Aula 01 - Balanço de energia + Ciclos Biogeoquímicos

Prévia do material em texto

Introdução à Química Ambiental – Ciclos biogeoquímicos e balanço de energia 
Durante às décadas passadas, a química ambiental tornou-se uma subdisciplina respeitada no campo da ciência química – um assunto que ocupa um importante lugar tanto no ensino quanto na pesquisa de muitas instituições acadêmicas. Nas suas fases iniciais, a química ambiental era essencialmente um catálogo ou descrição de propriedades químicas do mundo natural bem como concentração de espécies e contaminantes. Conforme ia amadurecendo, passou a englobar estudos mais desafiadores de sistemas de alta complexidades, e não apenas estáticos. Pesquisas recentes focam em processos que operam dentro e entre vários compartimentos ambientais (Atmosfera, hidrosfera, litosfera, biosfera) e a maneira como as atividades humanas interagem com os processos naturais. Estudos em química ambiental usa informações de todas as subdisciplinas tradicionais, com isso, construindo novos conhecimentos bastante específicos. Além da pesquisa especializada, a química ambiental também tenta integrar idéias particulares em uma figura compreensível de como o ambiente natural funciona e como responde a estresses. 
Nessa aula, serão apresentados algumas definições e informações acerca dos fluxos de matéria e energia no ambiente.
1
Meio ambiente;
Ecossistema.
Quando se fala em meio ambiente, se refere a todos os fatores, tantos vivos quanto não vivos que afetam os organismos na Terra.
Para fins de estudo e por questão de simplicidade, é útil dividir o meio ambiente, que compreende toda a Terra, em pequenas unidades funcionais que se chamam ecossistemas. Um ecossistema consiste de todos os diferentes organismos que vivem dentro de uma região geográfica finita, bem como fatores não vivos em seu entorno. Pode ser uma floresta, um deserto, uma pastagem, um pântano ou apenas uma lagoa ou um campo. 
2
 Componente Biótico: fatores vivos;
 Componente Abiótico: fatores não vivos.
Os fatores vivos, ou bióticos, incluem plantas, animais, fungos, bactérias, entre outros. Os fatores não vivos, ou abiótico, incluem componentes físicos e químicos, tais como temperatura, precipitação, fontes de nutrientes e luz solar.
3
 Fatores Físicos: Luminosidade, temperatura, umidade...;
 Fatores Químicos: Presença de água e minerais no solo.
Componente abiótico
 Seres autotróficos
 Seres heterotróficos 
Componente biótico
Ecossistemas são sustentados pela energia que flui através deles. A parte biótica de qualquer ecossistema pode ser dividida em produtores de energia (seres autotróficos) e consumidores de energia (seres heterotróficos). As plantas e cianobactérias (algas azuis) são os produtores, pois são capazes de fabricar todos os seus próprios alimentos. Por meio da fotossíntese, os produtores absorvem a energia solar e a utilizam na conversão de água e CO2 em glicose. Ao mesmo tempo o oxigênio é liberado para a atmosfera. Através de diferentes reações entre a glicose e os substratos obtidos da água e do solo, as plantas fabricam todos os materiais complexos que lhe são necessários (proteína, carboidratos complexos, lipídios, DNA, RNA...).
Os consumidores são incapazes de aproveitar a energia do Sol para fabricar seu próprio alimento e, logo, devem consumir plantas e outras criaturas para obter os nutrientes e a energia de que necessitam. Os consumidores podem ser divididos em herbívoro, que se alimentam diretamente dos produtores. Carnívoros, que se alimentam de outros animais. Onívoro, que se alimentam tanto de plantas quanto de outros animais. Decompositores, se alimentam de detritos orgânicos, restos recentemente mortos ou parcialmente decompostos de plantas e animais. 
Os decompositores incluem bactérias, fungos, minhocas e muitos insetos. Tais seres executam a tarefa muito útil de quebrar compostos orgânicos complexos de plantas e animais mortos em produtos químicos mais simples que, dessa forma, são devolvidos ao solo para os produtores reutilizarem. Assim, os nutrientes são interminavelmente reciclados através de um ecossistema. 
5
Fonte: ROSA, R.S.; MESSIAS, R.A.; AMBROZINI, B. Importância da compreensão dos ciclos biogeoquímicos para o desenvolvimento sustentável. 
Em um ecossistema, os organismos podem ser agrupados de acordo com seus hábitos alimentares. Nesse caso, cada grupo particular constitui aquilo que costuma se denominar nível trófico. De acordo com essa definição, o nível trófico é o lugar onde cada grupo de organismo ocupa em um determinado ecossistema. A sequência dos níveis tróficos representa o caminho que tanto a energia como a matéria percorre em um ecossistema.
Em um ecossistema, a energia solar é captada e metabolizada pelos produtores, posteriormente, os herbívoros, ao se alimentarem dos produtores, obtêm parte dessa energia e ,assim sucessivamente, a energia vai passando de nível trófico até a sua chegada aos organismos que estão no topo da cadeia alimentar.
Do total de energia armazenada pelo autótrofo na matéria orgânica produzida na fotossíntese, parte é consumida por ele mesmo na respiração, o que lhe mantém vivo. Portanto, só é passado para o nível trófico seguinte aquilo que o produtor não consumiu, e desse, uma parte é eliminada pelos excrementos e uma parcela considerável de energia do alimento é consumida como forma de energia de movimento. As sobras são incorporada aos recidos permanecendo à disposição do nível trófico seguinte. Assim, a cada nível trófico, vai ocorrendo uma perda de energia, principalmente na forma de calor, forma essa que os seres vivos mão tem condições de reaproveitar. Portanto, a energia flui de um nível trófico a outro sem possibilidade de retorno, numa única direção, dai vem a denominação de que o fluxo de energia é unidirecional.
Em qualquer ecossistema, a energia no segundo nível trófico (herbívoros) é apenas 10% da energia do primeiro nível trófico (produtores). A energia no terceiro nível trófico (carnívoros) é apenas 1% da energia do primeiro nível trófico (produtores). Com essa progressão podemos fazer algumas observações. É muito mais eficiente energeticamente comer grãos do que comer animais que foram alimentados com grãos. Para sustentar uma determinada massa de herbívoros, se exige uma massa de produtores 10 vezes maior. E para sustentar uma determinada massa de carnívoros é necessário uma massa de produtores 100 vezes maior. Devido a esse requisito de massa, as cadeias alimentares raramente ultrapassam quatro níveis tróficos.
6
Balanço de energia radiante
Fonte: ARRUDA, J.C. Estudo do fechamento do balanço de energia pelo método de covariância de vortices turbulentos em uma floresta de transição em Mato Grosso. 
O Balanço energético é uma aplicação da primeira lei da termodinâmica, em que deve existir uma igualdade entre o balanço de energia recebida (Energia Incidente) pelo ecossistema e a soma de energia liberada (Energia Emitida) sob a forma radiação longa (R1), albedo (Rs), de calor sensível (H) e calor latente (LE), e da energia armazenada pelo ecossistema, isto é, solo (G), biomassa (S). 
7
Albedo
Fonte: GIRARD, J. Princípios de Química Ambiental. 2ª Edição. Rio de Janeiro: LTC, 2013.
O Albedo representa a porção de energia solar que é refletida pela Terra. O Albedo varia muito, dependendo da superfície. A neve e o gelo refletem mais radiação do que um estacionamento pavimentado com asfalto, por exemplo. O albedo pode variar também em decorrência da cobertura de nuvens. Na figura acima é ilustrado o fenômeno do albedo, apresentado o valor médio para diferentes superfícies e o albedo médio global.
8
Variação diária do balanço de energia
Diurno
Fonte: ARRUDA, J.C. Estudo do fechamento do balanço de energia pelo método de covariância de vortices turbulentos em uma floresta de transição em Mato Grosso. 
Considerando uma superfície ideal, e sem levar em conta a contribuição da biomassa na absorção de energia, podemos representar simplificadamente o balanço diurno de energia, como esquematizadoacima. 
Rn representa a radiação líquida que incide na superfície, ou seja, descontando albedo.
No período diurno o solo recebe a radiação em forma de ondas curtas. Parte dessa radiação é devolvida ao espaço devido ao albedo. O solo irá emitir radiação longa (R1). A superfície do solo, quando aquecida, cede energia para o aquecimento do ar (calor sensível (H)), para evaporação da água (calor latente (LE)) e para aquecimento de camadas mais profundas do solo (G).
9
Balanço de energia
Noturno
Fonte: ARRUDA, J.C. Estudo do fechamento do balanço de energia pelo método de covariância de vortices turbulentos em uma floresta de transição em Mato Grosso. 
Durante a noite, devido à ausência do sol, a Terra continua perdendo rapidamente energia, resfriando mais que o ar adjacente e que camadas mais profundas do solo. Consequentemente, no balanço de energia noturno, a Terra emite radiação longa, a atmosfera emite para a Terra a radiação longa refletida pelas nuvens. Como o solo esta mais frio que o ar adjacente, o vapor d’água, ao atingi-lo, é condensado, dessa forma a Terra recebe calor latente (LE) de consensação. A superfície com temperatura baixa faz com que a condução de calor das camadas mais profundas do solo (G) seja dirigida para cima em direção a ela e finalmente o ar mais aquecido imediatamente acima da superfície do solo (H) transfere energia por meio de condução para a superfície do solo.
10
Balanço de energia
Rn = H + LE + G
Rn = Radiação líquida;
H = Fluxo de calor sensível;
LE = Fluxo de calor latente;
G = Fluxo de calor no solo
A equação acima representa uma equação simplificada do balanço de energia para uma superfície ideal.
A equação 3 descreve como a radiação líquida na superfície deve ser equilibrada por uma combinação dos fluxos de calor sensível, latente e do solo. 
Durante o dia a superfície recebe energia radiativa (Rn > 0), que é dividido em fluxos de calor sensível, latente e do solo. Durante a noite, a superfície perde energia por emissão de radiação de ondas longas. Esta perda é compensada por ganhos de calor do ar e do solo, e, às vezes, do calor latente de condensação liberada durante o processo de formação do orvalho.
11
Balanço de energia em superfícies vegetadas
Rn = H + LE + G + S + Qp
Rn = Radiação líquida;
H = Fluxo de calor sensível;
LE = Fluxo de calor latente;
G = Fluxo de calor no solo;
S = Armazenamento de calor na biomassa acima do solo;
 Qp = Densidade de energia associada ao fluxo de CO2
Em superfícies vegetadas como florestas, a equação se torna um pouco mais complexa.
Qp representa a densidade do fluxo de energia associada com fluxo do CO2 através da fotossíntese e da respiração.
A equação acima pode ficar ainda mais complexas em regiões de invernos mais rigorosos, onde eventos de descongelamentos ou estoques de calor em pacotes de neve também seriam considerados em determinados períodos do ano.
12
Fluxo de matéria
Fonte: ROSA, R.S.; MESSIAS, R.A.; AMBROZINI, B. Importância da compreensão dos ciclos biogeoquímicos para o desenvolvimento sustentável.
 0Para sobreviver, uma comunidade de plantas e animais em um ecossistema requer um fornecimento constante de energia e nutrientes. A energia que sustenta o sistema não é reciclada. Ela flui incessantemente dos produtores aos consumidores, entrando na forma de luz solar e deixando o sistema, na forma de calor, como resíduos que não podem ser reutilizados. Os nutrientes, no entanto, são continuamente reciclados e reutilizados.
Assim que qualquer um dos seres que compõe os níveis tróficos morre, a matéria orgânica é absorvida pelos micro-organismos decompositores que trazem de volta ao solo os sais minerais e outros elementos, tornando-os disponíveis para serem reaproveitados novamente por outros organismos.
Análises de tecidos de organismos vivos mostram que mais de 95% da massa dos tecidos é feita a partir de 6 dos 92 elementos que ocorrem naturalmente no planta Terra: carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O), nitrogênio (N), enxofre (S) e fósforo (P). Esse elementos são os blocos de construção para fabricação de carboidrato, proteínas, gorduras. Esses compostos, juntamente com a água, formam quase toda a massa de todos os organismos vivos. As plantas são compostas principalmente de carboidratos e os animais de proteínas.
Pequenas quantidades de outros elementos também são necessárias para que as plantas e os animais sobrevivam e cresçam. Ferro (Fe), magnésio (Mg) e cálcio (Ca) formam, juntos, a maior parte dos 5% restantes. Em muitos animais, o Fe esta ligado à hemoglobina, a proteína do sangue que fornece oxigênio para todas as partes do corpo. Nas plantas, o magnésio está ligado à clorofila, a proteína que absorve a luz do sol e que é uma parte vital do processo da fotossíntese. Animais com esqueleto precisam de Ca bem como de P para formar ossos e cartilagens.
Traços de cerca de 16 outros elementos também são necessários. O cobre (Cu) e o zinco (Zn), por exemplo, são componentes essenciais de certas enzimas.
As plantas obtêm os elementos essenciais a partir do solo e da atmosfera, e os animais os obtêm se alimentando de plantas e outros animais. 
13
Ciclo do carbono
Os ciclos biogeoquímicos são processos naturais que por diversos meios reciclam vários elementos em diferentes formas químicas do meio ambiente para os organismos, e depois, fazem o processo contrário, ou seja, trazem esses elementos dos organismos par o meio ambiente. Nessa aula serão abordado três dos principais ciclos, do Carbono, do Nitrogênio e do Fósforo.
O esquema acima representa as transformações de espécie de carbono nas diversas esferas atmosféricas. 
É possível observar os seguintes processos: 
fixação de CO2 via fotossíntese e produção de biomassa, emissão de CO2 pelas plantas através de respiração e queimadas;
Alimentação dos animais com vegetação, emissão de CO2 por respiração e decomposição;
 Dissolução do CO2 em aguas naturais, fixação desse CO2 como micro-organismos aquáticos, sedimentação e conversão a combustíveis fósseis ou consumo pela biota aquática;
Decomposição da biota aquática e geração de CO2;
Queima de combustível fóssil e geração de CO2;
- Fixação de CO2 na carapaça de animais marinhos, sedimentação e eliminação por erupção vulcânica, como CO2.
14
Ciclo do Fósforo
Fonte: ROSA, R.S.; MESSIAS, R.A.; AMBROZINI, B. Importância da compreensão dos ciclos biogeoquímicos para o desenvolvimento sustentável. 
O fósforo é um componente de muitos compostos biológicos importantes, incluindo o DNA e as enzimas que desempenham um papel essencial na transferência de energia das células vivas. Trata-se de um dos principais constituintes das membranas celulares e esta presente em alta concentração em ossos, dentes e conchas.
Ao contrário do que vimos no ciclo do C, o ciclo do P não inclui uma fase atmosférica. A fonte fundamental de fósforo para as plantas e animais são as rochas, quase todas das quais contêm pequenas quantidades de fósforo, na sua maioria sob a forma de (PO43-). O ciclo do fósforo é primariamente um ciclo sedimentar. A medida que as rochas sofrem intemperismo, os fosfatos são muito lentamente dissolvidos e liberados para o solo. As plantas absorvem o fosfato dissolvido no solo diretamente pelas raízes e o transportam para as folhas, onde é incorporado em moléculas biológicas grandes. Animais obtém fósforo se alimentando das plantas. Nem todo fosfato formado a partir do intemperismo se torna disponível para as plantas, uma parte forma sais poucos solúveis de Al, Fe e Ca.
O solo é geralmente pobre nos tipos de fosfato que as plantas podem absorver, e em terras agrícolas, são utilizados fertilizantes sintéticos ricos em fosfato disponível. 
Uma importante fonte natural de fosfato é o Guano. Excremento de milhares de aves marinhas, que formaram nas ilhas ao largo da costa oeste da América do Sul enormes depósitos de material rico em fosfato chamado guano. Grandes depósitos de guano também foram encontrados no Arizona e Novo México em cavernas secas, onde sereúnem milhares de morcegos. Esses depósitos de guano são uma importante fonte de fósforo para fabricação de fertilizantes. 
O fósforo é continuamente reciclado pelas plantas e animais, contudo, uma parcela é perdida pela erosão do solo e lixiviação para córregos e rios, eventualmente chegando aos oceanos, precipitando e sedimentando, dessa forma, tornando-se indisponível por um grande período de tempo. Atividades humanas como agricultura e mineração aceleram a perda por lixiviação do solo.
15
Ciclo do nitrogênio
O nitrogênio é um componente essencial de proteínas e do material genético que compõe o DNA. Embora 78% da atmosfera da Terra seja composta de N2, as plantas e animais não podem usar esse nitrogênio diretamente. O nitrogênio atmosférico deve ser convertido em outros compostos nitrogenados antes de poder ser absorvido pelas raízes das plantas. Esse processo é conseguido através da fixação de nitrogênio, um processo realizado por bactérias especializadas capazes de converter o nitrogênio atmosférico em amônia (NH3). Algumas bactérias fixadoras vivem no solo e outras em raízes de algumas plantas leguminosas.
Apesar de algumas árvores e gramíneas conseguirem absorver o nitrogênio na forma de amônia, a maioria das plantas absorvem o nitrogênio na forma de nitrato, portanto, bactérias do solo convertem a amônia a nitrato em um processo que é denominado nitrificação.
Descargas elétricas dos relâmpagos também podem converter o N2 em uma forma assimilável, nesse processo o gás nitrogênio é convertido em óxido de nitrogênio e é arrastado para o solo pela chuva na forma de HNO3. No solo será gerado NO3- que é diretamente absorvido pela planta.
As plantas convertem a amônia ou nitrato obtidos dos nódulos radicalares ou do solo em proteínas ou outros compostos nitrogenados essenciais. Os animais obtêm o nitrogênio necessário das plantas.
Nem todo nitrato e amônia do solo é utilizado pela planta. Parte desse excesso pode ser lixiviado pela chuva e acabar em corpos d´água. Parte pode servir de substrato para bactérias desnitrificadoras gerando novamente N2. Esse processo pode gerar como subproduto o óxido nitroso N2O.
No ambiente natural, existe um equilíbrio entre a quantidade de nitrogênio removido da atmosfera e o montante que retorna a ela. No entanto, considerando que a maioria dos solos possuem uma quantidade insuficiente de nitrogênio fixado para o crescimento máximo das plantas, os agricultores frequentemente aplicam adubos inorgânicos a base de nitrato e amônia.
16
Referências
 GIRARD, J. Princípios de Química Ambiental. 2ª Edição. Rio de Janeiro: LTC, 2013.
 VAN LOON, G.W. AND DUFFY S.J. Environmental Chemistry: A global perspective. New York: Oxford University Press, 2001.
 ROSA, R.S.; MESSIAS, R.A.; AMBROZINI, B. Importância da compreensão dos ciclos biogeoquímicos para o desenvolvimento sustentável. São Carlos, 2003. 52 p. Monografia desenvolvida disciplina ‘’Ciclos Biogeoquímicos’’. Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo. 
 ARRUDA, J.C. Estudo do fechamento do balanço de energia pelo método de covariância de vortices turbulentos em uma floresta de transição em Mato Grosso. Cuiabá, 2011. 113 p. Tese (Doutorado em Física Ambiental). Instituto de Física, Universidade Federal do Mato Grosso.
17