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Ciclo de nitrogênio

Última atualização em 20 de agosto de 2022

Definição

O ciclo de nitrogênio refere-se ao ciclo de átomos de nitrogênio através dos sistemas vivos e não vivos da Terra. O ciclo de nitrogênio é vital para a vida na Terra. Durante o ciclo, o nitrogênio atmosférico é convertido em uma forma que as plantas podem incorporar em novas proteínas.

Ciclo de nitrogênio explicado

O nitrogênio foi originalmente formado no coração das estrelas através do processo de fusão nuclear. Quando as estrelas antigas explodiram, eles arremessavam gases contendo nitrogênio em todo o universo. Quando a Terra foi formada, o gás nitrogênio era o principal ingrediente em sua atmosfera.

Hoje, a atmosfera da Terra é de cerca de 78% de nitrogênio, cerca de 21% de oxigênio e cerca de 1% de outros gases. Este é um equilíbrio ideal, porque muito oxigênio pode ser tóxico para as células. Além disso, o oxigênio é inflamável. O nitrogênio, por outro lado, é inerte e inofensivo em sua forma gasosa. No entanto, o gás nitrogênio não é acessível a plantas e animais para uso em suas células.

Aqui discutiremos como o nitrogênio desempenha um papel vital na química da vida – e como ele se aproxima da atmosfera, para os seres vivos e de volta.

Etapas do ciclo de nitrogênio

As etapas básicas do ciclo de nitrogênio são ilustradas aqui:

Discutiremos cada parte do processo abaixo.

Fixação de nitrogênio

No processo de fixação de nitrogênio, as bactérias transformam gás nitrogênio da atmosfera em amônia.

Essas bactérias fixadoras de nitrogênio, geralmente chamadas de “diazotróficas”, têm uma enzima chamada “nitrogenase”, que combina átomos de nitrogênio com átomos de hidrogênio. A amônia é um composto de nitrogênio que pode se dissolver na água e é mais fácil para as enzimas de outros organismos interagirem.

Curiosamente, a enzima nitrogenase só pode funcionar quando o oxigênio não estiver presente. Como resultado, os organismos que o usam tiveram que desenvolver compartimentos sem oxigênio para realizar sua fixação de nitrogênio!

Exemplos comuns desse compartimento livre de nitrogênio, os nódulos do rizóbio encontrados nas raízes das plantas de leguminosas fixadoras de nitrogênio. O revestimento duro desses nódulos mantém o oxigênio fora dos bolsos onde as bactérias do rizóbio fazem seu valioso trabalho de converter gás nitrogênio em amônia.

Você pode ver os nódulos de Rhizobium sem oxigênio, visíveis como grandes caroços redondos, nas raízes desta fábrica de feijão de feijão:

Nitrificação

Na nitrificação, uma série de bactérias do solo participa da transformação de amônia em nitrato – a forma de nitrogênio que pode ser usada por plantas e animais. Isso requer duas etapas, realizadas por dois tipos diferentes de bactérias.

Primeiro, bactérias do solo, como nitrosomonas e nitrococcus, convertem amônia em dióxido de nitrogênio. Em seguida, outro tipo de bactéria do solo, chamada nitrobacter, adiciona um terceiro átomo de oxigênio para criar nitrato.

Essas bactérias não convertem amônia para plantas e animais da bondade de seus corações. Em vez disso, são “quimiotróficos” que obtêm sua energia de produtos químicos voláteis. Ao metabolizar o nitrogênio junto com o oxigênio, eles obtêm energia para alimentar seus próprios processos de vida.

O processo pode ser pensado como um análogo áspero (e muito menos eficiente) à respiração celular realizada por animais, que extraem energia das ligações de carbono-hidrogênio e usam oxigênio como aceitador de elétrons, produzindo dióxido de carbono no final do processo.

Os nitratos – o produto final dessa sequência vital de reações bacterianas – podem ser feitas artificialmente e são o principal ingrediente em muitos fertilizantes do solo. Você pode realmente ouvir esse fertilizante chamado de “fertilizante de nitrato”. Ao bombear o solo cheio de nitratos, esses fertilizantes permitem que as plantas cresçam rapidamente, sem depender da taxa na qual as bactérias fixadoras de nitrogênio fazem seus empregos!

Curiosamente, ambientes de alta energia, como ataques de raios e erupções vulcânicas, podem converter gás nitrogênio diretamente em nitratos-mas isso não acontece o suficiente para manter os ecossistemas modernos saudáveis por conta própria!

Assimilação

Na assimilação de nitrogênio, as plantas finalmente consomem os nitratos feitos pelas bactérias do solo e as usam para produzir nucleotídeos, aminoácidos e outros produtos químicos vitais para a vida.

As plantas ocupam nitratos através de suas raízes e as usam para fazer aminoácidos e ácidos nucleicos do zero. Os animais que comem as plantas são capazes de usar esses aminoácidos e ácidos nucleicos em suas próprias células.

Amonificação

Agora, mudamos o nitrogênio da atmosfera para as células de plantas e animais.

Como há muito nitrogênio na atmosfera, pode parecer que o processo pode parar por aí – mas o suprimento da atmosfera não é infinito, e manter o nitrogênio dentro das células vegetais e animais acabariam resultando em grandes mudanças em nosso solo, nossa atmosfera e Nossos ecossistemas!

Felizmente, não é isso que acontece. Em um ecossistema robusto como o nosso, em qualquer lugar em que a energia tenha sido colocada na criação de um produto químico orgânico, há outra forma de vida que está esperando para extrair essa energia quebrando essas ligações químicas.

Um processo chamado “amonificação” é realizado por bactérias do solo que decompõem plantas e animais mortos. Durante o processo, esses decompositores quebram aminoácidos e ácidos nucleicos em nitratos e amônia e liberam esses compostos de volta ao solo.

Lá, a amônia pode ser adotada novamente por plantas e bactérias nitrificantes. Alternativamente, a amônia pode ser convertida de volta em nitrogênio atmosférico através do processo de desnitrificação.

Desnitrificação

Na etapa final do ciclo de nitrogênio, as bactérias anaeróbicas podem transformar nitratos de volta em gás nitrogênio.

Esse processo, como o processo de transformar gás nitrogênio em amônia, deve ocorrer na ausência de oxigênio. Como tal, muitas vezes ocorre profundamente no solo, ou em ambientes úmidos, onde lama e sujeira mantêm oxigênio afastado.

Em alguns ecossistemas, essa desnitrificação é um processo valioso para impedir que os compostos de nitrogênio no solo aumentem para níveis perigosos.

Por que o ciclo de nitrogênio é importante?

O nitrogênio é um ingrediente essencial para a vida como o conhecemos. Suas propriedades únicas de ligação química permitem criar estruturas como nucleotídeos de DNA e RNA e os aminoácidos a partir dos quais as proteínas são construídas. Sem nitrogênio, essas moléculas não seriam capazes de existir.

Pensa -se que os primeiros nucleotídeos e aminoácidos se formaram naturalmente sob as condições voláteis do início da Terra, onde fontes de energia como raios poderiam fazer com que o nitrogênio e outros átomos reagissem e formem estruturas complexas

Esse processo pode ter produzido naturalmente produtos químicos orgânicos auto-replicantes-mas, para reproduzir e evoluir, a vida necessária para descobrir como tornar esses compostos de nitrogênio sob demanda.

Hoje, “fixadores de nitrogênio” são organismos que podem transformar gás nitrogênio da atmosfera em compostos de nitrogênio que outros organismos podem usar para produzir ácidos nucleicos, aminoácidos e muito mais. Esses fixadores de nitrogênio são uma parte tão vital do ecossistema que a agricultura não pode ocorrer sem eles.

Os povos antigos aprenderam que, se não alterassem as culturas que consomem nitrogênio com culturas de fixação de nitrogênio, suas fazendas se tornariam pousio e incapazes de apoiar o crescimento. Hoje, a maioria dos fertilizantes artificiais contém compostos de nitrogênio que dão vida como seu principal ingrediente para tornar o solo mais fértil.

O perigo de muito nitrogênio

Embora a importância do nitrogênio para plantar e a vida animal possa fazer parecer que não existe muito, existem alguns perigos que podem surgir de colocar muitos nitratos no solo.

Como qualquer outra coisa, os compostos de nitrogênio podem ser tóxicos em altas concentrações. Assim como muito oxigênio é tóxico para que os ar, as plantas podem sofrer efeitos prejudiciais da overdose de nitrogênio.

Em humanos

Os nitratos também podem ser diretamente tóxicos para os seres humanos – quando consumidos em grandes quantidades em alimentos ou água, os nitratos podem aumentar os riscos de câncer e interferir na química do sangue, deixando o sangue incapaz de transportar oxigênio adequadamente.

A “síndrome do bebê azul” é um efeito colateral visto em humanos que consomem altos níveis de nitratos em seus alimentos ou água.

Dentro de ecossistemas

Outra preocupação aguda é o perigo de jogar ecossistemas fora de equilíbrio. Alguns organismos podem usar compostos de nitrogênio para crescer mais rápido que outros – e isso significa que, quando há muito nitrogênio, esses organismos podem crescer tão rápido que causam danos a outros organismos.

Uma preocupação que foi levantada sobre o uso de fertilizantes artificiais de nitrato é que, quando entra em rios, lagos e até no oceano, pode causar crescimento fugitivo da vida vegetal lá.

Mais vida vegetal pode parecer uma coisa boa – mas não quando as plantas aquáticas incluem algas que podem bloquear o sol e o oxigênio de outros organismos aquáticos e até produzir toxinas que deixam os seres humanos e outros animais doentes!

O fertilizante de nitrato no suprimento de água foi responsabilizado por algumas flores de “marés vermelhas”, “marés marrons” e bactérias pfiesteria – todas produzindo toxinas que podem adoecer ou matar seres humanos e outros animais.

A questão de como manter as terras agrícolas férteis sem o uso de fertilizantes de nitrato ainda está sendo investigado pelos cientistas. Espera-se que, um dia, práticas sustentáveis usando plantas de fixação de nitrogênio naturais ou geneticamente modificadas possam permitir que os agricultores produza altos rendimentos sem adicionar altas concentrações de nitratos artificiais ao solo.

Exemplos do ciclo de nitrogênio

A história do Dia de Ação de Graças

A história do primeiro Dia de Ação de Graças diz que os peregrinos se deleitaram com os índios para celebrar sua primeira colheita no Novo Mundo. Mas por que essa colheita foi um negócio grande o suficiente para jogar um banquete? E por que, exatamente, era importante que os índios e os colonos europeus comessem juntos?

Quando os colonos europeus chegaram às Américas, eles tinham muito pouca idéia de como sobreviver aqui. Tendo trabalhado fazendas na Inglaterra por gerações, os peregrinos assumiram que a agricultura aqui seria a mesma. Isso não foi o caso. Os peregrinos tiveram dificuldade em crescer ou encontrar comida suficiente para durar -os durante o inverno.

Uma das razões para isso foi que não havia muito nitrogênio no solo onde os peregrinos pousavam. Suas colheitas não eram fixas em nitrogênio e elas não trouxeram nenhum gado grande. Esse foi um grande problema, pois o estrume era uma fonte comum de fertilizante no Velho Mundo. Depois de tentar frustrar para cultivar colheitas no solo americano, os europeus foram mostrados como resolver seus problemas pelos índios americanos.

Ao enterrar peixes mortos em seus campos de cultivo, os peregrinos restauraram o nitrogênio das proteínas e nucleotídeos do peixe no chão. Como resultado, suas colheitas floresceram – e os primeiros colonos europeus aprenderam com os índios americanos como sobreviver no Novo Mundo.

As três irmãs

Algumas tribos de nativos americanos tradicionalmente cultivam três culturas juntas – milho, feijão e abóbora.

Freqüentemente chamado de “as três irmãs”, essa combinação de culturas é engenhosa por várias razões. Por um lado, comer essas três plantas em combinação fornece aos seres humanos com proteínas contendo todos os aminoácidos essenciais.

Por outro lado, inclui uma planta de fixação de nitrogênio-feijão.

Os feijões contêm nódulos de rizóbio em suas raízes, que contêm bactérias que podem converter nitrogênio atmosférico em uma forma que é utilizável por bactérias do solo e, finalmente, plantas.

Assim como enterrar peixes nos campos, o cultivo de feijões ao lado de milho e abóbora garante que o solo não se esgote demais para cultivar novas plantas. Mesmo uma única colheita de milho ou abóbora pode crescer melhor ao lado do feijão fixador de nitrogênio, pois suas bactérias rizóbicas nutrem o solo circundante!

Fertilizante artificial

Os seres humanos começaram a fertilizar suas colheitas usando substâncias naturais contendo nitrogênio, como peixes mortos e esterco animal. Esses resíduos da vida animal continham proteínas, aminoácidos e nucleotídeos que as bactérias e as plantas do solo poderiam usar para crescer.

Hoje, os seres humanos descobriram processos industriais que podem transformar amônia em nitratos como os produzidos por bactérias do solo. As plantas podem usar esses nitratos diretamente, e a indústria humana pode produzi -las em grandes quantidades.

Infelizmente, o impacto humano no ciclo de nitrogênio faz alterações no meio ambiente, o que pode ter consequências não intencionais. Assim como os nitratos artificiais promovem o crescimento de plantas “boas” como colheitas, eles também podem promover o crescimento de plantas e algas “ruins” que produzem toxinas e superando outras formas de vida.

Isso pode ser especialmente problemático quando os fertilizantes artificiais são transportados pela água da chuva de terras agrícolas e gramados para rios e lagos. O resultado pode ser o crescimento de algas tóxicas que podem estrangular as zonas úmidas e até entrar na água potável humana.

Questionário

1. Qual das alternativas a seguir não é uma razão pela qual plantas e animais precisam de nitrogênio?

2. Como os cientistas pensam que a vida na Terra foi capaz de começar sem a enzima nitrogenase para converter gás nitrogênio em amônia?

3. O que aconteceria se os compostos de nitrogênio não fossem divididos por decompositores e desnitriadores no final do ciclo de nitrogênio?

4. Por que o feijão é uma grande colheita de cortesia para crescer com milho ou abóbora?

5. Por que colocar um peixe ou estrume morto em um campo cria solos ricos em nitrogênio?

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