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15. CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Elementos essenciais a vida: Água; Macronutrientes: C, H, O, N e o P – mais importantes, mas também S, Cl, K, Na, Ca, Mg e Fe; Micronutrientes principais: Al, Bo, Cr, Zn, Mo e o Co. 30 BIOGEOQUÍMICOS Bio – organismos vivos interagem na síntese e decomposição dos elementos; Geo – meio terrestre é fonte da maioria dos elementos; Químicos – são ciclos de elementos químicos. 31 A biogeoquímica é a ciência que estuda a circulação de matéria entre os componentes vivos e não - vivos da biosfera. Reciclagem dos nutrientes. 32 Os ciclos biogeoquímicos são processos naturais que por diversos meios reciclam vários elementos em diferentes formas químicas. A água, o oxigênio, o carbono, o nitrogênio, o fósforo, entre outros elementos percorrem esses ciclos, unindo todos os componentes vivos e não vivos da Terra. 33 São os caminhos percorridos ciclicamente pela água e por elementos químicos (C, O, N, P e S) entre o meio abiótico e biótico. Dessa forma, a matéria é constantemente reaproveitada na natureza. Os ciclos estão intimamente relacionados com processos geológicos, hidrológicos e biológicos. 34 Quando um vegetal ou um animal morrem, inicia-se o processo de decomposição por fungos e bactérias – parte da matéria orgânica degradada é absorvida por eles e parte retorna ao solo na forma de compostos inorgânicos que serão novamente absorvidos pelos autótrofos. 35 Água na natureza encontra-se nos 3 estados físicos: • Sólido; • Líquido; • Gasoso; 97% oceanos; 2,2% geleiras; 0,7% rios, lagos e lençóis subterrâneos; 36 15.1 Ciclo Hidrológico A escassez de água está associada as desigualdades de distribuição e demanda. 37 Distribuição dos recursos hídricos no Brasil. 38 39 40 41 Precipitação – chuva, neve, granizo; Escoamento superficial – flui para altitudes inferiores até atingir um corpo de água; Infiltração – lençol subterrâneo; Escoamento Subterrâneo – bem mais lento que o superficial – parte alimenta rios e lagos e os mantém em épocas de estiagem; Evapotranspiração – água absorvida pela vegetação (direta ou do solo), eliminada na forma de vapor; Evaporação – em qualquer das fases a água pode voltar a atmosfera na forma de vapor. 13 15.2 Ciclo do Carbono O C é um elemento químico fundamental para os seres vivos – participa da constituição das moléculas orgânicas: - Carboidratos: glicose – CH2O ou C6H12O6 - Lipídios: CH3(CH2)2COOH (manteiga) - Proteínas- constituídas por aminoácidos: 14 As plantas utilizam o CO2 e o vapor de água da atmosfera para, na presença de luz solar, sintetizar compostos orgânicos de carbono, hidrogênio e oxigênio, tais como a glicose (C6H12O6). Expressão constitui uma simplificação de um conjunto de aproximadamente 80 a 100 reações químicas. Destacam-se: a) a fixação do carbono em sua forma orgânica indica que a fotossíntese é a base da vida na Terra; b) a energia solar é armazenada como energia química nas moléculas orgânicas da glicose. 15 A energia armazenada nas moléculas orgânicas é liberada no processo inverso ao da fotossíntese: a respiração. Ocorre a quebra das moléculas, com a consequente liberação de energia para realização das atividades vitais dos organismos. Por meio da fotossíntese e da respiração, o carbono passa de sua fase inorgânica à fase orgânica e volta para a fase inorgânica, completando, assim, seu ciclo biogeoquímico. Fotossíntese e Respiração são processos de reciclagem do carbono e do oxigênio em várias formas químicas em todos os ecossistemas. 16 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. A reação é dada a seguir. Caso haja aumento da concentração de CO2 na atmosfera, a reação indica que parte desse CO2 será absorvida pelo oceano, ficando dissolvido na água. 17 18 Ciclo Principal - Produtores, consumidores e decompositores participam, respectivamente, dos processos de fotossíntese e respiração, Ciclo Secundário, mais lento, do decaimento de plantas e animais que foram incorporados por processos geológicos na crosta terrestre. Os organismos foram transformados em combustíveis fósseis e calcário, que ficam à margem do ciclo principal. Os combustíveis fósseis são, portanto, energia solar armazenada na forma de moléculas orgânicas no interior da Terra. 19 Outro papel importante do CO2 atmosférico é a capacidade de reter o calor emitido pela Terra; Juntamente com o vapor de água, metano, óxidos de nitrogênio originam o EFEITO ESTUFA (fenômeno natural da atmosfera) que mantém a temperatura na Terra constante; Tais gases são transparentes e deixam passar a luz solar, mas são quase impermeáveis ao calor refletido pela superfície terrestre. 20 21 Ação Antrópica Queima de combustíveis fósseis devolve o CO2 a atmosfera numa taxa superior a capacidade assimiladora dos vegetais, resultado: Aquecimento global Dados científicos mostram que 50% do excesso de CO2 é absorvido pelos oceanos – até que ponto? 22 23 15.3 Ciclo do Oxigênio O oxigênio se distribui em três reservatórios: a atmosfera (os gases que rodeiam a superfície da terra), a biosfera (os organismos vivos e o seu ambiente próximo) e a litosfera (a parte sólida exterior da terra); A fotossíntese nos oceanos contribui aproximadamente com 45% do oxigênio total livre no ciclo do oxigênio. 24 A maior fonte do oxigênio presente na atmosfera e biosfera é a fotossíntese que transforma dióxido de carbono e água em oxigênio e açúcar; 6CO2+ 6H2O + energia → C6H12O6 + 6O2 25 26 15.4 Ciclo do Nitrogênio O crescimento populacional após a Revolução Industrial, na segunda metade do século XIX, implicou um aumento da produtividade de agrícola para fazer frente à demanda crescente de alimentos. Tanto o NITROGÊNIO como o FÓSFORO são fatores limitantes do crescimento dos vegetais e, por isso, tornaram-se alguns dos principais fertilizantes utilizados hoje na agricultura. O NITROGÊNIO desempenha um importante papel na constituição das moléculas de proteínas, ácidos nucléicos, vitaminas, enzimas e hormônios—elementos vitais aos seres vivos. 27 O ciclo do nitrogênio, assim como o do carbono, é um ciclo gasoso. Apesar dessa similaridade, existem algumas diferenças notáveis entre os dois ciclos: a) a atmosfera é rica em nitrogênio (78%) e pobre em carbono (0,032%); b) apesar da abundância de nitrogênio na atmosfera, somente um grupo seleto de organismos consegue utilizar o nitrogênio gasoso; c) o envolvimento biológico no ciclo do nitrogênio é muito mais extenso que no ciclo do carbono. 28 Grande parte do nitrogênio existente nos organismos vivos não é obtida diretamente da atmosfera, uma vez que a principal forma de nutriente para os produtores são os nitratos (NO3 -). Esses nitratos são fruto da decomposição de matéria orgânica, na qual o nitrogênio do protoplasma é quebrado em uma série de compostos orgânicos e inorgânicos por bactérias com funções especializadas em cada parte do processo. Os nitratos podem ainda ser obtidos por meio da ação de bactérias fixadoras de nitrogênio e das descargas elétricas que ocorrem na atmosfera. 29 30 4 Processos importantes: 1. Fixação do N atmosférico 2. Amonificação 3. Nitrificação 4. Desnitrificação 1. N gasoso ou atmosférico (N2) fixado (pelas bactérias e ciano bactérias) dissolvido na água/água do solo disponível para os vegetais na forma de nitrato (NO3) ou amônia (NH3); 31 2. Transformado em N orgânico eliminado bactérias mineralizam em amônia(NH3 e NH4 +); 3. De amônia são convertidos em nitritos (NO2) - (nitrossomonas) e de nitritos são transformados em nitratos (nitrobacter); 4. De nitrato são convertidos em N molecular ou gasoso (pseudomonas) - retorno a atmosfera. 32 33 O N proveniente, principalmente, do excesso de fertilizantes é carreado para corpos de água superficiais; eutrofização; Infiltram contaminando coleções hídricas subterrâneas. 34 Eutrofização Processo natural de envelhecimento de lagos e reservatórios – dezenas/centenas de anos; Atividade humana acelera esse processo - pelo excesso de N e P carreado das áreas agrícolas ou despejados como efluentes domésticos e/ou industriais; Nutriente em abundância = aumento das populações 1º) de algas e/ou macrófitas; 2º) bactérias decompositoras – degradar a matéria orgânica das algas mortas; 35 Nesse processo de decomposição consomem o O2 dissolvido no meio aquático – valores podem chegar a zero; Morte de todos os organismos aeróbios, inclusive peixes. Ao morrerem, as algas ainda podem excretar toxinas no meio aquático – problemas graves à saúde humana. 36 15.5 Ciclo do Fósforo O fósforo é o material genético constituinte das moléculas dos ácidos ribonucleico (RNA) e desoxirribonucleico (DNA) e componente dos ossos e dentes. É um elemento fundamental na transferência de caracteres no processo de reprodução dos seres humanos. O fósforo aparece nos organismos em proporção muito superior aos outros elementos quando comparado com sua participação nas fontes primárias. Esse fato justifica a importância ecológica do fósforo e sugere que esse elemento é provavelmente o fator mais limitante à produtividade primária. 37 Como o fósforo é um elemento de ciclo fundamentalmente sedimentar, seu principal reservatório (ou pool nutritivo) é a litosfera, mais precisamente as rochas fosfatadas e alguns depósitos formados ao longo de milênios. Por meio de processos erosivos, ocorre a liberação do fósforo na forma de fosfatos, que serão utilizados pelos produtores. Parte desses fosfatos liberados é carregada para os oceanos, onde se perde em depósitos a grandes profundidades, ou é consumida pelo fitoplâncton. 38 39 40 Parte do fósforo é perdida para os depósitos de sedimentos profundos no oceano. Em decorrência de movimentos tectônicos, existe a possibilidade de levantamentos geológicos que tragam de volta aquele fósforo perdido. Por meio da reciclagem, o fósforo, em compostos orgânicos, é quebrado pelos decompositores e transformado em fosfatos, sendo novamente utilizado pelos produtores. Nesse processo também há perdas, uma vez que os ossos, ricos em fósforo, oferecem resistência aos decompositores e à erosão. 41 15.6 Ciclo do Enxofre Nos organismos, constituinte de: • Aminoácidos–proteínas; • Gorduras; • Fluídos corporais; Componente minoritário • Esqueleto Reservatório: rochas e sedimento 42 Principal forma de assimilação pelos vegetais (produtores) é como sulfato inorgânico (SO4); A maior parte do S assimilado é mineralizado na decomposição; Sob condições anaeróbias é reduzido a sulfeto de hidrogênio (H2S) letal para a maioria dos seres vivos; 43 44 Atividades vulcânicas contribuem para acumulação de S na atmosfera; Introdução artificial pela atividade industrial – queima de combustíveis fósseis que contém S em sua composição (3% no carvão e 0,05% no petróleo) – produção de SO2 aumentando sua concentração na atmosfera das grandes cidades; Chuva ácida e “smog” industrial. A biogeoquímica é a ciência que estuda a circulação de matéria entre os componentes vivos e não - vivos da biosfera.��Reciclagem dos nutrientes.
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