O nitrogênio é o elemento químico mais abundante na atmosfera terrestre, com aproximadamente 78% dela composta pelo gás nitrogênio. Mas diferente do oxigênio ou o gás carbônico, por exemplo, a maioria dos seres vivos não consegue usar esse elemento diretamente da atmosfera.
Para que isso aconteça, ocorrem diversos processos no que chamamos de ciclo do nitrogênio.
O ciclo do nitrogênio conta principalmente com a participação de diversas bactérias, que agem transformando moléculas nitrogenadas até que elas possam ser absorvidas e utilizadas pelos seres vivos, ou então retornarem à atmosfera.
O nitrogênio apresenta grande importância para formação de proteínas e ácidos nucleicos, além de ajudar na agricultura com a fertilização do solo. Antes de falar mais sobre o ciclo, vamos relembrar sobre ciclos biogeoquímicos?
Ciclos biogeoquímicos e ciclo do nitrogênio
Os ciclos biogeoquímicos são aqueles que envolvem fatores biológicos, geológicos e químicos, abrangendo diversas áreas do conhecimento. Dentre os aspectos biológicos, estudamos como os seres vivos estão relacionados às transformações químicas e os processos fisiológicos envolvidos.
Os ciclos recebem este nome pois, em algum momento, a molécula pode retornar ao ponto inicial, em um movimento cíclico: por exemplo, uma molécula de nitrogênio gasoso pode passar por diversos processos, e no final de tudo, retornar à atmosfera novamente em sua forma gasosa.
As etapas do ciclo do nitrogênio ocorrem pela atuação de bactérias, que com seu metabolismo vão modificar quimicamente moléculas com nitrogênio. Para entender o ciclo como um todo, veja a seguir um esquema do ciclo do nitrogênio, onde podemos observar quatro principais momentos: a fixação, a nitrificação, a amonificação e a desnitrificação. Cada uma destas etapas será descrita em detalhes nos próximos tópicos.
Etapas do ciclo do nitrogênio
Este ciclo é importante pois as plantas conseguem absorver nitrogênio apenas quando este elemento está formando moléculas de íon amônio (tóxico em grandes concentrações) ou nitrato. Já os animais conseguem nitrogênio ao se alimentarem das plantas e de outros animais.
Fixação
Nesta etapa ocorre a transformação do nitrogênio gasoso (N2) em amônia (NH3). Também pode formar o íon amônio (NH4+), quando a amônia se encontra em solução aquosa, reagindo com a água disponível no ambiente. A fixação pode acontecer de maneira natural ou artificial.
Reação da fixação para formação de amônia. O nitrogênio gasoso é reduzido ao reagir com elétrons e há gasto energético, produzindo duas moléculas de amônia. Quando em solução aquosa, a amônia reage e forma o íon amônio
- Fixação biológica: Ocorre pela ação de bactérias fixadoras. Dentre as bactérias livres no solo, são exemplos de fixadoras algumas anaeróbicas do gênero Clostridium, ou bactérias aeróbicas como as Azobacter. Algumas cianobactérias também fazem a fixação em suas estruturas filamentosas, conhecidas como heterocistos. No ambiente aquático, a fixação ocorre por cianobactérias.
A fixação também pode ocorrer por bactérias associadas com plantas leguminosas (plantas da família Fabaeae – que produzem fruto na forma de vagem), como no caso das bactérias Rhizobium e Bradyrhizobium (que fixa o nitrogênio em amônia solúvel ou em nitrato).
A relação entre as leguminosas e as bactérias em suas raízes é uma relação mutualística, onde as plantas dão proteção e carboidratos para as bactérias, e estas disponibilizam os compostos nitrogenados que serão absorvidos nas raízes.
Raiz de leguminosa com nódulos de bactérias Rhizobium. Na direita, um esquema de como são formados estes nódulos
- Fixação atmosférica: A energia presente nas descargas elétricas dos raios reage o nitrogênio com moléculas de oxigênio, formando monóxido de nitrogênio (NO). Este elemento se dissolve na água da chuva, ocorrendo um tipo de chuva ácida, e chega ao solo.
- Fixação industrial: Também conhecida como fixação artificial, ocorre a partir de reações entre o N2 com o hidrogênio (H2), com objetivo de formar íon de amônio para produção de fertilizantes.
Nitrificação (nitrosação e nitratação)
Nesta etapa ocorre a oxidação da amônia (NH3) com a participação de bactérias chamadas de nitrificantes.
- Nitrosação: O NH3 ou
são convertidos em nitritos 
a partir da ação de bactérias dos gêneros Nitrosomonas e Nitrospira.
Esquema da reação de nitrosação
- Nitratação: Os nitritos são convertidos em nitratos
a partir da ação de bactérias do gênero Nitrobacter.
Esquema da reação de nitratação.
Após formados, os nitratos podem passar pelo processo de assimilação, onde são absorvidos pelas raízes das plantas para produção de moléculas internas. Vale lembrar que o íon amônio também pode ser assimilado pelas plantas sem passar pelo processo de nitrificação.
Amonificação
A decomposição de compostos orgânicos (como por exemplo fezes, urina ou organismos mortos) transforma o nitrogênio presente nestes materiais em íon de amônio. Os responsáveis pela amonificação são bactérias decompositoras (aeróbicas ou anaeróbicas) e alguns fungos.
Desnitrificação
Neste processo, o nitrogênio retorna à atmosfera em sua forma gasosa. As bactérias que participam desta etapa são chamadas de desnitrificantes, e são ela algumas anaeróbicas dos gêneros Pseudomonas e Clostridium. Nestes organismos, o nitrato participa da respiração celular anaeróbica, sendo o aceptor final de elétrons da cadeia respiratória.
Reação de desnitrificação
Importância do ciclo do nitrogênio na natureza
Podemos encontrar o nitrogênio em diversos organismos e estruturas dos seres vivos. Veja a seguir alguns exemplos que demonstram a importância da assimilação do nitrogênio pelos seres vivos:
- Proteínas: As proteínas são polímeros formados a partir da união de aminoácidos. Estes aminoácidos apresentam em sua composição um grupo amina, que têm nitrogênio.
- Ácidos nucleicos: O DNA e o RNA são ácidos nucleicos que apresentam um grupo radical fosfato, uma pentose e uma base nitrogenada, que como o próprio nome diz, apresenta nitrogênio em sua composição.
- Quitina: A quitina é um carboidrato polissacarídeo que apresenta nitrogênio em seus radicais. A quitina está presente no exoesqueleto de insetos e na parede celular de fungos.
- Peptídioglicano: As macromoléculas conhecidas como peptídioglicanos formam a parede celular de bactérias, e são formadas pela união de proteínas com polissacarídeos.
Estrutura da quitina
Importância do ciclo do nitrogênio na agricultura
Entender o funcionamento do ciclo do nitrogênio pode ajudar nas plantações, e estes conhecimentos são aplicados na técnica de rotação de cultura. Nela, o plantio de vegetais não leguminosos é alternado com o plantio de leguminosas.
Por conta da associação das leguminosas com as bactérias fixadoras, elas aumentam a nutrição do solo, evitando assim a necessidade do uso de fertilizantes.
Esquema de uma rotação de cultura entre uma leguminosa e uma não leguminosa (cana de açúcar). Na primeira após a colheita, a área onde os vegetais são plantados é alternada. A rotação de cultura pode ocorrer entre mais de duas áreas
Impactos ambientais e ciclo do nitrogênio
O uso excessivo de fertilizantes e a poluição humana pode gerar impactos ambientais e alterar o ciclo do nitrogênio. A grande quantidade de nitrogênio presente em fertilizantes aumenta a concentração de nutrientes no solo, podendo escoar ou lixiviar, contaminando corpos d’água.
Com isso, há um estímulo para uma multiplicação exagerada de decompositores, causando a eutrofização artificial.
Já o excesso de poluição atmosférica causa um aumento na quantidade de óxidos nitrosos (NOx) na atmosfera, como o monóxido (NO) e o dióxido (NO2) de nitrogênio.
Estas moléculas reagem com a água da chuva formando o ácido nítrico (HNO3) e causam a chuva ácida. O óxido nitroso (N2O) é um gás liberado durante a combustão e pode acabar reagindo com moléculas de ozônio, agravando o buraco na camada de ozônio.
Esquema simplificado de como ocorre a eutrofização artificial a partir da utilização de fertilizantes com nitrogênio (NPK)
Agora que tenho certeza que você já entendeu tudo sobre o ciclo do nitrogênio, vamos revisar os principais pontos!
- O ciclo do nitrogênio ocorre com a participação de bactérias e pode ser dividido em quatro etapas;
- A fixação do nitrogênio atmosférico pode ocorrer pela ação de bactérias livres no solo, bactérias mutualísticas ou por descargas elétricas;
- As bactérias Rhizobium são mutualísticas de leguminosas, aumentando a nutrição destas plantas e do solo no local;
- A nitrificação é dividida nas etapas de nitrosação e nitratação, formando o nitrato que será absorvido pelas raízes das plantas;
- O nitrogênio é transferido ao longo da cadeia alimentar pelas relações tróficas, e retorna ao ambiente pela excreção ou com a morte dos seres;
- Durante a decomposição podemos observar as reações que causam a amonificação;
- O nitrogênio retorna ao seu estado gasoso pela desnitrificação;
- Este elemento é de extrema importância para composição dos aminoácidos e dos ácidos nucleicos;
- Na agricultura, é possível usar conhecimentos do ciclo do nitrogênio para implementar um sistema de rotação de culturas;
- Alguns impactos ambientais podem estar relacionados a desequilíbrios no ciclo do nitrogênio, como a eutrofização artificial e a chuva ácida.
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