Os ciclos da matéria

Reservatórios, fluxos e decompositores

Um pinhal acumula toneladas de carbono nos troncos. Quando a madeira arde ou apodrece, esse carbono deixa de estar no tronco, mas não foi destruído. Para onde foi? E por que caminhos é que a matéria viaja?

Imagina uma banheira: a água que lá está é o reservatório; a torneira e o ralo são os fluxos. Se entra tanta água como a que sai, o nível mantém-se (equilíbrio). Se o fluxo de entrada ultrapassar o de saída, o reservatório enche.

Quem mantém os ciclos a funcionar? Os produtores captam matéria inorgânica do meio e transformam-na em matéria orgânica. Os consumidores passam-na de uns para outros ao alimentarem-se. Os decompositores (bactérias e fungos) fazem o último passo: decompõem os restos de seres vivos, as folhas caídas e os dejetos, e devolvem ao solo, à água e ao ar os nutrientes que lá estavam.

Sem decompositores, os restos de seres vivos acumular-se-iam e os nutrientes ficariam presos neles. Mesmo que continuasse a haver produtores, o solo ficaria sem nutrientes e o ciclo interromper-se-ia.

Os ciclos classificam-se segundo o reservatório principal por onde passam:

• ciclo gasoso: o elemento tem uma fase gasosa importante e circula pela atmosfera (carbono, oxigénio, azoto);

• ciclo sedimentar: não há fase gasosa relevante e o elemento circula sobretudo entre rochas, solo e água (fósforo).

O ciclo do carbono

O carbono é a base da matéria orgânica: está nos açúcares, nas gorduras, nas proteínas, na madeira e no teu corpo. O seu principal reservatório de troca rápida é o dióxido de carbono ($\mathrm{CO_2}$) da atmosfera e da água.

Dois processos, de sentidos opostos, comandam o ciclo:

Em palavras: dióxido de carbono + água → glicose + oxigénio (com luz). A respiração é o processo inverso e liberta a energia que as células usam.

Repara que a respiração acontece em todos os seres vivos (produtores, consumidores e decompositores), enquanto a fotossíntese só acontece nos que têm clorofila.

O ciclo do carbono também se representa em esquemas com setas. Para os interpretar, identifica primeiro os reservatórios (caixas) e depois o sentido de cada seta. Uma seta da atmosfera para os produtores é a fotossíntese; dos seres vivos para a atmosfera é a respiração (ou a combustão, se vier de combustíveis); dos restos de seres vivos para o solo é a decomposição. Uma seta extra que parte de combustíveis fósseis para a atmosfera, sem ter sido desenhada num ciclo natural, indica um fluxo de origem humana que desequilibra o ciclo.

O oceano e a «bomba biológica»

Os oceanos armazenam muito mais carbono do que a atmosfera e trocam-no com ela. O $\mathrm{CO_2}$ da atmosfera dissolve-se na água à superfície e é utilizado pelo fitoplâncton, as algas microscópicas que flutuam na água. O fitoplâncton faz fotossíntese e fixa carbono, sendo o alimento de pequenos animais e de toda a cadeia alimentar marinha. É por isso que se diz que os oceanos funcionam como uma esponja de $\mathrm{CO_2}$.

Parte do carbono volta à atmosfera pela respiração dos seres marinhos. Outra parte afunda-se: os restos de organismos mortos, as carapaças e os dejetos caem para o fundo e podem ficar nos sedimentos durante milhares ou milhões de anos. A este transporte de carbono da superfície para o fundo chama-se bomba biológica. O carbono guardado nos sedimentos fica fora do ciclo rápido.

Em muitas zonas do oceano há nutrientes, mas pouco fitoplâncton, porque falta um mineral essencial, como o ferro. Quando se propõe «fertilizar» o mar com ferro para estimular o fitoplâncton, a ideia é aumentar a bomba biológica e retirar mais $\mathrm{CO_2}$ do ar. Só resulta se o carbono fixado afundar e ficar guardado no fundo durante séculos ou milénios. Se for consumido e respirado perto da superfície, volta rapidamente à atmosfera. Há ainda riscos: o excesso de matéria que chega ao fundo é decomposto por organismos que gastam oxigénio, o que pode criar zonas com pouco oxigénio (tal como na eutrofização, que vais ver adiante).

Combustíveis fósseis e ação humana no carbono

Durante milhões de anos, uma pequena fração dos seres vivos mortos ficou enterrada sem se decompor totalmente, e o seu carbono transformou-se em carvão, petróleo e gás natural (combustíveis fósseis). Este carbono ficou fora do ciclo rápido durante muito tempo.

A combustão de gasolina, gasóleo ou carvão devolve esse carbono à atmosfera sob a forma de $\mathrm{CO_2}$. Quimicamente é um processo semelhante ao da respiração: um composto de carbono reage com o oxigénio e formam-se $\mathrm{CO_2}$ e água, com libertação de energia. A diferença está na origem do carbono.

Podes pensar que 10 Gt (mil milhões de toneladas) por ano de emissões são pouca coisa comparadas com o carbono dos oceanos (menos de $0{,}03\,\%$ do que lá está). Mas os oceanos trocam carbono com a atmosfera de forma lenta, e o ciclo lento das rochas demora milhares de anos. O que conta não é a fração do total, mas o equilíbrio dos fluxos. Os fluxos naturais de entrada e de saída de $\mathrm{CO_2}$ na atmosfera estavam praticamente equilibrados. A queima de combustíveis fósseis e a desflorestação (menos árvores a fazer fotossíntese e carbono da madeira libertado) acrescentam um fluxo extra. Os oceanos e as florestas absorvem uma parte, mas não toda, e o resto acumula-se na atmosfera, porque o ciclo lento (rochas, sedimentos) demora milhares de anos a retirar carbono. Um reservatório pequeno e de fluxos rápidos, como a atmosfera, é muito sensível a pequenas alterações.

Uma floresta pode ajudar a equilibrar esta contabilidade. O que conta é o sequestro líquido: o carbono fixado menos o carbono libertado pela respiração (das árvores e dos decompositores).

O metano: carbono sem oxigénio

Onde falta oxigénio (no fundo de um arrozal ou de um pântano, no interior do estômago de uma vaca), há microrganismos que decompõem a matéria orgânica sem oxigénio. Esta decomposição anaeróbia produz metano ($\mathrm{CH_4}$). O gado bovino liberta metano durante a digestão, porque as bactérias anaeróbias do seu aparelho digestivo fermentam a erva.

O metano continua a pertencer ao ciclo do carbono: provém de matéria orgânica fixada por fotossíntese e acaba por ser oxidado a $\mathrm{CO_2}$ na atmosfera ao fim de alguns anos. Mas é um gás com efeito de estufa muito mais eficaz do que o $\mathrm{CO_2}$: por molécula, retém muito mais calor (num horizonte de cem anos, cerca de 25 a 30 vezes mais). Por isso, mesmo existindo em quantidade muito menor, a sua emissão preocupa.

As barragens de centrais hidroelétricas também podem emitir metano. Quando se inunda uma zona com muita vegetação e solo rico em húmus, a matéria orgânica submersa decompõe-se no fundo da albufeira, onde há pouco oxigénio. Isto é mais intenso em águas quentes de clima tropical e quando a vegetação não é retirada antes de se encher a albufeira. Pelo contrário, numa albufeira de clima frio e com a vegetação removida, há muito menos matéria para decompor e a decomposição é mais lenta. Daí que nem toda a energia hidroelétrica seja igualmente «limpa» no seu início.

O ciclo da água

A água não pára de circular entre o oceano, a atmosfera, a terra e os seres vivos. A energia que o move vem do Sol.

As fases principais são:

• evaporação: a água líquida (sobretudo dos oceanos) passa a vapor por ação do calor do Sol; as plantas também a libertam pelas folhas, por transpiração;

• condensação: o vapor arrefece em altitude e forma gotículas, que constituem as nuvens;

• precipitação: chuva, neve ou granizo devolvem a água à superfície;

• escoamento superficial e infiltração: parte da água corre pelos rios até ao mar, outra parte infiltra-se no solo e forma águas subterrâneas.

As plantas ligam o ciclo da água ao do carbono: absorvem água pelas raízes e usam-na na fotossíntese, e a maior parte volta ao ar por transpiração. Uma floresta densa liberta muito vapor de água (evapotranspiração), que ajuda a formar nuvens e chuva na região. Ao mesmo tempo, as raízes e o húmus seguram a água e reduzem o escoamento.

O ciclo do oxigénio

O oxigénio ($\mathrm{O_2}$) forma cerca de um quinto do ar. Os seres vivos aeróbios precisam dele para a respiração celular. A sua história ligada à vida é notável: foi libertado pelos primeiros organismos fotossintéticos e acumulou-se na atmosfera ao longo de milhões de anos.

O ciclo do oxigénio assenta nos dois processos que já conheces:

• a fotossíntese liberta $\mathrm{O_2}$ (a partir da água) para o ar ou para a água;

• a respiração (e também a combustão e a decomposição aeróbia) consome $\mathrm{O_2}$ e forma $\mathrm{CO_2}$ e água.

Por isso, o ciclo do oxigénio está ligado ao do carbono e ao da água, e as mesmas equações descrevem os três. Em meio aquático, o $\mathrm{O_2}$ dissolvido é limitado, e é isso que torna os peixes sensíveis à poluição, como vais ver já a seguir.

Ciclo do azoto

O ar tem cerca de $78\,\%$ de azoto ($\mathrm{N_2}$), mas as culturas amarelecem se o solo for pobre em nutrientes. Porque é que um elemento tão abundante não serve às plantas, e como é que mesmo assim entra nos seres vivos?

O azoto é indispensável para fabricar proteínas e ADN. O $\mathrm{N_2}$ é muito pouco reativo: os dois átomos estão ligados por uma ligação tripla muito forte, que a maioria dos seres vivos não consegue quebrar. As plantas só absorvem pelas raízes o azoto dissolvido na água do solo, sob a forma de amónio ($\mathrm{NH_4^+}$) ou de nitrato ($\mathrm{NO_3^-}$).

Há três formas de «puxar» azoto do ar: os relâmpagos, a fixação industrial (que vês já a seguir) e, sobretudo, as bactérias fixadoras. Algumas vivem livres no solo e outras vivem em simbiose com plantas.

O azoto na agricultura

As raízes das leguminosas (feijão, ervilha, fava, luzerna, tremoço) têm nódulos onde vivem bactérias do género Rhizobium. É uma simbiose: a planta fornece-lhes açúcares da fotossíntese e abrigo, e as bactérias fixam $\mathrm{N_2}$ e cedem-lhe amónio. Por isso, quando se alternam culturas e se inclui uma leguminosa na rotação de culturas, o solo fica mais rico em azoto de modo natural.

Os agricultores também aplicam adubos azotados. O fertilizante mineral de síntese é produzido industrialmente pelo processo Haber-Bosch, que quebra a ligação tripla do $\mathrm{N_2}$ a alta temperatura e pressão. Esse processo gasta muita energia, em geral proveniente de combustíveis fósseis, e tem por isso uma pegada de carbono elevada. Uma alternativa é a adubação verde: semear uma leguminosa (como a ervilhaca), triturá-la e enterrá-la, e complementar com estrume ou chorume compostado. Libertam azoto de forma mais lenta, pela decomposição, e poupam energia fóssil. Mas, se o azoto for aplicado em excesso ou antes de chuvas fortes, o nitrato é arrastado para as águas e há risco de eutrofização.

As zonas húmidas (sapais, charcos, pântanos) funcionam como filtros naturais. Nos sedimentos sem oxigénio, as bactérias desnitrificantes transformam o nitrato em $\mathrm{N_2}$, que volta ao ar, e a matéria orgânica fica acumulada nos sedimentos, retendo carbono. Se a desnitrificação for completa, liberta-se $\mathrm{N_2}$, um gás inofensivo; se for incompleta, pode formar-se óxido nitroso ($\mathrm{N_2O}$), um gás com forte efeito de estufa.

Ciclo do fósforo

O fósforo faz parte do ADN, do ATP (a molécula que armazena energia nas células), das membranas, dos ossos e dos dentes. Mas o seu ciclo é muito diferente do do carbono e do azoto.

O fósforo existe em rochas fosfatadas, que se desgastam muito devagar pela erosão, e liberta-se assim para o solo e para a água. As plantas absorvem-no pelas raízes, passa aos consumidores, volta ao solo por decomposição e é arrastado pelos rios até ao mar, onde se acumula nos sedimentos. Só ao fim de milhões de anos, com movimentos da crosta terrestre, esses sedimentos podem voltar a formar rochas em terra.

Quando se acrescenta fósforo por adubação durante décadas, uma parte fica fixada em compostos pouco solúveis no solo (o solo acumula fósforo, mas as plantas não conseguem absorver tudo) e outra parte é arrastada pela chuva para os rios e lagoas, onde provoca eutrofização. Além disso, as reservas de rocha fosfatada usadas para fazer adubos são finitas, o que levanta um problema de sustentabilidade.

Eutrofização: quando os ciclos se desequilibram

Depois de adubarem os campos à volta, uma lagoa de águas límpidas cobre-se em poucos dias de uma camada verde e opaca. Pouco depois aparecem peixes mortos à margem. Como é que um excesso de nutrientes, que faz crescer os produtores, pode acabar por matar a fauna?

Para prevenir a eutrofização, reduz-se a quantidade de adubo, trata-se o esgoto antes de o lançar nos rios e criam-se faixas de vegetação e zonas húmidas artificiais que retêm nutrientes: nos sedimentos sem oxigénio, a desnitrificação converte nitratos em $\mathrm{N_2}$, e o fósforo fica retido nos sedimentos.

Ciclo do enxofre e chuva ácida

O enxofre faz parte de alguns aminoácidos. As plantas absorvem sulfato do solo, passa aos consumidores e a decomposição devolve-o ao meio. Tem grandes reservatórios nas rochas e uma fase gasosa: os vulcões e a queima de carvão e petróleo libertam dióxido de enxofre ($\mathrm{SO_2}$), e em meios sem oxigénio forma-se $\mathrm{H_2S}$.

O $\mathrm{SO_2}$ (e os óxidos de azoto dos escapes) reage com a água da atmosfera e forma ácidos. A chuva fica mais ácida do que o normal (pH inferior a cerca de $5{,}6$): é a chuva ácida. Como é um gás, pode ser transportado pelo vento a centenas de quilómetros e cair longe da central que o emitiu.

Os efeitos dependem da rocha da bacia. Em terrenos de granito, pobres em carbonatos, nada neutraliza o ácido: o pH da água desce e o solo liberta iões de alumínio ($\mathrm{Al^{3+}}$), que são tóxicos para os peixes e anfíbios. Em terrenos calcários, o carbonato de cálcio reage com os iões $\mathrm{H^+}$ e neutraliza o ácido (efeito tampão), pelo que o pH quase não baixa e o alumínio não se solta.

Volta ao princípio: o carbono que expiras pode ter pertencido a um dinossauro porque, quando o réptil morreu e se decompôs, o seu carbono voltou à atmosfera como $\mathrm{CO_2}$ (ou ficou preso em sedimentos). Milhões de anos depois, uma planta fixou-o por fotossíntese e chegou a ti através da cadeia alimentar.

Em resumo