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Razão de Redfield, algas e aquarismo

É muito comum encontrarmos em discussões sobre aquarismo uma tabela com uma tal de Razão de Redfield, Proporção de Redfield ou coisa assim, dizendo que se você manter nessa tal proporção haverá uma baixa ou nenhuma incidência de algas no aquário. A Razão de Redfield foi uma grande contribuição para o oceanografia, porém em aquários não pode sequer ser minimamente aplicada, embora os conceitos por trás dos números possam trazer informações e nos ensinar a lidar melhor com nossos aquários. 

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O que diz os estudos de Redfield sobre nutrientes e microorganismos?


Alfred Clarence Redfield foi um brilhante oceanógrafo e o primeiro a apresentar uma correlação consistente entre a quantidade de nutrientes (carbonatos, nitratos, oxigênio, silica, enxofre e fosfatos) presentes na água do mar com a quantidade desses nutrientes no plâncton. Essa relação ficou conhecida como Redfield Ratio, ou, por tradução direta, Razão de Redfield.


 Em 1934, Redfield percebeu e noticiou que a massa média do plâncton marinho tinha composição muito semelhante à composição desses nutrientes na água do mar.  Ele assumiu que a proporção média de N:P de 16,7:1,85( para cada 1,85 gramas de fósforo encontrado na água, haviam 16,7 gramas de nitrogênio disponíveis) de era controlado pela necessidade do fitoplâncton desses nutrientes.


A tabela abaixo mostra a média utilizada por Redfield para esse trabalho. Perceba que existem muitos organismos que possuem uma massa bem maior e bem menor do que a média encontrada.

O gráfico abaixo também retirado do trabalho de Redfield publicado em 1934 mostra a incrível correlação entre a quantidade de nitrogênio e a quantidade de fósforo nos oceanos Índico, Pacífico e Atlântico medido em várias profundidades. Veja como a regressão linear é idêntica!

Redfield usa o nitrato como principal fonte de nitrogênio nesse estudo devido ao fato de amônia, nitrito e outras formas de nitrogênio, até mesmo em moléculas orgânicas, estarem em bem menor quantidade em relação ao nitrato.


Considerando isso tudo, Redfield diz que “é como se o mar fosse criado e povoado com animais e plantas e todo o nitrato e fosfato presente na água fosse proveniente da decomposição dessa população original” (tradução livre nossa).


Também são apresentados duas possíveis explicações para esse fato.


A primeira explicação é que a proporção de nitrato e fosfato nos oceanos seria uma média estatística da composição orgânica das diversas comunidades planctônicas e a segunda explicação é que essa proporção é necessária para atividades metabólicas dessas bactérias.


Em 1949 ,Redfield publicou um trabalho estudando a variação no crescimento e na comunidade de fitoplânctons. Nele foi percebido várias coisas e os principais a essa nossa comparação com aquários serão citadas abaixo:


  • Espécies diferentes de fitoplânctons mantidas em um mesmo ambiente tem uma tendência a manter proporções similares dos elementos essenciais (carbono, nitrogênio e fósforo);

  • -Independente da tendência de manter uma proporção desses nutrientes em seus organismos, variações ambientais podem fazer com que isso mude;

  • A quantidade de fósforo variou bastante em relação às algas, inclusive em algas da mesma espécie;

  • Células jovem e velhas variam bastante de proporção na composição química;

Esse estudo é muito importante e é desconsiderado quando se debate a Razão de Redfield aplicada ao aquarismo. É nesse ponto que começa a aparecer evidências que a Razão de Redfield não tem nada a ver com o surgimento de determinados tipos de algas em função da proporção de nitrogênio e fósforo do aquário ou mesmo do não surgimento de algas.


Isso também foi apresentado em outros estudos posteriores como o trecho abaixo mostra:


“As redes alimentares oceânicas são tipicamente dominadas por microalgas marinhas e bactérias heterotróficas (Campbell et al., 1994, Gasol et al., 1997), e estudos anteriores mostraram que não apenas as relações celulares C: N: P de bactérias e fitoplâncton variam entre diferentes organismos, mas também que a composição elementar de espécies individuais pode variar amplamente em função das restrições ambientais (Herbert 1961; Rhee1973; Geider e La Roche 2002; Vrede et al. 2002)” Tradução livre de um trecho do artigo [8]

Em 1958 Redfield publica um trabalho e talvez o mais proeminente e relevante de todos os seus:  The biological control of chemical factors in the environment (em uma tradução livre ficaria como "O controle biológico dos fatores químicos no meio ambiente").


Esse trabalho buscava discutir os pontos em que os microrganismos exerciam uma complexa relação com o oceano e eram responsáveis por manter o nível de nutrientes da água dos oceanos e também o oxigênio atmosférico eram mantidos por essa atividade biológica.


A imagem abaixo, retirado do artigo de 1958, resume grosseiramente o que foi abordado no texto.

Um fato que nos chamou muito atenção foi que Redfiled supõe que os níveis de oxigênio dos oceanos são mantidos pelas bactérias que fazem a redução do sulfato presente na água liberando O2.


Voltando à relação da Razão de Redfield, esse trabalho de 1958 reitera a proporção média (mais uma vez uma média) de C:N:P nos microrganismos de 106:16:1 no oceano aberto. Sublinhamos aqui nesse ponto o termo “oceano aberto” porque há várias menções no trabalho da diferença dessa proporção nas regiões costeiras.


Ele também relaciona que o oxigênio encontrado no plâncton é na mesma proporção da quantidade de oxigênio necessário para oxidar a matéria orgânica do próprio plâncton.


O ponto desse trabalho de Redfield que pode ter inspirado essa relação com os aquários é o ponto em que ele menciona a lei dos mínimos de Liebig onde, nesse ambiente, carbono, cálcio, magnésio, potássio e enxofre não são limitantes devido à sua oferta maior do que a necessidade e nitrogênio e fósforo são encontrados na quantidade mínima para o desenvolvimento do plâncton.


Veremos ao longo desse nosso texto aqui que o mínimo é muito variável e depende uma série de fatores físicos, químicos e biológicos.


Essa relação mínima na Razão de Redfield quer dizer que: se a proporção N:P é menor que 16, o nitrogênio é fator limitante e se a proporção N:P for maior que 16, o fósforo é um elemento limitante.


Agora, apenas analisando esse trabalho de Redfield, manter a proporção de N:P de 16:1 é a manter a melhor proporção para o crescimento do fitoplâncton! Como manter o melhor crescimento pode reduzir a incidência de algas?


Acompanhe o texto e verá que tem um fundo de verdade nessa história que deve ser analisada com cuidado.


Nós falamos desse conceito de fatores limitantes no texto que relaciona esse assunto com a filtragem biológica e que pode ser lido clicando aqui nesse link!


A tabela abaixo retirada desse trabalho do Redfield mostra a relação desses elementos no plâncton e na água do oceano. Veja que há uma mínima variação entre o requerido e a composição do plâncton.


Redfield levanta 3 hipóteses (apenas hipóteses, até hoje não há certeza nenhuma do mecanismo certo) para essa situação sendo uma a coincidência geoquímica, a outra uma adaptação dos organismos e a última que processos orgânicos podem de certa forma controlar essas proporções.


O último trabalho do Redfield que vamos rapidamente mencionar nesse nosso texto foi publicado em 1963 e, além de corroborar com o que já dissemos até agora, apresenta dados e considerações sobre a adaptação do plâncton quando este está limitado por nitrogênio ou fósforo, também apresenta com maior detalhe as relações biológicas e também apresenta a relação do silício, muito relevante para as diatomáceas.


Bom, em 2014 o portal Nature lançou uma coletânea de textos mostrando o quanto a teoria apresentada por Redfield evoluiu chamada The Redfield Ratio at 80. Foram apresentados vários artigos sobre o assunto mostrando o que se manteve e o que mudou além de, no editorial, deixar bem claro que os mecanismos biológicos que mantém isso continuam desconhecidos.


Esse material publicado na Nature pode ser acessado no link abaixo. Os que não tiverem acesso e tiverem interesse, pode nos pedir que temos os artigos.


https://www.nature.com/ngeo/focus/redfield/index.html


Motivos para a Razão de Redfield não ser aplicada em aquários


Já apresentamos aqui os estudos feitos por Redfield que revolucionaram a forma de pensar as relações bioquímicas dos oceanos, mas agora vamos mostrar todos os pontos que fazem com que isso não tem muita relação com o que dizem nos grupos de aquarismo.


Para uma compreensão mais fácil do restante do texto vamos definir e mostrar alguns conceitos e informações que talvez o leitor não tenha conhecimento.


O que os testes medem: Os testes medem a concentração dos respectivos compostos indicados dissolvido na água do aquário. Todos os testes medem apenas os compostos inorgânicos dissolvidos na água, não medem os compostos orgânicos dissolvidos e nem os compostos imobilizados ou retidos em organismos, substratos, rochas etc.


Bentônico: É aquilo que está associado com o substrato. No caso das algas, são as que não estão flutuando ou livres.


Pelágico: É tudo aquilo que tem relação a estar livre na coluna d’água como fitoplâncton. Um mesmo organismo pode ser encontrado na forma pelágica como na bentônica, varia da capacidade de adaptação desse organismo.


Mesocosmos: É um sistema artificial simplificado. Qualquer aquário é um mesocosmos de um ambiente aquático qualquer. O aquário marinho é um mesocosmos do mar. Um aquário de peixes do Rio Negro ou do Lago Tanganyika é um mesocosmos do seu respectivo ambiente.


Plasticidade: É a capacidade dos organismos de mudar sua fisiologia ou morfologia se adaptando às condições do ambiente.


Alelopatia: É o processo que envolve produção de substâncias que influenciam no crescimento e desenvolvimento de metabolismos diversos. Algas, plantas, fungos e bactérias são capazes de produzir compostos alelopáticos diversos que podem ajudar seu crescimento ou prejudicar o crescimento de organismos competidores.


Eutrófico: ambiente rico em nutrientes.


Oligotrófico: Ambiente pobre em nutrientes.


Fitoplâncton: Comunidade de microrganismos fotossintetizantes que incluem cianobactérias, diatomáceas, dinoflagelados e algas.


Para acelerar a informação iremos usar ( e já usamos) as abreviações C para indicar carbono, N para indicar nitrogênio e P para indicar fósforo.


Agora que definimos esses conceitos importantes, vamos aos fatos!


A plasticidade dos organismos, como foi mencionado pelo próprio Redfield, tem um fator decisivo em mesocosmos diferentes. Essa plasticidade varia de acordo com fatores físicos, químicos e biológicos diversos como temperatura, salinidade, circulação, etc.


As características físicas também desenham papel importante na adaptação dos vários organismos indesejados em várias quantidades de nutrientes.


As cianobactérias são um dos organismos mais adaptáveis que existem, resultado de mais de 2 bilhões de anos de evolução e por isso possuem uma capacidade plástica fantástica.