aula 4 O fluxo de matéria através dos ecossistemas

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O fluxo de matéria através 
dos ecosistemas 
Towsend, cap. 11, pags 421-431, 
Ricklefs, cap. 7 
O fluxo de matéria através dos 
ecossistemas 
• Organismos vivos gastam energia continuamente com o 
objetivo de extrair substâncias químicas do seu ambiente, 
para se manter e para usá-la por um período antes que eles 
a percam novamente. 
• As atividades dos organismos influenciam profundamente os 
modelos de fluxo de matéria química. 
• Água é o grande componente da matéria viva. 
• Compostos de carbono (C) constituem o resto, sendo a 
forma na qual a energia é acumulada e armazenada. 
Compartimentos 
• Pools de elementos químicos existem em compartimentos. 
• Alguns compartimentos ocorrem na atmosfera (CO2, N2) 
• Alguns nas rochas da litosfera (Ca em CO3Ca, K no feldspato) 
• Outros na água do solo, lagos ou oceanos (hidrosfera - NO3, 
H2PO4, H2CO3) 
• TODOS NA FORMA INORGÂNICA 
• Compartimentos contendo elementos na forma orgânica 
incluem organismos vivos, corpos mortos e em decomposição 
(C em celulose ou gordura, N em proteína, P em ATP) 
• Biogeoquímica é a ciência que estuda os fluxos dos 
elementos entre esses compartimentos 
Modelo geral de compartimento do ciclo dos elementos nos ecossistemas 
intemperismo 
Compostos orgânicos 
disponíveis indiretamente 
(petróleo, carvão) 
Compostos inorgânicos 
disponíveis indiretamente 
(calcáreo, vários minerais) 
 
Compartimento Biológico 
Processos mais intensos, 
mais rápido 
Compartimento Geológico 
Processos menos intensos, 
mais devagar 
Respiração, desassimilação 
e excreção, lixiviação 
Assimilação, 
fotossíntese 
Erosão 
Formação de rochas 
sedimentares 
Erosão, queima 
de combustíveis 
fósseis 
Carbono (C) 
• O C entra na estrutura trófica através do CO2 fixado na 
fotossíntese 
• C é consumido e excretado, assimilado ou usado no 
metabolismo, durante o qual a energia da sua molécula é 
dissipada como calor, enquanto o C é liberado como CO2 
para a atmosfera. Aqui termina a ligação entre energia e C. 
• A energia não pode ser reciclada, mas o C contido no CO2 
pode ser usado mais de uma vez na fotossíntese 
• C, N, P, etc estão disponíveis aos produtores primários como 
moléculas orgânicas simples ou íons na atmosfera (CO2) ou 
dissolvidos na água (nitrato, fosfato, potássio) 
• Cada um pode ser incorporado a compostos orgânicos 
complexos 
Carbono 
• Quando os compostos orgânicos são metabolizados a CO2, 
os nutrientes minerais são liberados mais uma vez sob forma 
inorgânica simples e estão disponíveis para absorção. 
• A fonte de nutrientes é alterável (ao contrário da radiação 
solar) conforme o consumo pela biomassa viva. 
• Sem a reciclagem dos nutrientes através da decomposição a 
vida na Terra cessaria 
 
 
 Ciclo complexo devido as várias reações químicas, 3 classes de 
processos fazem o C circular através dos ecossistemas: 
1) reações assimilativas e desassimilativas de C, principalmente 
fotossíntese e respiração 
2) Troca de CO2 entre atmosfera e oceanos 
3) Sedimentação (precipitação) de carbonatos (ambientes 
aquáticos) 
 CO2 + H2O → H2CO3 H2CO3 → H
+ + HCO3
- → 2 H+ + CO3
2- 
 Ác. Carbônico (H2CO3) se dissocia em bicarbonato (HCO3
- ) e íons carbonato 
 Ca2+ + CO3
2- ↔ CaCO3 tem baixa solubilidade e precipita 
 CaCO3 (insolúvel) + CO2 + H2O ↔ Ca
2+ + 2 HCO3
- (solúvel) 
 A fotossíntese muda o equilíbrio para a esquerda (pois consome 
CO2) resultando na formação e precipitação de carbonato de Ca. 
Ciclo do Carbono 
Caixas laranjas: ecossistemas terrestres 
Caixas azuis: ecossistemas aquáticos + atmosfera 
Valores dos compartimentos em 
1015 g ou gigatoneladas (Gt) e das 
transferências em Gt/ano 
As montanhas brancas de Dover: Cocolitos 
A maioria do carbonato da terra está nas rochas 
sedimentares 
Fluxo de nutrientes entre terra e água 
Movimento da água, sob a força da gravidade, 
que liga os estoques de nutrientes de 
comunidades terrestres e aquáticas 
Balanço de nutrientes 
 Em muitas comunidades 
existe um balanço anual 
aproximado no estoque 
do carbono: entre o que 
é fixado na fotossíntese 
e o que é perdido para a 
atmosfera como CO2 
oriundo da respiração de 
plantas, micro-
organismos e animais 
 
Estoques de nutrientes em ecossistemas terrestres: 
Fontes 
• Intemperismo da rocha matriz e do solo, por processos físicos 
e químicos, é a principal fonte de nutrientes como Ca, Fe, Mg, 
P e K, que podem ser absorvidos pelas raízes das plantas. 
• CO2 atmosférico é a fonte de C para comunidades terrestres 
• N2 atmosférico fornece a maior parte do N para essas 
comunidades, através das bactérias fixadoras de N. 
Leguminosas possuem rizóbios e aumentam seu aporte de N 
• Precipitação seca e úmida (chuva, neve, neblina) constituem 
fonte de gases traço tais como óxidos de S e N, aerossóis, 
partículas de poeiras de incêndios, vulcões ou vendavais, 
ricas em Ca, K e SO4. 
Estoques de nutrientes em ecossistemas terrestres: 
Perdas 
• Liberação para a atmosfera é uma via de perda de nutrientes 
• As plantas podem liberar gases. Dosséis de florestas 
produzem hidrocarbonetos voláteis (ex. terpenos) e florestas 
tropicais parecem emitir aerossóis contendo P, K e S. 
• Fogo converte o C de uma comunidade em CO2 e a perda de 
N como gás volátil tb pode ser grande. 
• Fluxo de corrente: água que drena do solo de uma 
comunidade terrestre para um curso de água transporta carga 
de nutrientes dissolvidos e particulados. 
• Com exceção do Fe e do P, que não são móveis nos solos, a 
perda de nutrientes é predominantemente em solução 
Estoques de nutrientes em comunidades aquáticas 
• Aporte de nutrientes no influxo da corrente (água que drena da 
terra, formas orgânicas e inorgânicas) 
• Exportação dos ecossistemas se dá na água de saída em lagos 
e riachos e no material em sedimentação nos oceanos que se 
acumulam nos sedimentos 
• Lagos em regiões áridas (endorreicos) perdem água por 
evaporação, sendo mais concentrados especialmente em Na e 
outros nutrientes como o P. São abundantes no mundo. Ricos 
em cianobactérias. 
 
 
 
Rota do Carbono nos oceanos 
 
Zonas mortas dos 
oceanos ou áreas 
carentes de oxigênio, 
causadas principal-
mente pela lixiviação 
do nitrogênio de 
fertilizantes agrícolas, 
esgotos e poluentes 
industriais. 
Inicialmente mudam o 
estado trófico, 
estimulam florações de 
microalgas e quando 
estas morrem 
consomem o oxigênio 
da água causando a 
morte de animais 
 Os nutrientes são movidos por grandes 
distâncias pelos ventos na atmosfera e 
através de cursos d´água e correntes 
oceânicas. 
 Não há limites naturais ou políticos. 
Ciclo global da água 
• Principais pools de água em % do total para a biosfera: 
• Oceanos (97,3%), gelo das calotas polares e glaciais (2,06%), 
água subterrânea (0,67%), rios e lagos (0,01%) 
• Proporção que está em trânsito – água que drena no solo, que 
flui ao longo dos rios, está presente como nuvens e vapor - é 
pequena (0,08%), mas desempenha papel decisivo para a 
biosfera, pois: 
 supre as necessidades dos organismos vivos e para a 
produtividade da comunidade 
 muitos dos elementos químicos são transportados com a água 
em movimento 
 
 
 
Ciclo global da água 
Caixas azuis: 
tamanhos 
estimados dos 
compartimentos 
Caixas cinzas: 
transferências entre 
compartimentos 
Valores expressos em bilhões de bilhões de gramas (1018) ou teratoneladas (Tt) por anoEnergia radiante provoca 
a evaporação da água 
para a atmosfera 
Ventos a distribuem sobre a 
superfície do globo e a precipi-
tação a traz de volta para a 
Terra 
A vegetação terrestre pode modificar os fluxos de nutrientes carreados pela água, pois 
intercepta a água em dois momentos desse trajeto: 1) evitando que ela chegue ao curso 
d´água e 2) causando seu retorno à atmosfera, retendo parte na folhagem (que irá 
evaporar) e absorvendo a água do solo (que depois será transpirada). 
Ciclo do Fósforo (P) 
• Principais estoques de fósforo estão na água do solo, rios, lagos e 
oceanos, rochas e sedimentos oceânicos 
• Um átomo de P “típico”, liberado da rocha por desagregação química, 
pode entrar em uma comunidade terrestre e nela ser ciclado por anos, 
décadas ou séculos, antes de ser transportado, via água subterrânea, 
para um curso d´água. Semanas, meses ou anos depois o átomo é 
transportado para o oceano. 
• No oceano, ele faz em média, ~ 100 percursos de ida e volta entre águas 
superficiais e profundas, cada um durando talvez mil anos. Durante cada 
percurso, ele é absorvido por organismos que habitam a superfície, antes 
de ser novamente fixado nas profundezas. Em média, na sua centésima 
descida, ele deixa de ser liberado como P solúvel, passando a fazer parte 
do sedimento sob forma particulada. 
 
 
Ciclo do Fósforo (P) e escalas de tempo 
• Talvez nos próximos 100 milhões 
de anos o fundo oceânico se eleve 
por atividade geológica, tornando-
se terra seca. 
• O átomo de P encontrará por fim, 
seu caminho de volta para o mar, 
por meio de algum rio, para sua 
existência de ciclo (absorção 
biótica e decomposição) dentro de 
outro ciclo (mistura oceânica) 
dentro de outro ciclo 
(soerguimento continental e 
erosão) 
Ciclo do fósforo (P) 
Envolve solo e compartimentos 
aquáticos. 
Só entra na atmosfera como 
poeira. 
Em sistemas aquáticos bem 
oxigenados, o P se liga ao Fe ou 
ao Ca e forma compostos 
insolúveis. Em condições anóxicas, 
o P forma sulfetos solúveis 
Ciclo do nitrogênio (N) 
• Junto com o P é um dos elementos que mais frequentemente limita o 
crescimento dos produtores primários 
• Muitas formas oxidadas e reduzidas são possíveis para átomos de N 
• Fase atmosférica é considerada como predominante no ciclo do N 
 • Maior parte entra nas vias biológicas 
através de sua assimilação por certos 
micro-organismos - Fixação de N: 
N2 → NH3 (enzima nitrogenase), embora 
esta via constitua uma pequena fração do 
fluxo de N anual terrestre. 
• Produtores primários em geral absorvem 
NH3 ou NO3 que dentro das células são 
reduzidos para uma forma orgânica 
Principais transformações de compostos no ciclo do N 
• Amonificação: Decomposição de proteínas em aminoácidos por 
hidrólise, produzindo amônia (NH3). Realizada por todos os 
organismos 
• Nitrificação: Oxidação do N, primeiro NH3 → NO2 e depois → NO3 
• Cada passo realizado por bactérias especializadas 
• Só podem ocorrer na presença de agentes oxidantes poderosos, 
como O2, que age como receptor de elétrons 
• Denitrificação: NO3→NO2→NO Ocorre em ambientes anóxicos e é 
importante para a decomposição de MO em solos e sedimentos. 
Contudo NO é volátil e escapa para fora do solo como gás 
• Pode ocorrer: NO→N2O→N2, com a perda de N da circulação 
biológica para a atmosfera 
 
Transformações de compostos no ciclo do Nitrogênio 
 
Ciclo do nitrogênio (N) 
Nitrogênio 
No oceano: 
• N2 (gás) (95% do N total) 
• NO3
- (3,3%) 
• NO2
-, NH4
+ (1,7%) 
 
Produção nova x regenerada 
Em lagos: 
• Fonte: rios e lavagem do 
solo 
• Oligotróficos: NO3
- 
• Eutróficos: NH4
+ 
Outras fontes de N: 
• Formas orgânicas dissolvidas (uréia, aa livres) 
• Fixação atmosférica 
 Nitrogênio: 
Necessário na 
síntese de 
aminoácidos, 
proteínas, ácidos 
nucléicos, 
pigmentos 
 
Nitrogênio 
Fonte: Graham & Wilcox, 2000 
RON: Nitrogênio 
orgânico reduzido 
Fixação de Nitrogênio 
Nódulos das raízes de soja (à esquerda) abrigam bactérias simbióticas 
fixadoras de nitrogênio, como mostrado na micrografia de MEV a direita, em 
vermelho. (Fonte: Ricklefs) 
Ciclo do Enxofre (S) 
• Ciclo do S tem uma fase atmosférica e outra litosférica, de 
magnitudes semelhantes 
• 3 processos biogeoquímicos naturais liberam S para a atmosfera: 
• Aerossóis marinhos 
• Respiração anaeróbica por bactérias redutoras de sulfato – liberam 
H2S de turfeiras submersas, pântanos e planícies de maré 
• Atividade vulcânica (menos importante) 
• Intemperismo de rochas fornece ~ 
metade do S que escoa da terra para rios e 
lagos, e o restante deriva de fontes atmos-
féricas. Sulfatos são absorvidos por plantas 
e passam por cadeias alimentares 
• Em comparação com N e P, uma fração 
bem menor de S está envolvido na 
reciclagem interna da biosfera 
Ciclo do Enxofre (S) 
Intemperismo 
Bactérias quimioautotróficas formam a base da cadeia alimentar nas comunidades de 
chaminés hidrotérmicas. Diferentes bactérias habitam tais ecossistemas, todas usam o 
CO2 como fonte de C, mas obtêm energia pela redução de substratos inorgânicos como 
o H2S. Todos os demais membros se alimentam dessas bactérias. 
Vermes de tubos (Riftia pachyptila) 
Impactos humanos sobre ciclos biogeoquímicos 
• Atividades humanas contribuem com significativa entrada de 
nutrientes nos ecossistemas e rompem ciclos biogeoquímicos 
locais e globais 
• Queima de combustíveis fósseis e escapamentos de automóveis: 
↑ CO2, óxidos de N e S 
• Práticas agrícolas ↑ P e N no solo e em sistemas aquáticos 
• Deposição de resíduos no solo 
 
Aulas Datas Conteúdo 
1 26 abril Introdução: Uma visão geral da ecologia 
2 3 maio Ecossistemas 
3 10 maio Energia, estudo dirigido 
17 maio Aula cancelada devido a chuva 
4 24 maio Ciclos biogeoquímicos 
31 maio Feriado Corpus Christis 
5 7 junho Fatores limitantes 
6 14 junho 1a Avaliação escrita 
7 
 
21 junho 
 
Biomas e vídeo de Polo a polo 
8 
 
28 junho 
 
Sustentabilidade e Poluição, 
 Vídeo Uma verdade inconveniente 
9 
 
5 julho 
 
Fontes de energia e vídeo Biodigestores 
10 
 
12 julho 
 
Ecologia fisiológica 
11 
 
19 julho 
 
Ecologia evolutiva e conversa sobre seminários (10 min. 
+ 5 min. de perguntas/discussão) 
26 julho Feriado: Jornada Mundial da Juventude 
12 2 agosto 2a Avaliação escrita 
13 9 agosto Apresentação dos seminários 
14 agosto Prova de segunda chamada P1 e P2 (quarta-feira) 
14 16 agosto Prova Final 
PROGRAMA: 1º SEMESTRE DE 2013 
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• E-MAIL: ecologiaunirio@gmail.com 
• SENHA: ecologia