Ciclo do nitrogênio

OBJETIVO: Discutir o ciclo do nitrogênio na natureza, a importância do nitrogênio para os seres vivos e o ciclo percorrido pelo nitrogênio.

MATERIAIS NECESSÁRIOS PARA EXECUÇÃO DA ATIVIDADE;

• Uma bolo da vinil;

• representação de alimentos que ilustrem fontes de nitrogênio ,sendo estes carnes, ovos e queijo (na ausência dos mesmos, utilizar fotos para demonstrá-los);

• um vaso com uma planta que precisa ser uma leguminosa, como por exemplo, soja,feijão,ervilha,amendoim bravo etc.;

• um vidro com raízes de plantas leguminosa , Sugere-se utilizar raízes de trevos ou amendoim bravo (encontrados em jardins) ou raiz de soja, nos quais normalmente é fácil observar os nódulos arredondados das bactérias. Se não conseguir, procure fotos de “raiz de leguminosa com Rhizobium” na Internet;

• Um recipiente com chá preto diluído, para simular urina; 

• Um recipiente com amostra de ureia;

• Um recipiente com grãos in natura de feijão e/ou soja; 

• Duas bolas de isopor pequenas; 

• Três palitos de dentes. 

PROCEDIMENTOS: A atividade começa com a pintura das bolas de isopor e sua conexão por meio de três palitos de dente, formando um modelo que representa as moléculas de nitrogênio (N₂). Essa representação ajuda a visualizar como os dois átomos de nitrogênio estão fortemente ligados entre si, o que dificulta sua absorção direta por plantas e animais.

Em seguida, os materiais devem ser organizados sobre uma mesa na seguinte ordem sugerida: bola de vinil, bolas de isopor, vidro com raízes de leguminosa, vaso com planta leguminosa, recipiente com grãos de soja e feijão, alimentos artificiais e recipiente com ureia.

A bola de vinil é utilizada para representar o ar atmosférico. Explica-se que cerca de 78% do ar é composto por nitrogênio. No entanto, mesmo com essa abundância, os seres vivos não conseguem absorver o nitrogênio diretamente do ar, pois ele está na forma molecular (N₂), com uma ligação muito forte entre os átomos — o que é simbolizado pelas bolas de isopor unidas por palitos.

Apresenta-se, então, o vidro contendo raízes de plantas leguminosas, evidenciando os nódulos presentes nessas raízes. Nesses nódulos ocorrem infecções simbióticas por bactérias do gênero Rhizobium, que possuem a capacidade de "quebrar" as ligações do N₂, transformando-o em formas absorvíveis pelas plantas. Com o vaso de planta leguminosa, reforça-se que apenas plantas desse grupo — como feijão, soja, ervilha e tremoço — são capazes de se beneficiar dessa simbiose com as bactérias fixadoras de nitrogênio.

Em seguida, levanta-se uma questão: como as plantas que não formam essa associação, como o milho, conseguem obter o nitrogênio necessário? Nesse momento, mostra-se o recipiente com ureia, explicando que esse fertilizante é produzido industrialmente a partir do nitrogênio do ar, transformado em uma forma que as plantas conseguem absorver. Quando aplicada ao solo, a ureia se dissolve e libera nitrogênio, que é então absorvido pelas raízes das plantas.

Na etapa seguinte, mostra-se a representação de alimentos de origem vegetal (como grãos de feijão e soja) e alimentos de origem animal (como carne, ovos e queijo), explicando que os animais obtêm o nitrogênio ao consumir plantas, e os seres humanos absorvem esse nutriente ao ingerir esses alimentos.

Apresenta-se, então, um recipiente com líquido simulando urina. Explica-se que o excesso de nitrogênio no organismo dos seres vivos é eliminado principalmente por meio da urina, na forma de ureia — a mesma substância presente nos fertilizantes. Esse nitrogênio retorna ao ambiente, onde pode ser novamente utilizado.

Por fim, destaca-se que a urina, as fezes e os cadáveres, ao serem depositados no solo, são decompostos por bactérias que transformam a matéria orgânica em formas inorgânicas de nitrogênio, que podem ser reabsorvidas pelas plantas. Outras bactérias ainda realizam o processo de desnitrificação, transformando o nitrogênio novamente em N₂, que retorna à atmosfera, completando o ciclo do nitrogênio na natureza.

CONCLUSÃO: Cerca de 78% da atmosfera é composta por N₂. No entanto, devido ao tipo de ligação química que une os dois átomos de nitrogênio, apenas alguns organismos — principalmente bactérias — são capazes de fixá-lo e torná-lo disponível para as plantas. 

CICLO DO NITROGÊNIO

O ciclo biogeoquímico do nitrogênio envolve a troca contínua desse elemento entre a atmosfera, o solo e a matéria orgânica. Esse processo é composto por diversas reações de oxirredução, através das quais os microrganismos obtêm energia para realizar funções metabólicas.

Dois grupos de organismos se destacam na fixação biológica do nitrogênio: as cianobactérias, que são bactérias autotróficas (produzem seu próprio alimento por meio da fotossíntese), e as bactérias do gênero Rhizobium, que vivem em simbiose com plantas leguminosas, formando nódulos nas raízes.

Essa relação é mutualística, ou seja, ambas as partes se beneficiam: a planta fornece nutrientes e abrigo, enquanto a bactéria fixa o nitrogênio atmosférico, quebrando a ligação tripla da molécula de N₂ e transformando-o em amônia (NH₃). No solo, essa amônia se converte em íon amônio (NH₄⁺), que passa pelo processo de nitrosação, transformando-se em nitrito (NO₂⁻) — uma substância tóxica para as plantas. Em seguida, o nitrito é convertido em nitrato (NO₃⁻) por meio da nitratação, tornando-se disponível para absorção pelas plantas.

As plantas utilizam o nitrato para sintetizar proteínas e outros compostos essenciais. No entanto, como o nitrato é altamente solúvel, ele pode ser lixiviado, ou seja, carregado pela água para camadas mais profundas do solo ou para cursos d’água. Em ambientes com pouca ou nenhuma presença de oxigênio, o nitrato pode passar por um processo de desnitrificação, retornando à forma gasosa (N₂) e voltando para a atmosfera.

A atmosfera é o principal reservatório de nitrogênio, com uma estimativa de 10¹⁵ toneladas. Os dois principais meios de transferência desse nitrogênio para o solo são:

• A fixação industrial (produção de fertilizantes nitrogenados);
  
  

• A fixação biológica, realizada por microrganismos.
  
  

Contudo, devido à desnitrificação, boa parte do nitrogênio fixado retorna à atmosfera, tornando esse ciclo praticamente contínuo e mantendo o ar como um depósito praticamente inesgotável de nitrogênio.

As principais fontes de nitrogênio para o solo são:

• Matéria orgânica de origem vegetal e animal;
  
  

• Fertilizantes industriais (como sais de amônio e nitratos);
  
  

• Precipitações atmosféricas (chuvas);
  
  

• Fixação biológica realizada por microrganismos.

As plantas absorvem nitrogênio, que é necessário para seu crescimento, principalmente na forma de nitrato (NO₃⁻) e amônio (NH₄⁺), mas também podem utilizar materiais orgânicos, como aminoácidos, especialmente sob certas condições ambientais. A absorção de nitrato ocorre através de um processo ativo que requer ATP e envolve dois sistemas distintos: o sistema de alta abundância (HATS), que se ativa quando a concentração de nitrato é baixa, abaixo de 1 mM, e pode ser causado pela presença do nutriente; e o sistema de baixa abundância (LATS), que se ativa quando a concentração de nitrato é maior, acima de 1 mM, e funciona de forma constante. Uma vez absorvido, o medicamento pode ser armazenado no vacúolo da célula e transportado através do xilema para as partes superiores da planta e posteriormente redistribuído sob a forma de aminoácidos por meio do floema.

O amônio, por sua vez, tende a ser preferido em solos com pH mais elevado. Sua absorção também ocorre em duas fases, com um sistema de alta afinidade atuando em concentrações reduzidas e outro de baixa afinidade em ambientes com maior disponibilidade. Diferente do nitrato, o transporte de NH₄⁺ ocorre passivamente, dependendo do gradiente de prótons estabelecido pelas bombas de H⁺-ATPase na membrana celular. Após sua entrada na célula, o amônio é rapidamente assimilado por meio do ciclo GS-GOGAT, contribuindo diretamente para a formação de compostos nitrogenados essenciais ao metabolismo vegetal.

No nível molecular, a absorção desses íons envolve proteínas transportadoras específicas. Os transportadores AMT1 e AMT2 são responsáveis pela captação de amônio em condições de baixa e alta concentração, respectivamente. Já os transportadores NRT1 e NRT2 atuam na absorção de nitrato, sendo o primeiro de baixa afinidade e o segundo de alta afinidade. A expressão desses transportadores varia de acordo com a espécie vegetal, o nível de nitrogênio disponível no solo e as condições ambientais.

Diversos fatores influenciam diretamente a eficiência de absorção do nitrogênio. O pH do solo é determinante: o nitrato é mais facilmente absorvido em ambientes ácidos, enquanto o amônio apresenta maior eficiência em solos alcalinos. A presença de luz também tem impacto, favorecendo especialmente a absorção do NH₄⁺. Já situações como a hipóxia (baixa disponibilidade de oxigênio no solo) e a presença de inibidores metabólicos tendem a reduzir a absorção de ambos os íons. Além disso, a planta regula a entrada de nitrogênio através de mecanismos de retroalimentação, inibindo sua captação quando já há acúmulo de compostos nitrogenados, como o próprio amônio, nitrito e aminoácidos livres.

Por fim, além das formas inorgânicas, algumas espécies vegetais também conseguem absorver formas orgânicas de nitrogênio, como aminoácidos e até pequenas proteínas, o que é mais comum em ambientes frios ou com baixa taxa de mineralização do solo. Plantas como o arroz e o sorgo demonstram maior capacidade de utilizar esse tipo de nitrogênio orgânico, o que representa uma vantagem adaptativa em certos ecossistemas.

EXERCICÍOS: 

1. (V/F) A fixação biológica do nitrogênio ocorre exclusivamente pelas bactérias do gênero Rhizobium.
Gabarito: Falso

Também ocorre por cianobactérias e outros microrganismos fixadores.

2. (Múltipla escolha) A sequência correta de transformação do nitrogênio no solo durante a nitrificação é:
a) NO₃⁻ → NH₄⁺ → NO₂⁻
b) NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻
c) NO₂⁻ → NH₄⁺ → NO₃⁻
d) NH₃ → NO₃⁻ → NO₂⁻
Gabarito: b) NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻

3. (V/F) O nitrato (NO₃⁻), embora facilmente absorvido pelas plantas, pode ser perdido por lixiviação.
Gabarito: Verdadeiro

4. (Múltipla escolha) Qual das alternativas representa uma forma de retorno do nitrogênio da biosfera para a atmosfera?
a) Nitrificação
b) Fixação biológica
c) Denitrificação
d) Ammonificação
Gabarito: c) Denitrificação

5. (V/F) O nitrogênio atmosférico (N₂) é diretamente absorvido pelas raízes das plantas.
Gabarito: Falso

As plantas só absorvem nitrogênio em formas solúveis como NO₃⁻ ou NH₄⁺.

6.Explique o papel das bactérias do gênero Rhizobium no ciclo do nitrogênio.
Gabarito esperado:Vivem em simbiose com leguminosas e realizam a fixação biológica do N₂ atmosférico, convertendo-o em amônia (NH₃), posteriormente transformada em formas assimiláveis pelas plantas.

7.O que é a desnitrificação e qual sua importância no ciclo do nitrogênio?
Gabarito esperado:É a conversão de nitratos (NO₃⁻) em gás nitrogênio (N₂), realizada por microrganismos em ambientes anaeróbicos. Fecha o ciclo do nitrogênio, devolvendo-o à atmosfera.

8.Por que o nitrato é mais suscetível à lixiviação do que o amônio?
Gabarito esperado:Porque o nitrato é altamente solúvel em água e não se adsorve às partículas do solo, ao contrário do amônio, que é um cátion e pode ser retido por cargas negativas do solo.

9.Cite duas formas pelas quais o nitrogênio pode ser incorporado ao solo a partir da atmosfera.
Gabarito esperado:

• Fixação biológica por microrganismos
  
  

• Fixação industrial (produção de fertilizantes nitrogenados)
  
  

10.Descreva o papel das cianobactérias no ciclo do nitrogênio.
Gabarito esperado:São microrganismos autotróficos capazes de realizar a fixação biológica do N₂ atmosférico, transformando-o em amônia, especialmente em ambientes aquáticos e solos úmidos.

REFERÊNCIAS: LIMA, Marcelo Ricardo de (ed.). Experimentos na educação em solos. 2020. Disponível em: Experimentos na educação em solos (ufpr.br) Acesso em: 28 set. 2024.

DECHEN, Antonio Roque; NACHTIGALL, Gilmar Ribeiro. ELEMENTOS ESSENCIAIS E BENÉFICOS ÀS PLANTAS SUPEIRORES. 2006. Disponível em: https://pt.scribd.com/doc/93171767/Livro-Nutricao-Mineral-de-Plantas-1. Acesso em: 7 jul. 2025.