03 - Fluxo de Energia e Materia.pptx

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FLUXO DE MATÉRIA 
E ENERGIA 
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL 
Ciências do Ambiente – 1703103 
Turma 01 – Quinta 09:00 às 12:00 
Prof. Leonardo Vieira Soares 
• Qualquer coisa que tenha massa e ocupe lugar no espaço. 
• Pode ser de alta ou baixa qualidade, no sentido de quão útil é a forma 
de matéria aos humanos. 
• Pode mudar a sua forma física ou mudar a sua composição química. 
MATÉRIA 
 “ Podemos mudar elementos de uma forma física para outra, mas nunca 
CRIAR ou DESTRUIR qualquer um dos átomos envolvidos em qualquer 
alteração física ou química” (Miller, 2007, p. 26). 
A LEI DE CONSERVAÇÃO DE MATÉRIA 
DO PONTO DE VISTA AMBIENTAL 
“Segundo a lei de conservação de matéria, sempre 
produziremos poluentes...” 
NÃO HÁ UM “FORA” EM “JOGAR FORA” 
Ex.: lixo, fuligem da chaminé, tratamento de 
esgotos ... 
“...mas é possível geral muito menos poluentes e 
eliminar alguns do que produzimos.” 
RECICLAGEM 
• Capacidade de realizar trabalho e transferir calor. 
• A utilização de energia para desenvolver tarefas significa: 
movimentar-se e levantar algum objeto; acionar carros e aviões; 
aquecer o ambiente; cozinhar alimentos e utilizar a eletricidade para 
mover elétron e iluminar o quarto. 
O SOL É A FONTE DE ENERGIA PARA A BIOSFERA 
Ilumina e aquece o 
planeta 
Fornece energia para 
síntese de alimentos 
Distribui e recicla os 
elementos químicos 
ENERGIA 
1ª Lei da Termodinâmica: a energia não pode ser criada nem destruída, 
mas sim transformada de uma forma para outra. De modo geral, todas 
as formas de energia podem ser enquadradas em: 
 → Cinética: de movimento; 
 → Potencial: armazenada na matéria. 
 
2ª Lei da Termodinâmica: todo processo de transformação de energia 
dá-se a partir de uma forma de energia mais nobre p/ outra menos 
nobre. 
 → Calor: energia perdida e não recuperada; 
 → Trabalho gera calor  EFEITO ESTUFA 
(Consequência); 
 → Entropia: medida de energia interna não disponível. 
LEIS DA FÍSICA 
Transformações não sustentáveis. 
Fonte: Miller (2007, pg. 34) 
TRANSFORMAÇÕES NOS SISTEMAS 
Transformações sustentáveis. 
Fonte: Miller (2007, pg. 35) 
TRANSFORMAÇÕES NOS SISTEMAS 
Os fluxos de matéria e energia são melhores 
compreendidos quando entendemos os 
conceitos de: 
 
 
1. Cadeia Alimentar (Teia alimentar). 
 
2. Ciclos biogeoquímicos. 
“Caminho seguido pela ENERGIA no Ecossistema, desde os 
vegetais fotossintetizantes até os diversos organismos que deles se 
alimentam e servem de alimento para outros.” 
 As Cadeias Alimentares podem ser divididas em dois tipos: 
 CADEIA DE PASTAGEM: as que começam pelos vegetais 
vivos e passam pelos herbívoros e carnívoros. 
VEGETAIS → INSETO → SAPO → COBRA → SIRIEMA 
 CADEIA DE DETRITOS: as que iniciam pelos detritos 
vegetais e animais e passam pelos detritívoros. 
M. O. MORTA → BACTÉRIAS, FUNGOS E PEQ. INSETOS 
(reciclagem de matéria) 
CADEIA ALIMENTAR 
NÍVEL TRÓFICO: posição ocupada por todos os organismos que 
estão em um mesmo patamar da cadeia. 
VEGETAIS → INSETO → SAPO → COBRA → SIRIEMA 
 1º NT: Vegetais (Produtores) 
 2º NT: Inseto (Consumidor Primário) 
 3º NT: Sapo (Consumidor Secundário) 
 4º NT: Cobra (Consumidor Terciário) 
 5º NT: Seriema (Consumidor Quaternário) 
CADEIA DE PASTAGEM 
Teia Alimentar: interligação de diversas cadeias alimentares. 
 
 SEMENTES → PERIQUITO → SUCURI → GAVIÃO 
 3º NT: Consumidor Secundário 
 
 PLANTAS → INSETOS → SAPO → SUCURI →GAVIÃO 
 4º NT: Consumidor Terciário 
TEIA ALIMENTAR 
Cadeia de pastagem 
• Formada por microrganismos heterótrofos denominados de 
DECOMPOSITORES (bactérias e fungos) que se nutrem através de 
processos de absorção, mediante o lançamento de enzimas sobre a matéria 
orgânica morta. 
• Possui importância fundamental na RECIRCULAÇÃO DA MATÉRIA: 
liberam compostos inorgânicos que são assimilados pelos seres autótrofos 
para o seu crescimento e síntese de novos alimentos. 
IMPORTÂNCIA 
Estes processos têm sido utilizados no tratamento do lixo 
(produção de composto) e no tratamento de esgotos 
domésticos e industriais. 
CADEIA DE DETRITOS 
DECOMPOSIÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA 
• Aeróbia: feita por seres que vivem em ambiente que contém oxigênio. 
Neste processo, ocorre a liberação de CO2, H2O e Energia. 
• Anaeróbia: feita por seres que vivem em ambiente ausente de oxigênio. 
Neste processo, ocorre a liberação de ácidos, CH4 e sulfetos, entre outros. 
• Quantidade de matéria orgânica produzida, ou de 
energia fixada pelos produtores, que é transferida 
para os consumidores ao longo das cadeia 
alimentares. 
• Em termos de energia, as calorias incorporadas por 
cada nível trófico são denominadas de produtividade 
primária (1º NT), produtividade secundária (2º NT), 
produtividade terciária (3º NT)... 
PRODUTIVIDADE 
PPB = R + PPL 
• A Produtividade Primária Bruta (PPB) é a quantidade de 
material produzido pela fotossíntese, em um período fixo de 
tempo, dentro de um universo considerado (ecossistema, 
plantação ou indivíduo). 
• Respiração (R): automanutenção e dissipação de calor. 
• Produtividade Primária Líquida (PPL): parte de material 
produzido, que se torna útil como alimento para os 
consumidores. 
• Lei de Elton ou Lei dos 10%: PS = 10% PPL; PT = 10% PS ... 
PRODUTIVIDADE 
• Representações gráficas das cadeias alimentares, nas quais o 
primeiro nível trófico, ou nível produtor, forma sempre a base e 
os níveis sucessivos formam as camadas até o ápice. 
 
• Grande importância no manejo de ecossistemas; 
 
• Classificam-se: 
 
 Pirâmide de Números 
 
 Pirâmide de Biomassa 
 
 Pirâmide de Energia 
PIRÂMIDES ECOLÓGICAS 
PIRÂMIDE DE NÚMERO 
→ baseada no número de indivíduos de cada nível trófico. 
→ não possui um padrão. 
MILHO (100) 
RATO (15) 
(1) COBRA 
LARGATAS (100) 
(1) ÁRVORE 
PÁSSAROS (20) 
PIRÂMIDES ECOLÓGICAS 
PIRÂMIDE DE BIOMASSA 
• baseada no peso seco total, valor calórico ou outras medidas de quantidade 
de matéria viva. 
• normalmente, apresenta a base alargada. 
FENO (1000 kg) 
BEZERRO (250 kg) 
(70 kg) HOMEM 
PIRÂMIDES ECOLÓGICAS 
PIRÂMIDE DE ENERGIA 
• baseada na taxa de fluxo de energia e/ou na produtividade dos sucessivos 
níveis tróficos. 
• nunca é invertida e o fluxo de energia é unidirecional. 
• há sempre uma perda de energia útil. 
P – Fitoplâncton 
ED = 1.000 kcal 
CP – Zooplâncton 
ED = 100 kcal 
CS – Peixe 
ED = 10 kcal 
CT – Homem 
ED = 1 kcal 
Calor 
Decompositores 
Calor 
Decompositores 
Calor 
Decompositores 
Calor 
Decompositores 
PIRÂMIDES ECOLÓGICAS 
 BLOQUEIO NA CADEIA ALIMENTAR 
Destruição total de um dos elos da cadeia alimentar (nível trófico), 
podendo acarretar: 
 o desaparecimento total de elo seguinte e 
 a superpopulação do elo anterior, pois seu predador natural foi 
eliminado. 
 Exemplo: a eliminação de cobras, que atacam lavradores no campo, 
causa aumento da população de ratos e redução do número de 
animais comedores de cobra, como a seriema. 
RATO 
COBRA 
SIRIEMA 
Desequil íbr ios 
Aumento da concentração de elementos e compostos químicos, notadamente 
poluentes e prejudiciais à saúde dos seres vivos, ao longo da cadeia alimentar. 
 Como ocorre? devido à assimilação, pelo organismo desses compostos, 
quando se dá a síntese de tecidos e gorduras. 
 Fatores Predominantes: 
1. necessidade de um grande número de elementos do nível trófico 
anterior para alimentar um determinado elemento do nível trófico 
seguinte; 
2. poluente deve ser considerado recalcitrante ou de difícil degradação; 
3. poluente deve ser lipossolúvel. 
DESEQUILIBRIOS ECOLÓGICOS 
AMPLIFICAÇÃO ECOLÓGICA OU BIOMAGNIFICAÇÃO 
A Ç Ã O D O S E R H U M A N O ! 
 Lançamento de elementos tóxicos e pesticidas (Hg e 
DDT). 
 Caso da Baía de Minamata, Japão. 
 Concentração de DDT (Dicloro-Difenil-
Tricloroetanona) na cadeia alimentar, verificada 
em Long Island, EUA.Água (0,00005 ppm) → Plâncton (0,04 ppm) → peixe 
de pequeno Porte (0,94 ppm) → Ovo de Gavião 
Marinho (13,8 ppm) → Pato (22,8 ppm). 
 
 Conseqüência: Extinção de Animais. 
DESEQUILIBRIOS ECOLÓGICOS 
AMPLIFICAÇÃO ECOLÓGICA OU BIOMAGNIFICAÇÃO 
Elementos químicos essenciais à vida que são incorporados aos organismos na 
forma de compostos orgânicos complexos ou que participam de uma série de 
reações químicas essenciais às atividades dos seres vivos. 
 Macronutrientes: que participam de quantidades superiores a 0,2% do 
peso orgânico seco dos seres vivos; 
 Micronutrientes: que participam em quantidades inferiores a 0,2% p.o.s. 
Macronutrientes 
C H O N P S Cl K Ca Mg Fe 
Micronutrientes 
Al B Cr Zn Mo Co 
 NUTRIENTES: 
TRANSPORTE FÍSICO 
TRANSPORTE DE NUTRIENTES 
TRANSPORTE QUÍMICO 
TRANSPORTE DE NUTRIENTES 
INTERFERÊNCIA DO HOMEM 
TRANSPORTE DE NUTRIENTES 
CICLOS 
BIOGEOQUÍMICOS 
MEIO 
FÍSICO 
SERES 
VIVOS 
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS 
• Os principais ciclos biogeoquímicos que ocorrem na biosfera 
são: 
 Ciclo da Água 
 Ciclo do Carbono 
 Ciclo do Oxigênio 
 Ciclo do Nitrogênio 
 Ciclo do Fósforo 
 Ciclo do Enxofre 
• Que podem ser classificados como: 
 Hidrológico 
 Sedimentar: P e S 
 Atmosférico: C, O e N. 
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS 
a) No pequeno ciclo, as águas dos oceanos, lagos, rios, geleiras e 
as que se encontram infiltradas no solo sofrem evaporação pela 
ação do calor ambiental e passam à forma de vapor, dando 
origem às nuvens. Em seguida, nas camadas mais altas da 
atmosfera, o vapor d’água sofre condensação e retorna à crosta 
terrestre na forma de precipitações, chuvas, flocos de neve e 
granizo. 
b) No grande ciclo, bem mais complexo, é considerada a 
colaboração tanto dos animais, quanto dos vegetais. 
Mecanismos de hidratação (absorção de água), transpiração 
(secreção) e respiração (obtenção de energia) dos organismos 
geram concentrações relativas, provocando déficit ou acréscimo 
hídrico considerável, dependendo da amplitude de um 
ecossistema. 
CICLO HIDROLÓGICO 
Fonte: Braga et al. (2005) 
CICLO HIDROLÓGICO 
O homem tem interferido no ciclo da água através do 
desmatamento e da impermeabilização do solo que 
aceleram a evaporação e reduzem a recarga de 
aqüíferos, gerando, assim, maiores enchentes nos 
cursos d’água, que cortam centros urbanos, causando 
uma série de danos físicos e econômicos. 
Poluição dos recursos hídricos pelo lançamento de 
esgotos e uso de fertilizantes e pesticidas. 
Aumento do desperdício de água: consumo 
doméstico, irrigação sem planejamento e 
indústria sem reaproveitamento de água. 
CICLO HIDROLÓGICO 
• Reciclagem do carbono: 
Fotossíntese: 
6CO2 + 6H2O + Energia Solar → C6H12O6 + 6O2 
Respiração: 
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 640 Kcal ↑ 
CICLO DO CARBONO 
O carbono no meio aquático: 
A 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. 
CO2 ATM ↔ CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H
+ + HCO3
- ↔ 2H+ + CO3
- 
F
o
n
te
: 
B
ra
g
a 
et
 a
l.
 (
2
0
0
5
) 
CICLO DO CARBONO 
 O CARBONO NA CADEIA ALIMENTAR 
F
o
n
te
: 
B
ra
g
a 
et
 a
l.
 (
2
0
0
5
) 
CICLO DO CARBONO 
Combustíveis fósseis (Carvão Mineral, Óleo e Gás) e calcário. Estes 
combustíveis, quando queimados, liberam CO2 para atmosfera. 
F
o
n
te
: 
B
ra
g
a 
et
 a
l.
 (
2
0
0
5
) 
CICLO DO CARBONO 
• A ação do homem tem provocado desequilíbrios no ciclo do carbono, 
aumentando a concentração de CO2 na atmosfera e nos oceanos. As 
principais causas são: 
Desmatamento 
Consumo de 
Combustíveis Fósseis Queimadas 
• E as conseqüências? 
 Efeito Estufa (Aquecimento Global). 
 Chuvas Ácidas (Empobrecimento do Solo). 
 Acidificação dos Oceanos. 
 Perda de Biodiversidade. 
CICLO DO CARBONO 
Assim como o ciclo do carbono, o do oxigênio está estritamente relacionado 
aos processos de fotossíntese e respiração. 
O lançamento de esgotos como elevados teores de matéria orgânica, 
resultando na proliferação de bactérias decompositoras que consomem 
o oxigênio do meio, gerando, muitas vezes, condições de anaerobiose e 
causando a morte de peixes e de outros organismos aeróbios. 
CICLO DO OXIGÊNIO 
• A fixação do nitrogênio pode ser feita por processos físicos 
(ação de relâmpagos ou processos industriais na produção de 
fertilizantes) ou por processos biológicos (bactérias de vida 
livre, bactérias fotossintéticas, por algas e por bactérias 
associadas às raízes de plantas leguminosas). 
• No ciclo do nitrogênio, existem quatro mecanismos: 
1. Fixação do nitrogênio atmosférico em nitrato 
2. Amonificação 
3. Nitrificação 
4. Desnitrificação 
CICLO DO NITROGÊNIO 
• Ocorre por meio de microrganismos simbióticos de vida livre e 
fotossintéticos, como as bactérias do grupo rizóbio. 
• O NITRATO é rapidamente dissolvido na água do solo e fica disponível 
para as plantas. Essas plantas transformam o nitrato em grandes moléculas, 
que contêm o nitrogênio ou outras moléculas orgânicas nitrogenadas, 
necessárias à vida. 
• Esta prática é uma alternativa ao uso de fertilizantes sintéticos. 
Aplicação deste conceito no 
Cultivo de Hortaliças 
FIXAÇÃO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO EM NITRATOS 
Fonte: Braga et al. (2005) 
A partir das excreções dos seres superiores e da decomposição dos 
resíduos de vegetais e animais, os compostos nitrogenados são 
transformados em amônia (NH3) e íons de amônia (NH4
+). 
AMONIFICAÇÃO 
O processo de NITRIFICAÇÃO ocorre pela ação de bactérias aeróbias 
quimiossintetizantes que convertem amônia em nitrito (NO2
-) e, em seguida, o 
nitrato (NO3
-). Parte do nitrato produzido é absorvido pelos vegetais (o 
nitrogênio entra novamente na cadeia alimentar) e outra parte sofre o processo 
de DESNITRIFICAÇÃO, por ação de bactérias anaeróbias presentes em solos 
pouco aerados, passando para o nitrogênio em sua forma molecular N2. 
Fonte: Braga et al. (2005) 
Aplicação deste conceito no 
Tratamento de Esgotos 
Domésticos e em Processos 
Industriais 
NITRIFICAÇÃO E DESNITRIFICAÇÃO 
• A ação do homem tem provocado a poluição do ar pelo lançamento de 
óxidos de nitrogênio, a partir de indústrias e veículos automotores, 
causando danos ao homem e a outros organismos vivos. 
• Além disso, a síntese industrial de amônia a 
partir do nitrogênio gasoso, desenvolvida 
durante a 1ª Guerra Mundial, possibilitou o 
uso de fertilizantes sintéticos para o aumento 
da produtividade agrícola. Porém, o meio 
ambiente nem sempre está apto a assimilar 
este excesso, o que leva a eutrofização de rios 
e lagos, comprometendo a qualidade da água. 
Liberação de NOx 
NITRIFICAÇÃO E DESNITRIFICAÇÃO 
• O fósforo é um elemento constituinte das moléculas de DNA e RNA, além 
de componente de ossos e dentes. 
• O seu principal reservatório é a litosfera, mais precisamente as rochas 
fosfatadas e alguns depósitos formados ao longo de milênios. Pela ação 
erosiva dos ventos e das chuvas, o fósforo é liberado na forma de 
FOSFATO que será utilizado pelos produtores, entrando na Cadeia 
Alimentar. 
• Parte deste fósforo liberado é carregada para os oceanos, onde se perde em 
depósitos a grandes profundidades, ou é consumida pelo fitoplâncton. 
Fonte: Braga et al. (2005) 
CICLO DO FÓSFORO 
• Os organismos aquáticos consomem fósforo, retornando ao meio ambiente 
terrestre através de seus consumidores ou por meio dos dejetos (aves 
marinhas que depositam seus excrementos – Guano – no continente). 
• As excreções de organismos consumidores, bem como os produtos 
resultantes da decomposição da matéria orgânica (restos de vegetais e 
animais) lançam fósforo no meio, sendo este incorporado, novamente, nas 
cadeias alimentares. 
Fonte: Braga et al. (2005) 
CICLO DO FÓSFORO 
• O lançamento de esgotos domésticos e industriais, o uso de 
detergentes e fertilizantes agrícolas têm aumentado o teor de fósforonas águas, provocando sérios desequilíbrios ecológicos, como a já 
citada eutrofização. 
A ação predadora dos seres 
humanos sobre certas espécies de 
pássaros marinhos tem reduzido a 
taxa de retorno do fósforo para o 
continente. 
Guano de Aves da Costa do 
Peru e do Chile 
• Ao mesmo tempo, esta taxa de retorno é reduzida pela exploração da 
mineração, ocupação desordenada do solo e pelo desmatamento. 
CICLO DO FÓSFORO 
• O ciclo do enxofre é basicamente sedimentar, embora possua 
uma fase gasosa. Sua principal forma de assimilação pelos 
produtores é como sulfato inorgânico. 
• A maior parte do enxofre assimilado é mineralizado em 
processos de decomposição. Porém, sob condições anaeróbias, 
ele é reduzido a sulfetos, entre eles o de hidrogênio (H2S). 
• O enxofre, tanto na água como no solo, quando sobe a camadas 
mais aeradas, é oxidado, passando à forma de enxofre 
elementar. Sob condições anaeróbias e na presença de ferro, 
precipita-se formando sulfetos férricos. 
CICLO DO ENXOFRE 
• A ação do homem interfere nesse ciclo pelo lançamento de 
grandes quantidades de SO2 liberadas nos processos de queima 
de carvão e óleo combustível em indústrias e usinas 
termelétricas. Esse gás tem efeito danoso ao organismo dos 
seres vivos, além de provocar os fenômenos de Smog 
Industrial e Chuvas Ácidas. 
Smog Industrial, Pequin – China. 
CICLO DO ENXOFRE 
BIBLIOGRAFIA 
1. Araújo, Selma Maria de. Introdução às Ciências do Ambiente para 
Engenharia. Universidade Federal da Paraíba, Centro de Ciências e 
Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil. Apostila. 1997. 168 
p. 
2. Braga, B. P. F., Hespanhol, I., Conejo, J. G. L., Mierzwa, J. C., 
Barros, M. T. L. de, Spencer, M., Porto, M., Nucci, N., Juliano, N., 
Eiger, S. Introdução à Engenharia Ambiental. 2ª Edição. São Paulo: 
Pearson Prentice Hall, 2005. 318 p.