Introdução à Engenharia Introdução à Engenharia AmbientalAmbiental

Aula 1 – Ciclos BiogeoquímicosProf. Brayam Perini

Ciclos Biogeoquímicos

O fluxo unidirecional de energia solar proporciona condições para síntese da matéria orgânica pelos seres autótrofos, sua decomposição e retorno ao meio como elementos inorgânicos pela ação dos micro consumidores heterótrofos.

Como os recursos na Terra são finitos e a vida depende do equilíbrio natural desse ciclo, esse processo de reciclagem da matéria é de suma importância.

Ciclos Biogeoquímicos

NUTRIENTES - Elementos essenciais à vida, disponível para os produtores, em forma molecular ou iônica.

Participam da trajetória, desde o meio inanimado, passando pelos organismos vivos e retornando ao meio original.

Aproximadamente 40 elementos são incorporados aos organismos na forma de compostos orgânicos complexos ou participam de uma série de reações químicas essenciais às atividades dos seres vivos.

Grupo de NutrientesMacronutrientes- Participam em quantidades superiores a 0,2%

do peso orgânico seco (p.o.s.) :

O carbono (C), o hidrogênio(H), o oxigênio (O), o nitrogênio (N) e o fósforo (P), participam em quantidades superiores a 1 % superiores a 1 % do p.o.s. dos seres vivos, além do enxofre (S), do cloro (Cl), do potássio (K), do sódio (Na), do cálcio (Ca), do magnésio (Mg) e do ferro (Fe).

Micronutrientes -Participam em quantidades inferiores a 0,2% inferiores a 0,2% do p.o.s. do ser vivo :

O alumínio (Al), o boro (B), o cromo (Cr), o zinco (Zn), o molibdênio (Mo), o vanádio (V) e o cobalto (Co)

Conceito de Biogeoquímica

Os elementos essenciais fazem parte desses ciclos que recebem o nome de biogeoquímicos.

Bio- organismos vivos interagem no processo de síntese orgânica e decomposição dos elementos;

Geo- meio terrestre é a fonte dos elementos,

Químicos-são ciclos de elementos químicos.

A biogeoquímica- A ciência que estuda a troca ou a circulação de matéria entre os componentes vivos e físico-químicos da biosfera).

Conceito de Biogeoquímica

Tipos de ciclos BiogequímicosTipos de ciclos Biogequímicos:

„- Ciclo dos elementos vitaiselementos vitais(macro e micronutrientes);

- „Ciclo de um composto vitalde um composto vital(a água).

São identificados o Ciclo Hidrológico(ou da água) e os Ciclos Sedimentares e Gasosos dos elementos químicos.

Reação de FotossínteseAs plantas utilizam o CO2 e o vapor de água da atmosfera para,

na presença de luz solar, sintetizar compostos orgânicos de carbono, hidrogênio e oxigênio, tais como a glicose (C6H12O6).

Expressão constitui uma simplificação de um conjunto de aproximadamente 80 a 100 reações químicas. Destacam-se :

a)a) a fixação do carbono em sua forma orgânica indica que a fotossíntese a fixação do carbono em sua forma orgânica indica que a fotossíntese é a base da vida na Terra; é a base da vida na Terra;

b) a energia solar é armazenada como energia química nas moléculas b) a energia solar é armazenada como energia química nas moléculas orgânicas da glicoseorgânicas da glicose

Equação da Respiração A energia armazenada nas moléculas orgânicas é liberada no processo

inverso ao da fotossíntese: a respiração. Ocorre a quebra das moléculas, com a conseqüente liberação de energia para realização das atividades vitais dos organismos.

Por meio da fotossíntese e da respiração, o carbono passa de sua fase inorgânica à fase orgânica e volta para a fase inorgânica, completando, assim, seu ciclo biogeoquímico.

Fotossíntese e Respiração são processos de reciclagem do carbono e do oxigênio em várias formas químicas em todos os ecossistemas.

O Ciclo do carbonoA interação entre os reservatórios aquático e atmosférico ocorre por meio de uma reação química de difusão, cuja direção depende da maior ou menor concentração do gás. A reação édada a seguir:

Caso haja aumento da concentração de CO2 na atmosfera, a

reação indica que parte desse CO2 será absorvida pelo oceano,

ficando dissolvido na água.

O ciclo do carbono

O ciclo do Carbono

O Ciclo do carbonoCiclo Principal - Produtores, consumidores e decompositores

participam, respectivamente, dos processos de fotossíntese e respiração,

Ciclo Secundário, mais lento, do decaimento de plantas e animais que foram incorporados por processos geológicos na crosta terrestre.

Os organismos foram transformados em combustíveis fósseis e calcário, que ficam à margem do ciclo principal.

Os combustíveis fósseis são, portanto, energia solar armazenada na forma de moléculas orgânicas no interior da Terra.

A partir da Revolução Industrial ocorreu o uso intenso dessa energia armazenada e, no processo de queima (respiração), passou a devolver o CO2 à atmosfera a uma taxa superior à capacidade assimiladora das plantas e dos oceanos.

Esse desequilíbrio do ciclo natural pode ter implicações na alteração do chamado ‘efeito estufa’, com conseqüente aumento na temperatura global da Terra.

O aumento da [CO2] leva a um aumento na absorção, pela atmosfera, da energia que é emitida pela superfície da terra em direção ao espaço. Esta interceptação da radiação emitida, pela terra é análoga àquela exercida pela placa de vidro (que é opaco à radiação infravermelha) num coletor solar; por este motivo este efeito do CO2 é denominado efeito estufa.

Aproximadamente 50% do excesso de CO2 gerado é absorvido pelos oceanos.

Diante da multiplicidade de fatores que intervém no mecanismo de recuperação do sistema, até que ponto os oceanos suportarão o aumento de CO 2 ?

O Ciclo do Nitrogênio

O crescimento populacional após a Revolução Industrial, na segunda metade do século XIX, implicou um aumento da produtividade de agrícola para fazer frente à demanda crescente de alimentos.

Tanto o NITROGÊNIO como o FÓSFORO são fatores limitantes do crescimento dos vegetais e, por isso, tornaram-se alguns dos principais fertilizantes utilizados hoje na agricultura.

O NITROGÊNIO desempenha um importante papel na constituição das moléculas de proteínas, ácidos nucléicos, vitaminas, enzimas e hormônios—elementos vitais aos seres vivos.

O Ciclo do NitrogênioO ciclo do nitrogênio, assim como o do carbono, é um ciclo gasoso.

Apesar dessa similaridade, existem algumas diferenças notáveis entre os dois ciclos:

a) a atmosfera é rica em nitrogênio (78%) e pobre em carbono (0,032%);

b) apesar da abundância de nitrogênio na atmosfera, somente um grupo seleto de organismos consegue utilizar o nitrogênio gasoso;

c) o envolvimento biológico no ciclo do nitrogênio é muito mais extenso que no ciclo do carbono.

O Ciclo do NitrogênioGrande parte do nitrogênio existente nos organismos vivos não é obtida diretamente da atmosfera, uma vez que a principal forma de nutriente para os produtores são os nitratos (NO3

-).

Esses nitratos são fruto da decomposição de matéria orgânica, na qual o nitrogênio do protoplasma é quebrado em uma série de

compostos orgânicos e inorgânicos por bactérias com funções especializadas em cada parte do processo.

Os nitratos podem ainda ser obtidos por meio da ação de bactérias fixadoras de nitrogênio e das descargas elétricas que ocorrem na atmosfera

1)Fixação do nitrogênio, 2) Nitrificação; 3) Assimilação, 4)Produção de amônia; e Desnitrificação.

A fixação do nitrogênio ocorre por meio dos chamados organismos simbióticos fixadores de nitrogênio, de vida livre e fotossintéticos.

Entre os organismos simbióticos, destaca-se a espécie Rhizobium, que vive em associação simbiótica (mutualismo) com raízes vegetais leguminosas (ervilha, soja, feijão etc).

A importância desses organismos é bastante óbvia, sendo a rotação de culturas de leguminosas uma alternativa ecológica ao uso dos fertilizantes nitrogenados sintéticos.

O Ciclo do NitrogênioMecanismos Diferenciais

Organismos de Vida Livre

Dentre os organismos de vida livre, encontramos bactérias aeróbias (azotobacter) e bactérias anaeróbias (clostridium ).

As algas, principalmente as cianofíceas (anabaena e nostoc, entre outras), são organismos de vida livre fixadores de nitrogênio.

Algumas bactérias fotossintéticas (Rhodospirillum ) são também fixadoras de nitrogênio.

A assimilação consiste no nitrogênio fixado nas formas de fixado nas formas de nitrato e amônia por via biológica. E é, de longe, a mais nitrato e amônia por via biológica. E é, de longe, a mais importante. importante.

Dos 140 a 700 mg/m2 /ano fixados pela biosfera como um todo, somente cerca de 35 mg/m2/ano são fixados por mecanismos

físico-químicos .

Na fixação por via biológica, osorganismos simbióticos produzem uma quantidade que é, no mínimo, cem vezes maior do que

aquela produzida pelos organismos de vida livre.

O Ciclo do Nitrogênio

O nitrogênio fixado é rapidamente dissolvido na água do solo e fica disponível para as plantas na forma de nitrato, que os transformam os s em grandes moléculas que contêm nitrogênio e outras moléculas orgânicas nitrogenadas, necessárias à vida. Inicia-se, então, o processo de amoníficação(produção de amôniaprodução de amônia)

Quando esse nitrogênio orgânico entra na cadeia alimentar, ele passa a constituir moléculas orgânicas dos consumidores primários, secundários e assim sucessivamente.

Atuando sobre os produtos de eliminação desses consumidores do protoplasma de organismos mortos, as bactérias mineralizam o nitrogênio produzindo gás amônia (NH3) e sais de amônio (NH4

+). Dessa maneira se completa a fase de amonificação no ciclo.

O Ciclo do Nitrogênio

NH4+e NH3 são convertidos em nitritos (NO2

-) e, posteriormente,

no processo de nitrificaçãonitrificação, de nitritos em nitratos (NO3-) por um

grupo de bactérias quimiossintetizantes.

A passagem de amônia a nitrito é feita pelas nitrossomonas; e a passagem a nitratos, pelas nitrobacter. Esse processo de

nitrificação se processa aerobiamente.

Por fim, ocorre o retorno ao nitrogênio gasoso (N2) a partir do

nitrato, pela ação das pseudomonas. Esse fenômeno da desnitrificaçãodesnitrificação é anaeróbio e ocorre nos solos pouco aerados.

O Ciclo do Nitrogênio

A síntese industrial da amônia (NH3) a partir do nitrogênio atmosférico (N2), desenvolvida durante a Primeira Guerra Mundial pelo alemão Fritz Haber, possibilitou o aparecimento dos fertilizantes sintéticos, com um conseqüente aumento da eficiência da agricultura.

O ciclo equilibrado do nitrogênio depende de um conjunto de fatores bióticos e abióticos determinados; portanto, nem sempre está apto a assimilar o excesso sintetizado artificialmente.

Esse excesso de 9 x 109t/ano, carregado para os rios, lagos e lençóis de água subterrâneos, tem provocado o fenômeno da eutrofizaçãoeutrofização, comprometendo a qualidade das águas

O Ciclo do Nitrogênio

O Ciclo do FósforoO fósforo é o material genético constituinte das moléculas dos ácidos

ribonucléico (RNA) e desoxirribonucléico (DNA) e componente dos ossos e dentes.

É um elemento fundamental na transferência de caracteres no processo de reprodução dos seres humanos.

O fósforo aparece nos organismos em proporção muito superior aos outros elementos quando comparado com sua participação nas fontes primárias.

Esse fato justifica a importância ecológica do fósforo e sugere que esse elemento é provavelmente o fator mais limitante à produtividade primária.

O Ciclo do Fósforo

Como o fósforo é um elemento de ciclo fundamentalmente sedimentar, seu principal reservatório(ou pool nutritivo) é a litosfera, mais precisamente as rochas fosfatadas e alguns depósitos formados ao longo de milênios.

Por meio de processos erosivos, ocorre a liberação do fósforo na forma de fosfatos, que serão utilizados pelos produtores.

Parte desses fosfatos liberados é carregada para os oceanos, onde se perde em depósitos a grandes profundidades, ou é consumida pelo fitoplâncton (conjunto de organismos aquático com capacidade fotossintética).

O Ciclo do Fósforo

O Ciclo do FósforoOs meios de retorno do fosfato para os ecossistemas a partir dos oceanos

são insuficientes para compensar a parcela que se perde. Esse retorno tem por principais agentes os peixes e as aves marinhas.

Exemplo disso são os extensos depósitos de guano (fosfato de cálcio originário dos excrementos das aves marinhas) existentes nas costas do Peru e do Chile.

A ação predadora dos seres humanos sobre esses pássaros faz com que a taxa de retorno reduza-se ainda mais. Ao mesmo tempo que reduzem a taxa de retorno, os seres humanos, agindo sobre a natureza com a exploração da mineração, ocupação desordenada do solo, desmatamentos e agricultura, entre outras atividades, aceleram o processo de perda de fósforo do ciclo

O Ciclo do Fósforo

Estima-se que, atualmente, um a dois milhões de toneladas de fosfato são produzidas a partir da mineração de rochas fosfatadas.

Desse total, apenas 60 mil toneladas retornam pelos meios anteriormente referidos.

O ciclo é lento, passando da litosfera para a hidrosfera por meio da erosão.

O Ciclo do Fósforo

Parte do fósforo é perdida para os depósitos de sedimentos profundos no oceano. Em decorrência de movimentos tectônicos,

existe a possibilidade de levantamentos geológicos que tragam de volta aquele fósforo perdido.

Por meio da reciclagem, o fósforo, em compostos orgânicos, équebrado pelos decompositores e transformado em fosfatos,

sendo novamente utilizado pelos produtores.

Nesse processo também há perdas, uma vez que os ossos, ricos em fósforo, oferecem resistência aos decompositores e à erosão

O Ciclo do EnxofreO enxofre apresenta um ciclo basicamente sedimentar, embora

possua uma fase gasosa, porém de pouca importância. A principal forma de assimilação do enxofre pelos seres produtores é como sulfato inorgânico.

O processo biológico envolvido nesse ciclo compreende uma série de microorganismos com funções específicas de redução e oxidação.

A maior parte do enxofre que é assimilado é mineralizado em processo de decomposição. Entretanto, sob condições anaeróbias, ele é reduzido a sulfetos, entre os quais o sulfeto de hidrogênio (H2S), composto letal à maioria dos seres vivos, principalmente aos ecossistemas aquáticos em grandes profundidades.

O Ciclo do EnxofreSob condições anaeróbias e na presença de ferro, o enxofre precipita-

se, formando sulfetos férricos e ferrosos. Esses compostos, por sua vez, permitem que o fósforo converta-se de insolúvel a solúvel, tornando-se, assim, utilizável. Esse exemplo mostra a inter-relação que ocorre em um ecossistema entre diferentes ciclos de minerais.

A ação do homem também interfere nesse ciclo por meio de grandes quantidades de dióxido de enxofre liberadas nos processos de queima de carvão e óleo combustível em indústrias e usinas termoelétricas.

O dióxido de enxofre tem potenciais efeitos danosos ao organismo, além de provocar, em certas situações, o que se denomina de ‘chuva ácida’ e o smog industrial

Ciclo HidrológicoA água é o principal componente dos organismos vivos. Seu percentual

no peso dos seres varia entre 0 e 90, sendo mais abundante em tecidos jovens do que nos tecidos idosos.

A quantidade de água apresenta enormes variações de um ponto a outro do planeta, e dada sua importância para a manutenção da vida, os seres vivos devem apresentar características específicas conforme a umidade e a ocorrência de água em seu hábitat.

A água pode ser consumida pelos seres por diversos meios, seja digerindo-a diretamente, seja utilizando a água contida nos alimentos ou, ainda, pela penetração por meio da pele.

A perda de água, por sua vez, dá-se basicamente por evapotranspiração, respiração, excreções urinárias e dejeções

Ciclo Hidrológico

Os seres vivos que vivem em ambientes muito secos devem desenvolver mecanismos que lhes possibilitem evitar, ao máximo, a desidratação do organismo.

Um desses mecanismos é a redução da perda de água, conseguida por meio de alterações fisiológicas e anatômicas, tais como desenvolvimento de órgãos respiratórios internos em substituição às brânquias ou excreções mais concentradas ou mesmo sólidas.

Outro mecanismo é a utilização da água do metabolismo, proveniente da oxidação de gorduras

Ciclo Hidrológico A movimentação da água também influi nas comunidades aquáticas,

permitindo maior oxigenação e uniformidade de temperatura. Além de influir na forma dos corpos, ele induz adaptações ecológicas, como a orientação contra a corrente.

Outra característica que condiciona as espécies aquáticas é a turbidez da água, ou seja, a presença de sólidos em suspensão.

Esses sólidos diminuem a incidência luminosa em regiões mais profundas, reduzindo, assim, a produtividade e o teor de oxigênio.

As principais adaptações dos peixes habitantes dessas águas são a redução dos olhos, o desenvolvimento dos sentidos do tato e audição, além da liberação de um muco coagulante que precipita os sólidos suspensos em torno do animal

Ciclo HidrológicoA presença de água é fundamental para a existência de vida no

planeta, pois ela atua como regulador térmico do ambiente, fazendo com que as diferenças de temperatura entre a noite e o dia sejam minimizadas graças a seu alto calor específico.

Considera-se água doce aquela cuja concentração de sais minerais está por volta de 0,5 g/l,principalmente cloretos e sulfatos. Água salgada é aquela cuja concentração de sais está acima de 3 g/l, principalmente cloretos e sulfatos.

A salinidade é um importante condicionador das espécies aquáticas, uma vez que são raras as espécies que sobrevivem em água doce e salgada, em decorrência, principalmente, das diferentes condições de equilíbrio osmótico existentes entre as duas situações

Ciclo Hidrológico A maior parte da água doce encontra-se em locais de difícil extração

(calota polar e subsolo). A água na atmosfera mostra-se em porcentagem ínfima.

Ao longo de um ano, muita água circula na região da ecosfera. No ciclo hidrológico os fenômenos básicos são a evaporação e a precipitação.

Segundo estimativas feitas, calcula-se a precipitação anual total em 551 mil km3, sendo 215 mil km3 sobre os continentes e 336 mil km3 sobre os oceanos.

A umidade atmosférica deve ser reposta em média 40 vezes por ano, implicando um tempo de residência dessa umidade de aproximadamente nove dias. Ou seja, a velocidade de troca nesse ciclo é muito grande

Ciclo Hidrológico

As plantas retiram água do solo por meio de suas raízes e transpiram graças aos estômatos de suas folhas. Para termos uma idéia de quantidade, é interessante observar que 0,5 ha de milho transpira dois milhões de litros de água em um ciclo vegetativo. Essa água fica disponível para evaporar

Ciclo Hidrológico

Esse fenômeno ocorre a partir das energias solar e eólica, que aumentam o nível de agitação das moléculas na interface atmosfera —hidrosfera. Esse nível de agitação chega a um ponto em que algumas moléculas escapam do meio aquático na forma de vapor de água, na verdade uma mistura de moléculas gasosas, formada por água, oxigênio e nitrogênio.

À medida que o vapor de água aquecido sobe, ele se expande, reduzindo sua temperatura. Sabemos que a máxima capacidade de armazenamento de vapor água na atmosfera é proporcional à temperatura do ar (Figura 4.6). Assim, a umidade relativa desse ar úmido vai aumentando à medida que ele sobe

Ciclo Hidrológico

Umidade Relativa

Define-se:

Onde ρv indica a densidade de vapor de água existente a uma

dada temperatura e ρs indica a densidade de saturação do vapor

de água a essa mesma temperatura (quantidade máxima passível de armazenamento).

Ciclo Hidrológico

Quando r chega a 100%, dá-se a condensação do vapor de águar chega a 100%, dá-se a condensação do vapor de água. Essas pequenas partículas coalescem (aumentam de tamanho) por interação com o material particulado existente no ar.

O tamanho das partículas chega a um ponto em que as forças de sustentação ascendentes são menores que as forças gravitacionais. Essas gotículas caem na forma de chuva, neve ou granizo, dependendo da temperatura de condensação.

A quantidade, a distribuição espacial e a periodicidade dessas precipitações, juntamente com a evapotranspiraçãoevapotranspiração, é que vão determinar as características dos principais biomas terrestres

Ciclo HidrológicoA precipitação não interceptada pela planta atinge a superfície do

terreno e parte dela se infiltra. A parcela remanescente escoa superficialmente, até encontrar o primeiro riacho, e daí seqüencialmente até a chegada no oceano, onde o ciclo se repete.

A maior ou menor parcela de infiltração vai depender das condições de umidade da zona não saturada do solo ou da zona onde os poros do solo contêm água e ar (Figura 4.7).

Dessa zona, as plantas normalmente retiram a água necessária ao seu metabolismo por meio de suas raízes. A água é retida, por capilaridade, até o ponto em que os poros vão se saturando, as forças gravitacionais superam as capilares e ocorre a percolação para a zona saturada.

Ciclo Hidrológico

Processo do Ciclo Hidrológico 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 compõe o escoamento superficial pode também �sofrer infiltração para as camadas superiores do solo, ficar retida ou sofrer evaporação.

Processo do Ciclo Hidrológico Infiltração: a água infiltrada pode sofrer evaporação, ser utilizada

pela vegetação, escoarao longo da camada superior do solo ou alimentar o lençol de água subterrâneo.

ƒEscoamento 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.

ƒ Evapotranspiração: parte da água existente no solo que é utilizada pela vegetação e é eliminada pelas folhas na forma de vapor.

O Ciclo Hidrológico Evaporação:em qualquer das fases descritas anteriormente, a

água pode voltar à atmosfera naforma de vapor, reiniciando o ciclo hidrológico.

ƒ Precipitação: água que cai sobre o solo ou sobre um corpo de água.

O Ciclo Hidrológico

Também nesse ciclo, a presença do homem pode ser notada por meio do desmatamento e da impermeabilização via pavimentação do solo. Isso acelera a evaporação e reduz a recarga dos aqüíferos subterrâneos, gerando, assim, maiores enchentes nos cursos de água que cortam centros urbanos, causando uma série de danos físicos, econômicos e transtornos aos habitantes da cidade.

Nas regiões de clima frio, devem-se considerar, ainda, a água armazenada na forma de geleiras, as quais são formadas pela precipitação de neve, e o fluxo correspondente ao degelo dessas

geleiras