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A CIÊNCIA DO AQUÁRIO PLANTADO

LIVRO I

DINÂMICAS FÍSICO-QUÍMICAS DE ECOSSISTEMAS AQUÁTICOS

Eduardo Fonseca Junior 2018


© Eduardo Fonseca Junior Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta obra pode ser apropriada e estocada em sistema de banco de dados ou processo similar, em qualquer forma ou meio, seja eletrônico, de fotocópia, gravação etc. sem a permissão dos detentores dos copyrights.

1a edição, 2018

A foto da capa foi gentilmente cedida por Fernando Ferreira da Cruz. Foto tirada de seu aquário premiado com o ranking no 39 no IAPLC 2016 (International Aquatic Plants Layout Contest), 3o lugar no CBAP (Concurso Brasileiro de Aquapaisagismo) na Categoria Plantado e 2o lugar no CPAQ (Concurso Paulista de Aquapaisagismo) na Categoria Plantado.

Este livro foi impresso pela Gráfica Paineiras, Americana – SP Brasil, no ano de 2018.


“Antes de eu estudar o Zen, montanhas eram apenas montanhas, o mar apenas o mar e o céu apenas o céu. Quando passei a estudar o Zen, as montanhas não eram mais apenas montanhas, nem o mar apenas o mar e nem o céu apenas o céu. Quando compreendi o Zen, as montanhas voltaram a ser apenas montanhas, o mar apenas o mar e o céu apenas o céu. O estudo foi como um barco que usei para atravessar o rio da minha ignorância e, quando cheguei do outro lado, o abandonei por não precisar mais levá-lo às costas.” Pensamento Zen budista


ÍNDICE Índice de figuras, tabelas e equações ..................................................... 9 Meus agradecimentos .......................................................................... 15 Introdução ............................................................................................ 17 1.

O conceito de energia relacionado à vida ............................ 31

2.

A água e o hidrogênio ............................................................ 37

2.1 Propriedades físico-químicas da água ........................................... 40 2.2 Auto ionização da água .................................................................. 48 2.3 Potencial hidrogêniônico (pH) ....................................................... 52 2.4 Ácidos e bases ................................................................................ 56 2.5 Reserva alcalina e a estabilidade do pH ........................................ 65 2.6 Potencial redox .............................................................................. 70 3.

Oxigênio .................................................................................. 75

3.1 O oxigênio no ambiente aquático .................................................. 76 3.2 A decomposição biológica e sua relação com o potencial redox .. 79 3.3 O verdadeiro milagre do Rio Ganges ............................................ 85 4.

Carbono ................................................................................. 89 5


4.1 O carbono no ambiente aquático ................................................... 92 4.2 O carbono como agente tamponador em ecossistemas aquáticos . 98 4.3 A relação entre o dióxido de carbono e o gigantismo dos dinossauros ...................................................................................................... 102 5.

Nitrogênio ............................................................................. 105

5.1 O nitrogênio no ambiente aquático .............................................. 110 5.2 A biologia das bactérias nitrificantes ........................................... 116 5.3 “A era das trevas” do aquarismo e os problemas com amônia .... 127 6.

Fósforo .................................................................................. 133

6.1 O fósforo no ambiente aquático ................................................... 139 6.2 A dinâmica da sorção do fosfato nos sedimentos ........................ 146 6.3 Reflexão: a estreita relação entre o Oceano Pacífico e as florestas canadenses ......................................................................................... 154 7.

Enxofre .................................................................................. 161

8.

Metais alcalinos .................................................................... 167

8.1 Dureza geral da água (GH) .......................................................... 170 9.

Micrometais .......................................................................... 177

9.1 Ferro e manganês ......................................................................... 180 10.

Elementos tóxicos ................................................................ 189 6


11. Luz ............................................................................................... 197 11.1 A luz como energia .................................................................... 198 11.2 O conceito de cor ....................................................................... 201 11.3 Propriedades físicas da luz e seu comportamento no ambiente aquático .............................................................................................. 207 11.3.1 Calor ....................................................................................... 207 11.3.2 Reflexão .................................................................................. 209 11.3.3 Refração .................................................................................. 212 11.3.4 Dispersão ................................................................................ 214

APÊNDICE 1 – O que são átomos e como se configuram os elementos ............................................................................................................ 221

REFERÊNCIAS ............................................................................... 227

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ÍNDICE DE FIGURAS, TABELAS E EQUAÇÕES Equações Equação 1 – Dissociação reversível da água Equação 2 – Auto-ionização da água em pares Equação 3 – Equação do pH Equação 4 – Reação entre ácido e base resultando em sal e água Equação 5 – Reação do antiácido contra queimação do estômago Equação 6 – Comportamento do carbonato com o aumento da atividade de hidrogênios Equação 7 – Comportamento do carbonato com o aumento da atividade das hidroxilas Equação 1 – Oxidação e redução do ferro Equação 2 – Esquema didático da reação de oxi-redução entre o ferro o oxigênio Equação 10 – Ciclo do oxigênio pela respiração x fotossíntese Equação 11 – Comportamento do CO2 na água na subida do pH Equação 12 – Comportamento do CO2 na água na descida do pH Equação 13 – Reação da amônia com a água 9


Equação 14 – Via da nitrificação e desnitrificação Equação 15 – Estequiometria completa da nitrificação Equação 16 – Estequiometria da formação de subprodutos nocivos da nitrificação Equação 37 – Interação do ferro com o bicarbonato e carbonato dissolvidos em água

Figuras Figura 1 – Diagrama molecular simplificado da água Figura 2 – Esquema das pontes de hidrogênio na água líquida Figura 3 – Relação densidade x temperatura da água Figura 4 – Esquema da auto-ionização da água Figura 5 – Gráfico da influência da temperatura sobre a ionização da água Figura 6 – Representação gráfica da curva logarítmica do pH Figura 7 – Denominações da escala de pH Figura 8 – Esquema da protonação e desprotonação dos ácidos fracos Figura 9 – Esquema da formação dos hidróxidos em bases Figura 10 – Formação de ácidos e bases Figura 11 – Escala de eletronegatividade na tabela periódica 10


Figura 12 – Gráfico comparativo entre um sistema tamponado e um sem tampão Figura 13 – Solubilidade do oxigênio em função da temperatura Figura 14 – Distribuição das diferentes formas de carbono inorgânico dissolvido em água em função do pH Figura 15 – Curva de titulação do ácido carbônico Figura 16 – Comparativo teórico entre a regeneração noturna da reserva alcalina e um sistema sem a regeneração Figura 17 – Esquema simplificado do ciclo do nitrogênio na natureza Figura 18 – Taxa de nitrificação em função do tempo Figura 19 – Nitrificação do NH4+ em função da concentração de oxigênio dissolvido Figura 20 – % de nitrogênio oxidado em função do pH e taxa de crescimento das colônias em função do pH Figura 21 – Influência da alcalinidade sobre o desempenho da nitrificação Figura 22 – Esquema de funcionamento das placas biológicas de fundo (FBF) Figura 23 – Imagem de satélite digitalizada do deslocamento de poeira fértil advinda do norte da África atingindo o norte do continente sulamericano Figura 24 – Distribuição das diferentes formas de ortofosfato dissolvido em função do pH 11


Figura 25 – Curva de titulação do fosfato dissolvido e suas constantes de dissociação (pKa) Figura 26 - Representação da polaridade dos sítios de adsorção em função do pH Figura 27 – Esquema didático da adsorção de H2PO4- em hidróxido de ferro no modelo de ligação monodentada Figura 28 – Espécies químicas do enxofre em função do potencial redox. Figura 29 – Esquema das rotas alternativas do sulfato no solo Figura 30 – Esquema da interação entre GH e KH Figura 31 – Distribuição aproximada das espécies de ferro e manganês em relação ao pH e potencial redox Figura 32 – Comportamento redox do ferro e manganês em relação à presença do oxigênio Figura 33 – Diagrama de decomposição da luz branca em espectros coloridos na banda de luz visível ao olho humano Figura 34 – Banda de espectro eletromagnético visível ao olho humano Figura 31 – Ilustração do Disco de Newton Figura 32 – Esquema simplificado do experimento de Willian Herschel quando descobriu o infravermelho em 1800 Figura 33 – Esquema ideal da reflexão Figura 34 – Esquema da reflexão de um único espectro eletromagnético 12


Figura 35 – Esquema de reflexão de dois espectros produzindo a percepção de outro pelo olho humano Figura 6 – Esquema de difração da luz em meio aquoso Figura 7 – Experimento simples para se notar o aumento da difração da luz com dissolução de açúcar em água Figura 8 – Dispersão da luz solar em função do ângulo de incidência na atmosfera terrestre Figura 9 – Profundidade de penetração dos espectros de luz na coluna d'água Figura 10 – Por se situarem na porção mais rasa dos mares, os recifes recebem quase todo o espectro de luz solar, inclusive as ondas mais longas como o vermelho Figura 11 – As lagoas e rios de Bonito - MS são exemplos típicos de ambientes aquáticos que apresentam águas extremamente cristalinas, favorecendo o desenvolvimento denso da vegetação a mais de um metro de profundidade Figura 12 – Ilustração básica da estrutura de um átomo segundo o modelo de Niels Bohr Figura 47 – Esquema didático de leitura das representações gráficas em Química

Tabelas Tabela 1 – Razão H+:OH- da água pura 13


Tabela 2 – Constantes de dissociação Ka a 25 oC dos ácidos mais comuns nos ambientes aquáticos Tabela 3 – Elementos com maior eletronegatividade normalmente encontrados em ambientes aquáticos naturais Tabela 4 – Tabela estimativa da concentração de CO2 dissolvido em água adaptada para o uso prático no aquarismo plantado. Tabela 5 – Solubilidade da amônia não ionizada (NH3) em função do pH e temperatura Tabela 6 – Relação entre concentrações de fósforo e grau de trofia de ambientes aquáticos naturais Tabela 7 – Tabela de PCZ de diferentes coloides a base de óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio Tabela 8 – Classificação da dureza das águas

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MEUS AGRADECIMENTOS Nenhuma pessoa nessa vida me fez crescer tanto quanto minha esposa Vanessa. Depois de viver quase duas décadas vivendo uma vida que não era a minha, reclamando diariamente, adoecendo por escolhas que não foram feitas pelo meu espírito, ela me perguntou qual seria, de verdade, a vida que eu queria para mim e o que eu poderia fazer para, ainda naquele dia, dar o primeiro passo. Antes que eu pudesse responder ela me interrompeu e disse para ter cuidado, pois o que eu respondesse definiria quem eu seria para o resto da minha vida. Quando reprojetei minha vida, assumi muitos riscos importantes e senti muito medo de falhar. Era bom ouvir as pessoas dizendo que tudo daria certo, mas o que realmente me fez seguir em frente foi ouvila dizer que mesmo que tudo desse errado, ela estaria lá comigo e juntos poderíamos recomeçar com a mesma alegria e entusiasmo de quando começamos do zero. Como agradecer essa menina? Qual é a dívida para quem lhe devolve o brilho nos olhos? Devo a ela todo o meu melhor e dividir com ela todos os frutos dos novos horizontes que não param de se estender diante de nós. Também não poderia deixar de agradecer meu falecido amigo Reinaldo Uhehara, a primeira pessoa, depois da minha esposa, a ver de perto a construção dos textos desta obra. Eu não tinha certeza se eram bons, se eram úteis, e depois de uma cuidadosa “análise”, ele disse que valiam ouro. Foi o que me fez acreditar que meu esforço valeria a pena. Isso foi há uns 4 anos e infelizmente não poderei apresentar-lhe a concretização dessa obra, pelo menos não fisicamente. Deus o tenha no 15


melhor de seus mundos, Rei. Obrigado por acreditar e ver valor nisso tudo que começou, você sabe, como um esforço tolo de construção de um blog. Quero agradecer também os Senseis André Longarço e Luca Galarraga, bem como todo o time Aquabase Layout Team. A aceitação gradual desta obra me trouxe um espaço importante dentro do time, embora eu só tenha competido uma vez até hoje, mas a responsabilidade concedida a mim por me permitir ministrar os workshops de Química e Botânica aumentou muito meu conhecimento e enriqueceu fortemente o conteúdo da obra. Foi a oportunidade perfeita tanto para testar meus conhecimentos quanto para melhorar minha didática. Obrigado por todo crédito, confiança e amizade!

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INTRODUÇÃO Uma de minhas memórias mais antigas certamente é a de minha avó, minha mãe e meu irmão mais velho lavando um aquário no quintal, sobre a grama, com mangueira e sabão. Me lembro muito bem, estava uma bagunça. Pobre da grama que bebeu tanto sabão aquele dia. Não sei ao certo quantos anos eu tinha, talvez cinco. Se for isso, estávamos mais ou menos em 1989. Não me lembro muito bem desse aquário montado, talvez de alguns kinguios, mas sei que meu irmão o tinha por causa de um aquário realmente gigante que ficava montado na recepção da academia de karate “Cebolinha” do Sensei Pires que ficava no centro da cidade (minha família ainda mora em Americana, no interior de São Paulo). Desse aquário eu me lembro muito bem, era imundo, quase nunca dava para ver os peixes por causa dos vidros verdes. Quando íamos na academia vê-lo treinar, era só para assisti-lo mesmo, porque ver peixe que era bom, nada. Mas eu ainda gostava de vê-lo. Acho que esta foi a primeira lição de tolerância à frustração da minha vida que, ironicamente, foi dentro de um dojo. Me lembro também de um aquário em um supermercado que minha mãe frequentava regularmente perto da rodoviária, o antigo Zázeri, mais ou menos na mesma época. Era um cubo embutido na parede, talvez de 1 metro, com uma arraia de água doce do tamanho de um pires. Esse sim era fascinante, era um sonho, não dava para enjoar dele e meu primeiro sonho de criança foi ter um aquário igualzinho aquele, só que com dez arraias dentro. A vida me ensinou mais tarde que as coisas não eram bem assim, mas foi bem mais tarde, eu sonhei com isso por um longo tempo. 17


Certo dia, não sei o motivo, pois nem eu e nem meu irmão mais novo havíamos pedido, ganhamos um aquário. Era bem pequeno mesmo, talvez de 15 litros, com pedrinhas coloridas e alguns peixes, entre eles um “limpa-fundo” que, segundo o lojista, comia cocô. Alguns dias depois, ele morreu. “Que guloso!” eu pensei, porque no aquário havia muito cocô para ele comer. Foi minha primeira tragédia como aquarista, mesmo sem saber por quê. Dias depois, eu vi um peixinho sair de outro peixe e imediatamente eu gritei “mãe!!!”. E quando eu trouxe minha mãe para ver aquilo, inexplicavelmente o suposto filhote havia desaparecido. Minha mãe duvidou de mim, disse que peixes nascem de ovos e o que eu havia visto deveria ser um cocô. Mas eu não era maluco, cocôs não nadam e ele tinha olhos. Depois que minha mãe foi embora, nasceram mais alguns outros e constatei que a mãe estava os devorando. Mesmo assim não adiantou tentar convencer minha mãe e tudo ficou por isso mesmo. Muitos anos depois é que fui descobrir que esse peixe era uma molinésia e que pertencia a uma família de peixes que dão à luz a filhotes totalmente formados, sem postura de ovos. Foi minha primeira descoberta como aquarista, mesmo sendo tarde demais. E assim foi minha vida, quase sempre acompanhada de um aquário, mas quase nunca acompanhada de prazer com ele. Prazer mesmo era comprar peixe novo na loja! Depois de duas semanas eu até torcia para morrerem logo para eu ter a chance de comprar outro diferente. Se não morriam, eu comprava mesmo assim. Na minha cabeça, enquanto pudessem nadar, sempre havia espaço para mais um, até que um dia aquele lojista ensinou que a regra era um peixe por litro. Cheguei em casa correndo, fiz as contas e minha nossa! Cabiam mais sete ou oito junto com os outros vinte naquele aquário de 30 litros! Se 18


eu achasse apertado no fim das contas, bastava tirar uma pedra. Essa matemática me deixava muito feliz. Com o passar dos anos, a ousadia foi aumentando e tive muitos outros bichos no aquário como tartarugas, pererecas aquáticas, lagostas, caranguejos. Até quase cheguei a ter uma cobra d’água que um velho maluco quis me vender. Mas tudo isso refletia o nível do aquarismo na cidade, talvez do Brasil todo. O aquário mesmo não proporcionava muita coisa, então, para aqueles que adoravam bichos como eu, ter um aquário significava ter um pretexto para ter bichos exóticos e sempre estar à procura de novidades, por mais bizarras que elas fossem. Quem tinha juízo, desistia, pois o aquário tinha virado símbolo de muito trabalho e perda de tempo. Peixes não viviam muito e plantas menos ainda. Quem tinha mais dinheiro comprava plantas de plástico, quem não tinha montava um túnel com pedras da marmoraria. Já tive até túnel de ladrilho de granito. Em 2006, quando meu sobrinho também entrou nessa de aquarismo, uma nova loja na cidade chegou oferecendo novidades realmente interessantes como muitas espécies de peixes e algumas plantas jamais vistas no nosso mercado de interior. Eles tinham alguns funcionários bons de bico que nos faziam pensar que sabiam muito a respeito, mas eu só fui descobrir isso alguns anos depois. Até lá eu caí na ladainha deles e gastei muito dinheiro sem nenhum sucesso, principalmente com as plantas. A última atrocidade foi acreditar que o carvão ativado poderia servir de ótimo substrato fértil para as plantas, mas depois de gastar uma pequena fortuna e ainda assim perder as plantas, tive a grande ideia, embora tardia, de usar a internet para pesquisar a coisa certa a fazer a partir de perguntas simples: “como manter plantas em aquário”. E bum! Takashi Amano... quem mais apareceria? Aí minha visão sobre o aquário mudou em cinco minutos. 19


Descobri os fóruns, vários sites e muita gente falando sobre o assunto. O antigo sonho de ter dez arraias fora substituído pelo de ter um carpete de Glossostigma. Em 2007, vim para São Paulo e arranjei um aquário relativamente grande, 100 litros, e foi aí que começaram as experiências. Não deixei de gastar muito dinheiro e perder muito tempo. Descobri que o mercado não joga limpo com os hobistas, pois muita coisa que nos é oferecida simplesmente não funciona. Será mesmo má fé dos fabricantes e importadores ou falta conhecimento de todos os lados? Conheci a loja Aquário do Brasil, do Sr. Antônio e sua equipe, que me trouxe uma luz e me mostrou o início do caminho certo. Lá era literalmente uma escola, não pude acreditar que era possível ter aquelas plantas tão sadias dentro do aquário por tanto tempo e crescendo! Pouco mais tarde, conheci a Aquabase e os senseis André e Luca, mas o conceito do aquapaisagismo ainda não me cativava muito; eu só queria ter plantas e peixes legais, eu era meio que um colecionador e também um “professor Pardal”, porque não tinha muito dinheiro para gastar com tecnologia de ponta e insistia em promessas duvidosas ou decidia fazê-las por mim mesmo. Tive 100% de fracasso em todas as tentativas, mas a experiência que eu vinha adquirindo só me ensinava a parar de “brincar” e começar a investir nas coisas certas, mesmo que fosse devagar. E assim fui construindo o que eu chamava de “meu ativo imobilizado”. Levou anos para eu construir um aquário realmente funcional e devo agradecer imensamente minha esposa pela paciência e apoio nessa jornada que vinha se mostrando tão ingrata. Falando bem a verdade, as vezes chego a me arrepender. Sacrificamos muita coisa para eu conseguir ter um aquário. Se eu tivesse feito as coisas com a orientação correta desde o começo, não 20


teria sido tão difícil nem tão caro. Às vezes me pergunto por que durei tanto nesse hobby e a resposta foi a paixão. Eu era tão apaixonado que por muitos anos pensei em abandonar minha profissão para entrar no mercado e viver cercado por aquários, plantas, peixes e todo esse universo magnífico. Mas até hoje procuro não pensar a respeito do quanto me custou e quando vejo gente nova entrando no hobby minha espinha gela. Se houvesse uma maneira de instruí-las sobre como começar direito e evitar o fracasso delas... não havia onde procurar informação confiável e realmente efetiva, todos ficavam nas mãos dos lojistas e indefesos diante de tantos produtos ruins que lhes eram oferecidos. O hobby precisava evoluir para sobreviver. E tive uma ideia boba, o primeiro vulto dessa obra. Fazer um blog com informações técnicas básicas a respeito do hobby. Logo comecei a escrever os textos e minhas pesquisas, mais técnicas e sérias, começaram em busca de definições. Isso começou em 2010 e produzi alguns poucos textos muito, muito básicos e rasos que nunca foram para a internet porque eu não sentia confiança no que eu estava produzindo. Os resultados das pesquisas, quase todas em fóruns, apontavam teorias diferentes, carentes de explicação plausível e aos poucos fui percebendo que muitas coisas que eu achava que sabia, na verdade não sabia nem de longe. Apesar disso, eu poderia me considerar, àquela altura, um aquarista relativamente muito bem informado, mas meu conhecimento era, vamos dizer assim, intuitivo: sabia do que se tratava, mas não sabia de verdade o que era, e descobri que a maioria dos aquaristas era assim. A falta de fundamento científico no nosso hobby, uma atividade altamente complexa que lida diretamente com fenômenos naturais, era berrante e algo precisava ser feito. Admiti amargamente que o senhor Takashi Amano não era capaz de instruir completamente o público, nenhuma obra científica fora produzida por ele; ele estava orientado muito mais para a arte do que para a ciência. Isso não era ruim, afinal 21


ele havia inaugurado o conceito Nature do aquapaisagismo e levou o aquarismo de água doce para um nível jamais imaginado. A ciência nua e crua, a parte chata da coisa, não era trabalho dele, mas precisava ser feita por alguém para complementá-la. Adão precisava de uma esposa. Muita gente entrou no aquarismo plantado por conta da influência do mestre Amano e isso fez muita gente apanhar muito de seus aquários. Como não havia informação efetiva ao alcance de todos, manter um aquário bonito e saudável como aqueles que ele apresentava na internet como verdadeiras obras de arte era um trabalho extremamente árduo e frequente. E mesmo fazendo as coisas certas, as coisas davam errado. A prova disso era as avalanches de posts relacionados ao combate de algas nos fóruns. Esse era o drama de todo o mundo, no mundo inteiro, inclusive o meu. Analisando friamente, não era difícil perceber que perdíamos mais tempo travando batalhas com nossos aquários do que obtendo prazer com ele, mas nem nos atrevíamos a pensar nisso. Quem pensava, desistia. Uma vez li num livro budista que as pessoas carregam 90% de suas cruzes por vontade própria. Eu imediatamente lembrei do meu aquário. Mas eu vi a sombra do tamanho do esforço que precisava ser despendido e o nível de responsabilidade envolvido para reunir e compilar todo o conhecimento necessário para instruir o mercado e recuei. Afinal, eu não era químico nem biólogo, não entendia nada dessa porcaria, e todo o meu tempo era investido no karate, uma paixão que foi ainda maior que o aquarismo e que me acompanhou por toda a vida, desde meus 9 ou 10 anos de idade. Eu estava num momento importante, participando de competições de alto nível, adversários fortes, treinos diários, com a promessa de participar do campeonato mundial entre os melhores do mundo em 2013. Não tinha tempo para 22


outra coisa. O que tempo que restava entre trabalho e treinamento, era do casamento. Em 2013 eu finalmente havia conseguido participar do campeonato mundial e ter a honra de representar a América do Sul no Japão. Então me aposentei depois de quase 20 anos de competições e junto com isso descobri a imensa quantidade de tempo que era dedicada aos treinos. E com esse tempo livre voltei a me focar, desta vez, no aquapaisagismo e fui convidado a me juntar ao time Aquabase Layout Team. Com o interesse renovado, voltei a pensar no assunto do blog e retomei os textos, mas desta vez eu abandonei totalmente os fóruns e me voltei a um método de pesquisa sistemático fundamentado tão somente sobre artigos científicos. Eu não pensava sobre o tamanho que a coisa tomaria ainda, ainda estava focado em produzir o conhecimento básico. Mas mesmo para o conhecimento básico eu precisava de um oceano de informação que eu não tinha domínio e meio que sem pensar comecei a entrar cada vez mais fundo. Eu estava literalmente me formando em Química por conta própria? Eu literalmente precisava ler quatro ou cinco artigos inteiros apenas para entender um único jargão que era recorrente em muitos outros artigos. Era o que eu chamava de subpesquisa ou pesquisa de apoio. Elas não respondiam perguntas diretas, mas me ajudavam a entender a linguagem das pesquisas diretas. Li livros inteiros de Química e sabia de cor os textos dos sites escolares. Eu havia aprendido um método de pesquisa muito eficiente que respondia todas as perguntas e essas perguntas traziam mais perguntas. Fui tão a fundo em muitos temas que era comum chegar no fim do caminho com declarações do tipo “não se sabe ainda ao certo do porquê de tal coisa ser assim.” E aí as pesquisas chegavam ao fim. E também era comum eu desconfiar de algumas fontes, mesmo científicas, e 23


procurar confirmações em outras obras. Surpreendentemente eu descobri que existem equívocos também no mundo acadêmico. Eu precisava ter ainda mais cuidado! E esse processo de validação do conhecimento adquirido fazia a carroça andar ainda mais devagar. Era comum eu desfazer ou revisar todo um texto concluído meses atrás em função de um conhecimento mais aprofundado que havia adquirido mais tarde. Cheguei a rezar para não descobrir coisas novas. Eu não aguentava mais retomar textos antigos pela terceira, quarta vez, mas sempre que isso acontecia eu não era capaz de ignorar. Eu voltava e refazia, completava, ilustrava tudo de novo. Em paralelo a isso, no meu trabalho com projetos de instrumentação analítica industrial, tive a grande sorte do conhecimento que eu estava buscando coincidir com os desafios da minha profissão. Sempre que possível, eu procurava absorver tudo o que podia dos meus clientes, fornecedores e até concorrentes. Eu estava tão receptivo a essa natureza de aprendizado que qualquer conversa de corredor já era suficiente para literalmente sugar conhecimento e comecei a dominar temas relacionados a combustão, mineração, combustíveis fósseis, refino de petróleo, caldeiras, tratamento de efluentes e laboratórios. Minha formação era técnico em Instrumentação, mas todos achavam que eu era engenheiro químico. No começo eu até me incomodava com isso, mas acabou se tornando comum. Mas tudo não passou de pura sorte. O aspecto mais científico do meu hobby coincidia terrivelmente com meu trabalho e isso me ajudou profissionalmente. Conseguia desenvolver soluções que não existiam no mercado pelo simples fato de dominar a química básica, mas era um básico com tanto fundamento que aprendi uma coisa muito valiosa 24


sobre o processo de aprendizado. Descobri que, quando o conhecimento é absorvido ao invés de simplesmente aprendido, ele se torna parte de você e a partir de alguns princípios básicos é possível deduzir teorias e hipóteses mais complexas. É como um violão: a combinação das seis cordas e das diferentes tensões nessas cordas podem produzir melodias infinitas. É um processo sem fim de produção de conhecimento relativamente independente de livros e outras fontes de pesquisa. Eu não precisava mais pesquisar sobre tudo e ler sobre tudo para prosseguir com os textos. Eu já estava formando hipóteses e eu só precisava validá-las por meio da pesquisa e quase 100% das vezes era na mosca, eu realmente havia aprendido aquela loucura toda de química e biologia. É por isso que muitas das imagens não possuem referência bibliográfica, elas foram produzidas por mim a partir de um raciocínio didático particular. São minhas. Os estudos renderam tanto conteúdo que cheguei a produzir seis capítulos. Certa vez tentei medir a quantidade de material estudado como referência bibliográfica e estimei, por baixo, mais de 6 mil páginas de material científico. Pela primeira vez me dei conta de que havia construído algo muito grande, realmente grande e precisava ser compartilhado. Mas em momento nenhum eu poderia imaginar chegar nesse ponto. Na verdade, se eu soubesse que seria necessário tudo isso, eu nem teria começado. Essa publicação era para ser apenas o primeiro capítulo, mas a edição, revisão, formatação, levantamento bibliográfico das referências e tudo mais se tornaram tão trabalhosos que eu levaria mais alguns anos para conseguir fazer a primeira publicação. Então me concentrei em terminar toda a edição do primeiro capítulo e transformá-lo no primeiro volume, o Livro 1. Esse livro é o que mais me deu trabalho e levou 2 anos para ser concluído. Ele está pronto há muito tempo e acho que eu 25


deveria disponibilizá-lo logo para as pessoas poderem utilizá-lo. E aqui está! As figuras foram todas produzidas por mim mesmo no Paint Brush, peço que me perdoem. Me cobraram muito caro para ilustrá-lo da maneira que eu queria, quem sabe numa próxima edição, mas para o momento, é hora de admitir que o ótimo é inimigo do bom, caso contrário, a obra não sairia nunca. A vida me ensinou que não precisamos ter todos os planetas alinhados para resolver fazer as coisas no momento perfeito e meu antigo trabalho como engenheiro também me ensinou que o avião pode ser lançado no ar sem motor. Isso pode ser montado depois, para pousar. Bom, mais ou menos isso... Quanto às minhas expectativas com os benefícios ou malefícios dessa publicação, eu realmente não sei o que vai ser. Acho que algumas coisas podem incomodar alguns fabricantes ou profissionais porque tratei de despir muitos mitos amplamente difundidos, os quais muitas pessoas ganham em dólares às custas deles. Um dos objetivos desse livro é justamente preparar as pessoas que se proponham a estuda-lo a discernir sobre o que lhes é útil e o que não é. Infelizmente não é tudo o que está à disposição no mercado aquarista que realmente funciona e, obviamente, nem cheguei perto de falar sobre marcas. Quero viver o suficiente para ver o último show do Ozzy em 2050. Analisem os produtos, estudem sobre suas propostas, julgue se são verdadeiras e decidam se são úteis ou não. O hobby evoluiu muito desde a época que minha avó lavou o aquário do meu irmão com sabão. Muita coisa mudou drasticamente. Muitas empresas sérias surgiram e dedicam muito investimento em pesquisa para facilitar a vida do hobista com seus produtos. Mas não só isso, o senso comum das pessoas também evoluiu muito. Entretanto, o 26


aquarismo, especialmente o plantado, não necessariamente se tornou mais fácil. Maior disponibilidade de recursos não representa mais facilidade para se alcançar o êxito. Felizmente, 80% do sucesso depende do conhecimento e experiência do aquarista. É isso o que torna o hobby tão maravilhoso. Ele obriga a participação e o envolvimento do aquarista, ele exige essa troca, esse pacto. É por isso que é preciso estudar para se alcançar o sucesso nesse hobby, é para compreender a linguagem da natureza, para se aproximar dela. A natureza se comunica por meio de fenômenos e ela é compilada por meio da ciência, apesar de todos os defeitos que ela pode ter. Mas preciso avisar também que o aquarismo não é só isso que foi compilado aqui, é muito mais. A ciência é só uma parte da coisa, talvez seja o seu alicerce, mas não se concentre tanto em saber tudo o que foi produzido aqui. Saber onde encontrar a informação quando precisar dela é o suficiente, bem como respeitá-la e reconhecê-la. Vivam seus aquários, busquem a retribuição da natureza em troca da sua própria para com ela. Seja transformado por ela. No momento certo, seu conhecimento será cobrado e espero que esteja pronto para responder corretamente e manter o pacto de pé. Se responder errado, a natureza lhe vira as costas, simples assim. Ela ensina que a cooperação dela não pode ser comprada nem com todo o dinheiro do mundo se sua parte não for cumprida na relação. Não adianta comprar mais tecnologia, ela vai se manter irredutível. E aqui vai uma das mais valiosas lições que aprendi depois de tanto dinheiro gasto com soluções ineficazes: nenhum recurso tecnológico, pelo menos por enquanto, é capaz de substituir o envolvimento do aquarista com seu aquário. A tecnologia é uma extensão do aquarista, uma ferramenta, mas chave nenhuma abre portas sozinha e serrote nenhum corta a madeira sozinho. Se não está pronto para essa relação, então nem comece, porque vai dar errado. Nesse contexto, aquário não dá trabalho como todos dizem, ele cobra uma relação, como um filho, uma 27


esposa, um cão. Não espere que ele atenda seus desejos, porque ele vai cobrar ser servido antes de servir a você, e não basta esforço, é preciso dedicar o esforço correto. De fato, a natureza é imperdoavelmente cega e não reconhece boas intenções. Esteja preparado para isso. Se algo estiver dando errado, é porque você não está compreendendo sua linguagem. Espero realmente que as pessoas reconheçam o valor dessa obra. Se a obra não tiver valor prático nenhum, então que reconheçam pelo menos o esforço. A intenção foi boa, a mais nobre de todas. Mas, modéstia à parte, acredito que não há e nem nunca houve nenhuma obra em nenhuma parte do mundo que chegasse perto de abrir as cartas e apresentar o conteúdo científico tão mastigado da forma que eu fiz aqui. Eu traduzi fenômenos para o público e a linguagem não é de químico para leigo, é de hobista para hobista. Estou tentando ensinar da mesma forma que aprendi. Portanto, se não conseguirem entender da primeira vez que lerem, não se preocupem, leiam por mais cinco ou seis vezes, foi como consegui aprender também. Essa é a única maneira de realmente entender conteúdos científicos e não é para menos, tudo é altamente complexo, trata-se de fenômenos naturais, algumas coisas estão além da lógica cotidiana. Mas também não significa que devam saber de tudo isso ao pé da letra. Nem eu sei. Muitas coisas aqui servirão de eternas consultas. Esse é o objetivo desse livro, uma obra de consulta, um núcleo onde se organizou o máximo de conhecimento relacionado ao hobby possível e que o disponibiliza de maneira confiável e organizada. Não espere uma leitura agradável que se possa fazer numa tarde de sábado. É para ser consultado e estudado, não necessariamente do começo ao fim, pode ser do fim para o começo, embora a lógica de apresentação do conteúdo tenha sido planejada do começo para o final. A obra também pode beneficiar tanto aquaristas novatos ou completos leigos quanto aquaristas altamente experientes. 28


Se se deparar com partes do texto que estão além da sua experiência, passe adiante. Se precisar de conhecimento mais profundo, espero ter chegado até onde precisa. Acho que fui fundo o suficiente para atender a grande maioria dos aquaristas. Se é um cientista, biólogo ou químico e encontrou inconsistências, tenha calma, admito que deve haver várias e isso deve ser melhorado nas próximas edições. Mas de qualquer forma, essa obra não é para pessoas acadêmicas, embora acredito que ela possa ajudar como referência de determinados assuntos. Ela serve tão somente para o apoio científico da prática do aquarismo plantado. Essa obra foi produzida tão somente por mim, no meu ritmo de vida, portanto, não tive nem fiz questão de ter ajuda de ninguém. Tudo fui eu quem fiz, desde as pesquisas até a formatação, imagens, gráficos, tabelas e revisão de português. Então, por favor, sejam tolerantes com os erros e, por gentileza, me avisem deles para que possamos melhorar as próximas edições. Não espero ter conseguido um conteúdo perfeito nessa primeira edição, preciso me dar esse direito para me sentir confortável para publicá-la. Peço também encarecidamente ao público que não pirateiem essa obra. É chato pedir isso, mas especialmente no nosso hobby em que as pessoas gostam de dar um jeitinho nas coisas, piratear um livro não é nada difícil. Meu sonho era editar a obra em capa dura com imagens de alto padrão e papel de alta qualidade, mas tanto quanto o meu antigo aquário com dez arraias, não vai ser assim agora. O preço cobrado pela obra não é pelo seu custo, mas pelo seu valor. Há muita energia nesses textos, muito trabalho, muito neurônio queimado, muito sacrifício, apesar de toda paixão. Além disso, a iniciativa de assumir um trabalho hercúleo desses e finalmente, depois de seis anos, vê-lo no mundo real, precisa ser valorizada. Várias vezes pensei em desistir do projeto. Várias vezes ele foi deixado de lado, deixou de ser prioridade, já chegou a ser abandonado por muitos meses em função de outros 29


compromissos e deveres. Mas ele sobreviveu. Eu nem acredito. E tem muito mais ainda por vir. Essa publicação representa menos de 20% de tudo o que já fora produzido. Logo tem mais conteúdo para ser descarregado no hobby. Por ora, já temos muito osso para roer até lá. Espero que façam bom proveito, espero que o mercado cresça, que as pessoas entrem de cabeça nesse maravilhoso hobby e que já comecem pelo caminho certo.

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1.

O CONCEITO DE ENERGIA RELACIONADO À VIDA

A vida se utiliza de mecanismos fisiológicos para gerar energia, construir tecidos, se regenerar, se reproduzir e sobreviver. Para isso, diversos elementos químicos cumprem papéis específicos nos organismos vivos. O conjunto desses mecanismos inter-relacionados é o que se chama metabolismo. Uma vez absorvidos pelos organismos vivos, basicamente todos os elementos cumprem função de provedores de energia, cada um a seu modo e todos são igualmente importantes de forma que a falta ou o excesso de um desses elementos afetará negativamente a saúde e o desenvolvimento do organismo de alguma forma. É necessário que haja condições ambientais mínimas para garantir o sucesso da vida. As condições precisam obrigatoriamente ser constantes e relativamente estáveis. Cada organismo é bem adaptado 31


para sobreviver com sucesso em determinadas condições que seriam fatais para outros organismos, mas alguns elementos parecem ser obrigatórios, senão a todos, para a maioria dos seres vivos, como água, luz, carbono e oxigênio. Antoine Lavoisier1, famoso químico francês, comparou a natureza química “simples” dos minerais com a natureza química “complexa” dos seres vivos e descobriu que os organismos vivos são, na verdade, compostos ricos em carbono, oxigênio, nitrogênio e fósforo. Atualmente, sabe-se que cerca de 50% do peso seco de qualquer célula viva é composta por carbono. Elementos traço, que existem em quantidades mínimas no organismo, como o ferro por exemplo, compõe menos de 1% do peso seco da célula, mas seu papel é tão importante que sua carência poderia significar prejuízos fatais ao organismo. É como pensar num castelo de cartas; a remoção de uma única carta, não importa qual seja, sempre resultará na ruína das outras. A este equilíbrio fisiológico é dado o nome de homeostase, ou seja, quanto mais longe desse estado, mais o organismo se aproxima da morte. Existem formas de vida exclusivamente adaptadas para sobreviver em condições extremas, como bactérias anaeróbicas (que vivem na ausência ou escassez de oxigênio), mas de alguma forma dependem indiretamente dos elementos que podem não lhe ser úteis.

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Antoine-Laurent Lavoisier (1743 – 1794), químico francês. Considerado o pai da química moderna, derrubou a teoria de Tales de Mileto, ainda aceita na época, que dizia que a água era um dos quatro elementos químicos básicos a partir dos quais tudo no universo é formado. Ao descobrir que a água era, na verdade, a combinação de dois elementos distintos, hidrogênio e oxigênio, Lavoisier inaugurou a química molecular moderna. Uma de suas contribuições mais famosas, importante até os dias de hoje, foi a lei da conservação da matéria que imortalizou o enunciado “Na natureza nada se cria, tudo se transforma”.

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Estas mesmas bactérias, por exemplo, apesar de não precisarem diretamente do oxigênio para sobreviverem, dependem das formas de vida aeróbicas como fonte de alimento e energia. É de vital importância perceber que nenhuma forma de vida existe sozinha, independente ou autossuficiente. Elos de associação com outras formas de vida e ambientes são uma regra na natureza, compondo uma rede de relações intimamente imbricadas. Portanto, quando se trata das condições mínimas de sobrevivência de um dado organismo, não se pode se referir apenas aos elementos dos quais este depende, mas de todo o conjunto de relações e condições que de alguma forma sustentam esse organismo. Esta rede de relações é chamada de ecossistema. Considerando-se um ecossistema como um macro organismo, existe uma demanda constante e equilibrada de energia na forma de nutrientes. Na escala natural, esses nutrientes são reciclados pelo ciclo de vida e morte dos seres vivos e por ciclos atmosféricos e ou geológicos. Os elementos químicos, portanto, estão sempre de passagem pelos organismos, o que compreende a parte orgânica do ciclo. Logo depois são descartados para o ambiente, onde seguem a parte inorgânica do ciclo que é onde passam a maior parte do tempo. Em geral, os ciclos geológicos ocorrem numa escala de tempo muito maior, podendo chegar a milhões de anos, enquanto os ciclos atmosféricos tendem a ser muito mais breves. Mas qual a diferença entre elementos e nutrientes? Para que sejam úteis aos organismos, os elementos precisam ser transformados por determinados processos químicos e biológicos até que se tornem nutrientes. A porta de entrada dos elementos na via biológica de consumo, ou seja, na via da cadeia alimentar, são as plantas e algas (consumo primário), as quais são capazes de assimilar elementos minerais e transformá-los em compostos orgânicos que, somente então, 33


se tornam nutrientes para os animais. O fim dessa via se dá na morte e decomposição desses animais, quando esses nutrientes, na forma orgânica, retornam ao ambiente pela ação dos microrganismos decompositores em um processo chamado de mineralização. Analisando a rota orgânica, vemos que o consumo primário se utiliza dos minerais como nutrientes, enquanto os animais se alimentam das plantas e algas (que transformaram os minerais em nutrientes orgânicos). Mas nem toda forma mineral atende o consumo primário. É preciso que esses elementos estejam na espécie química correta (configuração molecular), caso contrário, não é possível que sejam assimilados. Dessa forma, o consumo primário depende de vários processos complexos de transformação para que esses elementos se tornem assimiláveis, mesmo que por um curtíssimo período de tempo. Portanto, não basta que os elementos estejam presentes, é preciso que estejam numa forma assimilável, disponível. Cada elemento possui uma natureza própria de transformações e entender plenamente toda a dinâmica desses elementos no ecossistema demanda muito estudo, mais ainda se tratando de ecossistemas aquáticos, onde imperam muitos mecanismos físicos, químicos e biológicos particulares, intensos e muito variáveis, de forma que as dinâmicas de um determinado sistema não são a regra para outro, mesmo que sejam muito semelhantes. Se tratando dos aquários plantados, essas condições precisam obedecer algumas regras para que o sistema tenha um êxito sustentável, mas mesmo assim devemos sempre ter em mente que um aquário sempre será diferente de outro! E por isso não é tão fácil, pois é quando as receitas “infalíveis” se provam frágeis e ineficientes quando são generalizadas. É nessa hora que o sistema depende do conhecimento e da competência do aquarista para sobreviver satisfatoriamente e é quando muitos infelizmente falham. 34


O objetivo desse capítulo é servir como um guia básico, porém relativamente extenso, de consultas ao aquarista que pretende conhecer um pouco mais a fundo as dinâmicas bioquímicas dos ambientes aquáticos. Conhecendo-se as limitações no microambiente do aquário, o aquarista está apto a intervir de maneira efetiva suprindo e corrigindo suas limitações típicas. A sequência deste capítulo se dará pelo estudo das características físico-químicas da água, seguidas pelo esclarecimento das condições químicas típicas dos ecossistemas aquáticos como pH, reserva alcalina e oxi-redução que afetam diretamente as transformações dos elementos e finalmente o estudo individualizado das dinâmicas de cada elemento que deve servir de nutriente ou elemento essencial para o consumo primário. O papel fisiológico desses elementos nas plantas será abordado com profundidade no segundo capítulo.

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2.

A ÁGUA E O HIDROGÊNIO

A água é essencialmente o elemento mais importante no que tange às necessidades da vida e é o pilar central da composição química de todos os organismos. As propriedades físico-químicas da água fazem dela um verdadeiro milagre natural tanto no aspecto inorgânico quanto orgânico, tanto que a ciência reconhece a sua presença como a lei primordial para o desenvolvimento da vida. Basta manter um recipiente com água limpa e dentro de alguns dias pode-se observar facilmente o surgimento de uma infinidade de microrganismos. É por essa razão que a ciência comemora tanto quando encontra água em outros planetas; as chances de se encontrar vida são grandes. O início da vida no planeta Terra ocorreu justamente na água. Devido sua capacidade de conduzir e transformar nutrientes, os oceanos primitivos criaram condições propícias ao surgimento dos primeiros seres vivos unicelulares. A estabilidade ambiental proporcionada por 37


suas propriedades físicas, como sua capacidade de conservar a temperatura e controlar a entrada de luminosidade, permitiu a evolução das mais diversas formas de vida. Estima-se que a vida tenha surgido nos oceanos primitivos há 3,5 bilhões de anos e somente há 440 milhões de anos as primeiras criaturas começaram a romper os limites do mar. Para compreender melhor os números, a vida levou pouco mais de 3 bilhões de anos para conhecer o ambiente terrestre. Contudo, somente 200 milhões de anos mais tarde puderam abandonar definitivamente o ecossistema marinho2. Apesar de inúmeras formas de vida terem conquistado o ambiente terrestre, a maioria delas nunca abandonou o mar. O ambiente marinho é tão favorável e repleto de recursos que muitos organismos puderam se conservar praticamente imutáveis desde sua origem há milhões de anos, como corais, invertebrados e algumas espécies de peixes. Contudo, necessidades extraordinárias forçaram alguns seres a buscar recursos na terra firme, mas a fisiologia que estes seres desenvolveram, apesar de todas as adaptações, ainda é aquática e esta regra se estende a todas as formas de vida, inclusive a humana. Por 2

O período Siluriano, de 440 a 410 milhões de anos atrás, foi um marco para as primeiras formas de vida terrestre. Nesse período, as primeiras plantas vasculares terrestres evoluíram dos musgos. Talvez por competição por alimento ou pela fuga de predadores, alguns peixes começaram a buscar as praias como ambiente alternativo. Estes então desenvolveram pulmões primitivos que os permitiam passar cada vez mais tempo fora do mar, dando origem aos primeiros anfíbios. Nesse mesmo período também surgiram os insetos e aracnídeos, os quais provavelmente evoluíram a partir de crustáceos. Esses animais, no entanto, ainda eram completamente dependentes do ambiente marinho. Somente com a evolução dos primeiros répteis, cerca de 200 milhões de anos depois, a vida terrestre pôde colonizar os continentes sem precisar retornar ao mar.

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mais independente que a vida terrestre atual tenha se tornado do mar, absolutamente todos os organismos precisam de água como componente elementar para suas funções vitais. Dessa forma, a água em si consiste no ecossistema original, pois qualquer organismo se constrói e funciona a base desta. Na célula, ela preenche todo o seu volume e promove a entrada ou a saída de nutrientes. No resto do organismo, é o fluído que age, como o sangue para os animais e a seiva para as plantas, na condução de sinais orgânicos, eliminação de resíduos, transporte de energia e na comunicação entre todos os órgãos. A necessidade orgânica mais urgente é a água. Entretanto, a água não possui apenas funções orgânicas. Todos os outros elementos dependem dela para serem reciclados em alguma fase do seu ciclo. A umidade, presente no solo e na atmosfera, é a força motriz que transforma e desloca intensamente as espécies químicas, ora disponibilizando-os na forma de nutrientes aos organismos, ora estocando-os provisoriamente (mesmo que seja por milhões de anos) na forma de minerais. Sem água, mesmo na presença de todos os nutrientes necessários, definitivamente não é possível haver vida. Compreender as propriedades físico-químicas da água facilita muito o entendimento da dinâmica bioquímica de todos os outros elementos, sobretudo, quando se trata de ambientes aquáticos e processos fisiológicos. O universo de fenômenos que ocorre dentro de um aquário é realmente complexo e possuir algum conhecimento certamente ajuda muito o aquarista a interpretar sua linguagem, bem como o capacita a intervir de maneira efetiva para o bom desenvolvimento do sistema. Tentar entender como se dão as dinâmicas químicas dos elementos sem o conhecimento básico acerca das 39


peculiaridades da água pode ser bem mais difícil. A influência da água sobre o comportamento dos elementos é a base da bioquímica. Portanto, esse estudo é fundamental para o aquarista que deseja (e aqueles que precisam) enxergar o aquário pela ótica de um ecossistema vivo, apesar de confinado, e tudo deve começar pela compreensão das características da água. Portanto, os textos que se seguem servirão de introdução técnica aos textos posteriores, principalmente os que descrevem em detalhes o comportamento químico dos elementos.

2.1 Propriedades físico-químicas da água As propriedades físico-químicas da água não são comparáveis a nenhum outro fluído conhecido graças ao seu particular arranjo molecular. Um átomo de oxigênio, devido a sua avidez por elétrons (elevada eletronegatividade), se liga a dois hidrogênios orientados à 104o em torno de si, dando origem a uma molécula assimétrica na forma de H2O. Como a eletronegatividade do hidrogênio é mais baixa que a do oxigênio, os elétrons se deslocam de maneira desigual sobre o oxigênio, dando origem a polos distintos em cada extremidade da molécula conforme pode ser visto na Figura 1.

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O átomo de hidrogênio possui apenas um elétron compartilhável, ao passo que o oxigênio possui seis3. Cada ligação do oxigênio com os hidrogênios compartilha dois elétrons (ligação covalente), restando para o oxigênio outros quatro. Dois desses elétrons estabelecem interações remotas (não são ligações de fato) com o hidrogênio de outras moléculas de água, as chamadas pontes de hidrogênio. Cada molécula de água, portanto, admite até quatro outras moléculas (duas pontes a partir do oxigênio mais uma ponte de cada hidrogênio), formando um conjunto de cinco moléculas numa forma piramidal como pode-se observar na Figura 2.

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Os elétrons da última camada da eletrosfera, por possuírem uma energia de ligação mais fraca com o núcleo comparado aos elétrons das camadas mais próximas, podem tanto ser compartilhados quanto perdidos para outros átomos. À última camada da eletrosfera dá-se o nome de camada de valência.

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resistentes ao calor, pois a energia térmica pode ser dissipada para as moléculas vizinhas, o que permite que a água se aqueça de forma gradual e lenta e mantenha uma temperatura relativamente estável. Isso faz da água um bom condutor e isolante térmico. Nos organismos, a água interna e mesmo a externa (no caso de ecossistemas aquáticos) funcionam como um agasalho e proporcionam uma ótima estabilidade da temperatura corporal. A partir de 100 ºC as moléculas se afastam tanto umas das outras, devido ao acúmulo de energia térmica, que acabam rompendo as pontes e se tornam partículas livres. Nesse ponto, a água assume a forma de vapor e é chamado de ponto de ebulição. Se aproveitando desse fenômeno, muitos organismos, quando submetidos a um eventual superaquecimento, podem controlar a temperatura corporal por meio da transpiração. Ao evaporar, a água do suor leva consigo o calor, preservando ou até mesmo baixando a temperatura do corpo em questão. Esse fenômeno ocorre inclusive nos ecossistemas aquáticos. A evaporação da água induzida pelo calor exterior colabora na manutenção da temperatura mais baixa nas camadas inferiores da coluna d’água. Isso é importante para os organismos, os quais requerem variações mínimas de temperatura para o bom funcionamento metabólico. Enquanto o ambiente exterior chega a variar 10 ou 15 ºC durante um dia inteiro, um lago, por exemplo, pode variar menos de 1 ºC na média, dependendo de sua profundidade e extensão. Quanto maior o corpo d’água, mais lento o aquecimento ou o resfriamento efetivo em função da grande quantidade de energia necessária para saturar a dissipação térmica do sistema.

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Em um contexto mais amplo, a água cumpre um papel crucial na manutenção do clima de todo o planeta. Como a superfície do globo é coberto por quase três terços de água, todo o calor proveniente do sol é absorvido pelos oceanos expostos à radiação e dissipado para a porção fria, do lado escuro do planeta. A fração que evapora forma as nuvens que também absorvem o calor, além de servirem como sombreiros naturais. A interação do ar frio vindo do mar com o ar quente dos continentes (os continentes tendem a esquentar ou esfriar mais rapidamente que os oceanos) dá origem às correntes de ar que regulam a temperatura global. Os furacões são resultado de condições específicas nesse contexto e é por isso que tais fenômenos sempre surgem no mar antes de atingirem o continente. No que tange às baixas temperaturas, abaixo de 0 ºC as ligações ficam tão coesas que cristalizam, adquirindo estado sólido de gelo. A compactação das moléculas em função da diminuição da temperatura permite que a água adquira mais massa em menor volume. Conforme o gráfico da Figura 3, a densidade máxima é alcançada a 4 ºC, que é quando a molécula admite seis pontes de ligação, formando um agrupamento de sete moléculas. Abaixo ou acima desse ponto, a densidade diminui, ou seja, a água torna-se mais pesada pouco antes de congelar. Esse comportamento da água é considerado anômalo, pois não é observado em nenhum outro líquido, os quais apresentam um padrão linear de dilatação.

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A estabilidade da temperatura da água tem importância vital porque ela representa uma grande variabilidade metabólica. Um incremento de 10 oC pode duplicar a velocidade das reações químicas, mas a variação de apenas 1 ou 2 oC já é o suficiente para comprometer drasticamente o ritmo metabólico e o funcionamento das enzimas requer condições bastante restritas. Quando o organismo opera fora desses limites, a eficiência metabólica decai significativamente ou se torna até mesmo inibida. A desnaturação enzimática (degradação da enzima ou proteína) é consequência, dentre outros desequilíbrios fisiológicos, do superaquecimento. A febre, por exemplo, é um mecanismo de defesa que visa destruir as infecções, mas quando são altamente perigosas quando a temperatura sobe demais, pois a defesa chega a ser nociva para o próprio organismo. Tais propriedades físico químicas da água só são valiosas no sentido da manutenção da vida se esta predominar em sua maior parte na forma líquida. Todas essas propriedades só existem na forma líquida. A temperatura ambiente média do planeta Terra, graças ao seu posicionamento no sistema solar em relação ao Sol, mantém a maior parte da água no estado líquido e por isso é um planeta perfeito para o desenvolvimento da vida. Se a Terra estivesse 5% mais próxima do Sol, toda a água estaria suspensa na atmosfera como vapor, como acontece em Vênus, e se estivesse 3% mais distante estaria toda na forma de gelo, como em Marte. A disponibilidade de água líquida é essencial não apenas como nutriente aos organismos, mas também como agente regulador do meio ambiente. Portanto, é de se esperar que um planeta com condições ambientais como as encontradas na Terra desenvolva formas de vida.

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forma tão lenta e toda a sua energia seria gasta na tentativa de manter a temperatura corporal6. A atividade iônica da água a torna um solvente universal. Em contato com ela, os compostos orgânicos e inorgânicos se transformam em diversas espécies químicas. Tudo no campo da bioquímica possui base na ionização da água, pois isto a transforma na energia que transforma e desloca os elementos através dos organismos e do meio ambiente. Se a água não pudesse se ionizar, tudo no planeta seria inerte e não haveria energia para sustentar um organismo vivo. Portanto, a interação dos elementos com a água pode ser considerada uma das bases essenciais da fisiologia e do ciclo dos nutrientes no meio ambiente.

2.3 Potencial hidrogêniônico (pH) Afim de facilitar o trabalho com números tão extensos, a escala de pH (potencial de hidrogênio ou hidrogêniônico) foi criada tomando

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O leitor poderia pensar na hibernação dos ursos como uma exceção. Na verdade, esse comportamento não consiste em uma hibernação verdadeira, mas sim em um repouso prolongado. Nessa condição, os ursos também diminuem a frequência cardíaca e se tornam menos ativos, mas não diminuem a temperatura corporal e não assumem uma animação suspensa como a dos animais pecilotérmicos, pois ainda se movimentam e até despertam algumas vezes. Eles inclusive param de se alimentar, mas isso é possível graças ao estoque de energia na forma de gordura que acumularam durante as épocas quentes. Nesse sentido, os ursos que não conseguiram engordar o suficiente para repousarem no frio, são obrigados a se manterem ativos a procura de alimento durante todo o inverno.

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que o pH mais indicado para o aquário plantado é em torno de 6,6 a 6,8, mas isso não quer dizer que não existam sistemas saudáveis fora desse alvo, portanto, o pH em si não é tão importante9, mas sim sua relação com outros parâmetros que veremos mais adiante sem os quais o pH se torna apenas um ponto no gráfico; é preciso mais pontos para se construir uma reta ou uma curva e assim obter alguma informação relevante sobre a condição do sistema. E é também por essa razão que não existe um produto especialmente projetado para corrigir o pH. Mesmo que fossem adicionados ácidos ou bases, o efeito seria temporário, pois serão rapidamente consumidos pelo sistema. Tentar corrigir o pH dessa maneira seria como tratar uma dor com analgésicos sem investigar suas causas. Tão logo o efeito passe, o problema retorna. Antes de explorar os aspectos do pH no ambiente aquático, devemos conhecer o que são ácidos e bases e alguns dos seus mecanismos químicos que representam sua regulação e estabilidade.

2.4 Ácidos e bases Segundo a teoria de Svante Arrhenius de 1887, ácido é toda substância que, ao se dissociar em solução aquosa, libera íons H+ como o único tipo de cátion, enquanto que base é toda substância que, ao se dissociar, libera íons OH- como o único tipo de ânion. Três décadas depois, os físico-químicos Johannes N. Bronsted e Thomas M. Lowry propuseram, de forma independente no mesmo ano, que ácidos são

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É dito que o pH em si não é tão importante para o ponto de vista das condições ideais do aquário plantado. Se tratando da reprodução de peixes, por exemplo, as prioridades podem ser completamente diferentes.

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substâncias capazes de doar prótons em solução e bases são as que os recebem. Anos mais tarde, Gilbert N. Lewis derrubou a hegemonia teórica sobre os prótons e concluiu que ácidos são as espécies químicas que recebem um par de elétrons, enquanto que bases os doam. Todas as teorias estão corretas e estão em uso até hoje, contudo, as mais modernas complementam as mais antigas. Entretanto, o modelo teórico proposto por Bronsted-Lowry é o mais indicado didaticamente para o aquarista, pois é suficiente para explicar as dinâmicas químicas nos ecossistemas aquáticos. Portanto, o que interessa, pelo menos neste momento, é a atividade dos íons H+ (ácidos) e OH- (bases) nas reações. Os ânions ou bases conjugadas, por possuírem um saldo positivo de elétrons, possuem grande afinidade pelo hidrogênio H+, o qual possui um elétron a menos. Quando se ligam, dão origem a uma substância ácida. Dessa maneira, suas fórmulas químicas são escritas com o hidrogênio antes da base conjugada. Uma vez que o hidrogênio se comporta como um próton (porque tem um elétron faltando), quanto mais hidrogênios estiverem ligados ao composto, menor será o saldo de elétrons (sobrando) da base conjugada. Ácidos com apenas um hidrogênio são chamados monopróticos, com dois dipróticos e com três ou mais polipróticos. Quando o ácido ganha um hidrogênio, diz-se que este protonou, quando perde um hidrogênio, é dito que desprotonou. Essas definições serão úteis nos textos seguintes, ao descrever as transformações químicas dos elementos em função do pH. Vejamos o exemplo do fosfato abaixo na Figura 8.

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Muitas substâncias, principalmente os metais, se tornam insolúveis em ambiente alcalino. Por essa razão, os fluídos corporais geralmente são ácidos, bem como as enzimas e vitaminas. Assim é mais fácil conservar os nutrientes e protegê-los da oxidação. O hidrogênio, nesse sentido, significa energia em movimento. As bases, além de funcionarem como agentes neutralizadores dos ácidos, estabelecendo assim um equilíbrio, agem na imobilização dos elementos basicamente na forma de minerais. Ambientes alcalinos, por estarem frequentemente relacionados à condições oxidantes, possuem a tendência de baixar a solubilidade dos metais em solução, depositando-os no solo como estoques a longo prazo. Não fossem as bases, as soluções conteriam quantidades absurdas de todo o tipo de minerais dissolvidos, causando toxidades severas aos seres vivos. Podemos perceber, dessa maneira, uma dinâmica de estocagem de nutrientes pelas bases e dosagem destes pelos ácidos. A reação entre ácidos e bases sempre resulta na formação de sais e água. Se observar a curva logarítmica da relação de H+ em função de OH-, nota-se que, em potencial neutro ou pH 7, a concentração total dos íons (H+ + OH-) é bastante baixa em relação a concentração máxima de um dos íons a pH 14 ou 0 (0,0000002 contra 1 mol/L a 25 oC, ou seja, 5 milhões de vezes maior). Essa reação, chamada de reação de equilíbrio, ocorre porque a afinidade recíproca de OH- por H+ é muito maior que pelos seus respectivos compostos. Dessa forma, ao se misturar ácido clorídrico com hidróxido de sódio, na Figura 11 por exemplo, os hidrogênios se ligam às hidroxilas formando água (a reação de ionização da água faz o caminho inverso) e o cloro se liga ao sódio (cátion se liga com ânion) formando o sal de cloreto de sódio, o sal de cozinha comum. Embora o pH desta solução tenda a se situar mais próximo do neutro, a neutralização efetiva ocorrerá se a quantidade de 60


prosperam melhor dentro de limites muitas vezes bastante restritos, tal como as bactérias presentes na filtragem biológica. Peixes e plantas também requerem alguns limites, mas são bem mais tolerantes. Inclusive peixes de águas tipicamente alcalinas podem se adaptar a um ambiente ácido e vice-versa, desde que a mudança seja gradual e cuidadosa. As plantas são mais tolerantes ao pH do que os peixes. Antes de se atingir limites perigosos às plantas provavelmente todos os peixes já teriam morrido. Entretanto, mais devido à oferta de nutrientes no estado reduzido (na forma solúvel) e boa disponibilidade de CO2 do que por necessidade fisiológica, ambientes ligeiramente ácidos, com pH entre 6,4 e 6,8, tendem a favorecer melhor o desenvolvimento das plantas. O pH do aquário pode ser medido por meio de testes colorimétricos de muitas maneiras. Recomenda-se a utilização dos testes de proveta ao invés das fitas, que são bem menos precisas. Há também medidores digitais com ótima precisão e facilidade, o que reduz muito os erros decorrentes da manipulação e má interpretação de cores quando bem utilizados.

2.5 Reserva alcalina e a estabilidade do pH Oscilações bruscas no pH são bem mais perigosas que valores normalmente considerados muito altos ou muito baixos. Alguns aquaristas conseguem manter peixes e plantas saudáveis em pH 6,4 ou 6,2, mas isso somente é possível se o pH for mantido estável. A estabilidade dos sistemas aquáticos, e isso também vale para o ambiente orgânico de todos os seres vivos, inclusive a nível intracelular, é obtida por meio do controle da reserva alcalina. 65


A reserva alcalina, também denominada como dureza carbonatada, potencial alcalino ou dureza KH (do alemão Karbonatharte Hardness), está intimamente relacionada com o equilíbrio do pH. É medido em diversas escalas, sendo a mais usual na prática do aquarismo o grau alemão, sendo que 1 grau (odH) equivale a 17,84 ppm de CaCO3 equivalentes10. O KH mede, basicamente, a resistência da solução em manter o pH diante da adição de ácidos ou bases fortes. Quanto maior a reserva alcalina, maior a estabilidade (tamponamento) do sistema11. A neutralização dos ácidos ocorre pela afinidade dos ácidos fracos pelos hidrogênios. Como dissociam muito pouco (ou seja, tendem mais a reter os hidrogênios do que liberá-los), os hidrogênios ficam retidos na base conjugada e o pH não é alterado. Quanto mais forte a base conjugada, mais forte a retenção dos hidrogênios, inviabilizando oscilações no pH. A quantidade total de agentes neutralizadores consiste, portanto, na medida reserva alcalina. Entretanto, se íons H+ são adicionados em quantidade além do que pode ser retida, a reserva é esgotada e o pH cai rapidamente. Os ácidos fracos do sistema, por não poderem protonar mais, se saturam e a solução perde o poder tampão. A Figura 12 faz um

10

A concentração equivalente de CaCO3 foi escolhida convencionalmente para expressar uma das unidades de medida da reserva alcalina, sendo muito empregada no meio científico. É importante observar que quando uma dada alcalinidade é expressa nessa unidade, não significa que esta é composta apenas de CaCO3, mas corresponde ao dado valor em concentração de CaCO3. 11

A reserva alcalina frequentemente é referida como tamponamento ou efeito tampão na literatura técnica. Alguns autores utilizam ainda o termo buffer, do inglês “amortecedor” ao se referir à soluções tamponadas.

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As diversas reações orgânicas produzem muitos ácidos que poderiam ser prejudiciais aos processos fisiológicos. Quando o tampão sanguíneo não funciona adequadamente (por conter baixa reserva alcalina, causada por uma alimentação muito ácida, por exemplo), o pH do sangue cai abaixo dos níveis seguros e o indivíduo apresenta sintomas de acidose. O tratamento consiste justamente em administrar bicarbonatos para restaurar a reserva alcalina do organismo. Em humanos, a presença do bicarbonato (oriundo do H2CO3 que encontrou pH mais alto no sangue e desprotonou para HCO3-) representa 64% da capacidade tampão do sangue. O KH no aquário plantando pode ser medido por testes de titulação (testes que medem a quantidade de gotas na solução para “virada” da cor) e quase não existem testes eletrônicos. É muito importante que o teste seja o mais preciso possível, pois, como veremos a seguir na medição do CO2, muita variabilidade nos valores da tabela incorrerá em resultados muito imprecisos.

2.6 Potencial redox O potencial redox, potencial de oxidação/redução ou pE, é o potencial ou tendência de um determinado elemento químico ou meio a adquirir elétrons. O fenômeno da oxi-redução sempre se trata de uma relação entre dois elementos no qual um oxida e outro reduz. O agente que adquire elétrons reduz, ao passo que o agente que perde elétrons oxida. Em outras palavras, quem reduz exerce poder oxidante sobre quem oxida que, de maneira inversa, exerça poder redutor sobre quem reduz. A palavra redução se refere à carga positiva, ou seja, se um elemento X reduz, seu saldo de carga positiva (ou prótons) diminui por adquirir elétrons. Vejamos o exemplo do ferro na Equação 8. 70


A configuração das espécies químicas dos elementos é fortemente afetada tanto pelo potencial redox quanto pelo pH do meio. Uma vez que os elementos tendem a aumentar sua solubilidade em condições redutoras, os ecossistemas aquáticos são favorecidos em pH ácido. Embora o potencial redox não seja um parâmetro importante a ponto de ser monitorado pelo aquarista, seu conceito é importante para entender a dinâmica de alguns elementos essenciais, principalmente no que tange à disponibilidade dos micronutrientes metálicos, conforme será visto nas próximas sessões.

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3.

OXIGÊNIO

O oxigênio, de símbolo O na tabela periódica, é um poderoso agente oxidante, ou seja, é um átomo ávido por elétrons. Sua alta eletronegatividade perde apenas para o flúor. Na pressão atmosférica apresenta-se na forma gasosa. A forma molecular O2 compõe cerca de 20% do volume dos gases contidos na atmosfera terrestre. A forma O3 (ozônio), é extremamente tóxica aos seres vivos pela alta reatividade e é formada no rearranjo molecular causado pelas descargas elétricas atmosféricas. Por ser menos denso, o ozônio se concentra nas camadas superiores da atmosfera, formando a chamada camada de ozônio, que funciona como filtro para o excesso de radiação ultravioleta proveniente dos raios solares. Na respiração (que diz respeito aos animais e bactérias decompositoras aeróbicas), o oxigênio cumpre diversos papéis na oxidação de compostos orgânicos, basicamente moléculas de carboidratos, para formar energia na forma de ATP, a moeda energética 75


Ao contrário do que se pensa comumente, a concentração de oxigênio dissolvido não é exatamente proporcional à concentração de carbono, embora sigam, na prática, alguma correlação inversa não linear. A razão O2:CO2 é influenciada diretamente por diversos fatores, como temperatura, pH, KH, nível trófico e até pela profundidade da coluna d’água, ou seja, as curvas de correlação podem ser diferentes conforme as condições variam. Dessa forma, é praticamente impossível determinar a concentração de O2 dissolvido apenas em função da concentração de CO2. Durante o dia, em lagos e rios, o oxigênio é produzido pela atividade fotossintética das plantas e algas e, desde que sejam ambientes aquáticos equilibrados, essa produção é suficiente para abastecer a biologia do sistema. Durante o período de escuridão, quando inclusive as plantas e algas estão respirando, o oxigênio tende a se tornar mais escasso, provocando a queda do pH pelo aumento da produção de CO2. Por essa razão, aquários densamente plantados podem necessitar de oxigenação adicional no período de escuridão, principalmente quando se mantém densas populações de peixes, peixes sensíveis ou quando se mantém peixes grandes, como acarás disco, acarás bandeira, etc. A importância vital da oxigenação da água, antes da saúde dos animais, se deve à manutenção dos agentes decompositores aeróbicos, os quais degradam elementos tóxicos a outros relativamente menos tóxicos. A amônia, na forma de NH3, é extremamente tóxica aos animais, apesar de ser a principal fonte de nitrogênio das plantas e algas (na forma de NH4+). As bactérias nitrificantes transformam a amônia em compostos inorgânicos igualmente úteis como fonte de nitrogênio para as plantas.

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No aquário plantado, o oxigênio pode baixar a níveis perigosos no caso de injeção excessiva de CO2. A níveis críticos, os peixes nadam muito próximo a superfície, onde a concentração de oxigênio é ligeiramente maior que na coluna d’água. Se a situação persistir, os animais podem morrer rapidamente, bem como prejudicar a eficiência da filtragem biológica. Direcionar a saída do filtro para o espelho d’água, no intuito de quebrar a tensão superficial e permitir a permutação gasosa, ajuda a manter o oxigênio a níveis saudáveis para o sistema. Manter o oxigênio a níveis seguros tanto no período de luz quanto no período de escuro é muito importante no aquário plantado, assegurando, assim, o equilíbrio do pH e das reações químicas e biológicas. Não é um parâmetro difícil de controlar e nem requer testes para monitoração, mas é preciso se manter atento aos sinais de desequilíbrio que ocorrem principalmente quando há falta de energia elétrica ou quando há problemas com o equipamento de recirculação da água.

redox

3.2 A decomposição biológica e sua relação com o potencial

A decomposição é basicamente um processo biológico no qual um substrato orgânico é degradado a compostos inorgânicos por agentes decompositores. Por substratos orgânicos entende-se tecidos mortos, como plantas e animais, que precisam ser reciclados para retornarem à natureza como minerais e novamente como nutrientes para o consumo primário (mineralização). Graças à decomposição, os recursos são renováveis (mas não ilimitados) por ciclos geológicos, atmosféricos e biológicos. 79


Antigamente, acreditava-se que as plantas se nutriam de restos de organismos mortos contidos no solo, ou seja, podiam assimilar moléculas orgânicas. No século XIX, Justus von Liebig, um extraordinário químico alemão (mais detalhes serão descritos no Livro 2), descobriu que as plantas assimilam, na verdade, elementos inorgânicos na forma de minerais que são continuamente produzidos por microrganismos decompositores. Desde então, a ciência voltou seu interesse para o papel desses organismos e, ao estudar seus processos fisiológicos, constaram várias dinâmicas bioquímicas de transformação de elementos extremamente importantes para a compreensão dos ciclos biológicos. Algumas dessas dinâmicas serão descritas mais adiante nesse livro. O processo de decomposição se inicia, naturalmente, a partir da matéria orgânica morta (plantas e animais) que serve se alimento para outros organismos, a princípio, os chamados detritívoros, entre eles insetos, vermes e fungos. Na verdade, antes da ação destes, as células, quando morrem, iniciam um processo de auto degradação chamado autólise, que basicamente consiste na ação de enzimas próprias que destroem algumas estruturas e as tornam prontas para o consumo dos detritívoros13. As fezes desses animais, por si só, já são consideradas

13

Organismos detritívoros não são capazes de consumir células que ainda não iniciaram o processo de autólise. Com base nisso, algumas técnicas da medicina moderna empregam larvas de moscas (obviamente criadas em condições sanitárias de laboratório) para limpar tecidos mortos de lesões extensas. As larvas, mantidas sobre as lesões por baixo dos curativos, previnem o surgimento de infecções e aceleram o processo de cicatrização de pacientes com queimaduras, grandes escoriações e até diabéticos, os quais possuem um processo de cicatrização bastante demorado.

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muito ricas em nutrientes, pois a matéria orgânica fora degradada a moléculas muito mais simples, embora ainda na forma orgânica14. O que não é consumido por eles serve de alimento para as bactérias heterotróficas e fungos. Em florestas úmidas, troncos de árvores mortas e cascas antigas são geralmente tomadas por cogumelos e outras colônias. Esses agentes degradam as moléculas orgânicas a outras menores que, por sua vez, alimentam outras bactérias, as chamadas quimiossintetizantes. Os resíduos dessas podem ainda alimentar outras bactérias ou já estarem disponíveis ao consumo vegetal. O processo da decomposição inerente à transformação da matéria orgânica em elementos inorgânicos chama-se mineralização, pois é quando o ciclo biológico finalmente conclui sua passagem pelos seres vivos. O papel do oxigênio nos processos de decomposição é crucial para a rota dos elementos na natureza, pois é conforme sua disponibilidade que colônias decompositoras específicas devem se instalar e proliferar. Tal como os animais e plantas, os microrganismos decompositores também precisam de energia para mover seus processos metabólicos. Na presença do oxigênio, essa produção de energia é muito mais eficiente e, portanto, mais rápida, o que caracteriza o mecanismo de respiração celular. As bactérias que demandam 14

O húmus de minhoca, amplamente utilizado na jardinagem, nada mais é que as fezes da minhoca como resultado da digestão da matéria orgânica microscópica presente nos solos. Apesar de ser considerado um composto muito eficaz para a nutrição vegetal, ainda está longe da eficiência do húmus do besouro, o composto natural mais fértil que se tem conhecimento. O húmus de minhoca é mais o empregado devido ao seu baixo custo, maior facilidade de obtenção e rentabilidade, uma vez que fazendas de minhocas são mais práticas que fazendas de besouros.

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oxigênio para sobreviver são denominadas aeróbicas e são capazes de decompor uma grande quantidade de material em um tempo relativamente curto. A taxa da decomposição aeróbica é diretamente proporcional à concentração de oxigênio e responde positivamente também à temperatura. Logo, em ambientes com boa oferta de oxigênio e alta temperatura (dentro dos limites de tolerância dos organismos em questão), a decomposição é dezenas de vezes mais rápida. Em contrapartida, na escassez ou ausência total de oxigênio, a decomposição ocorre pela ação de agentes anaeróbicos. O processo metabólico em questão chama-se fermentação e, por render muito menos energia, é bem mais lento. A necessidade por energia se deve principalmente ao processo de oxidação do substrato orgânico que demanda um agente aceptor de elétrons. O oxigênio, por ser o elemento de maior eletronegatividade e abundância na atmosfera, acaba sendo o agente mais eficiente nessa tarefa, tanto que a maioria dos organismos vivos se adaptou às suas propriedades e desenvolveu um metabolismo aeróbico. Já os organismos anaeróbicos, provavelmente diante da oportunidade de crescerem em ambientes de baixa competição, são capazes de admitir outros elementos como aceptores de elétrons. Vale ressaltar que, quando tal elemento oxida a matéria orgânica, tal elemento reduz. Na prática, elementos aceptores alternativos recebem um elétron e reduzem, por exemplo, de NO3- a NO2- (nitrato para nitrito, conforme veremos adiante). Quando o carbono orgânico (carboidratos, por exemplo) é oxidado na decomposição aeróbica, sempre é gerado CO2 e água. O mesmo ocorre com a decomposição do fósforo, gerando o PO43(fosfato), com o enxofre, gerando o SO42- (sulfato) e com o nitrogênio, gerando o NO3- (nitrato). 82


Na decomposição anaeróbica, também é gerado CO2 e água, mas também carbono parcialmente decomposto na forma de hidrocarbonetos, como álcoois e gases, especialmente metano (CH4). O mesmo ocorre com o enxofre, produzindo H2S (sulfeto), e com o fósforo, produzindo PH3 (fosfina). Esses gases são extremamente tóxicos e inflamáveis devido a forte propensão a oxidarem rapidamente em contato com o oxigênio do ar ou da água. No caso do nitrogênio, a primeira fase da decomposição resulta em NH3 (amônia), mas nem sempre por organismos anaeróbicos. Embora a amônia seja igualmente tóxica, não é um gás inflamável, pois a ligação molecular é bem mais estável e só pode ser oxidada pela ação dos microrganismos nitrificantes. A decomposição anaeróbica somente ocorre na escassez ou ausência completa do oxigênio, no que chamamos de condição redutora, pois o potencial de troca de elétrons nas reações químicas é fortemente diminuído. Assim, ao invés de usar o O2 para transferir os elétrons (oxidar) da matéria orgânica, os organismos anaeróbicos os doam para elementos alternativos, cuja eletronegatividade é muito inferior à do oxigênio, que vão sendo esgotados por ordem de poder redox. Vale lembrar que esses elementos, por aumentar sua carga de elétrons, são reduzidos. O NO3- é o primeiro elemento a ser requisitado, sendo reduzido a NO2- e, em seguida, a N2 (processo de desnitrificação, como veremos posteriormente). Depois dele, o Mn4+ (reduzido para Mn2+), seguido do Fe3+ (reduzido para Fe2+) e, por último, o SO42+ (reduzido para S elementar ou até H2S). Portanto, nos próximos textos, quando é dito, por exemplo, que o ferro tende a reduzir em condições redutoras, significa, na verdade, que isso somente será de fato favorecido quando todas as reservas de NO3- e Mn4+ se esgotarem, caso contrário, se manterá na forma em que está. 83


Ambos os processos, aeróbico e anaeróbico, podem ocorrer simultaneamente no mesmo solo. Nas camadas mais profundas, onde o oxigênio é pouco presente, a ação anaeróbica é favorecida e os elementos são reduzidos, enquanto que nas camadas mais rasas e aeradas, a ação aeróbica prevalecente mantém os elementos na forma de óxidos e hidróxidos15. No caso de metais, a redução sempre aumenta sua solubilidade e difusão através das camadas do solo, enquanto que a oxidação aumenta a formação de precipitados (muito pouco ou nada solúveis) e piora sua distribuição. Veja que todas essas dinâmicas são complementares e ocorrem pela distribuição do oxigênio interagindo com a atividade decompositora. Apesar das plantas não sobreviverem em ambientes anaeróbicos, as condições redutoras de algumas partes do solo são extremamente vitais para o aumento da disponibilidade de alguns nutrientes, especialmente os metálicos. No aquário, bem como em qualquer outro ecossistema de águas móveis, o potencial redox é sempre muito alto, o que tende a diminuir severamente a oferta de vários nutrientes. Por essa razão, as plantas dependem muito das condições redutoras de algumas partes do solo para o aumento da disponibilidade destes nutrientes. É, de fato, um equilíbrio químico bastante delicado e demora um certo tempo para ser estabelecido no substrato. Em reconhecimento a essa importância para a sobrevivência dos ecossistemas, veremos, nas próximas sessões, essas dinâmicas em vários detalhes que ocorrem inclusive dentro do aquário plantado. 15

Óxidos são elementos ligados a átomos de oxigênio, enquanto os hidróxidos são ligados a hidroxilas (OH-). Isso faz com que toda base seja, em essência, um hidróxido, por exemplo, o hidróxido de sódio NaOH. Os óxidos são formados na reação do ácido conjugado com o oxigênio do ar e os hidróxidos são formados na reação com a água ou com a umidade.

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3.3 O verdadeiro milagre do Rio Ganges O Rio Ganges é o maior rio da Índia e está entre os maiores rios do mundo. Ele nasce ao norte, nas cordilheiras do Himalaia, e desagua no mar no Golfo de Bengala. Sua extensão alcança mais de 2,5 mil Km e abriga dezenas espécies de animais. Toda a história da Índia foi construída ao redor de suas margens e seu simbolismo espiritual é imensurável para os hindus. Ele é reverenciado em suas escrituras como sendo um rio sagrado capaz de purificar a alma dos homens e curar diversas doenças. Desde o fim do século XIX já era admitido pela ciência que o rio era de fato capaz de curar algumas doenças, entre elas, a cólera. Mas foi Frederick Twort quem decifrou o suposto milagre ao descobrir que o poder curativo advinha de alguns vírus específicos capaz de destruir bactérias nocivas aos seres humanos, o que ele chamou de bacteriófagos. Ele havia descoberto também que esses vírus existiam especificamente em ambientes contaminados com o esgoto e declarou sua descoberta em 1915. Mas o milagre do rio não se resume apenas aos bacteriófagos, outras condições químicas também afetam fortemente suas propriedades auto regeneradoras como a presença de altas concentrações de oxigênio dissolvido em quase toda a extensão do rio, especialmente no inverno, quando as temperaturas baixam (e aumentam a solubilidade do oxigênio). A presença abundante do oxigênio traz muitos benefícios químicos ao ecossistema, entre eles o aumento do pH, do potencial redox e da reserva alcalina. Essas condições, por sua vez, aumentam drasticamente a atividade decompositora e combate muitos dos organismos patógenos. Surpreendentemente, apesar de todo o esgoto, 85


efluentes industriais e cadáveres em decomposição, uma pesquisa publicada em 2013 relatou pH acima de 8, reserva alcalina de até 10 o KH e concentrações de oxigênio dissolvido maiores que as recomendadas pelos órgãos ambientais em vários trechos. Entretanto, esse poder é finito e está começando a ser vencido pela atividade humana, principalmente pelo despejo de cadáveres nas águas do rio, os quais não foram devidamente cremados16. O intenso crescimento demográfico das cidades e o consequente aumento do despejo de esgoto doméstico e industrial também acabam destruindo cada vez mais o habitat de dezenas de espécies de animais ameaçados de extinção. Alguns trechos já estão inóspitos e muitos outros já apresentam condições insalubres para a vida selvagem. Alguns movimentos políticos já foram feitos para a despoluição do rio Ganges, mas os projetos não saem do papel por conta da corrupção, falta de políticas públicas de saneamento, falta de conscientização das pessoas e até resistências religiosas. Atualmente, o Rio Ganges é considerado um dos cinco rios mais poluídos do mundo e nas áreas mais densamente povoadas seus níveis

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A tradição religiosa do hinduísmo considera o Rio Ganges como sendo uma entidade purificadora. Segundo preceitos védicos, todos devem ser cremados para que se purifiquem e ter suas cinzas jogadas ao Ganges. Contudo, a lenha é cara e é necessária em grande quantidade para cremar um corpo humano adequadamente. Com isso, corpos parcialmente queimados são jogados no rio. Alguns corpos, como de crianças, mulheres grávidas e vacas, por já serem considerados puros, são jogados inteiros no rio. A demanda decompositora para consumir biologicamente esses corpos é imensa e vem destruindo a capacidade de regeneração do rio e contaminando gravemente a água para o consumo humano.

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de coliformes fecais chegam a ultrapassar mil vezes o limite estabelecido pelos ĂłrgĂŁos regulatĂłrios.

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4.

CARBONO

O carbono, de símbolo C, é o quinto elemento mais abundante do universo depois do hidrogênio, hélio e oxigênio. Possui notável capacidade de se ligar a outros átomos, formando inúmeros materiais com propriedades distintas. Quando se combina com o oxigênio, assume formas gasosas (principalmente monóxido e dióxido de carbono), quando se combina com o hidrogênio, forma compostos de hidrocarbonetos (álcoois e todos os derivados dos combustíveis fósseis) e quando se combina com ambos, forma mais de 10 milhões de compostos orgânicos, como lipídios, açúcares, aminoácidos, proteínas, enzimas etc. essenciais a todas as formas de vida. Nenhum outro elemento do planeta pode se combinar de tantas maneiras diferentes como o carbono. Na pressão atmosférica se apresenta no estado sólido, adotando tipicamente a forma de grafite. 89


Sob alta pressão, os átomos se rearranjam e assumem a estrutura do diamante. Esse é um exemplo clássico da natureza versátil do carbono. Na bioquímica, é considerado o pilar central das estruturas celulares, compondo cerca de 50% do peso seco das células na forma de esqueletos de carbono todas as moléculas orgânicas. O carbono é absorvido na forma gasosa como dióxido de carbono (CO2) pelas plantas, algas e bactérias fotossintetizantes e na forma de alimento pelos animais, advindo dos tecidos orgânicos ingeridos, como carboidratos, proteínas, açúcares, etc. Dentro dos organismos vivos, os carboidratos se convertem em substratos energéticos na forma de glicose e seus derivados, enquanto que os aminoácidos e proteínas são empregados na construção de enzimas (hormônios) e tecidos vivos (órgãos). O carbono, portanto, assume duas funções orgânicas essenciais, a função estrutural e a função energética. O carbono possui um ciclo de duas vias, o ciclo biológico e o ciclo geológico. No ciclo geológico, o CO2 atmosférico é dissolvido nos rios na forma de ácido carbônico (H2CO3) que se dissocia rapidamente na forma de bicarbonato e carbonato que, ao reagir com o cálcio e o magnésio, formam diversos precipitados alcalinos. Esses compostos são levados aos oceanos, onde se depositam no fundo em camadas. Muitos animais marinhos, como corais, caranguejos e moluscos, se beneficiam dos carbonatos para desenvolver seus esqueletos e conchas. Após milhares de anos, as camadas sedimentadas de carbonatos endurecem formando rochas calcárias. Com o atrito e sobreposição das placas tectônicas, as rochas são levadas para dentro do magma terrestre, onde são submetidas a altas pressões e temperaturas, decompondo os carbonatos em dióxido de carbono. Imensos bolsões de CO2 são liberadas pelas atividades vulcânicas, devolvendo finalmente o CO2 à atmosfera, completando o ciclo geológico. 90


O ciclo biológico do carbono consiste, na verdade, no ciclo do oxigênio, ou seja, a contínua troca no balanço CO2:O2 pela respiração e pela fotossíntese. A queima dos derivados de combustíveis fósseis17 acaba sendo também uma parte do ciclo biológico do carbono, embora com a intervenção humana. Apenas metade da produção de CO2 atmosférico provocado pela queima desses combustíveis são absorvidos pelo sistema natural, enquanto o restante se acumula drasticamente na atmosfera, contribuindo para as terríveis consequências do efeito estufa. Sem o uso do combustível fóssil como fonte de energia, o carbono contido nesses compostos não retornaria ao sistema como elemento biodisponível, se mantendo retido sob a crosta terrestre. As queimadas contribuem também com o ciclo do carbono, uma vez que a matéria orgânica na forma de vegetais (mortos ou não), quando queimada, libera o carbono na forma de CO2, CO e cinzas. Os oceanos contribuem para a extração do excesso de carbono da atmosfera, embora a taxa de absorção do CO2 dependa da temperatura, chegando a estocar cinquenta vezes mais CO2 que a atmosfera. Parte do CO2 contido é utilizada pela atividade fotossintética do fitoplâncton e outra parte, convertida em carbonatos, segue pelo

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Os combustíveis fósseis são reservas minerais de carbono orgânico na forma de gás natural, petróleo e carvão mineral. São formados quando a matéria orgânica soterrada é parcialmente decomposta em ambiente anaeróbico e submetida à alta pressão e temperatura por milhões de anos. Os combustíveis fósseis, portanto, são seres vivos pré-históricos que, após morrerem, sofreram essa natureza de decomposição, por isso a denominação de “fóssil”. Vulgarmente se diz que os combustíveis fósseis não são renováveis, o que não é verdade, pois mesmo agora o planeta ainda gera tais compostos. No entanto, devido a escala de tempo ser incompatível com o ritmo do consumo, sua fonte é considerada esgotável.

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ciclo geológico. Por outro lado, quando os mares se aquecem, grande quantidade de CO2 é devolvida à atmosfera. Ainda assim, 99% do carbono do planeta está armazenado nos depósitos de rochas calcárias e nos reservatórios de combustíveis fósseis. Apenas 0,035% do volume da atmosfera é composto de carbono, embora esses níveis estejam aumentando drasticamente desde a era industrial com a queima de combustíveis e outras práticas como o desmatamento, contribuindo, assim, para o efeito estufa.

4.1 O carbono no ambiente aquático O dióxido de carbono é cerca de 200 vezes mais solúvel em água que o oxigênio, contudo, sua solubilidade também é afetada pela temperatura, conforme prevê a Lei de Henry18. Na água, o carbono pode assumir diversas formas moleculares ao se ligar aos íons hidrogênio e metais alcalinos como o cálcio e o magnésio. Em águas naturais, com o pH abaixo de 8, o CO2 atmosférico e aquele produzido pela atividade aeróbica no sistema aquático se combinam com a água formando o ácido carbônico (H2CO3), um ácido bastante fraco e instável que se decompõe rapidamente em bicarbonatos (HCO3-) e, posteriormente, em carbonatos (CO32-). A cada vez que ocorre a dissociação da molécula, há a liberação de um íon H+.

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A Lei de Henry, em suma, esclarece que a solubilidade de um gás tende a diminuir conforme a temperatura do solvente (no caso a água) aumenta. Isso acontece devido ao aumento da agitação das partículas dos gases, que se movem mais rápido na medida da temperatura. Esse fenômeno físico aumenta a pressão no solvente e facilita a saída do gás para a atmosfera, onde a pressão é menor.

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as plantas aquáticas, na sua grande maioria, sejam capazes de metabolizar o HCO3- como fonte de carbono alternativa, há um elevado gasto enérgico que atrasa o desenvolvimento da planta, pois o HCO3precisa ser transformado, no interior das células, em CO2 para ser metabolizado. Há ainda plantas que não são capazes de metabolizar o HCO3-, o que torna o uso da injeção de CO2 ainda mais necessário. Detalhes sobre o metabolismo do carbono pelas plantas serão descritas no próximo capítulo. Os rios e lagos são abastecidos de carbono de várias maneiras. A intensa atividade dos decompositores aeróbicos sobre a matéria orgânica morta é a principal fonte de CO2 para a vegetação. As chuvas, que trazem o ácido carbônico formado na ligação do CO2 atmosférico com as nuvens, também fornecem carbono para esses ambientes, embora tal contribuição seja significante apenas durante os períodos de chuva. De qualquer maneira, a demanda por carbono nos ambientes aquáticos geralmente supera a oferta, ocasionando a competição entre plantas e algas. A disponibilidade do carbono é dificultada ainda mais pela sua baixa capacidade de difusão no ambiente aquático, chegando a mil vezes menor do que no ar. Devido a isso, as plantas aquáticas desenvolveram adaptações morfológicas importantes que facilitam a absorção necessária de carbono, preferencialmente na forma de CO2. Na natureza, muitas das plantas aquáticas (inclusive a maioria das espécies empregadas no aquário plantado), cumprem a maior parte do seu ciclo de vida fora da água, onde o CO2 é mais móvel e disponível. Tais plantas não são totalmente aquáticas, sendo, na realidade, plantas anfíbias.

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O CO2 injetado no aquário tende a baixar ligeiramente o pH na proporção da reserva alcalina, ou seja, quanto maior a reserva alcalina, menor a variação do pH. Parte do CO2 injetado se converte em ácido carbônico, em torno de 1/400 da quantidade injetada, após um meio tempo de 15 segundos. As plantas metabolizam, na verdade, o CO2 livre (porção que não reagiu com a água) ao invés do ácido carbônico, como alguns aquaristas pensam. Dessa forma, os dispositivos que retém as bolhas de CO2 por mais tempo dentro da coluna d’água e os difusores servem para melhorar a dispersão do gás e não para transformar o CO2 em ácido carbônico. A concentração ideal de CO2 no aquário plantado deve ser sempre acima de 30 mg/l. A medição da concentração do CO2 diluído é hipotética e é feita cruzando-se os valores obtidos no teste de pH (dedução da concentração do ácido carbônico) contra os valores da reserva alcalina KH (dedução da concentração de bicarbonatos) numa tabela desenvolvida exclusivamente para aquaristas. O teste não leva em consideração alguns eventuais ácidos orgânicos (presentes em pequenas concentrações) na medição do pH, nem outros ácidos fracos, como os fosfatos, na medição da reserva alcalina. Esse método de medição, portanto, não é muito exato, pois a tabela sempre tende a errar para menos, mas ainda é o melhor indicador prático para o aquarista. Contudo, para utilizá-la com êxito, recomendase que o CO2 seja ajustado para 40 ou 45 mg/L para compensar o erro intrínseco da tabela.

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podem estar presentes. Quando em grandes concentrações, a água apresenta uma tonalidade marrom, similar ao chá, como nos mangues. No aquário, por sua vez, como os subprodutos oriundos da decomposição são sistematicamente retirados pela filtragem e pelas trocas parciais de água, a concentração de carbono orgânico é muito baixa.

4.2 O carbono inorgânico como agente tamponador em ecossistemas aquáticos Águas naturais apresentam grande variedade de ácidos fracos que podem funcionar como agentes tamponadores. Entre eles estão os ácidos derivados do fosfato, do sulfato e a amônia. Entretanto, esses compostos não representam importante fonte de reserva alcalina para os ambientes de água doce, pois geralmente ocorrem em concentrações bem baixas. O carbono, por sua vez, por ser muito abundante tanto na crosta terrestre quanto na atmosfera e também por ser bastante solúvel em água, constitui a principal fonte de reserva alcalina na forma de carbonatos e bicarbonatos. Como o ácido carbônico pode dissociar duas vezes (desprotonando em bicarbonato na primeira vez e em carbonato na segunda), o tamponamento dos ambientes aquáticos, tipicamente com pH dentro da faixa de 8 a 6, é assegurado pelo CO2, mais precisamente na forma de bicarbonatos. A Figura 15 exibe os intervalos de pH nos quais o tamponamento pelo carbono inorgânico é mais efetivo.

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qualquer forma, é recomendado que o aquarista monitore a reserva alcalina regularmente se utilizando de testes específicos disponíveis no mercado. Valores de KH acima de 4 são considerados ideais, mas não é raro alguns sistemas atingirem 10 ou mais. Isso costuma ocorrer em aquários que possuem rochas de origem calcária, de forma que os bicarbonatos e carbonatos formam estoques ao se ligarem aos íons de cálcio e magnésio das rochas. Uma reserva alcalina alta não é ruim para o sistema, mas pode atrapalhar o aquarista em alguns aspectos, como na leitura dos níveis de CO2. Na tabela de CO2, observa-se que quanto mais alto KH, maior é a variação do CO2 dissolvido. Dessa forma, a imprecisão inerente aos testes colorimétricos pode estimar concentrações de CO2 um tanto longe do real. Nesse sentido, é interessante manter a reserva alcalina em valores que proporcionem um erro menor. Por outro lado, pode haver casos em que é necessário aumentar a reserva alcalina por métodos “forçados”. Um exemplo típico é quando se atinge a concentração desejada de CO2 com KH abaixo de 4, representando uma instabilidade potencial para o sistema. Embora não sejam soluções permanentes, os compostos carbonatados disponíveis no mercado aquarista, os chamados buffers, podem ser úteis ao aquarista nessas situações. A adição de carbonato de cálcio também pode aumentar a reserva alcalina. O uso do bicarbonato de sódio, embora seja igualmente eficaz na correção da alcalinidade, não é indicado para aquários com plantas, pois o sódio, quando adicionado regularmente, pode causar toxidez ao ser acumulado. A reserva alcalina também pode ser regenerada de maneira mais natural sem a necessidade de adição de buffers. De acordo com a Figura 100


Essa medida se chama regeneração noturna da reserva alcalina e vem se tornando muito popular entre os aquaristas, mas infelizmente não funciona muito bem em sistemas que dispõem de muita massa microbiológica no biofiltro, pois toda a reserva regenerada acaba por ser consumida pela nitrificação (conforme veremos a diante) e o período de luz já inicia com baixa reserva. Nesses casos, apesar de não tornar dispensável a regeneração noturna, ainda pode ser necessária a correção do KH com o buffer.

4.3 A relação entre o dióxido de carbônico e o gigantismo dos dinossauros Há 150 milhões de anos, no início da era dos dinossauros, havia uma intensa atividade vulcânica global como resultado do deslocamento das placas tectônicas que fragmentaram os supercontinentes Laurásia e Gondwana, formando os continentes como conhecemos atualmente. A contínua descarga de CO2 pelos vulcões por milhões de anos elevou os níveis para aproximadamente dez vezes em relação aos níveis atuais, fazendo subir, inclusive, a temperatura média global. Devido ao calor que envolvia o planeta, não haviam calotas de gelo nos polos e o efeito estufa provavelmente era muito mais agressivo, o que ocasionava tempestades violentas com bastante frequência. A alta temperatura associada à alta disponibilidade de CO2 por milhões de anos fizeram as plantas crescerem e se reproduzirem de forma abundante por todo o planeta. Há indícios fósseis de samambaias e outras plantas tropicais onde hoje é o polo sul, prova do sucesso das plantas em se reproduzir e se propagar nas condições dessa época. O ambiente era tão propício ao desenvolvimento vegetal que algumas plantas tiveram um salto evolucionário e começaram a desenvolver 102


flores e frutos primitivos, marcando o surgimento das primeiras plantas angiospermas19. A oferta infindável de alimento na forma de biomassa vegetal sustenta a hipótese da causa do gigantismo dos dinossauros. Antes da atividade vulcânica, os primeiros dinossauros eram bem menores, bem como a densidade vegetal. Com a drástica diminuição do vulcanismo no final do Cretáceo, há cerca de 80 milhões de anos, os dinossauros decaíram, provavelmente devido a diminuição da temperatura média global e a consequente diminuição da densidade vegetal. Na queda do famoso meteoro de imensas proporções na península de Yucatã há 65 milhões de anos, ao qual é a atribuída a extinção definitiva dos dinossauros, estima-se que metade da biodiversidade dos dinossauros já estava extinta. Mesmo sem a queda do meteoro, com os níveis de CO2 baixando na atmosfera até os níveis posteriores, os dinossauros não escapariam da extinção. É fácil entender, a partir desse exemplo, como a disponibilidade do carbono ao consumo primário pode afetar a vida de maneira tão radical a ponto de evoluir novas formas de vida, bem como extingui-las. O suprimento adicional de CO2 no aquário plantado visa, de maneira prática, o mesmo efeito que o citado acima. As plantas apresentam crescimento mais acelerado e vigoroso, as folhas ficam 19

As plantas angiospermas são aquelas que, em determinada fase do ciclo de vida, produzem flores e frutos. As flores funcionam como órgãos reprodutivos e os frutos servem de proteção, reserva de nutrientes e veículo para a propagação das sementes. Evoluíram recentemente, no Cretáceo inferior, há 140 milhões de anos. Atualmente representam 250 mil das 350 mil espécies de plantas. A maioria das plantas anfíbias empregadas no aquarismo plantado são angiospermas, produzindo suas flores quando alcançam o ambiente emerso.

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maiores, melhor formadas, mais uniformes, abundantes em clorofila e tendem a se recuperar muito mais rápido das podas. Obviamente esses sinais dependem também de várias outras condições igualmente essenciais, mas é o estímulo da atividade fotossintética, pela iluminação de boa qualidade e pelo suprimento abundante de CO2, que acelera a absorção de todos os outros nutrientes e melhora significativamente a saúde das plantas.

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5.

NITROGÊNIO

O nitrogênio, de símbolo N, é o gás mais abundante da atmosfera terrestre, compondo 78% desta na forma N2 praticamente inacessível à maioria dos organismos vivos. Sendo assim, menos de 2% de todo o nitrogênio terrestre está disponível na forma de nutrientes aos organismos. Nos processos de decomposição, se configura a átomos de oxigênio e hidrogênio, gerando formas moleculares importantes para o consumo primário, consideradas a base da nutrição dos vegetais. Como nutriente na via orgânica, principalmente às plantas, é tão importante que, sem este, é impossível haver crescimento, pois é essencial na formação de proteínas, aminoácidos, enzimas e do material genético no núcleo das células. A maioria das plantas não pode assimilar o N2 atmosférico como fazem com o carbono ou o oxigênio. O nitrogênio precisa ser transformado por diversas vias (via biológica ou atmosférica) para poder ser utilizado como nutriente, o que consiste no ciclo do 105


nitrogênio. O ciclo do nitrogênio, também conhecido como ciclo do azoto, é o ciclo mais importante no ecossistema terrestre e se dá pelo processo de deslocamento das diversas formas do nitrogênio pelas plantas, atmosfera e solo em diferentes fases. Algumas bactérias do solo podem assimilar o N2 atmosférico e transformá-lo em amônia (NH3) que, em contato com a umidade do solo, se converte em amônio (NH4+) pronto para ser absorvido pelas plantas. Algumas dessas bactérias, chamadas rizóbios, estabelecem relações simbióticas com a as raízes de determinadas plantas (as leguminosas, a soja por exemplo). As cianobactérias, presentes no solo e nos ambientes aquáticos, também podem assimilar o nitrogênio atmosférico em certas condições. Em ambientes aquáticos eutrofizados20, a fixação pelas cianobactérias pode fornecer a maior parte do nitrogênio assimilável. Essa fase do processo chama-se fixação biológica e corresponde a 90% de todo o nitrogênio fixado. Outra forma de fixação, a chamada fixação atmosférica, ocorre quando os relâmpagos “quebram” o N2, de forma que o nitrogênio livre se reconfigura com o vapor de água e átomos de oxigênio e hidrogênio livres, formando o ácido nítrico altamente reativo (HNO3). As chuvas, ao descarregarem o ácido nítrico no solo, são responsável por 8% da fixação do nitrogênio. No mar, os aerossóis provenientes da arrebentação das ondas nos litorais também descarregam parte do

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Ambientes aquáticos eutrofizados são caracterizados por apresentarem altas concentrações de nutrientes, especialmente carbono, nitrogênio e fósforo totais (orgânicos e inorgânicos). São considerados ambientes altamente produtivos em contrapartida aos ambientes oligotróficos (baixa produtividade e baixa concentração de nutrientes) e mesotróficos (média produtividade).

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nitrato (NO3-) marítimo para as florestas, embora essa distribuição seja restrita aos ecossistemas costeiros. Uma vez que o nitrogênio está disponível no solo sob a forma de amônio (NH4+), as plantas podem assimilá-lo e assim se desenvolverem e se reproduzirem. Os animais também absorvem o nitrogênio orgânico, já constituído na forma de proteínas e outros compostos, quando se alimentam de vegetais ou de outros animais na cadeia trófica (cadeia alimentar). Essa fase se chama assimilação. Carcaças de animais e restos de plantas, bem como dejetos orgânicos, são decompostos por bactérias aeróbias e anaeróbias do solo que degradam o material orgânico novamente em amônia e assim a fase de assimilação se repete. Essa fase se chama mineralização ou amonização. Outra parte da amônia é oxidada em nitrito (NO2-) e posteriormente em nitrato (NO3-) por bactérias aeróbicas nitrificantes (bactérias do gênero Nitrosomonas e Nitrobacter respectivamente). Essa fase se chama nitrificação, completando o ciclo. As Nitrosomonas e as Nitrobacter não dependem de luz e nem de qualquer forma orgânica de substrato para se desenvolverem, pois são bactérias quimioheterotróficas, ou seja, obtêm energia somente a partir da oxidação de formas inorgânicas de nitrogênio e carbono. Na verdade, a oxidação da amônia até nitrato não é tarefa exclusiva dessas bactérias tradicionalmente apontadas como os únicos agentes oxidantes da amônia. Determinadas bactérias heterotróficas, as que utilizam carbono orgânico como substrato energético, tais como algumas do gênero Pseudomonas presentes no solo e na água, também podem nitrificar a amônia, embora a velocidade de oxidação desses organismos seja até dez vezes menor. 107


Apesar do amônio (NH4+) ser a forma preferida como fonte de nitrogênio para as plantas, o nitrato também pode ser assimilado por elas como uma das principais fontes de nitrogênio inorgânico. Uma vez assimilado, o nitrogênio, agora na forma orgânica, se desloca pela cadeia trófica, alcançando e sustentando todos os outros organismos dependentes. Estima-se que o tempo médio de permanência do nitrogênio na forma orgânica seja de 370 anos. Quando o ambiente é anaeróbico, bactérias anaeróbicas convertem o nitrito e o nitrato de volta à forma atmosférica N2. Isso ocorre devido a essas moléculas serem usadas como aceptores alternativos de elétrons na ausência do oxigênio, desvinculando o oxigênio dessas ligações. Essa parte alternativa do ciclo se chama desnitrificação. Um esquema geral do ciclo do nitrogênio está exposto na Figura 17.

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que o aquarista alimente mais vezes e em maior quantidade, agravando ainda mais o problema. Nos ambientes aquáticos naturais, a amônia existe em maior concentração nas primeiras camadas do substrato, onde formam-se depósitos de sedimento orgânico em decomposição. No aquário isso também acontece, pois sempre há algum acúmulo de folhas mortas ou mal nutridas (na medida em que as plantas crescem, as folhas da base são privadas da luz e são descartadas) e dejetos animais. Os caramujos21, intrusos presentes na maioria dos aquários plantados, produzem uma quantidade significativa de dejetos que se depositam sobre o susbtrato. Esses depósitos de amônia geralmente não podem ser detectados pelos testes, pois estão relativamente imobilizados. Todavia, algumas intervenções do aquarista, como extrair plantas com raíz, plantio e movimentação do harscape podem mobilizar a amônia dos sedimentos para a coluna d’água e fazer subir os níveis por alguns dias. Dessa forma, como parte da rotina das trocas parciais de água, realizase a sifonagem desses resíduos sedimentares ao máximo possível para evitar a formação desses estoques de amônia. É verdade que as plantas precisam do nitrato e ou da amônia como fonte de nitrogênio, mas nem mesmo níveis mínimos de amônia são desejáveis no aquário plantado, pois representam diversos riscos, inclusive surtos de algas. A conversão da amônia em nitrato leva algo

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Mesmo que o aquarista não queira, os caramujos podem ser introduzidos no aquário de diversas maneiras. A maneira mais comum é por meio das plantas recém introduzidas, que facilmente podem transportar os ovos, os quais acabam eclodindo dentro do aquário. Por essa razão, são chamados de intrusos em contrapartida aos que podem ser cultivados como espécies ornamentais, compondo parte da população do aquário, como neritinas, ampulárias, etc.

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em torno de duas semanas para ocorrer, portanto, o ideal é que a fonte de nitrogênio para as plantas advenham exclusivamente da adição externa via fertilização na forma de nitrato prontamente assimilável. A adição de nitrato via fertilização não representa risco para os peixes e crustáceos, pois a concentração administrada para o consumo das plantas é muito inferior à sua toxidade. O nitrito também é considerado bastante tóxico, embora menos que a amônia, mas não é comum alcançar níveis perigosos em aquários plantados, pois rapidamente é convertido em nitrato pela microbiologia. Em ambiente aeróbico, a microbiologia nitrificante se reproduz formando colônias. Quanto maior a colônia, maior o potencial de oxidar a amônia em nitrito e posteriormente em nitrato. Por essa razão, aquários com maior movimentação de água oxidam mais amônia que aquários com águas mais lentas. As colônias nitrificantes estão presentes sobre a superfície de qualquer material imerso, até mesmo nos vidros. Contudo, como a distribuição das massas de água nunca é homogênea por todo o aquário, dificilmente as colônias conseguem aproveitar toda a amônia disponível. Os sistemas de filtragem biológica foram desenvolvidos na prática do aquarismo para suprir essa limitação, proporcionando a reciclagem química da água em um tempo muito menor. O sistema de filtragem funciona como um corredor que força todo o volume de água do sistema a passar pelas colônias cultivadas nas mídias. As mídias são materiais porosos que servem como meio de cultivo das bactérias e agem como uma peneira para amônia, alimentando as colônias. O nitrato gerado pela filtragem biológica, no fim do processo, pode ser prontamente assimilado pelas plantas. Um bom sistema de filtragem, portanto, diminui drasticamente os efeitos nocivos da amônia e seu uso é primordial para prática do aquarismo, 114


realizadas uma ou duas vezes por semana. Há aquários tão bem estabilizados que podem passar algumas semanas sem trocas parciais, mas não são a regra. O volume a ser trocado pode ser de 10% a 30% e depende muito da eficiência da filtragem biológica e do volume de produção de amônia estimado. Alguns aquaristas chegam a drenar mais de 50% semanalmente. Alguns casos de desequilíbrio, quando a amônia alcança altos níveis (geralmente já é notável o desenvolvimento de um surto de algas ou mortalidade anormal de habitantes nos casos mais graves), as trocas parciais de emergência chegam a ser diárias de até 70% ou mais. Existem outros métodos para diminuir a amônia em casos de emergência, como o uso de minerais específicos, os zeolitos, que adsorvem (ou “sequestram”) os íons de amônio, mas só funcionam contra a forma não tóxica da amônia, contribuindo apenas com a redução da concentração da amônia total. Esse tipo de intervenção pode ajudar em alguns casos, mas além de caros, não são tão eficientes e raramente são utilizados por aquaristas experientes, uma vez que a causa raiz do problema não é resolvido efetivamente. Problemas com amônia quase sempre são decorrentes de alguma falha do aquarista. Os níveis de amônia no aquário podem ser medidos utilizandose alguns testes colorimétricos. Os testes não são tão precisos, mas são úteis como referência no caso de problemas ou no início de montagens, quando a filtragem biológica ainda não está suficientemente estabelecida. Quando o aquário está funcionando de maneira estável por alguns meses e o aquarista administra boa manutenção regularmente, a monitoração dos níveis de amônia não se torna mais necessária.

5.2 A biologia das bactérias nitrificantes 116


O estabelecimento das colônias nitrificantes é bastante lento se comparado à velocidade de proliferação de outras bactérias. Sob condições ótimas, a taxa de duplicação do crescimento pode durar cerca de 8 horas, muito inferior à taxa das bactérias heterotróficas22 que podem se proliferar até 20 vinte vezes mais rápido. A formação de colônias nitrificantes em quantidade considerável pode ser obtida em torno de 21 dias desde que sob boas condições ambientais, mas um biofiltro realmente maduro e eficiente pode levar muitos meses para se formar, mesmo em condições estáveis. A Figura 18 representa a evolução aproximada de um biofiltro em condições de funcionamento ideais.

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Bactérias heterotróficas são aquelas que obtém energia a partir da decomposição do carbono orgânico. Essas bactérias coexistem no ecossistema com as colônias nitrificantes e sua população é diretamente proporcional à quantidade de material orgânico presente no ambiente. Alguns aquaristas de sistemas marinhos, quando encontram problemas com altos níveis de nitrato e fosfato no aquário, administram rigorosa e sistematicamente doses de vodka como fonte de carbono orgânico para essas bactérias, favorecendo uma alta taxa de proliferação. A intensa multiplicação celular acaba por consumir o excesso de nitrogênio e fósforo do sistema até níveis aceitáveis. Após a remoção total do substrato energético ou após a interrupção do tratamento, as colônias heterotróficas morrem e então outra rotina rigorosa é empregada para eliminá-las por meio de equipamentos específicos.

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Justamente pelos altos níveis de amônia e nitrato iniciais e também pelo déficit de oxigênio sendo consumido pela microbiologia, não é indicado introduzir os animais pelo menos antes do primeiro mês de vida do aquário. As transformações bioquímicas são tão brutais que até mesmo o aspecto da água se torna turvo e leitoso, tornando o ambiente hostil até para os animais mais resistentes. Sob condições favoráveis, a água se torna cristalina em poucos dias, mas a maturação incompleta do filtro se torna evidente diante do surgimento de determinados micro-organismos oportunistas, como diatomáceas (conhecidas como algas marrons ou castanhas) e alguns tipos de algas unicelulares (comumente dos gêneros Euglena ou Chlorella). Geralmente, quando o biofiltro se estabiliza, esses organismos regridem. Alguns aquaristas utilizam soluções estabilizadoras de biofiltro, que nada mais são que cepas dormentes, as quais ajudam no estabelecimento das colônias. Há testes comerciais disponíveis ao aquarista que detectam níveis de amônia, nitrito e nitrato (testes diferentes). Embora problemas persistentes com altos níveis de nitrito não sejam comuns e não represente um parâmetro vital a ser controlado, pode ser necessário empregar testes pontuais para diagnosticar eventuais problemas, como por exemplo, a reincidência e ou a persistência de diatomáceas por período além do típico. Esses problemas podem ser indicativos da desestabilização do biofiltro. A microbiologia nitrificante depende de uma série de fatores ambientais para ser efetiva como removedora de nitrogênio amoniacal. Em comparação com outros microrganismos, suas condições ótimas de desenvolvimento são bastante restritas. Dessa forma, infelizmente para os aquaristas, as bactérias nitrificantes são frágeis. Uma série de pesquisas conduzidas com o objetivo de melhorar os processos de 119


do biofiltro nitrificante, estimulando a atividade deste empregando dispositivos aeradores. Em aquários, os níveis de oxigênio dissolvido são igualmente importantes. A injeção artificial de CO2 pode, em certos casos, baixar demais o oxigênio no sistema, comprometendo o filtro biológico. Algumas alternativas podem ser empregadas, como o uso de desnatadores associado à agitação moderada da superfície da água. Os desnatadores fazem com o que o filtro puxe a água das camadas superiores, mais ricas em oxigênio. Filtros sujos, contendo material orgânico, também podem comprometer a remoção da amônia, portanto, uma boa rotina de limpeza geral do aquário, além de impedir a formação excessiva de amônia, contribui para a economia de O2 dissolvido. A manutenção do aquário feita com o filtro desligado pode ser praticada, desde que o funcionamento do sistema seja restabelecido em, no máximo, três horas. O aquarista precisa ter em mente que, a partir do momento em que se cessa o suprimento de oxigênio para o biofiltro, o sistema está sujeito a perder suas colônias na medida proporcional a esse período. Dessa forma, quando o sistema é retomado, é necessário muito mais tempo para repor as baixas microbiológicas, conforme visto anteriormente. Muitos aquaristas administram as soluções de estabilizadoras para acelerar a recuperação das colônias após intervenções no biofiltro e há também quem as adicione periodicamente, a fim de reforçar a microbiologia, mas isso não substitui os cuidados necessários para mantê-las vivas e ativas. Os organismos nitrificantes necessitam de determinadas condições de pH para manterem-se ativas. Estudos apontam que a eficiência da nitrificação se situa no intervalo de pH entre 5 e 8, embora 122


Observa-se claramente o comprometimento da eficiência da filtragem biológica em pH abaixo de 6,5. Os dados mostram que a Nitrosomonas é mais eficiente em pH ligeiramente alcalino, enquanto que a Nitrobacter em pH ligeiramente ácido. A influência do pH sobre o desempenho da nitrificação tem relação direta com as formas de nitrogênio amoniacal. Conforme descrito anteriormente, a amônia não ionizada ocorre tipicamente em ambiente alcalino, aumentando a taxa de conversão de NH4+ para NH3 quanto mais se aproxima do pH 9. Tem sido provado em inúmeras pesquisas que o NH3, bem como o ácido nitroso (HNO2), exercem efeito tóxico sobre os organismos nitrificantes. A amônia não ionizada inibe a Nitrosomonas na faixa de 10 a 150 mg/L, enquanto a Nitrobacter é inibida entre 0,1 a 1,0 ml/L. Quanto ao ácido nitroso, ambas bactérias são inibidas sob níveis de 0,22 mg/L a 2,8 mg/L, ocorrendo tipicamente em pH abaixo de 7. A amônia tóxica parece interferir em determinadas enzimas responsáveis pelo transporte de elétrons, inibindo a produção de energia e a proliferação das colônias. O HNO2 é formado como subproduto colateral da oxidação do NH4+ em NO2- em condições ácidas. A Nitrosomonas é a principal afetada nesse caso, especialmente quando a atividade da Nitrobacter se encontra inibida, pois a oxidação do NH4+ naturalmente acidifica o meio, gerando dois íons H+ dispostos a se ligarem ao NO2-. Dessa forma, a Nitrosomonas é inibida pelo seu próprio produto, caso a geração de nitritos seja superior à oxidação desta em nitratos.

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inclusive variações bruscas de temperatura, mesmo dentro do intervalo ideal. Existem equipamentos de filtragem externa que possuem sistema de aquecimento, mas tais modelos são mais usuais na Europa, onde as baixas temperaturas do inverno podem inibir fortemente a atividade nitrificante. Uma característica peculiar dessas bactérias é que são fotossensíveis, ou seja, são inibidas na presença de luz. É por essa razão que os equipamentos de filtragem geralmente são fabricados em material escuro. O caldo escuro retido nas mídias biológicas maduras, o que as pessoas imaginam ser detritos acumulados pela filtragem mecânica, é na verdade uma defesa excretada pelas bactérias para se protegerem da luz. As mangueiras do equipamento, por ficarem expostas à luz, rapidamente são incrustadas por essas secreções ao ponto de diminuir a vazão de filtragem. É necessário removê-las periodicamente a fim de evitar perdas no desempenho da filtragem. As condições consideradas ideais para o processo de nitrificação foram descobertas com base em estudos de desempenho de biofiltros, entretanto, pesquisadores observam que a nitrificação pode alcançar taxas atípicas fora dessas restrições, embora o desempenho jamais alcance seu máximo. Os organismos nitrificantes são capazes de se adaptar a condições insalubres, mesmo na presença de agentes tóxicos, desde que tais fatores sejam mantidos constantes. A estabilidade é crucial para o bom desenvolvimento do biofiltro.

5.3 “A era das trevas” do aquarismo e os problemas com amônia

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Há quinze ou vinte anos, ter um aquário significava muito trabalho. Muitas pessoas desistiram nessa época, pois era muito frustrante perder os peixes a cada vez que ele era limpo. Nessa época, quando o aquário ficava sujo, as pessoas o desmontavam todo e lavavam o cascalho na torneira do tanque. O aquário, vazio, era lavado com sabão e os peixes ficavam em uma bacia, aguardando por horas até tudo ficar limpo e montado de novo. Logo que os peixes eram devolvidos ao aquário, já era esperado que alguns morressem. As pessoas acreditavam que o estresse dos peixes advinha das trocas bruscas de temperatura com a água nova, mas não importava muito o que fosse feito, sempre morria algum peixe depois da “limpeza”. Na verdade, uma série de motivos estressavam os peixes além do choque brusco de pH e da temperatura. Essas condições prejudicavam seriamente o sistema imunológico dos peixes, tornandoos suscetíveis a doenças. Os que não morriam logo após serem devolvidos no aquário, ficavam doentes dias depois acometidos por fungos, bactérias e parasitas. Mas a causa da morte fulminante dos peixes era a amônia seguida do nitrito. Um aquário recém montado demora, na melhor das hipóteses, alguns meses para adquirir as colônias nitrificantes em quantidade suficiente para reciclar a amônia produzida dentro do sistema, por mais limpo que este seja. Em poucos dias, alguns poucos peixes já produzem uma grande quantidade de dejetos, o que pode elevar rapidamente os níveis de amônia. Hábitos incorretos na hora de alimentar os peixes, como alimentação em excesso, sobras de ração e rações de má qualidade aumentavam ainda mais os níveis de amônia. Outro fator agravante era o pH da água, pois uma vez que não se usava a injeção de CO2, esta tendia a ser alcalina, o que convertia a amônia produzida em amônia tóxica (NH3). Se as trocas parciais de água 128


fossem tão difundidas como atualmente, talvez o aquarismo não tivesse sido tão catastrófico nesses tempos. Nessa época, pouco ou nada se sabia sobre o cultivo de plantas em aquários e conhecimentos fundamentais de química não eram acessíveis a todos. Os próprios lojistas não sabiam muito a respeito dos aquários, embora infelizmente ainda pode-se encontrar facilmente estabelecimentos com esse nível de atendimento. Tudo o que se dizia, era que os peixes precisavam de oxigênio e água que não fosse fria demais. Então, quando se perguntava o que era preciso para manter peixes em aquários, era comum os lojistas oferecerem um termômetro e um termostato, aliás, este último era uns dos maiores investimentos para o aquário. A importância do pH sobre os peixes foi reconhecida algum tempo depois, mas muito pouca gente pensava sobre isso. E mesmo assim os aquaristas mais cuidadosos frequentemente viam seus peixes morrerem sem uma causa evidente. Somente alguns poucos aquaristas tinham conhecimento sobre os perigos da amônia, menos ainda sobre os processos de nitrificação. Os filtros biológicos de fundo, os famosos FBF (Figura 22), foram amplamente empregados como uma maneira de reduzir os níveis de amônia. Quando se comprava um aquário, praticamente se ganhava de brinde as placas plásticas, os tubos e a pedra porosa. A pedra porosa era posicionada em um tubo preso nessas placas, que ficavam por baixo do cascalho. Uma bomba soprava ar pela pedra porosa, oxigenando o sistema. As placas cobriam praticamente todo o fundo do aquário (escondido pelo cascalho) e formavam um setor “isolado” entre o cascalho e o vidro, com algum espaço entre eles. A proposta era fazer com que toda a sujeira descesse para esse setor e ali fosse feita a nitrificação. 129


Até o aquarismo antigo perceber os danos da amônia e a importância dos processos de nitrificação, muitas pessoas desistiram do hobby e fixou-se a lenda de que ter um aquário significa muito trabalho e frustração. O aquarismo, pelo menos no Brasil, caiu no descrédito e continua assim até hoje para a maioria das pessoas. Quando um aquarista moderno e experiente diz que seus peixes estão vivos há anos, essas pessoas não acreditam e quando lhes são apresentados os modernos aquários plantados, não se conformam quando é dito que não é mais preciso desmontar o aquário para mantê-lo limpo. Atualmente, o aquarismo dá tanta importância para os processos de filtragem, que é comum ouvir aquaristas mais experientes dizerem que possuem dois, três, quatro ou até mais sistemas de filtragem dedicados para um mesmo aquário. Obviamente, isso significa uma pequena fortuna, pois um bom sistema de filtragem é o maior investimento do aquário. Entretanto, na medida em que a prática evolui e se começa a exigir mais dos aquários, alguns aquaristas seguem por esse caminho, caracterizando o que chamamos de aquários de alto rendimento. Para aquários comuns, um bom sistema de filtragem costuma ser suficiente, embora demande mais cuidados do aquarista. A prática do aquarismo moderno, portanto, se tornou muito mais fácil, consistente e satisfatória. Hoje os peixes vivem muito mais, tanto que é comum viverem além das expectativas típicas da espécie, vivendo por vários anos ou mesmo por mais de uma década se tratando de algumas espécies. O conhecimento sobre o papel da microbiologia se tornou tão acessível, vasto e respeitado no universo aquarista que muitos conceitos e práticas foram totalmente transformados, de forma a tornar os graves problemas com amônia praticamente erradicados.

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6.

FÓSFORO

O fósforo, de símbolo P, é encontrado na natureza exclusivamente na forma de minerais. Devido a sua alta reatividade, liga-se muito facilmente ao cálcio e aos hidróxidos metálicos presentes nos coloides do solo, principalmente ferro, alumínio e manganês, originando cerca de 150 tipos de minerais. A principal fonte mineral de fósforo para o meio ambiente, bem como para o consumo industrial, é a fluorapatita, proveniente de formações rochosas compostas de cálcio e fósforo. Ao sofrer intempéries, essas rochas liberam o fósforo na forma de fosfato (PO43-). As plantas apenas podem assimilar o fósforo na forma de fosfato, portanto, dependem diretamente da degradação mineral para suprirem sua demanda metabólica. De todos os elementos considerados imprescindíveis à vida, o fósforo é um dos mais escassos. Calcula-se que apenas 0,12% da crosta terrestre é composta de fósforo e a grande maioria é mantida 133


indisponível ao consumo biológico na forma de rochas, minerais insolúveis e depósitos sedimentados no fundo dos oceanos. Nos solos de cultivo, a adição suplementar de fósforo costuma ser necessária, especialmente nos solos vermelho e amarelo23, onde se torna menos disponível. Em 1840, Justus von Liebig inaugurou a prática da suplementação de fósforo às plantas após divulgar a eficiência do ácido fosfórico obtido a partir do tratamento de ossos com ácido. Atualmente, os fosfatos empregados na fertilização em larga escala são derivados do ácido fosfórico (H3PO4) proveniente da transformação industrial da fluorapatita. Contudo, muitos orquidófilos ainda utilizam farinha de ossos como ótima fonte de fósforo, geralmente aplicado para estimular o florescimento. Metabolicamente, o fósforo participa de várias funções. O tecido dos ossos e dentes é formado de fósforo associado ao cálcio, correspondendo a 80% do fósforo total de humanos, por exemplo. Os outros 20% estão presentes no interior das células, onde funciona como o principal sistema tampão. Uma pequena parte ainda constitui o esqueleto do material genético existente em cada célula, onde moléculas de ácido fosfórico conectam as longas cadeias de DNA e RNA24 formadas por grupos de açúcares.

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Alguns solos possuem argilas compostas de hidróxidos de ferro e alumínio que concedem o aspecto avermelhado (hematita e goetita) e amarelado (caulinita e gibsita) respectivamente. Quando em contato com essas argilas, o fósforo assume formas insolúveis e não pode ser assimilado pelas plantas. 24

O DNA e o RNA são estruturas de ácidos nucleicos especiais que funcionam como códigos de instruções que, ao serem transmitidas para o organismo, regulam todas as atividades metabólicas. Quando uma célula se duplica, a réplica recebe uma cópia

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Outro papel metabólico importante do fósforo ocorre na função energética. O ATP25, ou trifosfato de adenosina, é uma composição molecular dispondo de três grupamentos fosfato que armazena e transporta a energia proveniente dos processos de respiração e fotossíntese, funcionando como uma moeda energética no organismo. O terceiro grupamento fosfato, ao se soltar, libera grande quantidade de energia que move todos os processos vitais. Uma vez que todas as funções fisiológicas, desde a divisão celular até a construção de longas cadeias de proteínas para a formação e regeneração de tecidos, possuem algum custo energético, a demanda por fósforo o torna um dos macronutrientes mais largamente consumidos pelos seres vivos. A renovação lenta do fósforo na natureza também é outro fator que o torna escasso ao consumo. Ao contrário do nitrogênio, que possui ciclo atmosférico devido à volatilidade dos gases nitrosos, o fósforo, por apresentar grande tendência a se sedimentar, possui um ciclo exclusivamente geológico e demora milhões de anos para se completar. A decomposição da matéria orgânica por bactérias e fungos fosfolizantes devolvem uma parte dos fosfatos ao solo, mas, por ser muito solúvel, grande parte do fosfato é carregado pelas chuvas para os rios e posteriormente para o mar, onde cumpre grande parte do seu idêntica desse código. Dessa forma, uma vez que todas as células seguem o mesmo protocolo genético, embora cada uma desempenhe um papel específico, as diferentes funções orgânicas funcionam como uma unidade. 25

O ADP (difosfato de adenosina) é uma molécula que funciona como um transportador de energia ao ser carregada com mais um grupo fosfato (se tornando ATP). O ciclo de regeneração do ATP é o que consiste no processo de respiração celular nos animais e organismos aeróbicos, mas também pode ser regenerado pelo processo de fotofosforilação nos vegetais.

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ciclo. As algas e o fitoplâncton se favorecem dessa fonte e assim alimentam toda a cadeia trófica marítima. O que não foi consumido sedimenta no fundo como grandes depósitos de algas mortas e associando-se às rochas calcárias. As rochas fosfatadas emergem após milhões de anos e novamente se tornam a principal fonte de fósforo após serem novamente lixiviadas pelo intemperismo. Muitos peixes se alimentam do fitoplâncton, rico em fósforo, sendo importantes veículos deste por todo o ambiente marinho. É por essa razão que se diz que peixes marinhos possuem alto valor nutricional em fósforo em comparação com peixes dulcícolas. Tais peixes existem em cardumes imensos formados de muitos milhares de indivíduos que sustentam toda a vida marinha, desde pinguins e baleias, de maneira direta, até outros animais que dependem indiretamente, como focas, leões marinhos e ursos. Uma parte desses cardumes serve de alimento para as aves marinhas que despejam seus dejetos, o guano, nas florestas próximas. Regiões que servem de berçário para aves marinhas são favorecidas por esse carregamento de fósforo advindo do mar. Uma vez que o oceano é o maior estoque de fósforo do planeta, os ecossistemas que possuem algum vínculo com o mar, mesmo que remoto, são muito mais beneficiados pelo fósforo. Costuma-se dizer que não há formas gasosas de fósforo, mas isso não é verdade, pois a decomposição da matéria orgânica libera, juntamente com o metano, a fosfina26. Embora a fosfina seja devolvida 26

A fosfina (PH3) é um gás altamente tóxico e inflamável, geralmente atribuído à decomposição de cadáveres humanos. Se os cadáveres fossem decompostos em contato com o solo, praticamente todo o fosfato degradado seria adsorvido pelos coloides. O curioso fenômeno do fogo fátuo, descrito como uma chama azul eventualmente vista em cemitérios, se deve, na verdade, à combustão espontânea da fosfina. Esse fenômeno era associado a eventos sobrenaturais desde tempos

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ao solo pelas chuvas, a quantidade de fósforo que segue essa parte atmosférica do ciclo não é significativa, pois, muito antes do fosfato volatilizar durante a decomposição, a maior parte já se sedimentou nos coloides do solo. Contudo, o fósforo pode ser deslocado pela atmosfera na forma de poeira. Algumas regiões do planeta, tipicamente desertos que já tiveram grandes lagos, são imensos estoques de nutriente sedimentado que é transportado para outras regiões do globo pelas correntes de ar. O deslocamento de poeira fértil da depressão Bodélé27 localizada no sudeste do Saara para outras regiões, principalmente para a Amazônia, é o maior exemplo de ciclo atmosférico na forma de sedimentos aerossóis.

medievais. Outro fenômeno similar é a lenda nativo-brasileira do Boitatá, ou a serpente de fogo. Alguns rios amazônicos possuem alta carga de decomposição orgânica que liberam grande quantidade de metano que, ao volatizar na superfície, também pode inflamar espontaneamente. Os nativos, ao verem um rio ou riacho sinuoso em chamas, especialmente à noite, deviam associar o evento a uma serpente de fogo. 27

A depressão Bodélé é o leito seco do que há alguns milênios atrás fora um imenso lago de água doce, a bacia Chad, que chegou a cobrir mais de 350 mil Km2 do centronorte da África, provavelmente o maior lago de água doce que já tenha existido. Nos últimos milênios, a bacia desapareceu com a expansão do deserto do Saara, restando apenas cerca de 1300 Km2 do que forma o lago Chad atual. A poeira é composta principalmente de minerais resultantes da decomposição de diatomáceas e cladóforas (um tipo de alga verde). Nos últimos mil anos, estima-se que, em média, 4 metros de toda a área da depressão já fora pulverizada pelo planeta.

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Antes de se tornarem desertos, algumas regiões já tiveram imensos lagos, os quais acumularam um gigantesco estoque, principalmente de ferro e fósforo, pela sedimentação de algas mortas por milhares de anos. Com o avanço paulatino das regiões áridas, esses lagos secaram e desde então expõem todo o leito fértil aos ventos transcontinentais. Essas fontes sustentam inúmeros ecossistemas em todo o planeta e podem perdurar por alguns milhares de anos.

6.1 O fósforo no ambiente aquático Nenhum elemento foi tão estudado nos ambientes aquáticos quanto o fósforo. Da mesma forma que o nitrogênio, sua carência representa um forte fator limitante da produtividade desses ambientes. Segundo limnologistas, os níveis de fósforo determinam o grau de trofia dos ambientes aquáticos. Os valores da Tabela 6 variam de autor para autor, mas são úteis para se ter uma ideia do impacto dos altos níveis de fósforo nos ecossistemas naturais.

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orgânico e altos níveis de oxigênio dissolvido, devido à baixa atividade decompositora, é uma característica típica desses ambientes. Quando o ambiente recebe cargas externas de fósforo, como descargas de efluentes urbanos ou agrônomos, escoamento de vias pavimentadas, resíduos de mineração, etc. a alta disponibilidade de fósforo orgânico e inorgânico estimula a rápida proliferação de algas e plantas até o esgotamento das fontes, quando as populações se estabilizam. São os chamados ambientes eutróficos. Se a entrada de fósforo for contínua ou superar o consumo, determinados organismos prevalecem sobre outros por mecanismos específicos de competição. Geralmente as algas e cianobactérias são os organismos favorecidos pelos altos níveis de fósforo, mesmo em picos, ocasionando intensas florações que inibem ou mesmo sufocam outras populações. Ambientes extremamente eutrofizados apresentam elevado conteúdo de material orgânico em suspensão, intensa atividade decompositora, turvação e tendência a se tornarem anóxicos. Nesses casos, o ambiente se torna tão inóspito que populações inteiras de plantas e animais não resistem e morrem, agravando ainda mais a situação ao serem decompostos. O mau cheiro característico é oriundo da decomposição anaeróbica que libera formas gasosas de enxofre dos sedimentos, tal como o gás sulfídrico (H2S). Na água, o fosfato assume diversas formas em função do pH, todas derivadas do ácido fosfórico (H3PO4). Os ortofosfatos são ácidos médios (na transição entre os ácidos fracos e fortes) bastante solúveis. Na Figura 24 pode ser observada a transformação das formas de fósforo na água em função do pH.

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de P:matéria seca das bactérias é muito superior ao das plantas e algas, contudo, o consumo das plantas supera ao das bactérias apenas pelo volume de biomassa. As bactérias acumulam grande quantidade de fósforo em suas células na forma de estoques para eventuais períodos de escassez e para a geração de novos indivíduos pela divisão celular. As cianobactérias, por exemplo, acumulam uma quantidade de fósforo suficiente para se multiplicarem até quatro vezes mesmo quando submetida à carência. Um ambiente severamente carente de fósforo, portanto, pode inibir o crescimento das colônias microbiológicas, bem como o desempenho do biofiltro. A decomposição da matéria orgânica representa uma fonte de fosfato interna do sistema, mas a quantidade produzida quase nunca é suficiente, principalmente em aquários densamente plantados com forte iluminação (aquários de alto desempenho). Se um aquário chega a produzir uma quantidade suficiente em fosfatos sem a suplementação externa, a quantidade proporcional de amônia seria imensa, ou seja, não é praticável estimular a produção interna de fosfatos como meio de atender a demanda biológica. Talvez alguns aquários de baixo metabolismo sejam capazes de viver bem apenas com o fosfato interno, mas não é possível garantir que a demanda seja atendida satisfatoriamente. Embora a disponibilidade de fósforo aos organismos possa ser bastante restrita, os ambientes aquáticos podem apresentar uma carga total imensa se levado em consideração o fósforo imobilizado nos sedimentos. Eventualmente o fósforo mineralizado, geralmente nas superfícies dos óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio, pode ser mobilizado para a coluna d’água, mas essas condições não costumam ocorrer no sistema confinado do aquário, salvo algumas exceções conforme veremos a seguir. Dessa forma, qualquer ambiente, até 144


mesmo o aquário, pode conter uma concentração total de fósforo muito alta e ainda assim sofrer com sua carência e necessitar de suplementação. A monitoração dos níveis de fosfatos é dificultada por esses processos, podendo apresentar medições incertas por detectar apenas as formas solúveis. A suplementação de fósforo nos aquários é bastante polêmica, pois maioria dos problemas relacionados a surtos de algas costuma ser atribuída à presença de fosfatos. Essa crença se torna ainda mais forte quando as algas desaparecem após a retirada desse elemento e retornam quando a suplementação é retomada. Os limnologistas defendem essa teoria e isso é verdadeiro nos ambientes aquáticos naturais, mas não é totalmente verdadeiro sob as condições variáveis do aquário. De fato, é comum aquários de alto rendimento apresentarem níveis de fosfatos equivalentes aos níveis encontrados em ambientes eutrofizados e ainda assim serem livres de surtos de algas. A raiz real dos problemas com algas, contudo, reside no desequilíbrio de outros parâmetros, geralmente na razão luz:carbono:nutrientes. A visão de que o fosfato não é o verdadeiro vilão dos aquários plantados é relativamente moderna e surgiu após a Lei dos Mínimos ser difundida no hobby. Todavia, ainda é comum muitos aquaristas, mesmo os mais experientes, abominarem a adição de fósforo. Esse pensamento leva o aquarista a investir em testes e métodos para remover e prevenir a elevação dos níveis de fosfatos. Em fóruns de discussão mais antigos, os argumentos sugeriam que os fosfatos deviam ser mantidos em zero para evitar surtos de algas e para tal, utilizava-se as resinas removedoras de fosfato no combate às algas. Esse método é empregado ainda hoje em contrapartida ao conceito de fertilização e atualmente de um lado há os aquaristas que trabalham para subir os níveis de fosfatos para atender 145


as necessidades das plantas e de outro há os que lutam para baixá-lo para combater as algas. De qualquer forma, principalmente quando se trata de plantas de metabolismo ávido, a suplementação de fósforo torna-se necessária. Quando um nutriente se torna limitante no desenvolvimento pleno das plantas, as algas são favorecidas na competição pelas fontes de alimento. Isso é verdade também para o fósforo, portanto, tanto quanto limitá-lo, aumentar sua oferta também pode ser decisivo no combate às algas, proporcionando recursos para as plantas tomarem vantagem na competição pelos nutrientes. A carência intencional funciona contra as algas por suprimir sua propagação, mas acaba prejudicando também o crescimento das plantas, portanto, não é uma forma inteligente de combate às algas.

6.2 A dinâmica da sorção do fosfato nos sedimentos Os mecanismos pelos quais os fosfatos são sequestrados e liberados dos agentes contidos nos coloides foram profundamente estudados e o conhecimento adquirido encontra aplicação prática na Limnologia e na Pedologia (estudo do solo). Sem o conhecimento desses mecanismos, alguns nutrientes seriam simplesmente desperdiçados na fertilização dos solos de cultura, gerando grande prejuízo econômico. Com relação aos rios e lagos, geralmente o trabalho é ao contrário, pois o conhecimento é empregado para aliviar o grau de trofia desses ambientes, evitando assim outros problemas. Desde açudes de criação de peixes até reservatórios de abastecimento público há a necessidade de evitar a eutrofização afim de melhorar a qualidade da água. 146


Se um suprimento público de água, por exemplo, sofrer desequilíbrio nos níveis de fosfatos, em pouco tempo pode haver uma intensa floração de cianobactérias. Esses organismos podem liberar toxinas nocivas na água e tornar o reservatório impróprio ao consumo humano. Nesses casos, são administradas medidas de neutralização dos fosfatos, bem como as eventuais fontes internas e externas de fósforo, por meio do uso de argilas específicas e ou filtros químicos de adsorção. Essas técnicas envolvem o uso de materiais dotados de propriedades que sequestram e imobilizam o fósforo livre, tornando-o indisponível ao consumo biológico. Na verdade, essas medidas não extraem o fósforo do ambiente, apenas o imobilizam, pois o conteúdo de fósforo total, que consiste na somatória do fósforo solúvel com o fósforo imobilizado, permanece o mesmo. A diminuição efetiva do fósforo total só ocorre quando o agente adsorvente é retirado do sistema, levando consigo a porção do fósforo retido. Existem vários mecanismos de ligação dos íons sobre os coloides e sua ciência é bastante complexa, envolvendo muitos cálculos físico-químicos. O que é interessante ao aquarismo é o conceito da adsorção dos ânions nos hidróxidos e óxidos metálicos. Afim de simplificar, os óxidos tratados aqui se referem tanto aos óxidos quanto hidróxidos. Os óxidos de ferro e alumínio, em conjunto com a sílica, formam compostos geológicos precipitados denominados coloides ou argilominerais. Exemplos dessas argilas são a gibbsita [Al(OH)3], a caulinita [Al2Si2O5(OH)4], a hematita [Fe2O3] e a goethita [FeO(OH)]. A superfície desses coloides apresenta cargas eletrônicas positivas ou negativas, dependendo do pH do meio. Basicamente, os grupamentos 147


hidroxila (OH) são responsáveis pela carga superficial e agem como ímã para outros íons. Metais livres (não oxidados) não formam cargas eletrônicas superficiais, portanto, não são capazes de estabelecer ligações com outros íons até serem oxidados e precipitados. Acompanhando a Figura 26, considerando que a hidroxila se comporta de maneira análoga aos ácidos fracos, em pH ácido a hidroxila se liga a outro hidrogênio e apresenta mais sítios de adsorção de ânions (exibindo faces positivas). Em pH alcalino, a superfície tende a desprotonar e apresentar mais sítios de adsorção de cátions (exibindo faces negativas). O ponto do pH onde o balanço de cargas é nulo é denominado Ponto de Carga Zero, ou PCZ. Neste ponto, o coloide não apresenta grande capacidade de retenção de íons. Cada coloide apresenta seu próprio PCZ, sendo mais ou menos efetivo que outro na remoção de ânions ou cátions em função da variação do pH.

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bidentadas (quando dois oxigênios se ligam a dois sítios do metal) e binucleadas (quando o ânion penetra nas imperfeições do metal). Essas ligações evoluem conforme envelhecem e se tornam mais irreversíveis. As ligações binucleadas se formam lentamente e blindam o ânion em sua estrutura de tal maneira que os sítios de adsorção em questão não podem mais ser regenerados em condições naturais. O potencial redox também influencia diretamente sobre a capacidade de adsorção dos óxidos metálicos. Na ausência do oxigênio para oxidar a matéria orgânica em NH3, CO2 e SO42+, os decompositores admitem outras moléculas como aceptores alternativos de elétrons, como o NO3-, Mn4+, Fe3+ e SO42+, nesta ordem, de maneira similar à desnitrificação. Dessa forma, os óxidos de ferro só serão reduzidos pela atividade bacteriológica quando estes outros aceptores se esgotarem. A redução do Fe3+ em Fe2+ torna o ferro mais solúvel, liberando os ânions retidos. Nos ambientes aquáticos naturais, a principal rota de reciclagem do fósforo, inclusive dos metais, para o consumo biológico é por meio da atividade microbiológica presente nos sedimentos, onde o potencial redox é variável. É por essa razão que limnologistas levam em consideração o conteúdo do fósforo total dos ambientes ao invés de apenas o fósforo biodisponível, pois a porção imóvel pode ser cambiável conforme a dinâmica das condições. Nem todo o fósforo liberado do sedimento, no entanto, alcança a coluna d’água. Grande parte do fósforo mobilizado das camadas mais profundas do substrato, ao transitar pelas camadas superiores, é rapidamente retida pelos óxidos. Entretanto, a perturbação do substrato por rotinas de manutenção, como plantio, movimentação de hardscape e remoção de plantas com raiz favorece a subida do fósforo confinado, bem como alguma porção de metais reduzidos, para a coluna d’água. Isso não 152


representaria problema para o sistema se não houvesse, entre nutrientes benéficos, a suspensão de alguma quantidade de amônia, conforme visto anteriormente. Aquários que usam substratos terrosos expostos (isento de camada inerte como isolante para a coluna d’água), os quais possuem alta capacidade de troca iônica (CTI), certamente possuem óxidos metálicos na composição, especialmente ferro. Esses sistemas tendem apresentar uma carga de fósforo total muito maior que os sistemas que utilizam substratos isolados e não podem ser detectados pelos testes convencionais. É de se esperar, inclusive, que parte do fósforo adicionado às plantas seja retida no substrato, implicando numa ligeira perda do que foi suplementado. Esses substratos não representam problema para o aquarista, pois o fósforo, bem como outros nutrientes presos no sedimento, pode ser assimilado pelas raízes das plantas na medida em que são lentamente liberados. Por outro lado, reutilizá-los pode ser inviável, pois uma grande carga de fósforo pode ser liberada, aumentando muito as chances de um surto de cianobactérias. Alguns aquaristas tem receio de administrar, no mesmo dia, suplementação de ferro e fósforo por acreditarem que um possa neutralizar o outro por afinidade de ligação, mas isso não acontece tão rapidamente. As soluções de ferro utilizadas no aquarismo são feitas a base de íons quelados, ou seja, são formas quimicamente protegidas contra ligações com outros elementos, inclusive da oxidação pela água, impedindo que formem precipitados rapidamente. Os suplementos de fosfato são preparados, geralmente, a base de sal monopotássio de fosfato, ou KH2PO3, e precisam se dissociar do potássio para estarem sujeitos à retenção nos sedimentos. As soluções de ferro e fósforo empregadas no mesmo dia, portanto, não se neutralizam, pois 153


permanecem incompatíveis por tempo significativamente assimilados pelas plantas.

suficiente

até

serem

6.3 A estreita relação entre o Oceano Pacífico e as florestas canadenses O evento sazonal da desova dos salmões em águas continentais, conhecida como a corrida do salmão, representa um grande carregamento de nutrientes e energia às florestas temperadas do mundo todo. No Canadá, os estudos a esse respeito visam despertar as ações de preservação principalmente dos rios e seus acessos para que os salmões continuem desovando nessas regiões e assim possam garantir o fluxo de nutrientes que mantém grande parte dos ecossistemas dependentes. Os salmões são peixes anádromos, ou seja, se reproduzem em águas continentais e passam a maior parte de suas vidas no mar. Na maturidade sexual, sobem as correntes de água doce, geralmente aquelas onde nasceram, para acasalar e desovar. Os salmões do Pacífico morrem após desovar (espécies semélparas), ou seja, possuem apenas um ciclo reprodutivo, enquanto que os salmões do Atlântico podem se reproduzir mais de uma vez. A semelparidade dos salmões do Pacífico é extremamente importante para o fluxo de nutrientes que mantém grande parte dos ecossistemas do oeste da América do Norte, especialmente as florestas canadenses. Durante sua vida no mar, o salmão se alimenta principalmente de plancton que é rico em nitrogênio e fósforo oriundo dos estoques marinhos e acumula grande quantidade de nutrientes em seus tecidos. Ao início da corrida reprodutiva, esses animais sofrem várias modificações morfológicas, como o aumento da maxila inferior e a 154


manifestação da típica cor rosada. A partir desse momento, eles não se alimentam mais e seu único propósito é transpor milhares de quilômetros de obstáculos e alcançar as cabeceiras rasas e agitadas dos rios. A boa oxigenação e a ausência de amônia é ideal para o bom desenvolvimento dos ovos e dos alevinos. Algumas horas após desovarem, os salmões morrem e são arrastados para as partes mais baixas dos rios. Inúmeros animais tiram proveito desse evento, obtendo grande benefício direto. A medida em que os rios ficam mais rasos, os salmões são expostos ao saque de predadores como ursos, lobos e águias. Naturalmente, as presas não são consumidas no local onde foram pegas e são levadas para dentro das florestas. Um pequeno grupo de três a oito ursos negros pode carregar mais de 3600 carcaças e depositá-las a mais de 200 metros floresta adentro. Na grande oferta de salmões, os ursos comem apenas suas cabeças e abandonam os restos. A fertilização do terreno pode ocorrer diretamente pela decomposição das carcaças ou pelas fezes dos animais. Os salmões se tornam presas tão fáceis que os ursos podem deslocar até 90% da sua massa para a terra e espalhar nutrientes para a vegetação a até 500 metros do rio. Análises de isótopos28 encontraram mais de 15% de nitrogênio marinho nas folhas 28

O que caracteriza um elemento é o número de prótons do átomo, entretanto, um mesmo elemento pode apresentar um número variado de nêutrons no núcleo, dando origem a subformas com diferentes massas, os chamados isótopos. O carbono, por exemplo, possui quinze isótopos, dos quais três são naturais, o 11C, 12C e 14 C (o expoente anterior ao elemento representa o número de nêutrons do núcleo). Pela análise da composição e proporção dos isótopos, geralmente de nitrogênio e carbono, na cadeia de proteína de animais e plantas é possível rastrear a origem dos nutrientes. Os salmões do pacífico apresentam uma assinatura de isótopos representada por uma proporção específica de 15N e 13C que pode ser encontrada não apenas nos animais e plantas que se beneficiam das suas carcaças, mas também

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da vegetação ciliar, uma forte evidência da importação dos nutrientes do Pacífico pelos salmões e da importância dos ursos para deslocá-los às florestas. Com base nesses dados, cientistas admitem uma correlação positiva entre o crescimento da vegetação e a atividade predatória dos ursos sobre os salmões. A densidade de nutrientes encontrada no salmão é muito maior do que qualquer outra fonte de alimento que os animais podem encontrar nesses ambientes. Uma vez que, em média, 16% da carne deste é composta por proteína, os ursos só poderiam hibernar se conseguirem atingir uma ótima cota de salmões durante a temporada. Algumas pesquisas voltadas para balanço nutricional dos ursos norteamericanos relatam que o salmão contribui para 30 a 90% do carbono e nitrogênio metabolizados pelos ursos pardos e de 83 a 99% para os ursos marrons do Alaska. Esses números certamente são impressionantes e destacam a importância vital que a temporada de desova dos salmões representa à sobrevivência desses animais. De certa maneira, a renovação da floresta também depende dos ursos. Além de fertilizar a floresta, uma vez que também se alimentam de frutos, as fezes destes transportam muitas sementes. Dessa forma, a propagação de muitas árvores frutíferas pelas florestas ficaria seriamente comprometida com o declínio da população de ursos. Sem um vetor de difusão, após algum tempo essas plantas ficariam restritas a setores isolados da região.

no solo e na água. Estudos apontam ainda que o isótopo 15N está relacionado às fontes de nitrogênio marinho. A análise de assinaturas de isótopos é amplamente empregada na rastreabilidade de nutrientes, inclusive na fiscalização de alimentos humanos. É possível descobrir, por exemplo, a qualidade da ração (e até do que é feita) de uma granja pela análise dos isótopos das penas dos frangos.

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Naturalmente os ursos não são os únicos animais que possuem dependência direta dos salmões. O ciclo de reprodução de alguns animais, como o da águia careca, é ditado pelos eventos de desova. A proliferação de insetos, inclusive, chega a ser 25 vezes maior quando há grande número de carcaças, o que reflete na reprodução das aves que não se alimentam diretamente dos salmões. Além disso, apenas entre 10 a 30% dos ovos eclodem, sendo que o resto pode ser capturado por pássaros e insetos aquáticos. A decomposição das carcaças que permanecem nos rios, ao aumentar drasticamente os níveis de nutrientes da água, favorece a proliferação de algas e microrganismos que servirão de alimento para a próxima geração de alevinos enquanto viverem na água doce. O ingresso dos salmões juvenis ao mar, que pode demorar até dois anos, concebe o fim e o recomeço desse ciclo. A temporada de desova do salmão consiste em um imenso descarregamento de nutrientes para uma plataforma ambiental bastante vasta. Uma corrida de 20 milhões de salmões subindo a bacia Bristol, por exemplo, pode levar até 54 mil toneladas de biomassa, das quais 24 ton correspondem ao fósforo, 180 ton ao nitrogênio e 270 ton ao cálcio. Não seria exagero admitir, com base nesses números, que as corridas de desova são o pilar central do perfeito funcionamento dos ecossistemas próximos. Na verdade, esse evento necessita também da saúde e da integridade dessas regiões para ocorrer devidamente, havendo uma relação de dependência mútua. No Japão, no século XVII, já se dava muita importância ao carregamento de nutrientes que vinha dos salmões através dos rios, pois era sabido que melhoravam a fertilidade dos solos. Nativos norteamericanos próximos ao Pacífico também reconheciam esse fato. 157


Depois de viajarem longas distâncias até os pontos de desova e se alimentarem dos peixes, faziam o caminho de volta distribuindo suas fezes pela floresta como um ato de fertilização das árvores. Atualmente, em contrapartida, as florestas temperadas estão sendo cada vez mais transformadas pelas atividades humanas, principalmente os rios, afetando diretamente os ciclos de desova. O represamento das bacias e construções de barragens oferecem obstáculos cada vez mais intransponíveis aos peixes. Dessa maneira, um número bastante reduzido de salmões consegue alcançar os pontos adequados de desova e as florestas não recebem a quantidade mínima necessária de nutrientes para se sustentar. Estima-se que o número de salmões que subiam o Rio Columbia antes da exploração europeia chegava a mais de 15 milhões com acesso a mais de 20 mil quilômetros de rios e afluentes. Um cardume dessa proporção poderia representar algo em torno de 100 mil toneladas de peixe na forma de carregamento de nutrientes marinhos retornando ao continente a cada ano. Atualmente, estima-se que menos de 2 milhões estejam subindo o Rio Columbia anualmente. Diante desse grave impacto ambiental, os ecossistemas já estão sentido algum declínio, tornando as políticas de conservação cada vez mais urgentes. Este é talvez o mais impressionante aspecto do ciclo dos elementos na natureza. É a evidência de que o planeta funciona exatamente como um organismo vivo único. Seus mares, rios e ventos conectam todos os continentes, de forma a torná-los dependentes uns dos outros. Definitivamente um ecossistema não pode viver sem o outro, pois por mais insignificantes que possam parecer as teias de conexões entre si, representam, de alguma forma, uma questão de equilíbrio vital recíproco. Destruir um sistema necessariamente implica 158


em, no mínimo, prejudicar gravemente algum outro e esse efeito se propaga por outros além. A ideia de que o aquário é um ecossistema confinado se deve justamente à sua incapacidade de se conectar a outros sistemas da maneira como ocorre na natureza. O aquarista precisa manter em mente a ideia de que ele próprio é o provedor de todo o equilíbrio que a natureza não pode proporcionar. Muitas das intervenções do aquarista, bem como a função da maioria dos equipamentos, são, na verdade, uma tentativa artificial de suprir as deficiências do sistema, as quais certamente seriam atendidas se estivesse exposto aos laços de relação entre os ecossistemas.

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7.

ENXOFRE

O enxofre, de símbolo S, ocorre na natureza tanto na forma sólida quanto gasosa, predominando a primeira, que compõe em torno de 0,03% da crosta terrestre. É produzido principalmente pela atividade vulcânica, que além de gases sulfurosos na forma de SO2 (que também podem formar SO3 na atmosfera), expele material magmático relativamente rico em enxofre mineral, formando rochas ígneas ou enxofre puro (na forma elementar S). Os gases sulfurosos (SO2 e SO3) liberados na atmosfera oxidam em ácido sulfúrico (H2SO4) e posteriormente precipitam na forma de chuva ácida. O ácido sulfúrico então pode ser dissociado em sulfato (SO42-), a forma iônica assimilável pelas plantas. Esse trajeto do enxofre consiste no seu ciclo atmosférico.

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decompositora), o enxofre sofre redução pelas bactérias anaeróbicas de maneira análoga à desnitrificação (as formas oxidadas de enxofre são utilizadas como receptores alternativos de elétrons). O H2S é então liberado da coluna d’água, exalando o característico odor de ovo podre. Em ambientes bem oxigenados, por outro lado, a oxidação é favorecida e os sulfatos tendem a predominar e serem adsorvidos pelos colóides. Sua presença na forma de ácidos não é observável em condições normais por serem ácidos muito instáveis. A entrada do ácido sulfúrico pelas chuvas, embora seja uma importante fonte complementar de enxofre aos ambientes aquáticos, pode causar sérios problemas ao equilíbrio destes quando em alta concentração. Uma vez que o ácido sulfúrico é um ácido forte, a reserva alcalina dos corpos d’água pode ser rapidamente neutralizada em períodos de chuva29, fazendo despencar o pH a níveis perigosos. Dessa maneira, a intensificação das chuvas ácidas oriundas das atividades humanas, principalmente pela queima dos combustíveis fósseis, pode dizimar populações inteiras de animais e plantas tanto no ambiente aquático quanto terrestre.

29

Em condições naturais, o pH médio da chuva ácida é 5,6. Em regiões com alta densidade urbana e industrial, é comum ocorrer precipitações com pH até próximo de 2. Muitos países tem se deparado com os sérios impactos ambientais resultantes principalmente da queima de combustíveis fósseis, voltando o interesse público internacional sobre o emprego de políticas de redução do teor de enxofre dos combustíveis. Denominações S-500, S-50, S-10, etc. se referem aos combustíveis com teor de enxofre reduzido. Um diesel S-500, por exemplo, significa que contém apenas 500 ppm de enxofre na composição. Atualmente, combustíveis S-5 ou menos já estão sendo produzidos em alguns países com política de emissão de enxofre mais restrita.

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Nas camadas mais profundas do substrato, onde as condições tendem a ser redutoras, é comum a formação do H2S que, ao se acumular, emerge em bolhas. Isso é muito mais frequente em substratos que possuem elevada carga orgânica. Há tempo atrás, quando era popular no aquarismo o uso do húmus de minhoca nas últimas camadas sob o cascalho inerte, era frequente a saída de enormes bolhas do cascalho, as quais acabavam trazendo algum conteúdo de amônia e particulados que podiam desestabilizar o sistema. Atualmente, entretanto, mesmo com o uso de substratos modernos, ainda é comum a formação de algumas bolhas, mas não representam problema para o aquário devido aos substratos serem muito menos concentrados em amônia. O enxofre participa na composição das proteínas, aminoácidos e vitaminas de todos os seres vivos. Nos organismos vegetais, influencia positivamente na síntese do nitrogênio, compondo até 1% do peso seco destas. No entanto, a importância do enxofre nos ambientes naturais vai além do seu valor biológico, principalmente nos ambientes aquáticos, pois sua dinâmica implica sobre a disponibilidade de outros elementos. Na forma de sulfato (oxidado), ao competir com o fosfato pelos sítios de adsorção dos coloides, acaba por interferir positivamente na disponibilidade deste. Por outro lado, na forma de sulfeto (reduzido), afeta a disponibilidade do ferro solúvel (Fe2+) ao se ligar a este e formar sulfeto de ferro (FeS), um sal insolúvel. A forte acidificação do ambiente pelas chuvas ácidas, por outro lado, solubiliza grande quantidade de metais, entre eles cobre e alumínio, que são tóxicos para algas e plantas quando em altas concentrações. Embora seja um nutriente largamente consumido pelas plantas, pouco ou nada se fala no aquarismo plantado sobre a suplementação de enxofre. A quantidade requerida pelas plantas é muito próxima à do 165


fósforo e mesmo assim não existe um suplemento dedicado. A razão é que os corretores de dureza GH, que na verdade são suplementos sulfatados de cálcio e magnésio (CaSO4 e MgSO4 respectivamente), em teoria suprem inclusive a demanda de enxofre. É dito em teoria porque a dosagem é feita tomando-se como base as necessidades de cálcio e magnésio (e não de enxofre) e também por ser adicionado na forma de sais precipitados. Além disso, testes para níveis de sulfatos não são populares no aquarismo, o que torna difícil saber se a demanda está sendo satisfatoriamente atendida. Não há inclusive estimativas de uma concentração recomendada em aquários (como também não há para nenhum outro nutriente). Nesses casos, tal como o potássio e a maioria dos micronutrientes não usualmente monitorados por testes, uma boa observação do aquarista sobre as condições das plantas pode prevenir carências severas, embora seja raro haver sinais de desnutrição em plantas que são regularmente suplementadas.

166


8.

METAIS ALCALINOS

Os metais alcalinos são divididos em dois grupos na tabela periódica, os metais alcalinos e os metais alcalinos terrosos. Para fins didáticos, ambos os grupos são referidos aqui como metais alcalinos e consistem na fração catiônica dos solos e da água, como o cálcio (Ca2+), o magnésio (Mg2+), o potássio (K+) e o sódio (Na+). Esses elementos são abundantes na crosta terrestre e ocorrem na natureza exclusivamente na forma de sólidos, constituindo diversos tipos de rochas ígneas e sedimentares, como granito, mármore, apatita, dolomita, arenito, rochas calcárias e muitas outras. Os metais alcalinos, junto com o enxofre (como sulfato) e cloro (como cloreto), compõem mais de 90% da água do mar. O desgaste das formações rochosas pelas intempéries adiciona minerais alcalinos no solo e servem, além de reguladores da acidez deste, de nutrientes essenciais às plantas. Os ambientes aquáticos também são beneficiados ao serem abastecidos pela lavagem dos solos 167


pelas chuvas, onde grande parte dos minerais precipita e novamente passa a compor novas formações rochosas. Os sais solúveis de potássio, cálcio e magnésio são consumidos pelos organismos em grande quantidade e cumprem importantes funções fisiológicas. O cálcio, além de contribuir para a formação de ossos, dentes, conchas e exoesqueletos dos animais, atua na condução dos impulsos nervosos, na coagulação sanguínea, na contração muscular e age como regulador da permeabilidade da parede celular. Nos vegetais, participa ainda dos processos de alongamento e reprodução celular. Nas plantas carnívoras do gênero Dionea, o mecanismo de fechamento das armadilhas ocorre pela participação de íons Ca2+, de forma semelhante a um impulso nervoso, disparados pelo estímulo dos gatilhos. O potássio não compõe de fato os tecidos vivos, existindo apenas nos fluídos orgânicos onde atua principalmente como regulador do potencial osmótico (mecanismo de deslocamento e distribuição da água nos tecidos da planta) e na ativação de muitas enzimas. De maneira indireta, influencia na eficiência da transpiração e fotossíntese, uma vez que a abertura dos estômatos está relacionada com a pressão hídrica interna (turgidez)30. Depois do nitrogênio, é o nutriente assimilado em maior quantidade pelas plantas.

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Os estômatos funcionam como poros na superfície da folha por onde a planta realiza trocas gasosas, como a entrada do CO2 e saída do O2 durante a fotossíntese. É também pelos estômatos que a planta perde água para o ambiente por transpiração. Quando a água se torna escassa, ou seja, quando a entrada de água se torna inferior à saída, os tecidos da planta sofrem perda de pressão interna e esta murcha. Mecanismos fisiológicos então fecham os estômatos para evitar a desidratação grave, cessando consequentemente a fotossíntese. Quando o suprimento de água

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O magnésio, além de participar na atividade de muitas enzimas, funciona como agente estrutural e estabilizador das cadeias de RNA e DNA (como antagonista dos grupos fosfato). Juntamente com o cálcio, também compõe os ossos, dentes e carapaças dos animais. Muitas funções fisiológicas são reguladas pelo magnésio, uma vez que é essencial em mais de trezentas reações orgânicas em humanos. Para as plantas, entre outras várias funções, é vital na formação da clorofila, intervindo diretamente sobre o desempenho da fotossíntese. Entre os metais alcalinos, o sódio é o mais abundante do planeta. Associado ao cloro, como cloreto de sódio (NaCl), consiste na maior parte da salinidade do mar e é um sal importante para a manutenção dos organismos vivos. Nos animais, regula a pressão sanguínea e a distribuição hídrica corporal por meio do controle renal e também atua na condução dos impulsos nervosos. Juntamente com o potássio, cumpre importante papel na permeabilidade da membrana celular pelo mecanismo da bomba sódio-potássio31.

retorna, a pressão hídrica é elevada novamente até o ponto de turgor, quando os estômatos voltam a se abrir e a planta retoma seu metabolismo normal. 31

Enquanto o ambiente extracelular é muito mais concentrado em sódio, o interior é mais concentrado em potássio, o que gera uma diferença de potencial elétrico na parede celular (interior positivo). Quando a célula exporta sódio, utilizando um ATP como eixo, importa potássio e outros nutrientes como açucares e aminoácidos. Cada “giro” da bomba troca três íons de sódio por dois de potássio e é o mecanismo ativador das funções musculares e neurológicas em animais. A bomba Na/K é um exemplo de transporte ativo de nutrientes, ou seja, o transporte ocorre a custo de algum gasto energético. Um bioquímico dinamarquês, chamado Jens Christian Skou, descobriu-a em 1957, o que lhe rendeu o prêmio Nobel de química em 1997 junto com dois outros parceiros J. E. Walker e P. D. Boyer.

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O sódio, embora não seja essencial, é absorvido pelas plantas em quantidades muito pequenas. No entanto, é tóxico em concentrações relativamente altas por causar severos distúrbios osmóticos. Em ambientes aquáticos dulcícolas os níveis de sódio são tipicamente muito baixos, uma vez que inclusive nos solos apresenta-se escasso e não está presente na lavagem dos solos pelas chuvas. Por essa razão, as plantas e animais desses ambientes possuem baixa tolerância a níveis de sódio acima do normal. Nos ambientes de água salobra, por outro lado, as plantas desenvolveram a capacidade de tolerar altos níveis de sódio por meio de mecanismos fisiológicos específicos que drenam todo o sal absorvido. Algumas árvores de mangue, por exemplo, possuem o tecido das raízes impermeáveis ao sódio enquanto outras espécies o eliminam pelas folhas.

8.1 Dureza geral da água (GH) A concentração de íons Ca2+ e Mg2+ em água é chamada de dureza geral ou total e pode ser representada pelo grau alemão dH (Deutsche Hardness), ºdH, GH ou ainda DH. A dureza geral mede a concentração de íons metálicos dissolvidos na água, principalmente Ca2+ e Mg2+, geralmente associados aos bicarbonatos, carbonatos ou sulfatos. A concentração de outros íons metálicos de ferro, alumínio, manganês e potássio também compõem a dureza total, mas são irrelevantes na medição. Da mesma forma que a reserva alcalina, 1 dGH equivale a 10 mg/L de óxido de cálcio dissolvido (CaO) ou 17,8 mg/L de CaCO3. Altas concentrações desses íons caracterizam o que é chamado de “água dura”. Quando os níveis são baixos, diz-se que a água está macia ou branda. A Tabela 8 especifica essas categorias. 170


montanhas rochosas e vulcões. Os níveis de cálcio e magnésio desses lagos confinados são muito superiores à maioria dos outros corpos de água doce. Há lagos de condições semelhantes também nas Américas do Norte e Central32. Em grandes bacias isoladas, onde o volume de evaporação da água é superior ao de entrada, o ambiente pode ainda apresentar altos níveis de salinidade, superiores até mesmo à água do mar. Essas formações são comuns em desertos que até os dias de hoje aprisionam grande volume de água do que antes era gelo nas eras glaciais, como o Mar Morto e o Mar do Aral. Não são mares verdadeiros por não terem qualquer comunicação com o oceano, mas são chamados assim por abrangerem áreas imensas e por serem tão salgados a ponto de alguns serem totalmente inóspitos à formas de vida. Nos ambientes aquáticos comuns, a lixiviação do solo é a principal via de entrada da maioria dos minerais, mas a maior parte se mantém indisponível na forma de estoques relativamente imóveis. No entanto, apesar do cálcio e do magnésio apresentarem grande tendência em formar precipitados em meio oxidante (na presença de oxigênio), é raro serem limitantes para o desenvolvimento biológico tanto no solo terrestre quanto no aquático. A constante presença de ácidos orgânicos resultantes da atividade decompositora, bem como o ácido carbônico, mobiliza quantidade suficiente desses nutrientes para atender a

32

Os grandes lagos africanos e americanos são famosos entre os aquaristas aficionados pelos peixes endêmicos dessas regiões, os chamados ciclídeos de água dura. Os peixes são tão excêntricos e as condições ambientais requeridas são tão diversas em relação ao aquário de água doce comum que o aquário de água dura, como às vezes é chamado, tem se tornado uma categoria a parte.

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demanda biológica. Os componentes da chuva ácida, como o ácido sulfúrico e o ácido nítrico, também acabam cumprindo esse papel, embora seu excesso seja prejudicial, uma vez que são capazes de mobilizar grande parte dos estoques. O excesso de metais móveis (íons solúveis), além de causar toxidade às plantas (inclusive às terrestres), pode alterar drasticamente o equilíbrio químico de ambientes aquáticos. Em geral, as plantas aquáticas não toleram concentrações muito altas de cálcio e magnésio, preferindo ambientes brandos. Altos níveis desses íons provocam distúrbios no balanço osmótico e outros problemas, como a carência de um nutriente por excesso de outro. Algumas plantas superiores, conhecidas como pasto do mar, toleram a água marinha extremamente concentrada em íons metálicos, mas são exceções33. O aquário plantado, contudo, necessita de alguma concentração de cálcio e magnésio, bem como de outros nutrientes como o potássio. A dureza total, portanto, precisa ser regularmente monitorada por testes e corrigida por meio da adição de sais disponíveis no mercado aquarista. Os sais corretores da dureza total podem ser basicamente compostos sulfatados de cálcio e magnésio, contendo alguma parte em ferro, zinco e potássio. Quando não possuem base em carbonatos e bicarbonatos, a dureza total pode ser corrigida sem grande influência sobre a reserva alcalina. No Brasil fala-se em correção da dureza total por meio da adição de sais porque a água da torneira é bastante macia, chegando muito 33

Há cerca de 350 milhões de anos todas as plantas viviam no mar e desde então gradativamente foram se adaptando à vida em água doce e posteriormente à vida terrestre. Os pastos marinhos são espécies remanescentes dessas plantas primitivas e atualmente abrangem aproximadamente cinquenta espécies distribuídas nos mares rasos de todo o mundo.

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próximo de zero. Na Europa, por outro lado, a água da torneira é tão dura que é necessário utilizar um filtro deionizador34 para torná-la apropriada às plantas aquáticas. A dureza distinta se deve à natureza mineral da água; os rios sul-americanos são vastos, possuem grande quantidade de matéria orgânica que retém íons e geralmente correm por áreas planas, férteis e alagadas, longe de formações calcárias. O potássio, embora seja um nutriente largamente consumido pelas plantas, não pode ser medido por testes convencionais comumente disponíveis no mercado. Todavia, seus níveis devem ser mantidos constantes para assegurar a nutrição das plantas. Há suplementos feitos exclusivamente de potássio (sem nitrogênio e fósforo), mas a suplementação de fósforo e nitrogênio por fosfato monopotássio (KH2PO4) e nitrato de potássio (KNO3) respectivamente devem suprir a demanda de potássio das plantas sem a necessidade de adição do potássio isolado. Em geral, no aquário plantado, as plantas vivem bem em níveis de dureza até 9 ou 11 dH, mas níveis entre 4 e 6 dH é o suficiente para nutrir as plantas muito satisfatoriamente. Algumas rochas utilizadas na decoração podem aumentar a dureza total, principalmente devido a rotina de escovação das algas e a reação com o ácido carbônico que liberam alguma quantidade de minerais solúveis. Dependendo da 34

Filtros deionizadores são dispositivos que retiram os íons da água por meio do uso de resinas de troca iônica, tornando-a mais pura. Os filtros geralmente possuem dois estágios, o de troca catiônica e o de troca aniônica. Basicamente, as resinas catiônicas trocam seus H+, fracamente ligados, pelos cátions, enquanto que as resinas aniônicas trocam seus OH- pelos ânions. Os filtros deionizadores possuem ampla aplicação, desde o tratamento de água para consumo humano até o condicionamento desta para aplicações industriais.

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natureza geológica e quantidade dessas rochas, a correção da dureza total pode nem ser necessária, mas é recomendado ao aquarista ficar atento aos sinais de carências. Em muitos sites que exibem fichas técnicas de peixes ornamentais, é comum citarem a dureza e a reserva alcalina como um parâmetro ambiental do aquário. Na verdade, os peixes toleram uma ampla faixa de dureza e reserva alcalina, desde que a dureza total não seja absurdamente alta. De qualquer maneira, não fosse pelas plantas, a dureza não precisaria ser monitorada ou corrigida, exceto quando se trata de sistemas dedicados aos ciclídeos de água dura ou sistemas de reprodução. Alguns aquaristas desprezam a importância da dureza total no aquário plantado, alegando que a reserva alcalina é o parâmetro realmente importante. Esta afirmação é totalmente incorreta e talvez tenha origem na falta de compreensão das propriedades nutricionais dos metais. A reserva alcalina nada tem a ver com a oferta de nutriente para as plantas, tem a ver somente com a estabilidade química do sistema, exercendo influência direta sobre o pH. A dureza total, por outro lado, é um parâmetro diretamente relacionado à saúde das plantas e não um parâmetro químico de qualidade da água, como o pH ou a condutividade. Um aquarista que administra rigidamente o CNPK (carbono, nitrogênio, fósforo e potássio), mas que ignora a importância do cálcio e do magnésio está sujeito a ter problemas com o desenvolvimento pleno de suas plantas.

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9.

MICROMETAIS

Ainda outros metais, conhecidos como metais de transição (cobalto, cobre, zinco, molibdênio, ferro, manganês, etc), pós-transição (alumínio) e semi-metais (silício e boro) na tabela periódica, são importantes nutrientes para a maioria dos seres vivos. Embora sejam requeridos em quantidades relativamente muito pequenas, sendo denominados nos estudos biológicos como micronutrientes35, são tão importantes quanto qualquer outro nutriente largamente consumido, como carbono ou nitrogênio, pois cumprem importantes funções metabólicas. Nesse contexto, os micronutrientes são indispensáveis para a regulação de funções vitais em todas as formas de vida.

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Nem todos os micronutrientes são elementos metálicos. Elementos não metálicos como o selênio, cloro e iodo também são necessários em quantidades menores para a manutenção dos organismos. Portanto, para efeito didático, os micronutrientes metálicos serão referenciados aqui como micrometais.

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Muitos dos metais disponíveis na natureza possuem importância fisiológica, mas alguns são assimilados em quantidades tão pequenas que suas funções ainda não são bem compreendidas, como é o caso do boro e do vanádio para a fisiologia vegetal. Estudos suspeitam até da participação do ouro em certas funções, embora não haja dados científicos conclusivos. Esses elementos, da mesma forma que os metais alcalinos, existem na natureza exclusivamente na forma sólida (com exceção do mercúrio) inseridos na composição de minérios e do solo. Enquanto os metais alcalinos formam estados de oxidação de até 2+ (1+ para metais alcalinos e 2+ para metais alcalinos terrosos), os metais de transição podem apresentar até 7+, ou seja, são elementos que oxidam com muita facilidade. Essa propriedade os confere funções orgânicas primordiais ligadas ao oxigênio ou ao transporte de elétrons, agindo como catalisadores. Embora muitos dos micrometais sejam abundantes na crosta terrestre, presentes no solo, rochas e na água, a maior parte se mantém sob a forma de óxidos e hidróxidos, indisponíveis ao consumo biológico. Mas graças à intensa e complexa dinâmica dos seus estados de oxidação/redução em função de determinadas variáveis ambientais, o consumo primário normalmente consegue suprir suas necessidades nutricionais aproveitando as condições nas quais os metais tornam-se brevemente disponíveis. Os micrometais sofrem constantes transições regidas pelas condições oxidantes/redutoras geradas por fatores abióticos e bióticos. O pH e a condição redox são os fatores ambientais que exercem influência decisiva sobre a disponibilidade destes. De forma geral, quanto mais baixo o pH e o pE (ambiente redutor), maior a 178


disponibilidade dos metais na forma livre (solúvel). Ao contrário (em ambiente oxidante), menor a disponibilidade, tornando-se precipitados insolúveis na forma de óxidos e hidróxidos ou ligados a outros elementos, formando co-precipitados. Microrganismos específicos também podem tanto oxidar quanto reduzir metais para obtenção de energia em processos de quimiossíntese. O equilíbrio desses fatores é primordial para a saúde do ecossistema. Determinados eventos como alta incidência de chuva ácida, eutrofização de ambientes aquáticos e inundações podem elevar a liberação dos micrometais a níveis tóxicos. Contudo, se tratando de ambientes aquáticos naturais, é muito mais fácil os micrometais se tornarem tóxicos do que limitantes e mesmo que sejam escassos, raramente representam escassez importante antes do nitrogênio e do fósforo. Aquários densamente plantados, em contrapartida, podem apresentar estresse por carência de micronutrientes cujos sinais de desnutrição podem ser difíceis de identificar. As trocas parciais de água regulares conseguem repor alguns elementos traço, mas é impossível garantir a entrada de todos os nutrientes. A presença do cloro, um poderoso agente oxidante e bactericida, além de outros processos de purificação empregados nas estações de tratamento de água, representa interferência importante na disponibilidade dos micronutrientes. Por essa razão, a suplementação regular torna-se necessária para o bom desenvolvimento das plantas no aquário. Inclusive o uso dos neutralizadores de cloro após as trocas parciais de água, além de preservar a saúde dos animais, ajuda a prolongar o aproveitamento dos micronutrientes.

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9.1 Ferro e manganês O ferro (Fe) e o manganês (Mn) são micronutrientes essenciais para a grande maioria dos seres vivos e seus papéis fisiológicos são bem conhecidos. Ambos são metais muito abundantes na crosta terrestre, perdendo apenas para o alumínio, e ocorrem geralmente na proporção de 50 : 1 (Fe : Mn). Seus óxidos formam a maior parte do solo e são importantes estoques de nutrientes pelos quais possuem grande afinidade, como sílica, enxofre, fósforo e até mesmo matéria orgânica. Em ambientes aquáticos, esses metais são constantemente transformados pelo ciclo das condições redox e possuem dinâmicas bastantes complexas que afetam inclusive a disponibilidade de outros elementos. A função orgânica do ferro está intimamente ligada ao metabolismo do oxigênio e produção de energia. Nos animais, sua principal função está relacionada às hemoglobinas que estocam e transportam oxigênio através do sangue para todas as células. Nas plantas, além de funcionar como um transferidor de elétrons no processo da fotossíntese, o ferro também participa no metabolismo de outros nutrientes, como nitrogênio e enxofre, se tornando fundamental na formação das proteínas. A atuação bioquímica do manganês também está ligada ao oxigênio, além da proteção contra o estresse das reações de oxidação. Juntamente com o cloro, participa na obtenção do O2 a partir da decomposição da água (foto-oxidação) no processo de fotossíntese. Inclusive em animais, está presente em um grande número de enzimas e auxilia na formação dos ossos, tecido conjuntivo e no bom funcionamento do sistema nervoso e reprodutor. 180


Apenas 0,5 mg/L de oxigênio dissolvido em pH neutro é o suficiente para oxidar quase todo o Fe2+ a Fe3+. No entanto, 90% do ferro oxidado que chega aos sedimentos, de alguma forma, acaba sendo lentamente reduzido à forma solúvel para a coluna d’água. O manganês oxida bem mais lentamente que o ferro (cerca de 50 vezes mais lento em pH 7) e permanece solúvel em quantidade superior a este em maiores concentrações de oxigênio dissolvido. Apesar da concentração de manganês total ser tipicamente inferior à do ferro em ambiente aquático, na média de 35 µg/L, a disponibilidade de Mn2+ é maior que Fe2+ em pH próximo de neutro. A presença de ferro e manganês dissolvidos é maior em águas ácidas, com pH inferior a 4, as quais apresentam alto conteúdo de matéria orgânica na forma de ácidos derivados de lignina (ácidos fúlvicos, húmicos e tanínicos). Os ácidos orgânicos, quando presentes em altas concentrações, se ligam ao íon e formam compostos quelados36, neutralizando a oxidação do meio. A cor marrom amarelada típica de pântanos, mangues e alguns rios (o característico tom chá) é resultado de complexos de ferro associados à matéria orgânica.

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Os compostos quelados consistem basicamente de um íon metálico ligado a algum componente orgânico, como aminoácidos e açúcares, que funciona como um empacotamento do íon. Essas ligações preservam os íons contra a oxidação por mais tempo e aumentam a disponibilidade do nutriente ao meio ambiente. Não fosse tal capacidade dos ácidos orgânicos sobre os micronutrientes metálicos, a disponibilidade destes facilmente se tornaria limitante ao desenvolvimento dos vegetais. Em culturas cujo solo alcalino torna a disponibilidade de ferro solúvel tipicamente escassa, é comum a aplicação de ácidos orgânicos tanto para solubilizar o ferro e formar quelados quanto para mobilizar o fósforo retido nos óxidos metálicos.

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Na limitação de ferro solúvel, algumas algas, cianobactérias e até mesmo plantas podem excretar sideróforos (proteínas capazes de se ligarem ao Fe3+) que podem ser re-assimilados trazendo o ferro consigo. Em ambiente intracelular, outras enzimas se encarregam de reduzir o Fe3+ a Fe2+ e redistribuí-lo para o resto do organismo. Algumas plantas adaptadas à baixa disponibilidade de ferro podem inclusive produzi-los pelas raízes tanto para reduzir o ferro quanto para combater a invasão de raízes vizinhas. Essas estratégias permitem que tais organismos prevaleçam sobre outros menos adaptados em condições limitantes. Aquários carentes em ferro solúvel por falta de suplementação, por exemplo, podem favorecer o aparecimento de algas justamente por esse motivo, uma vez que as plantas são bem menos eficientes na obtenção do ferro necessário a partir do Fe3+. Ambientes aquáticos naturais raramente apresentam limitação por ferro, pois a quantidade disponível em condições oxidantes, apesar de baixa, atende as necessidades do consumo primário. O aquário, por outro lado, por ser um ambiente muito menos dinâmico (não possui correntes sazonais, períodos de cheia e estiagem, perturbação do substrato por animais, recebimento das chuvas e da lixiviação do solo, etc), mesmo possuindo grande quantidade de ferro total, quase sempre apresenta níveis solúveis extremamente baixos. Nessas condições, as plantas rapidamente sofrem por sua carência, pois praticamente todo o conteúdo de ferro está oxidado e retido nas partículas orgânicas do filtro, no substrato e eventualmente nas rochas. Portanto, o aquário plantado, principalmente quando há plantas de metabolismo ávido, necessita de suplementação regular de ferro. Algumas condições podem requerer mais aplicações que outras, como pH típico próximo ou acima de 7, alta reserva alcalina, alta dureza geral e uso de rochas de origem calcária. Mesmo que os fertilizantes sejam produzidos a base de ferro quelado (ferro EDTA ou como gluconato de ferro), após certo tempo 185


em contato com a água, tendem a se decompor e o que não foi assimilado a tempo será perdido na oxidação. É recomendado, portanto, aplicar o suplemento em doses menores em períodos mais curtos, de preferência diariamente. Esse princípio pode ser seguido para todos os outros fertilizantes, mas o ferro em particular, se aplicado em doses maiores e em períodos mais longos, pode ser muito menos eficiente em função desse desperdício. Nos primeiros anos do aquarismo plantado, o uso da laterita como fonte provedora de ferro era bastante difundido. Laterita é o nome dado aos solos altamente concentrados em óxido de ferro e de outros minerais, inclusive alumínio. Como eram postos na camada mais profunda do substrato (e as camadas eram bastante altas devido ao uso de húmus de minhoca como componente fértil do substrato) onde as condições são fortemente redutoras, o método funcionava. No entanto, além do ferro, o alumínio também se solubilizava, causando vários problemas às plantas mais sensíveis. Outro problema dessa prática era que não havia uma dose segura de administração, pois obviamente a concentração de minerais na laterita varia muito de acordo com a região de onde foi extraída, o que pode ser facilmente percebido pela variação de cores de uma para outra37. Dessa forma, sem uma referência clara, a maioria dos aquaristas

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A laterita é uma formação geológica que ocorre em terrenos intensamente intemperizados por chuvas constantes, geralmente em regiões tropicais como Brasil e Índia. A infiltração nesses solos promove a concentração de muitos minerais, principalmente óxidos metálicos de ferro, manganês, alumínio e até metais pesados como chumbo e mercúrio, nas camadas mais profundas sob a forma de argila impermeável. A proporção dos minerais contidos na argila varia conforme a composição do solo da região, e pode ser observada pela diversidade na tonalidade

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optava pelo excesso e ao fazê-lo, estava sujeita a sofrer efeitos tóxicos inclusive pelo excesso de ferro. Com entrada dos suplementos líquidos, a laterita acabou se tornando obsoleta, embora ainda exista uma minoria que a utiliza. A fertilização do manganês geralmente está inserida nos suplementos de micronutrientes em frações bastante pequenas juntamente com outros metais como cobre, molibdênio, zinco, vanádio e cobalto. Alguns fabricantes adicionam inclusive ferro, mas é preciso estar atento à quantia dosada, pois o conteúdo embutido pode ser bastante reduzido se comparado aos fertilizantes exclusivos, servindo apenas como um apoio. Existem testes específicos no aquarismo para estimar a concentração de alguns micronutrientes, como ferro e cobre, mas não detectam a concentração total (porção solúvel mais porção oxidada). Uma vez que os metais podem assumir diversos estados de oxidação de maneira bastante dinâmica, o resultado dos testes representa o conteúdo momentâneo, diferentemente dos níveis relativamente estáveis como na dureza geral ou na reserva alcalina. Na mesma água, os testes podem apresentar valores diferentes no início e no fim do período de luz, escuridão e em diferentes concentrações de CO2 dissolvido. Uma rotina regular de fertilização é o suficiente para assegurar os níveis necessários de micronutrientes para o bom desenvolvimento das plantas sem a necessidade da utilização de testes.

de cores entre o vermelho e o marrom. Quanto mais avermelhado, mais concentrado em ferro (hematita) e quanto mais amarelado ou alaranjado, mais concentrado em alumínio (gibsita).

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10.

ELEMENTOS TÓXICOS

A toxicidade dos elementos é bastante relativa à quantidade. Na verdade, todos os nutrientes são tóxicos acima de determinados níveis. Até mesmo a água pura, se ingerida em excesso, pode ser tóxica, no entanto, seu risco de toxidade não é importante devido a tal dose estar muito longe do que é ingerido normalmente. Todos os elementos vistos até aqui representam toxidade às plantas se presentes acima de determinados limites, que podem variar entre gêneros e espécies. Alguns elementos podem ser mais tóxicos para um grupo de organismos do que outros. O alumínio, por exemplo, apesar de ser muito abundante nos solos na forma de óxidos, é tóxico à maioria das plantas se solubilizado além dos níveis normais. O manganês, mesmo sendo vital para estas, também se torna fortemente tóxico ao ser largamente mobilizado dos sedimentos por inundações. O cobre e o cloro são tóxicos às algas verdes em concentrações relativamente 189


baixas. Outros elementos, entretanto, são reconhecidos por serem universalmente tóxicos mesmo em concentrações bastante baixas. Os metais pesados, como o chumbo, mercúrio e cádmio, são exemplos clássicos de agentes nocivos à maioria dos organismos e ecossistemas pela dificuldade de serem metabolizados e eliminados. Não possuem qualquer função fisiológica conhecida e causam desordens metabólicas graves a longo prazo até mesmo a nível genético. Entre os diversos prejuízos conhecidos, o potencial cancerígeno e teratogênico está entre os efeitos mais importantes, pois além de transferir o dano aos descendentes por defeitos genéticos, em certas situações podem causar desastres ecológicos de lenta reversibilidade. O chumbo é o metal pesado mais abundante da crosta terrestre e está naturalmente presente em pequena quantidade no solo e em ambientes aquáticos, onde pode ser mais perigoso em condições redutoras ou na presença de ácidos orgânicos38. No entanto, sua quantidade aumentou significativamente com a queima de combustíveis fósseis desde o século XIX. A partir dos anos 70, leis internacionais proibiram o uso de aditivos de chumbo na gasolina (eram usados para melhorar a ignição) e desde então a quantidade deste metal nas chuvas,

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Atualmente, há um consenso entre historiadores e arqueólogos de que a queda do Império Romano provavelmente deveu-se ao envenenamento da civilização por chumbo durante muitos séculos. Por ser um metal macio e fácil de trabalhar artesanalmente, os romanos o utilizaram na construção de utensílios de cozinha, encanamentos, acessórios e ferramentas desde o século V a.C. Um composto a base de chumbo chamado “açúcar do vinho” (acetato de chumbo) era usado nos vinhos mais sofisticados. Acredita-se que isso teria causado o estado de loucura de alguns imperadores, justamente um dos danos atribuídos à intoxicação crônica de chumbo.

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nos ecossistemas e até mesmo no organismo humano tem decrescido drasticamente. O mercúrio é outro elemento bastante tóxico. É encontrado em maior quantidade nas camadas mais profundas da crosta terrestre, mas também existe em quantidade extremamente baixa no meio ambiente. Em condições normais de temperatura, apresenta-se no estado líquido e se converte em vapor altamente tóxico que pode ficar em suspensão na atmosfera por meses. Seus efeitos tóxicos mais graves incluem danos neurológicos como demência, paralisia cerebral e morte, dependendo do grau de exposição. Devido às suas propriedades, é empregado em diversos materiais e equipamentos médicos e industriais, bem como em utensílios domésticos como lâmpadas fluorescentes e espelhos, os quais muitas vezes são descartados como lixo comum. Uma das mais graves vias de contaminação do meio ambiente por mercúrio se deve à prática irresponsável da mineração do ouro. Por se ligar facilmente à prata a ao ouro separando-o do sedimento e do barro, o mercúrio é por fim eliminado deste ao ser evaporado pela chama de um maçarico, obtendose então a pepita mais pura. O vapor é então liberado para atmosfera e chega aos rios e lagos pelas chuvas, além do resíduo oriundo da manipulação. Quantidades enormes de mercúrio podem ser encontradas nas populações que se sustentam da pesca nessas regiões e, mesmo sendo uma prática proibida, ainda é praticada por garimpeiros ilegais na bacia amazônica. O cádmio, apesar de ser tóxico em concentrações bem baixas, suspeita-se de sua função como nutriente em quantidades ainda menores. Seus mecanismos fisiológicos ainda não são bem conhecidos, mas sabe-se que certa quantidade é ingerida nos alimentos, 191


principalmente vegetais, que o assimilam como micronutriente ou como elemento facultativo. É um metal relativamente raro, frequentemente associado ao zinco, e é amplamente utilizado na fabricação de pilhas e baterias níquel-cádmio. O descarte indevido desses materiais polui o solo, lençóis freáticos e ambientes aquáticos. Uma vez que as plantas podem acumulá-lo nos tecidos, vegetais de consumo cultivados em solo contaminado podem intoxicar humanos a longo prazo. Inúmeras pesquisas relatam que plantas aquáticas, principalmente as flutuantes, são capazes de reter certa quantidade de metais pesados em seu organismo sem serem prejudicadas. Dessa forma, atuam como um filtro para esses elementos, aliviando seus efeitos sobre outros organismos do ecossistema. A água da torneira possui níveis controlados e seguros de metais pesados garantidos pela legislação, portanto, não representam problema para o aquário. As minas, quando não são clandestinas, também são confiáveis, pois foram inspecionadas por órgãos ambientais públicos antes de serem liberadas para o consumo. Por outro lado, quando são clandestinas, o risco de conterem níveis perigosos não apenas de metais pesados, como também de compostos orgânicos e agentes patogênicos é bastante real. Obviamente, essas fontes de água não devem ser usadas no aquário. Ao escolher sua fonte de água, o aquarista deve buscar conhecer suas características químicas, como pH, reserva alcalina e dureza geral. As estações de saneamento fornecem relatórios de análise química e biológica que podem ajudar o aquarista a conhecer a concentração de micronutrientes, por exemplo. Ainda assim, outros cuidados devem ser tomados. A tubulação de bairros mais antigos pode ser feita de ligas contendo chumbo e cobre, os quais podem ser arrastados para a 192


população pela corrosão. Uma das funções do cloro na água de distribuição, por ser um agente oxidante, é também evitar a solubilização desses elementos pela correção do pH. O cloro é um produto muito eficiente no tratamento da água para abastecimento público e é utilizado no mundo todo desde o fim do século XIX, quando suas propriedades desinfetantes foram constatadas. No entanto, seu uso pode gerar compostos colaterais bastante tóxicos na presença de carbono orgânico, como ácidos húmicos e fúlvicos, formando os trihalometanos. Esses compostos podem ser formados não apenas com o cloro, mas também com bromo ou iodo, originando substâncias como clorofórmio, bromofórmio e iodofórmio, os quais possuem reconhecido potencial cancerígeno mesmo em concentrações muito baixas. A poluição dos mananciais por despejo de esgoto tende a aumentar a proporção do problema, pois a concentração de carbono orgânico pode ser alta mesmo após o tratamento nas estações. O limite máximo da presença de trihalometanos na água de consumo é determinado pelo Ministério da Saúde no Brasil em menos de 0,1 mg/L. Contudo, essas concentrações podem aumentar muito no aquário, onde a concentração de ácidos orgânicos é bastante alta pela decomposição de plantas e algas, dejetos de peixes e restos de alimento. Estudos relatam inclusive que os trihalometanos podem se formar em contato com algas, cianobactérias e seus resíduos metabólicos. Outro produto nocivo gerado pelo cloro são as cloraminas, que basicamente são o acoplamento do cloro a uma amina (NH2) oriunda da amônia (NH3 ou NH4+) livre na água. As cloraminas não são muito comuns na água da torneira, mas podem ser formadas quantidades significativas no aquário que possui elevada carga de decomposição orgânica e recebe água clorada (água nova da troca parcial). Na “era das 193


trevas” do aquarismo, se a amônia não chegava a matar os peixes, por estar na forma não tóxica (NH4+) em pH ácido, a formação da cloramina logo após a troca de água o fazia. Muitos aquaristas se deparavam com essa ironia; a água limpa, muitas vezes, matava mais peixes do que um aquário em más condições de manutenção! Além desses compostos, a presença do cloro em si, desde que em excesso, também representa um revés para a saúde do aquário. Ele causa irritações nas escamas, brânquias e olhos dos peixes, fazendo-os produzir mais muco do que o normal para se protegerem. Nas plantas, embora seja um micronutriente importante para o processo da fotossíntese, pode provocar sinais de intoxicação e até mesmo inibir a absorção de outros nutrientes. Na dinâmica química do aquário, acelera a oxidação dos micronutrientes metálicos, principalmente do ferro e do manganês, tornando-os menos disponíveis. Os condicionadores de água encontrados no mercado aquarista, os chamados “desclorificantes”, ao serem aplicados na água de reposição ou diretamente na água do aquário, são suficientes para neutralizar o cloro e impedir a formação desses compostos sem efeitos colaterais. Esses condicionadores são feitos basicamente de tiossulfato de sódio (Na2S2O3), geralmente na concentração de 10 mg/L, e seu uso evita tanto o estresse de animais e plantas quanto a oxidação precoce de micronutrientes metálicos. Alguns fabricantes asseguram inclusive a imobilização de metais pesados. Uma outra medida para desclorificar a água é deixá-la descansar em um recipiente por alguns dias antes de ser adicionada ao aquário, pois o cloro é volátil e tende a evaporar mesmo na temperatura ambiente. Essa prática pode ser um pouco inviável quando se trata de aquários grandes, os quais requerem grande volume de água para 194


reposição, mas pode ser útil para aquários menores. Todavia, é difícil determinar quantos dias são necessários para que todo o cloro se evapore, pois sua concentração na água tratada pode variar bastante em função da região, demandando mais ou menos tempo de descanso da água. Nesse sentido, os condicionadores oferecem uma maneira mais rápida, segura e prática. Alguns aquaristas defendem o uso do carvão ativado no filtro para a remoção do cloro. Isso obviamente funciona, mas devido a sua excelente capacidade de adsorção, o carvão provavelmente vai reter inclusive os nutrientes que estão sendo suplementados. Por esse motivo, seu uso está sendo abolido do aquário plantado, salvo em raras exceções de emergência.

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11.

LUZ

A luz, tanto como a água, é uma fonte de energia primordial para o deslocamento dos nutrientes através dos seres vivos. Além de fornecer calor, possibilita os processos da fotossíntese, a primeira função metabólica da cadeia trófica. Seres quimiautotróficos como as ferrobactérias, nitrobactérias e sulfobactérias, adquirem energia a partir de reações químicas inorgânicas sem utilizar a luz como fator de partida para os processos metabólicos, mas esses organismos não participam ativamente da cadeia trófica. O ganho energético proveniente dessas reações é ínfimo e não é capaz de sustentar um organismo complexo. Portanto, para que os minerais sejam convertidos em nutrientes na vazão necessária para sustentar os organismos superiores, é preciso que haja uma fonte de energia muito maior e constante e é a luz é quem dispara esse deslocamento de energia. Os seres clorofilados como plantas e algas são os organismos preparados para absorver a luz na forma de energia e converter os 197


elementos químicos em moléculas orgânicas na forma de tecidos e enzimas. Por essa razão, são chamados de seres fotoautotróficos. Outros organismos, os chamados heterotróficos, como animais ou mesmo muitos microrganismos como fungos e bactérias, por serem incapazes de produzir energia por si próprios, o fazem ao ingerir os consumidores primários (plantas e algas) ou secundários. A essa corrente de deslocamento de nutrientes dá-se o nome de cadeia trófica ou cadeia alimentar. Não é possível falar a respeito da importância da luz à vida sem associá-la à fotossíntese e à cadeia trófica. Não fosse pela luz, os nutrientes na forma inorgânica jamais poderiam adentrar nos organismos vivos e assim assumir formas orgânicas, como aminoácidos, proteínas e carboidratos. A energia luminosa é a bomba que injeta e impulsiona recursos a partir de um ponto “inerte” (inorgânico) para dentro da biodiversidade do planeta. Para entender como se dá o processo de fotossíntese nos textos seguintes, bem como compreender o conceito de qualidade da iluminação no aquário plantado, é importante estudar a luz enquanto energia e suas propriedades físicas.

11.1 A luz como energia Muitos cientistas e pensadores através dos tempos tem se atentado a observar os mistérios físicos da luz. Muitas teorias foram elaboradas, mas os dois principais modelos teóricos, os quais persistem até os dias de hoje por explicarem satisfatoriamente a maioria dos fenômenos relacionados, são o modelo da partícula e o modelo de onda. Determinados fenômenos são mais bem explicados assumindo-se que a 198


luz possui a natureza de uma partícula que viaja no tempo e espaço a uma velocidade astronomicamente alta. Outros fenômenos, em contrapartida, precisam considerar a luz como uma onda, dotada de frequência e comprimento, para serem elucidados. Não existe um consenso definitivo sobre a verdadeira natureza da luz, pois, paradoxalmente, ela obedece aos dois princípios simultaneamente. O modelo de partícula, ou a teoria corpuscular, proposto pelo modelo mecânico de Newton, descreve a luz como partículas muito pequenas que viajam a partir da fonte emissora. Esse modelo explica por que a luz viaja em linha reta, reflete em superfícies polidas, é absorvida em superfícies opacas ou escuras, atravessa corpos translúcidos e refrata em meio translúcido denso, tal como ocorre nos líquidos. Apesar de ter produzido alguns trabalhos e ensaios que respaldavam sua teoria, Newton era cuidadoso com suas afirmações e admitia que seu pensamento poderia conter falhas importantes. Outros cientistas do século XVII, contradizendo o modelo de partícula, descreveram a luz como ondas eletromagnéticas, em parte devido ao fenômeno de difração que não podia ser explicado pelo modelo corpuscular. A teoria funcionava muito bem e colocou a ideia corpuscular da luz em desuso. Inclusive o comprimento das ondas e as frequências relativas a cada cor do espectro luminoso visível puderam ser medidas. Contudo, no final do século XIX, inclusive este modelo fora questionado por problemas teóricos mais modernos, inaugurando o longo e ainda não totalmente esclarecido debate conhecido como a dualidade onda-partícula da luz. Diante desse debate, a partir da teoria do fóton de Max Planck, Albert Einstein, com a formulação da teoria do efeito fotoelétrico (que lhe rendeu o prêmio Nobel da Física em 1921), apresentou um modelo 199


que acabou por satisfazer ambas as teorias da dualidade. A luz, segundo Einstein, é de fato uma onda eletromagnética que carrega consigo pacotes de energia, os fótons (que, em tese, são partículas). A energia contida em um fóton é proporcional à frequência da onda, que, por sua vez, é inversamente proporcional ao comprimento desta. Nesse aspecto, a luz enquanto fóton comporta-se como partícula dotada de energia, mas também possui as propriedades de onda enquanto radiação, dotada de frequência. Na verdade, o efeito fotoelétrico já havia sido observado primeiro por Heinrich Hertz em 1887. Einstein havia apenas complementado a teoria a partir das observações de Planck em estudos independentes e estabeleceu algumas leis. O efeito fotoelétrico basicamente enuncia que a luz, ao incidir sobre uma superfície metálica, desloca os elétrons desta, dando origem a uma corrente elétrica. O fóton seria o componente da luz que, ao se chocar como uma bola de bilhar contra os elétrons do metal (agindo como partícula), literalmente os arrancaria de suas órbitas e os colocaria em fluxo. A teoria previa que a força de “arrancamento” dos elétrons seria proporcional à quantidade de energia aplicada. Primeiramente suspeitou-se que a quantidade de energia estava relacionada à quantidade de incidência de luz, de forma que, ao convergir mais luz, os elétrons seriam arrancados com mais força. Os experimentos mostraram apenas que mais elétrons eram arrancados, mas não com mais força. Então foi descoberto que a quantidade de energia prevista pelo enunciado estava relacionada ao nível energético do fóton, de maneira proporcional à frequência deste (agindo como onda). Dessa forma, ao focar um canhão de luz ultravioleta (um espectro de alto nível energético) na superfície metálica, os elétrons são deslocados com mais 200


força quando comparado à luz de cor vermelho, por exemplo, a qual possui bem menos energia. Basicamente, é assim que funciona a fotossíntese nos seres clorofilados. A clorofila, que reage de maneira similar a uma superfície metálica (ou condutora de eletricidade), ao ser bombardeada por fótons, se excita e desloca os elétrons através de seus receptores proporcionando energia ao organismo. Essa energia é utilizada na conversão do CO2 e água à carboidrato, eliminando o O2 como resíduo. Os detalhes dos processos de fotossíntese serão descritos no Livro 2.

11.2 O conceito de cor Isaac Newton, entre os séculos XVII e XVIII, ao decompor um feixe de luz solar através de um prisma como na Figura 33, descobriu que a luz branca do sol era composta por uma série de espectros de luz visível que abrangiam do vermelho ao violeta, como as sete cores do arco-íris (que consistem na luz solar decomposta por gotículas de água em suspensão na atmosfera). Ao unir todas as cores novamente, obtémse o branco.

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quantidade de raios acima e abaixo dessa faixa. Os raios mais nocivos, como os raios ultravioleta e os raios gama, os quais carregam extrema quantidade de energia, são filtrados pela atmosfera terrestre. Partículas em suspensão, como poeira, umidade (nuvens) e gases (principalmente a camada de ozônio) filtram grande parte da incidência dos raios ultravioleta. Os raios ainda mais energéticos e perigosos, como os raios gama, são desviados pelo campo eletromagnético da Terra. Naturalmente uma parte muito pequena desses raios consegue chegar à superfície terrestre, mas se chegassem sem nenhum filtro, o planeta seria totalmente estéril. É dito que as cores correspondem ao espectro de luz visível ao olho humano porque nem todos os animais enxergam a mesma banda. Cães e gatos, por exemplo, enxergam uma banda espectral mais estreita entre o azul e o amarelo, percebendo muito mal, talvez em nuances de cinza, as cores abaixo ou acima. Outros animais, entretanto, podem enxergar espectros que são invisíveis ao homem, como as abelhas que percebem o ultravioleta refletido pelas flores e até por outras abelhas como forma de comunicação e as cobras que rastreiam suas presas, mesmo na escuridão, pela emissão do infravermelho proveniente da radiação do calor corporal40.

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As cobras não percebem o infravermelho pelos olhos e sim por um órgão específico chamado fosseta, que são cavidades dispostas à frente da cabeça altamente sensíveis ao calor irradiado (luz infravermelho) pelas presas de sangue quente. As fossetas geram no cérebro uma imagem que orienta o animal em direção ao ponto que apresenta maior calor em relação ao ambiente ao redor. A grande maioria das cobras enxerga muito mal, pois uma vez que não possuem pálpebras para proteção dos olhos, o cristalino é rígido e espesso, o que não lhes permite focalizar a imagem pela visão convencional.

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receptores, os que são estimulados pelas ondas longas (ao redor do vermelho), os de ondas médias (próximo ao verde) e os de ondas curtas (próximo do azul e violeta). As diferentes cores e tonalidades são percebidas pelo estímulo simultâneo dos três tipos de cones em níveis diferentes. A cor laranja, por exemplo, excita os três cones, mas principalmente os cones do vermelho e do verde. Quando o indivíduo apresenta dificuldades em perceber diferença nas cores, geralmente entre o verde e o vermelho, é dito que este possui daltonismo. Na verdade, a maioria dos mamíferos é daltônica, talvez devido à habilidade de perceber melhor o movimento ser mais proveitosa na caça e na fuga do que perceber cores. Animais coletores, como macacos e aves, desenvolveram melhor a visão em cores para distinguir a saúde e a espécie dos frutos e folhas. A capacidade de perceber muitas cores acabou funcionando, para a maioria das aves, inclusive como um eficiente indicativo da saúde genética dos seus parceiros sexuais. É por essa razão que as aves são muito mais coloridas que o resto dos animais. Algumas aves refletem (e, portanto, enxergam) inclusive o ultravioleta, como o pescoço dos pombos urbanos. Em contrapartida, não existem mamíferos azuis ou vermelhos, embora o traseiro de alguns primatas fique vermelho nos períodos férteis e a cara dos mandris machos fique azul quando adultos. Isso é uma evidência de que podem perceber tais cores. Curiosamente, o vermelho da capa usada nas touradas de nada ajuda para provocar os touros, uma vez que eles são daltônicos. O que de fato irrita os touros é o movimento da capa. O vermelho, portanto, serve mais para manter a atenção do público nos movimentos do toureiro do que para provocar o touro.

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11.3 Propriedades físicas da luz e seu comportamento no ambiente aquático Da mesma forma que para as plantas terrestres, a luz é importante para as plantas aquáticas e algas, bem como para outros seres fotossintéticos, como algumas bactérias. Na água, contudo, suas propriedades físicas são bem mais pronunciadas que no ar e os seres aquáticos são adaptados a essas características ambientais. As propriedades da luz, descritas a seguir, não implicam sobre a questão da qualidade da iluminação do aquário plantado e não requerem muita intervenção do aquarista para reproduzi-las a fim de aproximar o aquário das condições naturais, pois esses fenômenos ocorrem naturalmente quando as lâmpadas estão acesas. Diante das necessidades do aquarista, não é necessário explorar demais essas definições. O objetivo é esclarecê-las de forma geral e tornar o aquarista mais consciente para a concepção do seu projeto de iluminação, resolver eventuais problemas e até melhorar o desempenho do aquário por meio de alguns ajustes. O estudo do comportamento da luz nos ambientes aquáticos é útil inclusive para entender as condições ideais de desenvolvimento de determinadas plantas e algas descritas nos textos seguintes.

11.3.1 Calor Uma vez que é dotada de energia, a luz transmite calor. Além da luz propriamente dita, o calor é outro grande benefício da radiação solar, pois proporciona energia para o funcionamento metabólico de todos os seres vivos. 207


conseguem penetrar mais fundo na superfície dos materiais, causando a absorção da energia na forma de calor. As ondas mais curtas, por não penetrarem tanto, são em grande parte refletidas para fora do material. O calor que sentimos ao ficarmos expostos à luz solar, portanto, é provocado mais pela radiação infravermelha do que pelos outros espectros. O forno micro-ondas funciona exatamente conforme esses princípios, mas ao invés do infravermelho, irradia ondas ainda mais longas e com maior poder de penetração, as chamas micro-ondas que, ao serem absorvidas pelos alimentos, cozinha a água a partir do interior. As lâmpadas incandescentes, que possuem baixo rendimento luminoso por desperdiçar grande parte da energia na forma de calor, na verdade a desperdiçam na emissão do infravermelho ao invés de luz visível. A maior eficiência das lâmpadas fluorescentes se deve justamente pela baixa emissão de luz infravermelha, o que lhes permite render mais luminosidade útil. A água absorve bastante energia térmica dos espectros de luz, mas devido a intensa troca térmica por convecção, o calor é dissipado na forma de vapor, preservando a temperatura mais baixa nas camadas mais profundas. As lâmpadas HQI, as quais projetam uma densidade luminosa muito superior aos outros tipos de lâmpada, conseguem aquecer significativamente o volume todo do aquário, principalmente se a caixa for baixa. Quando se usa essas lâmpadas, o aquarista precisa estar atento ao superaquecimento da água, o que pode causar danos às plantas acima de 28 oC.

11.3.2 Reflexão 209


de dispersão. De certa maneira, o fenômeno de dispersão da luz consiste na sua reflexão, mas sob um aspecto mais avançado. Quanto menor a partícula (ou mesmo átomos), menor o comprimento de onda que esta reflete, permitindo a passagem das ondas mais longas. Por exemplo, o azul do céu se deve a reflexão das ondas curtas entre o violeta e o azul pelas moléculas gasosas da atmosfera como o O2 e o N2, de forma que esses espectros são dispersos para todas as direções. Como percebemos mal os espectros na banda do violeta, temos a impressão que o céu é azul. Na medida em que subimos na altitude e o ar se torna mais rarefeito (menos moléculas gasosas por volume), o céu é percebido com um tom de azul cada vez mais escuro até se tornar completamente negro e podemos ver as estrelas mesmo de dia. Ao entardecer, quando a luz solar penetra na atmosfera em ângulo mais oblíquo, praticamente todo espectro acima do amarelo foi disperso, restando mais os espectros longos, o que nos dá percepção do céu avermelhado.

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espectro que normalmente chega ao fundo é o verde, que nada ajuda na nutrição das plantas, mas nos dá a ilusão de que estão recebendo luz. Por outro lado, levando em consideração um projeto com plantas de metabolismo lento com baixa demanda de iluminação, como as Microsorum, Anubias e até mesmo musgos, realmente não há problema em utilizar aquários mais altos, pois essas plantas sobrevivem muito bem em ambientes de baixa energia, embora se desenvolvam muito mais lentamente.

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APÊNDICE I O QUE SÃO ÁTOMOS E COMO SE CONFIGURAM OS ELEMENTOS Desde a antiguidade a humanidade especula sobre qual deveria ser a menor porção da matéria. O primeiro registro desse pensamento vem de Demócrito, um filósofo-cientista grego de cinco séculos a.C., que inaugurou o pensamento científico em vários aspectos. Sua contribuição mais notável foi tentar descrever intuitivamente sobre a menor porção da matéria ao ponto de se tornar indivisível e introduziu o uso da palavra átomo (do grego a =não; tomo = divisão). Curiosamente, apesar de se basear unicamente na sua imaginação, muitas de suas idealizações sobre a natureza dos átomos estavam corretas e puderam ser constatadas 25 séculos depois pela ciência moderna. Contudo, o átomo ainda não é a menor fração da matéria, pois em sua estrutura existem vários componentes como os prótons, nêutrons, elétrons e vários outros que são descobertos até hoje. O átomo, portanto, possui muitos espaços vazios e essa teoria já fora levada em consideração pelo próprio Demócrito! Deixando de lado todas as atribuições quânticas do átomo, de acordo com uma definição mais elementar, os átomos são a menor fração de um elemento que ainda mantem suas propriedades. Isso quer dizer que o átomo pode não ser a menor fração da matéria, mas é a menor fração de um elemento e a grande variabilidade de elementos (todos aqueles que constituem a tabela periódica) se deve a diferentes configurações ou modelos atômicos. 221


Conforme o modelo de Rutherford e Bohr41, os átomos são constituídos basicamente de prótons, elétrons e nêutrons. Os prótons e nêutrons, com carga positiva e neutra respectivamente, se localizam no núcleo, enquanto que os elétrons, com carga negativa, orbitam o núcleo em um espaço chamado eletrosfera. Podem existir várias camadas ou níveis de órbitas na eletrosfera e isso varia conforme sua constituição. Quanto mais próximo do núcleo estiver a órbita, mais fortemente ligado ao átomo está o elétron, ao passo que, quanto mais longe, mais fraca a sua interação de forma que pode ser até desprendido da sua órbita e transmitido para outro átomo com maior força de interação. Esta última camada (ou órbita) da eletrosfera é chamada de camada de valência e é por meio dela que ocorre todas as interações entre átomos. Alguns átomos possuem maior capacidade de troca de elétrons que outros (são mais reativos), sobretudo aqueles com muitos elétrons distribuídos em muitas camadas, pois quanto mais elétrons, maior a eletrosfera, de forma que as últimas camadas apresentam elétrons facilmente trocáveis (maior potencial energético). O ouro, por exemplo, possui 79 elétrons distribuídos por uma ampla eletrosfera, sendo, pois, considerado o melhor condutor de eletricidade dentre todos os metais.

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Ernest Rutherford (1871 – 1937) foi um cientista neozelandês que constatou de maneira experimental o fato de que os átomos não são sólidos e compactos como propunha o modelo de Thomson. Alguns anos mais tarde, o dinamarquês Niels Bohr (1885 – 1962) aprimorou seu modelo e propôs a teoria de que os átomos possuem uma estrutura semelhante a um sistema solar, de forma que os elétrons, com carga negativa, orbitam os prótons do núcleo, com carga positiva, da mesma maneira que os planetas orbitam o sol. Este modelo é aceito até os dias de hoje.

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Livro 1 revisado a5 reduzido  
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