Exercícios: Os ciclos da matéria

Explique a diferença entre um ciclo biogeoquímico gasoso e um sedimentar, e classifique em um dos dois tipos os ciclos do carbono, do nitrogênio e do fósforo, justificando a sua escolha.

Descreva o papel das bactérias fixadoras de nitrogênio e das bactérias nitrificantes, indicando que transformação química cada grupo realiza e por que razão são imprescindíveis para a nutrição das plantas.

Escreva as equações químicas globais da fotossíntese e da respiração celular aeróbia, e explique o papel que ambos os processos desempenham, em sentidos opostos, no ciclo do carbono.

Defina reservatório e fluxo em um ciclo biogeoquímico, e identifique um reservatório e um fluxo concretos no ciclo do carbono, explicando qual processo mantém esse fluxo.

Explique o que é a decomposição da matéria orgânica, que grupos de organismos a realizam e por que razão os ciclos da matéria ficariam interrompidos sem eles, mesmo que continuasse havendo produtores.

Cite as principais formas químicas que o nitrogênio assume ao longo do seu ciclo ($\text{N}_2$ atmosférico, amônio, nitrito, nitrato e matéria orgânica) e explique por que a maioria das plantas não consegue utilizar diretamente o $\text{N}_2$ do ar.

Explique o papel desempenhado pelo fitoplâncton no ciclo do carbono oceânico e por que razão se afirma que os oceanos atuam como uma esponja de $\text{CO}_2$ atmosférico.

A combustão da gasolina e a respiração celular liberam $\text{CO}_2$. Explique o que ambos os processos têm em comum quimicamente, em que diferem e por que razão apenas um deles fez parte do ciclo natural do carbono durante milhões de anos.

Ordene as seguintes etapas do ciclo do nitrogênio pela sequência em que ocorrem em um ecossistema e descreva resumidamente em que consiste cada uma: nitrificação, fixação, desnitrificação e amonificação.

O fósforo é frequentemente o nutriente limitante nos ecossistemas continentais. Explique o que significa um nutriente ser «limitante», por que o ciclo do fósforo é tão lento e qual consequência advém de não possuir fase gasosa.

O esquema representa os principais reservatórios e fluxos do ciclo do carbono. Indique os processos assinalados com as letras a, b e c, identifique o processo correspondente à seta marcada com «?» e explique de que modo esse fluxo altera o equilíbrio do ciclo.

Descreva o trajeto possível de um átomo de carbono desde que integra o $\text{CO}_2$ atmosférico até ser incorporado em um músculo do seu corpo e voltar à atmosfera, indicando o processo biológico de cada etapa (fotossíntese, alimentação, respiração...).

As raízes das leguminosas abrigam nódulos com bactérias do gênero Rhizobium. Explique o que a planta e a bactéria trocam nessa simbiose, que processo do ciclo do nitrogênio a bactéria realiza e que vantagem agrícola resulta de incluir leguminosas na rotação de culturas.

Uma floresta madura fixa $10\ \text{t}$ de $\text{CO}_2$ por hectare e por ano, mas suas árvores e decompositores liberam $9{,}5\ \text{t}$ por respiração no mesmo período. Calcule o sequestro líquido anual de carbono da floresta e explique por que uma floresta jovem em crescimento sequestra muito mais do que uma madura, embora fixe menos $\text{CO}_2$ no total.

Explique de que modo o desmatamento de uma bacia hidrográfica tropical altera simultaneamente o ciclo do carbono e o ciclo da água: o que acontece com o carbono armazenado na biomassa, com a evapotranspiração, com a precipitação da região e com o escoamento superficial.

O gado bovino emite metano ($\text{CH}_4$) durante a digestão. Explique que processo anaeróbio o produz, em que ciclo da matéria se enquadra e por que razão a sua emissão é preocupante, embora ocorra em quantidade muito inferior à de $\text{CO}_2$ (compare o seu potencial de aquecimento global).

Uma equipe de controle ambiental monitora uma lagoa costeira após uma descarga de escoamento agrícola e registra os seguintes dados:

• Dia 5: Concentração de fósforo reativo na superfície de $0,8\text{ mg/L}$ e clorofila $a$ de $65\ \mu\text{g/L}$; saturação de $\text{O}_2$ dissolvido de $145\,\%$ ao meio-dia nos primeiros $40\text{ cm}$ de profundidade.

• Dia 20: Saturação de $\text{O}_2$ superficial de $35\,\%$ ao amanhecer; turbidez extrema ($40\text{ NTU}$); $\text{O}_2$ dissolvido no fundo ($3\text{ m}$) a $0,3\text{ mg/L}$, com liberação de sulfeto de hidrogênio ($\text{H}_2\text{S}$) e mortalidade de fauna bentônica.

Um técnico municipal afirma: «É impossível que os peixes morram por asfixia se as algas produzem oxigênio de sobra por fotossíntese; a causa deve ser uma toxicidade química direta do nitrato».

1. a) Conteste a afirmação do técnico por meio de argumentos biogeoquímicos: justifique por que razão uma proliferação autótrofa maciça resulta necessariamente em anoxia hipolimnética e noturna.
2. b) Explique que grupo trófico prolifera a partir do dia 15 e que vias do metabolismo anaeróbio explicam a presença de $\text{H}_2\text{S}$ no fundo.
3. c) Preveja que consequências ecológicas imediatas teria sobre o ciclo da matéria tratar a lagoa com um algicida químico para erradicar o fitoplâncton.

Um divulgador cético publica a seguinte mensagem: «A atmosfera contém cerca de $850\text{ Gt}$ de carbono e os oceanos mais de $38\,000\text{ Gt}$. Nossas emissões anuais pela queima de combustíveis fósseis chegam a apenas $10\text{ Gt}$. Como o carbono total do planeta é constante e as emissões antrópicas representam menos de $0,03\,\%$ do reservatório marinho, é absurdo sustentar que possamos alterar o ciclo global do carbono».

1. a) Conteste o argumento dele distinguindo entre a dinâmica do ciclo biológico (rápido) e a do ciclo geológico (lento): utilize os conceitos de fluxo, tempo de residência e equilíbrio dinâmico para justificar por que $10\text{ Gt/ano}$ desestabilizam o clima global.
2. b) Se os sumidouros naturais (biosfera e superfície oceânica) absorvem em média $45\,\%$ do carbono antrópico emitido a cada ano, calcule quantas ppm de $\text{CO}_2$ se acumulam anualmente na atmosfera, sabendo que $1\text{ ppm} \approx 2,13\text{ Gt}$ de carbono atmosférico.
3. c) Preveja o que acontecerá com a capacidade de o oceano continuar atuando como sumidouro químico de $\text{CO}_2$ à medida que a temperatura da água superficial aumentar e o seu pH diminuir, justificando com base no equilíbrio químico do ácido carbônico e dos carbonatos.

Para combater o aquecimento global, foi proposto um projeto de geoengenharia que consiste em «fertilizar» zonas oceânicas com alta concentração de nutrientes, mas baixa clorofila (zonas HNLC), lançando sais solúveis de ferro para potencializar a bomba biológica de carbono.

1. a) Justifique que limitação nutricional o ferro alivia nessas zonas e descreva o trajeto biogeoquímico que o carbono fixado deve seguir para que o sequestro seja eficaz em escala geológica (séculos ou milênios) e não uma mera reciclagem biológica rápida.
2. b) Analise os riscos ecológicos bentônicos: preveja o que ocorrerá na coluna de água profunda se uma chuva maciça de neve marinha orgânica descer para zonas afóticas com baixa taxa de renovação de água.
3. c) O aquecimento global atual intensifica a estratificação térmica da superfície oceânica (cria uma termoclina mais acentuada). Preveja e argumente como essa estratificação afetará o funcionamento natural da bomba biológica e que retroalimentação provocará sobre o $\text{CO}_2$ da atmosfera.

Uma propriedade agrícola de milho requer a aplicação de $180\text{ kg N/ha}$. O agrônomo hesita entre duas opções de manejo:

• Opção 1: Aplicar fertilizante mineral sintético (ureia/nitrato de amônio) produzido industrialmente por meio do processo Haber-Bosch.

• Opção 2: Semear uma cultura de cobertura de ervilhaca (Vicia sativa, leguminosa) no outono-inverno, triturá-la como adubo verde na primavera e complementar com esterco suíno compostado.

1. a) Compare as duas opções do ponto de vista do gasto energético e da pegada de carbono: justifique como se quebra quimicamente a ligação $\text{N}\equiv\text{N}$ na indústria em comparação com a forma como a nitrogenase simbiótica faz isso nos nódulos radiculares.
2. b) Após uma tempestade de primavera, nos poços próximos de parcelas tratadas exclusivamente com a Opção 1 registram-se concentrações de nitratos de $95\text{ mg/L}$ (o limite de segurança é de $50\text{ mg/L}$) e picos de emissão de óxido nitroso ($\text{N}_2\text{O}$) para a atmosfera. Explique que transformações microbianas do ciclo do nitrogênio originam ambos os problemas a partir do fertilizante excedente.
3. c) Elabore uma estratégia combinada que aproveite a disponibilidade imediata do adubo mineral e a sustentabilidade do adubo biológico, minimizando a lixiviação e as perdas gasosas.