Ciclo do nitrogênio: o que é e como funciona

O ciclo biogeoquímico do nitrogênio é essencial para a síntese de proteínas e ácidos nucleicos, elementos-chave para a vida na Terra

O nitrogênio é um elemento químico descoberto pelo médico e químico Daniel Rutherford que pertence ao segundo período da tabela periódica. Confira mais sobre como funciona seu ciclo e sua importância para o meio ambiente.

Qual é a importância do ciclo do nitrogênio?

Esse elemento é conhecido por ser essencial para a existência de vida na Terra. Afinal, é componente de todos os aminoácidos do nosso corpo, além das bases nitrogenadas (que constituem as moléculas de DNA e RNA). 

Aproximadamente 78% do ar que respiramos é composto pelo nitrogênio da atmosfera (N₂), que é seu maior reservatório. Um dos motivos para isso é o N₂ ser uma molécula inerte. Ou seja, o nitrogênio gasoso, em situações comuns, não é reativo. Assim, ele vem se acumulando na atmosfera desde a formação do planeta.

Apesar disso, poucos seres vivos têm capacidade de absorvê-lo em sua forma molecular (N₂). Acontece que o nitrogênio, assim como o ferro e o enxofre, participa de um ciclo natural ao longo do qual sua estrutura química. 

Nesse processo, ele sofre transformações, servindo como base para outras reações e assim se tornando disponível para outros organismos. Por isso, o ciclo do nitrogênio (ou “ciclo do azoto”) é tão importante.

Quais são as 4 etapas do ciclo do nitrogênio?

O ciclo do nitrogênio compreende quatro etapas fundamentais: fixação, amonificação, nitrificação e desnitrificação. Cada fase desempenha um papel crucial na dinâmica do nitrogênio no ambiente, contribuindo para a disponibilidade desse elemento essencial para a vida.

A fixação

Para que o N₂ atmosférico atinja o solo, entrando no ecossistema, ele deve passar por um processo chamado fixação. Ele é realizado por pequenos grupos de bactérias do gênero Rhizobium, conhecidas como bactérias fixadoras ou nitrificantes. As bactérias retiram o nitrogênio na forma de N₂ e o incorporam em suas moléculas orgânicas. Quando a fixação é realizada por organismos vivos, como as bactérias, ela é chamada de fixação biológica, ou biofixação.

Atualmente, também pode-se fazer uso de fertilizantes comerciais para a fixação de nitrogênio, caracterizando a fixação industrial, método muito utilizado na agricultura. Além destas, há também a fixação física, que é realizada por raios e faíscas elétricas, através dos quais o nitrogênio é oxidado e carregado para o solo através das chuvas. No entanto, tal método possui uma capacidade reduzida de fixação de nitrogênio. Por isso não é suficiente para os organismos e a vida na Terra se manterem.

A amonificação

As bactérias, ao fixarem o N₂, liberam amônia (NH₃). A amônia, quando em contato com as moléculas de água do solo, formam o hidróxido de amônio que, ao ionizar-se, produz o amônio (NH₄), em um processo que é parte do ciclo do nitrogênio e é denominado amonificação.

A nitrificação

Na natureza, há um equilíbrio entre amônia e amônio, que é regulado pelo pH. Em ambientes onde o pH é mais ácido, predomina a formação de NH₄, e em ambientes mais básicos, o processo mais comum é o da formação de NH₃. Este amônio tende a ser absorvido e utilizado principalmente pelas plantas que possuem bactérias associadas às suas raízes (bacteriorrizas). Quando produzido por bactérias de vida livre, este amônio tende a ficar disponível no solo para ser utilizado por outras bactérias (as nitrobactérias).

As nitrobactérias são quimiossintetizantes, ou seja, são seres autotróficos (que produzem seu próprio alimento), que retiram a energia necessária para sua sobrevivência a partir de reações químicas. Para obter essa energia, elas tendem a oxidar o amônio. Dessa forma, o NH₄ é transformado em nitrito (NO₂^–), e posteriormente em nitrato (NO₃^–). Este processo do ciclo do nitrogênio é denominado nitrificação.

Em resumo, as bactérias dos gêneros Nitrosomonas (transformação de amônia em nitrito) e Nitrobacter (transformação de nitrito em nitrato) são as nitrobactérias responsáveis pelas etapas da nitrificação.

A desnitrificação

O nitrato permanece livre no solo, e não possui tendência de se acumular em ambientes naturalmente intactos. Isso faz com que ele possa percorrer três caminhos diferentes: 

• Ser absorvido por algumas plantas;
• Ser desnitrificado;
• Atingir corpos d’água.

A desnitrificação é um processo realizado por bactérias desnitrificantes, que transformam o nitrato em N₂ novamente, realizando a devolução do nitrogênio à atmosfera. Tanto a desnitrificação quanto o fluxo de nitrato para os corpos d’água apresentam consequências negativas para o meio ambiente.

Impactos no meio ambiente

O processo de desnitrificação gera alguns danos ambientais. Além do N2, outros gases podem ser produzidos, como o óxido nítrico (NO) e o óxido nitroso (N₂O). O primeiro se combina com o oxigênio atmosférico, favorecendo a formação da chuva ácida. Já o segundo, é um importante gás causador do efeito estufa, agravando o aquecimento global.

Além do processo de desnitrificação, temos também a contaminação de nitrato nos corpos d’água. Esse fenômeno leva ao processo de eutrofização, que apresenta grande impacto ambiental.

Outra questão a ser considerada é o fato de que o nitrogênio pode também ser prejudicial às plantas quando presente em quantidades excessivas para a assimilação. Assim, um excesso de nitrogênio fixado no solo pode limitar o crescimento da planta, prejudicando culturas.

Dessa forma, a relação carbono/nitrogênio também deve ser considerada em processos de compostagem. A partir disso, sempre se mantêm ativos os metabolismos das colônias de micro-organismos envolvidos no processo de decomposição.

Absorção de nitrogênio pelos humanos

Os seres humanos e outros animais têm acesso ao nitrato a partir da ingestão de plantas que absorveram essa substância. Mas também, de acordo com a cadeia alimentar, o nitrato do nitrogênio é encontrado, também, na ingestão de outros animais que se alimentam dessas plantas.

Esse nitrato retorna ao ciclo a partir da morte de algum organismo (matéria orgânica) ou pela excreção que apresenta compostos nitrogenados.

Assim, bactérias decompositoras agirão sobre a matéria orgânica liberando amônia. A amônia também pode ser transformada em nitritos e nitratos pelas mesmas nitrobactérias que transformam o amônio, integrando-se ao ciclo.

Uma alternativa aos fertilizantes

Como vimos, a fixação de nitrogênio no solo pode produzir efeitos positivos. Porém, o processo ocorre em excesso, podendo gerar consequências negativas para o meio ambiente. A interferência da humanidade no ciclo do nitrogênio se dá pela fixação industrial (por meio do uso de fertilizantes). Isso aumenta a concentração de nitrogênio a ser fixada, ocasionando problemas como os citados anteriormente.

Uma alternativa para o uso dos fertilizantes seria a rotação de culturas, alternando culturas de plantas fixadoras e não fixadoras de nitrogênio. Plantas fixadoras de nitrogênio são aquelas que possuem bactérias e outros organismos fixadores associados a suas raízes. Como ocorre em plantas leguminosas (como o feijão e a soja).

A rotação favorece a fixação de nitrogênio em quantidades mais seguras que a utilização dos fertilizantes. Assim, fornecendo nutrientes compatíveis com a capacidade de assimilação das plantas. Também favorecendo seu desenvolvimento e reduzindo as taxas de nutrientes que atingem os corpos d’água. Um processo semelhante denominado “adubação verde” também pode ser aplicado em substituição aos fertilizantes.

Este processo consiste em cultivar plantas fixadoras de nitrogênio e forçá-las antes que produzam sementes. Assim, deixando-as no local como cobertura morta, para que então sejam feitas culturas posteriores de outras espécies. Logo abaixo podemos conferir uma imagem que nos traz um resumo do que foi visto ao longo da matéria:

Alteração genética

Outra alternativa para o uso de fertilizantes nitrogenados pode ser a alteração genética de algumas espécies vegetais. A partir de estudos de alteração genética, foi identificado um segmento cromossômico que interrompe o processo de nitrificação quando presente em raízes.

Os pesquisadores introduziram o segmento em exemplares de trigo. Eles perceberam que a inibição contribui para reduzir a contaminação do solo e de corpos hídricos com hidrogênio. Além disso, o processo reduz a necessidade de fertilizantes nos cultivos, já que as plantas terão maior concentração de nitrogênio em seu organismo.

De acordo com a pesquisa, o consumo de agrotóxicos para a produção de trigo corresponde a 1/5 dos agrotóxicos consumidos no mundo. Assim, o estudo de alteração genética com agentes inibidores da nitrificação pode ser uma alternativa para reduzir o uso de fertilizantes.

ANAMMOX

A sigla em inglês (que significa oxidação anaeróbia de amônia) nomeia um processo biológico inovador de remoção de amônia de águas e gases.

É um atalho, pois a amônia não precisaria ser nitrificada em nitrito e nitrato para ser desnitrificada de volta para a N₂. Com o processo ANAMMOX, a amônia seria diretamente convertida em gás nitrogênio (N₂). A primeira estação de grande escala foi instalada em 2002 na Holanda, e em 2012, já existiam 11 instalações em funcionamento.

Eficiente e sustentável, o processo ANAMMOX pode ser utilizado para remover amônia de efluentes com concentrações maiores de até 100 mg/l. Dentro dos reatores, bactérias nitrificantes e ANAMMOX coexistem. Onde as primeiras transformam cerca de metade da amônia em nitritos (compostos químicos que possuem nitrogênio em sua composição). E as bactérias ANAMMOX agem transformando os nitretos e a amônia em gás nitrogênio.

A oxidação anaeróbia de amônia tem se demonstrado promissora. Ela já pode ser encontrada em processos industriais como tratamento de águas residuárias, de resíduos sólidos orgânicos, dentre outras.