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Ciclos biogeoquímico
 

Ciclos biogeoquímico

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    Ciclos biogeoquímico Ciclos biogeoquímico Presentation Transcript

    • 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).
    • 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.
    • 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.
    • CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
    • CICLO HIDROLÓGICO  Aspectos quantitativos:    evaporação;    infiltração;    escoamento superficial. Aspectos qualitativos:   parâmetros de qualidade: - físico-químicos; - biológicos.
    • INTERVENÇÕES DO HOMEM• Desmatamento.• Pavimentação = taxa de impermeabilização.• Utilização de defensivos agrícolas.• Despejos de esgotos e efluentes industriais.• Eutrofização.• Diminuição do teor de oxigênio dissolvido nos rios.• Lançamento de substâncias tóxicas perigosas.• Poluição atmosférica.• Resíduos sólidos.• Represamento das águas.
    • 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
    • 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
    • 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.
    • CICLO DO CARBONO O  carbono  é  um  elemento  químico  presente  na estrutura  de  todas  as  moléculas  orgânicas.  É,  portanto, essencial para a vida. Na natureza, o carbono encontra-se à disposição dos seres vivos na forma de CO2 (gás carbônico), na atmosfera ou dissolvido na água.  Através  da  fotossíntese,  o  CO2  é  fixado  e transformado  em  matéria  orgânica  pelos  produtores.  Já  os consumidores  somente  adquirem  carbono  através  da nutrição.  Tanto  os  produtores  como  os  consumidores, porém,  perdem  carbono  da  mesma  forma:  através  da respiração  (que  libera  CO2  para  o  ambiente)  ou  da  cadeia alimentar  (ao  servirem  de  alimento  para  um  organismo qualquer) ou, ainda, ao fornecerem material que fará parte da constituição do húmus (ou detritos orgânicos), pela morte do organismo  ou  de  parte  dele  e  pela  eliminação  de  excreções ou resíduos digestivos.
    • CICLO DO CARBONO Os  decompositores  atuam  sobre  os  detritos orgânicos  liberando  CO2,  que  retorna  à  atmosfera, reintegrando-se a seu reservatório natural.  Detritos  orgânicos  ainda  podem  originar  os combustíveis  fósseis  que,  através  da  combustão,  eliminarão CO2 de volta para a atmosfera. Obs.: Fotossíntese: CO2 + H2O = > C6H12O6 + H20 + O2 Respiração: C6H12O6 + O2 = > CO2 + H2O + energia Combustão: combustível + energia + O2 = > CO2 + ...(detritos) 
    • CICLO DO CARBONO
    • CICLO DO CARBONO Aspectos relevantes:• O  ciclo  do  carbono  e  o  ciclo  hidrológico  são,  provavelmente,  os  dois  ciclos  biogeoquímicos  mais  importantes com relação à humanidade.• O  pool /  reservatório  atmosférico  é  pequeno  se  comparado  com  o  do  carbono  dos  oceanos  e  dos  combustíveis fósseis e outros depósitos.• Fluxo entre os pools – do continente, da atmosfera e dos  oceanos,  que  até  o  início  da  Era  Industrial  estavam  em  equilíbrio.
    • CICLO DO CARBONO• 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.• 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) .• 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).
    • CICLO DO CARBONO Desmatamento:• Aumento  do  CO2  emitido  em  função  da  emissão  no  momento da queima.• Redução da taxa fotossintética.• Queimadas de florestas.• Efeito estufa – intervenções antropogênicas no ciclo  do carbono.
    • CICLO DO CARBONO Efeito estufa:• Utilização  excessiva  de  combustíveis  fósseis  (falta  de  incentivos para a geração de energia alternativa). • Desmatamento.• Poluição ambiental.• Intensificação do efeito estufa.• Mudanças climáticas.• Aquecimento global.• Mudança nos níveis dos oceanos.
    • CICLO DO NITROGÊNIO O  aumento  acentuado  da  população  humana e,  principalmente,  da  taxa  de  crescimento populacional  após  a  Revolução  Industrial,  na segunda  metade  do  século  XIX,  implicou  um aumento da produtividade agrícola para  fazer  frente à demanda crescente de alimentos.  O  nitrogênio,  assim  como  o  fósforo,  são fatores  limitantes  do  crescimento  dos  vegetais  e tornaram-se,  por  isso,  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.
    • CICLO DO NITROGÊNIO O ciclo do nitrogênio, assim como o do carbono, é um ciclo gasoso. Apesar dessa similaridade, existem algumas diferenças notáveis entre os dois ciclos:  a  atmosfera  é  rica  em  nitrogênio  (78%)  e  pobre  em Carbono (0,032%);  apesar  da  abundância  de  nitrogênio  na  atmosfera, somente  um  grupo  seleto  de  organismos  consegue utilizar o nitrogênio gasoso;  o  envolvimento  biológico  no  ciclo  do  nitrogênio  é muito mais extenso do que no ciclo do carbono.
    • CICLO DO NITROGÊNIO Grande    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-). No  ciclo  do  nitrogênio  existem  quatro mecanismos diferentes e importantes: 1. fixação do N atmosférico em nitratos; 2. amonificação; 3. nitrificação; 4. desnitrificação.
    • CICLO DO NITROGÊNIO A  fixação  do  nitrogênio  ocorre  por  meio  dos organismos simbióticos fixadores de nitrogênio, dentre os  quais  destaca-se  o  Rhizobium,  que  vive  em associação  simbiótica  (mutualismo)  com  raízes vegetais leguminosas (ervilha, soja, feijão, etc.). A  fixação  do  nitrato  por  via  biológica  é  a  mais importante.  O  nitrogênio  fixado  é  rapidamente dissolvido  na  água  do  solo  e  fica  disponível  para  as plantas na forma de nitrato. Essas plantas transformam os  nitratos  em  grande  moléculas  que  contêm nitrogênio  e  outras  moléculas  orgânicas  nitrogenadas, necessárias  à  vida.  Inicia-se,  assim,  o  processo  de amonificação.
    • CICLO DO NITROGÊNIO Quando  o  nitrogênio  orgânico  entra  na  cadeia alimentar,  passa  a  constituir  moléculas  orgânicas  dos consumidores  primários,  secundários,  etc  ...  Atuando sobre os produtos de eliminação desses consumidores e  do  protoplasma  de  organismos  mortos,  as  bactérias mineralizam o nitrogênio produzindo gás  amônia  (NH3) e  sais  de  amônio  (NH4+),  completando  a  fase  de amonificação do ciclo.  NH4+  e NH3  são convertidos em nitritos (NO2-) e, posteriormente, no processo de nitrificação, de nitritos em  nitratos  (NO3-)  por  um  grupo  de  bactérias quimiossintetizantes.
    • CICLO DO NITROGÊNIO A  síntese  industrial  da  amônia  (NH3)  a  partir  do nitrogênio  atmosférico  (N2),  desenvolvida  durante  a Primeira  Guerra  Mundial,  possibilitou  o aparecimento  dos  fertilizantes  sintéticos,  com  um conseqüente  aumento  da  eficiência  da  agricultura. Entretanto,  o  ciclo  equilibrado  do  nitrogênio depende  de  um  conjunto  de  fatores  bióticos  e abióticos  determinados  e,  portanto,  nem  sempre está  apto  a  assimilar  o  excesso  sintetizado artificialmente.  Esse  excesso,  carregado  para  os rios,  lagos  e  lençóis  de  água  subterrâneos  tem provocado  o  fenômeno  da  eutrofização, comprometendo a qualidade das águas.
    • CICLO DO NITROGÊNIO O  Nitrogênio  (N2)  é  um  elemento  químico  que participa  da  constituição  de  ácidos  nucléicos, proteínas  e  clorofilas.  Compreende-se,  portanto,  a importância  do  estudo  do  ciclo  desse  elemento  na natureza,  cujo  reservatório  natural  é  a  atmosfera, onde  perfaz  cerca  de  78%  do  ar.  Entretanto,  o  N2  é uma  molécula  que  não  constitui  fonte  adequada  do elemento  para  a  grande  maioria  dos  seres  vivos.  De fato,  com  raras  exceções,  os  seres  vivos  não conseguem  fixar  e,  portanto,  incorporar  à  matéria viva o N2 atmosférico. 
    • CICLO DO NITROGÊNIO• Ciclo gasoso do tipo complexo. • Interação  dinâmica  entre  os  fluxos  e  diferentes  grupos de microorganismos.• Ciclo  importante,  pois  limita  ou  controla  a  abundância dos organismos.• A  atmosfera  contém  80%  do  nitrogênio  disponível  na  biosfera  sendo,  dessa  forma,  o  maior  reservatório  do  composto  e  a  válvula  de  escape do sistema.
    • CICLO DO NITROGÊNIO• 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).• 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.
    • CICLO DO NITROGÊNIO A fixação biológica do N2 Na  natureza,  são  poucas  as  formas  vivas  capazes  de promover  a  fixação  biológica  do  N2.  Alguns  desses  organismos têm  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, vivem associadas às raízes de leguminosas (feijão, soja, ervilha, alfafa, etc.).  Nesse  caso  estão  as  bactérias  Rhizobium,  que  vivem normalmente no solo, de onde alcançam o sistema radicular das leguminosas  jovens  e  penetram  através  dos  pêlos  absorventes, instalando-se  finalmente  nos  tecidos  corticais  das  raízes;  ali  se desenvolvem,  fixando  o  N2  atmosférico  e  transformando-o  em sais nitrogenados, que são utilizados pelas plantas. O Rhizobium, então,  funciona  como  um  verdadeiro  adubo  vivo,  fornecendo  à planta os sais de nitrogênio necessários a seu desenvolvimento. Em  contrapartida,  a  planta  fornece  matéria  orgânica  para  as bactérias,  definindo  uma  relação  de  benefícios  mútuos denominada mutualismo. 
    • CICLO DO NITROGÊNIO A nitrificação Quando os decompositores atuam  sobre a matéria orgânica nitrogenada  (proteína  do  húmus,  por  exemplo)  liberam  diversos resíduos  para  o  meio  ambiente,  entre  eles  a  amônia (NH3). Combinando-se  com  a  água  do  solo,  a  amônia  forma  hidróxido  de amônio que ionizando-se, produz NH4+ (íon amônio) e OH- (hidroxila).  Ao  processo  de  decomposição,  em  que  compostos orgânicos  nitrogenados  se  transformam  em  amônia  ou  íon  amônio, dá-se  o  nome  de  amonização.  Os  íons  amônio  presentes  no  solo seguem  então  duas  vias:  ou  são  absorvidas  pelas  plantas  ou aproveitados  por  bactérias  do  gênero  Nitrosomonas  e Nitrosococcus. Essas bactérias quimiossintetizantes oxidam os íons e, com a energia liberada, fabricam compostos orgânicos a partir do CO2  e água, definindo a quimiossíntese. A oxidação dos íons amônio produz nitritos como resíduos nitrogenados, que são liberados para o  meio  ambiente.  À  conversão  dos  íons  amônio  em  nitritos  dá-se  o nome de nitrosação.
    • CICLO DO NITROGÊNIO Os  nitritos  liberados  pelas  bactérias  nitrosas (Nitrosomonas  e  Nitrosococcus)  são  absorvidos  e utilizados  como  fonte  de  energia  por  bactérias quimiossintetizantes  do  gênero  Nitrobacter.  Da oxidação  dos  nitritos  formam-se  os  nitratos  que, liberados  para  o  solo,  podem  ser  absorvidos  e metabolizados  pelas  plantas.  À  conversão  do  nitrito (ou ácido nitroso) em nitrato (ou ácido nítrico) dá-se o nome de nitratação.  A  ação  conjunta  das  bactérias  nitrosas (Nitrosomonas  e  Nitrosococcus)  e  nítricas (Nitrobacter)  permite  a  transformação  da  amônia  em nitratos.  A  esse  processo  denomina-se  nitrificação  e às bactérias envolvidas dá-se o nome de nitrificantes.
    • CICLO DO NITROGÊNIO Resumindo:  Nitrosação:  conversão  de  íons  amônio  (ou  amônia)  em nitritos. 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,  por exemplo) que, em condições anaeróbicas, utilizam nitratos em vez  de  oxigênio  no  processo  respiratório.  Ocorre,  então,  a conversão de nitrato em N2, que retorna à atmosfera, fechando o ciclo. À transformação dos nitratos em N2  dá-se o nome de desnitrificação,  e  as  bactérias  que  realizam  essa transformação são chamadas de desnitrificantes.
    • Resumo dos processos no ciclo do Nitrogênio:  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)
    • CICLO DO NITROGÊNIO
    • PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO  Enriquecimento  das  águas  com  nutrientes essenciais,  como  o  nitrogênio  e  o  fósforo,  e desenvolvimento excessivo do fitoplâncton, provocando problemas de consumo de oxigênio e baixa diversidade.  Consumo  de  oxigênio  pelos  processos  de biodegradação.  Processos de biodegradação sem oxigênio – liberação de H2S e CH4.
    • CICLO DO ENXOFRE O  enxofre  apresenta  um  ciclo  basicamente sedimentar,  embora  possua  uma  fase  gasosa,  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  processos  de  decomposição.  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.  Esse  gás,  tanto  no solo  como  na  água,  sobe  a  camadas  mais  aeradas,  onde então  é  oxidado,  passando  à  forma  de  enxofre  elementar, quando mais oxidado ele se transforma em sulfato.
    • CICLO DO ENXOFRE Sob  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. As ação do homem também interfere nesse ciclo por meio de grandes quantidades de dióxido de enxofre liberados  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,  a chuva ácida e o smog industrial.
    • CICLO DO ENXOFRE INTERVENÇÕES ANTRÓPICAS• O  dióxido  de  enxofre  (SO2)  é  liberado  na  atmosfera  pela queima de combustíveis fósseis.• O  SO2  interage  com  o  vapor  d’água  produzindo  gotículas  de  ácido  sulfúrico  (H2SO4)  diluído,  o  que  acarretará a precipitação de chuva ácida.• O  excremento  animal  representa  um  fonte  de  sulfato reciclado.• A  produção  primária  é  responsável  pela  incorporação do sulfato à matéria orgânica.
    • CICLO DO OXIGÊNIO O  oxigênio  molecular  (O2),  indispensável  à respiração aeróbica, é o segundo componente mais abundante da atmosfera, onde existe na proporção de cerca de 21%.  O oxigênio teria desaparecido da atmosfera, não  fosse  o  contínuo  reabastecimento  promovido pela  fotossíntese,  principalmente  do  fitoplâncton marinho,  considerado  o  verdadeiro  "pulmão"  do mundo. 
    • CICLO DO OXIGÊNIO O  oxigênio  pode  ser  consumido  da  atmosfera através 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. 
    • CICLO DO OXIGÊNIO