Ciclos biogeoquímicos

Os ciclos biogeoquímicos são processos relacionados à circulação de elementos químicos entre o ambiente físico e os seres vivos. Eles são fundamentais para a disponibilidade de nutrientes e a regulação dos ecossistemas. Podem ser classificados em gasosos, com reservatório principal na atmosfera, ou sedimentares, com reservatório na crosta terrestre. Os ciclos da água, do carbono, do nitrogênio, do oxigênio e do fósforo envolvem elementos essenciais na constituição de moléculas orgânicas como proteínas e ácidos nucleicos. A compreensão desses ciclos é fundamental para entender as dinâmicas do planeta que sustentam a vida e o equilíbrio ambiental.

Leia também: O que é um ecossistema?

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre ciclos biogeoquímicos
• 2 - O que são ciclos biogeoquímicos?
• 3 - Classificação dos ciclos biogeoquímicos
• 4 - Ciclo da água
• 5 - Ciclo do carbono
• 6 - Ciclo do nitrogênio
• 7 - Ciclo do oxigênio
• 8 - Ciclo do fósforo
• 9 - Importância dos ciclos biogeoquímicos
• 10 - Mapa mental dos ciclos biogeoquímicos
• 11 - Exercícios resolvidos sobre ciclos biogeoquímicos

Resumo sobre ciclos biogeoquímicos

• Ciclos biogeoquímicos são processos de circulação de elementos químicos entre o ambiente abiótico (atmosfera, hidrosfera, litosfera) e os organismos vivos (biosfera).
• São essenciais para a disponibilidade de nutrientes e regulação ecossistêmica, pois promovem a reciclagem de elementos fundamentais da matéria orgânica.
• São gasosos quando o seu principal reservatório é a atmosfera (como os ciclos do carbono, do nitrogênio e do oxigênio).
• São sedimentares quando o seu principal reservatório é a crosta terrestre (como os ciclos do fósforo e do enxofre).
• O ciclo da água envolve o movimento contínuo da água entre atmosfera, superfície e subsolo e inclui as etapas de evaporação, condensação, precipitação, infiltração e escoamento.
• O ciclo do carbono envolve a circulação do carbono entre atmosfera, oceanos, solo e seres vivos e inclui as seguintes etapas: fotossíntese, respiração celular, decomposição e combustão.
• O ciclo do nitrogênio envolve a circulação do nitrogênio entre atmosfera, solo, água e organismos e envolve a transformação do nitrogênio gasoso em formas acessíveis aos seres vivos.
• O ciclo do oxigênio envolve a circulação do oxigênio em diversas formas e inclui a fotossíntese, a respiração celular e a combustão.
• O ciclo do oxigênio está relacionado aos ciclos da água e do carbono.
• O ciclo do fósforo é sedimentar e o principal reservatório desse elemento são as rochas; é um ciclo lento que envolve processos geológicos como a erosão.
• Os ciclos biogeoquímicos garantem a disponibilidade de nutrientes, regulam o clima e mantêm a vida e o equilíbrio dos ecossistemas.

O que são ciclos biogeoquímicos?

Ciclos biogeoquímicos são processos de circulação de elementos químicos entre o ambiente abiótico (atmosfera, hidrosfera e litosfera) e os organismos vivos (biosfera). Esses ciclos ocorrem naturalmente e estão diretamente relacionados à disponibilidade de nutrientes essenciais para a manutenção da vida e para a regulação dos ecossistemas terrestres e aquáticos. A movimentação desses elementos envolve transformações químicas e físicas, sendo impulsionada por interações biológicas, geológicas e químicas.

Classificação dos ciclos biogeoquímicos

Os ciclos biogeoquímicos podem ser classificados de acordo com a forma mais abundante de seu elemento principal. As maiores quantidades desses elementos são encontradas no que se denomina de reservatório do elemento químico no ambiente abiótico. Assim, existem dois tipos principais:

• Ciclos gasosos: o principal reservatório do elemento químico está na atmosfera. Os elementos circulam entre a atmosfera, a hidrosfera e a biosfera em sua forma gasosa. A velocidade de circulação nesses ciclos tende a ser mais rápida devido à facilidade de movimentação dos gases. São exemplos de ciclos gasosos:
  • o ciclo do carbono,
  • o ciclo do oxigênio e
  • o ciclo do nitrogênio.

• Ciclos sedimentares: o principal reservatório do elemento químico está na crosta terrestre (rochas, solos e sedimentos). A circulação desses elementos é geralmente mais lenta, pois envolve processos geológicos como a erosão, sedimentação e formação de rochas e absorção por organismos. São exemplos de ciclos sedimentares:
  • o ciclo do fósforo e
  • o ciclo do enxofre.

O ciclo da água envolve grandes reservatórios tanto na crosta terrestre quanto na atmosfera. Os oceanos e os aquíferos são reservatórios de água na litosfera, ao mesmo tempo, a atmosfera contém água em sua forma gasosa. Considerando ciclos gasosos e sedimentares, o ciclo da água possui características mistas. Em contextos específicos, é classificado como sedimentar quando se trata de seus reservatórios na litosfera.

Veja também: Quais são os fatores bióticos e abióticos de um ecossistema?

Ciclo da água

O ciclo da água (ou ciclo hidrológico) representa o movimento contínuo da água na Terra e envolve atmosfera, superfície terrestre e subsolo. No decorrer de seu ciclo, as principais mudanças da água (H₂O) são de estado físico (líquido, gasoso, sólido). No entanto, ocorrem também interações químicas, como a formação de ácidos ao interagir na atmosfera com o CO₂ (dióxido de carbono) ou o SO₂ (dióxido de enxofre). O ciclo da água inclui etapas específicas, que são:

• Evaporação: é o processo pelo qual a água líquida da superfície de oceanos, lagos, rios e solos é convertida em vapor d'água pela energia solar. Há o acúmulo de água em forma gasosa na atmosfera. A transpiração dos vegetais também contribui significativamente para esse processo.

• Condensação: o vapor d'água na atmosfera resfria e forma nuvens, acúmulos de pequenas gotas de água líquida ou cristais de gelo.

• Precipitação: a água retorna à superfície terrestre na forma de chuva, neve, granizo ou orvalho, quando as gotas ou cristais nas nuvens se tornam pesados o suficiente para cairem.

• Infiltração e escoamento: ao atingir o solo, parte da água da precipitação infiltra nele, recarregando lençóis freáticos e aquíferos subterrâneos. Outra parte escoa pela superfície, formando rios e córregos que se conectam aos oceanos ou corpos d'água interiores.

Ciclo do carbono

O ciclo do carbono é classificado como gasoso e representa a circulação do elemento carbono (C) na atmosfera, oceanos, solo e seres vivos. O carbono é o principal componente de todas as moléculas orgânicas e tem papel fundamental para a vida no planeta. Além disso, o balanço entre a liberação e a absorção de carbono influencia diretamente o clima global, pois o CO₂ é um gás que contribui para o efeito estufa. As principais etapas do ciclo do carbono são:

• Fotossíntese: os organismos fotossintetizantes (como plantas, algas e cianobactérias) absorvem o dióxido de carbono (CO₂) da atmosfera ou da água e o convertem em moléculas orgânicas (açúcares) utilizando a energia solar. Esse processo remove o CO₂ da atmosfera e o fixa na matéria orgânica desses organismos.

• Respiração celular: a maioria dos seres vivos libera CO₂ na atmosfera ou na água por meio da respiração celular. Nesse processo, as moléculas orgânicas são quebradas para liberar a energia que é utilizada pelas células.

• Decomposição: organismos decompositores (como bactérias e fungos) atuam na quebra da matéria orgânica de seres que já morreram, liberando o CO₂ contido nela para a atmosfera e para o solo.

• Combustão: a queima de combustíveis fósseis (como carvão, petróleo e gás natural) e de biomassa (como madeira das florestas) libera grandes quantidades de CO₂ para a atmosfera. Os combustíveis fósseis e a biomassa são compostos por matéria orgânica que contém grandes quantidade de carbono acumulado. Esse processo tem sido uma das principais causas do aumento do CO₂ atmosférico devido às atividades humanas.

• Trocas oceânicas: há troca contínua de CO₂ entre os oceanos e a atmosfera. Parte do carbono dissolvido na água é utilizada por organismos marinhos para formar conchas e esqueletos. Essa matéria orgânica pode se depositar no fundo do oceano e formar rochas sedimentares ao longo de milhões de anos.

Ciclo do nitrogênio

O ciclo do nitrogênio é do tipo gasoso e representa o movimento do elemento nitrogênio (N) entre atmosfera, solo, água e seres vivos. O nitrogênio é um componente fundamental de proteínas, ácidos nucleicos (DNA e RNA) e outras moléculas orgânicas. Embora o nitrogênio gasoso (N2) seja o gás mais abundante na atmosfera (cerca de 78%), ele não pode ser diretamente utilizado pela maioria dos seres vivos em sua forma gasosa. Durante seu ciclo, o nitrogênio gasoso é transformado em substâncias acessíveis aos seres vivos, fazendo deste ciclo essencial para a vida no planeta.

As principais etapas do ciclo do nitrogênio são:

• Fixação do nitrogênio: é o processo pelo qual o nitrogênio gasoso (N₂) da atmosfera é convertido em formas utilizáveis pelos seres vivos. Os tipos de fixação do nitrogênio são:
  • Fixação biológica: realizada por bactérias fixadoras de nitrogênio (como Rhizobium em raízes de leguminosas e Azotobacter no solo) que convertem N₂ em amônia NH₃ ou íons amônio NH₄⁺.
  • Fixação atmosférica: descargas elétricas (raios) podem converter N₂ em óxidos de nitrogênio que reagem com a água e formam nitratos NO₃^- que caem com a chuva.
  • Fixação industrial: processos de produção de fertilizantes nitrogenados realizam a fixação do nitrogênio gasoso nas indústrias.

• Nitrificação: processo de duas etapas, realizado por bactérias nitrificantes no solo, que transformam a amônia em nitrito e nitrito em nitrato. O nitrato é a forma de nitrogênio mais facilmente absorvível pelas plantas.
  • Bactérias Nitrossomonas: oxidam amônia (NH₃) e íons amônio (NH₄⁺) em nitrito (NO₂^-)
  • Bactérias Nitrobacter: oxidam nitrito (NO₂^-) em nitrato (NO₃^-).

• Assimilação: as plantas absorvem íons nitrato (NO₃^-) ou amônio (NH₄⁺) do solo e os incorporam em suas moléculas orgânicas (proteínas, ácidos nucleicos). Os animais obtêm nitrogênio ao se alimentar de plantas ou de outros animais.

• Amonificação: matéria orgânica nitrogenada de organismos mortos e resíduos excretados por seres vivos são quebrados por decompositores (bactérias e fungos). Esse processo libera amônia (NH₃) e íons amônio (NH₄⁺) de volta ao solo.

• Desnitrificação: processo no qual bactérias desnitrificantes convertem nitrato (NO₃^-) novamente em nitrogênio gasoso (N₂), que retorna à atmosfera. Esse processo ocorre em condições anaeróbicas (sem oxigênio).

Ciclo do oxigênio

O ciclo do oxigênio é gasoso e representa a circulação do elemento oxigênio (O), em suas diversas formas, entre a atmosfera, a hidrosfera, a litosfera e a biosfera. O oxigênio é fundamental para a vida, sendo um componente essencial da água (H₂O), do dióxido de carbono (CO₂), de moléculas orgânicas e do oxigênio gasoso (O₂), indispensável para a respiração da maioria dos seres vivos. O ciclo do oxigênio está intrinsecamente ligado aos ciclos do carbono e da água, demonstrando a interconectividade dos sistemas biogeoquímicos no planeta.

As principais etapas do ciclo do oxigênio são:

• Fotossíntese: organismos fotossintetizantes (plantas, algas e cianobactérias) utilizam dióxido de carbono (CO₂) e água (H₂O) para produzir açúcares. Esse processo libera oxigênio gasoso (O₂) para a atmosfera e para a água. Esse é o principal processo que repõe o oxigênio atmosférico.

• Respiração celular: a maioria dos seres vivos (incluindo plantas, animais, fungos e microrganismos) absorve oxigênio gasoso (O₂) da atmosfera ou da água para oxidar moléculas orgânicas e liberar energia, produzindo dióxido de carbono (CO₂) e água (H₂O) como subprodutos.

• Decomposição: organismos decompositores consomem oxigênio durante a quebra da matéria orgânica morta, liberando CO₂ e água.

• Formação e degradação do ozônio: na estratosfera, o oxigênio gasoso (O₂) é convertido em ozônio (O₃) pela ação da radiação ultravioleta. O ozônio forma uma camada que protege a Terra da radiação UV nociva. Esse ozônio pode ser degradado de volta em gás oxigênio O₂.

• Combustão: a queima de combustíveis fósseis e de biomassa consome oxigênio e libera dióxido de carbono, monóxido de carbono e outros compostos para a atmosfera.

• Trocas oceânicas: o oxigênio se dissolve na água do oceano, sendo utilizado por organismos aquáticos para a respiração e liberado por organismos fotossintetizantes aquáticos.

Ciclo do fósforo

O ciclo do fósforo descreve a circulação do elemento fósforo (P) na natureza. O fósforo não possui uma fase gasosa significativa na atmosfera, sendo este um ciclo sedimentar. O principal reservatório de fósforo está nas rochas, solos e sedimentos. O fósforo é um nutriente essencial para a vida e um componente fundamental de moléculas como o ATP (a principal molécula de energia celular), o DNA, o RNA e os fosfolipídios (componentes das membranas celulares).

O ciclo do fósforo é considerado um dos ciclos biogeoquímicos mais lentos devido à sua ausência na atmosfera e à dependência de processos geológicos. O fósforo pode ser um fator limitante para o crescimento de plantas e a produtividade em muitos ecossistemas. As principais etapas do ciclo do fósforo são:

• Meteorização e erosão: o fósforo é liberado das rochas fosfatadas por processos de meteorização (intemperismo) física e química. A água da chuva e a ação de ácidos orgânicos liberam íons fosfato (PO₄³⁻) para o solo e a água.

• Absorção/assimilação pelos produtores: as plantas e outros organismos produtores absorvem os íons fosfato dissolvidos no solo por meio de suas raízes e incorporam o fósforo em suas moléculas orgânicas.

• Transferência na cadeia alimentar: os animais obtêm fósforo ao se alimentar de plantas ou de outros animais que contêm fósforo em suas moléculas.

• Retorno ao solo e à água (decomposição): a matéria orgânica de organismos mortos e os resíduos excretados pelos seres vivos são decompostos pelos organismos decompositores. Esse processo libera fósforo de volta ao solo e à água na forma de fosfato inorgânico, que pode ser novamente absorvido pelas plantas ou depositado em sedimentos.

• Sedimentação e formação de rochas: parte do fosfato na água pode se precipitar e formar sedimentos no fundo de lagos e oceanos. Ao longo de milhões de anos, esses sedimentos podem ser compactados e transformados em rochas fosfatadas, que servem como reservatório a longo prazo do fósforo.

• Elevação geológica: processos geológicos, como o soerguimento de montanhas, podem trazer as rochas sedimentares fosfatadas de volta à superfície, reiniciando o ciclo com a meteorização.

Importância dos ciclos biogeoquímicos

Os ciclos biogeoquímicos são processos essenciais para a manutenção da vida e para o funcionamento dos ecossistemas terrestres e aquáticos. Sua importância reside na garantia da disponibilidade contínua dos elementos químicos necessários aos seres vivos e na regulação dos sistemas ambientais. Os ciclos biogeoquímicos fazem partem da base de condições da vida no planeta, tornando dinâmica a disponibilidade dos elementos químicos essenciais para a biosfera. Os principais pontos sobre a importância desses ciclos incluem:

• Disponibilidade de nutrientes: os ciclos garantem que elementos como carbono, oxigênio, nitrogênio e fósforo sejam reciclados e estejam continuamente disponíveis para os organismos. Sem essa reciclagem, os suprimentos desses elementos se esgotariam rapidamente, inviabilizando a vida.

• Regulação climática: ciclos como o do carbono e do oxigênio desempenham papéis críticos na composição da atmosfera e na regulação da temperatura global. Por exemplo, o dióxido de carbono é um gás que contribui para o efeito estufa e seu balanço no ciclo do carbono influencia diretamente o clima.

• Manutenção da vida: todos os processos biológicos, desde a fotossíntese até a respiração e a construção de tecidos, dependem da disponibilidade de elementos químicos em suas formas adequadas. Os ciclos biogeoquímicos asseguram que esses elementos passem pelas transformações necessárias para serem utilizados.

• Equilíbrio dos ecossistemas: a circulação equilibrada de nutrientes é fundamental para a saúde e a produtividade dos ecossistemas. Desequilíbrios em qualquer ciclo podem ter efeitos em cascata, afetando a biodiversidade, a produção primária e as interações tróficas.

• Limpeza e purificação natural: o ciclo da água, por exemplo, é fundamental para a purificação da água por meio da evaporação e precipitação. Da mesma forma, outros ciclos contribuem para a remoção de poluentes e a destoxificação de ambientes.

Saiba mais: O que provoca o desequilíbrio ambiental?

Mapa mental dos ciclos biogeoquímicos

Para baixar o mapa em PDF, clique neste link: Mapa mental dos ciclos biogeoquímicos.

Exercícios resolvidos sobre ciclos biogeoquímicos

1. (ENEM – 2020) Grandes reservatórios de óleo leve de melhor qualidade e que produz petróleo mais fino foram descobertos no litoral brasileiro numa camada denominada pré-sal, formada há 150 milhões de anos.

A utilização desse recurso energético acarreta para o ambiente um desequilíbrio no ciclo do

a) nitrogênio, devido à nitrificação ambiental transformando amônia em nitrito.

b) nitrogênio, devido ao aumento dos compostos nitrogenados no ambiente terrestre.

c) carbono, devido ao aumento dos carbonates dissolvidos no ambiente marinho.

d) carbono, devido à liberação das cadeias carbônicas aprisionadas abaixo dos sedimentos.

e) fósforo, devido à liberação dos fosfatos acumulados no ambiente marinho.

Resposta: D)

A queima de combustíveis fósseis como o petróleo do pré-sal libera carbono que estava aprisionado em cadeias carbônicas no subsolo há milhões de anos. Esse processo de combustão em larga escala introduz dióxido de carbono adicional na atmosfera. O aumento de CO₂ atmosférico desequilibra o ciclo natural do carbono, intensificando o efeito estufa e contribuindo para as mudanças climáticas.

2. (ENEM – 2021) A rotação de culturas, juntamente com a cobertura permanente e o mínimo revolvimento do solo, compõem os princípios básicos do sistema de plantio direto. O aumento da diversidade biológica do solo contribui para a estabilidade da produção agrícola por causa de diversos fatores, entre eles o processo de fixação biológica de nitrogênio, realizado por bactérias.

FRANCHINI, J. C. et al. Importância da rotação de culturas para a produção agrícola sustentável no Paraná. Londrina: Embrapa Soja, 2011 (adaptado).

Nesse processo biológico, ocorre a transformação de

a) N₂ em NH₃

b) NO₃⁻ em N₂

c) NH₃ em NH₄⁺

d) NO₂⁻ em NO₃⁻

e) NH₄⁺ em NO₂⁻ 

Resposta: A

O processo de fixação biológica do nitrogênio é realizado por bactérias especializadas (como as associadas ao sistema de plantio direto). Elas capturam o nitrogênio gasoso (N₂) presente na atmosfera e o convertem em amônia (NH₃), uma forma de nitrogênio que pode ser utilizada pelas plantas.

Fontes

ADUAN, RE et al. Os grandes ciclos biogeoquímicos do planeta. Planaltina - DF: Embrapa Cerrados, 2004.

ODUM, E.; BARRET, GW. Fundamentos de ecologia. 5 ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008.

RICKLEFS, RE. A economia da natureza. 5 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2003.