Ciclos Biogeoquímicos

Estudos da composição química dos seres vivos mostram que mais de 95% da massa dos tecidos é constituída de apenas 6 elementos químicos de ocorrência natural (carbono (C), nitrogênio (N), oxigênio (O), hidrogênio (H), fósforo (P) e enxofre (S)) formando carboidratos, gorduras e proteínas que juntamente com a água são responsáveis pela massa dos seres vivos (animais e vegetais).

Para obter seus elementos essenciais, os vegetais necessitam do solo e da atmosfera, enquanto os animais obtêm esses elementos ao se alimentar de vegetais e de outros animais. Com a morte de um organismo (animal ou vegetal), a matéria orgânica que compõe o mesmo é degradada por microrganismos decompositores e seus elementos químicos retornam ao ambiente, sendo reaproveitados por outros seres vivos. 

Nesse sistema dinâmico e cíclico, que é o Planeta Terra, ocorre uma série de transformações físicas, químicas e biológicas. Esse processo de movimento e estocagem da matéria afeta todos os processos biogeoquímicos, propiciando uma ciclagem dos nutrientes essenciais aos seres vivos. 

Os ciclos biogeoquímicos representam a movimentação natural de elementos químicos no ecossistema entre os componentes bióticos (seres vivos) e o componente abiótico (meio ambiente). Esse ciclo envolve processos de emissão, transformação e saída de elementos químicos da atmosfera e de vários compartimentos da crosta terrestre, envolvendo os seres vivos e várias reações químicas.

Entre os principais ciclos, devido à quantidade de elemento envolvida, os mais importantes são os do carbono, do nitrogênio, do fósforo, do oxigênio, do hidrogênio e o da molécula de água.

Ciclo do Carbono

O ciclo do carbono esta relacionado de forma intrínseca com os seres vivos devido à fixação desse elemento nos organismos vivos, sobretudo nas plantas, que fazem uma primeira fixação através da fotossíntese. Na reação de fotossíntese, as plantas retiram o carbono do CO₂ do ambiente para formação de matéria orgânica.  Esta matéria orgânica é oxidada pelo processo de respiração celular, que resulta em liberação de CO₂ para o ambiente. A queima dos combustíveis fósseis (carvão e petróleo) e a decomposição e queima dos organismos vivos também liberam carbono na forma de CO₂ no ambiente.

O dióxido de carbono (CO₂) atmosférico é o principal material do qual todos os organismos vivos dependem. No processo de fotossíntese, o CO₂ é absorvido pelas folhas das plantas onde se combinam com a água para a formação do açúcar (glicose) e do oxigênio, conforme mostrado na reação a seguir:

Quando os animais se alimentam de alguma planta, os carboidratos dessa planta são digeridos e quebrados em açúcares mais simples. A glicose é absorvida pela corrente sanguínea e levada para as células do corpo animal e reage com o oxigênio no processo de respiração. São formados CO₂ e água e a energia é liberada.

          C₆H₁₂O₆   +   6O₂    →     6 CO₂   +   6 H₂O  +   Energia       

Nas várias etapas do ciclo existem vários tipos de compostos de carbono que podem ser encontrados nos estados líquido, sólido e gasoso, No entanto, o ciclo do átomo de carbono nos diversos compartimentos (hidrosfera, litosfera e atmosfera) ocorre mais comumente em compostos na forma de Carbonato (CO_3^2-), bicarbonato (HCO₃^-) e do próprio dióxido de carbono (CO₂).

O processo de dissolução do CO₂ em água ocorre conforme as seguintes reações:

CO_2(g)  +   H₂O   →   CO_2(aq)

CO_2(aq) +  H₂O   →   H₂CO₃

H₂CO₃  →  H⁺  + HCO₃^-

HCO₃^-   →  H⁺  +  CO₃^2-

CaCO₃  →  Ca²⁺ +   CO₃^2-

Essas reações podem participar de mecanismos de transporte do CO₂ entre células e pulmões pelo sangue, bem como na formação de esqueletos, carapaças, casca de ovos ou na dissolução e formação de sedimentos e rochas.

Ciclo do Nitrogênio

O nitrogênio corresponde a 78% da atmosfera e é um dos elementos de caráter fundamental na composição dos sistemas vivos. Nós o usamos nas nossas proteínas, só que não conseguimos retirar nitrogênio (gasoso) diretamente da atmosfera pois este se encontra na forma gasosa (N₂) que é muito estável possuindo pouca tendência a reagir com outros elementos. Só as bactérias fixadoras fazem isso, produzindo amônia, que é então transformada em nitrito(NO₂) e depois em nitrato (NO₃^-) por outras bactérias (Nitrosomonas e Nitrobacter), sendo este absorvido pelas plantas. Os consumidores conseguem o nitrogênio de forma direta ou indireta através dos produtores. Eles aproveitam o nitrogênio que se encontra na forma de aminoácidos. O fim do ciclo, com o retorno do N₂ à atmosfera, dá-se pela excreção de compostos nitrogenados e pela decomposição dos organismos, seguidas da ação das bactérias desnitrificantes.

O ciclo do nitrogênio pode ser dividido em algumas etapas: 

 • Fixação: transformação do nitrogênio gasoso em substâncias aproveitáveis pelos seres vivos (amônia e nitrato). Os organismos responsáveis pela fixação são as bactérias que retiram o nitrogênio do ar fazendo com que este reaja com o hidrogênio para formar amônia.  
• Amonificação: processo de decomposição das proteínas e outros resíduos nitrogenados, contidos na matéria orgânica morta e nas excretas. Esse processo é realizado por bactérias e fungos. 
• Nitrificação: É o nome dado ao processo de conversão da amônia em nitratos.

• Desnitrificação: As bactérias são capazes de converter os nitratos em nitrogênios molecular (N₂), que volta a atmosfera fechando o ciclo.

Ciclo da Água

Na natureza, a água é a única substância que pode se encontrada  em todos os três estados físicos (sólido, líquido e gasoso). A coexistência natural da água nos três estados implica que existem transferências contínuas de água de um estado para outro de forma cíclica fazendo a água passar por todos os compartimentos (hidrosfera, litosfera e atmosfera) do nosso planeta. Esse fenômeno é denominado de Ciclo da Água ou Ciclo Hidrológico.

A água apresenta dois ciclos:  

Ciclo curto ou pequeno:  Parte da água que atinge os mares, rios e lagos é devolvida à atmosfera através da evaporação formando as nuvens. Estas se condensam, voltando a superfície na forma de chuva ou neve.

Ciclo longo: É aquele em que a água passa pelo corpo dos seres vivos antes de voltar ao ambiente. Parte da água que atinge o solo infiltra-se no interior do solo, alimentando os lençóis freáticos. O restante escorre sobre a superfície em direção às áreas de altitudes mais baixas, alimentando diretamente os corpos d’água ( lagos, rios, riachos, mares e oceanos). A infiltração é assim importante, para regular a vazão dos rios.

A vegetação tem um papel importante neste ciclo, pois uma parte da água que cai é retirada do solo pelas raízes e acaba por voltar à atmosfera pela transpiração ou pela simples e direta evaporação ou passada para outros animais através da cadeia alimentar.

Ciclo do Oxigênio

O oxigênio, na forma gasosa (O₂) representa 21% da atmosfera terrestre e seu ciclo se encontra intimamente ligado com o ciclo do carbono, uma vez que o fluxo de ambos está associado aos fenômenos de fotossíntese e respiração. Os processos de fotossíntese liberam oxigênio para a atmosfera, enquanto os processos de respiração e combustão o consomem. O oxigênio é um elemento que se combina facilmente com muitos outros elementos por ser bastante reativo. Entre os compostos formados estão o CO₂, os nitratos (NO₃^-), os carbonatos (CO₃^2-)  e os fosfatos (PO₄^3-) integrando os ciclos de carbono, nitrogênio e fósforo. Por estar interligado a vários outros ciclos, o ciclo do oxigênio torna-se muito complexo.

O ciclo do oxigênio envolve os fenômenos da Fotossíntese (as plantas absorvem CO₂ e liberam O₂), respiração (os animais absorvem O₂ e liberam CO₂), a combustão (queima) de madeira, carvão e de combustíveis (ocorre consumo de O₂ e formação de CO₂).

Outro caminho neste ciclo é a troca constante do oxigênio entre os corpos d’água e a atmosfera. Essa troca é essêncial para a manutenção da vida de peixes e outros organismos aquáticos que necessitam ter esse oxigênio dissolvido na água.

Ciclo do Fósforo

Além da água, do carbono, do nitrogênio e do oxigênio, o fósforo também é importante para os seres vivos, pois esse elemento é um componente de muitos compostos biológicos importantes como as enzimas, o DNA e as moléculas energéticas de ATP (adenosina trifosfato). 

Não existem muitos compostos gasosos de fósforo e, portanto, não há passagem pela atmosfera tornando o ciclo do fósforo mais simples do que os ciclos do carbono e do nitrogênio.

A fonte fundamental de fósforo para as plantas e animais são as rochas que contém pequenas quantidades de fósforo, na sua maioria sob a forma de fosfatos (PO₄^3-), que sofrem intemperismo e lentamente liberam esse íon para o solo . Apenas o íon fosfato é realmente importante para os seres vivos. As plantas obtêm fósforo do ambiente absorvendo os fosfatos dissolvidos na água e no solo diretamente pelas raízes e o transportam para suas folhas, onde é incorporado em moléculas biológicas grandes. Os animais obtêm fosfatos ao ingerirem água e ao se alimentarem das plantas.

A decomposição de plantas e animais devolve o fósforo, que fazia parte da composição da matéria orgânica, ao solo ou à água e os microrganismos transformam os compostos orgânicos de fósforo, existentes nos tecidos mortos, em fosfatos inorgânicos que se tornam disponíveis para as plantas. Parte dele é carreada pelas chuvas para os corpos d’água, onde acaba se incorporando às rochas. Nesse caso, o fósforo só retornará aos ecossistemas bem mais tarde, quando essas rochas se elevarem em consequência de processos geológicos e, na superfície, forem decompostas e transformadas novamente em solo.