A Química do Aquário – Ciclo Biogeoquímico do Nitrogênio

1 – Introdução
O nitrogênio assim com o fósforo e potássio, são fatores limitantes do crescimento das plantas aquáticas. Nesse artigo tratarei somente do nitrogênio (um ciclo gasoso como os de carbono e oxigênio) e os demais (carbono e oxigênio) em artigos posteriores.

O gás nitrogênio (N2), compõe de 75 a 80% da atmosfera, entretanto, as plantas não podem absorvê-lo de forma direta. Em seu aquário a porcentagem também é bem relevante.

O nitrogênio assim como o carbono e o oxigênio são ciclos gasosos de suma importância ao seu aquário, a atmosfera é rica em nitrogênio e pobre em carbono, o mesmo ocorre em aquários que não tenham injeção de CO2 ou adição de carbono líquido. O ciclo do nitrogênio é muito mais extenso que o ciclo do carbono e do oxigênio, sendo fundamental para os outros dois.

2 – Ecossistema Aquático e os compostos Nitrogenados

Em nossos aquários, os compostos nitrogenados de interesse são:

a) Amônia (NH₃) e amônio (NH₄⁺): Apesar do potencial tóxico do amônio (NH₄⁺) para a fauna, a amônia não apresenta tal toxidade por ser um gás de baixa dissolução em água e seu tempo de vida relativamente curto, aproximadamente 10 dias, é o terceiro composto mais abundante na atmosfera, ficando atrás apenas do gás nitrogênio (N₂) e do óxido nitroso (N₂O). Outro motivo para a toxidade dos compostos amoníacos em água com PH elevado é devido á ionização/salinização da amônia em amônio.

A amônia reage com a água produzindo o íon amônio que é tóxico, elevando o PH com a hidroxila (OH^–). Por isso em aquários alcalinos a mesma concentração de amônia é muito mais letal do que em aquários ácidos. O equilíbrio dinâmico está muito mais para produção de amônio do que de amônia em aquários alcalinos.

b) Nitrito (NO₂^–): potencialmente tóxico este intermediário no ciclo do nitrogênio, pode produzir ácido nítrico no aquário diminuindo o PH, antes de ser transformado em nitrato pelas bactérias.

c) Nitrato – produto determinado pelos aquaristas em sua maioria como item final do ciclo do nitrogênio no aquário, absorvido pela flora diminuindo assim sua concentração que raramente chega a ser tóxica em aquário plantados, mas em marinhos pode se tornar fatal.

Um bom substrato com capacidade adsorvente pode reter esse e outros nutrientes, os removendo da coluna d’água e liberando somente para as raízes da flora.

d) Gás nitrogênio (N₂) – este sim, esquecido por todos, é o produto final do ciclo, que é completado por bactérias anaeróbicas presentes em zonas mortas do aquário como substrato compactado e zonas de baixa circulação de água.

3 – As fontes de nitrogênio no aquário são diversas:

3.1-Dissolução do gás nitrogênio (N₂) atmosférico na coluna d’água.

3.2- Amonização – geração de gás amônia (NH₃) e sais de amônio (NH₄⁺) por bactérias decompositoras, que atuam nos dejetos da fauna (peixes: ósseos excretam amônia,e os cartilaginosos excretam uréia que é muito menos tóxica), na decomposição das folhas da flora, nos restos mortais da fauna, e no excesso de alimentação.

3.3- Nitrosação (geração nitrito (NO₂) por bactérias Nitrossomanos.

3.4- Nitratação (geração de nitratos) por bactérias Nitrobacter.

4 – Envolvimento biológico

As formas disponíveis combinadas de nitrogênio para nutrição dos seres vivos incluem as combinações amoniacais (NH₃/NH₄
⁺), nítricas (NO₂^–, NO₃^–) ou orgânicas (R-NH₂), que são metabolizadas para a construção da biomassa (plantas ou animais), constituindo ácidos nucléicos, proteínas, clorofila (responsável pela fotossíntese), vitaminas, enzimas e hormônios.

Certas bactérias, algas e fungos convertem o nitrogênio gasoso em amônia, sendo esta absorvida diretamente por algumas plantas ou indiretamente ao decorrer do ciclo.

5 – Tipos de bactérias, algas e fungos presentes no ciclo do nitrogênio:

5.1 – Cianobactéria – principais responsáveis na fixação do gás nitrogênio (N₂) atmosférico, transformando-o em amônia.

5.2 – Alga azul Anabaena – responsáveis na fixação do gás nitrogênio (N₂) atmosférico, transformando-o em amônia.

5.3 – Alga azul Nostoc – responsáveis na fixação do gás nitrogênio (N₂) atmosférico, transformando-o em amônia.

5.4 – Fungos – responsáveis na fixação do gás nitrogênio (N₂) atmosférico, transformando-o em amônia.

5.5- Bactéria Rhizobium – As bactérias do gênero Rhizobium, utilizam o sistema radicular (raízes) de algumas variedades de plantas onde se desenvolvem, absorvendo o gás nitrogênio (Isso mesmo, o seu aquário também possui gás nitrogênio), fixando no substrato fértil os sais transformados (NH₄⁺; NO₃^–; NO₂), estes agora podem ser absorvidos pelas raízes das plantas como “adubo”. Por isso a importância de se ter um bom substrato com capacidade adsorvitiva, para que esses nutrientes fixados não retornem a coluna d’água.

5.6 – Bactéria Nitrosomonas – Bactéria quimiotrófica nitrificante oxida a amônia NH₃ para nitrito NO₂

5.7 – Bactéria Nitrobacter – Bactéria que oxida o nitrito NO₂ para o nitrato NO₃

5.8 – Bactéria Rhodospirillum – Bactérias fotossintéticas

5.9 – Nitrosococcus – bactérias nitrificantes

5.10 – Pseudomonas denitificans – bactéria anaeróbicas geram N₂

5.11 – Bactéria Clostridium – Bactérias anaeróbicas geram N₂

6 – Ação das bactérias e seus ciclos:

6.1 Bactérias Decompositoras – transformam os resíduos nitrogenados orgânicos (fezes, alimentos, restos mortas de fauna e flora) em amônia gasosa e sais de amônio. Ao processo de decomposição, em que compostos orgânicos nitrogenados se transformam em amônia e íon amônio, dá se o nome de amonização

R-NH₂ → NH₃ + R

6.2 Bactérias Nitrificantes – Transformam a amônia e seus sais obtidos pela decomposição das bactérias decompositoras em nitritos e depois nitratos por um grupo de bactérias quimiossintetizantes (isso mesmo, precisa de luz) As bactérias quimiossintetizantes oxidam os íons e com a energia liberada, fabricam compostos orgânicos a partir do CO₂ e água, definindo a quimiossíntese. A oxidação dos íons amônio produz o nitrito como resíduo nitrogenado que é liberado para a coluna d’água, essa conversão leva o nome de nitrosação ou nitrificação. (bactérias Nitrossomonas e Nitrossococcus, Aspergilus). Os nitritos são oxidados a nitratos (Nitração) pelas bactérias quimiossintetizantes do gênero Nitrobacter.

O nitrato liberado na coluna d’água agora pode ser consumido pelas plantas e seres que possam utilizar esse macronutriente.

6.2.1 – Nitrosação: Transformação da amônia em nitrito.

NH₄⁺ + 3/2O2 → NO₂^– + H₂O + 2H⁺

6.2.2- Nitração: Transformação de nitrito em nitrato.

NO₂^– + 1/2O2 → NO₃^–

6.3 Bactérias Desnitrificantes – As Bactérias (Pseudomonas) encontradas nas zonas mortas do aquário como substrato compactado (sem oxigênio), que a partir do nitrato, produzem nitrogênio gasoso (desnitrificação) que retorna a coluna d’água e posteriormente com a agitação da lamina d’água a atmosfera.

NO₃^– + Matéria Orgânica → N₂ + CO₂ + H₂0

6.3 Bactérias Desnitrificantes – As Bactérias (Pseudomonas) encontradas nas zonas mortas do aquário como substrato compactado (sem oxigênio), que a partir do nitrato, produzem nitrogênio gasoso (desnitrificação) que retorna a coluna d’água e posteriormente com a agitação da lamina d’água a atmosfera.

NO₃^– + Matéria Orgânica → N₂ + CO₂ + H₂0

7 – Em resumo, no seu aquário acontece dessa forma:

O gás nitrogênio (N2) dissolvido na água, os restos de alimentos em excesso, fezes e restos de fauna e flora em decomposição dão início ao ciclo do nitrogênio pelo processo denominado amonização com as bactérias decompositoras: RNHX → NH3/NH4+ + R

As bactérias Nitrificantes entram em ação, transformando a amônia e seus sais em nitritos no processo de nitrosação:   NH4+ + 3/2O2 → NO2– + H2O + 2H+

As bactérias Nitrificantes entram novamente em ação, transformando os nitritos em nitratos no processo de nitração:   NO2– + 1/2O2 → NO3–

Na etapa final do processo as bactéria anaeróbicas presentes nas zonas mortas do aquário, como substrato compactado produzem o gás nitrogênio com o consumo do nitrito. ( bolas que saem do substrato, geralmente são gás nitrogênio (N2) que retorna ao ciclo seja dissolvido na água ou liberado a atmosfera.   NO3– + Matéria Orgânica → N2 + CO2 + H20

8 – Ciclo Do nitrogênio em águas naturais

Conclusões:
1. Em aquários plantados algumas variedades de plantas podem absorver diretamente a amônia dissolvida na água sem a necessidade das bactérias Nitrosomanos e Nitrobacter que transformam amônia em nitritos e nitratos.2. A fixação do nitrogênio ocorre por meio de organismos simbióticos fixadores de nitrogênio.

3. A fixação do nitrato por via biológica é a mais importante, o nitrogênio fixado é rapidamente dissolvido na água e fica disponível para as plantas em aquários plantados e “poluindo” os aquário de ciclídeos e marinhos. Em plantados as plantas transformam os nitratos em grandes moléculas nitrogenadas necessárias a sua vida. Reiniciando o ciclo quando da decomposição de suas folhas.

4. A ação conjunta das bactérias decompositoras, nitrificantes e desnitrificantes são responsáveis pelo equilíbrio biogeoquímico do nitrogênio no aquário.

5. Segundo KINJO & PRATT 1971 e KINJO et. al. 1978 citados por Padovesi 1988 o nitrato pode ser removido (adsorvidos) por óxidos de ferro e alumínio, interferindo assim no ciclo do nitrogênio evitando a formação da desnitrificação por falta do nitrato. O uso do skimmer também interrompe o ciclo removendo o excesso de material nitrogenado do aquário tornando assim o nível de nitrato menor.

6. Segundo LOPEZ et. AL.1998, estudando nitrificação e desnitrificação é um processo muito mais efetivo com concentrações maiores de aeração. O oxigênio é fundamental para o processo. Como visto em todas as etapas do ciclo do nitrogênio no aquário consomem oxigênio ( forma aeróbica), exceto a desnitrificação ( ocorre de forma anaeróbica ). Essas reações são reações de redox ( oxidação – redução ), então um aquário pobre em oxigênio tem seu ciclo do nitrogênio comprometido, podendo levar desde a surtos de algas, compostos tóxicos em excesso e até a eutrofização total do aquário.Então quanto mais oxigênio melhor para a fauna e para as bactérias !

7. Em aquários alcalinos e de maior temperatura a amônia é muito mais volátil e toxica.

Autor: Marcelo Andrade (23/11/2011)

Fonte: http://www.aquaflux.com.br/conteudo/artigos/a-quimica-do-aquario-ciclo-biogeoquimico-do-nitrogenio.php

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