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1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Civil Ciências do Ambiente Aula 05 Ciclos biogeoquímicos: Parte I Profª Heloise G. Knapik

2 Produtividade Produtividade primária Produtividade secundária Produtividade terciária

3 Produtividade Biomassa: Massa de organismos por área (ton/ha ou J/m²) Produtividade Primária Produção de biomassa por unidade de área e tempo (ton/ha.ano ou J/m².ano) Organismos produtores taxa de conversão de energia solar através da fotossíntese em biomassa Bruta Taxa total de produção Líquida Parcela disponível para o nível trófico seguinte Secundária Organismos consumidores (primários) quantidade de matéria orgânica produzida pelos herbívoros

4 Ecossistema Comunidades bióticas Fatores abióticos

5 Fluxo de Matéria 1. Forma mineral para orgânica 2. Dos seres autótrofos para os heterótrofos 3. Dos autótrofos ou heterótrofos para os decompositores 4. Da forma orgânica para a mineral

6 Fluxo de Matéria nos Ecossistemas Ciclos Biogeoquímicos

7 CICLO BIOGEOQUÍMICOS 7

8 Ciclos biogeoquímicos o Análise da troca ou circulação de matéria entre os componentes vivos e físico-químicos da biosfera o Composto vital: H2O o Ciclos gasosos: Carbono, Nitrogênio, Oxigênio o Reservatório: atmosfera o Ciclos sedimentares: Fósforo, Enxofre o Reservatório: litosfera

9 Reciclagem da matéria

10 CICLO DO CARBONO 10

11 O ciclo do carbono

12 O ciclo do carbono Carbono: principal constituinte da matéria orgânica Fotossíntese + Respiração: processos de reciclagem do carbono e oxigênio em várias formas químicas em todos os ecossistemas Produtores Decompositores

13 Fotossíntese: Respiração

14 Oxidação (perdeu elétrons) Agende oxidante Redução (ganhou elétrons) Característica Doador de elétrons Aceptor de elétrons Número de produtos finais resultantes da matéria orgânica Respiração (reação) Matéria orgânica Externo: composto inorgânico (oxigênio, nitrato ou sulfato) Um (CO2) Forma do carbono no produto final Estado de oxidação do carbono no produto final Carbono inorgânico oxidado (CO2) 4+ (CO2)

15 Aspectos ecológicos relacionados ao ciclo do carbono Desequilíbrio do ciclo natural: alteração/intensificação do processo de Efeito estufa (aumento da temperatura global)

16 Aspectos ecológicos relacionados ao ciclo do carbono Reservatório auxiliar: oceanos (absorvem o excesso de CO2)

17 CICLO DO NITROGÊNIO 17

18 O ciclo do nitrogênio - importância o O nitrogênio tem importante papel na constituição da molécula de proteína, DNA, vitaminas, enzinas e hormônios (elementos vitais para os seres vivos) o É um ciclo gasoso maior reservatório de N é a atmosfera: o 78% da atmosfera é composta de N, enquanto que apenas 0,032% é composta de C o É um ciclo essencialmente dependente de reações bioquímicas tem um envolvimento muito grande com microrganismos

19

20 O ciclo do nitrogênio - etapas

21 O ciclo do nitrogênio - etapas 1) Fixação do nitrogênio gasoso da atmosfera: formação de amônia e nitratos 2) Amonificação: oxidação do Nitrogênio Orgânico (forma biodisponível) em amônia (NH3) e sais de amônio (NH4 + )

22 O ciclo do nitrogênio - etapas 3) Nitrificação: oxidação da amônia para nitrito (NO - 2) e nitrato (NO - 3) via ação de bactérias: Nitrosação: amônia a nitrito (Nitrossomonas) Nitratação: nitrito a nitrato (Nitrobacter) 4) Desnitrificação: retorno à forma N2 através de ação de bactérias em ambiente anóxico (Pseudomonas)

23

24 O ciclo do nitrogênio resumo! Principais processos envolvidos no ciclo do nitrogênio na água e no sedimento: Mineralização do nitrogênio orgânico particulado em NH 4 ; Nitrificação do NH 4 em NO 3 e desnitrificação do NO 3 ; Assimilação biológica de NH 4 e NO 3 pelo fitoplâncton e pelas macróficas aquáticas; Fluxos na interface água-sedimento de NH 4, NO 3, nitrogênio orgânico dissolvido e particulado; Decomposição de nitrogênio orgânico particulado para nitrogênio orgânico dissolvido; Mortalidade biológica e excreção em nitrogênio orgânico particulado e dissolvido; Consumo da fração de nitrogênio contido no nitrogênio orgânico particulado, dissolvido e no fitoplâncton por zooplâncton e peixes.

25 O Ciclo do Nitrogênio na Água - Modelagem Volatilização de NH 3 O 2 N 2 Ar Água NH 3 (σ 5 β 1 ) O 2 (σ 6 β 2 ) ph ph Desnitrificação N_org β 3 Amonificação NH + 4 β 1 Nitrificação NO - 2 β 2 NO - 3 Nitrificação N 2 σ 4 σ 3 Desnitrificação σ 1 μ(f) σ 1 μ(1-f) σ 1 μ σ 1 ρ Algas (Clorofila a) Fixação do N 2

26 Aceptores de elétrons nas reações de oxidação em tratamento de esgotos Condições Aceptor de elétrons Forma do aceptor após a reação Aeróbias Oxigênio (O 2 ) H 2 O Processo Metabolismo aeróbio Anóxicas Nitrato (NO 3- ) Sulfato (SO 2-4 ) Anaeróbias Dióxido de carbono (CO 2 ) Nitrogênio gasoso (N 2 ) Sulfeto (H 2 S) Metano (CH 4 ) Redução de nitratos (desnitrificação) Redução de sulfatos (dessulfatação) Metanogênese

27 Principais rotas de decomposição: H2O CO2 Com O2 Respiração/ oxidação da MO O2 Aeróbio Sem Anóxico Matéria Orgânica: CxHyOz O2 NO - 3 Com NO - 3 N2 Desnitrificação CO2 Sem NO - 3 Anaeróbio SO -2 4 H2S CO2 Redução de Sulfatos CO2 CH4 CO2 Metanogênese

28 Principais rotas de decomposição:

29 Nitrogênio e tratamento de esgotos o Processos convencionais: Não removem adequadamente (rota mais energética envolve a remoção carbonácea) Parte do nitrogênio é removido com o lodo rico para estudos de compostagem quando livre de patógenos A nitrificação ocorre comumente no sistema de lodos ativados por aeração prolongada mas não remove o nitrogênio (apenas conversão a outra forma) Para completa remoção: desnitrificação retorno do Nitrogênio para a atmosfera na forma de N2

30 Nitrogênio e tratamento de esgotos o Ocorrendo desnitrificação: Há uma economia de oxigênio (estabilização da matéria orgânica na ausência de oxigênio dissolvido) Ocorre o consumo de H+, gerando uma economia de alcalinidade e no aumento da capacidade tampão do meio Prejudica a sedimentação (nos decantadores secundários em sistemas de lodos ativados) gás N2 Necessidade de unidades específicas para essa remoção do nitrogênio tratamento terciário

31 Nitrogênio como indicador de poluição Nitrogênio orgânico: faz parte das moléculas de proteínas (vegetais ou animais). A sua presença nas águas é característico de poluição recente por esgoto bruto. Nitrogênio amoniacal: é aquele que já sofreu decomposição pelos microrganismos heterotróficos. Também é característico de poluição relativamente recente (não foi completamente oxidado). Nitrito: forma intermediária, de curta duração após a oxidação da amônia (NH3) pelas bactérias nitrossomonas. Nitrato: forma oxidada a partir dos nitritos pelas bactérias (nitrobacter). É característico de poluição mais antiga.

32 CICLO DO FÓSFORO 32

33 O ciclo do fósforo - importância o Importância para os seres vivos: material genético constituinte do RNA e DNA e na composição de ossos e dentes o Importância ecológica: fator limitante à produtividade primária o Excesso de exploração via mineração, ocupação desordenada do solo, desmatamento e agricultura: perda de fósforo do ciclo

34 O ciclo do fósforo o Ciclo sedimentar: reservatório é a Litosfera (rochas fosfatadas formadas ao longo de milênios) o Processo erosivo: liberação de fosfatos, sendo parte utilizada pelos produtores, e parte carregada para os oceanos (consumida pelo fitoplâncton baixo retorno para os ecossistemas) o Impacto ambiental: EUTROFIZAÇÃO

35 O ciclo do fósforo Principais processos envolvidos no ciclo do fósforo na água e no sedimento: Mineralização do fósforo orgânico dissolvido em PO 4 ; Assimilação biológica de PO 4 pelo fitoplâncton e pelas macróficas aquáticas; Fluxos na interface água-sedimento de PO 4, fósforo orgânico dissolvido e particulado; Decomposição de fósforo orgânico particulado para fósforo orgânico dissolvido; Mortalidade biológica e excreção em fósforo orgânico particulado e dissolvido; Adsorção e dessorção de PO 4 em fósforo inorgânico particulado; Consumo da fração de fósforo contido no fósforo orgânico particulado, dissolvido e no fitoplâncton por zooplâncton e peixes.

36 O ciclo do fósforo na água Ar Água P_org Particulado Hidrólise P_org Não particulado Orgânico Inorgânico P_inorg particulado P_inorg Dissolvido e não disponível P_inorg Dissolvido e disponível Particulado Não Particulado Não disponível Disponível

37 CICLO DO ENXOFRE 37

38 O ciclo do enxofre

39 O ciclo do enxofre o Ciclo SEDIMENTAR: apresenta uma fase gasosa de pouca importância o Início do ciclo: microrganismo com funções específicas de oxidação e redução o O enxofre é assimilado como sulfato inorgânico o Após ser assimilado, o enxofre é mineralizado em processos de decomposição sob condições anaeróbias é reduzido a sulfetos de hidrogênio (H2S) o O H2S (gás) é oxidado em camadas mais aeradas, formando sulfatos

40 O ciclo do enxofre o Em condições anaeróbias e presença de Fe: o Enxofre precipita-se em sulfetos férricos e ferrosos o Permitem que o fósforo converta-se de insolúvel para solúvel o Ação do homem: SO2 o Queima do carvão/ óleo combustível o Grandes quantidades de dióxidos de enxofre efeitos danosos aos organismos

41 O ciclo do enxofre consequências ambientais o CHUVA ÁCIDA e o SMOG INDUSTRIAL 2H 2 O + SO 2 H 2 SO 4 + 2H +

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