Como a queima de combustíveis fósseis e o uso de fertilizante sintético alteram o ciclo do nitrogênio?

Dentre os ciclos biogeoquímicos, o do nitrogênio é o mais amplamente estudado. Confira um resumo e conheça sua importância

O nitrogênio é um elemento químico descoberto pelo médico e químico Daniel Rutherford que pertence ao segundo período da tabela periódica. Confira mais sobre como funciona seu ciclo e sua importância para o meio ambiente.

Qual é a importância do nitrogênio?

Esse elemento é conhecido por ser essencial para a existência de vida na Terra, já que é componente de todos os aminoácidos do nosso corpo, além das bases nitrogenadas (que constituem as moléculas de DNA e RNA). Aproximadamente 78% do ar que respiramos é composto pelo nitrogênio da atmosfera (N2), que é seu maior reservatório. Um dos motivos para isso é o N2 ser a forma inerte do nitrogênio, ou seja, ele é um gás que, em situações comuns, não é reativo. Assim, ele vem se acumulando na atmosfera desde a formação do planeta.

Apesar disso, poucos seres vivos têm capacidade de absorvê-lo em sua forma molecular (N2). Acontece que o nitrogênio, assim como o ferro e o enxofre, participa de um ciclo natural ao longo do qual sua estrutura química. Nesse processo, ele sofre transformações, servindo como base para outras reações e assim se tornando disponível para outros organismos. Por isso, o ciclo do nitrogênio (ou “ciclo do azoto”) é tão importante. Entenda as etapas do ciclo e como acontecem.

Quais as 4 etapas do ciclo do nitrogênio?

A fixação

Para que o N2 atmosférico atinja o solo, entrando no ecossistema, ele deve passar por um processo chamado fixação, que é realizado por pequenos grupos de bactérias do gênero Rhizobium, conhecidas como nitrificantes, que retiram o nitrogênio na forma de N2 e o incorporam em suas moléculas orgânicas. Quando a fixação é realizada por organismos vivos, como as bactérias, ela é chamada de fixação biológica, ou biofixação.

Atualmente, também pode-se fazer uso de fertilizantes comerciais para a fixação de nitrogênio, caracterizando a fixação industrial, método muito utilizado na agricultura. Além destas, há também a fixação física, que é realizada por raios e faíscas elétricas, através dos quais o nitrogênio é oxidado e carregado para o solo através das chuvas, mas tal método possui uma capacidade reduzida de fixação de nitrogênio, que não é suficiente para os organismos e a vida na Terra se manterem.

A amonificação

As bactérias, ao fixarem o N2, liberam amônia (NH3). A amônia, quando em contato com as moléculas de água do solo, formam o hidróxido de amônio que, ao ionizar-se, produz o amônio (NH4), em um processo que é parte do ciclo do nitrogênio e é denominado amonificação.

A nitrificação

Na natureza, há um equilíbrio entre amônia e amônio, que é regulado pelo pH. Em ambientes onde o pH é mais ácido, predomina a formação de NH4, e em ambientes mais básicos, o processo mais comum é o da formação de NH3. Este amônio tende a ser absorvido e utilizado principalmente pelas plantas que possuem bactérias associadas às suas raízes (bacteriorrizas). Quando produzido por bactérias de vida livre, este amônio tende a ficar disponível no solo para ser utilizado por outras bactérias (as nitrobactérias).

As nitrobactérias são quimiossintetizantes, ou seja, são seres autotróficos (que produzem seu próprio alimento), que retiram a energia necessária para sua sobrevivência a partir de reações químicas. Para obter essa energia, elas tendem a oxidar o amônio. Dessa forma, o NH4 é transformado em nitrito (NO2–), e posteriormente em nitrato (NO3–). Este processo do ciclo do nitrogênio é denominado nitrificação.

A desnitrificação

O nitrato permanece livre no solo, e não possui tendência de se acumular em ambientes naturalmente intactos, fazendo com que ele possa percorrer três caminhos diferentes: ser absorvido pelas plantas, ser desnitrificado, ou atingir corpos d’água.

A desnitrificação (ou denitrificação) é um processo realizado por bactérias desnitrificantes, que transformam o nitrato em N2 novamente, realizando a devolução do nitrogênio à atmosfera. Tanto a desnitrificação quanto o fluxo de nitrato para os corpos d’água apresentam consequências negativas para o meio ambiente.

Impactos no meio ambiente

O processo de desnitrificação gera alguns danos ambientais. Além do N2, outros gases podem ser produzidos, como o óxido nítrico (NO) e o óxido nitroso (N2O). O primeiro se combina com o oxigênio atmosférico, favorecendo a formação da chuva ácida. Já o segundo, é um importante gás causador do efeito estufa, agravando o aquecimento global.

Além do processo de desnitrificação, temos também a contaminação de nitrato nos corpos d’água. Esse fenômeno leva ao processo de eutrofização, que apresenta grande impacto ambiental. A eutrofização é caracterizada pelo aumento da concentração de nutrientes (sendo eles compostos nitrogenados e fósforo, principalmente) nas águas de um lago ou represa.

Esse excesso de nutrientes favorece a multiplicação acelerada de algas, que termina por dificultar a passagem da luz, desequilibrando o meio aquático. Outra forma de proporcionar esse excesso de nutrientes em um meio aquático é liberando nele esgoto sem tratamento adequado.

Outra questão a ser considerada é o fato de que o nitrogênio pode também ser prejudicial às plantas quando presente em quantidades que vão além de suas capacidades de assimilação. Assim, um excesso de nitrogênio fixado no solo pode limitar o crescimento da planta, prejudicando culturas.

Dessa forma, a relação carbono/nitrogênio também deve ser considerada em processos de compostagem, para que sempre se mantenham ativos os metabolismos das colônias de micro-organismos envolvidos no processo de decomposição.

Absorção de nitrogênio pelos humanos

Os seres humanos e outros animais têm acesso ao nitrato a partir da ingestão de plantas que absorveram essa substância ou, de acordo com a cadeia alimentar, a partir da ingestão de outros animais que se alimentaram destas plantas. Esse nitrato retorna ao ciclo a partir da morte de algum organismo (matéria orgânica) ou pela excreção (de ureia ou ácido úrico, na maioria dos animais terrestres e de amônia, nas excretas dos peixes) que apresenta compostos nitrogenados.

Assim, bactérias decompositoras agirão sobre a matéria orgânica liberando amônia. A amônia também pode ser transformada em nitritos e nitratos pelas mesmas nitrobactérias que transformam o amônio, integrando-se ao ciclo.

Uma alternativa aos fertilizantes

Como vimos, a fixação de nitrogênio no solo pode produzir efeitos positivos, mas o processo ocorre em excesso, pode gerar consequências negativas para o meio ambiente. A interferência da humanidade no ciclo do nitrogênio se dá pela fixação industrial (por meio do uso de fertilizantes), que aumenta a concentração de nitrogênio a ser fixada, ocasionando problemas como os citados anteriormente.

Uma alternativa para o uso dos fertilizantes seria a rotação de culturas, alternando culturas de plantas fixadoras e não fixadoras de nitrogênio. Plantas fixadoras de nitrogênio são aquelas que possuem bactérias e outros organismos fixadores associados a suas raízes, como ocorre em plantas leguminosas (como o feijão e a soja).

A rotação favoreceria a fixação de nitrogênio em quantidades mais seguras que a utilização dos fertilizantes, fornecendo nutrientes compatíveis com a capacidade de assimilação das plantas, favorecendo seu desenvolvimento e reduzindo as taxas de nutrientes que atingem os corpos d’água. Um processo semelhante denominado “adubação verde” também pode ser aplicado em substituição aos fertilizantes.

Este processo consiste em cultivar plantas fixadoras de nitrogênio e roçá-las antes que produzam sementes, deixando-as no local como cobertura morta, para que então sejam feitas culturas posteriores de outras espécies. Logo abaixo podemos conferir uma imagem que nos traz um resumo do que foi visto ao longo da matéria:

Outra alternativa para o uso de fertilizantes nitrogenados pode ser a alteração genética de algumas espécies vegetais. A partir de estudos de alteração genética, foi identificado um segmento cromossômico que provoca a interrupção do processo de nitrificação quando presente em raízes.

Os pesquisadores introduziram o segmento em exemplares de trigo. Eles perceberam que a inibição contribui para reduzir a contaminação do solo e de corpos hídricos com hidrogênio. Além disso, o processo reduz a necessidade de fertilizantes nos cultivos, já que as plantas terão maior concentração de nitrogênio em seu organismo.

De acordo com a pesquisa o consumo de agrotóxicos para a produção de trigo corresponde a 1/5 dos agrotóxicos consumidos no mundo. Assim, o estudo de alteração genética com agentes inibidores da nitrificação pode ser uma alternativa para reduzir o uso de fertilizantes.

ANAMMOX

A sigla em inglês (que significa oxidação anaeróbia de amônia) nomeia um processo biológico inovador de remoção de amônia de águas e gases.

Consiste em um atalho, visto que a amônia não precisaria ser nitrificada em nitrito e nitrato para que fosse denitrificada de volta para a forma de N2. Com o processo ANAMMOX, a amônia seria diretamente reconvertida em gás nitrogênio (N2). A primeira estação de grande escala foi instalada em 2002 na Holanda, e em 2012, já existiam 11 instalações em funcionamento.

Eficiente e sustentável, o processo ANAMMOX pode ser utilizado para remover amônia em efluentes em concentrações maiores até que 100 mg/l. Dentro dos reatores, bactérias nitrificantes e ANAMMOX coexistem, onde as primeiras transformam cerca de metade da amônia em nitretos (compostos químicos que possuem nitrogênio em sua composição), e as bactérias ANAMMOX agem transformando os nitretos e a amônia em gás nitrogênio.

A oxidação anaeróbica de amônia tem se demonstrado promissora, e já pode ser encontrada em processos industriais como tratamento de águas residuárias, de resíduos sólidos orgânicos, em indústrias alimentícias, de fertilizantes, dentre outras.

Como a queima de combustíveis fósseis alteram o ciclo do nitrogênio?

Como o uso de fertilizantes pode interferir no ciclo do nitrogênio?

O que está causando a alteração do ciclo de nitrogênio?

Quais são os principais problemas causados pela queima de combustíveis fósseis?