CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DAS ROCHAS, DA ÁGUA, DO CARBONO, DO NITROGÊNIO, DO FÓSFORO, DO

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1 CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DAS ROCHAS, DA ÁGUA, DO CARBONO, DO NITROGÊNIO, DO FÓSFORO, DO OXIGÊNIO. A hipótese Gaia: a vida manipula o ambiente para manutenção da vida. Idéia da Terra (do planeta) como um organismo vivo. (Gaia é o nome de uma deusa grega, que representava a mãe Terra). A hipótese Gaia é de fato uma série de hipóteses, cuja primeira afirma que a vida, desde seu início, influencia grandemente o ambiente planetário. Alguns cientistas discordam. A segunda considera que a vida altera o ambiente na Terra de modo a permitir a manutenção da própria vida. Há evidências de que a vida (no sentido fisiológico) afetou o clima da Terra. Uma distorção da hipótese Gaia, que se tornou popular, é que a vida deliberadamente, conscientemente, controla globalmente o ambiente. Tal hipótese pode ser compreendida pela maneira como o futuro status da humanidade pode depender das ações que tomamos hoje. A população da Terra pode conscientemente tomar decisões que afetam o futuro do planeta. As decisões que tomamos dependem do quanto nós valorizamos o ambiente e do conhecimento e compreensão acerca de como a Terra funciona. É um fato de menor importância analisar a hipótese Gaia como uma metáfora, ou afirmar que é pseudocientífica, ou tem tons religiosos. Discuti-la leva-nos a tratar de questões fundamentais sobre ciência e sobre a vida. Se não por outras razões, pela última, a hipótese Gaia já seria válida e valiosa. A idéia de uniformitarianismo (1785) o presente é a chance do passado pode ser muito útil do ponto de vista ambiental se se pensar que essa idéia pode ser mais do que a chave do passado. Pode significar que o estudo dos processos passados e presentes seja a chave da compreensão do futuro. Para tanto, pode-se considerar que no futuro operarão os mesmos processos físicos e

2 biológicos, embora com taxas diferentes, devido à influência ambiental exercida pelas mudanças naturais e por aquelas ligadas à atividade humana. 1) CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Sendo a Terra um sistema dinâmico, em evolução, o movimento e a estocagem de seus matérias afetam todos os processo físicos, químicos e biológicos. Um ciclo biogeoquímico é o movimento ou o ciclo de um determinado elemento ou elementos químicos através da atmosfera, hidrosfera, litosfera e biosfera da Terra. 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 o conjunto dos processos responsáveis pela formação e destruição dos materiais da Terra, subdividido em: ciclo tectônico, 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? 2) O CICLO GEOLÓGICO: TECTÔNICO, DA ÁGUA E DAS ROCHAS 2.1. O Ciclo Tectônico (Tectônico significa relativo à crosta terrestre).

3 O ciclo tectônico envolve a criação e destruição da camada externa sólida da Terra: a litosfera. A litosfea tem cerca de 100 km de espessura e é quebrada em segmentos chamados pratos, que se movem em relação uns aos outros. De acordo com a teoria dos pratos tectônicos, os continentes movem-se juntamente com os pratos, de 2 a 15 cm/ano. Há vários tipos de movimento, entre os quais se destacam: Divergente: os pratos afastam-se e produz-se nova litosfera; Convergente: os pratos aproximam-se. Na fronteira da colisão produzem-se sistemas lineares de montanhas. Ex: Andes, Alpes e Himalaia. Falha: Quando um prato escorrega sob o outro. Ex: Falha de San Andreas. O prato do Pacífico move-se para o norte a aproximadamente 5 cm/ano. Como resultado, Los Angeles a 500 km ao sul de São Francisco está se movendo em direção àquele cidade. Se o movimento continuar, em aproximadamente 10 milhões de anos Los Angeles será subúrbio de São Francisco O 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 todos os recursos de água doce, através do processo da precipitação O Ciclo das Rochas O ciclo das rochas consiste de vários processos que produzem rochas e solos. Este ciclo é dependente do ciclo tectônico para energia e do ciclo

4 hidrológico para água. O calor gerado pelo ciclo tectônico produz materiais fundidos, como lava vulcânica, que, ao se cristalizarem na superfície ou em camadas mais finas dão origem à rocha ígnea. Rochas na superfície ou próximo à, ao se congelarem e descongelarem, quebram-se devido à contração e expansão. Podem-se desagregar, também, devido a processos químicos, pela ação de ácidos fracos formados na presença de CO 2, matéria orgânica e água. A esses processos físicos e químicos chama-se intemperismo. O intemperismo produz sedimentos que são transportados pelo vento, água ou gelo. Os sedimentos depositam-se em oceanos, por exemplo, podendo ser transformados em rochas sedimentares. Dependendo da profundidade desses depósitos, as rochas sedimentares transformam-se pelo calor e pressão ou por fluidos químicos em rochas metamórficas, que podem fundir-se reiniciando o ciclo. A vida desepenha um papel fundamental nesse ciclo, por meio da incorporação de C nas rochas. Processos de biossedimentação produzem rochas calcárias (CaCO 3, principalmente) substâncias húmicas e petróleo. 3) O CICLO DO CARBONO O C é o elemento básico da construção da vida. C está presente nos compostos orgânicos (aqueles presentes ou formados pelos organismos vivos) e nos inorgânicos, como grafite e diamante. C combina-se e é química e biologicamente ligado aos ciclos do O e H para formar os compostos da vida. CO 2 é o composto de C mais abundante da atmosfera, mas compostos orgânicos como CH 4 ocorrem em menor quantidade. Parte do ciclo do C é inorgânica, i e, os compostos não dependem da atividades biológicas. O CO 2 é solúvel em água, sendo trocado entre a atmosfera e a hidrosfera por processo de difusão. Na ausência de outras fontes, a difusão de CO 2 continua em um outro sentido até o estabelecimento de um equilíbrio entre a quantidade de CO 2 na atmosfera acima da água e a quantidade de CO 2 na água. CO 2 entra nos

5 ciclos biológicos por meio da fotossíntese, ie, a síntese.de compostos orgânicos constituídos de C, H e O, a partir de CO 2.e água, e energia proveniente da luz. Carbono deixa a biota através da respiração. Processo no qual os compostos orgânicos são quebrados, liberando CO 2. Ou seja, C inorgânico, CO 2 e HCO - 3 são convertidos em C orgânico pela fotossíntese, CO 2 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 CO 2 ) 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 CaCO 3 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 CO 2 da atmosfera primitiva da Terra, armazenando-o nas rochas. Os oceanos, segundo maior reservatório, em C dissolvido e sedimentado, têm cerca de 55 vezes mais quantidade de CO 2 que a da atmosfera. Os solos têm 2 vezes mais que a atmosfera, as plantas terrestres têm aproximadamente à da atmosfera. Tempo médio de residência de CO 2. Solos - 25 a 30 anos; Atmosfera - 3 anos Oceanos anos A formação dos sedimentos contendo CO 2 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

6 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 [CO 2 ] atm foi de 288 ppm, em 1850, para além de 350 ppm, em 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 m 3 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 [CO 2 ] atm, elevando sua capacidade de fotossíntese. Cerca de 99,9% de todo o C da Terra está armazenado em rochas, como CaCO 3 insolúvel, ou proveniente da sedimentação da matéria orgânica. Em última instância, o CO 2 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 com 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 CO 2 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 CO 2. No inverno, o metabolismo da biota libera CO O Ciclo do Carbonato - Silicato Sua grande importância consiste no fato dele contribuir com aproximadamente 80% do total de CO 2 trocado entre a parte sólida da Terra e a

7 atmosfera. A troca ocorre há meio bilhão de anos. CO 2 atmosférico dissolve-se na água da chuva, produzindo H 2 CO 3. 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 Ca 2+ e HCO - 3, que podem ser lixiviados para os oceanos, pois são os maiores constituintes da matéria dissolvida que os rios despejam nos oceanos. Os organismos marinhos ingerem Ca 2+ - e HCO 3 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 CO 2 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 Ca 2+ - e HCO 3 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 resultado líquido é a remoção do CO 2 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. 4) O 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, N 2, na

8 atmosfera em quantidade maior que NH 3 ou em óxidos, N 2 O, NO e NO 2, ou em compostos com H, NH, HNO 2 e HNO 3. N 2 é pouco reativo, tendendo a formar pequenos compostos inorgânicos. A maioria dos organismos não pode usar N 2 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, N 2 seria removido da atmosfera. As bactérias também realizam o processo inverso: a imobilização. Tanto a remoção de N 2, 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 N 2 e O 2 estão presentes. Os óxidos de N são a maior fonte poluidora proveniente dos automóveis. N 2 O diminui a camada de O 3 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. 5) O 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 raso), esse nutriente pode causar aumento da população de bactérias e algas verdes

9 (fotossintéticas). Devido ao crescimento intenso, esses organismos podem cobrir toda a superfície do lago, inibindo a entrada de luz e provocando, conseqüentemente, 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 CO 2 dissolvido no lago ao se alimentarem. Se o nível de O 2 tornar-se muito baixo, a vida aquática fica comprometida. Os peixes morrerão e desenvolver-se-ão bactérias anaeróbias. Ao processo de destruição de um lago devido a excesso de um nutriente, como P (nitrogênio causa o mesmo problema), dá-se o nome de eutrofização. O ciclo do P não tem fase gasosa, exceto quando presente na atmosfera em pequenas quantidades em partículas de poeira. Em contraste com o ciclo do C, o ciclo do P é lento e a maior parte procede em uma direção: da terra para o oceano. P retorna à terra pelo ciclo das rochas, em uma escala de tempo de milhares a milhões de anos. No solo, o P se encontra principalmente como fosfato de Ca, K, Mg e Fe. Devido à baixa solubilidade em água desses minerais, sua disponibilização se dá após intemperismo. Em um ecossistema terrestre estável, muito do P retirado pela vegetação, retorna ao solo. Mas uma parte é perdida, movendo-se do solo, em forma solúvel e, portanto, transportado pela água, para o oceano. Um modo de retirar o P do oceano é através dos peixes e aves que se alimentam de outros peixes. Exemplo: os pelicanos alimentam-se de anchovas, que se alimentam de plâncton, que cresce vigorosamente onde existe P e N. Nas ilhas onde vivem essas aves, há grande quantidade de guano. Guano é um excelente fertilizante formado por processos biológicos e geológicos. Outra passagem lenta de P do oceano para a terra consiste na utilização das rochas sedimentares formadas por fósseis de animais marinhos. O maior desses depósitos localiza-se na Flórida e é responsável por mais de um terço da produção mundial de fosfato. Um dos pontos importantes do ciclo do P é a demora em retornar à terra. O fato do P ser um macronutriente, essencial a todas as formas de vida e de formar compostos pouco solúveis em água, o P é difícil de ser obtido.

10 6) O CICLO DO OXIGÊNIO Devido à sua abundância, os compostos de oxigênio participam de todos os ciclos biogeoquímicos. Dessa forma, um estudo completo do ciclo do O envolveria todas as transformações físicas e químicas da Terra. Todo o O 2 atmosférico provém da fotossíntese e retorna como CO 2 pela respiração e pela decomposição aeróbia da matéria orgânica pelas bactérias. Devido à maior quantidade de O 2 atmosférico em comparação ao CO 2, perturbações como a queima de combustíveis fósseis causam muito menos influência no O 2 atmosférico que no CO 2. Transformação fotoquímica de O 2 em O 3 é rápida e, na maioria das vezes, reversível. Apenas uma pequena quantidade de O é removida da atmosfera como produtos de oxidação, tais como CO 2 e SO 2-4. Outras partes do ciclo operam mais lentamente. Atualmente, há uma conversão de O 2 a CO 2, devido à queima de árvores e combustíveis fósseis, mas no passado, por centenas de milhões de anos ocorreu o inverso. C sedimentado como carvão ou gás natural, por exemplo, ou seja, na forma reduzida, liberou correspondente quantidade de O. Parte desse O (4%) forma o atual O 2 atmosférico. O restante oxidou os minerais da crosta, Fe 2+ Fe 3+ e S 2- SO 2-4. Parte do Fe e S reduzido, formam a pirita, FeS 2, a reação líquida é: 2-4FeS 2 + 8H 2 O + 15O 2 2Fe 2 O 3 + 8SO H +, como o SO 2-4 precipita-se com vários metais, principalmente com Ca 2+, para formar as rochas sedimentares, a reação aproximada geral de transferência de O 2 seria: carbonato de cálcio + pirita C reduzido + sulfato de cálcio + Fe 2 O 3 Essa reação não é termodinamicamente favorável e precisa da energia solar liberada pela fotossíntese para ocorrer. Em condições anaeróbias ocorre a reação inversa. Bactérias obtém energia pela redução de Fe e SO 4 (há reações que envolvem N, mas a contribuição ao ciclo do O é menor). Assim, a oxidação e redução de minerais formam um sistema reversível, que funciona como um tampão da concentração de O 2 atmosférico.

11 A atmosfera primitiva do planeta continha pequena quantidade de O 2. A fotodissociação da água H 2 O + hν H + OH libera OH que suporta reações que conduzem à formação de O 2, que reagem com rochas superficiais produzindo Fe 3+ e SO 2-4. Quantidade razoáveis de O 2 atmosférico somente começaram a aparecer entre 3 e 4 bilhões de anos atrás, devido à fotossíntese. O O 2 produzido inicialmente foi usado para oxidar as rochas, com enorme depósitos de Fe 3+ produzidos até 2 bilhões de anos atrás. Começou, então, a partir daí o aumento da concentração de O 2 atmosférico. Contudo, a concentração inicial foi alcançada, provavelmente, há 500 milhões de anos, quando as plantas terrestres e animais começaram a aparecer. É interessante perguntar quem controla a concentração de O 2 na atmosfera. Sem dúvida, como a vida produz O 2, ela exerce o maior controle. Com menos O 2, a respiração aeróbia e a decomposição da matéria orgânica seriam dificultadas. A fotossíntese, juntamente com os processos anaeróbios incluindo a sedimentação dos combustíveis fósseis dominariam e aumentariam aquantidade de O 2. À medida que aumenta a quantidade de O 2 atmosférico, aumenta a quantidade de O 2 dissolvido na água e sedimentos, diminuindo a extensão dos processos anaeróbios. Esses processos produzem CH 4, cuja oxidação consome O 2 atmosférico. Se o O 2 aumenta significativamente, os incêndios ficariam fora de controle, aumentando a taxa de conversão de O 2 a CO 2. O ciclo do O está fora do equilíbrio, devido à atividade humana. Mas, devido às diferenças nos tempos de residência de O 2 e CO 2 atmosférico, há menos com que nos preocuparmos do ponto de vista do O 2 que do CO 2. Mesmo queimando todas as plantas, somente se consome uma pequena fração do O 2 atmosférico. O maior efeito a curto prazo viria do grande aumento de CO 2 e do fato de que nós arruinaríamos irremediavelmente a biosfera e ficaríamos sem alimentos.