ciclos biogeoquímicos das rochas, da água, do carbono

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DAS ROCHAS, DA ÁGUA, DO
CARBONO,
DO
NITROGÊNIO,
DO
FÓSFORO,
DO
OXIGÊNIO.
A hipótese Gaia: a vida manipula o ambiente para manutenção da vida.
Idéia da Terra (do planeta) como um organismo vivo. (Gaia é o nome de uma
deusa grega, que representava a mãe Terra).
A hipótese Gaia é de fato uma série de hipóteses, cuja primeira afirma
que a vida, desde seu início, influencia grandemente o ambiente planetário.
Alguns cientistas discordam. A segunda considera que a vida altera o ambiente
na Terra de modo a permitir a manutenção da própria vida. Há evidências de
que a vida (no sentido fisiológico) afetou o clima da Terra. Uma distorção da
hipótese Gaia, que se tornou popular, é que a vida deliberadamente,
conscientemente, controla globalmente o ambiente. Tal hipótese pode ser
compreendida pela maneira como o futuro status da humanidade pode depender
das ações que tomamos hoje. A população da Terra pode conscientemente
tomar decisões que afetam o futuro do planeta. As decisões que tomamos
dependem do quanto nós valorizamos o ambiente e do conhecimento e
compreensão acerca de como a Terra funciona.
É um fato de menor importância analisar a hipótese Gaia como uma
metáfora, ou afirmar que é pseudocientífica, ou tem tons religiosos. Discuti-la
leva-nos a tratar de questões fundamentais sobre ciência e sobre a vida.
Se não por outras razões, pela última, a hipótese Gaia já seria válida e
valiosa.
A idéia de uniformitarianismo (1785) “o presente é a chance do passado”
pode ser muito útil do ponto de vista ambiental se se pensar que essa idéia pode
ser mais do que a chave do passado. Pode significar que o estudo dos
processos passados e presentes seja a chave da compreensão do futuro. Para
tanto, pode-se considerar que no futuro operarão os mesmos processos físicos e
biológicos, embora com taxas diferentes, devido à influência ambiental exercida
pelas mudanças naturais e por aquelas ligadas à atividade humana.
1) CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
Sendo a Terra um sistema dinâmico, em evolução, o movimento e a
estocagem de seus matérias afetam todos os processo físicos, químicos e
biológicos.
Um ciclo biogeoquímico é o movimento ou o ciclo de um determinado
elemento ou elementos químicos através da atmosfera, hidrosfera, litosfera e
biosfera da Terra.
Os ciclos estão intimamente relacionados com processos geológicos,
hidrológicos e biológicos. Como exemplo, pode-se lembrar que um modesto
conhecimento sobre o ciclo geológico (aqui referido como o conjunto dos
processos responsáveis pela formação e destruição dos materiais da Terra, subdividido em: ciclo tectônico, ciclo hidrológico e ciclo das rochas) é valioso para o
conhecimento e compreensão de nosso ambiente, que é intimamente
relacionado aos processos físicos, químicos e biológicos. Por exemplo, para
avaliar o impacto ambiental de um material perigoso, como a gasolina, que
vazou para o subsolo, as propriedades químicas, físicas e biológicas do solo,
rochas e água deveriam ser entendidas. Essa compreensão ajudaria a
responder perguntas como: Quão séria foi a contaminação? Quanto o
contaminante poderá mover-se? Quanto o dano ambiental poderá ser
minimizado?
2) O CICLO GEOLÓGICO: TECTÔNICO, DA ÁGUA E DAS ROCHAS
2.1. O Ciclo Tectônico
(Tectônico significa relativo à crosta terrestre).
O ciclo tectônico envolve a criação e destruição da camada externa sólida
da Terra: a litosfera. A litosfea tem cerca de 100 km de espessura e é quebrada
em segmentos chamados pratos, que se movem em relação uns aos outros. De
acordo com a teoria dos pratos tectônicos, os continentes movem-se juntamente
com os pratos, de 2 a 15 cm/ano. Há vários tipos de movimento, entre os quais
se destacam:
Divergente: os pratos afastam-se e produz-se nova litosfera;
Convergente: os pratos aproximam-se. Na fronteira da colisão produzem-se
sistemas lineares de montanhas. Ex: Andes, Alpes e Himalaia.
Falha: Quando um prato escorrega sob o outro. Ex: Falha de San Andreas. O
prato do Pacífico move-se para o norte a aproximadamente 5 cm/ano. Como
resultado, Los Angeles a 500 km ao sul de São Francisco está se movendo em
direção àquele cidade. Se o movimento continuar, em aproximadamente 10
milhões de anos Los Angeles será subúrbio de São Francisco.
2.2. O Ciclo Hidrológico
O ciclo hidrológico é dirigido pela energia solar e compreende o
movimento da água dos oceanos para a atmosfera por evaporação e de volta
aos oceanos pela precipitação que leva à lixiviação ou à infiltração.
Cerca de 97% do suprimento de água está nos oceanos, 2% nas geleiras
e muito menos que 1% na atmosfera (0,001%). Aproximadamente 1% do total
da água contida nos rios, lagos e lençóis freáticos é adequada ao consumo
humano.
A água contida na atmosfera provém todos os recursos de água doce,
através do processo da precipitação.
2.3. O Ciclo das Rochas
O ciclo das rochas consiste de vários processos que produzem rochas e
solos. Este ciclo é dependente do ciclo tectônico para energia e do ciclo
hidrológico para água. O calor gerado pelo ciclo tectônico produz materiais
fundidos, como lava vulcânica, que, ao se cristalizarem na superfície ou em
camadas mais finas dão origem à rocha ígnea. Rochas na superfície ou próximo
à, ao se congelarem e descongelarem, quebram-se devido à contração e
expansão. Podem-se desagregar, também, devido a processos químicos, pela
ação de ácidos fracos formados na presença de CO2, matéria orgânica e água.
A esses processos físicos e químicos chama-se intemperismo. O
intemperismo produz sedimentos que são transportados pelo vento, água ou
gelo. Os sedimentos depositam-se em oceanos, por exemplo, podendo ser
transformados em rochas sedimentares. Dependendo da profundidade desses
depósitos, as rochas sedimentares transformam-se pelo calor e pressão ou por
fluidos químicos em rochas metamórficas, que podem fundir-se reiniciando o
ciclo.
A vida desepenha um papel fundamental nesse ciclo, por meio da
incorporação de C nas rochas. Processos de biossedimentação produzem
rochas calcárias (CaCO3, principalmente) substâncias húmicas e petróleo.
3) O CICLO DO CARBONO
O C é o elemento básico da construção da vida. C está presente nos
compostos orgânicos (aqueles presentes ou formados pelos organismos vivos) e
nos inorgânicos, como grafite e diamante. C combina-se e é química e
biologicamente ligado aos ciclos do O e H para formar os compostos da vida.
CO2 é o composto de C mais abundante da atmosfera, mas compostos
orgânicos como CH4 ocorrem em menor quantidade. Parte do ciclo do C é
inorgânica, i e, os compostos não dependem da atividades biológicas. O CO2 é
solúvel em água, sendo trocado entre a atmosfera e a hidrosfera por processo
de difusão. Na ausência de outras fontes, a difusão de CO2 continua em um
outro sentido até o estabelecimento de um equilíbrio entre a quantidade de CO2
na atmosfera acima da água e a quantidade de CO2 na água. CO2 entra nos
ciclos biológicos por meio da fotossíntese, ie, a síntese.de compostos orgânicos
constituídos de C, H e O, a partir de CO2.e água, e energia proveniente da luz.
Carbono deixa a biota através da respiração. Processo no qual os
compostos orgânicos são quebrados, liberando CO2. Ou seja, C inorgânico, CO2
e HCO3- são convertidos em C orgânico pela fotossíntese, CO2 é retirado pelas
plantas na terra e nos processos com o auxílio da luz solar, através da
fotossíntese. Os organismos vivos usam esse C e o devolvem pelo processo
inverso: o da respiração, decomposição e oxidação dos organismos vivos. Parte
desse C é enterrado dando origem aos combustíveis fósseis. Quando o carvão
(ou petróleo) é retirado e queimado, o C que está sendo liberado (na forma de
CO2) pode ter sido parte do DNA de um dinossauro, o qual em breve pode fazer
parte de uma célula animal ou vegetal.
Praticamente todo o C armazenado na crosta terrestre está presente nas
rochas sedimentares, particularmente como carbonatos. As conchas dos
organismos marinhos são constituídas de CaCO3 que esses organismos retiram
da água do mar. Quando da morte desses, as conchas dissolvem-se ou
incorporam-se aos sedimentos marinhos, formando, por sua vez, mais rochas
sedimentares. O processo, de bilhões de anos, retirou a maioria do CO2 da
atmosfera primitiva da Terra, armazenando-o nas rochas. Os oceanos, segundo
maior reservatório, em C dissolvido e sedimentado, têm cerca de 55 vezes mais
quantidade de CO2 que a da atmosfera. Os solos têm 2 vezes mais que a
atmosfera, as plantas terrestres têm aproximadamente à da atmosfera.
Tempo médio de residência de CO2.
Solos - 25 a 30 anos;
Atmosfera - 3 anos
Oceanos - 1500 anos
A formação dos sedimentos contendo CO2 e a subseqüente reciclagem e
decomposição nos processos tectônicos têm um tempo de residência de cerca
de milhares de anos. A transformação do C presente nos organismos vivos por
sedimentação e intemperismo envolve uma escala de tempo similar, embora as
magnitudes sejam menores que para os carbonatos. Contudo, tais fluxos
naturais estão sendo superados em muito pela quantidade de C que retorna à
atmosfera pela queima dos combustíveis fósseis. Esta é a maior perturbação ao
ambiente global causada pelo homem. Há ainda o desflorestamento e outras
mudanças no uso da terra. Como resultado dessas perturbações, a [CO2]atm foi
de 288 ppm, em 1850, para além de 350 ppm, em 1990. O aumento representa
cerca de 50% do total de C que entra na atmosfera. A queima de combustíveis
fósseis libera para a atmosfera 5 - 6 bilhões de m3 de C/ano, mas só são
medidos cerca de 3. De 2 - 3 unidades são “perdidas”. Algumas plantas
terrestres podem ter respondido ao aumento do [CO2]atm, elevando sua
capacidade de fotossíntese.
Cerca de 99,9% de todo o C da Terra está armazenado em rochas, como
CaCO3 insolúvel, ou proveniente da sedimentação da matéria orgânica. Em
última instância, o CO2 extra, proveniente da queima dos combustíveis fósseis,
precisa retornar à crosta. A taxa de remoção de C dos oceanos e, em última
instância, da atmosfera depende do intemperismo das rochas da crosta para
liberar íons metálicos como Ca2+, que formam os carbonatos insolúveis. O
aumento do intemperismo deveria responder à variação da temperatura global,
pois a maioria das reações químicas é acelerada com o aumento da
temperatura. A presença da vida pode, portanto, acelerar o intemperismo devido
ao aumento da acidez dos solos devido, por sua vez, ao aumento de CO2 e aos
ácidos húmicos produzidos quando da decomposição das plantas. As raízes das
plantas também facilitam a destruição física das rochas. Assim, a temperatura
global pode estar ligada ao ciclo do C. Adeptos da hipótese Gaia sugerem que a
vida na Terra exerce controle deliberado sobre a composição da atmosfera,
mantendo a temperatura adequada.
Durante o verão, as florestas realizam mais fotossíntese, reduzindo a
concentração de CO2. No inverno, o metabolismo da biota libera CO2.
3.1. O Ciclo do Carbonato - Silicato
Sua
grande
importância
consiste
no
fato
dele
contribuir
com
aproximadamente 80% do total de CO2 trocado entre a parte sólida da Terra e a
atmosfera. A troca ocorre há meio bilhão de anos. CO2 atmosférico dissolve-se
na água da chuva, produzindo H2CO3. Essa solução ácida, nas águas
superficiais ou subterrâneas, facilita a erosão das rochas silicatadas (Si é o
elemento mais abundante da crosta terrestre). Entre outros produtos, o
intemperismo e a erosão provocam a liberação dos íons Ca2+ e HCO3-, que
podem ser lixiviados para os oceanos, pois são os maiores constituintes da
matéria dissolvida que os rios despejam nos oceanos. Os organismos marinhos
ingerem Ca2+ e HCO3- e os usam para construção de suas conchas
carbonatadas. Quando esses organismos morrem, as conchas depositam-se,
acumulando-se como sedimentos ricos em carbonatos. Esse sedimento de
fundo, participando do ciclo tectônico, pode migrar para uma zona cuja pressão
e calor fundem parcialmente os carbonatos. A formação desse magma libera
CO2 que escapa para a atmosfera pelos vulcões. Aí, pode combinar-se
novamente com a água da chuva, completando o ciclo.
O ciclo do carbonato-silicato contribui para a estabilidade da temperatura
atmosférica. Exemplo: se uma mudança climática aumenta a temperatura do
oceano, a taxa de evaporação de água para a atmosfera aumenta e,
conseqüentemente, a quantidade de chuva. Aumentando-se as precipitações,
aumenta-se o intemperismo, e assim, o fluxo de Ca2+ e HCO3- para o mar. Os
organismos marinhos retiram esses íons da água e quando morrem contribuem
para os grandes estoques de C dos sedimentos marinhos. O resultado líquido é
a remoção do CO2 atmosférico. Assim, uma menor quantidade da energia
emitida pela superfície terrestre é aprisionada e a atmosfera resfria-se,
completando o ciclo de contribuição negativa para o aumento da temperatura da
atmosfera.
4) O CICLO DO NITROGÊNIO
N é essencial para todas as formas de vida, pois está presente na
estrutura dos aminoácidos. A vida mantém o N na forma molecular, N2, na
atmosfera em quantidade maior que NH3 ou em óxidos, N2O, NO e NO2, ou em
compostos com H, NH, HNO2 e HNO3. N2 é pouco reativo, tendendo a formar
pequenos compostos inorgânicos. A maioria dos organismos não pode usar N2
diretamente sendo necessária muita energia para quebrar a ligação N - N. Uma
vez isolados, os átomos de N podem converter-se em amônia, nitrato ou
aminoácidos: o processo chama-se fixação e só ocorre por ação da luz ou da
vida, sendo o último o grande responsável.
O processo biológico é tão importante, que várias plantas estabelecem
uma simbiose com bactérias capazes de fixar nitrogênio. A diminuição de
nitrogênio em solos agrícolas pode ser reduzida por rotação de culturas. Ex:
soja, que fixa N, pode estar em rotatividade com milho, que não fixa, e, assim,
aumentar a fertilidade do solo. Se as bactérias apenas fixassem nitrogênio, N2
seria removido da atmosfera. As bactérias também realizam o processo inverso:
a imobilização. Tanto a remoção de N2, como a incorporação são processos
controlados por bactérias. N é fertilizante e contaminante das águas
subterrâneas. Fontes industriais e descargas elétricas podem fixar N. N fixo
significa N não ligado, ou seja, N atômico. Fixação industrial é hoje a maior fonte
de N. Óxidos de N são formados a altas temperaturas quando N2 e O2 estão
presentes. Os óxidos de N são a maior fonte poluidora proveniente dos
automóveis. N2O diminui a camada de O3 na estratosfera. N é ao mesmo tempo
essencial e tóxico. É essencial a todas as formas de vida e participa de vários
processos industriais, liberando produtos tóxicos.
5) O CICLO DO FÓSFORO
P é um dos elementos essenciais à vida, é um nutriente limitante do
crescimento de plantas, especialmente em ambientes aquáticos e, por outro
lado, se presente em abundância causa sérios problemas ambientais. Se, por
exemplo, grande quantidade de P, geralmente utilizado como fertilizante e em
detergentes, entra em um lago (principalmente se este for raso), esse nutriente
pode
causar
aumento
da
população
de
bactérias
e
algas
verdes
(fotossintéticas). Devido ao crescimento intenso, esses organismos podem cobrir
toda a superfície do lago, inibindo a entrada de luz e provocando,
conseqüentemente, a morte de plantas que vivem abaixo da superfície. Quando
as plantas subsuperficiais morrem, assim como as algas e bactérias superficiais,
todas são consumidas por outras bactérias que usam o CO2 dissolvido no lago
ao se alimentarem. Se o nível de O2 tornar-se muito baixo, a vida aquática fica
comprometida. Os peixes morrerão e desenvolver-se-ão bactérias anaeróbias.
Ao processo de destruição de um lago devido a excesso de um nutriente,
como P (nitrogênio causa o mesmo problema), dá-se o nome de eutrofização.
O ciclo do P não tem fase gasosa, exceto quando presente na atmosfera
em pequenas quantidades em partículas de poeira. Em contraste com o ciclo do
C, o ciclo do P é lento e a maior parte procede em uma direção: da terra para o
oceano. P retorna à terra pelo ciclo das rochas, em uma escala de tempo de
milhares a milhões de anos. No solo, o P se encontra principalmente como
fosfato de Ca, K, Mg e Fe. Devido à baixa solubilidade em água desses
minerais, sua disponibilização se dá após intemperismo. Em um ecossistema
terrestre estável, muito do P retirado pela vegetação, retorna ao solo. Mas uma
parte é perdida, movendo-se do solo, em forma solúvel e, portanto, transportado
pela água, para o oceano. Um modo de retirar o P do oceano é através dos
peixes e aves que se alimentam de outros peixes. Exemplo: os pelicanos
alimentam-se de anchovas, que se alimentam de plâncton, que cresce
vigorosamente onde existe P e N. Nas ilhas onde vivem essas aves, há grande
quantidade de guano. Guano é um excelente fertilizante formado por processos
biológicos e geológicos. Outra passagem lenta de P do oceano para a terra
consiste na utilização das rochas sedimentares formadas por fósseis de animais
marinhos. O maior desses depósitos localiza-se na Flórida e é responsável por
mais de um terço da produção mundial de fosfato.
Um dos pontos importantes do ciclo do P é a demora em retornar à terra.
O fato do P ser um macronutriente, essencial a todas as formas de vida e de
formar compostos pouco solúveis em água, o P é difícil de ser obtido.
6) O CICLO DO OXIGÊNIO
Devido à sua abundância, os compostos de oxigênio participam de todos
os ciclos biogeoquímicos. Dessa forma, um estudo completo do ciclo do O
envolveria todas as transformações físicas e químicas da Terra.
Todo o O2 atmosférico provém da fotossíntese e retorna como CO2 pela
respiração e pela decomposição aeróbia da matéria orgânica pelas bactérias.
Devido à maior quantidade de O2 atmosférico em comparação ao CO2,
perturbações como a queima de combustíveis fósseis causam muito menos
influência no O2 atmosférico que no CO2.
Transformação fotoquímica de O2 em O3 é rápida e, na maioria das
vezes, reversível. Apenas uma pequena quantidade de O é removida da
atmosfera como produtos de oxidação, tais como CO2 e SO42-. Outras partes do
ciclo operam mais lentamente.
Atualmente, há uma conversão de O2 a CO2, devido à queima de árvores
e combustíveis fósseis, mas no passado, por centenas de milhões de anos
ocorreu o inverso. C sedimentado como carvão ou gás natural, por exemplo, ou
seja, na forma reduzida, liberou correspondente quantidade de O. Parte desse O
(4%) forma o atual O2 atmosférico.
O restante oxidou os minerais da crosta, Fe2+
Fe3+ e S2-
SO42-.
Parte do Fe e S reduzido, formam a pirita, FeS2, a reação líquida é:
4FeS2 + 8H2O + 15O2
2Fe2O3 + 8SO42- + 16H+, como o SO42- precipita-se
com vários metais, principalmente com Ca2+, para formar as rochas
sedimentares, a reação aproximada geral de transferência de O2 seria:
carbonato de cálcio + pirita
C reduzido + sulfato de cálcio + Fe2O3
Essa reação não é termodinamicamente favorável e precisa da energia
solar liberada pela fotossíntese para ocorrer. Em condições anaeróbias ocorre a
reação inversa. Bactérias obtém energia pela redução de Fe3+ e SO42- (há
reações que envolvem N, mas a contribuição ao ciclo do O é menor). Assim, a
oxidação e redução de minerais formam um sistema reversível, que funciona
como um tampão da concentração de O2 atmosférico.
A atmosfera primitiva do planeta continha pequena quantidade de O2. A
fotodissociação da água H2O + hν
H + OH libera OH que suporta reações
que conduzem à formação de O2, que reagem com rochas superficiais
produzindo Fe3+ e SO42-. Quantidade razoáveis de O2 atmosférico somente
começaram a aparecer entre 3 e 4 bilhões de anos atrás, devido à fotossíntese.
O O2 produzido inicialmente foi usado para oxidar as rochas, com enorme
depósitos de Fe3+ produzidos até 2 bilhões de anos atrás. Começou, então, a
partir daí o aumento da concentração de O2 atmosférico. Contudo, a
concentração inicial foi alcançada, provavelmente, há 500 milhões de anos,
quando as plantas terrestres e animais começaram a aparecer. É interessante
perguntar quem controla a concentração de O2 na atmosfera. Sem dúvida, como
a vida produz O2, ela exerce o maior controle. Com menos O2, a respiração
aeróbia e a decomposição da matéria orgânica seriam dificultadas. A
fotossíntese,
juntamente
com
os
processos
anaeróbios
incluindo
a
sedimentação dos combustíveis fósseis dominariam e aumentariam aquantidade
de O2. À medida que aumenta a quantidade de O2 atmosférico, aumenta a
quantidade de O2 dissolvido na água e sedimentos, diminuindo a extensão dos
processos anaeróbios. Esses processos produzem CH4, cuja oxidação consome
O2 atmosférico. Se o O2 aumenta significativamente, os incêndios ficariam fora
de controle, aumentando a taxa de conversão de O2 a CO2.
O ciclo do O está fora do equilíbrio, devido à atividade humana. Mas,
devido às diferenças nos tempos de residência de O2 e CO2 atmosférico, há
menos com que nos preocuparmos do ponto de vista do O2 que do CO2. Mesmo
queimando todas as plantas, somente se consome uma pequena fração do O2
atmosférico. O maior efeito a curto prazo viria do grande aumento de CO2 e do
fato de que nós arruinaríamos irremediavelmente a biosfera e ficaríamos sem
alimentos.