Através do ciclo do nitrogênio , o elemento nitrogênio migra entre corpos de água, solo e atmosfera. Aqui explicamos passo a passo como isso funciona. 

O nitrogênio é um elemento naturalmente raro em nosso solo e todo o crescimento das plantas terminaria rapidamente se o precioso elemento não fosse usado repetidamente. Os seres vivos e as plantas absorvem nitrogênio do solo durante seu desenvolvimento e o liberam novamente após a morte. A enorme reserva de nitrogênio molecular em nossa atmosfera quase não desempenha nenhum papel nesse ciclo. É mais provável que existam outros componentes do nosso ar – geralmente encontrados apenas em traços – que interferem no ciclo do nitrogênio. Isso ocorre em várias etapas.

Apenas um pequeno número de microorganismos pode usar diretamente o enorme suprimento de nitrogênio na atmosfera terrestre. Os humanos encontraram pela primeira vez maneiras de utilizar grandes massas de nitrogênio atmosférico.

O nitrogênio atmosférico torna-se disponível para as plantas das seguintes maneiras:

  • Fixação simbiótica de nitrogênio por leguminosas em simbiose com bactérias do nódulo (>200 kg/ha de nitrogênio por ano)
  • Fixação não simbiótica de nitrogênio por microrganismos de vida livre (5 – 15 kg/ha de nitrogênio por ano)
  • Descarga elétrica quando atingido por um raio (20 – 25 kg/ha de nitrogênio por ano)

Síntese de amônia por processos em larga escala, fertilizantes minerais .

O elemento nitrogênio está contido em todas as quatro áreas ambientais na forma de diferentes compostos. A parte principal, cerca de 99% da quantidade total, está na forma de nitrogênio molecular N2 na atmosfera. Devido à ligação tripla no nitrogênio molecular, no entanto, este é muito estável e inerte.Ocorrência de nitrogênio nas áreas ambientais

área ambientalnitrogênio ligado
a atmosferanitrogênio molecularVestígios de vários óxidos de nitrogênio
litosferaNitratos e sais de amônio no soloNitrato de sódio (nitrato chileno) em depósitos
hidrosferasais de nitrato dissolvidos em água
biosferacompostos orgânicos nitrogenados (aminoácidos, proteínas, DNA, hormônios) em biomassa viva e mortacompostos orgânicos de nitrogênio desempenham um papel central na estrutura e no metabolismo dos organismos vivos.

No ciclo do nitrogênio , considera-se o caminho do elemento nitrogênio e seus compostos inorgânicos e orgânicos através das quatro áreas ambientais da Terra.

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O ciclo do nitrogênio consiste em vários subciclos. O principal objetivo aqui é fixar o nitrogênio extraordinariamente estável no ar, ou seja, convertê-lo em compostos de nitrogênio mais reativos e, assim, torná-los disponíveis para os organismos vivos. As proteínas contêm cerca de 17% de nitrogênio. Para poder formar proteínas endógenas, todos os seres vivos precisam de nitrogênio.

Ciclo de nitrogênio simplesmente explicado 

O elemento químico nitrogênio (símbolo N) ocorre na biosfera (ambiente vivo) em várias formas. Em nosso ar, por exemplo, está presente como nitrogênio elementar . O nitrogênio passa por quatro etapas centrais no chamado ciclo do nitrogênio:

  • fixação de nitrogênio
  • Nitrificação
  • Desnitrificação
  • Amonificação

O nitrogênio molecular não é utilizável pela maioria dos organismos. É, portanto, convertido em outras formas, como íons de amônio (NH + ) ou nitrato (NO  ) no ciclo do nitrogênio. É essencial para as plantas em particular , caso contrário elas não teriam nenhuma proteína nitrogenada à sua disposição. Eles precisam disso para seu crescimento, por exemplo.

Definição

O ciclo do nitrogênio (também ciclo do nitrogênio ou ciclo do N) descreve a migração constante e a conversão química do nitrogênio elementar no solo e na água. 

fixação de nitrogênio 

A primeira etapa do ciclo do nitrogênio começa com o nitrogênio contido no ar. Você chama isso de fixação de nitrogênio . Com isso você quer dizer a fixação de nitrogênio em outros compostos. Para fazer isso, a ligação de nitrogênio deve primeiro ser quebrada pelo nitrogênio elementar. Você pode distinguir entre a fixação de nitrogênio abiótica e biótica.

Na fixação biótica de nitrogênio , as bactérias fixadoras de nitrogênio quebram a ligação de nitrogênio. Um exemplo disso são as chamadas bactérias do nódulo . Eles entram em simbiose (vivendo juntos) com as raízes das plantas. Isso significa que as bactérias do nódulo fornecem nitrogênio às plantas e, em troca, recebem nutrientes importantes para elas. É assim que as plantas absorvem nitrogênio indiretamente. Indiretamente porque eles obtêm nitrogênio na forma de íons amônio (NH + ) ou amônia (NH 3 ) através das bactérias.

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O nitrogênio elementar no ar pode reagir para formar íons de amônio (NH + ) ou amônia (NH 3 ) como resultado da radiação solar ou de um raio . Isso é o que você chama de fixação abiótica de nitrogênio.  

Nitrificação 

No entanto, as plantas preferem absorver nitrato. Portanto, agora vem a segunda etapa do ciclo do material: a nitrificação . Muitos corpos de água e solo são bem arejados, o que significa que há oxigênio. Certas bactérias, que você chama de nitrificantes, tiram vantagem disso. Eles agora convertem os íons de amônio em nitrato (NO – ) via nitrito (NO  ) . 

Escrito em uma equação de reação , fica assim:

NH +\ seta para a direita NO – \ seta para a direita NO 

A amônia também pode ser convertida em nitrato com a ajuda do oxigênio:

NH  + 2 O 2 \ seta para a direita NO –  + H + + H 2 O

As plantas agora podem absorver facilmente o nitrato e usá-lo para produzir proteínas ou outros compostos.

Após a nitrificação, agora existem duas opções para o ciclo continuar. Existe um ciclo “interno” e um “externo”. O ciclo interno se fecha mais rapidamente e inclui a amonificação como o próximo passo . 

Durante a nitrificação, o nitrogênio amoniacal (NH 4 -N) é convertido em nitrito (NO 2 -N) e depois em nitrato (NO 3 -N), que também está prontamente disponível para as plantas, em um processo de duas etapas.

NH 4 +-N (Amônio) -► NO  -N (Nitrito) -► NO  -N (Nitrito)

Estágio 1 (por exemplo, Nitrosomonas): NH + -N + 1½ O 2 –   ► NO  -N + H 2 O + 2H +

Estágio 2 (por exemplo, Nitrobacter): NO  -N + ½ O 2   –► NO  -N

A conversão de amônia em nitrato ocorre em várias etapas. Primeiro, o amônio é oxidado a hidroxilamina (NH 2 OH) por bactérias do gênero Nitrosomonas. Essa oxidação é possibilitada pela ação da enzima monooxigenase de amônio (AMO). Sob a ação da enzima hidroxilamina oxidorredutase (HAO), o nitrito é formado a partir da hidroxilamina. Este é finalmente oxidado a nitrato por bactérias do gênero Nitrobacter. O processo libera prótons que precisam ser neutralizados no solo. Com os processos de nitrificação em andamento, os solos naturalmente mostram uma tendência à acidificação, uma vez que cada conversão de um íon de amônio em um íon nitrato está associada à liberação de um próton. 

A velocidade de nitrificação depende do teor de água do solo, do valor do pH e da temperatura do solo. Com um aumento na temperatura de 20 graus para 30 graus, a taxa de reação de nitrificação dobra. O teor de água do solo entre 40 e 60 por cento e um valor de pH na faixa neutra são as condições iniciais ideais para a nitrificação.

Taxa de conversão de amônio em nitrato em função da temperatura:

  • 5°C –► 6 semanas
  • 20°C –► 1 semana

Pequenas quantidades do óxido nitroso (N 2 O) do gás de efeito estufa, nocivo ao clima, podem ser liberadas como subproduto durante o processo de nitrificação .

Amonificação 

Muitos animais – como vacas – comem plantas. Como resultado, eles absorvem todas as proteínas nitrogenadas importantes e outros compostos nitrogenados. Eles são então digeridos e excretados novamente. As chamadas bactérias e fungos putrefativos são então responsáveis ​​por decompor ainda mais os compostos nitrogenados excretados. Eles também fazem isso, por exemplo, com plantas mortas e folhas caídas. 

A amônia (NH 3 ) é formada primeiro , que pode então reagir ainda mais para formar íons de amônio (NH + ). É por isso que você também chama a etapa de amonificação . Ele fecha o círculo “interno” do ciclo do nitrogênio, por assim dizer.

A amônia é formada a partir de compostos orgânicos de nitrogênio por bactérias e fungos. Nesse processo, o nitrogênio é extraído de compostos orgânicos complexos (e não disponíveis para as plantas) e convertido em uma espécie de nitrogênio mineral (não apenas atraente para as plantas).

De maneira comparável, a uréia é convertida em nitrogênio amoniacal através da hidrólise da uréia imediatamente após a fertilização, podendo a amônia às vezes também ser produzida como produto final. A hidrólise enzimática da uréia é um dos processos de conversão mais rápidos da biologia.

Desnitrificação 

No circuito “externo”, a desnitrificação é a última etapa. O nitrato produzido durante a nitrificação no solo não é utilizado apenas pelas plantas. Mas também de bactérias, que vocês chamam de bactérias desnitrificantes. Eles ocorrem em locais no solo que não são bem ventilados. Ou seja, não há oxigênio  nos locais . Lá eles convertem nitrato via nitrito em óxido nitroso (N 2 O) e monóxido de nitrogênio (NO) ou ainda em nitrogênio elementar (N 2 ). Como o nitrato é reduzido aqui, você também chama a etapa de redução de nitrato. 

A equação de reação para desnitrificação é assim:

NO  \ seta para a direita NO –  \ seta para a direita NO + N 2 O \ seta para a direita2

O gás hilariante resultante ou nitrogênio elementar é então liberado no ar. Ele pode então ser corrigido novamente por bactérias, por exemplo, e o ciclo recomeça. 

Animais ou plantas mortos também podem acabar em corpos de água, como lagos ou mares. O nitrogênio da biomassa morta é então convertido em amônia (NH 3 ) na camada trofolítica (área de pouca luz / profundidade sem luz de um corpo de água estagnado) . Tal como acontece com a nitrificação no solo, as bactérias podem converter a amônia via nitrito (NO  ) em nitrato (NO – ) sob condições aeróbicas (oxigênio presente).

No entanto, a equação de reação para nitrificação difere um pouco daquela no solo. Porque: Na água, a amônia se decompõe em íons amônio (NH + ), que também produz íons hidróxido (OH  ):

NH  + H 2 O \ seta para a direitaNH  + OH 

Mas então a nitrificação continua como no solo:

NH +\ seta para a direita NO – \ seta para a direita NO 

A desnitrificação descreve a redução microbiana de nitrato (NO  ) via nitrito (NO 2 ), monóxido de nitrogênio (NO) e óxido nitroso (N 2 O) para formar nitrogênio elementar ou óxidos de nitrogênio em condições anaeróbicas.

Desnitrificação: NO  -N -► NO  -N -► NO + N 2 O -► N 2

Organismos anaeróbios ou facultativamente anaeróbios, como bactérias do gênero Pseudomonas, são responsáveis ​​por esse processo. O nitrato é usado como fonte de oxigênio ou aceptor de hidrogênio. As condições ideais para a desnitrificação são alta saturação de água no solo, temperaturas entre dez e 35 graus e um valor de pH na faixa levemente ácida ou levemente alcalina. Uma saturação de água do espaço poroso de 70 a 80 por cento leva a baixas pressões parciais de oxigênio e promove a desnitrificação.

Como resultado da desnitrificação incompleta, grandes quantidades de óxido nitroso (N 2 O) podem ser liberadas.

fertilizante de nitrato 

Na agricultura, o nitrato é frequentemente usado como fertilizante. Para fazer isso, a amônia é produzida primeiro usando nitrogênio. Isso acontece no chamado processo Haber-Bosch . Nós, humanos, intervimos fortemente no ciclo natural do nitrogênio. Embora as plantas absorvam a maior parte do nitrato, o óxido nitroso também é produzido como resultado da fertilização. Como o óxido nitroso é um gás de efeito estufa, é muito prejudicial ao meio ambiente e ao clima. 

Outro problema é que o nitrato não pode ser ligado aos componentes do solo. Como resultado, ele pode entrar na água e, portanto, também em nossas águas subterrâneas. Portanto, muito fertilizante também é prejudicial à nossa água potável. Um teor de nitrato muito alto na água potável pode ser perigoso. Isso ocorre porque o nitrato pode reagir com aminas em nosso corpo para formar substâncias cancerígenas . Nós, humanos, não apenas intervimos enormemente no ciclo do nitrogênio. Também fazemos isso com o chamado ciclo do carbono da Terra. Assista ao nosso vídeo agora para saber como nós humanos intervimos e como funciona o ciclo do carbono.

A mineralização refere-se à quebra completa da matéria orgânica por microorganismos em compostos minerais. Os componentes orgânicos do solo são liberados com a formação de CO 2 e amônio. Este processo ocorre particularmente rapidamente em condições quentes e úmidas. Neste processo, o húmus é quebrado. É feita uma distinção entre húmus rapidamente mineralizável e húmus permanente.

A formação do solo desde que a terra foi colonizada por plantas e, posteriormente, a atividade agrícola humana contribuíram para o fato de que grandes quantidades de nitrogênio ligado organicamente estão presentes no solo. Na Europa Central, esta reserva atinge entre 3.000 e 6.000 kg N/ha em solo superficial de zero a 20 cm, dependendo da qualidade do solo (Scheffer e Schachtschabel, 1998). Em contraste com as formas minerais de nitrogênio, o nitrogênio orgânico está disponível apenas lentamente para as plantas. É parte do húmus no solo e, portanto, o portador da vida do solo.