Ciclo do nitrogênio: o que é e como funciona?

O assunto deste post é o ciclo do nitrogênio, um processo geoquímico importante para a sobrevivência dos seres vivos nos ecossistemas terrestre e aquático.

Etapas do ciclo do nitrogênio

Fixação

O gás nitrogênio (N_{2}) compõe aproximadamente 78% do ar. Porém, plantas e animais não conseguem absorver o nitrogênio diretamente do ar, por ser pouco reativo. Nesta etapa, as bactérias procariontes (sem núcleo celular) convertem o gás em amônia (NH_{3}), fazendo a seguinte reação química.

N_{2}+16ATP+8e^{-}+8H^{+}\rightarrow 2NH_{3}+H_{2}+16ADP+16Pi

ATP é a adenosina trifosfato, uma molécula que armazena energia. ADP é a adenosina difosfato, um dos produtos quando o ATP libera energia, junto com o fosfato inorgânico, representado por Pi.

O processo de fixação é feito com o uso da enzima nitrogenase. Algumas bactérias como as dos gêneros Azotobacter e Clostridium ficam livres no solo, enquanto as do gênero Rhizobium ficam nas raízes das plantas leguminosas.

A conversão do nitrogênio em amônia também pode ser feita por faíscas elétricas e raios.

Amonização

O nitrogênio também pode vir de restos de animais, de plantas e dejetos. Os animais absorvem o nitrogênio comendo as plantas. Organismos decompositores como bactérias saprófitas e algumas espécies de fungos consomem o material orgânico e liberam amônia. Quando esta se combina com a água, forma-se o hidróxido de amônio (NH_{4}OH). Quando este é dissolvido em água, produz os íons amônio (NH_{4}^{+}) e hidróxido (OH^{-}).

NH_{3}+H_{2}O\rightarrow NH_{4}^{+}+OH^{-}

Parte da amônia é usada pelas plantas para sintetizar aminoácidos, blocos que formam as proteínas.

2NH_{3}+2H_{2}O+4CO_{2}\rightarrow 2CH_{2}NH_{2}COOH+3O_{2}

Nitrificação

Maior parte da amônia produzida na etapa anterior é convertida em nitrito (NO_{2}^{-}) pelas bactérias procariontes dos gêneros Nitrosomonas e Nitrosococcus.

2NH_{3}+3O_{2}\rightarrow 2NO_{2}^{-}+2H^{+}+2H_{2}O+energia

O íon amônio também pode ser convertido em nitrito pelos micro-organismos.

2NH_{4}^{+}+3O_{2}\rightarrow 2NO_{2}^{-}+4H^{+}+2H_{2}O

Em seguida, as bactérias do gênero Nitrobacter convertem o nitrito em nitrato (NO_{3}^{-}).

2NO_{2}^{-}+O_{2}\rightarrow 2NO_{3}^{-}+energia

Produzir nitrito requer mais oxigênio do que nitrato. Portanto, as bactérias Nitrosomonas e Nitrosococcus ficam na parte mais aerada do solo, enquanto as Nitrobacter na parte com menos oxigênio. Estes micro-organismos usam a energia gerada nestas reações para produzir substâncias orgânicas a partir do dióxido de carbono (CO_{2}) e água (H_{2}O).

6CO_{2}+12H_{2}O+energia\rightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6O_{2}+6H_{2}O

Este processo se chama quimiossíntese e não precisa da luz solar. O nitrato é absorvido pelas plantas para produzir compostos orgânicos, como enzimas, clorofila, aminoácidos e ácidos nucleicos (DNA e RNA).

Desnitrificação

Nesta etapa, bactérias heterotróficas, que não produzem o seu alimento, consomem matéria orgânica e liberam nitrogênio de volta para a atmosfera.

5C_{6}H_{12}O_{6}+24NO_{3}^{-}+24H^{+}\rightarrow 30CO_{2}+42H_{2}O+12N_{2}+energia

Ciclo do nitrogênio em um ecossistema aquático

Nos mares e oceanos, a fixação do nitrogênio do ar é feita por bactérias marinhas e cianobactérias, também conhecidas como cianofíceas ou algas azuis. Apesar dos nomes, não são nem algas e nem bactérias. Outras bactérias marinhas fazem as demais etapas.

Compostos que contêm nitrogênio vão para o fundo do mar, formando rochas sedimentares. Eventualmente, elevações geológicas trazem as rochas sedimentares para a terra firme. O desgaste das rochas e ações meteorológicas permitem que as plantas usem o nitrogênio contido.

Eutrofização

É um desequilíbrio causado por excesso de material orgânico na água, pode ter causas naturais ou antrópicas (ação humana). Quando se usa exageradamente fertilizantes agrícolas, este excesso vai para os rios, lagos, lagoas e lençóis freáticos. Os fertilizantes são ricos em nitrogênio e fósforo, causando o crescimento acelerado das algas. Consequentemente, aumenta o número de algas e bactérias aeróbicas, que consomem oxigênio, causando a morte de outros seres vivos devido ao baixo nível de oxigênio.

No próximo post do tema de Meio Ambiente, será explicado o que é pH e sua influência no ciclo do nitrogênio.