Ciclos biogeoqumico

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  • 1. CICLOS BIOGEOQUÍMICOS  Biogeoquímico é o resultado dos conjuntos de agentes biológicos (microorganismos), constituição da litosfera (rocha) e degradação química.  A Biogeoquímica é a ciência que estuda a troca ou a circulação de matéria entre os componentes vivos e físico-químicos da Biosfera (Odum, 1971).
  • 2. CICLOS BIOGEOQUÍMICOS    Ciclos:  representam  a  troca  e  a  circulação  de matéria  entre  os  componentes  vivos  e  físico-químicos da biosfera.  Bio:  os  organismos  interagem  no  processo  de síntese orgânica e na decomposição dos elementos.  Geo: o meio terrestre (solo) é o reservatório dos elementos.  Químico:  ciclo  dos  elementos  e  processos químicos de síntese e decomposição.
  • 3. CLASSIFICAÇÃO DOS CICLOS    1. Ciclo da água ou hidrológico. 2. Ciclos dos macro e micronutrinentes: minerais em geral. 3.  Ciclos  sedimentares:  fósforo,  enxofre,  cálcio, magnésio e potássio. 4.  Ciclos  gasosos:  carbono,  nitrogênio  e oxigênio.
  • 4. CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
  • 5. CICLO HIDROLÓGICO  Aspectos quantitativos:    evaporação;    infiltração;    escoamento superficial. Aspectos qualitativos:   parâmetros de qualidade: - físico-químicos; - biológicos.
  • 6. INTERVENÇÕES DO HOMEM1. Desmatamento.2. Pavimentação = taxa de impermeabilização.3. Utilização de defensivos agrícolas.4. Despejos de esgotos e efluentes industriais.5. Eutrofização.6. Diminuição do teor de oxigênio dissolvido nos rios.7. Lançamento de substâncias tóxicas perigosas.8. Poluição atmosférica.9. Resíduos sólidos.10. Represamento das águas.
  • 7. CICLO DO CARBONO O  reservatório  de  carbono  é  a  atmosfera,  onde  o nutriente  das  plantas  encontra-se  na  forma  de  dióxido  de carbono  (CO2),  um  gás  que,  nas  condições  naturais  de temperatura  e  pressão  é  inodoro  e  incolor.  O  carbono  é  o principal  constituinte  da  matéria  orgânica  (49%  do  peso seco).  O  ciclo  do  carbono  é  perfeito,  pois  o  elemento  é devolvido  ao  meio  à  mesma  taxa  a  que  é  sintetizado  pelos produtores. As  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). Reação da fotossíntese: 6CO2 + 6 H2O + energia solar = C6H12O6 + 6O2
  • 8. CICLO DO CARBONO A fixação do carbono em sua forma orgânica indica que a fotossíntese é a base da vida na Terra.  A  energia  solar  é  armazenada  como  energia  química  nas moléculas orgânicas da glicose. A  energia  armazenada  nas  moléculas  orgânicas  é liberada  no  processo  inverso  ao  da  fotossíntese:  a respiração.  Nesta,  ocorre  a  quebra  das  moléculas  com  a conseqüente  liberação  de  energia  para  a  realização  das atividades vitais dos organismos. Reação da respiração: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6 H2O + 640 kcal / molde glicose
  • 9. CICLO DO CARBONO Por meio da fotossíntese e da respiração, o carbono passa  de  sua  fase inorgânica  à  fase orgânica  e  volta para a fase  inorgânica,  completando  seu  ciclo.  Fotossíntese  e respiração  são  processos  de  reciclagem  do  carbono  e  do oxigênio  em  várias  formas  químicas  em  todos  os ecossistemas. A  partir  da  Revolução  Industrial,  o  homem  passou  a fazer uso  intenso da energia armazenada, e no processo de queima  (respiração)  passou  a  devolver  o  CO2  à  atmosfera  a uma  taxa  superior  à  capacidade  assimiladora  das  plantas (fotossíntese)  e  dos  oceanos  (pela  reação  de  difusão).  Esse desequilíbrio  do  ciclo  natural  pode  ter  implicações  na alteração  do  efeito estufa,  com  conseqüente  aumento  da temperatura  global.  Aproximadamente  50%  do  excesso  de CO2 gerado é absorvido pelos oceanos (Perkins, 1974). Difícil é prever até que ponto os oceanos suportarão o aumento de CO2,  diante  da  multiplicidade  de  fatores  que  intervêm  no mecanismo de recuperação do sistema.
  • 10. CICLO DO CARBONO O carbono é um elemento químico presente naestrutura de todas as moléculas orgânicas. É, portanto,essencial para a vida. Na natureza, o carbono encontra-se àdisposição dos seres vivos na forma de CO2 (gás carbônico),na atmosfera ou dissolvido na água. Através da fotossíntese, o CO2 é fixado etransformado em matéria orgânica pelos produtores. Já osconsumidores somente adquirem carbono através danutrição. Tanto os produtores como os consumidores,porém, perdem carbono da mesma forma: através darespiração (que libera CO2 para o ambiente) ou da cadeiaalimentar (ao servirem de alimento para um organismoqualquer) ou, ainda, ao fornecerem material que fará parte daconstituição do húmus (ou detritos orgânicos), pela morte doorganismo ou de parte dele e pela eliminação de excreçõesou resíduos digestivos.
  • 11. CICLO DO CARBONO Os decompositores atuam sobre os detritosorgânicos liberando CO2, que retorna à atmosfera,reintegrando-se a seu reservatório natural. Detritos orgânicos ainda podem originar oscombustíveis fósseis que, através da combustão, eliminarãoCO2 de volta para a atmosfera.Obs.:Fotossíntese: CO2 + H2O = > C6H12O6 + H20 + O2Respiração: C6H12O6 + O2 = > CO2 + H2O + energiaCombustão: combustível + energia + O2 = > CO2 + ...(detritos)
  • 12. CICLO DO CARBONO
  • 13. CICLO DO CARBONO Aspectos relevantes:1. O ciclo do carbono e o ciclo hidrológico são, provavelmente, os dois ciclos biogeoquímicos mais importantes com relação à humanidade.2. O pool / reservatório atmosférico é pequeno se comparado com o do carbono dos oceanos e dos combustíveis fósseis e outros depósitos.3. Fluxo entre os pools – do continente, da atmosfera e dos oceanos, que até o início da Era Industrial estavam em equilíbrio.
  • 14. CICLO DO CARBONO4. Durante os últimos anos, o conteúdo de CO2 tem-se elevado por causa de novas entradas antropogênicas. A queima de combustível fóssil parece ser a principal fonte de novas entradas, mas a agricultura e o desmatamento também contribuem.5. Perda líquida de CO2 na agricultura, ou seja, um acréscimo de CO2 na atmosfera maior do que sua retirada, pois suas culturas são ativas durante apenas uma parte do ano, não compensando o CO2 liberado do solo (lavouras freqüentes) .6. O desmatamento poderá liberar carbono armazenado na madeira, principalmente se a madeira for queimada imediatamente e o uso se segue à oxidação do húmus, se a terra for usada para agricultura ou para desenvolvimento urbano (rápida oxidação do húmus e liberação de CO2 gasoso que está retido no solo).
  • 15. CICLO DO CARBONO Desmatamento:1. Aumento do CO2 emitido em função da emissão no momento da queima.2. Redução da taxa fotossintética.3. Queimadas de florestas.4. Efeito estufa – intervenções antropogênicas no ciclo do carbono.
  • 16. CICLO DO CARBONO Efeito estufa:1. Utilização excessiva de combustíveis fósseis (falta de incentivos para a geração de energia alternativa).2. Desmatamento.3. Poluição ambiental.4. Intensificação do efeito estufa.5. Mudanças climáticas.6. Aquecimento global.7. Mudança nos níveis dos oceanos.
  • 17. CICLO DO NITROGÊNIO O aumento acentuado da população humanae, principalmente, da taxa de crescimentopopulacional após a Revolução Industrial, nasegunda metade do século XIX, implicou umaumento da produtividade agrícola para fazer frenteà demanda crescente de alimentos. O nitrogênio, assim como o fósforo, sãofatores limitantes do crescimento dos vegetais etornaram-se, por isso, alguns dos principaisfertilizantes utilizados hoje na agricultura. Onitrogênio desempenha um importante papel naconstituição das moléculas de proteínas, ácidosnucléicos, vitaminas, enzimas e hormônios,elementos vitais aos seres vivos.
  • 18. CICLO DO NITROGÊNIO O ciclo do nitrogênio, assim como o do carbono,é um ciclo gasoso. Apesar dessa similaridade, existemalgumas diferenças notáveis entre os dois ciclos: a atmosfera é rica em nitrogênio (78%) e pobre emCarbono (0,032%); apesar da abundância de nitrogênio na atmosfera,somente um grupo seleto de organismos consegueutilizar o nitrogênio gasoso; o envolvimento biológico no ciclo do nitrogênio émuito mais extenso do que no ciclo do carbono.
  • 19. CICLO DO NITROGÊNIO Grande parte do nitrogênio existente nosorganismos vivos não é obtida diretamente daatmosfera, uma vez que a principal forma de nutrientepara os produtores são os nitratos (NO3-). No ciclo do nitrogênio existem quatromecanismos diferentes e importantes: 1. fixação do N atmosférico em nitratos; 2. amonificação; 3. nitrificação; 4. desnitrificação.
  • 20. CICLO DO NITROGÊNIO A fixação do nitrogênio ocorre por meio dosorganismos simbióticos fixadores de nitrogênio, dentreos quais destaca-se o Rhizobium, que vive emassociação simbiótica (mutualismo) com raízesvegetais leguminosas (ervilha, soja, feijão, etc.). A fixação do nitrato por via biológica é a maisimportante. O nitrogênio fixado é rapidamentedissolvido na água do solo e fica disponível para asplantas na forma de nitrato. Essas plantas transformamos nitratos em grande moléculas que contêmnitrogênio e outras moléculas orgânicas nitrogenadas,necessárias à vida. Inicia-se, assim, o processo deamonificação.
  • 21. CICLO DO NITROGÊNIO Quando o nitrogênio orgânico entra na cadeiaalimentar, passa a constituir moléculas orgânicas dosconsumidores primários, secundários, etc ... Atuandosobre os produtos de eliminação desses consumidorese do protoplasma de organismos mortos, as bactériasmineralizam o nitrogênio produzindo gás amônia (NH3)e sais de amônio (NH4+), completando a fase deamonificação do ciclo. NH4+ e NH3 são convertidos em nitritos (NO2-) e,posteriormente, no processo de nitrificação, de nitritosem nitratos (NO3-) por um grupo de bactériasquimiossintetizantes.
  • 22. CICLO DO NITROGÊNIO A síntese industrial da amônia (NH3) a partir donitrogênio atmosférico (N2), desenvolvida durante aPrimeira Guerra Mundial, possibilitou oaparecimento dos fertilizantes sintéticos, com umconseqüente aumento da eficiência da agricultura.Entretanto, o ciclo equilibrado do nitrogêniodepende de um conjunto de fatores bióticos eabióticos determinados e, portanto, nem sempreestá apto a assimilar o excesso sintetizadoartificialmente. Esse excesso, carregado para osrios, lagos e lençóis de água subterrâneos temprovocado o fenômeno da eutrofização,comprometendo a qualidade das águas.
  • 23. CICLO DO NITROGÊNIO O Nitrogênio (N2) é um elemento químico queparticipa da constituição de ácidos nucléicos,proteínas e clorofilas. Compreende-se, portanto, aimportância do estudo do ciclo desse elemento nanatureza, cujo reservatório natural é a atmosfera,onde perfaz cerca de 78% do ar. Entretanto, o N2 éuma molécula que não constitui fonte adequada doelemento para a grande maioria dos seres vivos. Defato, com raras exceções, os seres vivos nãoconseguem fixar e, portanto, incorporar à matériaviva o N2 atmosférico.
  • 24. CICLO DO NITROGÊNIO1. Ciclo gasoso do tipo complexo.2. Interação dinâmica entre os fluxos e diferentes grupos de microorganismos.3. Ciclo importante, pois limita ou controla a abundância dos organismos.4. A atmosfera contém 80% do nitrogênio disponível na biosfera sendo, dessa forma, o maior reservatório do composto e a válvula de escape do sistema.
  • 25. CICLO DO NITROGÊNIO5. O nitrogênio entra constantemente na atmosfera pela ação das bactérias desnitrificantes, e continuamente retorna ao ciclo pela ação das bactérias ou algas fixadoras de nitrogênio (biofixação).6. A degradação do nitrogênio presente na célula (formas orgânicas ou inorgânicas) acontece pelas ação de espécies bacterianas especializadas presentes no solo, as quais disponibilizam amônia e nitrato. Essas duas formas de nitrogênio são os compostos facilmente utilizáveis pelas plantas verdes.
  • 26. CICLO DO NITROGÊNIO A fixação biológica do N2 Na natureza, são poucas as formas vivas capazes depromover a fixação biológica do N2. Alguns desses organismostêm vida livre, e entre eles podem-se citar certas algas azuis,como a Nostoc, e bactérias do gênero Azotobacter e Clostridium.Outros, considerados os mais importantes fixadores de N2, vivemassociadas às raízes de leguminosas (feijão, soja, ervilha, alfafa,etc.). Nesse caso estão as bactérias Rhizobium, que vivemnormalmente no solo, de onde alcançam o sistema radicular dasleguminosas jovens e penetram através dos pêlos absorventes,instalando-se finalmente nos tecidos corticais das raízes; ali sedesenvolvem, fixando o N2 atmosférico e transformando-o emsais nitrogenados, que são utilizados pelas plantas. O Rhizobium,então, funciona como um verdadeiro adubo vivo, fornecendo àplanta os sais de nitrogênio necessários a seu desenvolvimento.Em contrapartida, a planta fornece matéria orgânica para asbactérias, definindo uma relação de benefícios mútuosdenominada mutualismo.
  • 27. CICLO DO NITROGÊNIO A nitrificação Quando os decompositores atuam sobre a matéria orgânicanitrogenada (proteína do húmus, por exemplo) liberam diversosresíduos para o meio ambiente, entre eles a amônia (NH3).Combinando-se com a água do solo, a amônia forma hidróxido deamônio que ionizando-se, produz NH4+ (íon amônio) e OH- (hidroxila). Ao processo de decomposição, em que compostosorgânicos nitrogenados se transformam em amônia ou íon amônio,dá-se o nome de amonização. Os íons amônio presentes no soloseguem então duas vias: ou são absorvidas pelas plantas ouaproveitados por bactérias do gênero Nitrosomonas e Nitrosococcus.Essas bactérias quimiossintetizantes oxidam os íons e, com aenergia liberada, fabricam compostos orgânicos a partir do CO2 eágua, definindo a quimiossíntese. A oxidação dos íons amônioproduz nitritos como resíduos nitrogenados, que são liberados parao meio ambiente. À conversão dos íons amônio em nitritos dá-se onome de nitrosação.
  • 28. CICLO DO NITROGÊNIO Os nitritos liberados pelas bactérias nitrosas(Nitrosomonas e Nitrosococcus) são absorvidos eutilizados como fonte de energia por bactériasquimiossintetizantes do gênero Nitrobacter. Daoxidação dos nitritos formam-se os nitratos que,liberados para o solo, podem ser absorvidos emetabolizados pelas plantas. À conversão do nitrito(ou ácido nitroso) em nitrato (ou ácido nítrico) dá-se onome de nitratação. A ação conjunta das bactérias nitrosas(Nitrosomonas e Nitrosococcus) e nítricas(Nitrobacter) permite a transformação da amônia emnitratos. A esse processo denomina-se nitrificação eàs bactérias envolvidas dá-se o nome de nitrificantes.
  • 29. CICLO DO NITROGÊNIO Resumindo:Nitrosação: conversão de íons amônio (ou amônia) emnitritos.Nitratação: conversão de nitritos em nitratos.Nitrificação: conversão de íons amônio em nitratos.Bactérias nitrificantes: compreendem as bactérias nitrosas(Nitrosomonas e Nitrosococcus) e nítricas (Nitrobacter).No solo existem muitas bactérias (Pseudomonas, porexemplo) que, em condições anaeróbicas, utilizam nitratos emvez de oxigênio no processo respiratório. Ocorre, então, aconversão de nitrato em N2, que retorna à atmosfera, fechandoo ciclo. À transformação dos nitratos em N 2 dá-se o nome dedesnitrificação, e as bactérias que realizam essatransformação são chamadas de desnitrificantes.
  • 30. Resumo dos processos no ciclo do Nitrogênio:Nome do Processo Agente Equação Bactéria Rhizobium eFixação N2 => sais nitrogenados Nostoc (alga cianofícea)Amonização Bactérias decompositoras N orgânico => NH4 Bactéria NitrosomonasNitrosação NH4 => NO2 e NitrosococcusNitratação Bactéria Nitrobacter NO2 => NO3 Bactérias DesnitrificantesDesnitrificação NO3 => N2 (Pseudomonas)
  • 31. CICLO DO NITROGÊNIO
  • 32. PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO Enriquecimento das águas com nutrientesessenciais, como o nitrogênio e o fósforo, edesenvolvimento excessivo do fitoplâncton, provocandoproblemas de consumo de oxigênio e baixa diversidade. Consumo de oxigênio pelos processos debiodegradação. Processos de biodegradação sem oxigênio – liberaçãode H2S e CH4.
  • 33. CICLO DO ENXOFRE O enxofre apresenta um ciclo basicamentesedimentar, embora possua uma fase gasosa, de poucaimportância. A principal forma de assimilação do enxofrepelos seres produtores é como sulfato inorgânico. Oprocesso biológico envolvido nesse ciclo compreende umasérie de microorganismos com funções específicas deredução e oxidação. A maior parte do enxofre que é assimilado émineralizado em processos de decomposição. Sobcondições anaeróbias, ele é reduzido a sulfetos, entre osquais o sulfeto de hidrogênio (H2S), composto letal àmaioria dos seres vivos, principalmente aos ecossistemasaquáticos em grandes profundidades. Esse gás, tanto nosolo como na água, sobe a camadas mais aeradas, ondeentão é oxidado, passando à forma de enxofre elementar,quando mais oxidado ele se transforma em sulfato.
  • 34. CICLO DO ENXOFRE Sob condições anaeróbias e na presença deferro, o enxofre precipita-se, formando sulfetos férricose ferrosos. Esses compostos, por sua vez, permitemque o fósforo converta-se de insolúvel a solúvel,tornando-se, assim, utilizável. Esse exemplo mostra ainter-relação que ocorre em um ecossistema entrediferentes ciclos de minerais. As ação do homem também interfere nesse ciclopor meio de grandes quantidades de dióxido de enxofreliberados nos processos de queima de carvão e óleocombustível em indústrias e usinas termoelétricas. Odióxido de enxofre tem potenciais efeitos danosos aoorganismo, além de provocar, em certas situações, achuva ácida e o smog industrial.
  • 35. CICLO DO ENXOFRE INTERVENÇÕES ANTRÓPICAS1. O dióxido de enxofre (SO2) é liberado na atmosfera pela queima de combustíveis fósseis.2. O SO2 interage com o vapor d’água produzindo gotículas de ácido sulfúrico (H2SO4) diluído, o que acarretará a precipitação de chuva ácida.3. O excremento animal representa um fonte de sulfato reciclado.4. A produção primária é responsável pela incorporação do sulfato à matéria orgânica.
  • 36. CICLO DO OXIGÊNIO O oxigênio molecular (O2), indispensável àrespiração aeróbica, é o segundo componente maisabundante da atmosfera, onde existe na proporçãode cerca de 21%. O oxigênio teria desaparecido da atmosfera,não fosse o contínuo reabastecimento promovidopela fotossíntese, principalmente do fitoplânctonmarinho, considerado o verdadeiro "pulmão" domundo.
  • 37. CICLO DO OXIGÊNIO O oxigênio pode ser consumido da atmosferaatravés das seguintes vias:  atividade respiratória de plantas e animais;  combustão;  degradação, principalmente pela ação de raios ultravioleta, com formação de ozônio (O3);  combinação com metais do solo (principalmente o ferro), formando óxidos metálicos.
  • 38. CICLO DO OXIGÊNIO