CICLOS BIOGEOQUIMICOS
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.
A água que se precipita, seja através de chuva, neve,granizo, etc. pode, em sua forma líquida, infiltrar-se no solo e subsolo, ouescoar superficialmente, tendendo sempre a escorrer para regiões mais baixas epodendo, assim, alcançar os oceanos. Nesse percurso e nos oceanos, ela podeevaporar 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
CO2 é o composto orgânico de C mais abundante na atmosfera,mas compostos orgânicos como CH4 ocorrem em menor quantidade. Parte do ciclo doC é inorgânica, e, os compostos não dependem das atividades biológicas. O CO2 ésolúvel em água, sendo trocado entre a atmosfera e a hidrosfera por processo dedifusão. Na ausência de outras fontes, a difusão de CO2 continua em um outrosentido até o estabelecimento de um equilíbrio entre a quantidade de CO2 naatmosfera acima da água e a quantidade de CO2 na água. CO2 entra nos ciclosbiológicos por meio da fotossíntese, e, a síntese de compostos orgânicosconstituídos 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.
Ciclo do Carbono
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 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 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,
consequentemente 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.
