O nitrogênio (N2) é um elemento químico extremamente importante para os seres vivos, porque participa da composição de moléculas orgânicas como os aminoácidos, que compõem as proteínas, e dos ácidos nucleicos. A atmosfera é composta por cerca de 80% de nitrogênio na forma de gás, sendo que os vegetais só conseguem aproveitá-lo na forma de amônia (NH3) ou nitrato (NO-3), e os animais na forma de aminoácidos. Dessa forma, podemos observar que, com exceção de alguns microrganismos, os seres vivos são incapazes de utilizar esse gás na forma em que ele se encontra disponível na atmosfera.
O nitrogênio disponível na atmosfera é fixado principalmente pelas cianobactérias Nostoc eAnabaena, e por bactérias que vivem livres no solo (do gênero Azotobacter) ou se associam às raízes das plantas leguminosas (gênero Rhizobium). Há também certos fungos que se associam a raízes de plantas que não são leguminosas e formam nódulos nas raízes dessas plantas. Chamamos essa associação de micorrizas, mas convém lembrar que nem todas as micorrizas são formadas por fungos.
Todos esses microrganismos transformam o nitrogênio disponível na atmosfera em amônia. Nas raízes das plantas leguminosas podemos encontrar inúmeros nódulos que são formados por milhões de bactérias do gênero Rhizobium. Essas bactérias fixam o nitrogênio, que reage com o hidrogênio produzindo amônia. Parte dessa amônia é fornecida à planta e a outra parte é liberada no solo. Dessa forma podemos afirmar que há uma relação de mutualismo entre a planta e a bactéria, pois a bactéria age como adubo vivo ao fornecer nitrogênio para a planta, enquanto a planta dá abrigo e alimento para as bactérias.
A amônia que fica disponível no solo é oriunda da fixação do nitrogênio pelos microrganismos fixadores, mas outra parte provém da decomposição das proteínas, ácidos nucleicos e resíduos nitrogenados presentes em excretas e cadáveres. Quando ocorre a transformação do nitrogênio em amônia, realizada por bactérias, fungos e decompositores, chamamos esse processo de amonificação. Nesse processo, bactérias e fungos conseguem a energia necessária para seu metabolismo, sendo a decomposição o produto da respiração celular desses microrganismos.
Há plantas que conseguem utilizar a amônia disponível no solo, enquanto que outras conseguem utilizar o nitrato (NO-3). O processo que forma amônia em nitratos é chamado de nitrificação. O processo de nitrificação é dividido em duas etapas, sendo que a primeira etapa chamamos de nitrosação. Na nitrosação, parte da amônia não aproveitada pelos vegetais é oxidada em nitrito por bactérias nitrificantes do gênero Nitrosomonas, Nitrosococcus eNitrosolobus. Nesse processo há a liberação de energia e essas bactérias a utilizam na produção de compostos orgânicos.
A outra etapa da nitrificação é chamada de nitratação, e nessa etapa, todo o nitrito formado pelas bactérias é eliminado no solo, oxidado pelas bactérias do gênero Nitrobacter, que os transformarão em nitratos. Uma vez no meio, o nitrato pode ser absorvido diretamente pelos vegetais e utilizado para a produção de moléculas orgânicas, principalmente proteínas e ácidos nucleicos. Os animais conseguem obter o nitrogênio que precisam através da alimentação, ao se alimentarem de vegetais ou de outros animais que se alimentaram dos vegetais.
Há algumas bactérias chamadas de Pseudomonas denitrificans que vivem no solo, e utilizam o nitrato na oxidação de compostos orgânicos, para produção de energia. Quando essas bactérias fazem esse processo que chamamos de desnitrificação, uma parte dos nitratos disponíveis no solo se transforma em nitrogênio na forma de gás e retornam para a atmosfera, fechando o ciclo e mantendo estável a taxa de nitrato no solo.
É bom lembrarmos que a decomposição de plantas e vegetais é muito importante para o ciclo do nitrogênio, pois na decomposição, o nitrogênio que faz parte da estrutura desses seres é transformado em amônia e fica disponível no solo, para passar pelo processo de nitrificação novamente.
Para que as lavouras tenham uma produção maior, muito agricultores fornecem ao solo: nitrogênio, fósforo, potássio e outros elementos na forma de adubos ou fertilizantes sintéticos, de forma que os vegetais aproveitem melhor esses elementos e tenham melhor produtividade.
Outra forma de aumentarem a produtividade de suas lavouras é cultivando leguminosas que abrigam as bactérias fixadoras de nitrogênio em suas raízes juntamente com outras plantas não leguminosas que não possuem bactérias fixadoras em suas raízes, e portanto, só conseguem obter o nitrogênio disponível no solo. A isso chamamos de plantações consorciadas.
A rotação de culturas também é uma prática agrícola muito utilizada por agricultores, pois devolve os sais de nitrogênio ao solo, através da alternância do plantio de leguminosas com outras culturas como arroz, milho, trigo etc. Utilizando essa prática, as leguminosas repõem os sais de nitrogênio que as outras culturas retiraram do solo.
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