CICLO DO NITROGÊNIO: CARACTERÍSTICAS, RESERVATÓRIOS E ETAPAS - MEIO AMBIENTE - 2025

O ciclo do nitrogênio é o processo de movimento 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 necessário a todos os organismos para seu crescimento. Faz parte da composição química dos ácidos nucléicos (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 utilizadas por outros organismos.

Corpo d'água eutrofizado por enriquecimento com nitrogênio e fósforo, em Lille (norte da França). Autor: F. lamiot (trabalho próprio), do Wikimedia Commons

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

Em outra fase do processo, existem bactérias que participam da transformação da amônia em nitritos e nitratos que são incorporados ao solo. E, no final do ciclo, outro grupo de microrganismos usa o oxigênio disponível em compostos nitrogenados na respiração. Nesse processo, eles liberam nitrogênio de volta à atmosfera.

Atualmente, a maior quantidade de nitrogênio usado na agricultura é produzida pelo homem. Isso resultou em um excesso desse elemento nos solos e nos mananciais, causando um desequilíbrio neste ciclo biogeoquímico.

Características gerais

Origem

O nitrogênio é considerado originado por nucleossíntese (criação de novos núcleos atômicos). Estrelas com grandes massas de hélio atingiram a pressão e a temperatura necessárias para a formação do nitrogênio.

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

O nitrogênio estava na forma de N ₂. Provavelmente as formas químicas utilizadas pelos seres vivos (amônia NH ₃) surgiram por ciclos de nitrogênio entre o mar e os vulcões. Dessa forma, o NH ₃ teria se incorporado à atmosfera e junto com outros elementos originado as moléculas orgânicas.

Formas químicas

O nitrogênio ocorre em várias formas químicas, referindo-se a diferentes estados de oxidação (perda de elétrons) deste 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 em orgânicas e inorgânicas. As 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 independentemente (Scheele, Rutherford e Lavosier). Em 1790, o Chaptal francês chamou o gás de nitrogênio.

Na segunda metade do século XIX, foi considerado um componente essencial dos tecidos dos organismos vivos e do crescimento das plantas. Da mesma forma, foi evidenciada a existência de um fluxo constante entre as formas orgânica e inorgânica.

As fontes de nitrogênio foram originalmente consideradas 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 os responsáveis ​​pela fixação do N ₂.

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

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

Requisito de agência

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

Os organismos autotróficos requerem um suprimento na forma de nitratos. Por sua vez, muitos heterótrofos só podem usá-lo na forma de grupos amino que obtêm de seus alimentos.

Componentes

-Reservas

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

As rochas sedimentares contêm aproximadamente 21% que é liberado muito lentamente. O 1% restante está contido na matéria orgânica e nos oceanos na forma de nitrogênio orgânico, nitratos e amônia.

- Microrganismos participantes

Existem três tipos de microrganismos que participam do ciclo do nitrogênio. Estes são fixadores, nitrificantes e desnitrificantes.

Bactéria fixadora de N

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

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

Cianobactérias na forma livre podem fixar nitrogênio atmosférico em ambientes aquáticos

Bactéria nitrificadora

Existem três tipos de microrganismos envolvidos no processo de nitrificação. Essas bactérias são capazes de oxidar a amônia ou o íon amônio presente no solo. Eles são organismos quimiolittróficos (capazes de oxidar matérias inorgânicas como fonte de energia).

Bactérias de vários gêneros intervêm sequencialmente no processo. Nitrosoma e Nitrocystis oxidam NH3 e NH4 a nitritos. Nitrobacter e Nitrosococcus então oxidam esse composto a nitratos.

Em 2015 foi descoberto outro grupo de bactérias que intervém neste processo. São capazes de oxidar amônia diretamente a nitratos e estão localizados no gênero Nitrospira. Alguns fungos também são capazes de nitrificar a amônia.

Bactéria desnitrificadora

Foi sugerido que mais de 50 gêneros diferentes de bactérias podem reduzir os nitratos a 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 são heterótrofos.

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

Estágios

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

Fixação

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

Ciclo de nitrogênio. Remade by YanLebrel a partir de uma imagem da Agência de Proteção Ambiental: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, via Wikimedia Commons

Fixação abiótica

Os nitratos são obtidos por fixação de alta energia na atmosfera. Vem da energia elétrica dos raios e da radiação cósmica.

O N ₂ combina-se com o oxigênio para formar formas oxidadas de nitrogênio, como NO (dióxido de nitrogênio) e NO ₂ (óxido nitroso). Mais tarde, esses compostos são transportados para a 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 realizado por microrganismos no solo. Essas bactérias geralmente estão associadas às raízes das plantas. A fixação biótica anual de nitrogênio é estimada em aproximadamente 200 milhões de toneladas por ano.

O nitrogênio atmosférico é transformado em amônia. Numa primeira fase da reação, o N ₂ é reduzido a NH ₃ (amônia). Nesta forma, é incorporado aos aminoácidos.

Nesse processo, um complexo enzimático com vários centros de oxidação-redução está envolvido. Este complexo nitrogenase é composto por uma redutase (fornece elétrons) e uma nitrogenase. Este último usa elétrons para reduzir N ₂ a NH ₃. Uma grande quantidade de ATP é consumida no processo.

O complexo nitrogenase é irreversivelmente inibido na presença de altas concentrações de O ₂. Nos nódulos radicais, está presente uma proteína (leghemoglobina) que mantém o teor de O ₂ muito baixo. Essa proteína é produzida pela interação entre as raízes e as bactérias.

Assimilação

As plantas que não têm uma associação simbiótica com bactérias fixadoras de N ₂ retiram nitrogênio do solo. A absorção desse elemento é realizada na forma de nitratos pelas raízes.

Uma vez que os nitratos entram na planta, alguns deles são usados ​​pelas células da raiz. Outra parte é distribuída pelo xilema para toda a planta.

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

O íon amônio em grandes quantidades é tóxico para a planta. Portanto, é rapidamente incorporado aos esqueletos de carbonato para formar aminoácidos e outras moléculas.

No caso dos consumidores, o nitrogênio é obtido alimentando-se diretamente de plantas ou outros animais.

Ammonificação

Nesse processo, os compostos nitrogenados presentes no solo são decompostos em formas químicas mais simples. O nitrogênio está contido na matéria orgânica morta e nos resíduos, como uréia (urina de mamífero) ou ácido úrico (excrementos de pássaros).

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 o excesso de nitrogênio na forma de amônia ou íon amônio.

Esses compostos estão disponíveis no solo para que outros microrganismos atuem nas fases seguintes do ciclo.

Nitrificação

Durante essa fase, as bactérias do solo oxidam amônia e o íon amônio. No processo, é liberada energia que é utilizada pelas bactérias em seu metabolismo.

Na primeira parte, bactérias nitrosantes do gênero Nitrosomas oxidam amônia e íon amônio a nitrito. A enzima amônia mooxigenase é encontrada na membrana desses microrganismos. Isso oxida o NH ₃ em hidroxilamina, que é então oxidado em nitrito no periplasma da bactéria.

Posteriormente, as bactérias nitrantes oxidam os nitritos em nitratos usando a enzima nitrito oxidorredutase. Os nitratos permanecem disponíveis no solo, onde podem ser absorvidos pelas plantas.

Desnitrificação

Nesse estágio, as formas oxidadas de nitrogênio (nitritos e nitratos) são reconvertidas em N ₂ e, em menor grau, em óxido nitroso.

O processo é realizado por bactérias anaeróbias, que usam compostos nitrogenados como aceptores de elétrons durante a respiração. A taxa de desnitrificação depende de vários fatores, como nitrato disponível e 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 aceptor de elétrons. Quando as temperaturas são muito baixas, os microorganismos não podem realizar o processo.

Esta fase é a única maneira pela qual o nitrogênio é removido de um ecossistema. Desta forma, o N ₂ que foi fixado retorna à atmosfera e o equilíbrio deste elemento é mantido.

Importância

Este ciclo tem grande relevância biológica. Como explicamos anteriormente, o nitrogênio é uma parte importante dos organismos vivos. Por meio desse processo, ele se torna biologicamente utilizável.

No desenvolvimento das lavouras, a disponibilidade de nitrogênio é uma das principais limitações da produtividade. Desde o início da agricultura, o solo foi enriquecido com este 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 ao aproveitamento do nitrogênio.

Durante o século 19, o guano (excrementos de pássaros) era amplamente utilizado como fonte externa de nitrogênio nas lavouras. 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 mais tarde foi comercializado por Carlo Bosch. Consiste na reação de N ₂ e gás hidrogênio para formar amônia. É conhecido como processo Haber-Bosch.

Essa forma de produção artificial de amônia é uma das principais fontes de nitrogênio que podem ser utilizadas pelos seres vivos. Estima-se que 40% da população mundial depende desses fertilizantes para sua alimentação.

Perturbações do ciclo do nitrogênio

A produção antrópica atual 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 consequência da síntese Haber-Bosch.

Os excessos de nitrogênio levam à eutrificação (enriquecimento com nutrientes) dos corpos d'água. A euutrificação antrópica é muito rápida e causa um crescimento acelerado principalmente de algas.

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

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

Referências

1. Cerón L e A Aristizábal (2012) Dinâmica do ciclo do nitrogênio e do fósforo nos solos. Rev. Colomb. Biotechnol. 14: 285-295.
2. Estupiñan R e B Quesada (2010) o processo Haber-Bosch na sociedade agroindustrial: perigos e alternativas. O Sistema Agroalimentar: mercantilização, lutas e resistência. Editorial ILSA. Bogotá Colômbia. 75-95
3. Galloway JN (2003) O ciclo global do nitrogênio. In: Schelesinger W (ed.) Treatise on Geochemistry. Elsevier, EUA. p 557-583.
4. Galloway JN (2005) O ciclo global do nitrogênio: passado, presente e futuro. Science in China Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) A cascata de nitrogênio causada por atividades humanas. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L e M Klotz (2016) O ciclo do nitrogênio. Current Biology 26: 83-101.