CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Eixo Energia
Tema - Teia da Vida

Ciclos do carbono, nitrogênio e água e o papel dos decompositores no reaproveitamento dos materiais

Autor: Profª. Rosilene Siray Bicalho & Profª. Gisele B. Machado de Oliveira

Sumário

• INTRODUÇÃO
• OS CAMINHOS DOS NUTRIENTES NO ECOSSISTEMA
• A ÁGUA NO NOSSO PLANETA
• DISTRIBUIÇÃO DA ÁGUA NO NOSSO PLANETA
• OBSERVANDO A DINÂMICA DOS NUTRIENTES EM UM TERRÁRIO
• O CICLO DA ÁGUA
• CICLO DO CARBONO
• CICLO DO NITROGÊNIO OU AZOTO
• OS CICLOS DOS MATERIAIS E AS ALTERAÇÕES AMBIENTAIS
• DICAS DE FONTES INTERESSANTES

INTRODUÇÃO

A Natureza é um sistema complexo! Morin & Kern, 1993 [1]

Para compreendermos a complexidade da natureza é importante conhecermos como os materiais que organizam a TEIA DA VIDA percorrem dentro do ecossistema. Neste tópico 3, do eixo ENERGIA, abordamos os CICLOS DO CARBONO, NITROGÊNIO E ÁGUA E O PAPEL DOS DECOMPOSITORES NO REAPROVEITAMENTO DOS MATERIAIS.

OS CAMINHOS DOS NUTRIENTES NO ECOSSISTEMA

Na natureza, nada se cria, nada se perde: tudo se transforma... Antoine Lavousier, 1789

A conhecida expressão de Lavousier nos remete a ideia de que o transporte de matéria nos ecossistemas consiste na existência de circuitos nos quais os diversos elementos são constantemente reciclados.
Qual a diferença fundamental entre a dinâmica do transporte de energia e de matéria nos ecossistemas terrestres?

Relembrando...

Os nutrientes, ao contrário da energia, permanecem dentro do ecossistema, onde circulam continuamente entre os organismos e o meio físico. A maioria desses nutrientes origina-se nas rochas da crosta ou na atmosfera terrestre, mas dentro do ecossistema eles são reutilizados várias vezes pelas plantas e pelos animais antes que se dispersem nos sedimentos, águas correntes, lençóis de água ou atmosfera. Apesar de toda a energia assimilada pelas plantas ser “nova”, recebida de fora do ecossistema, a maioria dos nutrientes assimilados pelas plantas já foi usada antes. Por exemplo, a amônia absorvida do solo pelas raízes poderia ter sido lixiviada pela serrapilheira no solo da floresta naquele mesmo dia. O CO2 assimilado por todas os seres autotróficos teve origem na respiração animal, vegetal ou microbiana. Cada elemento segue uma tragetória única, determinada por suas transformações bioquímicas particulares, no seu ciclo através do ecossistema. Sistemas vivos transformam elementos nos seus compostos para fornecer nutrientes que vão construir as estruturas e transportar a energia requerida por todos os processos vitais. A longo prazo, os processos que transformam elementos de uma forma em outra devem equilibrar esses processos que restauram a forma inicial... Texto adaptado de  RICKLEFS, Robert.  A economia da natureza. 1996. Capítulo 7. Pág 101.

Dos 103 elementos químicos conhecidos, estima-se que 30 a 40 são necessários à vida. Eles podem ser classificados em micro, meso e macronutrientes de acordo com as quantidades requeridas pelo seres vivos.
Como os elementos circulam na biosfera entre os compartimentos (pools) abióticos e a biomassa animal e vegetal?

Pesquise 15 nutrientes, troque ideias com os colegas e complete a tabela abaixo:

Nutrientes	Classifique os nutrientes (se micro, meso ou macronutriente)	Exemplos de espécies vegetais onde ocorre	Exemplos de espécies animais onde ocorre	Exemplos de ambientes abióticos onde ocorre

Os elementos passam alternativamente da matéria viva à matéria orgânica, percorrendo ciclos, chamados geoquímicos e biogeoquímicos.

Saiba mais...

Entende-se por Ciclo geoquímico ao conjunto de transferências de um elemento químico ou substância de um reservatório geológico a outro, através dos vários processos geológicos, de modo a fechar um ciclo após certo tempo.

Elabore um conceito para os ciclos biogeoquímicos.

A ÁGUA NO NOSSO PLANETA

Os primeiros passos da atmosfera terrestre O sistema solar, o Sol, a Terra e os outros planetas, apareceram há 4,8 bilhões de anos. Em torno da Terra, ainda quente, a atmosfera era constituída por vapor d'água (H2O), ácido clorídrico (HCl), gás carbônico (CO2), metano (CH4), hidrogênio (H2), nitrogênio (N2), amoníaco (NH3) e ácido sulfídrico (H2S). A atmosfera é ácida e redutora. A terra, em processo de resfriamento, era destituída de vida e radicalmente diferente de quase todos os aspectos do planeta em que vivemos. As nuvens de vapor que a circundavam se condensavam e formavam mares de água fervente. A massa terrestre estava distribuída de modo bem diferente da atual distribuição dos continentes. Os vulcões ativos eram abundantes. A atmosfera rarefeita se compunha de nuvens de hidrogênio, monóxido de carbono, amônia e metano. O oxigênio livre estava ausente. Essa mistura de gases permitia a penetração de radiações ultravioletas, banhando a terra com calor muito intenso. Tempestades magnéticas de extrema violência varriam as nuvens e bombardeavam a terra e o mar com faíscas elétricas. Texto adaptado de VERDOLIN, Cleber Paulo.  Unidade II . A reciclagem nos ecossistemas. Capítulo III. Pág.42, 7ª versão. 2007

Reflita sobre o texto e responda as questões abaixo. Justifique suas repostas.

• Por que se podia afirmar que a atmosfera não era respirável?
• Quais fatores, citados no texto, reforçam a ideia de que a vida, como a conhecemos hoje, não poderia existir nos primórdios dos tempos?
• Na terra primitiva em qual estado físico a água era mais abundante?
• Atualmente no nosso planeta, em qual estado físico ocorre a maior porcentagem de água?

DISTRIBUIÇÃO DA ÁGUA NO NOSSO PLANETA O volume total de água da biosfera é de cerca de 1,5 bilhões de quilômetros cúbicos. Essa água está distribuída de modo muito desigual pela superfície da Terra cuja superfície total é de 512 milhões de Km². O ciclo da água garante o deslocamento e a transformação dos elementos químicos necessários à manutenção da vida nos ambientes orgânicos e inorgânicos.

Analise a tabela e o gráfico.

Quantidade de água nos Seres vivos	%
Invertebrados marinhos	97
Feto humano com 1 mês	93
Humano adulto	70
Fluídos corporais	95
Tecidos nervosos	84
Músculos	77
Vegetais	89
Leite	88
Peixe	82
Frutas	80

(Fonte: www.wikipedia.org, acessado 15/06/07)

Responda as questões que se seguem.

• Quais seres vivos (terrestres ou aquáticos) concentram mais água no corpo? Por que isso ocorre?
• Como você justifica a grande quantidade de água nos seres vivos?
• Qual a porcentagem de água está disponível para utilização humana?
• Podemos afirmar que com a contaminação dos rios e lagos, a concentração de água nos peixes pode ser garantida pelas águas subterrâneas? Justifique sua resposta. 

Para conhecer mais...
Pesquise: quais são os fatores que influenciam a distribuição mundial das águas no nosso planeta?

ATIVIDADE PRÁTICA

Observando a dinâmica dos nutrientes em um TERRÁRIO

É possível observarmos algumas das etapas da reciclagem de materiais reproduzindo um ecossistema. Escolha um tipo de ecossistema e monte seu terrário. Faça individualmente ou em grupo, conforme sugestão de seu / sua professor(a).
Você irá acompanhar os processos que ocorrem em um ambiente recriado em um recipiente. Dentro dele você pode recriar paisagens em miniatura, desde um ambiente como um bosque até uma floresta tropical. Para isso você deve incluir água, insetos ou outros pequenos animais, agregar algum detalhe de adorno como pequenos cascalhos, troncos pequenos, vegetais, etc.

Para que você melhor acompanhe a evolução do seu terrário procure:
1- Organizar um caderno (“caderno de bordo”) exclusivo para registro de todas as etapas de seu experimento.
2- Pesquisar bem o ambiente que deseja recriar; informe-se acerca das principais condições de temperatura, umidade, iluminação, fauna e flora e procure recriá-los da melhor maneira possível;
3- Escolher um local para mantê-lo onde você possa garantir condições constantes de temperatura e luminosidade, bem como certifique-se de que estará protegido de ser danificado. É importante que esse local seja de fácil acesso a você, para que possa proceder a observação em diferentes horários do dia.

Para montar seu terrário você vai precisar:

• 01 vidro de boca larga ou garrafa plástica lisa transparente ou vidro de aquário com tampa. Os recipientes de vidro são melhores para observação.
• pedrinhas para aquário ou cascalho
• carvão vegetal
• terra adubada organicamente
• mudas de plantas de pequeno porte diferentes
• pá e rastelo
• plástico grosso maior que o tamanho da boca do vidro
• elástico ou fita crepe
• água filtrada  

Como montar o terrário
1. Monte as camadas
Dentro do vidro, coloque primeiro as pedrinhas ou cascalho, depois o carvão e, por último, a terra. Essas três camadas representam de maneira simplificada as condições ideais do solo. Abra buracos na última camada e plante as mudas e acrescente os animais que desejar.
2. Fixe um termômetro de estufa ou ambiente em uma das paredes do interior do terrário para que você possa acompanhar a temperatura e se possível umidade.
3. Regue e tampe
Molhe cuidadosamente a terra, cubra o vidro com a tampa ou plástico e vede bem com o elástico ou fita crepe. O terrário tem de receber luz, porém não deve ficar exposto diretamente ao sol.
4. Acompanhe os fenômenos por 3 a 6 meses e registre com detalhes em seu caderno de bordo. Se possível, fotografe os acontecimentos.
 5. Versão com material reciclado
O terrário também pode ser feito em outros tipos de vidro, como os aquários ou os reutilizáveis. Uma outra opção é usar garrafas PET. Pegue duas garrafas de água, porque são transparentes, corte uma em cerca de 3/4 de seu corpo e a outra, em 1/4. Utilize a maior para fazer a montagem. Tampe com a menor de modo que ela fique por dentro da que serve como base. Vede com fita crepe.
Observe os diferentes modelos de recipientes que você pode utilizar para construir seu terrário[2]:

Outros detalhes importantes:
1- Você pode usar um ventilador de baixa potência em terrários feitos em ambientes maiores.
2- A luz do terrário pode ser natural ou você pode adaptar uma luminária com iluminação especial para aquários e plantas, tipo as fluorescentes ou similares. Estas devem ser adaptadas em cima do vidro, conforme fotos abaixo [3].


1.  Para evitar encharcamentos e apodrecimentos, já que não existe drenagem alguma, é fundamental colocar o carvão vegetal no fundo. 2.  As espécies de plantas para os terrários têm que ser de pequeno tamanho e escolha as que vivem bem com as temperaturas e umidades alta.
3.  Coloque o terrário em um lugar com muita luz, mas nunca deixe que receba raios diretos do sol.
4.  Abra a tampa do terrário uma a duas vezes por semana para ventilar. Você pode também escolher estudar um terrário hermeticamente fechado.
5.  Mantenha constantemente úmido o interior do terrário, de acordo com as necessidades de umidade das espécies escolhidas para ele. Pulverize com água 2 a 3 vezes por semana, mas tenha cuidado de não molhar muito e não molhe as flores, caso as tenha. No caso dos terrários vedados você deve molhar a terra somente no momento de montagem, tendo o cuidado de não encharcá-la.

Ao final da montagem de seu terrário Pense, discuta em grupo e responda:

• Para que servem a terra, as pedras de cascalho e carvão utilizados no terrário?
• Quais fenômenos você espera observar no seu interior?
• Caso você mantenha o terrário hermeticamente fechado o que você acha que pode ocorrer com os seres vivos (plantas, animais e micro-organismos) a curto, médio e longo prazo?

Ainda considerando um terrário hermeticamente fechado, quais processos garantiriam aos seres vivos a presença do gás carbono e oxigênio?
LEMBRE-SE que para um melhor rendimento em processos de investigação é necessário:
1- Ampliar seus conhecimentos buscando diferentes fontes de informações que lhe ajudarão a compreender e lançar novas perguntas acerca do que for observando no terrário.
2- Registrar em um caderno de bordo, desde o início e cuidadosamente, cada observação, mesmo aquelas que lhe pareça sem importância.
3- Organizar as principais informações obtidas de cada fonte consultada lembrando de registrar onde as encontrou (peça ajuda à bibliotecária da sua escola).
4- Socializar sempre as suas ideias com seus colegas e seu / sua professor(a), eles também têm muito a aprender com você.
5- Lançar sempre novas perguntas.
6- Organizar as suas observações. Interprete seus dados e disponibilize seu trabalho na biblioteca da sua escola, assim, outras pessoas poderão aprender muito através deste seu estudo sistematizado.

Veja também

Terrário como recurso didático

http://danazevedo.blogspot.com/2006/07/terrrio-como-recurso-didtico.html

 

Laboratório online de paisagismo

http://www.floresta.ufpr.br/paisagismo/aprenda_fazendo_terrario.htm

 

Como montar um terrário?

http://www.cienciamao.if.usp.br/tudo/exibir.php?midia=ema&cod=_1-1

 

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/22124/Terr%C3%83%C2%A1rio%20-%20um%20ecossistema%20em%20miniatura.pdf?sequence=1

 

 

O CICLO DA ÁGUA

A água é a única substância que existe, em circunstâncias normais, em todos os três estados da matéria (sólido, líquido e gasoso) na natureza. A coexistência destes três estados implica que existam transferências contínuas de água de um estado para outro; esta sequência fechada de fenómenos pelos quais a água passa do globo terrestre para a atmosfera é designado por ciclo hidrológico.

Leia o texto abaixo.

Primeiros ciclos da água Considera-se, com os primeiros ciclos da água, suas alterações, a hidrólise e a formação dos primeiros solos, bem como a neutralização da atmosfera. A Terra resfria-se; o vapor d'água condensa-se; o primeiro oceano se forma; o ciclo da água coloca-se em funcionamento: evaporação, transporte, chuva, escoamento superficial em direção ao oceano e, novamente, evaporação. A Terra torna-se animada; as coisas se repetem. Com o ciclo da água, começam a funcionar, igualmente, os ciclos geoquímicos (ainda não biogeoquímicos) de superfície: alteração e formação dos primeiros solos; erosão, transporte, depósitos marinhos ou lacustres e formação dos primeiros sedimentos. A Terra se anima enquanto se instalam os ciclos geodinâmicos. No seu aspecto físico, as coisas parecem reproduzir-se. No seu aspecto químico, elas modificam-se. Com a condensação do vapor d'água, forma-se a hidrosfera. A atmosfera, a hidrosfera e a litosfera interagem. Transferências químicas são produzidas. Simultaneamente à verdadeira redistribuição da matéria, diferenciam-se os ciclos geoquímicos dos elementos: carbono, enxofre, fósforo, silício, cálcio, magnésio, sódio, alumínio, ferro etc. Os processos geoquímicos dominantes são a dissolução e a alteração. A dissolução dos gases atmosféricos nas águas conduz à formação dos ácidos clorídrico (HCl), sulfídrico (H2S) e carbônico (H2CO3). A alteração, resultado da interação entre atmosfera, hidrosfera e litosfera é, antes de tudo, química. Progressivamente, o oceano e a atmosfera têm sua composição modificada. Os ácidos clorídrico, sulfídrico e carbônico são neutralizados. O ácido clorídrico transforma-se em cloreto de sódio (NaCl), acumulado em solução no oceano (Cl vem da atmosfera; Na da litosfera); o ácido sulfídrico (hidrogênio sulfurado) é fixado nos solos ou nos sedimentos sob forma de sulfeto de ferro (FeS) (S vem da atmosfera e Fe da litosfera); o gás carbônico é também fixado sob a forma de carbonato de cálcio ou de magnésio (CaCO3, MgCO3) (C vem da atmosfera ou do oceano; Ca e Mg da litosfera). A alteração dos silicatos da crosta terrestre fornece sílica e cátions básicos que, uma vez em solução, chegam ao oceano. Fornece também argilas que permanecem temporariamente nos solos. Os materiais argilosos formados nos solos são mais tarde erodidos, depois transportados na água dos rios em direção aos oceanos para formar os sedimentos. O resultado da alteração é duplo: neutralização do oceano e da atmosfera e formação das argilas nos solos e nos sedimentos. O oceano e a atmosfera tornam-se neutros ou pouco ácidos. A temperatura na superfície da Terra suaviza-se. O oxigênio continua ausente do ar atmosférico. Não se sabe se estes fatores foram determinantes, mas é interessante sublinhar ter sido aproximadamente no mesmo momento no qual se formaram os primeiros sedimentos que os primeiros traços de Vida apareceram e nasceram as primeiras bactérias e, posteriormente, os primeiros vírus. As argilas, os sulfetos de ferro, os carbonatos de cálcio e de magnésio, se não são os ninhos da Vida, são os primeiros testemunhos de seu nascimento! Texto adaptado de Yves Tardy, 1995.

A partir da interpretação do texto responda:

• Quais fenômenos foram fundamentais na formação da hidrosfera e litosfera?
• As condições ambientais na terra, como descrita no texto acima, ainda não favoreciam a existência da vida. Quais fatores estariam impedindo a sua manifestação?

Amplie seus conhecimentos. Reflita sobre as informações contidas no texto:

Desenvolvimento da Vida e primeira revolução química no ambiente terrestre Há 3,5 bilhões de anos, as primeiras bactérias fotossintéticas aparecem. A reação de fotossíntese de uma molécula de matéria orgânica simples (CH2O) consome gás carbônico (CO2) e libera oxigênio (O2):  CO2 + H2O = CH2O + O2 Cada vez que uma molécula de matéria orgânica formada é conservada nos solos, cada vez que, por erosão e por soterramento nos sedimentos, uma molécula de matéria orgânica, preservada da oxidação, se conserva sob a forma de carvão, uma molécula de gás carbônico é retirada da atmosfera, enquanto uma molécula de oxigênio é liberada na atmosfera. Oxigênio é assim produzido por fotossíntese; mas, ele não está ainda livre, pois, assim que é liberado, ele é imediatamente consumido pela oxidação de compostos redutores como metano, amoníaco, hidrogênio e ácido sulfídrico da atmosfera e os sulfetos de ferro ferroso da litosfera expostos à alteração. O metano da atmosfera oxida-se em gás carbônico. O hidrogênio se oxida em água. Os sulfetos da litosfera, expostos à alteração, e o anidrido sulfurado da atmosfera se oxidam em sulfatos. O ferro ferroso se oxida em ferro férrico. Todos os compostos redutores da hidrosfera, da atmosfera e da litosfera primitivas, captadores de oxigênio, progressivamente oxidam-se. O oxigênio assim capturado está presente, como reserva, nos compostos oxidados (Garrels & Mackenzie, 1971).   Os primeiros sulfatos sedimentares aparecem ao mesmo tempo que os primeiros organismos. São provas geoquímicas do aparecimento, sobre a Terra, da vida bacteriana fotossintética. O oxigênio dos sulfatos do oceano, gipso ou anidrita (CaSO4), hematita (Fe2O3) dos solos lateríticos, assim como uma parte do oxigênio ligado ao ferro férrico dos granitos da crosta terrestre reciclada, provêm do desenvolvimento da Vida. O oxigênio é fruto da Vida e, dito de outra forma, o resíduo (o excremento) natural da vida fotossintética, enquanto que o gás carbônico é seu alimento.   Há dois bilhões de anos, ou seja, 1,5 bilhões de anos após o início da fotossíntese, quando a taxa de produção pôde equilibrar a taxa de consumo sempre regulada pelo ritmo da erosão, o oxigênio livre fez sua aparição na atmosfera. É, para o ambiente, a primeira revolução, pois os organismos fotossintéticos são, agora, obrigados a viver em meio ao seu excremento, o oxigênio, que se mistura com seu alimento, que é o gás carbônico. O oxigênio invade e polui a atmosfera. Em excesso, o oxigênio torna-se o veneno da Vida. Texto adaptado de Yves Tardy, 1995.

Pense , discuta em grupo e responda:

• Segundo Yves Tardy quais são as primeiras provas do aparecimento, sobre a Terra, da vida bacteriana?
• Qual processo biológico permitiu que o oxigênio fosse produzido? Porque no início deste processo ele ainda não estava livre?
• Em qual momento o oxigênio livre se fez presente e quais consequências isso trouxe?

Discuta essa afirmativa do autor:

...É, para o ambiente, a primeira revolução, pois os organismos fotossintéticos são, agora, obrigados a viver em meio ao seu excremento, o oxigênio, que se mistura com seu alimento, que é o gás carbônico. O oxigênio invade e polui a atmosfera. Em excesso, o oxigênio torna-se o veneno da Vida.

• Por que o autor se refere ao gás carbono como alimento para os organismos fotossintéticos?
• Por que ele afirma que o oxigênio, em excesso, torna-se o veneno da Vida?

Observe o esquema[4] abaixo que apresenta o ciclo da água como conhecemos hoje.

A partir da interpretação do esquema, responda:
Qual o papel da energia solar e da gravidade no ciclo hidrológico?
Descreva o ciclo da água da superfície para atmosfera e da atmosfera de volta a superfície esclarecendo os processos de evaporação, transpiração, sublimação e precipitação
Pesquise: Por que as nuvens são brancas e por que elas escurecem?

Para conhecer mais...

As nuvens são compostas por gotas de água de diferentes tamanhos, e não de vapor d’água como algumas pessoas pensam. O vapor se condensa na forma de gotas em torno de partículas de poeira, fumaça e sal, suficientemente leves para permanecerem suspensas no ar. A grande maioria das gotas tem dimensões microscópicas (na ordem de um milésimo de milímetro). Como há uma grande diversidade de tamanhos, cada gota espalha a luz proveniente do Sol de uma maneira diferente. A luz solar é composta por todas as frequências do chamado espectro visível (que vai do vermelho ao violeta). Dependendo do seu tamanho, a gota de água espalha uma determinada frequência. As gotas maiores espalham as baixas frequências (vermelho, amarelo etc) enquanto as gotas menores espalham as de altas frequências (azul, violeta etc). A combinação do espalhamento de todas as cores tem como resultado a cor branca. Pode-se verificar isso, quando misturamos tintas com todas as cores do arco-íris. A “espuma” que aparece na crista das as ondas no mar também é branca devido ao efeito do espalhamento da luz por partículas de água com diferentes tamanhos. A nuvem fica escura quando as gotas de água se tornam maiores. Neste caso ocorre a absorção da luz incidente e o espalhamento é menor. Quanto mais escura for a nuvem, maiores são as gotas e, portanto, maior a chance de chover. Texto retirado do site http://pordentrodaciencia.blogspot.com/2005/04/por-que-as-nuvens-so-brancas.html. Acesso 11/09/07

Enfrente esse desafio:
O esquema abaixo apresenta o esboço de um experimento que visa observar as taxas fotossintéticas de uma planta aquática exposta a diferentes condições. As variáveis estão apresentadas no gráfico.

Fonte: imagem adaptada do site Explore Learning 2007 – acesso em 15/06/07

O observador deste experimento retirou a água do sistema por 24 horas, mantendo as taxas de temperatura, luz e CO₂. Ele observou que a taxa fotossintética desacelerou até paralisação. Explique por que isso ocorreu.

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[1] MORIN, E. & KERN, B. Terre-Patrie. Paris, Seuil, 1993. 217 p.

[2] Imagens retiradas dos sites http://novaescola.abril.com.br/index.htm?ed/165_set03/html/faca e www.infojardin.com, acesso em 10/09/07
[3] Fotos retiradas do site www. infojardin.com, acesso em 10/09/07
[4]  Esquema retirado do site : www.wikipedia.org, acessado 15/06/07)