Ciclo do nitrogênio

3.059 visualizações

Publicada em

Publicada em: Educação
0 comentários
0 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

  • Seja a primeira pessoa a gostar disto

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
3.059
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
2
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
59
Comentários
0
Gostaram
0
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Ciclo do nitrogênio

  1. 1. BIANCA KOVALSKI CAROLINE MARQUES CICLO DO NITROGÊNIO Trabalho apresentado à disciplina de Tratamento de Resíduos, 3° ano do Curso de Engenharia de Alimentos, Setor de Ciências Agrárias e Tecnologia, da Universidade Estadual de Ponta Grossa. Orientadora: Prof.ª Ana Cláudia Barana. PONTA GROSSA OUTUBRO/2012
  2. 2. 2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO................................................................................................................ 3 FIGURAS DO CICLO DO NITROGÊNIO..................................................................... 4 1. TEORIA.................................................................................................................... 5 1.1 Fixação ............................................................................................................... 5 1.2 Amonização ........................................................................................................ 6 1.3 Nitrificação......................................................................................................... 6 1.4 Desnitrificação.................................................................................................... 8 1.5 Podem ocorrer a Nitrificação e Desnitrificação Simultânea – SND .................11 REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 12
  3. 3. 3 INTRODUÇÃO Existem muitos compostos com nitrogênio na natureza, é um elemento químico que possui grande capacidade de fazer ligações químicas. É o mais abundante elemento químico na atmosfera terrestre, contribuindo com aproximadamente 78% de sua composição. A molécula de N2 é extremamente estável e quase não desempenha papel químico importante, exceto na termosfera (altitude maior que 90 km) onde pode ser fotolizada ou ionizada. Os constituintes minoritários, tais como óxido nitroso (N2O), óxido nítrico (NO), dióxido de nitrogênio (NO2), ácido nítrico (HNO3) e amônia (NH3) são quimicamente reativos e têm importantes papéis nos problemas ambientais, incluindo a formação e precipitação ácida (chuva ácida), poluição atmosférica (smogfotoquímico), aerossóis atmosféricos e a depleção da camada de ozônio. Os óxidos de nitrogênio, NO e NO2, são rapidamente interconversíveis e existem em equilíbrio dinâmico. O nitrogênio é essencial à vida, sendo necessário, por exemplo, na constituição das proteínas e do DNA que contém as informações genéticas. A atmosfera é o principal reservatório de nitrogênio, sob forma de N2, embora as plantas e animais não possam utilizá-lo diretamente. Os animais necessitam do nitrogênio incorporado em compostos orgânicos (aminoácidos e proteínas), enquanto que plantas e algas necessitam do nitrogênio sob a forma de íons nitrato (NO3 - ) ou íons amônio (NH4 + ).
  4. 4. 4 FIGURAS DO CICLO DO NITROGÊNIO FIGURA 1 – Fluxograma geral do ciclo onde ocorre um intercâmbio de nitrogênio entre a atmosfera, a matéria orgânica e compostos inorgânicos (QNESC 2003). FIGURA 2 – Etapas do ciclo no nitrogênio (NÉIA 2007).
  5. 5. 5 1. TEORIA Seguem as etapas do ciclo do nitrogênio: 1.1 Fixação Qualquer processo que resulte na transformação do N2 da atmosfera em outros compostos de nitrogênio é denominado de fixação de nitrogênio. O nitrogênio utilizável pelos seres vivos é o combinado com o hidrogênio na forma de amônia (NH3). A fixação do nitrogênio realizada pelas bactérias, algas azuis e fungos que vivem livres no solo ou associados às raízes de plantas. Uma das associações mais conhecidas é a que ocorre entre várias espécies de leguminosas e as bactérias da família Rhizobiaceae e pode ser verificada através da formação de nódulos nas raízes. E As BFN (bactérias fixadoras de nitrogênio) crescem em uma faixa de pH ideal entre 6,0 e 7,0, e poucas crescem bem em pH menor que 5,0 (RUFINI 2011). Um grande número de bactérias pode converter o nitrogênio gasoso a amônia (NH3) ou íons amônio (NH4 + ), por meio de redução catalisada por enzimas, em processo conhecido como fixação biológica do nitrogênio que representa 90% de toda a fixação de origem natural. A fixação biológica de N2 pela bactéria chamada Rhizobium (SOCIOLOGIA 2012) é a fonte mais importante de nitrogênio para os organismos vivos. Esta bactéria vive em nódulos ou raízes de leguminosas e representa um exemplo interessante de simbiose. Em ecossistemas aquáticos o ciclo do nitrogênio é similar, sendo as cianobactérias os microrganismos mais importantes na fixação de nitrogênio. Exemplos: Fenômenos físicos, como os relâmpagos e faíscas elétricas, são processos fixadores de nitrogênio. A produção de amônia por esses fenômenos atmosféricos é pequeníssima, sendo praticamente negligenciável em face às necessidades dos seres vivos. A fixação do nitrogênio por esses meios é denominada fixação física.
  6. 6. 6 Outra forma de fixação de nitrogênio é a fixação industrial, realizada por indústrias de fertilizantes, onde se consegue uma elevada taxa de fixação de nitrogênio. 1.2 Amonização Grande parte do nitrogênio encontrado no solo provém de materiais orgânicos mortos, nos quais existe sob a forma de compostos orgânicos complexos, tais como proteínas, aminoácidos, ácidos nucléicos e nucleótides. Entretanto, estes compostos nitrogenados são, em geral, rapidamente decompostos em substâncias mais simples por organismos que vivem nos solos. Quando os decompositores começam a atuar sobre a matéria orgânica nitrogenada (exemplo: proteínas do húmus), liberam diversos resíduos para o ambiente, entre eles a amônia (NH3). Combinando-se com a água do solo, a amônia forma hidróxido de amônio que ionizando-se produz o íon amônio (NH4 + ) e hidroxila. Esse processo é denominado de amonização. O nitrogênio pode ser fornecido sob a forma de gás amoníaco (NH3), mas este processo ocorre geralmente apenas durante a decomposição de grandes quantidades de materiais ricos em nitrogênio, como numa grande porção de adubo ou fertilizante. Em geral, a amônia produzida por amonização é dissolvida na água do solo, onde se combina a prótons para formar o íon amônio. A amonização é realizada tanto por bactérias de vida livre (ex. Azotobacter) como por bactérias simbióticas (ex. Rhizobium). Alguns fungos também podem fazer amonização, como estes dois exemplos de bactérias amonizantes (CICLIDEOS 2012). O pH aumenta nessa etapa. 1.3 Nitrificação A oxidação dos íons amônio produz nitritos como resíduos nitrogenados, que por sua vez são liberados para o ambiente ou oxidados a nitrato. A partir da amônia a nitrificação acontece. À conversão dos íons amônio em nitrito e nitrato chamamos de nitrificação, que ocorre pela ação de bactérias nitrificantes (Nitrosomas, Nitrosococus, Nitrobacter). A nitrificação é um processo que produz energia e a energia liberada é utilizada por estas bactérias para reduzir o dióxido de carbono, da mesma forma que as plantas
  7. 7. 7 autotróficas utilizam a energia luminosa para a redução do dióxido de carbono. Tais organismos são conhecidos como autotróficos quimiossintéticos (diferentes dos autotróficos fotossintéticos, como as plantas e as algas). Então denomina-se nitrificação autotrófica quando o processo se deve à ação de bactérias autotróficas aeróbias, que utilizam o CO2 como fonte de carbono e adquirem energia para sua assimilação a partir da oxidação dos compostos nitrogenados. A nitrificação ocorre em duas etapas consecutivas: nitritação e nitratação. Na nitritação a amônia é oxidada a nitrito (por bactérias do gênero Nitrosomonas) e na nitratação (por bactérias do gênero Nitrobacter) o nitrito é oxidado a nitrato. Não se tem conhecimento de nenhum microrganismo capaz de converter amônia diretamente a nitrato A alcalinidade é consumida pela oxidação de N-amoniacal e o valor de pH diminui se não houver meios para o seu controle. O pH deverá estar compreendido entre 6 e 9, localizando-se ótimo para as duas reações próximo de 7. A alcalinidade um fator importante, dado que se torna necessário neutralizar o ácido nítrico formado (NATURLINK 2012). A ausência da quantidade de alcalinidade necessária provoca um decréscimo do pH, responsável pela inibição dos microrganismos nitrificantes, assim há que garantir que a alcalinidade residual na água a tratar se situa entre 50 e 100 mg CaCO3/L para garantir um efeito tampão e limitar as variações daquele parâmetro. As exigências são da ordem de 9,13 mg de alcalinidade, expressa em carbonato de cálcio, por 1 mg de N amoniacal oxidado. As reações das duas fases da nitrificação estão abaixo (SILVA 2004): • Para nitritadoras ou bactérias oxidantes de N-amoniacal: • Para nitratadoras ou bactérias oxidantes de nitrito: • Equação global para a nitrificação:
  8. 8. 8 Dessas equações, percebe-se que há um consumo de alcalinidade e um consumo maior de oxigênio e na primeira fase da nitrificação, ou seja, na fase de nitritação. A energia liberada nessas reações é usada pelos organismos nitrificantes para síntese a partir das fontes de carbono inorgânico, como dióxido de carbono, bicarbonato e carbonato. A velocidade máxima de nitrificação ocorre em concentrações de OD acima de 2 mg O2/L. O aumento da concentração de biomassa nitrificante também aumenta a taxa de nitrificação. Fatores ambientais como pH, temperatura, concentração de oxigênio dissolvido, substâncias tóxicas ou inibidoras influenciam a taxa de crescimento dos organismos nitrificantes e, como consequência, a taxa de oxidação da amônia. A influência da temperatura na evolução do fenômeno de nitrificação é de extrema relevância. Ele verifica-se entre 5 e 45 ºC situando-se ótimo entre 25 e 32 ºC. A influência de alguns metais pesados na nitrificação é também conhecida. Entre estes poderia destacar-se a influência do cromo, do níquel e do zinco, que serão tóxicos para concentrações da ordem de 0.5 a 25 mg/L (NATURLINK 2012). Basicamente nessa etapa, as bactérias, plantas e algas convertem os compostos inorgânicos de nitrogênio a espécies orgânicas, tornando o nitrogênio disponível na cadeia ecológica alimentar. Nos animais, em processo de respiração celular, os compostos orgânicos são transformados, retornam ao solo como excremento e podem ser absorvidos por plantas. Quando os organismos morrem, certas bactérias são capazes de converter os compostos orgânicos contendo nitrogênio em nitrato, amônia ou, por uma série de reações químicas, em nitrogênio molecular, quando, então, retorna à atmosfera. 1.4 Desnitrificação A amônia produzida pelos fixadores ou pela amonização pode ser aproveitada pelas bactérias nitrificantes ou ser transformada em N2 livre, desprendendo-se para a atmosfera. Essa devolução de nitrogênio para a atmosfera é conhecida por desnitrificação e é comumente realizada pelas bactérias desnitrificantes (Pseudomonas denitificans). Aparentemente indesejável, a desnitrificação é necessária porque, se não ocorresse, a concentração de nitratos no solo aumentaria de maneira desastrosa. O
  9. 9. 9 processo de desnitrificação pode ser realizado por bactérias quimiorganotróficas e fototróficas e por alguns fungos. Muitas espécies são capazes de usar oxigênio no metabolismo e, na ausência de oxigênio, reduzem nitrato (NO3 - ) no metabolismo denominado anóxico. Desse modo, a mesma biomassa pode ser usada em processo aeróbio/anóxicopara remoção de carbono e nitrato (NO3 - ). O termo anóxico refere-se a uma via metabólica oxidativa sem utilização do oxigênio. Quase todas as bactérias desnitrificantes são capazes de utilizar nitrito (NO2 - ) substituindo o nitrato (NO3 - ) como aceptor final de elétrons além de usar também compostos orgânicos diferentes como doadores de elétrons ou fonte de energia. Exemplos de bactérias desnitrificantes os seguintes gêneros: Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas e Spirillum. Além dessas bactérias ainda citam: Azospirillum, Beggiatoa, Chromobacterium, Clostridium, Dessulfovibrio, Erythrobacter, Galionella, Helobacterium, Halomonas, Hypomicrobium, Neisseria, Paracoccus, Propionibacterium, Rhizobium, Thiobacillus, Thiosphaera, Vibrio e Xanthomonas. Bactérias do gênero Paracoccus, Thiobacillus, Thiosphaera e outros podem efetuar desnitrificação autotrófica com uso de CO2 ou bicarbonato, compostos de hidrogênio e de enxofre (SO, S2 - , S2O3 2- , S2O2 2- , ou SO3 2- ) como também ferro como fonte de energia. Na desnitrificação o doador de elétrons pode se originar de três fontes: matéria orgânica do afluente (esgoto), matéria orgânica do material celular bacteriano (respiração endógena) e de fonte externa exógena de carbono (acetato ou metanol, por exemplo). A fórmula química C10H19O3N pode ser usada para representar o material orgânico biodegradável em esgotos (1). Outras fontes de carbono como metanol(2) e acetato(3) (reações abaixo respectivamente) também podem ser usadas.
  10. 10. 10 Simplificando, a redução de nitrato (NO3) a espécies de nitrogênio sob forma de gás (N2, N2O, NO), ocorre em processos químicos e biológicos e é denominada de desnitrificação. Ou seja, desnitrificar significa converter nitratos a nitrogênio gasoso. Isto ocorre quando não há presença de oxigênio (condição anóxica). Nesta condição, os nitratos são utilizados pelos microrganismos como o aceptor de elétron, ao invés do oxigênio e apresenta a reação: Da reação apresentada, conclui-se que a matéria orgânica pode ser estabilizada utilizando o oxigênio da reação de desnitrificação, à custa do consumo de H+, implicando na diminuição da alcalinidade. A desnitrificação recupera metade da alcalinidade consumida durante a nitrificação. Como resultado deste processo, o N2 atmosférico constitui o principal reservatório de nitrogênio na Terra. Por outro lado, a ausência de desnitrificação pode ter sido a responsável, no passado, pelo grande acúmulo de nitrato nos oceanos. A desnitrificação ocorre em toda a superfície terrestre, num processo que reduz o nitrogênio desde o estado de oxidação +V (NO3) até zero (N2), , em que os números em algarismos romanos representam os respectivos estados de oxidação do nitrogênio. Esse ciclo é fechado com o retorno do N2 à atmosfera. Assim, a partir desses fatores, pode-se determinar além do valor equivalente de oxigênio, também a taxa de consumo de oxigênio equivalente e, consequentemente, estimar a utilização de matéria orgânica em cada uma dessas situações. Dessa forma, o valor da taxa de consumo de oxigênio, obtido pelo consumo de oxigênio nos processos aeróbios, pode ser comparado de forma direta à taxa de consumo de oxigênio equivalente, obtida em condições anóxicas. A taxa de desnitrificação é afetada por fatores ambientais como: temperatura, pH e concentração de OD. A desnitrificação ocorre em temperaturas na faixa de 10°C a 30°C. O pH ótimo está na faixa de 6,5 a 8. A velocidade de desnitrificação é reduzida em valores de pH abaixo de 6 e acima de 9, principalmente devido ao aumento da produção de óxidos nítricos que são 22 inibidores do processo.
  11. 11. 11 A presença de oxigênio inibe o processo de desnitrificação em concentrações superiores a 1 mgO2/L . A concentração de oxigênio que é considerada de maior efeito é a que está dentro dos flocos ou biofilmes e não a que é medida na fase líquida. Quando a fonte de energia é orgânica, a água residuária a ser desnitrificada deve conter carbono orgânico suficiente para prover a conversão de nitrato (NO3 - ) a N2 gasoso pela bactéria. O requerimento de carbono pode ser provido por meio de fonte interna (recirculação de parte da água residuária, material celular) ou externa (aminoácidos, etanol, acetato, succinato, acetona, glicose, óleo de oliva e benzoato). 1.5 Podem ocorrer a Nitrificação e Desnitrificação Simultânea – SND Ocorre pela oxidação do nitrogênio amoniacal em fase aeróbia e a redução de compostos oxidados de nitrogênio em um mesmo reator (ANTUNES 2009). Para isso o reator precisa ser operado sob condições específicas de aeração favorecendo o desenvolvimento de micronichos em biofilmes condicionados a um gradiente de oxigênio. As bactérias nitrificantes se desenvolvem em áreas com elevadas concentrações de oxigênio, enquanto os microrganismos desnitrificantes se desenvolvem com baixas concentrações de oxigênio dissolvido no interior do biofilme. FIGURA 3 - Representação de biofilme com gradiente de oxigênio dissolvido formando zonas aeradas e anóxicas favorecendo a SND (ANTUNES 2009).
  12. 12. 12 REFERÊNCIAS ANTUNES, H.; Dissertação de mestrado – Nitrificação em sistemas de lodos ativados (2009). Disponível em: < http://www.coenge.ufcg.edu.br/publicacoes/Public_ 357.pdf>. Acesso em 27 de outubro de 2012. CICLIDEOS 2012. O ciclo do azoto e os aquários. Disponível em: <http://www.ciclideos.com/o-ciclo-do-azoto-e-os-aquarios-a27.html>. Acesso em 27 de outubro de 2012. NATURLINK 2012. Remoção de nutrientes de águas residuais. Disponível em: <http://naturlink.sapo.pt/Natureza-e-Ambiente/Gestao-Ambiental/content/Remocao-de- Nutrientes-de-aguas-Residuais/section/3?bl=1>. Acesso em 27 de outubro de 2012. NÉIA, R. et al.; 2007 – Ciclo do Nitrogênio. Disponível em:< http://www.ufpel.edu. br/ iqg/ livrovirtual/estanteamb_arquivos/nitrogenio.pdf>. Acesso em 27 de outubro de 2012. QNESC 2003. Cadernos online – Ciclos globais. Disponível em: <http://qnesc.sbq. org.br/online/cadernos/05/quimica_da_atmosfera.pdf>. Acesso em 27 de outubro de 2012. RUFINI, M. et al.; Simbiose de bactérias fixadoras de nitrogênio com feijoeiro- comum em diferentes valores de pH (2011). Disponível em: <http://www.scielo.br/ pdf/pab/v46n1/11.pdf>. Acesso em 27 de outubro de 2012. SILVA, G. H.; TCC - Sistema de alta eficiência para tratamento de esgoto residencial – estudo de caso na lagoa da conceição (2004). Disponível em: <pt.scribd.com/doc/63659085/37/Nitrificacao-e-Desnitrificacao>. Acesso em 27 de outubro de 2012. SOCIOBIOLOGIA 2012. Disponível em: <http://www.sobiologia.com.br/conteudos /Ar/nitrogenio.php>. Acesso em 27 de outubro de 2012.

×