Exercícios: Os ciclos da matéria

Explica a diferença entre um ciclo biogeoquímico gasoso e um sedimentar, e classifica num dos dois tipos os ciclos do carbono, do azoto e do fósforo, justificando a tua escolha.

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

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

Define reservatório e fluxo num ciclo biogeoquímico, e identifica um reservatório e um fluxo concretos no ciclo do carbono, explicando que processo mantém esse fluxo.

Explica 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 a haver produtores.

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

Explica 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 libertam $\text{CO}_2$. Explica 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.

Ordena as seguintes etapas do ciclo do azoto pela sequência em que ocorrem num ecossistema e descreve sumariamente em que consiste cada uma: nitrificação, fixação, desnitrificação e amonificação.

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

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

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

As raízes das leguminosas albergam nódulos com bactérias do género Rhizobium. Explica o que trocam a planta e a bactéria nessa simbiose, que processo do ciclo do azoto realiza a bactéria 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 as suas árvores e decompositores libertam $9{,}5\ \text{t}$ por respiração no mesmo período. Calcula o sequestro líquido anual de carbono da floresta e explica por que razão uma floresta jovem em crescimento sequestra muito mais do que uma madura, embora fixe menos $\text{CO}_2$ no total.

Explica de que modo a desflorestação de uma bacia hidrográfica tropical altera simultaneamente o ciclo do carbono e o ciclo da água: o que sucede ao carbono armazenado na biomassa, à evapotranspiração, à precipitação da região e ao escoamento superficial.

O gado bovino emite metano ($\text{CH}_4$) durante a digestão. Explica 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 $\text{CO}_2$ (compara o seu potencial de aquecimento global).

Uma equipa de controlo ambiental monitoriza uma lagoa costeira após uma descarga de escorrência agrícola e regista os seguintes dados:

• Dia 5: Concentração de fósforo reativo à 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; turvação extrema ($40\text{ NTU}$); $\text{O}_2$ dissolvido no fundo ($3\text{ m}$) a $0,3\text{ mg/L}$, com libertação de sulfureto de hidrogénio ($\text{H}_2\text{S}$) e mortalidade de fauna bentónica.

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

1. a) Contesta a afirmação do técnico através de argumentos biogeoquímicos: justifica por que razão uma proliferação autótrofa maciça resulta necessariamente em anóxia hipolimnética e noturna.
2. b) Explica 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) Prevê que consequências ecológicas imediatas teria sobre o ciclo da matéria tratar a lagoa com um algicida químico para erradicar o fitoplâncton.

Dois lagos de alta montanha, situados à mesma distância de um complexo industrial com centrais térmicas a carvão, recebem precipitações contínuas com um pH médio de $4,1$. A monitorização biológica e química revela dados muito díspares:

• Lago A (assente sobre bacia granítica): Perdeu as suas populações de salmonídeos e anfíbios; nas suas águas deteta-se uma concentração de $\text{Al}^{3+}$ dissolvido de $0,35\text{ mg/L}$.

• Lago B (assente sobre bacia calcária): Mantém intacta a sua riqueza aquícola e não apresenta alumínio dissolvido detetável.

1. a) Justifica à escala litológica e química por que razão um mesmo fluxo de chuva ácida gera um colapso biológico no lago A, mas resulta inócuo no lago B.
2. b) Explica o mecanismo biogeoquímico pelo qual a acidificação do solo circundante mobiliza iões tóxicos como o $\text{Al}^{3+}$ e lixivia nutrientes essenciais ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$), e prevê o impacto deste fenómeno sobre a floresta da bacia A.
3. c) Para restaurar o lago A, uma associação propõe adicionar periodicamente grandes volumes de cal apagada ou carbonato de cálcio diretamente à água. Argumenta as limitações e possíveis efeitos prejudiciais desta medida face à redução das emissões de $\text{SO}_2$ na origem.

Um divulgador cético publica a seguinte mensagem: «A atmosfera contém cerca de $850\text{ Gt}$ de carbono e os oceanos mais de $38\,000\text{ Gt}$. As nossas emissões anuais pela queima de combustíveis fósseis rondam apenas as $10\text{ Gt}$. 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) Contesta o seu argumento distinguindo entre a dinâmica do ciclo biológico (rápido) e a do ciclo geológico (lento): utiliza os conceitos de fluxo, tempo de residência e equilíbrio dinâmico para justificar por que razão $10\text{ Gt/ano}$ 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, calcula 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) Prevê o que acontecerá à capacidade de o oceano continuar a atuar como sumidouro químico de $\text{CO}_2$ à medida que aumentar a temperatura da água superficial e diminuir o seu pH, justificando com base no equilíbrio químico do ácido carbónico e dos carbonatos.

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

1. a) Justifica que limitação nutricional o ferro alivia nessas zonas e descreve o trajeto biogeoquímico que o carbono fixado deve seguir para que o sequestro seja eficaz à escala geológica (séculos ou milénios) e não uma mera reciclagem biológica rápida.
2. b) Analisa os riscos ecológicos bentónicos: prevê 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). Prevê e argumenta como afetará esta estratificação o funcionamento natural da bomba biológica e que retroalimentação provocará sobre o $\text{CO}_2$ da atmosfera.

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

• Opção 1: Aplicar fertilizante mineral sintético (ureia/nitrato de amónio) produzido industrialmente através 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 chorume de suíno compostado.

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

Um relatório de avaliação de impacto compara duas barragens hidroelétricas recém-construídas:

• Barragem A: Inunda um vale montanhoso e rochoso em clima temperado, onde previamente se cortou e retirou toda a biomassa arbórea. Temperatura média da água no fundo: $9\ ^\circ\text{C}$.

• Barragem B: Inunda uma planície de selva tropical sem retirar a vegetação nem a densa camada de húmus do solo. Temperatura média da água no fundo: $26\ ^\circ\text{C}$.

Durante a sua primeira década de exploração, a Barragem B emite para a atmosfera mais gases com efeito de estufa por MWh produzido do que uma central térmica a gás natural.

1. a) Justifica biogeoquimicamente por que razão no fundo da Barragem B se esgota o $\text{O}_2$ dissolvido e que consórcios microbianos atuam para que o carbono armazenado na biomassa vegetal seja libertado sob a forma de metano ($\text{CH}_4$) em vez de dióxido de carbono ($\text{CO}_2$).
2. b) Sabendo que o potencial de aquecimento do $\text{CH}_4$ a 20 anos é cerca de 80 vezes maior do que o do $\text{CO}_2$, debate criticamente a afirmação habitual de que «a energia hidroelétrica é sempre uma fonte de energia limpa e neutra em carbono».
3. c) Delineia duas medidas prévias ao enchimento e uma medida técnica de gestão na tomada de água das turbinas (cota de captação) para evitar que as águas anóxicas ricas em gases dissolvidos sejam descarregadas a jusante, desgaseificando subitamente.

Ao contrário do carbono e do azoto, o ciclo do fósforo é predominantemente sedimentar. Numa região agrícola constata-se um paradoxo: as análises do solo mostram uma elevada acumulação de fósforo total após décadas de adubação fosfatada, mas as culturas apresentam sintomas de clorose e défice de fósforo a menos que se continuem a adicionar fertilizantes minerais, ao mesmo tempo que as águas superficiais adjacentes sofrem eutrofização.

1. a) Justifica por que razão a inexistência de uma fase gasosa significativa condiciona a taxa natural de reciclagem do fósforo para os continentes e explica que processos biológicos e geológicos permitem o seu retorno a terra firme à escala macroscópica.
2. b) Explica o processo de fixação ou insolubilização do fósforo no solo: fundamenta como o pH (solos muito ácidos ou fortemente calcários) influencia a formação de sais insolúveis com ferro, alumínio ou cálcio, fazendo com que o fósforo não seja assimilável pelas raízes.
3. c) Perante o esgotamento previsto das minas de apatite («pico do fósforo»), desenha duas medidas de economia circular para uma exploração agropecuária orientadas para mobilizar o fósforo já retido nos seus solos e para o recuperar dos efluentes residuais sem depender de fertilizantes de síntese.

Um consórcio agrícola descarrega as suas águas de escoamento carregadas de nitratos ($80\text{ mg/L}$) e fósforo solúvel através de uma zona húmida artificial antes de chegarem a uma lagoa costeira protegida. À saída da zona húmida, as análises indicam:

• Concentração de nitratos reduzida a $9\text{ mg/L}$.

• Libertação contínua de azoto diatómico ($\text{N}_2$) para a atmosfera com emissão quase nula de $\text{N}_2\text{O}$.

• Acumulação líquida de carbono no sedimento à razão de $400\text{ g C/m}^2\cdot\text{ano}$.

1. a) Analisa a microzonação biogeoquímica da zona húmida: justifica como interagem espacialmente a rizosfera oxidada dos macrófitos aquáticos e a vasa anóxica subjacente para completar com sucesso a nitrificação e a desnitrificação consecutivas.
2. b) Explica o mecanismo pelo qual as zonas húmidas retêm e acumulam carbono durante milénios a taxas superiores às de muitas florestas maduras, relacionando a saturação hídrica com a baixa atividade das enzimas hidrolíticas bacterianas e fúngicas.
3. c) Prevê e argumenta as consequências biogeoquímicas sobre os ciclos do azoto e do carbono se esta zona húmida fosse drenada artificialmente para ser convertida em solo urbanizável.