Autoria: Roberto Tadeu Arrébola
INTRODUÇÃO
As substâncias são continuamente transformadas durante a composição e a decomposição da matéria orgânica, sem escapar da biosfera. Elas são recicláveis.
Circulação na natureza de substâncias essenciais para a manutenção e reprodução dos organismos vivos. Os principais ciclos são os do carbono, átomos de carbono se incorporam em compostos orgânicos através da fotossíntese (absorvido na forma de nitratos por plantas comidas por animais, produzindo excreção de nitrato, que volta ao solo), da água (evaporação, à chuva, e assim por diante), do oxigênio, e do fósforo.
Os caminhos percorridos ciclicamente entre o meio abiótico e o biótico pela água e pelos elementos químicos carbono, oxigênio e nitrogênio constituem os ciclos biogeoquímicos.
CICLOS BIOGEOQUIMICOS
São processos naturais que reciclam elementos em diferentes formas químicas do meio ambiente para os organismos, e, depois, vice-versa. Água, carvão, oxigênio, nitrogênio, fósforo e outros elementos percorrem estes ciclos, unindo os componentes vivos e não-vivos da Terra.
Sendo a Terra um sistema dinâmico, em evolução, o movimento e a estocagem de seus materiais afetam todos os processos físicos, químicos e biológicos.
Um ciclo biogeoquímico é o movimento ou o ciclo de um determinado elemento ou elementos químicos através da atmosfera, hidrosfera, litosfera e biosfera da Terra.
Os ciclos estão intimamente relacionados com processos geológicos, hidrológicos e biológicos. Como exemplo, pode-se lembrar que um modesto conhecimento sobre o ciclo geológico (aqui referido como um conjunto dos processos responsáveis pela formação e destruição dos materiais da Terra, subdividido em: ciclo hidrológico e ciclo das rochas) é valioso para o conhecimento e compreensão de nosso ambiente, que é intimamente relacionado aos processos físicos, químicos e biológicos. Por exemplo, para avaliar o impacto ambiental de um material perigoso, como a gasolina, que vazou para o subsolo, as propriedades químicas, físicas e biológicas do solo, rochas e água deveriam ser entendidas. Essa compreensão ajudaria a responder perguntas como: Quão séria foi a contaminação? Quanto o contaminante poderá mover-se? Quanto o dano ambiental poderá ser minimizado?
CICLO DA ÁGUA OU CICLO HIDROLÓGICO
O ciclo hidrológico é dirigido pela energia solar e compreende o movimento da água dos oceanos para a atmosfera por evaporação e de volta aos oceanos pela precipitação que leva à lixiviação ou à infiltração.
Cerca de 97% do suprimento de água está nos oceanos, 2% nas geleiras e muito menos que 1% na atmosfera (0,001%). Aproximadamente 1% do total da água contida nos rios, lagos e lençóis freáticos é adequada ao consumo humano.
A água contida na atmosfera provém de todos os recursos de água doce, através do processo da precipitação.
A água circula no planeta devido às suas alterações de estado que são, principalmente, dependentes da energia solar.
A energia proveniente do Sol não atinge a Terra homogeneamente, mas com maior intensidade no equador do que nos pólos, no verão do que no inverno, e apenas durante o dia. Essa heterogeneidade condiciona movimentos das massas de ar (ventos) e de água (correntes oceânicas), responsáveis por diversas características do clima e de suas alterações.
Apenas 3% da água do planeta não estão nos oceanos. Neles ocorre alta produção de vapor, que é deslocado por ventos até a superfície terrestre, onde a evaporação é menor.
Conforme o vapor de água sobe a atmosfera, ele encontra menor temperatura e pressão, e tende a formar gotículas que constituem nuvens. Quando os movimentos de ar deslocam as nuvens contra uma serra, ela é forçada a subir mais, o que pode provocar sua precipitação, geralmente na forma de chuva ou de neblina. O mesmo ocorre quando uma massa de ar frio (frente fria) encontra uma massa de ar quente e úmido.
A água que se precipita, seja através de chuva, neve, granizo, etc. pode, em sua forma líquida, infiltrar-se no solo e subsolo, ou escoar superficialmente, tendendo sempre a escorrer para regiões mais baixas e podendo, assim, alcançar os oceanos. Nesse percurso e nos oceanos, ela pode evaporar diretamente, como também pode ser captada pelos seres vivos.
Durante a fotossíntese dos organismos clorofilados, a água é decomposta: os hidrogênios são transferidos para a síntese de substâncias orgânicas e o oxigênio constitui o O2 que é liberado.
Durante a respiração, fotossíntese e diversos outros processos bioquímicos, são produzidas moléculas de água.
As plantas terrestres obtêm água do solo pelas raízes, e perdem-na por transpiração. Os animais terrestres que ingerem, e a perdem por transpiração, respiração e excreção.
Através desses processos, a água circula entre o meio físico e os seres vivos continuamente.
CICLO DA ÁGUA
Como a ação humana afeta o ciclo da água?
As ações humanas podem esgotar o fornecimento da água subterrânea, causando uma escassez e o conseqüente afundamento da terra ao extrair-se o líquido. Ao remover a vegetação, a água flui sobre o solo mais rapidamente, de modo que tem menos tempo para ser absorvida na superfície. Isto provoca um esgotamento da água subterrânea e a erosão acelerada do solo.
CICLO DO CARBONO
O C é o elemento básico da construção da vida. C está presente nos compostos orgânicos (aqueles presentes ou formados pelos organismos vivos) e nos inorgânicos, como grafite e diamante. C combina-se e é química e biologicamente ligado aos ciclos do O e H para formar os compostos da vida. CO2 é o composto orgânico de C mais abundante na atmosfera, mas compostos orgânicos como CH4 ocorrem em menor quantidade. Parte do ciclo do C é inorgânica, e, os compostos não dependem das atividades biológicas. O CO2 é solúvel em água, sendo trocado entre a atmosfera e a hidrosfera por processo de difusão. Na ausência de outras fontes, a difusão de CO2 continua em um outro sentido até o estabelecimento de um equilíbrio entre a quantidade de CO2 na atmosfera acima da água e a quantidade de CO2 na água. Co2 entra nos ciclos biológicos por meio da fotossíntese, e, a síntese de compostos orgânicos constituídos de C, H, O, a partir de CO2 e água, e energia proveniente da luz.
Carbono deixa a biota através da respiração. Processo pelo qual os compostos orgânicos são quebrados, liberando CO2, ou seja, C inorgânico, CO2 e HCO3- são convertidos em C orgânico pela fotossíntese, CO2 é retirado pelas plantas na terra e nos processos com o auxílio da luz solar, através da fotossíntese. Os organismos vivos usam esse C e o devolvem pelo processo inverso: o da respiração, decomposição e oxidação dos organismos vivos. Parte desse C é enterrado dando origem aos combustíveis fósseis. Quando o carvão (ou petróleo) é retirado e queimado, o C que está sendo liberado (na forma de CO2) pode ter sido parte do DNA de um dinossauro, o qual em breve pode fazer parte de uma célula animal ou vegetal.
Praticamente todo o C armazenado na crosta terrestre está presente nas rochas sedimentares, particularmente como carbonatos. As conchas dos organismos marinhos são constituídas de CaCO3 que esses organismos retiram da água do mar. Quando da morte desses, as conchas dissolvem-se ou incorporam-se aos sedimentos marinhos, formando, por sua vez, mais rochas sedimentares. O processo, de bilhões de anos, retirou a maioria do CO2 da atmosfera primitiva da Terra, armazenando-o nas rochas. Os oceanos, segundo maior reservatório de CO2, em C dissolvido e sedimentado, têm cerca de 55 vezes mais quantidade de CO2 que a da atmosfera. Os solos têm 2 vezes mais que a atmosfera, as plantas terrestres têm aproximadamente à da atmosfera.
Tempo médio de residência de CO2:
Solos – 25 a 30 anos;
Atmosfera – 3 anos;
Oceanos – 1500 anos.
A formação dos sedimentos tectônicos contendo CO2 e a subseqüente reciclagem e decomposição nos processos tectônicos têm um tempo de residência de cerca de milhares de anos. A transformação do C presente nos organismos vivos por sedimentação e intemperismo envolve uma escala de tempo similar, embora as magnitudes sejam menores que para os carbonatos. Contudo, tais fluxos naturais estão sendo superados em muito pela quantidade de C que retorna à atmosfera pela queima dos combustíveis fósseis. Esta é a maior perturbação ao ambiente global causada pelo homem. Há ainda o desflorestamento e outras mudanças no uso da terra. Como resultado dessas perturbações, a (CO2)atm foi de 288 ppm, em 1850, para além de 350 ppm, em 1990. O aumento representa cerca de 50% do total de C que entra na atmosfera. A queima de combustíveis fósseis libera para a atmosfera 5 – 6 bilhões de m³ de C/ano, mas só são medidos cerca de 3. De 2 – 3 unidades são “perdidas”. Algumas plantas terrestres podem ter respondido ao aumento do (CO2)atm, elevando sua capacidade de fotossíntese.
Cerca de 99,9% de todo o C da Terra está armazenado em rochas, como CaCO3 insolúvel ou proveniente da sedimentação da matéria orgânica. Em última instância, o CO2 extra, proveniente da queima dos combustíveis fósseis, precisa retornar à crosta. A taxa de remoção de C dos oceanos e, em última instância, da atmosfera depende do intemperismo das rochas da crosta para liberar íons metálicos como Ca+2, que formam os carbonatos insolúveis. O aumento do intemperismo deveria responder à variação da temperatura global, pois a maioria das reações químicas é acelerada como o aumento da temperatura. A presença da vida pode, portanto, acelerar o intemperismo devido ao aumento da acidez dos solos devido, por sua vez, ao aumento de CO2 e aos ácidos húmicos produzidos quando da decomposição das plantas. As raízes das plantas também facilitam a destruição física das rochas. Assim, a temperatura global pode estar ligada ao ciclo do C. Adeptos da hipótese Gaia sugerem que a vida na terra exerce controle deliberado sobre a composição da atmosfera, mantendo a temperatura adequada.
Durante o verão, as florestas realizam mais fotossíntese, reduzindo a concentração de CO2. No inverno, o metabolismo da biota libera CO2.
O CICLO DO CARBONATO – SILICATO
Sua grande importância consiste no fato dele contribuir com aproximadamente 80% do total de CO2 trocado entre a parte sólida da Terra e a atmosfera. A troca ocorre há meio bilhão de anos. CO2 atmosférico dissolve-se na água da chuva, produzindo H2CO3. Essa solução ácida, nas águas superficiais ou subterrâneas, facilita a erosão das rochas silicatadas (Si é o elemento mais abundante da crosta terrestre). Entre outros produtos, o intemperismo e a erosão provocam a liberação dos íons Ca2+ e HCO3-, que podem ser lixiviados para os oceanos. Os organismos marinhos ingerem Ca2+ e HCO3- e os usam para construção de suas conchas carbonatadas. Quando esses organismos morrem, as conchas depositam-se, acumulando-se como sedimentos ricos em carbonatos. Esse sedimento de fundo, participando do ciclo tectônico, pode migrar para uma zona cuja pressão e calor fundem parcialmente os carbonatos. A formação desse magma libera CO2 que escapa para a atmosfera pelos vulcões. Aí, pode combinar-se novamente com a água da chuva, completando o ciclo.
O ciclo do carbonato-silicato contribui para a estabilidade da temperatura atmosférica. Exemplo: se uma mudança climática aumenta a temperatura do oceano, a taxa de evaporação de água para a atmosfera aumenta e, conseqüentemente, a quantidade de chuva. Aumentando-se as precipitações, aumenta-se o intemperismo, e assim, o fluxo de Ca2+ e HCO3- para o mar. Os organismos marinhos retiram esses íons da água e quando morrem contribuem para os grandes estoques de C dos sedimentos marinhos. O resulto líquido é a remoção do CO2 atmosférico. Assim, uma menor quantidade da energia emitida pela superfície terrestre é aprisionada e a atmosfera resfria-se, completando o ciclo de contribuição negativa para o aumento da temperatura da atmosfera.
Cadeias de átomos de carbono, ligado uns aos outros, são características das moléculas orgânicas. A glicose, por exemplo, é constituída por uma cadeia de seis átomos de carbono, em torno da qual se arranjam seis átomos de oxigênio e doze de hidrogênio (C6H12O6).
Em uma teia alimentar, são os produtores que originam as substâncias orgânicas. Os consumidores e decompositores apenas transformam a matéria orgânica obtida do nível trófico anterior.
São os produtores, portanto, que retiram carbono do reservatório abiótico e o introduzem no meio biótico. É do CO2 (gás carbônico ou dióxido de carbono) que o carbono é retirado, através principalmente da fotossíntese, sendo então incorporado às substâncias orgânicas. Esse processo é denominado fixação de CO2.
O carbono integrado às substâncias orgânicas pode ter como destino:
Ficar incorporado aos tecidos vivos, constituindo estruturas ou participando de processos bioquímicos. O carbono pode, assim, passar de um nível trófico para o seguinte;
Retornar ao meio físico na forma de CO2, quando a substância orgânica é utilizada como fonte de energia na respiração aeróbia de produtores, consumidores e decompositores.
Note que as duas possibilidades acima ocorrem, simultaneamente, em cada ser vivo. Após sua morte, os tecidos serão lentamente decompostos, liberando-se assim o carbono remanescente.
Em certas condições a matéria orgânica pode ficar protegida da ação dos decompositores, sofrendo então lentas transformações químicas. Assim se originaram os depósitos de carvão e petróleo. Quando queimados, esses combustíveis fósseis liberam CO2, devolvendo à atmosfera átomos de carbono que há milhões de anos compunham tecidos vivos.
CICLO DO CARBONO
CICLO DO NITROGÊNIO
N é essencial para todas as formas de vida, pois está presente na estrutura dos aminoácidos. A vida mantém o N na forma molecular, N2, na atmosfera em quantidade maior que NH3 ou em óxidos, N2O, NO e NO2, ou em compostos com H, NH, HNO2 e HNO3. N2 é pouco reativo, tendendo a formar pequenos compostos inorgânicos. A maioria dos organismos não pode usar N2 diretamente sendo necessária muita energia para quebrar a ligação N – N. Uma vez isolados, os átomos de N podem converter-se em amônia, nitrato ou aminoácidos: o processo chama-se fixação e só ocorre por ação da luz ou da vida, sendo o último o grande responsável.
O processo biológico é tão importante, que várias plantas estabelecem uma simbiose com bactérias capazes de fixar nitrogênio. A diminuição de nitrogênio em solos agrícolas pode ser reduzida por rotação de culturas. Ex: soja, que fixa N, pode estar em rotatividade com milho, que não fixa, e, assim, aumentar a fertilidade do solo. Se as bactérias apenas fixassem nitrogênio, N2 seria removido da atmosfera. As bactérias também realizam o processo inverso: a imobilização. Tanto a remoção de N2, como a incorporação são processos controlados por bactérias. N é fertilizante e contaminante das águas subterrâneas. Fontes industriais e descargas elétricas podem fixar N. N fixo significa N não ligado, ou seja, N atômico. Fixação industrial é hoje a maior fonte de N. Óxidos de N são formados a altas temperaturas quando N2 e O2 estão presentes. Os óxidos de N são a maior fonte poluidora proveniente dos automóveis. N2O diminui a camada de O3 na estratosfera. N é ao mesmo tempo essencial e tóxico. É essencial a todas as formas de vida e participa de vários processos industriais, liberando produtos tóxicos.
O nitrogênio participa das moléculas de proteínas, ácidos nucléicos e vitaminas. Embora seja abundante na atmosfera (78% dos gases), a forma gasosa (N2) é muito estável, sendo inaproveitável para a maioria dos seres vivos. O processo que remove N2 do ar e torna o nitrogênio acessível aos seres vivos é denominado fixação do nitrogênio.
A fixação de N2 em íons nitrato (NO3-) é a mais importante, pois é principalmente sob a forma desse íon que as plantas absorvem nitrogênio do solo.
A fixação pode ocorrer por processos físicos, como sob ação de relâmpagos durante tempestades, e também por processos industriais, quando se criam situações de altíssima pressão e temperatura para a produção de fertilizantes comerciais. A fixação biológica, porém, é a mais importante, representando 90% da que se realiza no planeta.
A fixação biológica do nitrogênio é realizada por bactérias de vida livre no solo, por bactérias fotossintéticas, por cianofíceas (algas azuis), e principalmente por bactérias do gênero Rhizobium, que somente o fazem quando associadas às raízes de plantas leguminosas – soja, alfafa, ervilha, etc. Nessas raízes formam-se nódulos densamente povoados pelas bactérias, onde ocorre a fixação de N2 até a formação de nitrato. Essas plantas podem assim desenvolver-se mesmo em solos pobres desse íon.
Além da atmosfera, outro reservatório de nitrogênio é a própria matéria orgânica. Os decompositores que promovem a putrefação transformam compostos nitrogenados em amônia (NH3), processo denominado amonificação.
As bactérias Nitrosomonas transformam a amônia em nitrito (NO2-) (nitrosação) e as Nitrobacter o transformam em nitrato (nitratação). Esse processo todo é denominado nitrificação, e estas bactérias são conhecidas genericamente como nitrificantes.
O retorno do nitrogênio á atmosfera é promovido no processo de desnitrificação, realizado por bactérias desnitrificantes, que transformam o nitrato em nitrogênio gasoso (N2).
O solo, fonte de nitrato para as plantas terrestres, é também importante exportador de sais para os ecossistemas aquáticos, geralmente veiculados pela água de chuvas.
CICLO DO NITROGÊNIO
CICLO DO FÓSFORO
P é um dos elementos essenciais à vida, é um nutriente limitante do crescimento de plantas, especialmente em ambientes aquáticos e, por outro lado, se presente em abundância causa sérios problemas ambientais. Se, por exemplo, grande quantidade de P, geralmente utilizado como fertilizante e em detergentes, entra em um lago (principalmente se este for o caso), esse nutriente pode causar aumento da população de bactérias e algas verdes (fotosssintéticas). Devido ao crescimento intenso, esses organismos podem cobrir toda a superfície do lago, inibindo a entrada de luz e provocando, conseqüentemente a morte de plantas que vivem abaixo da superfície. Quando as plantas subsuperficiais morrem, assim como as algas e bactérias superficiais, todas são consumidas por outras bactérias que usam o CO2 dissolvido no lago ao se alimentares. Se o nível de O2 tornar-se muito baixo, a vida aquática fica comprometida. Os peixes morrerão e desenvolver-se-ão bactérias anaeróbias.