CICLOS BIOGEOQUÍMICOS As moléculas orgânicas fundamentais que formam a biomassa dos seres vivos são basicamente os átomos de hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio. Os organismos usam os compostos inorgânicos da crosta ou da atmosfera da Terra para sintetizar os compostos orgânicos, mas, uma vez assimilados em formas biológicas são reciclados de novo e de novo pelos organismos antes de serem perdidos para os sedimentos, correntes Elaboradores Andrey Wesley de Souza Supervisão Jaqueline Quincas Orientação Márcia Helena Mendonça Ruth Janice Guse Schadeck Agências financiadoras Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, CNPq, e Fundação Araucária- PR. e lençóis freáticos, ou escapar para a atmosfera na forma de gases. Essa Programas de formação de professores Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência PIBID/CAPES, PIBID/UFPR circulação de átomos de diversos elementos químicos entre a biosfera e o ambiente constitui os chamados ciclos biogeoquímicos da matéria. Qual a importância da ciclagem desses elementos orgânicos e a assimilação dos elementos inorgânicos para a vida? Se não houvesse o reaproveitamento, por exemplo, da matéria dos cadáveres, átomos de alguns elementos essenciais para a constituição dos seres vivos se tornariam escassos, causando desta forma a extinção da vida como um todo. Alguns Microorganismos, como algumas bactérias e fungos, são componentes recicladores fundamentais em muitos ciclos de matéria. Esses organismos, também chamados de decompositores, utilizam matéria morta e excretas de outros seres vivos para sua nutrição, promovendo assim a degradação destes compostos a moléculas mais simples que são devolvidas
ao ambiente e que podem agora ser novamente utilizada como matéria-prima por outros seres vivos para a síntese de suas substâncias orgânicas. Há ainda, restos de cadáveres de organismos que viveram a muito tempo e que, sob certas condições ambientais, não sofreram decomposição, preservando parte da energia química potencial originalmente captada do sol. PRATICANDO: A análise do esquema permite afirmar corretamente que: a) Os decompositores são organismos autotróficos, uma vez que produzem sua própria energia. b) a matéria inorgânica liberada pela ação dos decompositores será aproveitada pelos organismos produtores, que são autotróficos. c) a matéria inorgânica liberada pela ação dos decompositores será aproveitada pelos organismos produtores, que são heterotróficos. d) os organismos decompositores são autotróficos e alimentam-se exclusivamente de matéria viva, liberando, pelo seu metabolismo, a matéria inorgânica. e) os organismos produtores têm a capacidade de transformar a energia luminosa em química, utilizando, para tanto, matéria orgânica. Estes compõem, portanto, os combustíveis fósseis. São exemplos de combustíveis fósseis o carvão mineral, gás natural e petróleo. CICLO DA ÁGUA
Figura 1: Esuqmea do ciclo da água, um dos principais ciclos biogeoquímicos. Atribuição: John M. Evans / Domínio Público. A água está em constante mudança de estado físico e há permanente troca dessa substância entre rios, lagos, mares, solos, atmosfera e seres vivos (Figura 1). A água presente sob forma líquida na superfície terrestre sofre evaporação e passa para a atmosfera. Com o resfriamento nas camadas mais altas da atmosfera, os vapores d água condensam-se, formam nuvens e depois voltam ao meio terrestre sob forma de chuva. Se houver resfriamento em excesso, ainda na atmosfera os vapores de água podem se condensar e sofrer solidificação, dando origem à neve ou ao gelo, que podem cair na superfície terrestre formando a nevada e o granizo, respectivamente. Os seres vivos absorvem ou ingerem água, pois ela está associada aos processos metabólicos de todos os seres vivos. Os seres vivos interferem nesse movimento cíclico da água. As plantas, por exemplo, absorvem o conteúdo de água presente no solo próximo de suas raízes e o utilizam para a realização de diversas transformações químicas intracelulares e como solvente. A água é fundamental, ainda, para o processo de fotossíntese onde os átomos de hidrogênio da água são utilizados como fonte de energia para a produção de glicídios (matéria orgânica). Os átomos de
oxigênio, por sua vez, são unidos dois a dois e liberados novamente para a atmosfera. As plantas também realizam o processo de transpiração, fundamental para a chegada da água até as folhas. Na transpiração, esses organismos devolvem na forma gasosa a água, antes absorvida do solo, para a atmosfera. PRATICANDO: (UFPR adaptada) Em relação ao ciclo hidrológico nas grandes cidades, julgue as afirmativas com V ou F. I. ( ) A devolução de água para a atmosfera através da transpiração é reduzida. II.( ) O abastecimento do lençol freático é favorecido pela facilidade de infiltração de água no solo. III.( ) O volume de água que escoa superficialmente aumenta em função das construções urbanas. IV.( ) A existência de grande quantidade de poços de bombeamento de água não exerce influência sobre a vazão dos rios. V.( ) O assoreamento dos canais fluviais contribui para o agravamento das enchentes. VI.( ) A concentração dos poluentes e as altas temperaturas favorecem a formação de núcleos de condensação, o que pode provocar um aumento das precipitações CICLO DO CARBONO O carbono é fundamental para a vida visto que participa da composição química dos compostos orgânicos. Um fator importante do ciclo do carbono, e que permite a ciclagem deste elemento, é a fotossíntese. Os organismos fotossintetizantes (bactérias e eucariotos unicelulares algas e plantas) realizam fotossíntese retirando o carbono da molécula de CO 2 do ambiente para a formação de compostos orgânicos. A energia solar capturada pelos organismos fotossintéticos é utilizada como combustível para sintetizar carboidratos e outros compostos orgânicos a partir
de CO 2 e H 2 O; simultaneamente, eles liberam O 2 na atmosfera. Heterótrofos aeróbios (Humanos, por exemplo., assim como plantas durante períodos escuros) usam o O 2 formado deste modo para degradar os produtos orgânicos ricos em energia da Figura 2: Ciclo do Carbono. Atribuição: Claudia Rocha Martins et. al., Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola, nº5, Novembro de 2003 fotossíntese em CO 2 e H 2 O, gerando energia. O CO 2, mais uma vez, retorna para atmosfera para ser reutilizado pelos organismos fotossintéticos. O carbono da biomassa dos produtores pode ter dois destinos: ser restituído ao ambiente na forma de CO 2, o que ocorre com a morte do organismo produtor e a conseqüente degradação de sua matéria orgânica pelos decompositores, ou Figura 3: Esquema demonstrativo do processo de fotossíntese. Atribuição na imagem. ser transferido para os animais herbívoros, o que se dá quando estes se alimentam dos produtores. Parte do carbono contido nos herbívoros será transferida para os níveis tróficos seguintes e outra parte caberá aos decompositores e, assim, sucessivamente, até que todo o carbono fixado pela fotossíntese retorne novamente à atmosfera na forma de CO 2.
EFEITO ESTUFA Nos últimos anos, a concentração de dióxido de carbono na atmosfera tem aumentado cerca de 0,4% anualmente; este aumento se deve à utilização de petróleo, gás e carvão e à destruição das florestas tropicais. A concentração de outros gases que contribuem para o Efeito de Estufa, tais como o metano e os clorofluorcarbonetos também aumentaram rapidamente. O efeito conjunto de tais substâncias pode vir a causar um aumento da temperatura global (Aquecimento Global) estimado entre 2 e 6 ºC nos próximos 100 anos. Um aquecimento desta ordem de grandeza não só irá alterar os climas em nível mundial como também irá aumentar o nível médio das águas do mar em, pelo menos, 30 cm, o que poderá interferir na vida de milhões de pessoas habitando as áreas costeiras mais baixas. Figura 4: Representação das trocas de energia entre o espaço sideral, a atmosfera e a superfície terrestre. Atribuição: Robert A. Rohde
PRATICANDO: (Vunesp-2001) O ciclo do carbono na natureza pode ser representado, simplificadamente, da seguinte maneira. Os números de 1 a 5 indicam, respectivamente, a) fotossíntese, nutrição, respiração, combustão e morte. b) respiração, nutrição, fotossíntese, morte combustão. c) nutrição, combustão, fotossíntese, morte respiração. d) fotossíntese, combustão, respiração, morte nutrição. e) fotossíntese, respiração, nutrição, combustão e morte. CICLO DO OXIGÊNIO O oxigênio é um elemento de grande importância para a biosfera. A maioria dos organismos vivos necessita do gás oxigênio para a respiração e praticamente todos são dependentes da água para suas funções vitais, sendo todas estas, substâncias que contêm o elemento oxigênio em sua Figura 5:Ciclo do oxigênio. Imagem de Domínio Público
composição e que participam do ciclo biogeoquímico deste. A atmosfera, a hidrosfera e a litosfera são reservatórios de oxigênio. Na atmosfera o oxigênio é encontrado nas formas de O 2, CO 2, ozônio (O 3 ), monóxido de nitrogênio (NO), dióxido de enxofre (SO 2 ) e outros. Na hidrosfera o oxigênio está presente principalmente na composição da própria água (H 2 O) e na forma de O 2 dissolvido. Porém, o maior reservatório de oxigênio do planeta é a litosfera. CAMADA DE OZÔNIO Figura 6:Buraco na Camada de Ozônio. Imagem de Domínio Público. Na atmosfera ocorre uma constante transformação de moléculas de O 2 em O 3 e também o contrário. A energia da radiação solar provoca a separação dos átomos de O 2 e sua reorganização na forma de O 3. O processo contrário ocorre com a liberação de energia. O equilíbrio destas transformações é essencial para a manutenção da camada de ozônio e da concentração de O 2 no ar. O BURACO: A camada de ozônio absorve parte da radiação ultravioleta que chega ao planeta, durante a conversão do O 2 em O 3, impedindo que esta atinja a superfície do planeta e os organismos que a habitam. A luz ultravioleta provoca efeitos nocivos à maioria dos seres vivos, principalmente mutações genéticas. A emissão de determinados gases, principalmente os CFC (Clorofluorcarbonetos) provoca a destruição desta camada. Atualmente, a camada de ozônio apresenta regiões já impactadas pela ação destes gases. Este processo provoca danos a biosfera como um todo. A exposição à raios ultravioletas está diretamente relacionada a ocorrência de diversos tipos de cânceres, principalmente os melanomas (cânceres de pele).
PRATICANDO: CAIU NO ENEM! (ENEM 2012) O rótulo de um desodorante aerossol informa ao consumidor que o produto possui em sua composição os gases isobutano, butano e propano, dentre outras substâncias. Além dessa informação, o rótulo traz, ainda, a inscrição Não contém CFC. As reações a seguir, que ocorrem na estratosfera, justificam a não utilização de CFC (clorofluorcarbono ou Freon) nesse desodorante: I) CF2Cl2 CF2 UV Cl + Cl II) Cl + O3 O2 + ClO A preocupação com as possíveis ameaças à camada de ozônio (O3) baseia-se na sua principal função: proteger a matéria viva na Terra dos efeitos prejudiciais dos raios solares ultravioleta. A absorção da radiação ultravioleta pelo ozônio estratosférico é intensa o suficiente para eliminar boa parte da fração de ultravioleta que é prejudicial à vida. A finalidade da utilização dos gases isobutano, butano e propano neste aerossol é: a) substituir o CFC, pois não reagem com o ozônio, servindo como gases propelentes em aerossóis. b) servir como propelentes, pois, como são muito reativos, capturam o Freon existente livre na atmosfera, impedindo a destruição do ozônio. c) C reagir com o ar, pois se decompõem espontaneamente em dióxido de carbono (CO2) e água (H2O), que não atacam o ozônio. d) impedir a destruição do ozônio pelo CFC, pois os hidrocarbonetos gasosos reagem com a radiação UV, liberando hidrogênio (H2), que reage com o oxigênio do ar (O2), formando água (H2O). e) destruir o CFC, pois reagem com a radiação UV, liberando carbono (C), que reage com o oxigênio do ar (O2), formando dióxido de carbono (CO2), que é inofensivo para a camada de ozônio.
CICLO DO NITROGÊNIO Figura 7: Ciclo do Nitrogênio. Atribuição: Pedro Spoladore O ciclo do nitrogênio consiste, basicamente, na transferência de átomos de nitrogênio de substâncias inorgânicas do meio físico para moléculas orgânicas constituintes dos seres vivos e vice-versa. O nitrogênio é usado pelos seres vivos na síntese de diversas moléculas orgânicas, tais como os ácidos nucléicos e as proteínas. Todos os organismos conhecidos são altamente dependentes destas substâncias. Cerca de 78% do volume atmosférico é composto de nitrogênio molecular (N 2 ), conferindo a atmosfera o maior reservatório terrestre deste elemento. A grande maioria dos seres vivos, no entanto, não consegue utilizar diretamente o nitrogênio molecular. A assimilação deste composto é feita apenas por algumas bactérias específicas genericamente conhecidas como bactérias fixadoras de nitrogênio, por serem capazes de incorporar átomos de nitrogênio às suas moléculas orgânicas. A essa incorporação, dá-se o nome
de fixação de nitrogênio. Sendo assim, todos os outros seres vivos dependem das bactérias fixadoras para utilizar o N 2 atmosférico. Mais raramente e em menor escala, a fixação pode ocorrer através de processos não bióticos. As descargas elétricas, o calor de vulcões e até mesmo os raios solares, podem converter o nitrogênio molecular presente na atmosfera em nos íons amônia, nitrato ou nitrito. Esse processo é denominado de fixação atmosférica. O processo de decomposição libera como produto, no solo, compostos nitrogenados, principalmente amônia. Porém, o composto nitrogenado mais empregado pelos vegetais é o nitrato (NO - 3 ). As bactérias nitrificantes são as responsáveis pela formação de compostos nitratos no solo pelo processo de nitrificação. Neste processo, as Nitrosomonas sp. convertem amônia em nitrito utilizando 3 moléculas de O 2. O nitrito é tóxico para as plantas, porém, bactérias do gênero Nitrobacter quase que imediatamente convertem os nitritos do solo em nitrato em uma reação com O 2 e que libera energia utilizada por estas bactérias em seu metabolismo. Os nitratos liberados pelas nitrobacterias são altamente solúveis em água, o que facilita a assimilação dos mesmos pelas raízes das plantas. Estas utilizam o nitrogênio destes compostos para a produção de moléculas orgânicas, principalmente proteínas e ácidos nucléicos. Os animais herbívoros conseguem compostos nitrogenados se alimentando das plantas e assim ocorre o fluxo de nitrogênio ao longo dos níveis tróficos da cadeia alimentar. A degradação de proteínas e ácidos nucléicos pelo metabolismo animal produz compostos nitrogenados denominados excretas, tais como amônia, uréia e ácido úrico que são eliminados no ambiente. Já no ambiente, essas excretas e plantas e animais mortos sofrem a ação de decompositores que produzem amônia e devolvem o nitrogênio para o solo para que este possa voltar ao seu ciclo. Desnitrificação: Processo realizado por bactérias genericamente denominadas bactérias desnitrificantes que degradam compostos
nitrogenados presentes no solo, liberando gás nitrogênio (N 2 ) para atmosfera e produzindo a energia necessária para o seu metabolismo. RIZÓBIOS As bactérias do gênero Rhizobium sp., são micróbios que vivem associadas às raízes de leguminosas (feijão, soja, ervilha, etc.). Essas bactérias vivem dentro das células da raiz onde passam a viver a se reproduzir. A multiplicação destes microorganismos na raiz provocam a proliferação de células infectadas que acabam por formar tumores denominados de nódulos. Essa associação simbiótica entre a planta e as bactérias rizóbios promovem uma relação em que ambos os organismos são beneficiados. A planta consegue habitar solos pobres em compostos nitrogenados, já que a bactéria se encarrega de realizar a fixação do nitrogênio e suprir a planta deste composto essencial para o desenvolvimento do vegetal. A planta, por sua vez, disponibiliza compostos orgânicos que servem como alimento para as bactérias em suas raízes, bem como, adéqua a concentração de oxigênio que circula dentro destes nódulos propiciando um ambiente favorável para o desenvolvimento destas bactérias. PRATICANDO: Em condições naturais, bactérias do gênero Rhizobium vivem ha milênios em estreita ecológica com plantas leguminosas. Podemos afirmar que as duas espécies se beneficiam numa relação obrigatória, em que a sobrevivência de uma depende da outra. Este tipo de relação interespecífica é conhecida como: a) comensalismo b) protocooperação c) inquilinismo d) mutualismo e) amensalismo
PRATICANDO: O nitrogênio é essencial para os ambientes naturais, bem como para os sistemas agrícolas, pois é um dos macronutrientes responsáveis por cerca de 5% da composição química das plantas, juntamente com os micronutrientes (por exemplo, zinco, bromo cobro, ferro, manganês, molibdênio e cobalto). Os demais 95% são constituídos de carbono, oxigênio e hidrogênio. O nitrogênio (N 2 ) disponível no ambiente não é utilizável pela maioria dos seres vivos. A conversão de sua forma biologicamente não-utilizável em uma forma utilizável é realizada: a) por algumas bactérias b) por angiospermas e gimnospermas c) por todas as plantas clorofiladas d) por todos os seres autotróficos e) principalmente pelo fitoplâncton