolvidas no processo de fixação. A maioria desses microrganismos coloniza a rizosfera das plantas e se desenvolve dentro de seus tecidos.

O gênero mais comum de fixação de bactérias é o Rhizobium, que está associado às raízes das leguminosas. Existem outros gêneros, como Frankia , Nostoc e Pasasponia, que fazem simbiose com raízes de outros grupos de plantas.

Cianobactérias em forma livre podem fixar nitrogênio atmosférico em ambientes aquáticos

Bactérias nitrificantes

Existem três tipos de microorganismos envolvidos no processo de nitrificação. Essas bactérias são capazes de oxidar a amônia ou o íon amônio presente no solo. São organismos quimiolitotróficos (capazes de oxidar materiais inorgânicos como fonte de energia).

Bactérias de vários gêneros intervêm no processo sequencialmente. Nitrosoma e Nitrocystis oxidam NH3 e NH4 em nitritos. Então, o Nitrobacter e o Nitrosococcus oxidam esse composto em nitratos.

Em 2015, outro grupo de bactérias envolvidas nesse processo foi descoberto. Eles são capazes de oxidar diretamente a amônia em nitratos e estão localizados no gênero Nitrospira . Alguns fungos também são capazes de amônia nitrificante.

Bactérias desnitrificantes

Foi apontado que mais de 50 gêneros diferentes de bactérias podem reduzir nitratos para N 2 . Isso ocorre em condições anaeróbicas (ausência de oxigênio).

Os gêneros desnitrificantes mais comuns são Alcaligenes , Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium , Thiobacillus e Thiosphaera . A maioria desses grupos é heterotrófica.

Em 2006, uma bactéria ( Methylomirabilis oxyfera ) foi descoberta que é aeróbica. É metanotrófico (obtém energia de carbono e metano) e é capaz de obter oxigênio do processo de desnitrificação.

Etapas

O ciclo do nitrogênio passa por várias etapas de sua mobilização em todo o planeta. Essas fases são:

Fixação

É a conversão do nitrogênio atmosférico em formas consideradas reativas (que podem ser usadas pelos seres vivos). A ruptura das três ligações contidas na molécula de N 2 requer uma grande quantidade de energia e pode ocorrer de duas maneiras: abiótica ou biótica.

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Ciclo de nitrogênio. Reformado por YanLebrel a partir de uma imagem da Agência de Proteção Ambiental: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html [CC0], via Wikimedia Commons

Fixação abiótica

Os nitratos são obtidos fixando alta energia na atmosfera. É proveniente da energia elétrica do raio e da radiação cósmica.

O N 2 combina-se com o oxigênio para causar formas oxidadas de nitrogênio, como NO (dióxido de nitrogênio) e NO 2 (óxido nitroso). Posteriormente, esses compostos são trazidos à superfície da terra pela chuva como ácido nítrico (HNO 3 ).

A fixação de alta energia incorpora aproximadamente 10% dos nitratos presentes no ciclo do nitrogênio.

Fixação biótica

É realizada por microrganismos do solo. Geralmente essas bactérias estão associadas às raízes das plantas. A fixação anual de nitrogênio biótico é estimada em aproximadamente 200 milhões de toneladas por ano.

O nitrogênio atmosférico é transformado em amônio. Numa primeira fase da reação, o N 2 é reduzido para NH 3 (amônia). Desta forma, é incorporado nos aminoácidos.

Neste processo, está envolvido um complexo enzimático com vários centros de redução de óxidos. Este complexo de nitrogenase consiste em uma redutase (fornece elétrons) e uma nitrogenase. Este último usa elétrons para reduzir N 2 a NH 3 . No processo, uma grande quantidade de ATP é consumida.

O complexo nitrogenase é irreversivelmente inibido na presença de altas concentrações de O 2 . Nos nódulos radicais, existe uma proteína (legemoglobina) que mantém o conteúdo de O 2 muito baixo . Esta proteína é produzida pela interação entre as raízes e as bactérias.

Assimilação

As plantas que não têm associação simbiótica com as bactérias fixadoras de N 2 , retiram nitrogênio do solo. A absorção deste elemento é realizada na forma de nitratos através das raízes.

Uma vez que os nitratos entram na planta, uma parte é usada pelas células da raiz. Outra parte é distribuída pelo xilema para toda a planta.

Quando é para ser usado, o nitrato é reduzido a nitrito no citoplasma. Este processo é catalisado pela enzima nitrato redutase. Os nitritos são transportados para cloroplastos e outros plastídeos, onde são reduzidos ao íon amônio (NH 4 ).

O íon amônio em grandes quantidades é tóxico para a planta. Por isso, é rapidamente incorporado nos esqueletos carbonatados para formar aminoácidos e outras moléculas.

No caso dos consumidores, o nitrogênio é obtido pela alimentação direta de plantas ou outros animais.

Amonificação

Nesse processo, os compostos de nitrogênio presentes no solo são degradados para formas químicas mais simples. O nitrogênio está contido em matéria orgânica morta e resíduos como uréia (urina de mamíferos) ou ácido úrico (excrementos de aves).

O nitrogênio contido nessas substâncias está na forma de compostos orgânicos complexos. Os microrganismos usam os aminoácidos contidos nessas substâncias para produzir suas proteínas. Nesse processo, eles liberam excesso de nitrogênio na forma de amônia ou íon amônio.

Esses compostos estão disponíveis no solo para outros microorganismos atuarem nas fases seguintes do ciclo.

Nitrificação

Durante esta fase, as bactérias do solo oxidam amônia e íon amônio. No processo, é liberada energia usada pelas bactérias em seu metabolismo.

Na primeira parte, as bactérias nitrosificantes do gênero Nitrosomes oxidam a amônia e o íon amônio no nitrito. Na membrana desses microrganismos está a enzima amônia mooxigenase. Oxida o NH 3 em hidroxilamina, que é então oxidada em nitrito no periplasma da bactéria.

Posteriormente, as bactérias nitratificantes oxidam nitritos em nitratos usando a enzima nitrito oxidoredutase. Os nitratos estão disponíveis no solo, onde podem ser absorvidos pelas plantas.

Desnitrificação

Nesta fase, as formas oxidadas de nitrogênio (nitritos e nitratos) são convertidas novamente em N 2 e, em menor grau, em óxido nitroso.

O processo é realizado por bactérias anaeróbicas, que usam compostos de nitrogênio como aceitadores de elétrons durante a respiração. A taxa de desnitrificação depende de vários fatores, como nitrato disponível, saturação e temperatura do solo.

Quando o solo está saturado com água, o O 2 não está mais disponível e as bactérias usam o NO 3 como um aceitador de elétrons. Quando as temperaturas são muito baixas, os microorganismos não podem executar o processo.

Essa fase é a única maneira pela qual o nitrogênio é removido de um ecossistema. Dessa maneira, o N 2 que foi ajustado retorna à atmosfera e o equilíbrio desse elemento é mantido.

Importância

Este ciclo tem grande relevância biológica. Como explicamos anteriormente, o nitrogênio é uma parte importante dos organismos vivos. Através deste processo, torna-se biologicamente utilizável.

No desenvolvimento das culturas, a disponibilidade de nitrogênio é uma das principais restrições de produtividade. Desde o início da agricultura, o solo foi enriquecido com esse elemento.

O cultivo de leguminosas para melhorar a qualidade do solo é uma prática comum. Da mesma forma, o plantio de arroz em solos alagados promove as condições ambientais necessárias para o uso de nitrogênio.

Durante o século XIX, o guano (excrementos de aves) foi amplamente utilizado como fonte externa de nitrogênio nas culturas. No entanto, no final deste século, era insuficiente para aumentar a produção de alimentos.

O químico alemão Fritz Haber, no final do século 19, desenvolveu um processo que foi posteriormente comercializado por Carlo Bosch. Isso consiste em reagir N 2 e gás hidrogênio para formar amônia. É conhecido como o processo Haber-Bosch.

Essa forma de obtenção artificial de amônia é uma das principais fontes de nitrogênio que pode ser usada pelos seres vivos. Considera-se que 40% da população mundial depende desses fertilizantes para alimentação.

Alterações do ciclo do nitrogênio

A atual produção antrópica de amônia é de aproximadamente 85 toneladas por ano. Isso tem consequências negativas no ciclo do nitrogênio.

Devido ao alto uso de fertilizantes químicos, há contaminação de solos e aqüíferos. Considera-se que mais de 50% dessa contaminação é uma conseqüência da síntese de Haber-Bosch.

O excesso de nitrogênio leva à eutrificação (enriquecimento de nutrientes) dos corpos d’água. A eutrificação antrópica é muito rápida e causa crescimento acelerado principalmente de algas.

Eles consomem muito oxigênio e podem acumular toxinas. Devido à falta de oxigênio, os outros organismos presentes no ecossistema acabam morrendo.

Além disso, o uso de combustíveis fósseis libera uma grande quantidade de óxido nitroso na atmosfera. Reage com o ozônio e forma ácido nítrico, que é um dos componentes da chuva ácida.

Referências

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  5. Pajares S (2016) A cascata de nitrogênio causada pelas atividades humanas. Oikos 16: 14-17.
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