Universidade Federal do Paraná Engenharia Civil Ciências do Ambiente Aula 05 Ciclos biogeoquímicos: Parte I Profª Heloise G. Knapik
Produtividade Produtividade primária Produtividade secundária Produtividade terciária
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
Ecossistema Comunidades bióticas Fatores abióticos
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
Fluxo de Matéria nos Ecossistemas Ciclos Biogeoquímicos
CICLO BIOGEOQUÍMICOS 7
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
Reciclagem da matéria
CICLO DO CARBONO 10
O ciclo do carbono
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
Fotossíntese: Respiração
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)
Aspectos ecológicos relacionados ao ciclo do carbono Desequilíbrio do ciclo natural: alteração/intensificação do processo de Efeito estufa (aumento da temperatura global)
Aspectos ecológicos relacionados ao ciclo do carbono Reservatório auxiliar: oceanos (absorvem o excesso de CO2)
CICLO DO NITROGÊNIO 17
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
O ciclo do nitrogênio - etapas
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 + )
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)
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.
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
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
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
Principais rotas de decomposição:
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
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
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.
CICLO DO FÓSFORO 32
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
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
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.
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
CICLO DO ENXOFRE 37
O ciclo do enxofre
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
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
O ciclo do enxofre consequências ambientais o CHUVA ÁCIDA e o SMOG INDUSTRIAL 2H 2 O + SO 2 H 2 SO 4 + 2H +