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Ciclo do Nitrogênio: o que é, como funciona e sua importância

Data 10/02/2020

O Ciclo do Nitrogênio abrange as diversas transformações que esse elemento sofre quando em contato com os seres vivos. Ele acontece tanto na terra como na água. Porém, é importante ressaltar que as etapas mais importantes do ciclo mudam nos dois ambientes.

Eu sou Thiago Cardoso, formado em Engenharia Eletrônica pelo ITA e professor de Química do Estratégia Vestibulares. Nesse artigo, vamos tratar sobre o Ciclo do Nitrogênio. Você vai aprender, em detalhes, os seguintes tópicos:

  • a etapa de fixação, em que o nitrogênio gasoso é convertido em amônia;
  • a nitrificação, em que a amônia é convertida em nitrito e nitrato;
  • a desnitrificação, em que o nitrato é devolvido à atmosfera como nitrogênio gasoso;
  • a influência do pH sobre o ciclo do nitrogênio;
  • a demanda bioquímica por oxigênio como medidora dos níveis de poluição das águas.

Etapas do Ciclo do Nitrogênio

As principais etapas do ciclo do nitrogênio são:

  • Fixação
  • Amonificação
  • Nitrificação
  • Desnitrificação
Esquema que resume o Ciclo do Nitrogênio
Esquema que resume o Ciclo do Nitrogênio. Imagem: Shutterstock

Vamos analisar cada uma das fases e entender como elas acontecem.

Ciclo do Nitrogênio: fixação

A fase do Ciclo do Nitrogênio denominada fixação consiste na transformação do nitrogênio gasoso em compostos que podem ser utilizados como nutrientes pelas plantas.

A fixação é realizada por bactérias do gênero Rhizobium que vivem em simbiose nas raízes de plantas leguminosas (família Fabaceae), e, em alguns casos, com gramíneas (família Poaceae).

Esse processo é muito importante para as plantas, pois elas utilizam a amônia e o nitrato como nutrientes.

Ciclo do Nitrogênio: a imagem mostra nódulos de bactéria Rhizobium na raíz de uma planta leguminosa
Ciclo do Nitrogênio: Nódulos de bactéria Rhizobium na raíz de uma planta leguminosa. Imagem: Shutterstock

Nos oceanos, as cianobactérias, em especial do gênero Trichodesmium, são as principais fixadoras do nitrogênio gasoso dissolvido na água do mar. Nesse caso, estudos mostram que o ferro e o molibdênio são elementos essenciais para a fixação.

Também é utilizado industrialmente, por exemplo, para a fabricação de explosivos e fertilizantes.

Ciclo do Nitrogênio: amonificação

Na fase de amonificação do Ciclo do Nitrogênio a amônia também é formada pela decomposição de matéria orgânica. Os excretas nitrogenados de peixes, anfíbios e alguns invertebrados aquáticos liberam amônia diretamente na água.

A matéria orgânica, em especial, as proteínas, também liberam bastante amônia quando decomposta. Isso acontece, porque os aminoácidos, que são as suas unidades estruturais básicas, apresentam nitrogênio na sua molécula.

A seguir, mostramos a forma geral de um aminoácido, mostrando que todos eles possuem o grupo –NH2.

Ciclo do Nitrogênio: processo de amonificação
Ciclo do Nitrogênio: processo de amonificação.

Ciclo do Nitrogênio: nitrificação

A nitrificação no Ciclo do Nitrogênio é o processo de conversão de amônia em nitritos e nitratos. A maior parte da amônia produzida pela fixação não é absorvida pelas plantas, mas sim oxidada a nitritos e nitratos.

As reações químicas envolvidas são:

Ciclo do Nitrogênio: reações químicas envolvidas na nitrificação

As bactérias envolvidas nas duas etapas pertencem aos gêneros Nitrosomonas e Nitrobacter.

Vale ressaltar que a amônia é infinitamente solúvel em água e muito tóxica. Por esses motivos, ela rapidamente invade os tecidos dos seres vivos, podendo-lhes causar a morte.

Por isso, o excesso de amônia, em especial em um sistema aquático, é uma séria ameaça aos seres vivos ali presentes. Por isso, o ciclo do nitrogênio é extremamente importante para os sistemas aquáticos, tanto de água doce como de água salgada.

É interessante observar que tanto a produção de nitrito como a produção de nitrato são aeróbicas. Porém, a produção nitrito requer um maior consumo de oxigênio. Em contrapartida, libera quantidade maior de energia.

Por esse motivo, os dois gêneros de bactérias ocupam profundidades diferentes do solo. As Nitrosomonas ocupam a porção mais aerada do solo, enquanto as Nitrobacter ocupam a porção menos aerada.

Ciclo do Nitrogênio: nitrificação
Ciclo do Nitrogênio: nitrificação

Ciclo do Nitrogênio: desnitrificação

O processo de desnitrificação no Ciclo do Nitrogênio corresponde ao processo de remoção dos nutrientes oxigenados, devolvendo-os para a atmosfera na forma de nitrogênio gasoso.

Os organismos desnitrificantes requerem concentração muito baixa de oxigênio e utilizam o carbono orgânico como fontes de energia. A reação de desnitrificação consiste em utilizar o nitrato para oxidar uma molécula orgânica.

Em geral, os organismos desnitrificadores são heterotróficos (como o Paracoccus denitrificans).

Por exemplo, em aquários marinhos, é possível utilizar vodka para remover nitrato. A reação de oxidação completa do etanol pelo nitrato pode ser expressa pela seguinte equação.

Ciclo do Nitrogênio: reação de oxidação do etanol pelo nitrato
Ciclo do Nitrogênio: reação de oxidação do etanol pelo nitrato

O etanol da vodka serve, basicamente, como alimento para as bactérias desnitrificantes.

Ciclo do Nitrogênio: o controle dos níveis de nitrato é essencial para a manutenção de corais de dificuldade elevada, como as Acroporas.
Ciclo do Nitrogênio: o controle dos níveis de nitrato é essencial para a manutenção de corais de dificuldade elevada, como as Acroporas. Imagem: Shutterstock

No ambiente marinho, o excesso de produtos nitrogenados (amônia, nitrito e nitrato) promove o aparecimento de algas, que são os únicos seres do Reino Plantae encontrados no mar. Vale notar que os corais são animais cnidários e que não existem outras plantas de água salgada.

Influência do pH no ciclo do nitrogênio

O ciclo do nitrogênio não é formado exclusivamente por etapas biológicas, mas também pode receber a adição direta de produtos químicos.

Se, por um lado, as plantas precisam de amônia e nitrato para se desenvolverem, para os indivíduos aquáticos, essa molécula é bastante tóxica.

A amônia se acumula nas guelras dos peixes e nas frestas dos esqueletos dos corais, provocando queimaduras. Porém, vale ressaltar que a amônia só é tóxica na forma NH3.

Na água, a amônia se envolve em um equilíbrio com o íon amônio NH4+, que é atóxico. Esse equilíbrio, que é fundamental para a manutenção da vida aquática é influenciado pelo pH.

Pelo Princípio de Le Chatelier, quanto mais ácido for o meio, mais o equilíbrio se desloca para a direita, fazendo que a amônia fique na forma atóxica.

É por isso que, nos biótopos amazônicos, que possuem pH mais ácido (por volta 5,5 a 6), a amônia dificilmente será um problema. É possível mostrar que apenas 0,05% de toda a amônia presente no sistema se encontra na forma tóxica.

A amônia dificilmente será um problema nos biótopos amazônicos. Imagem: Shutterstock

Um recurso muito utilizado em biótopos amazônicos é abaixar ainda mais o pH para permitir o aumento da quantidade de peixes no sistema. Para isso, borbulha-se dióxido de carbono (CO2), o que também é muito útil para as plantas presentes no sistema.

Como as plantas precisam de CO2 para a realização da fotossíntese, elas crescerão mais rápido e o sistema permanecerá livre do íon amônio. Trata-se de uma etapa química muito interessante para o ciclo do nitrogênio.

Por outro lado, em sistemas alcalinos, como o marinho (pH entre 8 e 8,4), 10% da amônia presente no sistema se encontra na forma tóxica. Portanto, a manutenção de um sistema marinho requer muito mais atenção ao controle das etapas do ciclo do nitrogênio.

O nível de oxigênio na água é muito importante para o controle dos níveis de amônia na água, pois ele é essencial para as bactérias aeróbicas dos gêneros Nitrosomonas e Nitrobacter. Elas precisam de oxigênio para converter amônia em nitrito e nitrato.

Nos mares, a correnteza exerce um papel essencial para a oxigenação da água, permitindo que o oxigênio consumido pelos seres vivos seja rapidamente reposto.

Demanda bioquímica por oxigênio (DBO)

Em águas muito sujas, como aquelas provenientes de esgotos, a quantidade de matéria orgânica, em especial, proteínas, é muito grande.

O lançamento de esgoto sem tratamento promove o aumento da Demanda Bioquímica por Oxigênio. Imagem: Shutterstock

O excesso de matéria orgânica favorece a proliferação de uma grande quantidade de microrganismos decompositores. Esses microrganismos são aeróbicos, ou seja, consomem oxigênio no processo de respiração.

Como exemplo, podemos citar as próprias bactérias que fazem parte diretamente do ciclo do nitrogênio.

Ciclo do Nitrogênio: reações químicas envolvidas na nitrificação

Por isso, a demanda bioquímica por oxigênio (DBO) é uma ferramenta muito utilizada para a medição dos níveis de poluição em um ambiente aquático, tanto o próprio esgoto como de um rio.

O aumento da DBO terá como consequência a redução na quantidade de oxigênio dissolvido, já que essa substância é utilizada na decomposição dos compostos orgânicos. Por isso, as águas que possuem baixa concentração de oxigênio são consideradas poluídas.

O ciclo do nitrogênio é essencial para a manutenção da vida nos solos e na água. Conhecê-lo é fundamental para várias culturas. As plantas precisam da amônia e do nitrato como nutrientes. Por outro lado, os indivíduos aquáticos requerem níveis controlados desses compostos nitrogenados.

Espero que você tenha aprendido um pouco mais sobre o Ciclo do Nitrogênio. Caso tenha alguma dúvida, siga-me nas redes sociais e continue acompanhando nossas postagens aqui no blog do Estratégia Vestibulares.

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Esquema que resume o Ciclo do Nitrogênio
Esquema que resume o Ciclo do Nitrogênio

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Prof. Thiago Cardoso

Prof. Thiago Cardoso

Engenheiro Eletrônico formado pelo ITA, turma de 2013, e professor do Estratégia Vestibulares ministrando aulas para ITA, IME e para os cursos do Estratégia Militares.

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