miniatura|320px|direita|Figura 1. O ciclo do nitrogênio em um sistema solo-planta. Um possível caminho: o nitrogênio é fixado por micróbios em compostos orgânicos, que são mineralizados (isto é, amonificação) e depois oxidados para formas inorgânicas (isto é, nitrificação) que são assimiladas pelas plantas (NO3−). O NO3− também pode ser desnitrificado por bactérias, produzindo N2, NOx e N2O. miniatura|Excedente estimado de nitrogênio (a diferença entre a aplicação de fertilizantes inorgânicos e orgânicos, deposição atmosférica, fixação e absorção pelas culturas) para o ano de 2005 na Europa. O impacto humano no ciclo do nitrogênio é variado. As entradas de nitrogênio (N) agrícolas e industriais no meio ambiente atualmente superam as entradas provenientes da fixação natural de nitrogênio. Como consequência dessas entradas antropogênicas, o ciclo do nitrogênio global (Figura 1) foi significativamente alterado ao longo do último século. As frações molares globais de óxido nitroso (N2O) na atmosfera aumentaram de um valor pré-industrial de aproximadamente 270 nmol/mol para cerca de 319 nmol/mol em 2005.Alley et al. 2007. IPCC Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I in the Third Assessment Report of Intergovernmental Panel on Climate Change. Report Summary for Policy Makers . As atividades humanas são responsáveis por mais de um terço das emissões de N2O, sendo a maior parte proveniente do setor agrícola. Este artigo tem como objetivo fornecer uma breve revisão da história das entradas antropogênicas de nitrogênio e os impactos relatados dessas entradas em ecossistemas terrestres e aquáticos selecionados.
História das entradas antropogênicas de nitrogênio
Aproximadamente 78% da atmosfera terrestre é composta por gás nitrogênio (N2), que é um composto inerte e biologicamente indisponível para a maioria dos organismos. Para ser utilizado na maioria dos processos biológicos, o N2 deve ser convertido em (Nr), que inclui formas reduzidas inorgânicas (NH3 e NH4+), formas oxidadas inorgânicas (NO, NO2, HNO3, N2O e NO3−) e compostos orgânicos (ureia, aminas e proteínas). O N2 possui uma forte ligação tripla, exigindo uma quantidade significativa de energia (226 kcal/mol) para ser convertido em Nr. Antes dos processos industriais, as únicas fontes dessa energia eram a radiação solar e descargas elétricas. Utilizando uma grande quantidade de energia metabólica e a enzima nitrogenase, algumas bactérias e cianobactérias convertem o N2 atmosférico em NH3, um processo conhecido como fixação biológica de nitrogênio (FBN).Schlesinger, W. H. 1997. Biogeochemistry: An analysis of global change, San Diego, CA. O análogo antropogênico à FBN é o processo Haber-Bosch, no qual H2 reage com o N2 atmosférico em altas temperaturas e pressões para produzir NH3.Smil, V. 2001. Enriching the earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the transformation of world food production. MIT Press, Cambridge, MA. Por fim, o N2 é convertido em NO pela energia de raios, que é insignificante nos ecossistemas temperados atuais, ou pela combustão de combustíveis fósseis.
Até 1850, a FBN natural, a FBN induzida pelo cultivo (por exemplo, plantio de culturas leguminosas) e a matéria orgânica incorporada eram as únicas fontes de nitrogênio para a produção agrícola. Por volta do final do século, o Nr de depósitos de guano e nitrato de sódio era extraído e exportado de ilhas áridas do Pacífico e desertos sul-americanos. No final da década de 1920, processos industriais iniciais, embora ineficientes, eram comumente usados para produzir NH3. Devido aos esforços de Fritz Haber e Carl Bosch, o processo Haber-Bosch tornou-se a maior fonte de fertilizantes nitrogenados após a década de 1950, substituindo a FBN como a fonte dominante de produção de NH3. De 1890 a 1990, o Nr criado antropogenicamente aumentou quase nove vezes. Durante esse período, a população humana mais que triplicou, parcialmente devido ao aumento da produção de alimentos.
Desde a Revolução Industrial, uma fonte adicional de entrada antropogênica de nitrogênio tem sido a combustão de combustíveis fósseis, usada para liberar energia (por exemplo, para alimentar automóveis). À medida que os combustíveis fósseis são queimados, altas temperaturas e pressões fornecem energia para produzir NO a partir da oxidação de N2. Além disso, quando os combustíveis fósseis são extraídos e queimados, o nitrogênio fóssil pode se tornar reativo (isto é, emissões de NOx). Durante a década de 1970, os cientistas começaram a reconhecer que as entradas de nitrogênio estavam se acumulando no meio ambiente e afetando os ecossistemas.
Impactos das entradas antropogênicas no ciclo do nitrogênio Entre 1600 e 1990, a criação global de nitrogênio reativo (Nr) aumentou quase 50%. Durante esse período, as emissões atmosféricas de espécies de Nr aumentaram 250% e a deposição em ecossistemas marinhos e terrestres aumentou mais de 200%. Além disso, foi relatado um aumento de quatro vezes nos fluxos de nitrogênio inorgânico dissolvido em rios para as costas. O nitrogênio é um nutriente limitante crítico em muitos sistemas, incluindo florestas, pântanos e ecossistemas costeiros e marinhos; portanto, essa mudança nas emissões e distribuição de Nr resultou em consequências substanciais para ecossistemas aquáticos e terrestres.
Atmosfera
As entradas atmosféricas de nitrogênio incluem principalmente óxidos de nitrogênio (NOx), amoníaco (NH3) e óxido nitroso (N2O) provenientes de ecossistemas aquáticos e terrestres, e NOx da combustão de combustíveis fósseis e biomassa.
Em agroecossistemas, a aplicação de fertilizantes aumentou a nitrificação microbiana (processo aeróbico no qual micro-organismos oxidam amônio [NH4+] para nitrato [NO3−]) e a desnitrificação (processo anaeróbico no qual micro-organismos reduzem NO3− para gás nitrogênio atmosférico [N2]). Ambos os processos liberam naturalmente óxido nítrico (NO) e óxido nitroso (N2O) para a atmosfera. De particular preocupação é o N2O, que tem uma vida média atmosférica de 114–120 anos,John T. Houghton, Y. Ding, D. J. Griggs, M. Noguer, P. J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, e C. A. Johnson. 2001. IPCC Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I in the Third Assessment Report of Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press] e é 300 vezes mais eficaz que o CO2 como gás de efeito estufa. O NOx produzido por processos industriais, automóveis e fertilização agrícola, e o NH3 emitido pelos solos (isto é, como subproduto adicional da nitrificação) e operações pecuárias são transportados para ecossistemas a favor do vento, influenciando o ciclo de nitrogênio e as perdas de nutrientes. Seis principais efeitos das emissões de NOx e NH3 foram citados:
redução da visibilidade atmosférica devido a aerossóis de amônio (partículas finas material particulado [PM]); elevadas concentrações de ozônio; efeitos do ozônio e PM na saúde humana (por exemplo, doenças respiratórias, câncer); aumentos no forçamento radiativo e mudanças climáticas globais; redução da produtividade agrícola devido à deposição de ozônio; e acidificação de ecossistemas e eutrofização.
Biosfera Os ecossistemas terrestres e aquáticos recebem entradas de Nr da atmosfera por meio de deposição úmida e seca. As espécies de Nr atmosférico podem ser depositadas nos ecossistemas por precipitação (por exemplo, NO3−, NH4+, compostos orgânicos de N), como gases (por exemplo, NH3 e ácido nítrico gasoso [HNO3]), ou como aerossóis (por exemplo, nitrato de amônio [NH4NO3]). Os ecossistemas aquáticos recebem nitrogênio adicional de escoamento superficial e entradas fluviais.
O aumento da deposição de nitrogênio pode acidificar solos, rios e lagos e alterar a produtividade de florestas e pastagens. Em ecossistemas de pastagens, as entradas de nitrogênio produziram aumentos iniciais na produtividade, seguidos por declínios à medida que limiares críticos são excedidos. Efeitos do nitrogênio na biodiversidade, no ciclo do carbono e mudanças na composição de espécies também foram demonstrados. Em áreas altamente desenvolvidas de oceanos costeiros e sistemas estuarinos, os rios fornecem entradas diretas (por exemplo, escoamento superficial) e indiretas (por exemplo, contaminação de águas subterrâneas) de nitrogênio provenientes de agroecossistemas. O aumento das entradas de nitrogênio pode resultar em e eutrofização de águas marinhas.
Ecossistemas terrestres
Impactos na produtividade e no ciclo de nutrientes
Grande parte do crescimento terrestre em sistemas temperados é limitada pelo nitrogênio; portanto, entradas de nitrogênio (isto é, por meio de deposição e fertilização) podem aumentar a disponibilidade do elemento, o que temporariamente aumenta a sua absorção, o crescimento de plantas e micróbios e o acúmulo de nitrogênio na biomassa vegetal e na .Aber, J. D., K. J. Nadelhoffer, P. Steudler, and J. M. Melillo. 1989. "Nitrogen saturation in northern forest ecosystems". Bioscience 39:378–386 A incorporação de maiores quantidades de nitrogênio na matéria orgânica reduz as razões C:N, aumentando a liberação de nitrogênio mineral (NH4+) durante a decomposição da matéria orgânica por micróbios heterotróficos (isto é, amonificação). À medida que a amonificação aumenta, também aumenta a nitrificação do nitrogênio mineralizado. Como a nitrificação microbiana e a desnitrificação são "vazantes", espera-se que a deposição de nitrogênio aumente as emissões de gases traço. Além disso, com o aumento do acúmulo de NH4+ no solo, os processos de nitrificação liberam íons de hidrogênio, que acidificam o solo. O NO3−, produto da nitrificação, é altamente móvel e pode ser lixiviado do solo, junto com minerais alcalinos carregados positivamente, como cálcio e magnésio. Em solos ácidos, os íons de alumínio mobilizados podem atingir concentrações tóxicas, afetando negativamente tanto os ecossistemas terrestres quanto os aquáticos adjacentes.
As fontes antropogênicas de nitrogênio geralmente chegam às florestas de terras altas por meio de deposição. Uma preocupação potencial do aumento da deposição de nitrogênio devido às atividades humanas é a alteração do em ecossistemas florestais. Numerosos estudos demonstraram impactos positivos e negativos da deposição atmosférica de nitrogênio na produtividade florestal e no armazenamento de carbono. O nitrogênio adicionado é frequentemente imobilizado rapidamente por microorganismos, e o efeito do nitrogênio disponível restante depende da capacidade da comunidade vegetal para absorção de nitrogênio. Em sistemas com alta absorção, o nitrogênio é assimilado na biomassa vegetal, levando a um aumento da produtividade primária líquida (PPL) e possivelmente a um aumento do sequestro de carbono por meio de maior capacidade fotossintética. No entanto, as respostas dos ecossistemas às adições de nitrogênio dependem de muitos fatores específicos do local, incluindo clima, história de uso do solo e quantidade de adições de nitrogênio. Por exemplo, no nordeste dos Estados Unidos, florestas de folhosas que receberam entradas crônicas de nitrogênio demonstraram maior capacidade de reter nitrogênio e aumentar a produtividade primária líquida anual (PPLA) do que florestas de coníferas. Uma vez que a entrada de nitrogênio excede a demanda do sistema, o nitrogênio pode ser perdido por lixiviação e fluxos de gases. Quando o nitrogênio disponível excede a capacidade de absorção do ecossistema (isto é, vegetação, solo e microorganismos, etc.), ocorre a saturação de nitrogênio e o excesso é perdido para as águas superficiais, subterrâneas e atmosfera. A saturação pode resultar em desequilíbrios de nutrientes (por exemplo, perda de cálcio devido à lixiviação de nitrato) e possível declínio florestal.