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Programa de Pós-graduação em Engenharia ambiental – PPGEA-UFES INTRODUÇAO A ENGENHARIA AMBIENTAL Módulo: Ecologia AULA 2 - CICLOS BIOGEOQUÍMICOS: C(HO)NPS.

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1 Programa de Pós-graduação em Engenharia ambiental – PPGEA-UFES INTRODUÇAO A ENGENHARIA AMBIENTAL Módulo: Ecologia AULA 2 - CICLOS BIOGEOQUÍMICOS: C(HO)NPS CARBONO NITROGENIO FOSFORO ENXOFRE Prof. Servio Tulio Cassini

2 Energia e fluxos nos Ecossistemas C0 2 Biomassa Níveis tróficos Matéria Orgânica (C-org) Minerais Energia 1. Fotossíntese e Quimiossintese 2. Cadeia Alimentar 3. Decomposição 4. Respiração/Mineralização Aeróbia 5. Respiraçao anaeróbia (Metanogênse) CH Assimilação (NPS)

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5 PROCESSOS MINERALIZAÇÃO MINERALIZAÇÃO RESPIRAÇÃO / COMBUSTÃO RESPIRAÇÃO / COMBUSTÃO OXIDAÇÃO OXIDAÇÃO ASSIMILAÇÃO ASSIMILAÇÃO BIOMASSA BIOMASSA DESASSIMILAÇÃO DESASSIMILAÇÃO VOLATILIZAÇÃO VOLATILIZAÇÃO

6 Transformações do Carbono no Ambiente

7 Carbono FotossínteseQuimiossintese RespiraçãoCombustão Mat. Org. (CHO) Biomassa CO 2 + H 2 O Autótrofos Heterótrofos

8 Ciclagem do Carbono Carbono Fóssil (DEP.)

9 Reservatório de C[C] x ton% Total Biosfera (100) Atmosfera7,09.7 Biomassa4,86.3 Águas continentais2,53.5 Marinho5,0 a 8,011.0 Mat. Orgânica do solo30 a 5070,0 Profundidade ( ate 16 Km) (100) Detritos orgânicos (Mar.)300,00037 Petróleo1000,00050 Marinho (abissal)3450,00170 Sedimentos ,763 Onde está o Carbono?

10 Ciclo do Carbono Matéria Orgânica Matéria Orgânica Rotas de decomposiçao Rotas de decomposiçao Aeróbia --  CO2 ( respiraçao aeróbia) ou biodegradabilidade aeróbia Aeróbia --  CO2 ( respiraçao aeróbia) ou biodegradabilidade aeróbia Anaeróbia -  CH4 (respiraçao anaeróbia)  biodegradabilidade anaeróbia Anaeróbia -  CH4 (respiraçao anaeróbia)  biodegradabilidade anaeróbia Resumo: Matéria orgânica ----  CO2  Biomassa  Produtos Recalcitrantes (sobras)

11 Ciclo da matéria orgânica – Biodegradabilidade aeróbia

12 Resumo do Carbono Organico no solo

13  Biomassa refere-se à material biológico fresco ou com vida derivado de qualquer ser vivo, como por exemplo uma árvore recém cortada, folhas recém colhidas, insetos ou microrganismos.  Resíduo orgânico natural, refere-se principalmente à biomassa já morta ou em início de decomposição. Geralmente é muito difícil a separação física nítida entre biomassa e resíduo.  Material orgânico natural, geralmente refere-se aos a um tipo específico de resíduo ou, também, aos componentes orgânicos presentes na biomassa ou resíduos orgânicos, tais como amido, celulose, hemiceluloses, quitina, etc.  Matéria Orgânica Resíduos ou material orgânico já processado e complexado no ambiente. Geralmente tomado como sinônimo de Húmus, no seu estágio de processamento final e já estabilizado.  Xenobiótico refere-se a compostos orgânicos artificialmente produzidos e que podem constituir uma fração do resíduo orgânico presente em um ambiente.  Recalcitrância é o termo que descreve a resistência a transformações ou decomposição de uma determinada molécula ou resíduo orgânico. Biodegradabilidade – Propriedade de um composto ou substância ser transformada em CO2 ou CH4 ou moleculas menores facilmente assimilaveis. Sin. Decomposiçao ou biotransformação

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15 Atmospheric carbon x temperature Carbon Dioxide emissions have caused the atmospheric CO 2 concentrations to increase by 13% since Is due to combustion of fossil fuels and burning of weeds removed by deforestation. Some effects attributed to this raise in carbon dioxide are: 1) temp increases will occur with increased carbon dioxide because they absorb infrared radiation and slows the escape of heat from the earth, 2) results in altered rain fall, 3) results in melting of ice caps possible flooding. Scientists are studying the records of pollen cores to determine how past temperature changes have affected vegetation.

16 World CO2 levels at record high, scientists warn David AdamDavid Adam guardian.co.uk,guardian.co.uk Monday May 12, 2008 Article history The concentration of carbon dioxide in the atmosphere has reached a record high, according to new figures that renew fears that climate change could begin to slide out of control. Scientists at the Mauna Loa observatory in Hawaii say that CO2 levels in the atmosphere now stand at 387 parts per million (ppm), up almost 40% since the industrial revolution and the highest for at least the last 650,000 years.

17 Química do carbonato em sistemas aquáticos CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca HCO 3 - CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 - H+ + HCO 3 - Solubilidade Acidez x alcalinidade

18 Dióxido de carbono nos oceanos: co2 X pH Dióxido de carbono nos oceanos: co2 X pH Ano

19 Ciclo do Nitrogênio: Introdução Importância do N Constituinte de Proteínas, ácidos nucléicos, Vitaminas Biomassa vegetal, animal, microbiana Tecidos e células  1 a 3% (NTotal) peso matéria seca 81% presente na atmosfera N 2 gás inerte ( N  N) Processos tipicamente microbiológicos Variação de estados de oxidação

20 Estados de Oxidaçao do N: N tem 5 eletrons e 9 estados deoxidaçao: de –3 to NH 3 Ammonia NH 4 + Ammonium R 1 N(R 2 )R 3 N Organico N2N2 N 2 O Oxido Nitroso NO Oxido Nitrico HONO acido Nitroso NO 2 - Nitrito NO 2 Di- nitroge nio HNO 3 Acido Nitrico NO 3 - Nitrato Numero de oxidaçao decrescente (reduçao) Incremento do estado de oxidaçao

21 O CICLO DO NITROGENIO: MAJOR PROCESSES ATMOSFERA N2N2 NO HNO 3 NH 3 /NH 4 + NO 3 - N ORG BIOSFERA LITOSFERA Combustão relampagos Oxidação Atmosf. Deposição Chuva acida assimilação decomposiçao nitrificação desnitrificaçao biofixaçao intemperismo

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23 Ciclo do N: Fluxos Globais Numeros em Tg N Fluxos em Tg N yr -1

24 Matéria Orgânica SOLO-ÁGUA NH 3 AMONIA NO 3 NITRATO N 2 NITROGÊNIO NH 4 + AMôNIO CICLO DO NITROGENIO – PRINCIPAIS FORMAS E PROCESSOS DE TRANSFORMAÇAO DO N – Amonificaçao – Mineralizaçao 2 – Nitrificaçao 3 – Desnitrificaçao 4 – Fixaçao 5 – Assimilaçao – Imobilizaçao 6 – equilibrio químico (pH dependente)

25 Amonificação: (MIneralizaçao do nitrogênio orgânico) Matéria Orgânica  NH3 Enzimas: desaminases e ureases ureia -  NH3 elevaçao do pH volatilizaçao da amonia (pH > 8) NH3 NH4+ Perda ou remoçao de nirogênio do ecossistema (solo)  atmosfera Em ambientes aquaáticos  toxidez para seres vivos Limites da Legislação (Estadual) a 40 mg/l Impacto ambiental  elevado CICLO DO NITROGÊNIO: AMONIFICAÇAO

26 Nitrificaçao: NH 3  NO 3 - Processo realizado por bactérias autotróficas aeróbias 2 Etapas: Nitritaçao e Nitrataçao ( NH 3  NO 2  NO 3 ) Principais bactérias: Nitrosomonas e Nitrobacter Diminuiçao do pH do meio  acidificação pela produçáo de HNO 3 Nitrato é menos tóxico do que amônia  baixo impacto Niveis elevados  hemoglobina azul ( seres humanos)  impacto? Legislaçao não considera nitrato impactante  revisão? REmoçao de nitrato  desnitirificaçao ( ambiente anaeróbio) CICLO DO NITROGENIO: NITRIFICAÇÃO

27 CICLO DO NITROGENIO: DESNITRIFICAÇAO N0 3  NO 2  N 2 Processo Anaeróbio e Excesso de matéria orgânica. Processo Anaeróbio e Excesso de matéria orgânica. Várias etapas e várias bactérias Várias etapas e várias bactérias Perda de Nitrogênio de ecossistemas (Volatilizaçao) Perda de Nitrogênio de ecossistemas (Volatilizaçao) Chuva acida: formaçao ( N 2 O NO) Chuva acida: formaçao ( N 2 O NO) Impacto ambiental  elevado Impacto ambiental  elevado Legislaçao : sem parametro de controle Legislaçao : sem parametro de controle

28 Ciclo de nitrogênio: fixaçao do nitrogênio: Fixaçao Biológica do Nitrogênio: N2  2NH 3 Fixaçao Biológica do Nitrogênio: N2  2NH 3 Forma de adiçao de N em ecossistemas Forma de adiçao de N em ecossistemas Processo natural  Bactérias fixadoras N Processo natural  Bactérias fixadoras N Processo artificial (industrial) N2  NH3 (industria de fertilizantes) Processo artificial (industrial) N2  NH3 (industria de fertilizantes) Em vegetais (soja, feijão) adicionam até 100 kg N hectare por ano Em vegetais (soja, feijão) adicionam até 100 kg N hectare por ano Impacto ambiental  positivo para processos naturais e negativo para adiçáo de fertilizantes Impacto ambiental  positivo para processos naturais e negativo para adiçáo de fertilizantes

29 Ciclo do nitrogênio: Impactos Ambientais Excesso de matéria orgânica: Excesso de matéria orgânica: Alta produção de NH3  toxidez > 20 mg/L Alta produção de NH3  toxidez > 20 mg/L Perda de nitrogênio no solo e água Perda de nitrogênio no solo e água Nitrificação  acidificação do solo e remoção de amônia  nitratos Nitrificação  acidificação do solo e remoção de amônia  nitratos Desnitrifcação: perda de N e formaçao de oxidos nitrogênio ( chuva ácida) Desnitrifcação: perda de N e formaçao de oxidos nitrogênio ( chuva ácida) Fertilizantes químicos: Eutrofizaçao de águas Fertilizantes químicos: Eutrofizaçao de águas Formação de nitratos  acumulaçao em aguas subterrâneas. Formação de nitratos  acumulaçao em aguas subterrâneas.

30 Ciclo do nitrogênio: Ações Corretivas Medio e Alto impacto: Medio e Alto impacto: Tratamento de efluentes com remoçao de nutrientes ( tratamento terciário) Tratamento de efluentes com remoçao de nutrientes ( tratamento terciário) Drenagem de solos  aeraçao Drenagem de solos  aeraçao Correçao de pH  calagem Correçao de pH  calagem Matéria orgânica estabilizada Matéria orgânica estabilizada Abrandar a utilizaçáo de fertilizantes químicos Abrandar a utilizaçáo de fertilizantes químicos Adubação orgânica (estabilizada) Adubação orgânica (estabilizada)

31 Ciclo do nitrogênio: Impactos Ambientais Excesso de matéria orgânica: Excesso de matéria orgânica: Alta produção de NH3  toxidez > 20 mg/L Alta produção de NH3  toxidez > 20 mg/L Perda de nitrogênio no solo e água Perda de nitrogênio no solo e água Nitrificação  acidificação do solo e remoção de amônia  nitratos Nitrificação  acidificação do solo e remoção de amônia  nitratos Desnitrifcação: perda de N e formaçao de oxidos nitrogênio ( chuva ácida) Desnitrifcação: perda de N e formaçao de oxidos nitrogênio ( chuva ácida) Fertilizantes químicos: Eutrofizaçao de águas Fertilizantes químicos: Eutrofizaçao de águas Formação de nitratos  acumulaçao em aguas subterrâneas. Formação de nitratos  acumulaçao em aguas subterrâneas.

32 Transformações do Fósforo (P)

33 Phosphorous Cycle

34 Formas de P Pi - Fósforo Inorgânico: Fosfato (PO 4 = ) --> Dissolvido (Lábil) e precipitado apatita Ca 3 (PO 4 ) 2 - Variscita Fe(3)PO 4 Polifosfato (Poli-P-P-P) P - orgânico Biomassa (Particulado) - Acidos Nucleicos, P-Lipídeos e ATP Fitina (Hexafosfato de Inositol) Fosfina (PH 3 ) Formas complexadas não indentificadas

35 Onde está o fósforo?

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37 Biomassa-P (P-org) Biomassa-P (P-org) Matéria orgânica (P-org) Plantas Animais Pi-solução (disponível) Pi não disponível (“ Fixado”) Pi não disponível (“ Fixado”) Pi precipitado 1,2 – Assimilação (Imobilização) 3 – Mineralização 4 – Solubilização 5 - Adsorção física a argilas + P-lábil 6 – Precipitação e depósitos 7 – Decomposição 8- Níveis tróficos

38 Matéria Orgânica PO 4 = solução PO 4 = fixado ou ppt Biomassa Microbiana Biomassa Plantas Precipitado Lagos – oceanos etc Mineralização; 2 Assimilação; 3, 4 – Complexação e ppt; 5, Decomposição. Ciclo do Fósforo

39 Mineralização do P P-org > P-inorganico Fosfatases: ácida e alcalina Fungos e Bactérias O R-OPOH + H 2 0  ROH + OHPOH OH OH O || ROPOH | OH Fosfato Monoéster Fosfato Monoéster O || ROPOR” | OH Fosfato Diéster Fosfato Diéster

40 Transformações do Enxofre (S)

41 TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S) Funções do S nos seres vivos:  Aminoácidos Cis Met Proteinas Sulfatos (SO4-)  Crescimento Celular

42 FORMAS DO ENXOFRE (S)

43 Ciclo do enxôfre

44 TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S) Mineralização: S(organico -----> aminoácidos, cisteína e metionina, e na vitamina B, tiamina, biotina e ácido lipóico - SH Sulfatases S orgânico (R-O-SH-) + O2–  ROH + H + SO4= Bactérias Ambientes Aquáticos ( Microaerófilos /anaeróbios) ---> H 2 S

45 IMOBILIZAÇÃO DO ENXOFRE (S) Sinorg ----> S org A imobilização do S ocorre com a assimilação e incorporação do sulfato em nucleotídeos, formando compostos como a adenosina fosfosulfato (PAP) e fosfoadenosina fosfosulfato (PAPS), com liberação e redução do grupo sulfato em sulfito (SO3=) e sulfêtos (S2-) e sua incorparação no aminoacido serina para formação de cisteina.

46 TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S) Oxidação do Gás Sulfídrico Bactérias aeróbias:Beggiatoa, Thiothrix (Fotossintética facultativas) Thiobacillus Bactérias Anaeróbias : Chromatium, Chlorobium (Fotosssintéticas)

47 TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S) Odor: Oxidação de Sulfatos Presença H2S Redução do sulfato por desulfovibrio sp BACTERIAS REDUTORAS DO SULFATO. BIOCORROSÃO Mecanismo dependente de SO4 pH e anaerobiose SO 4 < 5 a 250 mg/l Controle: aeração, calagem (pH >7)

48 OXIDAÇÃO DO ENXOFRE (S)


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