Por Manuela Issi Bastos

 

Ciclos biogeoquímicos

1. Breve Introdução

Os elementos químicos estão presentes em quantidades limitadas no planeta Terra, isso significa que a vida em nosso mundo depende da reciclagem desses elementos, majoritariamente dos mais abundantes nos corpos dos seres vivos.

Assim, nesse módulo iremos compreender como os seres vivos estão continuamente estão substituindo seus elementos químicos por outros, através da excreção, da respiração, da nutrição e até mesmo da morte, criando um padrão de movimento para os elementos químicos, os quais são chamados de ciclos biogeoquímicos.

 

2. Ciclo Hidrológico

O ciclo hidrológico corresponde ao padrão comportamental da água ($H_2O$) na Terra.

Esse ciclo biogeoquímico se inicia com a evaporação da água em estado líquido e a passagem desse vapor para atmosfera. Posteriormente, nas camadas mais altas e frias da atmosfera, as moléculas de vapor d'água perdem energia e, assim, passam para o estado líquido, ou seja, elas sofrem condensação, o que acaba por resultar em nuvens. Seguido a esse processo, essas novas gotas de água são transportadas pelo vento e, quando várias se juntam há precipitação, a qual pode ocorrer na forma de chuva, neve ou granizo. Essa água proveniente da precipitação cai em rios, lagos e oceanos, o que acaba por garantir a continuidade do ciclo. Ou então, essa água pode sofrer percolação, se infiltrando em solos permeáveis, situação que resulta nos famosos lençóis freáticos.

Vale ressaltar que a maior parte da água que evapora dos oceanos precipita nos continentes, fato que gera o abastecimento de água no meio terrestre e não somente no aquático.

Ademais, no que tange aos organismos importantes para o ciclo hidrológico é relevante lembrar das plantas, já que grande parte da água presente nas folhas das plantas passa para o estado gasoso. Esse vapor de água é, então, liberado na atmosfera através dos estômatos, em um processo denominado evapotranspiração vegetal. Essas moléculas liberadas no estado gasoso aumentam a concentração de água na atmosfera, possibilitando a ocorrência de chuvas em todo o globo. Outrossim, as plantas também são relevantes por produzirem uma substância chamada núcleo de condensação de nuvens, as quais são moléculas imprescindíveis para as chuvas.

Os animais e, praticamente, todos os seres vivos também possuem participação no ciclo hidrológico, tendo em vista que esses ingerem água na forma líquida e em alimentos. Ademais, os animais produzem água em reações metabólicas. Posteriormente, toda essa água retorna ao ambiente por processos biológicos, como o suor, a urina, as fezes e, em alguns casos, até mesmo a respiração pulmonar.

 

3. Ciclo do carbono

Os maiores reservatórios de carbono na Terra são as rochas sedimentares, os sedimentos marinhos e as águas oceânicas. O carbono também pode ser encontrado nos combustíveis fósseis. Ademais, ele forma os esqueletos de moléculas orgânicas, sendo um dos elementos químicos mais abundantes nos seres vivos. Na atmosfera, a molécula mais importante para o ciclo é o gás carbônico ($CO_2$).

No ciclo desse elemento, um dos processos fundamentais é a fixação do carbono, também conhecida cada como "sequestro de carbono". A fixação ocorre quando organismos autótrofos utilizam o gás carbônico atmosférico para a produção de moléculas orgânicas. O carbono é retirado da atmosfera e "fixado" no esqueleto de diversos compostos orgânicos gerados pelos produtores.

A fixação do carbono acontece, principalmente. na fotossíntese realizada por cianobactérias, algas e plantas, na qual a luz solar é a fonte de energia. Menos frequentemente, a fixação de carbono também acontece na quimiossíntese, feita apenas por algumas bactérias e arqueas que usam a energia liberada em reações químicas para a produção de moléculas orgânicas.

A equação da fotossíntese é dada por:

$6{CO_2} + 12{H_2O} \rightarrow {C_6H_{12}O_6} + 6{O_2} + 6{H_2O}$

Parte da matéria orgânica gerada pelos produtores é usada na construção de tecidos corporais, de modo que o carbono fica preso no corpo do organismo integrando sua biomassa. No entanto, a maior parte dessa matéria é, de fato, usada na respiração celular para produzir energia e na reação da respiração, produz-se gás carbônico, o qual pode, inclusive, ser reutilizado pelo próprio produtor.

A equação da respiração é dada por:

${C_6H_{12}O_6} + 6{O_2} + 30{ADP} + 30{P} \rightarrow 6{CO_2} + 6{H_2O} + 30{ATP}$

Já os organismos consumidores adquirem o carbono através da nutrição, ao ingerirem produtores ou outros consumidores. Parte desse carbono ingerido é usado para a construção de tecidos corporais. Já o carbono não absorvido é eliminada nas fezes e na respiração celular, voltando para a atmosfera.

Observa-se ainda que com a morte de organismos a matéria orgânica presente em seu corpo passa a ser usada como fonte de nutrição para organismos decompositores e a maioria do carbono envolvido volta para a atmosfera.

Outro processo que compõe o ciclo do carbono é a combustão, já que a queima de biomassa gera gás carbônico.

 

4. Ciclo do nitrogênio

O principal reservatório de nitrogênio é a atmosfera além disso esse elemento é o mais abundante nos seres vivos, estando presente nos aminoácidos e nos nucleotídeos.

Embora haja muito nitrogênio na atmosfera, os animais possuem dificuldades em absorver esse elemento diretamente, por exemplo as plantas só absorvem o nitrogênio presente no solo na forma de íons amônio $({NH_4}^{+})$ e nitrato $({NO_3}^{-})$ e os animais só o absorvem por nutrição. Por ser mais complexo que os demais ciclos, o ciclo do nitrogênio é dividido em fases: a fixação, a amonificação, a nitrificação e desnitrificação.

4.1 Fixação biológica do nitrogênio

O nitrogênio gasoso é composto por dois átomos de nitrogênio ligados por uma tripla, isso significa que para quebrar essa ligação é necessário um grande gasto energético, o que implica no fato que apenas alguns procariontes possuem a enzima capaz de realizar a quebra dessa reação, o nome dessa enzima é nitrogenase. O nitrogênio gasoso é transformado em amônia ($NH_3$), com gasto de energia, por meio da adição de íons hidrogênios e elétrons presentes na célula desses procariontes. Esse processo e conhecido como fixação biológica do nitrogênio e corresponde a 90 por cento da fixação natural desse elemento. A amônia produzida pelos procariontes pode ser incorporada às moléculas orgânicas ao combinar-se, por exemplo, com o gás carbônico para formar aminoácidos.

A equação da fixação biológica do nitrogênio é dada por:

$N_2 + 8e^{-} + 8H^{+}+ 16ATP \rightarrow 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16P$

Os principais fixadores do nitrogênio são os ribózios, um tipo de bactéria que realiza uma parceria com plantas leguminosas. Essa parceria envolve a liberação de flavonoides e outros mensageiros químicos que atraem as bactérias, as quais invadem as raízes das plantas e atingem as células parenquimáticas do córtex, estimulando a proliferação celular do periciclo, formando um nódulo de fixação.

Os nódulos de fixação possuem um tecido vascular que transporta os nutrientes orgânicos da planta para as bactérias e os compostos nitrogenados das bactérias para as plantas. Essa relação entre os dois organismos é denominada bacteriorriza.

Cabe ressaltar que também existe a fixação atmosférica do $N_2$, em que os relâmpagos são a principal fonte energética para a produção de nitrato.

4.2 Amonificação

Existe nitrogênio no solo, o qual, em sua maioria, é resultado de produtos da decomposição de cadáveres e excretas. Esse nitrogênio é transformado em amônia ($NH_3$) em um processo chamado amonificação.

A amônia liberada no solo pode se unir a algum íon de hidrogênio e assim formar o íon amônio (${NH_4}^{+}$) que pode ser absorvido pelas raízes dos vegetais. No entanto, uma quantidade relevante de amônia acaba por ser usada pelas bactérias nitrificantes para produzir nitrato (${NO_3}^{-}$).

Consiste na produção de nitrato a partir da amônia, um processo que tem duas fases: a nitrosação e a nitratação. Todo o procedimento é feito por bactérias nitrificantes.

$2NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2H^{+} + 2{NO_2}^{-} + 2H_2O + ENERGIA$

4.3 Nitrosação

A nitrosação é a oxidação da amônia em íon nitrito (${NO_2}^{-}$). Essa etapa é realizada por bactérias nitrosas, um tipo de bactérias nitrificantes, dentre as quais as Nitrossomonas se destacam. Essa oxidação é feita pelo uso de oxigênio e acaba por produzir o ácido nitroso ($HNO_2$), que se ioniza formando um íon de hidrogênio ($H^+$) e um íon nitrito (${NO_2}^{-}$). Essa reação gera energia, a qual é usada pela bactéria na síntese de moléculas orgânicas, fazendo com que esse tipo de bactéria seja quimiossintetizante.

${NO_2}^{-} + O_2 \rightarrow 2{NO_3}^{-} + ENERGIA$

4.4 Nitratação

A nitratação é a oxidação do íon nitrito em nitrato e é realizada por bactérias nítricas (também um tipo de nitrificantes), dentro as quais se destaca a Nitrobacter. Bem como as bactérias nitrosas, as bactérias nítricas utilizam a energia produzida pela reação para a síntese de moléculas orgânicas, o seja, também são quimiossintetizantes.

Os nitratos produzidos são liberados no solo e podem ser usados pelas plantas.

4.5 Desnitrificação

Embora parte do nitrato presente no solo após a nitratação seja usado pelas plantas, outra parte dele acaba por ser usado pelas bactérias desnitrificantes, as quais convertem esse nitrato em gás nitrogênio gasoso no processo da desnitrificação. As bactérias responsáveis por esse fenômeno e, consequentemente pela manutenção do ciclo são as pseudomonas.

A equação do processo pode ser analisada abaixo:

$5C_6H_{12}O_6 + 24{{NO_3}^{-}} + 24H^{+} \rightarrow 30CO_2 + 42H_2O + 12N_2 + ENERGIA$

5. Ciclo do oxigênio

O oxigênio é um elemento de extrema relevância para todos os seres vivos na terra, haja vista que é usado por muitos na respiração aeróbica e também participa de processos muito relevantes para a vida, como a combustão. Nesse sentido, é possível compreender a importância do ciclo biogeoquímico do oxigênio, posto que esse é capaz de garantir a movimentação desse elemento no ambiente.

O oxigênio possui, basicamente, três reservatórios principais: a atmosfera, a biosfera e a litosfera. Durante seu ciclo, o elemento é capaz de transitar entre todos esses reservatórios e assim se espalhar no meio.

Isso posto, é fulcral compreender o aparecimento do oxigênio na Terra, o qual surge com a fotossíntese, processo que acaba por regular as quantidades de ($O_2$) e ($CO_2$). Seres vivos fotossintetizantes são responsáveis pela maior parte da liberação de ($O_2$), sendo que essa liberação ocorre majoritariamente por fitoplânctons, já que esses, ao contrário das plantas, não consomem o ($O_2$) produzido.

5.1 Fluxos de oxigênio

Primeiramente, tem-se a produção de oxigênio através da seguinte reação química:

$6CO_2 +12H_2O + ENERGIA \rightarrow C_6H_12O_6 + 6H_2O + 6O_2$

Tem-se também a produção de oxigênio através da fotólise da água, a qual é dada pela seguinte reação:

$2H_2O + ENERGIA \rightarrow 4H + O_2$

                                                        $2N_2O + ENERGIA \rightarrow 4N + O_2$

No entanto, todo esse oxigênio produzido acaba sendo consumido pelos seres vivos de respiração anaeróbica, fenômeno indicado pela reação química abaixo:

$C_6H_12O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + ENERGIA$

Outro processo que também consome oxigênio ocorre na litosfera e se trata da oxidação de rochas expostas como, por exemplo, o ferro.

Ademais, é válido ressaltar o ciclo do oxigênio entre a biosfera e a litosfera, no qual os seres vivos marinhos criam conchas de carbono e cálcio ($CaCO_3$), as quais são ricas em oxigênio, o qual acaba por ser aproveitado por outras plantas e animais quando o portador da concha morre.

6. Ciclo do fósforo

O fósforo é um elemento químico igualmente importante para a vida na Terra, estando presente nos ácidos nucleicos, nos fosfolipídeos e nas coenzimas. Nesse sentido constata-se a  importância de entender o ciclo biogeoquímico desse elemento, caso contrário, muitos seres vivos não conseguem acessá-lo. 

 

6.1 Etapas do ciclo

Uma peculiaridade quanto ao ciclo do fósforo é o fato de esse não apresentar uma fase atmosférica, justamente por não ser possível encontrar o fósforo naturalmente na forma de gás.

Nesse sentido, o que é observado na natureza é o fato de os maiores reservatórios de fósforo serem as rochas e depósitos formados nas eras geológicas. Assim, quando tais reservatórios sofrem intemperismo o fósforo acaba por ser depositado no ambiente, de modo que esse fósforo presente no ambiente passa a ser absorvido pelas plantas. No entanto, também existe a opção de esse elemento não ser absorvido pelas plantas, e sim pelos rios, mares e lagos. Quando essa segunda opcao ocorre, diz-se que houve um ciclo sem a interferência de seres bióticos, de modo que esse tipo de ciclo recebe o nome de ciclo de tempo geológico, já o ciclo que envolve seres bióticos é denominado ciclo de tempo biológico.

 

6.1 Ciclo de tempo ecológico

Nesse ciclo tem-se que os íons fosfato, liberados por intemperismo na água, já são absorvidos pelas plantas. Os animais, acabam por adquirir esse elemento através da cadeia alimentar, quando ingerem os produtores. No entanto, a própria ingestão de água também faz com que os animais consigam ingerir tais íons. 

Posterior a isso, o fósforo é capaz de voltar ao ambiente por meio da decomposição dos seres vivos, a qual é feita pelas bactérias fosfolizantes as quais fazem com que este retorne na forma de corpo solúvel, ou seja, o elemento pode ser facilmente transportado por chuvas até mares, rios e lagos.

O ciclo do fósforo também pode ocorrer pela ação de aves marinhas, de modo que estas se alimentam de peixes marinhos que tenham ingerido fósforo e excretam o elemento em terra firme, fazendo com que esse seja devolvido ao meio.

 

6.2 Ciclo de tempo geológico

O ciclo de tempo geológico tem-se que os seres vivos não participam do transporte de fósforo. Ou seja, tem-se a liberação do fósforo no ambiente através do intemperismo e o elemento acaba por ser levado aos rios, mares e lagos por fatores naturais, como sol, chuva, ventos…

 

6.3 Eutrofização

O fósforo também está muito presente nos fertilizantes utilizados atualmente. Com isso, o manejo inadequado desses pode fazer com que o elemento se encontre em alta quantidades no ambiente e acabe por gerar um desequilíbrio ambiental, situação que recebe o nome de eutrofização. 

A eutrofização ocorre quando tem-se, no meio aquático, um excesso de fósforo e esse excesso gera um aumento da população de algas, bactérias e fitoplâncton. Isso produz uma grande quantidade de matéria orgânica, pois esses seres possuem um tempo de vida muito curto. Como consequência do aumento de matéria orgânica, há um crescimento de seres decompositores, os quais são aeróbios e ao realizarem decomposição consomem oxigênio da água. Essa falta de oxigênio gera uma alta proliferação de organismos anaeróbios, os quais, nos processos metabólicos, liberam toxinas que afetam as propriedades químicas da água. 

7. Ciclo do enxofre

O ciclo biogeoquímico do enxofre possui etapas tanto na atmosfera, quanto em sedimentos, sendo extremamente relevante para que os seres vivos consigam assimilar o elemento a seus organismos, de modo que a forma do enxofre assimilada é a de sulfato inorgânico. 

A abundância de enxofre no planeta Terra é alta, de modo que o elemento possui maior ocorrência na forma de sulfatos solúveis, sendo que seu principal reservatório são as rochas sulfurosas. Além disso, o enxofre também pode se inserir no meio pela forma reduzida de ($H_2S$), consequência da atividade vulcânica e da atividade de microrganismos. 

7.1 Mineralização

A fase inicial do ciclo do enxofre, conhecida como mineralização, é um processo essencial no qual compostos de enxofre inorgânicos, como sulfato $({SO_4}^{2-})$ e sulfeto ($H_2S$) de hidrogênio são liberados no ambiente a partir de fontes minerais e atividades geológicas, como vulcanismo e erosão. Esses compostos são fundamentais para a nutrição dos ecossistemas, fornecendo enxofre disponível para ser utilizado por organismos vivos em várias etapas do ciclo.

7.2 Assimilação

A assimilação é a etapa do ciclo na qual as plantas absorvem sulfato $({SO_4}^{2-})$ do solo e da água, incorporando o enxofre em moléculas orgânicas. Cabe ressaltar que o sulfato é a versão oxidada da sulfa elementar, fenômeno que ocorre graças às bactérias do gênero Chlorobium, Pelodityon e Thiobacillus. Após essa assimilação feita pelos produtores, os demais animais podem incorporar enxofre ao consumirem produtores.

 

 

6.3 Decomposição

Na fase de decomposição do ciclo do enxofre, materiais orgânicos ricos em enxofre, como resíduos vegetais e animais, são decompostos por microrganismos, incluindo bactérias e fungos. Durante esse processo, os compostos de enxofre presentes na matéria orgânica são quebrados em componentes mais simples, liberando sulfato $({SO_4}^{2-})$ e sulfeto de hidrogênio ($H_2S$) no ambiente. Essa decomposição é essencial para a reciclagem de nutrientes e a liberação de enxofre de volta ao solo, onde pode ser reutilizado por plantas e outros organismos. 

 

6.4 Redução Dissimilatória

A redução dissimilatória do sulfato é uma etapa importante no ciclo do enxofre, na qual bactérias redutoras de sulfato, como Desulfovibrio e Desulfobulbus, utilizam o sulfato $({SO_4}^{2-})$ como agente oxidante em condições anaeróbicas. Durante esse processo, o sulfato é reduzido a sulfeto de hidrogênio ($H_2S$), liberando energia que as bactérias utilizam para suas atividades metabólicas. Essa redução dissimilatória desempenha um papel fundamental na ciclagem do enxofre em ambientes onde o oxigênio é limitado, como sedimentos marinhos e solos anaeróbicos. Esse processo pode ser descrito pela equação química abaixo:

$SO_4^{2-} + 8e^{-} + 8H^{+} \rightarrow H_2S + 4H_2O$

 

6.5 Oxidação

Na fase de oxidação do ciclo do enxofre, o sulfeto de hidrogênio (H2S) produzido durante a redução dissimilatória ou a decomposição de matéria orgânica é oxidado por bactérias oxidantes de enxofre, como Thiobacillus, para formar novamente sulfato (SO4²-). Essa oxidação é frequentemente realizada em ambientes aquáticos, como oceanos e lagos, onde o H2S é liberado dos sedimentos e pode ser oxidado na coluna de água. A oxidação do sulfeto de hidrogênio é uma etapa crucial para completar o ciclo do enxofre e manter um equilíbrio entre as formas inorgânicas de enxofre no ambiente.