Fundamentos de Engenharia Ambiental

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23/05/2013
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1.Ecologia
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
1.3. Crise Ambiental
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
Fundamentos de Engenharia Ambiental (DEA 07756)
Prof. Celson Rodrigues
ECOLOGIA
� OYKOS = CASA
� LOGOS = ESTUDO
� ESTUDO DO AMBIENTE COMO UM TODO ( FISICO,
QUIMICO E BIOLÓGICO) E SUAS INTERAÇÕES.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
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ECOLOGIA
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Energia
Seres 
vivos
Meio 
Abiótico
Biomassa
Populações
Comunidades
Biocenoses
Habitat
Nicho
Água
Rochas
Itemperismo
Minerais
Nutrientes
Matéria Organica
“Resíduos”
Energia Luminosa
Energia Química
ECOLOGIA
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
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�Célula
�Tecido
�Órgão
�Sistema
�Organismo
�População
�Comunidade
�Ecossistema
�Biosfera 
Espécie - conjunto de 
indivíduos semelhantes e 
capazes de se inter-cruzar 
(reproduzir), em condições 
naturais, produzindo 
descendentes férteis. 
População - conjunto de 
indivíduos da mesma espécie, 
que vivem na mesma área e no 
mesmo tempo, mantendo entre 
si certa interdependência .
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Ecossistema:
Biótopo +Biocenose 
– meio abiótico 
– meio biótico. 
Comunidade ou Biocenose
conjunto de
populações 
interdependentes que 
vivem em
determinada área
geográfica
Biótopo
ambiente físico ou químico 
onde
vive a comunidade (área 
explorada pela
comunidade)
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
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ECOSSISTEMA
�Unidade de Estudo Ecológico
� INTERAÇÃO de aspectos fisico, químico e
biológico de uma área;
� EXTENSÃO: variável
�Por exemplo: um aquário, uma ilha, uma
floresta, ou seja, depende da amplitude de
suas análises.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
�Exemplo: Ecossistema Costeiro
�A Região Costeira, pode ser considerada
como um grande ecossistema, bem como
suas subdivisões: estuários, ilhas, manguezais,
restingas, dunas, praias, falésias, costões
rochosos e recifes de corais.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
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Spartina brasiliensis (gramínea) 
2- Usnea barbata (barba-de-velho) 
3- líquen incrustante
4- Rhizophora mangle (mangue-vervelho ou
bravo) 
5- Avicenia schaueriana (mangue-seriba ou
seriúba) 
6- Laguncularia racemosa (mangue-branco) 
7- Hibiscus tiliaceus (hibisco ou
algodãonzinho-da-praia) 
8- Acrosticum aureum (samambaia do mangue) 
9- Ardea cocoi (garça-cinzenta) 
10- Ardea alba (garça-branca-grande)11-
Eudocimus ruber (guará) 
12- Aramides mangle (saracura-do-mangue) 
13- Cardisoma guanhumi (guaiamu)
14- Ucides cordatus (caranguejo-uçá)
15- Goniopsis cruentata (maria-mulata ou
aratu)
16- Callinectes sp. (siri-azul)
17- Uca uruguayensis (chama-maré)
18- ninho de termita (cupinzeiro) 
19- Crassostrea rhizophora (ostra-do-mangue)
Ecossistema Manguezal
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Ecossistema Manguezal
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
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Meio ambiente
� Tudo o que cerca o ser vivo, que o influencia e que é
indispensável à sua sustentação. Estas condições incluem solo,
clima, recursos hídricos, ar, nutrientes e os outros organismos.
O meio ambiente não é constituído apenas do meio físico e
biológico, mas também do meio sócio-cultural e sua relação
com os modelos de desenvolvimento adotados pelo homem.
Biota
� Conjunto de seres vivos que habitam um determinado
ambiente ecológico, em estreita correspondência com as
características físicas, químicas e biológicas deste ambiente.
Abiótico
� É o componente não vivo do meio ambiente. Inclui as
condições físicas e químicas do meio.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Bioma
� Amplo conjunto de ecossistemas terrestres caracterizados por tipos
fisionômicos semelhantes de vegetação, com diferentes tipos
climáticos. É o conjunto de condições ecológicas de ordem climática
e características de vegetação: o grande ecossistema com fauna,
flora e clima próprios. Os principais biomas mundiais são: tundra,
taiga, floresta temperada caducifólia, floresta tropical chuvosa,
savana, oceano e água doce.
Ciclos Biogeoquímicos
� As substâncias são continuamente transformadas durante a
composição e a decomposição da matéria orgânica, sem escapar da
biosfera. Elas são recicláveis. Os caminhos percorridos ciclicamente
entre o meio abiótico e o biótico pela água e pelos elementos
químicos carbono, oxigênio e nitrogênio constituem os ciclos
biogeoquímicos
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
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Habitat 
� Local onde uma determinada espécie vive.
Nicho Ecológico 
� papel que determinado ser executa dentro do seu habitat (predador, 
produtor, etc).
Homeostase
� equilíbrio do sistema. 
Tempo de resposta
� tempo para se acionar o sistema de auto-regulação.
Biomassa
� quantidade total de matéria viva. 
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
A Vida, como a conhecemos, requer 
basicamente matéria e energia para 
ocorrer
Matéria é algo 
que ocupa 
lugar no espaço
Energia é a capacidade 
de realização de 
trabalho
Em qualquer sistema natural, matéria e 
energia são conservadas, ou seja, não 
se criam nem se destroem matéria nem 
energia
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
ENERGIA X VIDA
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Fluxo de Energia nos Ecossistemas
A ENERGIA FLUI DE PRODUTORES PARA DECOMPOSITORES
����
UNIDIRECIONAL
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Fluxo de Energia nos Ecossistemas
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
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Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
A cadeia alimentar ou trófica é uma
seqüência de seres vivos/populações
que se alimentam uns dos outros. É a
maneira de expressar as relações de
alimentação entre os organismos de
uma comunidade/ecossistema,
iniciando-se nos produtores e
passando para os consumidores
(herbívoros, predadores) e
decompositores, por esta ordem. Ao
longo da cadeia alimentar há uma
transferência de energia e de
nutrientes.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
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Interações ecológicas entre os seres vivos
Grupos 
Interativos
Interações 
Harmônicas
Interações 
Desarmônicas
Intra Específica
Colônia (+)
Sociedade (+)
Competição (-)
Inter Específica
Mutualismo (+ +)
Cooperação (+ +)
Comensalismo (+ 0)
Inquilismo (+ 0)
Epifitismo (+ 0)
Competição (- -)
Parasitismo (+ -)
Predatismo (+ -)
Amensalismo (+ -)
O sinal (+) indica vantagem para a espécie, o sinal (-) indica prejuízo 
para a espécie, e o sinal (0) indica que a espécie não é beneficiada nem 
prejudicada.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
As interações de comensalismo, inquilinismo e epifitismo são estudadas dentro de
um mesmo grupo onde uma espécie é beneficiada e a outra é neutra, não sendo
beneficiada nem prejudicada. Muitas vezes estas interações são caracterizadas como
sendo uma relação alimentar no comensalismo, uma relação onde uma espécie usa
outra para proteger-se como no caso do inquilinismo ou no caso de uma planta
vivendo sobre outra, usando-a como suporte, é chamada de epifitismo.Relação de comensalismo entre o tubarão e rêmora.
Relação de inquilinismo entre pepino-do-mar e peixe-agulha.
Exemplos de interações ecológicas entre os seres vivos
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
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Energia e fluxo de Matéria Orgânica
C02 Biomassa
Níveis tróficos
Níveis tróficos
Níveis tróficos
Matéria Orgânica 
(C-org)
Minerais
Energia
1. Fotossíntese e Quimiossíntese
2. Cadeia Alimentar
3. Decomposição
4. Respiração aeróbia (mineralização) 
5. Respiraçao anaeróbia (metanogênse)
1 2
3
4
4
CH4CH4 5
TEIA (CADEIA) ALIMENTAR
Produção Primária
Ambientes Aquaticos: Bactérias, Cianobactérias e Algas
Ambientes Terrestes: Plantas
Consumidores
Ordens (cadeias e interações)
Decompositores e Detritívoros
Matéria orgânica – ciclo.
Bioacumulação, Bioamplificação ou Biomagnificação
Compostos inorgânicos: Ex. metais pesados
Compostos Orgânicos: Ex. pesticidas (Agrotóxicos) 
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
TEIA ALIMENTAR
Caminhos opcionais 
da matéria orgânica 
nos ecossistemas. 
São superposições 
de cadeias.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Fluxo de Energia nos Ecossistemas
A ENERGIA DECRESCE A CADA NÍVEL TRÓFICO
POR ISSO:
AS CADEIAS ALIMENTARES SÃO NORMALMENTE COMPOSTAS
DE POUCOS NÍVEIS TRÓFICOS
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Pirâmides de Fluxo de Energia
Energia
Biomassa
Números
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
� Ecossistemas terrestres;
� Ecossistemas aquáticos (plânctons, bentos, néctons);
� Ecossistemas de água doce (lênticos, lóticos);
� Rios, lagos, oceanos, estuários;
� Tundras;
� Florestas (de coníferas, temperadas de folhas caducas,
tropicais);
� Campos;
� Desertos.
Grandes ecossistemas distribuídos na superfície 
terrestre:
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
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Grandes Biomas
Grandes Biomas
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
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Biomas do Brasil
BIOMAS 
CONTINENTAIS 
BRASILEIROS
ÁREA 
APROXIMADA 
(km2)
ÁREA/TOTAL
BRASIL
AMAZÔNIA 4.196.943 49.29%
CERRADO 2.036.448 23.92%
MATA ATLANTICA 1.110.182 13.04%
CAATINGA 844.453 9.92%
PAMPA 176.496 2.07%
PANTANAL 150.355 1.76%
ÁREA TOTAL BRASIL 8.514.877 100%
Bioma é conceituado no mapa como um conjunto
de vida (vegetal e animal) constituído pelo
agrupamento de tipos de vegetação contíguos e
identificáveis em escala regional, com condições
geoclimáticas similares e história compartilhada de
mudanças, o que resulta em uma diversidade
biológica própria.
ftp://ftp.ibge.gov.br/Cartas_e_Mapas/Mapas_Murais/biomas_pdf.zip
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Dinâmica Populacional
População
♦ Densidade = nº de indivíduos/espaço
♦ Taxa de natalidade: nº de nascimentos/tempo
♦ Taxa de mortalidade = nº de mortes/tempo
O crescimento verificado às custa de elevada taxa
de natalidade sobre a de mortalidade é
denominado crescimento vegetativo.
♦ Dispersão
Trata-se do movimento de indivíduos para dentro
(imigração) ou para fora (emigração) da
população.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
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Dinâmica Populacional
♦ Distribuição por faixa etária
♦ Crescimento populacional
– A estabilidade da população depende do antagonismo 
entre dois fatores: potencial biótico e resistência 
ambiental.
– potencial biótico: capacidade inata de uma população 
para crescer em condições favoráveis.
– Resistência ambiental: conjunto de fatores capazes de 
limitar o crescimento populacional: efeito do clima, 
competição entre indivíduos, falta de alimento, etc.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Dinâmica Populacional – MODELOS MATEMÁTICOS
ARITMÉTICO GEOMÉTRICO LOGÍSTICO 
)t-(t KaPP 22 += 











=
12
2
t-t
t-t
1
2
2 P
PPP bT-ae1
kP
+
=
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
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Dinâmica Populacional
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Dinâmica Populacional
Aumento da população mundial:
� 1950 → 2,52 bilhões de pessoas
� 2007 → 6,58 bilhões de pessoas
� 2050 → 8,92 bilhões de pessoas 
(projeção)
Distribuição da População no Brasil:
Brasil (2006) → 186,771 milhões de 
pessoas
� Urbana → 81,25 %
� Rural → 18,75 %
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
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Dinâmica Populacional
Densidade demográfica segundo as Grandes Regiões do Brasil - 2007
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Nutrientes: elementos essenciais à vida disponíveis
para os produtores, em forma molecular ou iônica.
� Macronutrientes: participam em quantidades superiores a 0,2% do p.o.s.:
– carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O),
nitrogênio (N), fósforo (P), enxofre (S), cloro (Cl),
potássio (K), sódio (Na), cálcio (Ca), magnésio
(Mg) e ferro(Fe).
� Micronutrientes: participam em quantidades inferiores a 0,2% do p.o.s.:
– alumínio (Al), boro (B), cromo (Cr), zinco (Zn),
molibdênio (Mo), vanádio (V) e cobalto (Co).
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
A energia é armazenada na forma de nutrientes
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Ciclos Gasosos - o depósito está na atmosfera ou hidrosfera, composto
dos seguintes nutrientes:
Oxigênio Reservatório é a atmosfera
Carbono
Grande reservatório está na hidrosfera, na forma 
de gás carbônico, embora também esteja presente 
na atmosfera;
Nitrogênio Reservatório é a atmosfera.
Água Os depósitos são o mar, rios, lagos, rochas 
sedimentares.
Fósforo Os reservatórios são as rochas formadas em 
remotas eras geológicas.
Enxofre O maior reservatório são as rochas e sedimentos.
Ciclos Sedimentares - depósito está na crosta terrestre, composto dos
seguintes nutrientes:
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
É por meio dos ciclos biogeoquímicos que
os elementos químicos e compostos
químicos são transferidos entre os
organismos e entre diferentes partes do
planeta.
um mesmo lugar.
O ciclo biogeoquímico é o
percurso realizado no meio
ambiente por um elemento
químico essencial à vida. Ao
longo do ciclo, cada elemento
é absorvido e reciclado por
componentes bióticos (seres
vivos) e abióticos (ar, água,
solo) da biosfera, e às vezes
pode se acumular durante um
longo período de tempo em
um mesmo lugar.
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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Ciclo do Carbono
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
Carbon Forms: CO2, CO, CH4, H2CO3, organic matter, CaCO3
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Carbono
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Carbono
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Carbono
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Fotossíntese
2612622 666 OOHCOHCO
LUZ +→+
energiaOHCOOOHC ++→+ 2226126 666
Fotossíntese
Respiração
Síntese de Compostos Orgânicos
Ciclo do Carbono
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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.
Carbono atmosférico 
X
Temperatura (1958 – 2000)
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Mudança de uso da terra e perda da MO do solo
� Eliminaçãodo carbono da 
vegetação para implantação 
de pastagens, plantações e 
sistemas urbanos
Foley et al. 2005, NASA LCLUC Program.
Ocupação por pastagens/plantações 
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Nitrogênio
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Nitrogênio
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Nitrogênio
Imagem: Botkin e Keller (1995); Fluxos: Reeburgh (1997)
BIOMASSA 
TERRESTRE
3500 Tg N
ATMOSFERA
4.000.000.0000 
Tg N (N2)
SOLO (M.O)
9500 Tg N
BIOMASSA MARINHA
4700 Tg N
SEDIMENTOS
400.000.000 Tg N
Estoques de nitrogênio
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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30%
70%
Humanos: adição de 
mais 175 Tg de N 
(duplicaram o 
Nitrogênio reativo!)
Impacto humano
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Impacto humano
• Contaminação da água (mudança de composição e pH, 
afetando os recifes em escala global);
• Impacto no ciclo do carbono;
• Chuva ácida (HNO3)
Fixação industrial de nitrogênio
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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Impacto humano
Fixação industrial de nitrogênio
Lixiviação NRunoff N
Contaminação da água 
subterrânea com nitratos
Eutrofização
0,5 5 50 
kg N.ha-1.ano-1
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do fósforo
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do fósforo
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do fósforo
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do enxofre
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
O ciclo do enxofre
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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O ciclo do enxofre
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do
Oxigênio
O oxigênio molecular (O2) compõe cerca de 21% da atmosfera terrestre. Este oxigênio
satisfaz as necessidades de todos os organismos terrestres que o respiram no seu
metabolismo.O principal fator na produção de oxigênio é a fotossíntese, que regula a
relação gás carbônico/gás oxigênio na atmosfera. Na atmosfera, encontra-se como
oxigênio diatômico/oxigênio molecular (O2), dióxido de carbono (CO2), ozônio (O3),
dióxido de nitrogênio (NO2), monóxido de nitrogênio (NO), dióxido de enxofre (SO2), etc.
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do
Oxigênio
(0,001%).
O ciclo hidrológico é
dirigido pela energia solar
e compreende o
movimento da água dos
oceanos para a atmosfera
por evaporação e de volta
aos oceanos pela
precipitação que leva à
lixiviação ou à infiltração.
Cerca de 97% do
suprimento de água está
nos oceanos, 2% nas
geleiras e muito menos
que 1% na atmosfera
(0,001%).
Ciclo Hidrológico
lençóis freáticos é adequada ao consumo humano.
Aproximadamente 1% do total da água contida nos rios, lagos e 
lençóis freáticos é adequada ao consumo humano.
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo Hidrológico
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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� Modelo de Produção e Consumo na Floresta
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
McKinney and Schoch 2003
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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AQUECIMENTO GLOBAL
1.3. Crise Ambiental
AQUECIMENTO GLOBAL
1.3. Crise Ambiental
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GEEs - emissões
Metano
24%
Dióxido de
carbono
63%
Óxido
nitroso 10%
Outros: 3%
Fonte: IPCC
1.3. Crise Ambiental
AQUECIMENTO GLOBAL
População, Homem e Recursos Naturais 
Recurso natural é qualquer insumo de que os 
organismos, populações e ecossistemas necessitam 
para sua manutenção.
Recursos 
Naturais 
Tecnologia e 
Economia
1.3. Crise Ambiental
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População, Homem e Recursos Naturais 
1.3. Crise Ambiental
� A permanência da perturbação pode impedir a auto-depuração.
�RECURSOS HÍDRICOS LANÇAMENTO DE ESGOTO
1.3. Crise Ambiental
População, Homem e Recursos Naturais 
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Impactos ambientais e ações antrópicas (nocivos): 
1. Eutrofização de corpos d’água;
2. Contaminação de lençóis freáticos;
3. Metais pesados em sedimentos - Ecossistemas costeiros;
4. Poluição residual por agrotóxicos – Agroecossistemas;
5. Desmatamento e garimpos;
6. Destinação inadequada de resíduos sólidos;
7. Emissão excessiva de poluentes atmosféricos;
8. Projetos urbanos e rurais sem sustentabilidade (ou falta).
1.3. Crise Ambiental
Solução: Desenvolvimento Sustentável
Qual a nossa 
eficiência?
1.3. Crise Ambiental
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Desenvolvimento Sustentável
1.3. Crise Ambiental