UNIVERSIDADE FEDERAL DO MATO GROSSO INSTITUTO DE CIÊNCIAS NATURAIS, HUMANAS E SOCIAIS (ICNHS) Prof. Evaldo Martins Pires Doutor em Entomologia

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1 ECOLOGIA GERAL Aula 04 Aula de hoje: CICLAGEM DE NUTRIENTES E CICLOS BIOGEOQUÍMICOS O ciclo ou a rota dos nutrientes no ecossistema está diretamente relacionado ao processo de reciclagem ou reaproveitamento da matéria orgânica após um processo de decomposição. Esses nutrientes, presentes na matéria orgânica produzida pelos organismos (excretas, o próprio corpo) passa para o meio ambiente, quando os organismos morrem, perdem parte de sua estrutura corporal (ex: folhas, galhos, etc.) ou eliminam suas excretas. Nesse ciclo, os organismos decompositores desempenham um importante papel, pois são eles os responsáveis pela degradação da matéria orgânica. Esses organismos nutrem-se de cadáveres, fezes, partes ou componentes do corpo de seres vivos (folhas, madeira, cascas, etc.), e com isso, permitem que elementos químicos tornem-se disponível no meio ambiente para que outros organismos venham a utilizá-los. A ação dos organismos decompositores é de extrema importância, pois eles além de promoverem maior rapidez na degradação da matéria orgânica, sua ação favorece a fixação de compostos químicos, principalmente no solo. Os CICLOS BIOGEOQUÍMICOS recebem esse nome, devido ao conhecimento de que os elementos químicos tendem a circular na biosfera em vias características (cada um de uma forma e de acordo com o meio em que se encontra). Esses elementos químicos transitam do ambiente aos organismos (seres vivos) e destes, novamente, ao ambiente. O movimento desses elementos e compostos inorgânicos essenciais e não essenciais para a vida é denominado ciclagem de nutrientes. Do ponto de vista da biosfera como um todo; os ciclos biogeoquímicos se classificam em: 1) Ciclo da água ou ciclo hidrológico; 2) Ciclos dos macro e micronutrientes que são os minerais em geral;

2 3) Ciclos sedimentares (rochas) : fósforo, enxofre, cálcio, magnésio e potássio; 4) Ciclos gasosos: carbono, nitrogênio e oxigênio. Estima-se que existem aproximadamente 90 elementos conhecidos na natureza. Desses, sabe-se que 30 a 40 são essenciais (elementos necessários aos organismos vivos). Alguns desses elementos essenciais são o carbono, oxigênio, hidrogênio e o nitrogênio, que são necessários em grandes quantidades; outros, por sua vez, são necessários em quantidades menores, ou até mínimas. Seja qual for a necessidade, os elementos essenciais exibem ciclos biogeoquímicos definidos. Os elementos nãoessenciais (são aqueles não necessários para a vida), apesar de estarem menos intimamente ligados aos organismos, também apresentam ciclos, e muitas das vezes esses ciclos apresentam-se fluindo juntamente com os dos elementos essenciais, por causa das afinidades químicas com estes. Como a proposta desta disciplina de Ecologia Geral é atender aos cursos da área de agrárias, a abordagem sobre os principais ciclos biogeoquímicos essenciais e não a entendimento a respeito dos ciclos: da água, dos elementos essenciais e dos macronutrientes. A abordagem sobre os micronutrientes será feita em outra disciplina durante o curso. Vamos abordar agora os ciclos que são considerados os principais da natureza: ciclo da água, carbono, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre que são de grande importância dentro do processo de ciclagem dos principais nutrientes. Demais substâncias não serão abordadas especificamente, pois muita das vezes o ciclo está relacionado a compostos formados juntamente com esses elementos que tem seus ciclos considerados como principais.

3 CICLO DA ÁGUA A água (H 2 O) é o composto mais abundante da terra, sendo que ¾ do planeta é coberto por ela. Sua importância se deve principalmente à relação mantida com a manutenção da vida no planeta. A partir do entendimento deste ciclo, concluiremos que a importância da água não está somente ligada ao fato de sua ingestão propriamente dita, o que se refere à necessidade da presença desse composto nos organismos vivos para realização de processos metabólicos. A água também tem um importante papel que é no processo de ingestão/absorção de determinadas substancias e/ou compostos que só podem ser ingeridos por seres vivos quando diluídos em água. Como por exemplo: - As plantas absorvem os nutrientes da terra, depois de dissolvidos pela água; - Através do nosso sangue que é composto basicamente de água, também podemos receber nutrientes necessários (neste caso a água tem o papel de transportar e diluir compostos); - A água também retira os resíduos do nosso corpo através da urina. A água é um composto que pode ser encontrado naturalmente em nosso planeta sob os três estados básicos da matéria que são: na forma sólida (gelo presentes nos pólos e sob condições de inverno rigoroso); na forma gasosa (vapores na atmosfera) e na forma líquida (presentes nos rios, lagos, mares, etc.). A movimentação da água através de seu ciclo é estabelecida basicamente devido a influencia que o Sol exerce em nosso planeta, sem deixar de mencionar a importância da força da gravidade para esse ciclo. ETAPAS DO CICLO DA ÁGUA DETENÇÃO: parte da precipitação fica retida na vegetação, depressões do terreno e construções. Essa massa de água retorna à atmosfera pela ação da evaporação ou penetra no solo pela infiltração. ESCOAMENTO SUPERFICIAL: constituído pela água que escoa sobre o solo, fluindo para locais de altitudes inferiores, até atingir um corpo d água como um rio, lago ou oceano. A água que

4 compõe escoamento superficial pode também sofrer infiltração para as camadas superiores do solo, ficar retida ou sofrer evaporação. INFILTRAÇÃO: a água infiltrada pode sofrer evaporação, ser utilizada pela vegetação, escoar ao longo da camada superior do solo ou alimentar o lençol de água subterrâneo. ESCOAMENTO SUBTERRÂNEO: constituído por parte da água infiltrada na camada superior do solo, sendo bem mais lento que o escoamento superficial. Parte desse escoamento alimenta os rios e os lagos, além de ser responsável pela manutenção desses corpos durante épocas de estiagem. EVAPOTRANSPIRAÇÃO: parte da água existente no solo que é utilizada pela vegetação e eliminada pelas folhas na forma de vapor. EVAPORAÇÃO: em qualquer das fases descritas anteriormente, a água pode voltar à atmosfera na forma de vapor, reiniciando o ciclo hidrológico. PRECIPITAÇÃO: água que cai sobre o solo ou sobre um corpo d água. * Nos oceanos, a evaporação excede a precipitação, e nos continentes ocorre o oposto. ESQUEMA ILUSTRADO DO CICLO DA ÁGUA Fonte:

5 CICLO DO CARBONO O carbono é o principal elemento da matéria orgânica, e, está presente na atmosfera em diversos compostos, como por exemplo, no gás carbônico (CO 2 ); monóxido de carbono (CO) e metano (CH 4 ). Nos organismos vivos, o carbono compõe as moléculas de açúcares, gorduras e proteínas. CICLO 1) O carbono presente na atmosfera (CO 2 livre) é incorporado à matéria orgânica pelas plantas e algas, através da fotossíntese. Neste processo, o CO 2 é transformado em açúcar, utilizando-se da energia proveniente do Sol; 2) Das plantas, o carbono pode passar para os animais, pela ingestão de plantas e algas por herbívoros e pela ingestão de animais herbívoros por carnívoros; 3) O carbono retorna à atmosfera, na forma de CO 2, através da respiração dos organismos. O processo de combustão de petróleo e carvão também promove a emissão de CO 2 de na atmosfera; 4) Ainda, a ação dos organismos decompositores também libera CO 2 na atmosfera. ESQUEMA ILUSTRADO DO CICLO DO CARBONO Fonte:

6 Dentro do assunto, ciclo do carbono, vale a pena abordar sobre a questão do EFEITO ESTUFA. Sabendo, que na natureza tudo está em perfeito equilíbrio, a origem de determinados acontecimentos que vem acometendo o planeta, acontecimentos esses capazes de quebrar a harmonia existente em todo eco sistema ocorre mediante a atividade antrópica (ação humana). A intensificação do efeito estufa, nada mais é do que a resposta dada pela Terra ao tratamento que vem recebendo do homem ao longo de muitos anos. Na busca constante por progresso e maior conforto, o homem utiliza compostos de carbono no seu dia-a-dia para movimentar máquinas. Combustíveis como o carvão e aqueles derivados do petróleo (gasolina, óleo diesel, gases Metano e Butano) são compostos de carbono que, quando queimados, liberam calor carbono numa forma mais simples (CO 2 e CO) na atmosfera. O efeito estufa é um processo que ocorre quando uma parte da radiação solar refletida pela superfície terrestre é absorvida por determinados gases presentes na atmosfera. Como consequência disso, o calor fica retido, não sendo libertado para o espaço. O efeito estufa dentro de uma determinada faixa é de vital importância pois, sem ele, a vida como a conhecemos não poderia existir. Serve para manter o planeta aquecido, e assim, garantir a manutenção da vida. O que se pode tornar catastrófico é a ocorrência de um agravamento do efeito estufa que destabilize o equilíbrio energético no planeta e origine um fenômeno mundialmente conhecido e discutido como aquecimento global. O IPCC (Painel Intergovernamental para as Mudanças Climáticas, estabelecido pelas Organização das Nações Unidas e pela Organização Meteorológica Mundial em 1988) no seu relatório mais recente menciona que a maior parte deste aquecimento, observado durante os últimos 50 anos, se deve provavelmente a aumento dos gases na atmosfera.

7 ESQUEMA ILUSTRADO DO EFEITO ESTUFA Fonte:

8 CICLO DO OXIGÊNIO O oxigênio é o elemento mais abundante na crosta terrestre e nos oceanos, sendo que nestes locais são encontrados 99,5% do total existente em nosso planeta. Na atmosfera, o oxigênio é encontrado em 0,49%, e, 0,01% estão contidos nos seres vivos. Na atmosfera, o oxigênio pode ser encontrado sob várias formas, seja como oxigênio molecular (O 2 ) ou em composição com outros elementos (CO 2, NO 2, SO 2, etc.). O ciclo de transformações do oxigênio por estes reservatórios (atmosfera, oceano e crosta terrestre) constitui o chamado ciclo do oxigênio que é mantido por processos biológicos, físicos, geológicos e hidrológicos. A principal forma de produção do oxigênio é a fotossíntese realizada por todas as plantas clorofiladas e algumas algas. A fotossíntese é um processo pela qual as plantas transformam água e gás carbônico na presença de luz e clorofila em compostos orgânicos utilizados na sua nutrição e libera o oxigênio como conseqüência dessa reação. Embora as plantas consumam parte deste oxigênio em sua própria respiração a quantidade produzida pela fotossíntese pode ser 30 vezes maior do que a consumida. Este foi um dos fatores que possibilitou o surgimento de todas as formas de vida que temos hoje no planeta e o principal repositor de oxigênio para a atmosfera. Outra forma de produção do oxigênio é através da fotólise da água (reação pela qual a radiação ultravioleta que entra na atmosfera decompõe a água atmosférica em óxido de nitrogênio). 2H 2 O atmosférica + radiação UV > 4H + O 2 Vamos entender o ciclo do oxigênio: O O 2 atmosférico (presente na atmosfera) é utilizado no processo de respiração dos seres vivos (animais e vegetais), e também como combustível (alimentando o fogo). Tanto a respiração quanto o processo de combustão, convertem o O 2 em CO ou CO 2, que volta a atmosfera e é através do processo de fotossíntese (onde a planta absorve o gás carbônico na presença de luz, água e clorofila) a planta produz seu alimento e libera o O 2 novamente para a atmosfera.

9 ESQUEMA ILUSTRADO DO CICLO DO OXIGÊNIO Fonte:

10 CICLO DO NITROGÊNIO O ciclo do nitrogênio também conhecido como ciclo do azoto é um dos mais importantes no ecossistema terrestre, sendo um processo pelo qual o nitrogênio circula através das plantas e do solo pela ação de organismos vivos. Esses organismos utilisam nitrogênio para a produção de moléculas complexas como como aminoácidos, proteínas e ácidos nucleicos, necessárias ao seu desenvolvimento. O principal repositório de nitrogênio é a atmosfera, a qual apresenta aproximadamente 78% de de nitrogênio, onde pode ser encontrado na forma gasosa (N 2 ). Outros repositórios consistem em matéria orgânica nos solos e oceanos. Apesar de extremamente abundante na atmosfera o nitrogênio é frequentemente o nutriente limitante do crescimento das plantas. Isto acontece porque as plantas apenas conseguem usar o nitrogênio sob três formas sólidas: íon de amônio (NH 4 +),ion de nitrito (NO 2 -) e ion de nitrato (NO 3 -), cuja existência não é tão abundante. Estes compostos são obtidos através de vários processos tais como a fixação e nitrificação. A maioria das plantas obtém o nitrogênio necessário ao seu crescimento através do nitrato, uma vez que o íon de amônio lhes é tóxico em grandes concentrações. Os animais recebem o nitrogênio que necessitam através das plantas e de outra matéria orgânica, tal como outros animais (vivos ou mortos) Obs. Apenas certas bactérias e algas cianofíceas podem retirá-lo diretamente do ar na forma de N 2 e incorporá-lo às suas moléculas orgânicas. PROCESSOS DO CICLO DO NITROGÊNIO 1. Processo da Fixação O processo de fixação pode ocorrer de vários tipos, porém, basicamente a fixação, de forma global é o processo pelo qual o nitrogênio é capturado da atmosfera em estado gasoso (N 2 ) e convertido em formas úteis para outros processos químicos, tais como os íons de amonia (NH 4 +), nitrato (NO 3 -) e nitrito (NO 2 -). Esta conversão pode ocorrer através de vários tipos, os quais são descritos abaixo:

11 1.1. Fixação biológica Algumas bactérias têm a capacidade de capturar moléculas de nitrogênio (N 2 ) e convertê-las em componentes úteis para outros seres vivos. Entre estas, existem bactérias, principalmente as do gênero Rhizobioum, que estabelecem uma relação de simbiose com algumas espécies de plantas (leguminosas) e bactérias que vivem livres no solo. A simbiose é estabelecida através do consumo de íons de amônia por parte das plantas. Figura. Nódulos rizobianos radiculares, importantes na fixação de nitrogênio no solo. Fonte: Fixação atmosférica A fixação atmosférica ocorre através dos relâmpagos, cuja elevada energia separa as moléculas de nitrogênio e permite que os seus átomos se liguem com moléculas de oxigênio existentes no ar formando monóxido de nitrogênio (NO). Este é posteriormente dissolvido na água da chuva e depositado no solo. Observação importante: A fixação atmosférica contribui com cerca de 58% de todo o nitrogênio fixado Fixação industrial Através de processos industriais (nomeadamente o processo de Haber-Bosch) é possível produzir amoníaco (NH 3 ) a partir de nitrogênio (N 2 ) e hidrogénio (H 2 ). O amoníaco é produzido principalmente para uso como fertilizante cuja aplicação sustenta cerca de 40% da população mundial.

12 2. Processo da Amonificação ou Mineralização Através da amonificação a matéria orgânica morta (submetida ao processo de decomposição) é transformada no íons de amônia (NH 4 +) por intermédio de bactérias aeróbicas, anaeróbicas e alguns fungos. 3. Processo de Nitrificação A nitrificação ou oxidação do íon de amônia, é um processo que produz nitritos (NO 2 -) e nitratos (NO 3 -) a partir do amoníaco (NO 4 +). Este processo é desenvolvido devido a ação de bactérias nitrificantes em dois passos: numa primeira fase o amoníaco é convertido em nitritos (NO 2 -) e numa segunda fase (através de outro tipo de bactérias nitrificantes) os nitritos são convertidos em nitratos (NO 3 -) os quais estão prontos para serem assimilados pelas plantas. 4. Processo da Assimilação No processo de assimilação, os nitratos (NO 3 -) formados pela segunda fase do processo de nitrificação são absorvidos pelas plantas e transformados em compostos carbonados para produzir aminoácidos e outros compostos orgânicos de nitrogênio. Caso a parte: Processo de Desnitrificação O processo de desnitrificação, ocorre paralelamente ao de Assimilação, porém por outra via. Como na assimilação, os nitratos (NO 3 -) são absorvidos pela planta, já na desnitrificação é o processo onde o nitrogênio volta à atmosfera sob a forma de gás quase inerte (N 2 ). Este processo ocorre através de algumas espécies de bactérias (tais como Pseudomonas sp. e Clostridium sp.) em ambiente anaeróbico. Estas bactérias utilizam nitratos alternativamente ao oxigênio como forma de respiração e libertam nitrogênio em estado gasoso (N 2 ).

13 ESQUEMA ILUSTRADO DO CICLO DO NITROGÊNIO Fonte:

14 CICLO DO FÓSFORO O fósforo é um elemento químico importante na composição de moléculas fundamentais do metabolismo celular, como fosfolipídios, coenzimas e ácidos nucléicos. Além disso, é um nutriente limitante do crescimento de plantas (sua ausência prejudica o desenvolvimento vegetal). Os grandes reservatórios de fósforo são as rochas e outros depósitos formados durante as eras geológicas. Esses reservatórios, devido ao intemperismo, pouco a pouco fornecem o fósforo para os ecossistemas, onde é absorvido pelos vegetais e posteriormente transferido aos animais superiores e, por conseqüência, ao Homem, via cadeia alimentar. O retorno do fósforo ao meio ocorre pela ação de bactérias fosfolizantes (organismos decompositores), atuando nas carcaças de animais mortos. O fósforo retorna ao meio na forma de composto solúvel, sendo, portanto facilmente carregado pela chuva para lagos e rios e destes para os mares, de forma que o fundo do mar passa a ser um grande depósito de fósforo solúvel. Uma situação interessante no que diz respeito ao ciclo do fósforo é o importante papel desempenhado pelas aves marinhas na restituição do fósforo marinho para o ambiente terrestre, pois ao se alimentarem de peixes marinhos e excretarem em terra firme, trazem o fósforo de volta ao ambiente terrestre. Pesquisas desenvolvidas em Ilhas próximas ao Peru, cobertas de guano (excremento das aves), mostram o quanto as aves são importantes para a manutenção do ciclo. O uso mais comum para o fósforo é como fertilizante. Ele é um dos componentes principais do tipo de fertilizante mais utilizado, o fertilizante à base de NPK.

15 ESQUEMA ILUSTRADO DO CICLO DO FÓSFORO Fonte:

16 CICLO DO ENXOFRE O enxofre é um elemento relativamente abundante na crosta terrestre, ocorrendo principalmente na forma de sulfatos solúveis. Grande parte dos reservatórios de enxofre inerte está em rochas sulfurosas, depósito de elementos sulfurosos e combustíveis fósseis. As atividades do homem têm mobilizado parte destes reservatórios inertes, obtendo desta forma desagradáveis conseqüências como a poluição. Por fim, alguns depósitos de elementos sulfurosos e alguns minérios de sulfeto podem ser de origem biogênica (restos de seres vivos). O enxofre pode ser adicionado também na ecosfera (locais onde podem existir organismos vivos) na forma reduzida H 2 S (ácido sulfrídrico), como resultado da atividade vulcânica e do metabolismo microbiano. O enxofre pode ser encontrado também em diversos estados de oxidação nos compostos orgânicos e inorgânicos. Os microrganismos catalisam a oxidação e redução das diferentes formas de enxofre, estabelecendo deste modo um ciclo. O ciclo do enxofre ocorre devido à transformação que essa substância sofre mediante a ação de processos químicos. Este ciclo se pode ser entendido devido a esta substância (na forma de compostos) está presentes no ar, na água e na terra. Sendo esses três considerados reservatórios potenciais de enxofre. Compostos contendo enxofre são emanados em nosso planeta de várias formas: Nas emissões vulcânicas, nas rochas sulforosas, de origem biogênica (tanto oriundas dos oceanos quanto do meio terrestre, e também, devido a emissões de combustíveis fósseis. A água das chuvas é um agente de extrema importância no ciclo do enxofre, pois ela proporciona a deposição desta substancia (na forma de compostos) de volta a superfície terrestre, onde o enxofre que se encontra na forma de gás e também aquele presente nas rochas (expostos devido ao processo erosivo) são dissolvido na água da chuva e alcançando as plantas, que por sua vez, absorvem compostos contendo enxofre. Os animais que se alimentarem dessas plantas, ou até mesmo de outros animais ingerem compostos contendo enxofre. As plantas ou animais mortos sofrem a ação de microrganismos que decompõe os aminoácidos (origem biogênica) que contém enxofre presentes em seus corpos, criando o ácido sulfídrico (H 2 S) na forma de gás. A principal perturbação humana no ciclo global do enxofre é a liberação de dióxido de enxofre (SO 2 ) para a atmosfera como resultado da queima de carvão e óleo contendo enxofre.

17 O gás SO 2 prejudica a respiração nos humanos em elevadas concentrações, e é moderadamente tóxico para as plantas. ESQUEMA ILUSTRADO DO CICLO DO ENXOFRE Fonte:

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