CARBONO NITROGENIO FOSFORO ENXOFRE 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

Energia e fluxos nos Ecossistemas Matéria Orgânica (C-org) 1. Fotossíntese e Quimiossintese 2. Cadeia Alimentar 3. Decomposição 4. Respiração/Mineralização Aeróbia 5. Respiraçao anaeróbia (Metanogênse) Energia C02 Biomassa 1 2 Níveis tróficos 6- Assimilação (NPS) 6 3 Níveis tróficos Níveis tróficos Matéria Orgânica (C-org) 4 CH4 5 4 Minerais

PROCESSOS MINERALIZAÇÃO RESPIRAÇÃO / COMBUSTÃO OXIDAÇÃO ASSIMILAÇÃO BIOMASSA DESASSIMILAÇÃO VOLATILIZAÇÃO

Transformações do Carbono no Ambiente

Carbono Fotossíntese Quimiossintese Autótrofos Mat. Org. (CHO) Biomassa CO2 + H2O Carbono Heterótrofos Respiração Combustão

Ciclagem do Carbono Carbono Fóssil (DEP.)

Onde está o Carbono? Reservatório de C [C] x 1011 ton % Total Biosfera   (100) Atmosfera 7,0 9.7 Biomassa 4,8 6.3 Águas continentais 2,5 3.5 Marinho 5,0 a 8,0 11.0 Mat. Orgânica do solo 30 a 50 70,0 Profundidade ( ate 16 Km) Detritos orgânicos (Mar.) 30 0,00037 Petróleo 100 0,00050 Marinho (abissal) 345 0,00170 Sedimentos 200.000 99,763

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

Ciclo da matéria orgânica – Biodegradabilidade aeróbia

Resumo do Carbono Organico no solo

· 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

Atmospheric carbon x temperature 1958 - 2000 Carbon Dioxide emissions have caused the atmospheric CO2 concentrations to increase by 13% since 1958. 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.

World CO2 levels at record high, scientists warn David Adam 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.

Química do carbonato em sistemas aquáticos CO2 + H2O H2CO3- H+ + HCO3- CaCO3 + H2O + CO2 Ca++ + 2HCO3- Solubilidade Acidez x alcalinidade

Dióxido de carbono nos oceanos: co2 X pH Ano

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 N2 gás inerte ( NN) Processos tipicamente microbiológicos Variação de estados de oxidação

Estados de Oxidaçao do N: N tem 5 eletrons e 9 estados deoxidaçao: de –3 to +5 Incremento do estado de oxidaçao -3 +1 +2 +3 +4 +5 NH3 Ammonia NH4+ Ammonium R1N(R2)R3 N Organico N2 N2O Oxido Nitroso NO Nitrico HONO acido Nitroso NO2- Nitrito NO2 Di-nitrogenio HNO3 Acido Nitrico NO3- Nitrato Numero de oxidaçao decrescente (reduçao)

O CICLO DO NITROGENIO: MAJOR PROCESSES Combustão relampagos ATMOSFERA N2 NO Oxidação Atmosf. HNO3 desnitrificaçao biofixaçao Deposição Chuva acida N ORG decomposiçao NH3/NH4+ NO3- BIOSFERA assimilação nitrificação intemperismo LITOSFERA

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

CICLO DO NITROGENIO – PRINCIPAIS FORMAS E PROCESSOS DE TRANSFORMAÇAO DO N 1 – Amonificaçao – Mineralizaçao 2 – Nitrificaçao 3 – Desnitrificaçao 4 – Fixaçao 5 – Assimilaçao – Imobilizaçao 6 – equilibrio químico (pH dependente) Matéria Orgânica SOLO-ÁGUA 1 2 3 NO3 NITRATO N2 NITROGÊNIO 5 NH3 AMONIA 6 4 NH4+ AMôNIO

CICLO DO NITROGÊNIO: AMONIFICAÇAO 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) --- 20 a 40 mg/l Impacto ambiental  elevado

CICLO DO NITROGENIO: NITRIFICAÇÃO Nitrificaçao: NH3  NO3- Processo realizado por bactérias autotróficas aeróbias 2 Etapas: Nitritaçao e Nitrataçao ( NH3  NO2  NO3) Principais bactérias: Nitrosomonas e Nitrobacter Diminuiçao do pH do meio  acidificação pela produçáo de HNO3 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: DESNITRIFICAÇAO N03  NO2  N2 Processo Anaeróbio e Excesso de matéria orgânica. Várias etapas e várias bactérias Perda de Nitrogênio de ecossistemas (Volatilizaçao) Chuva acida: formaçao ( N2O NO) Impacto ambiental  elevado Legislaçao : sem parametro de controle

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

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

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

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

Transformações do Fósforo (P)

Phosphorous Cycle

Formas de P Pi - Fósforo Inorgânico: Fosfato (PO4=) --> Dissolvido (Lábil) e precipitado apatita Ca3(PO4)2 - Variscita Fe(3)PO4 Polifosfato (Poli-P-P-P) P - orgânico Biomassa (Particulado) - Acidos Nucleicos, P-Lipídeos e ATP Fitina (Hexafosfato de Inositol) Fosfina (PH3) Formas complexadas não indentificadas

Onde está o fósforo?

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

Ciclo do Fósforo PO4= fixado ou ppt 1 PO4= solução Matéria Orgânica 3 2 Biomassa Microbiana Biomassa Plantas 4 5 1. Mineralização; 2 Assimilação; 3, 4 – Complexação e ppt; 5, Decomposição. Precipitado Lagos – oceanos etc

Fosfatases: ácida e alcalina Mineralização do P P-org -----------------> P-inorganico Fosfatases: ácida e alcalina Fungos e Bactérias O O R-OPOH + H20  ROH + OHPOH OH OH Fosfato Monoéster O || ROPOH | OH O || ROPOR” | OH Fosfato Diéster

Transformações do Enxofre (S)

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

FORMAS DO ENXOFRE (S)

Ciclo do enxôfre

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) ---> H2S

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.

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

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 SO4 < 5 a 250 mg/l Controle: aeração, calagem (pH >7)

OXIDAÇÃO DO ENXOFRE (S)