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Conteúdo principal

O ciclo do nitrogênio

O papel fundamental dos microrganismos na fixação de nitrogênio. Como o uso excessivo de fertilizantes contendo nitrogênio pode causar floração de algas.

Principais pontos

  • Nitrogênio é um componente chave nos corpos de organismos vivos. Átomos de nitrogênio são encontrados em todas as proteínas e no DNA.
  • Nitrogênio existe na atmosfera como o gás N2. Na fixação de nitrogênio, as bactérias convertem N2 em amônia, uma forma de nitrogênio aproveitável pelas plantas. Quando os animais comem as plantas, eles adquirem compostos de nitrogênio metabolizáveis.
  • Nitrogênio é comumente um nutriente limitante na natureza, e na agricultura. Um nutriente limitante é o nutriente que tem a menor disponibilidade e limita o crescimento.
  • Quando fertilizantes contendo nitrogênio e fósforo são carregados em escoamentos para lagos e rios, eles podem resultar num crescimento aumentado de algas—isso é chamado de eutrofização.

Introdução

O nitrogênio está em todo lugar! Na verdade, N2 gasoso corresponde a aproximadamente 78%, por volume, da atmosfera da Terra, superando muito o O2 que normalmente pensamos como sendo o "ar".1
Mas ter nitrogênio ao redor e ser capaz de usá-lo são duas coisas diferentes. Seu corpo e os corpos de outros animais e plantas, não tem uma boa maneira de converter N2 à uma forma metabolizável. Nós animais—e nossos vegetais compatriotas—simplesmente não temos as enzimas certas para capturar, ou fixar, nitrogênio atmosférico.
Ainda assim, seu DNA e proteínas contêm bastante nitrogênio. De onde vem esse nitrogênio? No mundo natural, vem das bactérias!

Bactérias têm um papel-chave no ciclo do nitrogênio.

Nitrogênio entra no mundo vivo através das bactérias e outros procariotos unicelulares, que convertem nitrogênio atmosférico—N2—a formas biologicamente utilizáveis num processo chamado de fixação de nitrogênio. Algumas espécies de bactérias fixadoras de nitrogênio são organismos de vida livre no solo ou na água, enquanto outras são simbiontes benéficos que vivem dentro de plantas.
Microrganismos fixadores de nitrogênio capturam nitrogênio atmosférico convertendo-o em amônia—NH3—que pode ser absorvida por plantas e usada para fazer moléculas orgânicas. As moléculas que contêm nitrogênio são passadas para animais quando as plantas são ingeridas. Elas podem ser incorporadas ao corpo do animal ou degradadas e excretadas como resíduos, como a ureia encontrada na urina.
Procariotos têm vários papéis no ciclo do nitrogênio. Bactérias fixadoras de nitrogênio (no solo e dentro de raízes e nódulos radiculares de algumas plantas) convertem nitrogênio gasoso da atmosfera em amônia. Bactérias nitrificantes convertem amônia em nitritos ou nitratos. Amônia, nitritos e nitratos são todos formas de nitrogênio fixado e podem ser assimilados por plantas. Bactérias desnitrificantes convertem nitratos de volta a nitrogênio gasoso.
Créditos da imagem: modificado de Nitrogen cycle por Johann Dréo (CC BY-SA 3.0); a imagem modificada está licenciada sob uma licença CC BY-SA 3.0
O nitrogênio não permanece eternamente nos corpos de organismos vivos. Ao invés disso, é convertido de suas formas orgânicas de volta a N2 gasoso por bactérias. Esse processo frequentemente envolve várias etapas nos ecossistemas terrestres. Compostos nitrogenados de organismos mortos ou dejetos são convertidos em amônia—NH3—por bactérias, e a amônia é convertida em nitritos e nitratos. No fim, os nitratos são degradados a N2 gasoso por procariotos desnitrificantes.

Ciclo de nitrogênio em ecossistemas marinhos

Até agora, nós focamos no ciclo natural de nitrogênio como ele ocorre em ecossistemas terrestres. No entanto, etapas similares, de forma geral, ocorrem no ciclo marinho do nitrogênio. Lá, os processos de amonificação, nitrificação e desnitrificação são realizados por bactérias marinhas e arqueas.
A ilustração mostra o ciclo do nitrogênio. Gás nitrogênio da atmosfera é fixado a nitrogênio orgânico por bactérias fixadoras de nitrogênio. Esse nitrogênio orgânico entra nas cadeias alimentares terrestres. Ele sai das cadeias alimentares como resíduos nitrogenados no solo. A amonificação desses rejeitos nitrogenados por bactérias e fungos no solo converte o nitrogênio orgânico em íon amônio—NH4+. Amônio é convertido a nitrito—NO2- —e então a nitrato—NO3- —por bactérias nitrificantes. Bactérias desnitrificantes convertem nitrato de volta a gás nitrogênio, que entra novamente na atmosfera. O nitrogênio de escoamentos e dos fertilizantes vai para o oceano, onde entra nas cadeias alimentares marinhas. Parte do nitrogênio orgânico cai até o fundo do oceano como sedimento. Outra parte do nitrogênio orgânico no oceano é convertido em íons nitrito e nitrato, que são então convertidos a nitrogênio gasoso num processo análogo ao que ocorre no ambiente terrestre.
Crédito da imagem: Ciclos biogeoquímicos: Figura 4 de OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Alteração do trabalho feita por John M. Evans e Howard Perlman, USGS
Alguns compostos que contêm nitrogênio caem no fundo do oceano como sedimento. Durante longos períodos de tempo, os sedimentos ficam comprimidos e formam rochas sedimentares. Eventualmente, um levantamento geológico pode mover a rocha sedimentar para a terra. No passado, os cientistas não acreditavam que esta rocha sedimentar rica em nitrogênio fosse uma fonte importante deste composto para os ecossistemas terrestres. No entanto, um novo estudo sugere que ela possa realmente ser muito importante — o nitrogênio é liberado gradualmente para as plantas pelo desgaste da rocha ou pelas condições meteorológicas.2

Nitrogênio como um nutriente limitante

Em ecossistemas naturais, muitos processos, tais como a produção primária e a decomposição, são limitados pela oferta de nitrogênio disponível . Em outras palavras, o nitrogênio é frequentemente o nutriente limitante, o nutriente que está em menor oferta e, portanto, limita o crescimento dos organismos ou populações.
Como sabemos se um nutriente é limitante? Frequentemente, isso é testado da seguinte forma:3
  • Quando um nutriente é limitante, adicionar mais dele vai aumentar o crescimento—por exemplo, fará com que as plantas cresçam mais do que se nada fosse adicionado.
  • Se, ao invés disso, um nutriente não limitante for adicionado, não haverá efeito — por exemplo, as plantas crescerão igualmente se o nutriente estiver presente ou ausente.
Por exemplo, se adicionarmos nitrogênio na metade das plantas de feijão em um jardim e acharmos que elas cresceram mais do que as plantas não tratadas, isto sugeriria que o nitrogênio era o composto limitante. Se, ao invés disso, nós não virmos diferença no crescimento na nossa experiência, isto sugeriria que algum outro nutriente, que não o nitrogênio, devesse ser o limitante.
O nitrogênio e o fósforo são os dois nutrientes limitantes mais comuns nos ecossistemas naturais e na agricultura. É por isso que, se você olhar para um saco de fertilizante, você verá que ele contém muito nitrogênio e muito fósforo.

Atividades humanas afetam o ciclo do nitrogênio.

Nós humanos podemos não ser capazes de fixar o nitrogênio biologicamente, Mas certamente o fazemos industrialmente! Cerca de 450 milhões de toneladas métricas de nitrogênio fixado são geradas anualmente usando um método químico chamado Processo de Haber-Bosch, no qual o N2 reage com o hidrogênio—H2—em altas temperaturas.4 A maioria deste nitrogênio fixado vai para a produção dos fertilizantes que usamos em nossos próprios gramados, jardins e campos agrícolas.
Em geral, a atividade humana libera nitrogênio no ambiente por dois meios principais: queima de combustíveis fósseis e utilização, na agricultura, de fertilizantes que contêm nitrogênio. Ambos os processos aumentam os níveis dos compostos que contêm nitrogênio na atmosfera. Altos níveis de nitrogênio atmosférico — além de N2 — estão associados a efeitos nocivos, como a produção de chuva ácida — como ácido nítrico, HNO3—e contribuições para o efeito estufa — como o óxido nitroso, N2O.
Além disso, quando os fertilizantes artificiais que contêm nitrogênio e fósforo são utilizados na agricultura, o excesso de fertilizante acaba indo para lagos, riachos e rios por escoamento superficial. Um efeito importante do escoamento de fertilizantes é a eutrofização das águas salgadas e doces. Nesse processo, o escoamento de nutrientes provoca crescimento excessivo de algas ou outros microrganismos. Sem o escoamento de nutrientes, seu crescimento seria limitado pela disponibilidade de nitrogênio ou fósforo.
Uma fotografia de uma saída de águas residuais no rio Potomac. A água é verde e brilhante como resultado da eutrofização.
A eutrofização pode reduzir a disponibilidade de oxigênio na água durante a noite porque as algas e microrganismos que se alimentam deles utilizam grandes quantidades de oxigênio na respiração celular. Isso pode causar a morte de outros organismos que vivem nos ecossistemas afetados, tais como peixes e camarões e resulta em áreas de pouco oxigênio, áreas pobres de espécies chamadas zonas mortas.5

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