XIII SBSR Florianópolis - SC Mudanças ambientais globais e o ciclo do nitrogênio Luiz Antonio Martinelli CENA-USP
Qual a importância do N? 1) O N limita a produção primária na maioria dos ecossistemas. 2) Portanto, limita a aquisição de carbono e regula o ciclo deste elemento. 3) Conseqüentemente regula a dinâmica e a composição da maioria dos ecossistemas. 4) É extremamente móvel na natureza, seu estado de oxidação varia de -5 a +3, tendo inclusive uma importante fase gasosa. 5) Sendo um fator limitante na agricultura, o N passa a ter um valor econômico, além de ecológico. 6) O homem, na busca de alimento, tem exercido enorme influencia na sua dinâmica 7) Eu gosto do N!!!
Tô indo no supermercado. Você quer alguma coisa? Fonte: Tattersall (2000) Scientific American
Banana 7.500 a.c. Trigo 8. 500 a.c. Soja 3.000 a.c. Milhi 3.500 a.c. Mandioca 3.500 a.c. Cofé? Fonte: museum.agropolis.fr/english/pages/expos/fresque/carte_agriculture.htm
Trajano 98-117 Julius Caesar 102 a.c. 44 a.c Augustus 63a.C. 14 d.c. Marcus Aurelius 161-180 http://www.roman-empire.net/maps/empire/extent/severus.html
N 2 DENITRIFICAÇÃO DEPOSIÇÃO N 2 O FOTOSÍNTESE N 2 Atmosfera FBN Raios NH 3 MIN. NITRIF. NH 4 NO3 Plantas Solo FBN LIXIVIAÇÃO N 2 DENITRIFICAÇÃO N 2 O Meio Aquático
N 2 NH 3 N N N 2 + 3H 2 + Energia 2NH 3
Sir William Crookes População mundial (milhões de habs.) 10000 1000 100 10 1 FBN 2000 1900-10 -9-8 -7-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 Anos (x1000)
O processo Haber-Bosch CH 4(g) + H 2 O (g) CO (g) + 3H 2(g) N 2(g) + 3H 2(g) <--> 2NH 3(g) T 450 o C P 200atm Fritz Haber (1864-1934) Prêmio Nobel em 1918 Síntese da amônia Primeiro teste em escala comercial: 1909 Carl Bosch (1874-1940) Prêmio Nobel em 1931 BASF síntese da amônia em escala industrial Catalisador Fe x Ur (1) Produção de Fertilizantes Nitrogenados
(1) Produção de Fertilizantes Nitrogenados População (bilhões de hab.) 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 N-fert. escala industrial Haber-Bosch 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Décadas
350 300 250 200 150 100 50 0 200 (1) (2) 150 100 50 0 África Haiti Hol China USA BR África Haiti Consumo anual de N-fert (kg/habitante) (3) 3500 (4) África Haiti China USA BR China USA BR Hol Hol 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 (1) Produção de Fertilizantes Nitrogenados 4000 3000 2500 2000 1500 Hol China USA BR África Haiti Disponibilidade per capita de cereais (g/hab.dia) Consumo de N fert (kg/ha) Energia disponível (kcal/hab.dia)
(1) Produção de Fertilizantes Nitrogenados Resumo: Consumo de N-fertilizantes 2002: 85 milhões de toneladas de N (maior consumidor CHINA 25 milhões de toneladas) 50% do N necessário para a produção de alimentos vêm dos fertilizantes. Seria difícil viver sem eles. 65% utilizado na produção de cereais Distribuição não uniforme 1 hectare na HOLANDA recebe 300 toneladas de N por ano 1 hectare no HAITI recebe anualmente 9 toneladas de N por ano
N 2 N 2 N 2 N 2 N 2 N 2 N 2 N2 Floresta terra-firme 25 kg N/ha.ano N 2 Soja 70 a 250 kg N/ha.ano
Resumo: cultivo de leguminosas e outras plantas fixadoras 2002: 30 milhões de toneladas de N (Fixação não induzida produz cerca de 110 milhões de toneladas de N) Detalhe importante: fixação de N na soja ocorre principalmente no Brasil, através de seleção de variedades fixadoras. Estima-se que no Brasil a soja fixe cerca de 70 a 80% do N que necessita durante seu ciclo.
Produção termal (2)Produção de energia N 2 + O 2 = 2NO N-orgânico pirólise X-CH 2 NH 2 + 3O 2 = CO 2 + 2 H 2 0 + NO 2 + X NO x = NO + NO 2
(2)Produção de energia Emissão de NOx (milhões de toneladas de N) 25 20 15 10 5 0 1890 1910 1930 1950 Décadas 1970 1990 Van Aardenne, J.A., Dentener, F.J., Olivier, J.G.J., Klein Goldewijk, C.G.M. and J. Lelieveld (2001) A 1 x 1 degree resolution dataset of historical anthropogenic trace gas emissions for the period 1890-1990. Global Biogeochemical Cycles,15(4), 909-928.
(2)Produção de energia Resumo: Produção de Energia 2002: 30 milhões de toneladas de N (emissão de NO x durante queima de com. fósseis) Detalhe importante: tempo de residência na atmosfera de 5 dias. Portanto, maioria do N é depositado onde foi produzido. Observação: N 2 O que é um gás importante no aumento do efeito estufa é muito pouco produzido pela queima de combustíveis fósseis.
Contabilidade sobre o N convertido** pelo Homem em 2002 (milhões de toneladas por ano) **convertido: N-atmosférico não reativo N reativo Produção de N-Fertilizantes: 85 Processos industriais: 15 (não mostrados) Produção de Energia: 30 Cultivo de Fixadoras: 30 TOTAL Nr: 160 Fixação Biológica Natural: 110 TOTAL: 270 milhões de toneladas
(1) Produção de Fertilizantes Nitrogenados A pergunta que não quer calar 2002: 6.2 bilhões de habitantes Ser humano: 2 kg N/ano Humanidade: 12 milhões de toneladas de N por ano Nr criadopelohomem: 160 milhões de toneladas de N por ano 160 12 : 148 milhões de toneladas de N por ano Qual o destino desses 148 milhões que estão sendo criados?
Energy Production Food Production People (Food; Fiber) Human Activities N N org NH 3 Agroecosystem Effects Crop Ozone Effects Soil Animal NO 3 Atmosphere Groundwater Effects PM & Visibility Effects N-dep Terrestrial Ecosystems Forests & Grassland Soil NO 3 Stratospheric Effects N-dep N 2 O N 2 O The Nitrogen Cascade Surface water Effects Coastal Effects Ocean Effects Galloway et al., 2003a Denitrificação Aquatic Ecosystems
Galloway et al. (2004)
Deposição úmida de nitrogênio (kg N/ha.ano) Campinas - SP Bragança SP Ji-Paraná RO Piracicaba SP S.Maria da Serra SP Parque Intervales SP Balbina AM 6.3 5.6 5.6 5.5 4.8 3.2 2.9 Fonte: Lara et al. (2004)
Chuva ácida na bacia do rio Piracicaba ph= 4.9 4.8 4.4 4.7 4.7 Lara et al. (2003)
Foto cedida por Paulo Artaxo Amazônia desmatamento 2003: 23.000 km 2 2004: 24.000 km 2 Fonte: IBMA, hot pixel, 1998
Foto cedida pelo IBAMA Lara et al. (submetido Biogeochemistry)
Atmosphere Food Production People (Food; Fiber) N N org Agroecosystem Effects Crop Animal Soil Terrestrial Ecosystems Forests & Grassland Soil Human Activities The Nitrogen Cascade Galloway et al., 2003a Aquatic Ecosystems
Atmosphere Food Production People (Food; Fiber) N N org Agroecosystem Effects Crop Animal Soil Terrestrial Ecosystems Urban centers Human Activities The Nitrogen Cascade Galloway et al., 2003a Aquatic Ecosystems
Atmosphere N 2, N 2 O Food Production People (Food; Fiber) N N org Agroecosystem Effects Crop Animal Soil Terrestrial Ecosystems Urban centers Human Activities NO 3, NH 4, Norg The Nitrogen Cascade Galloway et al., 2003a Aquatic Ecosystems
Atmosphere N 2, N 2 O Food Production People (Food; Fiber) N N org Agroecosystem Effects Crop Animal Soil Terrestrial Ecosystems Urban centers Human Activities NO 3, NH 4, Norg The Nitrogen Cascade Galloway et al., 2003a Aquatic Ecosystems
Chile (Andes): 9,527mm 0.9 kg.ha -1.yr -1 (Oyarzun et al., 2004) 50,00 São Paulo Amazon 5,00 0,50 0,05 Run off (m m.yr -1 ) DIN export (kg.ha -1.yr -1 ) 50 60 70 80 90 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
MUNDO 852 milhões de pessoas mal nutridas no mundo 815 milhões em países em desenvolvimento 15% do mundo passa fome!!! 1.2 bilhões de pessoas vivem com menos de US$ 1/dia 17% da população do mundo não tem acesso a água potável 40% não tem acesso a serviços de saneamento BRASIL 15.6 milhões de pessoas mal nutridas no país 9% da população passa fome!!! SERÁ QUE ESTÁ VALENDO A PENA?
Summary -Knowledge gaps at the national level - Improve measurements on nitrogen biological fixation in natural systems Keep an eye in the four Cs (citrus cellulose coffee - cane) Monitoring network on nitrogen wet and dry deposition Monitoring network on euthrophication of reservoirs and estuaries Proposition of public policies