Ciclo Biogeoquímico do Carbono e Nitrogênio

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Disciplina: Engenharia Sustentável
Aula 8: Ciclo Biogeoquímico do carbono e do nitrogênio
Apresentação
Esta aula apresenta os ciclos biogeoquímicos de 2 elementos fundamentais na
química da Terra: o carbono e o nitrogênio. A importância desses elementos está no
grande volume de matéria e de energia movimentado nos seus processos, bem como
na especialidade desses elementos na formação e na manutenção da biosfera.
Verificaremos ainda a interdependência entre esses grandes ciclos e a biosfera, o
modo pelo qual a atividade humana influencia na dinâmica química da Terra e as
consequências dessas mudanças para a própria humanidade.
Objetivos
Compreender a importância dos ciclos biogeoquímicos para o meio ambiente;
Conhecer as características do ciclo biogeoquímico do carbono;
Conhecer as características do ciclo biogeoquímico do nitrogênio.
Ciclos Biogeoquímicos e o meio
ambiente
A Biogeoquímica é a ciência que estuda a troca ou a circulação de matéria
entre os componentes vivos e físico-químicos da biosfera (ODUM, 1983). Na
aula anterior, vimos que os ciclos biogeoquímicos tratam de movimentos
cíclicos de elementos químicos entre o meio biológico e o ambiente geológico.
Os elementos necessários à vida – água, carbono, oxigênio, nitrogênio etc. –
passam por ciclos biogeoquímicos que mantêm sua pureza e a capacidade de
serem aproveitados pelos seres vivos.
Ao longo do tempo, a composição da atmosfera tem se modificado em
resposta às interações biológicas e geológicas, que ocorrem nas interfaces
com a litosfera e a hidrosfera. As altas concentrações de nitrogênio e oxigênio,
por exemplo, devem-se à regeneração contínua dessas substâncias por
organismos vivos (atividade microbiana e fotossíntese, respectivamente). Na
ausência da biota, a atmosfera do planeta teria concentrações de gás
carbônico muito maiores do que as atuais, ao passo que o oxigênio seria
apenas uma substância em concentração em nível de traços. A vida na Terra é
mantida pela energia proveniente do sol e pelas interações entre sistemas
físicos e biológicos em contínuo reciclo, tornando o planeta um sistema
autossustentado e em evolução.
Os impactos ambientais no ecossistema terrestre e em especial na atmosfera,
devido à utilização e transformação de substâncias químicas, poderão ser
minimizados pelo uso adequado dos conhecimentos de Química e dos recursos
naturais, pelo entendimento dos processos ambientais, bem como pelo
estabelecimento de estratégias de remediação e desenvolvimento sustentado.
Esse é o grande desafio para as gerações atuais e futuras.
Ciclo Biogeoquímico do carbono
Um dos elementos químicos de maior importância para o nosso planeta e para
os seres vivos é o carbono. Para termos uma ideia, ele é o quarto
elemento químico em maior abundância na Terra e faz parte da
constituição de todos os componentes orgânicos, estejam eles vivos ou
mortos (não decompostos), e também dos componentes inorgânicos. Uma das
funções do carbono é equilibrar o processo respiratório quando é
transformado em dióxido de carbono.
O carbono é o elemento fundamental na constituição das moléculas orgânicas.
Ele é utilizado a princípio pelos seres vivos e está presente no ambiente,
combinado ao oxigênio e formando as moléculas de gás carbônico existentes
na atmosfera ou dissolvidas nas águas dos mares, rios e lagos.
Por meio da fotossíntese, o carbono passa a fazer parte da biomassa. Os seres
fotossintetizantes incorporam o gás carbônico atmosférico, transformando-se
em moléculas orgânicas.
O carbono circula no planeta Terra na atmosfera, nos
oceanos, na terra e também no seu interior, formando um
ciclo gigantesco biogeoquímico, ou seja, o ciclo do
carbono, que se divide no ciclo geológico (ou o ciclo lento)
e no ciclo biológico (considerado o ciclo rápido).
O ciclo geológico acontece muito lentamente, sendo um processo que pode
levar milhões de anos, tendo origem na formação do planeta, quando
meteoritos portadores de carbono e a terra sofreram colisões. Por meio de
explicações técnicas, os cientistas comprovam que o carbono desde então
está contido nas rochas sedimentares, nas rochas calcárias, nos combustíveis
fósseis e em muitos outros.
Como sabemos, esses elementos se transformam muito lentamente ao longo
da evolução do planeta, e o carbono contido neles também se transforma. Um
exemplo dessa transformação é quando a chuva ocasiona a erosão e leva para
os oceanos resíduos das rochas, os quais são depositados no fundo do oceano
com os restos dos animais mortos, que vão se sedimentando no fundo do
oceano, formando as rochas sedimentares.
O ciclo biológico do carbono é bem mais rápido que o ciclo geológico;
estima-se que ele aconteça a cada 20 anos. Esse processo acontece na terra,
nos oceanos e na atmosfera quando o carbono é absorvido e expelido pela
respiração e pela fotossíntese. O carbono é absorvido, usado durante o ciclo
de vida da planta e depois volta para a natureza. Enquanto o carbono é
absorvido e transformado pelos elementos orgânicos e inorgânicos, ele é
transformado e emitido por outros fatores, como fábricas, queimadas,
automóveis, gado etc.
O ciclo do carbono é apresentado na Figura 1:
 Figura 1: Ciclo do carbono. Fonte: Adaptada de
Botkin (1998).
O carbono é absorvido pelas plantas. Uma vez incorporado às moléculas
orgânicas dos produtores, poderá seguir dois caminhos:
será liberado novamente para a atmosfera na forma de CO2, como
resultado da degradação das moléculas orgânicas no processo
respiratório; ou
será transferido na forma de moléculas orgânicas aos animais herbívoros
quando estes comerem os produtores – uma parte será transferida para
os decompositores, que liberarão o carbono novamente para a
atmosfera, degradando as moléculas orgânicas presentes na parte que
lhes coube (Figura 2).
Os animais, por meio da respiração, liberam à atmosfera parte do carbono
assimilado, na forma de CO2. Parte do carbono contido nos herbívoros será
transferida para os níveis tróficos seguintes, outra parte caberá aos
decompositores e, assim, sucessivamente, até que todo o carbono fixado pela
fotossíntese retorne novamente à atmosfera na forma de CO2.
 Figura 2: Passagem de CO2 entre o ambiente e
os seres vivos. Fonte: ESTUDO KIDS (2018).
Emissão de carbono na atmosfera
O gás carbônico que existe na atmosfera é essencialmente originado pelo
processo de respiração (79%). Pode ser gerado ainda pela queima de material
orgânicos, combustíveis fósseis (gasolina, querosene, óleo diesel, xisto etc.)
ou não (álcool, óleos vegetais). Pode ainda ser resultado da atividade
vulcânica. Os solos ricos em matéria orgânica em decomposição (pântanos)
apresentam grande concentração de CO2.
O aumento da concentração atmosférica de CO2, por exemplo, é resultado
principalmente da queima de combustíveis, mas também resulta de processos
de desflorestamento e das contínuas trocas de carbono efetuadas entre a
atmosfera, os oceanos e a biosfera continental. Emissões de óxido nitroso
vêm crescendo como resultado das práticas de fertilização do solo, enquanto o
metano, que também participa de importantes processos fotoquímicos, é
gerado em grandes quantidades por atividades humanas – queima de
biomassa, pecuária, depósitos de lixo – e processos naturais (pântanos,
decomposição de matéria orgânica).
O gás carbônico que existe na atmosfera é um importante componente do
efeito estufa (Figura 3), um fenômeno atmosférico natural, que ocorre
porque gases como o gás carbônico (CO2), o vapor-d’água (H2O), o metano
(CH4), o ozônio (O3) e o óxido nitroso (N2O) são transparentes e deixam
passar a luz solar em direção à superfície da Terra. Esses gases, porém, são
praticamente impermeáveis ao calor emitido pela superfície terrestre aquecida
(radiação terrestre).
 Figura 3: Efeito estufa. Fonte:
https://goo.gl/priFH4
<https://goo.gl/priFH4> . Acesso em: 17 jul
2018.
Essefenômeno faz com que a atmosfera permaneça aquecida após o pôr do
sol, resfriando-se lentamente durante a noite. Em função dessa propriedade
física, a temperatura média global do ar próximo à superfície é de 15ºC. Na
sua ausência, seria de 18ºC abaixo de zero. Portanto, o efeito estufa é
benéfico à vida no planeta Terra.
Desse modo, a questão preocupante é a intensificação do efeito estufa em
relação aos níveis atuais. Quanto maior a concentração de gases estufa na
atmosfera, maior a capacidade de aprisionar a radiação terrestre (calor) e
maior a temperatura da Terra. O principal gás estufa é o vapor-d’água, porém
sua concentração é muito variável no tempo e no espaço. O CO2, segundo gás
em importância, tem causado polêmica quanto à quantidade emitida e
principais locais e fontes de emissão, além da necessidade de controle de
emissões. Isso ocorre devido ao aumento de sua concentração na atmosfera
(cerca de 0,5% ao ano) e seu tempo de vida na atmosfera, que é de até 200
anos (BRASIL ESCOLA, 2018).
 Fonte: http://picworld.ru/?p=35123
<http://picworld.ru/?p=35123>
 Fonte: https://goo.gl/GxmqhG
<https://goo.gl/GxmqhG>
A liberação de grande quantidade de carbono para a superfície da Terra
começou a ter impulso durante a Revolução Industrial, por meio da queima de
combustíveis fósseis. O carbono chega à superfície como gás carbônico, e
assim contribui para o aumento do chamado efeito estufa.
Estudos realizados pelo Painel Internacional de Mudanças Climáticas (IPCC; do
inglês, Intergovernmental Panel on Climate Change) demonstram que
somente entre os anos de 1980 e 1998 se deu um aumento de cerca de 65%
na quantidade de emissões de CO2 no planeta.
O aquecimento global é gerado pelo CO2 e por outros gases. A maior
quantidade desse gás vem da queima de combustíveis fósseis, não da
respiração de seres vivos. Vale salientar que a existência desses gases
também é importante para a existência da vida na Terra, mantendo o planeta
em uma temperatura média que torne a vida possível. No entanto, o processo
de retirada dos combustíveis fósseis de camadas fora do contato com a
atmosfera (e a sua posterior queima) altera o equilíbrio da atmosfera, que já
não contava mais com esses gases.
 Fonte: https://goo.gl/a8HhwY
<https://goo.gl/a8HhwY>
 Fonte: https://goo.gl/JBQhnk
<https://goo.gl/JBQhnk>
Os animais – e a pecuária de gado – também contribuem para o aquecimento,
pois liberam o gás metano (CH4), que retém mais calor do que CO2.
Bactérias anaeróbicas também produzem CH4 e são encontradas
principalmente em ambientes como lixões, criados pelo homem. O CO2 reage
com a água e forma um ácido que prejudica os ecossistemas aquáticos.
Qual a importância das plantas, afinal? Os vegetais absorvem mais gás
carbônico para a fotossíntese do que liberam para respirar. Sendo assim, são
uma ferramenta para diminuir a concentração de carbono e reduzir o
aquecimento global. Quando as plantas são queimadas – o que é
extremamente comum no Brasil –, elas liberam alta quantidade de carbono.
 Fonte: Shuttersock por smikeymikey1
Ciclo Biogeoquímico do nitrogênio
Muitos compostos contendo nitrogênio são encontrados na natureza, pois esse
elemento químico possui grande capacidade de fazer ligações químicas, com
números de oxidação variando de (–3) a (+5). É o mais abundante elemento
químico na atmosfera, contribuindo com aproximadamente 78% de sua
composição.
A molécula de N2 é extremamente estável e quase não desempenha papel
químico importante, exceto na termosfera (altitude maior que 90km), onde
pode ser fotolizada ou ionizada. Os constituintes minoritários, tais como óxido
nitroso (N2O), óxido nítrico (NO), dióxido de nitrogênio (NO2), ácido nítrico
(HNO3) e amônia (NH3), são quimicamente reativos e têm importantes papéis
nos problemas ambientais contemporâneos, incluindo a formação e
precipitação ácida (chuva ácida), poluição atmosférica (smog fotoquímico),
aerossóis atmosféricos e depleção da camada de ozônio. Os óxidos de
nitrogênio, NO e NO2, são rapidamente interconversíveis e existem em
equilíbrio dinâmico. Por conveniência, a soma das duas espécies é geralmente
referida como NOx (NOx = NO + NO2) (MARTINS, 2003).
O nitrogênio é essencial à vida, sendo necessário, por exemplo, na
constituição das proteínas e do DNA que contém as informações genéticas. A
atmosfera é o principal reservatório de nitrogênio, sob forma de N2, embora
as plantas e os animais não possam utilizá-lo diretamente. Os animais
necessitam do nitrogênio incorporado em compostos orgânicos (aminoácidos e
proteínas), enquanto plantas e algas necessitam do nitrogênio sob a forma de
íons nitrato (NO3-) ou íons amônio (NH4+).
O ciclo do nitrogênio, assim como o do carbono, é 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.
O nitrogênio é um elemento que entra na constituição de duas moléculas
orgânicas extremamente importantes: as proteínas e os ácidos nucléicos.
Embora esteja presente em grande porcentagem no ar atmosférico, na forma
de N2, poucos são os organismos que o assimilam nessa forma. Apenas certas
bactérias e algas cianofíceas podem retirá-lo do ar na forma de N2 e
incorporá-lo às suas moléculas orgânicas. Como consequência, os demais
seres vivos dependem daqueles organismos para a fixação do nitrogênio
ambiental.
As bactérias que fixam o nitrogênio diretamente da atmosfera vivem próximo
à superfície do solo. Quando morrem e são degradadas, essas bactérias
liberam seu nitrogênio no solo, na forma de moléculas de amônia. Outros
tipos de bactérias transformam a amônia em nitratos – e é nessa forma que
as plantas absorvem o nitrogênio do solo, por meio de suas raízes. Os
herbívoros obterão nitrogênio ao comerem as plantas.
Certas bactérias fixadoras de nitrogênio atmosférico, em vez de viverem livres
no solo, vivem no interior dos nódulos formados em raízes de plantas
leguminosas, como a soja e o feijão. Ao fixarem o nitrogênio do ar, essas
bactérias fornecem parte dele às plantas. A rotação de culturas é uma prática
recomendável, porque as plantas leguminosas colocam em disponibilidade o
nitrogênio para outras culturas.
A devolução do nitrogênio à atmosfera, na forma de N2, é feita graças à ação
de outras bactérias, chamadas denitrificantes. Elas podem transformar os
nitratos do solo em N2, que volta à atmosfera, fechando o ciclo.
 Figura 4: Ciclo do nitrogênio. Fonte: PLANETA
BIOLOGIA, 2018.
O ciclo do nitrogênio, ilustrado na (Figura 4), é um dos mais importantes e
complexos dos ciclos globais. Ele descreve um processo dinâmico de
intercâmbio de nitrogênio entre a atmosfera, a matéria orgânica e os
compostos inorgânicos.
Qualquer processo que resulte na transformação do N2 da atmosfera em
outros compostos de nitrogênio é denominado de fixação de nitrogênio.
Grande número de bactérias pode converter o nitrogênio gasoso a amônia
(NH3) ou íons amônio (NH4+), por meio de redução catalisada por enzimas,
em processo conhecido como fixação biológica de nitrogênio, que representa
90% de toda a fixação de origem natural.
O ciclo do nitrogênio começa com o elemento na
forma gasosa na atmosfera (N2). Aí acontece a
nitrificação, começando quando as bactérias e
cianobactérias fazem a fixação desse elemento
no solo. Como consequência, produzem amônia
(NH3). Outras bactérias absorvem o NH3 e
geram nitrito. Ele é absorvido por outras
bactérias que geram nitrato.
As plantas absorvem nitrato e fazem proteínas, DNA, RNA, ATP, que possuem
nitrogênio na sua composição. Raramente, amônia também é absorvida pelos
vegetais.
Osanimais que comem plantas obtêm nitrogênio das plantas. Ao se
alimentarem de outros animais, conseguem nitrogênio originado dos vegetais.
Os seres vivos mortos sofrem decomposição, o que forma amônia. Essa
amônia contribui para a nitrificação, já que bactérias a consomem,
transformam em nitrito e depois em nitrato.
Impacto ambiental | Eutrofização
A eutrofização ocorre quando a água recebe elementos inorgânicos, como
nitrogênio, amônia e fosfato, produzido na decomposição do fosfato e do
esgoto, entre outros.
Eles são alimentos para algas e cianobactérias, que se proliferam. Como
consequência, a luz não chega ao fundo do ecossistema da água. Assim, há
mais material para as bactérias decompositoras, que consomem muito gás
oxigênio (O2).
Como os outros seres vivos (os peixes, por exemplo) precisam de O2, eles
não conseguem viver. As próprias bactérias decompositoras aeróbicas também
morrem.
As bactérias anaeróbicas se proliferam. Elas, por sua vez, liberam nutrientes
para bactérias metanogênicas, que soltam metano (CH4) na atmosfera, gás
que retém grande quantidade de calor.
Dessa forma, a eutrofização é um processo que impacta o aumento do
aquecimento global.
Atividades
1. As plantas e as algas, consideradas organismos produtores, são úteis
na purificação do ar porque:
 a) absorvem gás carbônico e expelem gás nitrogênio.
 b) absorvem gás carbônico e expelem gás oxigênio.
 c) absorvem gás carbônico e expelem vapor-d’água.
 d) absorvem água e expelem gás oxigênio.
 e) absorvem água e expelem gás nitrogênio.
2. O ciclo biogeoquímico do carbono compreende diversos
compartimentos, entre os quais a Terra, a atmosfera e os oceanos, e
diversos processos que permitem a transferência de compostos entre
esses reservatórios. Os estoques de carbono armazenados na forma de
recursos não renováveis, por exemplo, o petróleo, são limitados, sendo
de grande relevância que se perceba a importância da substituição de
combustíveis fósseis por combustíveis de fontes renováveis. A utilização
de combustíveis fósseis interfere no ciclo do carbono, pois provoca:
 a) aumento da porcentagem de carbono contido na Terra.
 b) redução na taxa de fotossíntese dos vegetais superiores.
 c) aumento da produção de carboidratos de origem vegetal.
 d) aumento na quantidade de carbono presente na atmosfera.
 e) redução da quantidade global de carbono armazenado nos oceanos.
3. Na técnica de plantio conhecida por hidroponia, os vegetais são
cultivados em uma solução de nutrientes no lugar do solo, rica em nitrato
e ureia. Nesse caso, ao fornecer esses nutrientes na forma aproveitável
pela planta, a técnica dispensa o trabalho das bactérias fixadoras do solo,
que, na natureza, participam do ciclo:
 a) da água.
 b) do carbono.
 c) do nitrogênio.
 d) do oxigênio.
 e) do fósforo.
Referências
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York: John Wiley & Sons, 1998.
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https://monografias.brasilescola.uol.com.br/biologia/os-ciclos-oxigenio-
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vegetais <https://www.estudokids.com.br/respiracao-e-transpiracao-dos-
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FINLAYSON-PITTS, B.; PITTS JR., J.N. Chemistry of the upper and lower
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ODUM, E. P. Ecologia. Rio de janeiro: Guanabara S.A., 1983. 434 p.
PLANETA BIOLOGIA. Ciclos biogeoquímicos. Disponível em:
https://planetabiologia.com/ciclos-biogeoquimicos-resumo-o-que-sao-
quais-sao <https://planetabiologia.com/ciclos-biogeoquimicos-resumo-o-
que-sao-quais-sao> . Acesso em: 19 jun 2018.
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