Ecossistemas parte 3 - Ciclos Biogeoquímicos

Prévia do material em texto

Ciclos Biogeoquímicos
Os nutrientes retornam a base da cadeia e são usados pelos produtores.
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.
MOM: matéria orgânica morta
- Estoque de nutrientes em comunidades terrestres
A vegetação tem papel fundamental na retenção de nutrientes. Assim, as plantas “seguram” os nutrientes no colo, como N, C, PO4, S2, Ca.
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. A energia não pode ser reciclada, mas o C contido no CO2 pode ser usado mais de uma vez na fotossíntese.
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.
Liberação para a atmosfera é uma via de perda de nutrientes.
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.
- Fluxo 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.
Zonas mortas dos oceanos ou áreas carentes de oxigênio, causadas principalmente 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.
- Fluxo de nutrientes solo-água
Grande degradação dos solos agrícolas – taxa de 0,1% ao ano, incluem:
- Más práticas agrícolas;
- Secas;
- Pressão populacional;
- Desertificação;
- Uso indiscriminado fertilizantes e agrotóxicos;
- Erosão;
- Desmatamento;
- Queimadas;
- Obras de grande porte;
- Mineração;
- Contaminação hidrocarbonetos.
- Importância dos ecossistemas para a reciclagem de nutrientes
A ciclagem de nutrientes é um processo de suma importância para o equilíbrio ecológico e a sustentabilidade das florestas naturais. O estudo da ciclagem de nutrientes é fundamental para o conhecimento da estrutura e funcionamento de ecossistemas florestais. Entretanto, cada ecossistema tem sua forma característica de armazenar e reciclar os nutrientes entre seus compartimentos.
Em um estudo de duas bacias, uma com vegetação e outra sem vegetação, foi constatado que a concentração de nutrientes dissolvidos aumentou 13 vezes na bacia sem vegetação. Isso ocorre devido a perda das folhas e do rompimento da ciclagem interna de nutrientes.
Degradação de ecossistemas terrestres:
- Perda de nutrientes;
- Empobrecimento do substrato,
- Reposição de nutrientes e biomassa.
Assimilação dos nutrientes
- Cerca de 10% dos nutrientes assimilados pela vegetação são originados do intemperismo das rochas.
- A produção vegetal depende da rápida regeneração dos nutrientes a partir dos detritos (≥ 90%).
Essa degradação ameaça a fertilidade das terras e qualidade das águas. O solo perde a sua funcionalidade e o equilíbrio ecológico em geral. São necessários cerca de 500 anos para que se forme uma camada de solo de 2,5 cm de espessura.
Uso de macrófitas auxilia na retenção física de matéria orgânica e material particulado. A remoção frequente desta vegetação aquática permite que uma quantidade maior de nutrientes seja retida nas raízes de novos indivíduos. 
Mecanismo eficiente para remoção de contaminantes da água tratamento de esgoto doméstico (remoção de 99,5% de coliformes fecais, 70-80% de redução de DBO [demanda biológica de oxigênio], para nutrientes).
Degradação de ecossistemas aquáticos:
- Aumento da carga de nutrientes;
- Aumento de produção de biomassa (eutrofização);
Medidas: Redução de nutrientes e manejo da biomassa.
Os nutrientes passam pela teia trófica aquática via invertebrados:
Estudos verificaram o aumento da ciclagem de nutrientes em uma bromélia devido aos predadores. O grupo controle só possui insetos, o segundo grupo somente detritívoros e o terceiro grupo detritívoros e predadores. Foi visto que no segundo grupo os adultos levavam nutrientes da bromélia. No terceiro grupo os predadores reduziam a perda de nutrientes. 
- Ciclo biogeoquímico
É o movimento ou o ciclo de um determinado elemento ou elementos químicos através da atmosfera, hidrosfera, litosfera e biosfera da Terra. 
As substâncias são continuamente transformadas durante a composição e decomposição da matéria orgânica (recicláveis).
Fontes de Nutrientes
- Fontes minerais: Principalmente solo – K, Ca, Mg, P, Fe.
- Fontes atmosféricas: Carbono; Nitrogênio, Oxigênio, etc.
- Importância da decomposição na reciclagem de nutrientes
Os seres decompositores nutrem-se dos restos de seres vivos, tais como plantas e animais, e liberam na natureza sais minerais e outros nutrientes. Esses nutrientes são então utilizados pelos organismos produtores, como as plantas, sendo, portanto, reaproveitados. Dessa forma, podemos concluir que a decomposição favorece a ciclagem dos nutrientes. A decomposição faz com que cadáveres de animais, restos de plantas e até mesmo nossos alimentos sejam degradados.
Ciclo da água
Oceanos (97,3%), gelo das calotas polares e glaciais (2,06%), água subterrânea (0,67%), rios e lagos (0,01%).
Um dos ciclos básicos para a vida na Terra, o ciclo da água tem seu início com a evaporação das águas dos oceanos, lagos e rios. Essa evaporação se dá por causa do calor provocado pelo Sol e pela ação dos ventos, transformando a água do estado líquido para o estado gasoso.
O vapor de água, por ser mais leve que o ar, sobe na atmosfera formando nuvens.
Quando as nuvens são atingidas por temperaturas mais baixas, o vapor de água se condensa e se transforma em gotículas que se precipitam de volta à superfície em forma de chuva.
Nas regiões muito frias, essas gotículas se transformam em flocos de neve ao se precipitarem.
As águas da chuva ficam retidas no solo nas áreas onde há vegetação. Essa água é usada pelas plantas. Outra parte da água acaba indo para os rios e lagos.
A água não utilizada pelas plantas passa através de pedras permeáveis e acaba se dirigindo para grandes reservatórios no subterrâneo, formando os chamados lençóis de água, que fluem de volta para os oceanos.
A evaporação das águas da superfície terrestre é constante e novos ciclos se formam a todo instante.
O homem, os animais e as plantas também contribuem para a formação de vapor de água, por expiração durante o processo de respiração.
- Uso humano da água – pressões:
Somente 1% da água nos lagos, 0.01% nos rios - Muito para indústria e irrigação, não somente uso doméstico. Além disso, o uso da água está aumentando exponencialmente. 
Dos ~30.000 km3 ano-1, somente ~9.000 é geograficamente e temporalmente acessível. Atualmente, usamos ½ do que é acessível. Se todas as pessoas adotassem o estilo US, toda a água disponível seria usada.
- Custo do tratamento da água:
Muito elevado.
Valores globais das wetlands = $3.2 trilhões/ano
Valores globaisde rios e lagos = $1.7 trilhão/ano
Controle de enchentes, fornecimento de água, tratamento de dejetos.
Irrigação = 40% de todas as culturas do mundo, aquicultura, pesca.
Coagulantes, corretores do pH, flúor, oxidantes, desinfetantes, algicidas, substâncias para remover o odor e o gosto Sistema de filtragem natural feito pela floresta deve ser substituído por um sistema artificial (custo salta de R$ 2,00/mil m3 para R$ 200,00)
- Influência das ações antrópicas no ciclo da água
Degelo de calotas polares e das geleiras (aumento do volume do oceano), mudança nos padrões de precipitação, modificação da evaporação, transpiração e escoamento de água (todos refletem na perda de nutrientes por lixiviação).
Ciclo do Carbono
O carbono é um componente químico presente em todos os compostos orgânicos (proteínas, lipídeos, carboidratos, etc).
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)
O ciclo do carbono se constitui pela absorção do gás carbônico pelos vegetais no processo de fotossíntese. Metade deste carbono absorvido é liberada para a atmosfera e a outra metade o vegetal utiliza para produzir açúcares (glicoses). Ao ingerir as plantas, os animais ingerem juntamente o carbono para seu organismo, sendo liberado através da respiração ou de sua decomposição. Como alguns fungos e bactérias são responsáveis pela decomposição tanto de animais como a de vegetais, eles ingerem parte deste carbono, liberando-o para a atmosfera e para o solo. Além das bactérias, o processo de queimadas também libera o gás carbônico no solo e na atmosfera. Os vegetais, pelo processo de respiração, também absorvem gás carbônico e liberam oxigênio ao contrário dos animais.
O carbono depositado no solo pode sofrer alterações transformando-se em combustíveis fósseis como o petróleo e o gás natural, além de formar diamantes, grafites e minas de carvão, entre outros. O carbono se transforma em diferentes matérias pela pressão, temperatura e outros elementos químicos aplicados em tempos diferentes.
O ciclo do carbono também se estende aos oceanos, onde ocorre a difusão. Quando a temperatura é baixa, o gás carbônico é capturado pelos oceanos, e quando a temperatura é alta, é liberado pelos oceanos para a atmosfera. No mar, o carbono serve de alimento para os fitoplânctons, podendo ser ingerido por peixes através da alimentação, ou indo para o fundo dos oceanos para sofrerem o processo de decomposição.
- Interferências antrópicas no ciclo do carbono
Revolução industrial até hoje – aumento de 30% nos gases de efeito estufa: crescimento acentuado na utilização de petróleo, gás natural, carvão e das queimadas, no qual propicia uma alta taxa de emissão de dióxido de carbono, fazendo com que os níveis carbono na atmosfera ultrapassem muito além do que o meio ambiente consegue renovar em seu ciclo.
Temperatura média global – aumento de 0,6ºC desde 1910: Mais CO2 na atmosfera, maior aprisionamento de calor (Efeito estufa) - Calor do sol é retido no planeta, levando ao aquecimento global.
Ciclo do Nitrogênio
- Principal fonte (maior reservatório) é atmosfera (78% de N2);
- Constituinte de moléculas orgânicas importantes (DNA, proteínas).
- Nitrogênio e fósforo – elementos que mais limitam o crescimento vegetal.
Processos: Fixação, Amonificação, Nitrificação, Desnitrificação e Assimilação
Fixação: Consiste na transformação do nitrogênio gasoso em substâncias aproveitáveis pelos seres vivos (amônia e nitrato). Os organismos responsáveis pela fixação são bactérias, retiram o nitrogênio do ar fazendo com que este reaja com o hidrogênio para formar amônia. 
- Bactérias de vida livre – Azotobacter (aeróbias), Clostridium (anaeróbias)
- Bactérias simbióticas com raízes de leguminosas – Rhizobium
- Cianobactérias (fotossíntese - Rhodospirillum)
Na raíz de soja, os nódulos permitem que a nitrogenase fique protegida do contato com oxigênio, uma vez que esta enzima é desnaturada em contato com o O2. Todos esses microrganismos transformam o nitrogênio disponível na atmosfera em amônia (NH3). 
Amonificação: Quando a transformação do nitrogênio em amônia é realizada por bactérias, fungos e decompositores, chamamos esse processo de amonificação. Nesse processo, bactérias e fungos conseguem a energia necessária para seu metabolismo, sendo a decomposição o produto da respiração celular desses microrganismos. Amônia fica disponível para ser assimilada pelas plantas ou para ser oxidada por bactérias nitrificantes.
Nitrificação: Alguns vegetais conseguem aproveitar a amônia diretamente, enquanto que outros empregam o nitrato (NO-3) – oxidação da amônia. Primeiro passo é a oxidação da amônia em nitrito (NO2-), feita pela Nitrosomonas no solo e Nitrosococcus nos oceanos. O nitrito é oxidado para nitrato (NO3-) por Nitrobacter no solo e Nitrococcus nos oceanos.
Bactérias nitrificantes (Nitrosomonas) no solo oxidam a amônia Amônia é convertida em nitrito Bactérias nitrificantes no solo (Nitrobacter) convertem nitrito em nitrato Plantas assimilam nitrato.
Desnitrificação: É a conversão de nitrato (NO3-) a gás óxido nítrico (NO) e, posteriormente, em N2 – volta para a atmosfera, fechando o ciclo. Ocorrem em solos anaeróbicos, sedimentos anóxicos, e fundo de ambientes aquáticos. Feita por bactérias heterotróficas, como Pseudomonas denitrificans. É fundamental para a decomposição de matéria orgânica em solos e sedimentos sem O2.
Em culturas agrícolas, os agricultores fornecem ao solo: nitrogênio, fósforo, potássio e outros elementos na forma de adubos ou fertilizantes, como forma de aumentarem a produção. Outra forma de aumentar o fornecimento de nitrogênio ao solo é cultivando plantas leguminosas que abrigam as bactérias fixadoras de nitrogênio em suas raízes juntamente com outras plantas não leguminosas.
Ciclo do Fósforo
O fósforo também é um elemento essencial aos organismos, constituinte do DNA, membranas celulares, proteínas, ATP. 
Plantas assimilam P como fosfato (PO43-) e o incorporam em elementos orgânicos;
Reservatório natural é o solo - Outros estoques: sedimentos oceânicos, água (solos, rios e lagos), e rochas. 
O fósforo aparece principalmente na forma de fosfato (PO4-3), obtido a partir da degradação das rochas (minerais). 
Diante absorção desse elemento, os vegetais sintetizam compostos orgânicos elaborados (por exemplo: aminoácidos, proteínas e ácidos nucléicos), repassando a todos os demais componentes bióticos através do fluxo de matéria e energia. 
Pela ação dos agentes decompositores sob a matéria morta (animal e vegetal) resultando em detritos orgânicos e também por meio da excreção dos organismos viventes, esse elemento retorna para o solo. 
Drenado gradativamente para o mar, o fosfato passa por processos de sedimentação, sendo incorporado às rochas. Podendo retornar ao ecossistema terrestre por meio dos processos geológicos, como a elevação do leito no mar ou o rebaixamento do nível das águas. 
Portanto, o ciclo do fósforo, pode ser dividido em duas escalas temporais: uma de curta duração, dependente das relações ecológicas entre os seres vivos; e outra de longa duração envolvendo os aspectos abióticos do ambiente.
- Produtividade em lagos
Lagos podem ser classificados num continuum entre oligotróficos e eutróficos:
Oligotróficos: são limitados pelos nutrientes e improdutivos.
Eutróficos: existem naturalmente em áreas bem supridas por nutrientes.
O fósforo é o elemento mais importante para a fertilidade da maioria dos lagos.
Eutrofização cultural - A biomassa se acumula, prejudicando os processos naturais. Esgoto não tratado aumenta a quantidade de matéria orgânica na água. Aumento da demanda biológica de oxigênio (DBO), matando peixes, invertebradosaquáticos e outros organismos aeróbicos.
- Eutrofização em ambientes aquáticos
Ciclo do Enxofre
O enxofre é um componente essencial de certos aminoácidos; o sulfato é a principal forma disponível.
O enxofre é encontrado em sua grande parte em sedimentos e na crosta terrestre, não podendo ser ingerido por animais; este sedimento de enxofre é encontrado principalmente nas proximidades de vulcões, somente é absorvido pelas plantas por intermédio de bactérias ou quando dissolvido em água, tornando-se ionizado.
Na atmosfera o enxofre é encontrado em menor quantidade; sua incidência na atmosfera se dá em virtude das explosões vulcânicas e ações humanas. O enxofre volta ao solo através da chuva, sendo alocado nas rochas abaixo do solo e nas rochas abaixo dos ambientes aquáticos. Quando em contato com bactérias do gênero Chlorobium, Pelodityonsendo o enxofre é alterado para sulfato tornando-se possível a absorção pelas plantas; e, quando em contato com o gênero Thiobacillus, é transformado em ácido sulfúrico onde permanece no solo.
Os animais adquirem o enxofre absorvido pelas plantas como sulfato, após a morte dos animais e das próprias plantas. As bactérias responsáveis pela decomposição metabolizam esse sulfato retornando-o ao solo.
O ciclo do enxofre tem sido adulterado pelo homem, causando graves problema para o meio ambiente e aqueles que o habitam. A energia para veículos, indústrias e usinas é gerada pela queima de combustíveis fósseis. Este processo lança dióxido de enxofre em excesso na atmosfera, o qual se funde com moléculas de água se transformando em ácido sulfúrico causando o efeito de chuva ácida.
A chuva ácida afeta a vegetação queimando suas folhas, atrapalhando o processo de fotossíntese e atrapalhando o seu crescimento, além de torná-las menos resistentes a baixas temperaturas ocasionado em graves danos podendo levar à morte. O solo, quando exposto a frequentes chuvas ácidas, pode se tornar infértil devido à destruição de nutrientes e microrganismos essenciais. Em rios e lagos a chuva ácida altera o seu nível de acidez, matando peixes, plantas aquáticas e outros organismos ali encontrados. Com o pH alto, a chuva ácida torna metais em sua exposição mais suscetíveis a sofrerem oxidação (enferrujar), danificando assim pontes, veículos e edificações. Além de corroer pedras e tintas.
O ozônio atmosférico também tem sido aumentado, principalmente em virtude da acumulação de lixo, o qual libera substâncias tóxicas para o ambiente, alterando as paisagens. Assim, o processo de reciclar materiais está baseado nestas três condições:
Reduzir: Diminuir a quantidade do lixo produzido, desperdiçar menos, consumir só o necessário, sem exageros.
Reutilizar: Dar nova utilidade a materiais que na maioria das vezes consideramos inúteis e são jogados no lixo. Existem inúmeras formas de reutilizar os materiais como por exemplo: o caso das embalagens de comestíveis, que após vazias passam a servir de recipientes para fins diversos.
Reciclar: Entrega voluntária dos materiais às cooperativas de catadores ou empresa municipal de recolhimento, para estes serem destinados às indústrias recicladoras e posterior transformação em novos materiais.