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Programa de Pós-graduação em Engenharia ambiental – PPGEA-UFES
INTRODUÇAO A ENGENHARIA AMBIENTALINTRODUÇAO A ENGENHARIA AMBIENTAL
Módulo: EcologiaMódulo: Ecologia
AULA 2 - CICLOS BIOGEOQUÍMICOS:AULA 2 - CICLOS BIOGEOQUÍMICOS:
C(HO)NPSC(HO)NPS
CARBONO NITROGENIO FOSFORO ENXOFRECARBONO NITROGENIO FOSFORO ENXOFRE
Prof. Servio Tulio Cassini
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Energia e fluxos nos Ecossistemas
C0C022C0C022 BiomassaBiomassa
Níveis tróficos
Níveis tróficos
Níveis tróficosMatéria
Orgânica (C-org)
Minerais
EnergiaEnergia
1. Fotossíntese e Quimiossintese
2. Cadeia Alimentar
3. Decomposição
4. Respiração/Mineralização Aeróbia
5. Respiraçao anaeróbia (Metanogênse)11 22
33
44
44CH4
CH4 5
66 6- Assimilação (NPS)
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PROCESSOS PROCESSOS
MINERALIZAÇÃOMINERALIZAÇÃO RESPIRAÇÃO / COMBUSTÃORESPIRAÇÃO / COMBUSTÃO OXIDAÇÃOOXIDAÇÃO ASSIMILAÇÃO ASSIMILAÇÃO BIOMASSABIOMASSA DESASSIMILAÇÃODESASSIMILAÇÃO VOLATILIZAÇÃOVOLATILIZAÇÃO
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Transformações do Carbono no Ambiente
Composição (%) da Biomassa Bacteriana
50%
20%15%
8% 3%
1%
2%
1%
7%
Carbono (C)
Oxigenio (O)
Nitrogenio (N)
Hidrogenio (H)
Fosforo (P)
Enxôfre S
Potássio K
Ca,Cl, Mg,Fe,Micro
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CarbonoCarbono
FotossínteseFotossínteseQuimiossinteseQuimiossintese
RespiraçãoRespiraçãoCombustãoCombustão
Mat. Org. (CHO)Mat. Org. (CHO)BiomassaBiomassa
COCO22 + H + H22OO
Autótrofos
Heterótrofos
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Ciclagem do Carbono
Carbono Fóssil (DEP.)
Carbono Fóssil (DEP.)
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Reservatório de C [C] x 1011 ton % Total
Biosfera (100)
Atmosfera 7,0 9.7
Biomassa 4,8 6.3
Águas continentais 2,5 3.5
Marinho 5,0 a 8,0 11.0
Mat. Orgânica do solo 30 a 50 70,0
Profundidade ( ate 16 Km) (100)
Detritos orgânicos (Mar.) 30 0,00037
Petróleo 100 0,00050
Marinho (abissal) 345 0,00170
Sedimentos 200.000 99,763
Onde está o Carbono?
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Ciclo do CarbonoCiclo do Carbono Matéria OrgânicaMatéria Orgânica
Rotas de decomposiçaoRotas de decomposiçao Aeróbia --Aeróbia -- CO2 ( respiraçao aeróbia) ou CO2 ( respiraçao aeróbia) ou
biodegradabilidade aeróbiabiodegradabilidade aeróbia Anaeróbia -Anaeróbia - CH4 (respiraçao anaeróbia) CH4 (respiraçao anaeróbia)
biodegradabilidade anaeróbiabiodegradabilidade anaeróbia
Resumo: Matéria orgânica ----Resumo: Matéria orgânica ---- CO2 CO2
BiomassaBiomassa
Produtos Produtos Recalcitrantes (sobras)Recalcitrantes (sobras)
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Ciclo da matéria orgânica – Biodegradabilidade aeróbia
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Resumo do Carbono Organico no solo
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Biomassa refere-se à material biológico fresco ou com vida derivado de qualquer ser vivo, como por exemplo uma árvore recém cortada, folhas recém colhidas, insetos ou microrganismos.
Resíduo orgânico natural, refere-se principalmente à biomassa já morta ou em início de decomposição. Geralmente é muito difícil a separação física nítida entre biomassa e resíduo.
Material orgânico natural, geralmente refere-se aos a um tipo específico de resíduo ou, também, aos componentes orgânicos presentes na biomassa ou resíduos orgânicos, tais como amido, celulose, hemiceluloses, quitina, etc.
Matéria Orgânica Resíduos ou material orgânico já processado e complexado no ambiente. Geralmente tomado como sinônimo de Húmus, no seu estágio de processamento final e já estabilizado.
Xenobiótico refere-se a compostos orgânicos artificialmente produzidos e que podem constituir uma fração do resíduo orgânico presente em um ambiente.
Recalcitrância é o termo que descreve a resistência a transformações ou decomposição de uma determinada molécula ou resíduo orgânico.
Biodegradabilidade – Propriedade de um composto ou substância ser transformada em CO2 ou CH4 ou moleculas menores facilmente assimilaveis. Sin. Decomposiçao ou biotransformação
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Atmospheric carbon x temperature 1958 - 2000Atmospheric carbon x temperature 1958 - 2000Carbon 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.
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World CO2 levels at record high, scientists warnDavid Adam guardian.co.uk, Monday May 12, 2008
Article history
The concentration of carbon dioxide in the atmosphere has reached a record high, according to new figures that renew fears that climate change could begin to slide out of control.
Scientists at the Mauna Loa observatory in Hawaii say that CO2 levels in the atmosphere now stand at 387 parts per million (ppm), up almost 40% since the industrial revolution and the highest for at least the last 650,000 years.
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Química do carbonato em sistemas aquáticos
CaCO3 + H2O + CO2 Ca++ + 2HCO3-
CO2 + H2O H2CO3- H+ + HCO3
-
Solubilidade
Acidez x alcalinidade
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Dióxido de carbono nos oceanos:
co2 X pH
Dióxido de carbono nos oceanos:
co2 X pHAno
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Ciclo do Nitrogênio: Introdução
Importância do N
• Constituinte de Proteínas, ácidos nucléicos, Vitaminas
• Biomassa vegetal, animal, microbiana
• Tecidos e células 1 a 3% (NTotal) peso matéria seca
• 81% presente na atmosfera
• N2 gás inerte ( NN)
• Processos tipicamente microbiológicos
•Variação de estados de oxidação
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Estados de Oxidaçao do N:Estados de Oxidaçao do N:N tem 5 eletrons e 9 estados deoxidaçao: de –3 to N tem 5 eletrons e 9 estados deoxidaçao: de –3 to
+5+5
-3 0 +1 +2 +3 +4 +5
NH3
AmmoniaNH4
+
AmmoniumR1N(R2)R3
N Organico
N2 N2OOxido
Nitroso
NOOxido
Nitrico
HONOacidoNitroso NO2
-
Nitrito
NO2
Di-nitrogenio
HNO3
Acido NitricoNO3
-
Nitrato
Numero de oxidaçao decrescente (reduçao)
Incremento do estado de oxidaçao
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O CICLO DO NITROGENIO: O CICLO DO NITROGENIO: MAJOR PROCESSESMAJOR PROCESSES
ATMOSFERAN2 NO
HNO3
NH3/NH4+ NO3
-
N ORG
BIOSFERA
LITOSFERA
Combustãorelampagos
OxidaçãoAtmosf.
DeposiçãoChuva acida
assimilação
decomposiçao
nitrificação
desnitrificaçaobiofixaçao
intemperismo
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Ciclo do N: Fluxos GlobaisCiclo do N: Fluxos Globais
Numeros em Tg NFluxos em Tg N yr-1
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Matéria Orgânica
SOLO-ÁGUA
NH3
AMONIA
NO3
NITRATO
N2
NITROGÊNIO
NH4+
AMôNIO
CICLO DO NITROGENIO – PRINCIPAIS FORMAS E PROCESSOS DE TRANSFORMAÇAO DO N
12 3
4
5
6
1 – Amonificaçao – Mineralizaçao
2 – Nitrificaçao
3 – Desnitrificaçao
4 – Fixaçao
5 – Assimilaçao – Imobilizaçao
6 – equilibrio químico (pH dependente)
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Amonificação: (MIneralizaçao do nitrogênio orgânico)
• Matéria Orgânica NH3
• Enzimas: desaminases e ureases
• ureia - NH3
• elevaçao do pH
• volatilizaçao da amonia (pH > 8) NH3 NH4+
• Perda ou remoçao de nirogênio do ecossistema (solo) atmosfera
• Em ambientes aquaáticos toxidez para seres vivos
• Limites da Legislação (Estadual) --- 20 a 40 mg/l
• Impacto ambiental elevado
CICLO DO NITROGÊNIO: AMONIFICAÇAO
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Nitrificaçao: NH3 NO3-
• Processo realizado por bactérias autotróficas aeróbias
• 2 Etapas: Nitritaçao e Nitrataçao ( NH3 NO2 NO3)
• Principais bactérias: Nitrosomonas e Nitrobacter
• Diminuiçao do pH do meio acidificação pela produçáo de HNO3
• Nitrato é menos tóxico do que amônia baixo impacto
• Niveis elevados hemoglobina azul ( seres humanos) impacto?
• Legislaçao não considera nitrato impactante revisão?
• REmoçao de nitrato desnitirificaçao ( ambiente anaeróbio)
CICLO DO NITROGENIO: NITRIFICAÇÃO
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CICLO DO NITROGENIO: CICLO DO NITROGENIO: DESNITRIFICAÇAO N0DESNITRIFICAÇAO N033 NO NO22 N N22
Processo Anaeróbio e Excesso de matéria Processo Anaeróbio e Excesso de matéria orgânica.orgânica.
Várias etapas e várias bactériasVárias etapas e várias bactérias Perda de Nitrogênio de ecossistemas Perda de Nitrogênio de ecossistemas
(Volatilizaçao)(Volatilizaçao) Chuva acida: formaçao ( NChuva acida: formaçao ( N22O NO)O NO) Impacto ambiental Impacto ambiental elevado elevado Legislaçao : sem parametro de controleLegislaçao : sem parametro de controle
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Ciclo de nitrogênio: fixaçao do Ciclo de nitrogênio: fixaçao do nitrogênio: nitrogênio:
Fixaçao Biológica do Nitrogênio: N2 Fixaçao Biológica do Nitrogênio: N2 2NH 2NH33
Forma de adiçao de N em ecossistemasForma de adiçao de N em ecossistemas Processo natural Processo natural Bactérias fixadoras N Bactérias fixadoras N Processo artificial (industrial) N2 Processo artificial (industrial) N2 NH3 NH3
(industria de fertilizantes)(industria de fertilizantes) Em vegetais (soja, feijão) adicionam até 100 Em vegetais (soja, feijão) adicionam até 100
kg N hectare por anokg N hectare por ano Impacto ambiental Impacto ambiental positivo para processos positivo para processos
naturais e negativo para adiçáo de fertilizantesnaturais e negativo para adiçáo de fertilizantes
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Ciclo do nitrogênio: Impactos Ciclo do nitrogênio: Impactos AmbientaisAmbientais
Excesso de matéria orgânica:Excesso de matéria orgânica: Alta produção de NH3 Alta produção de NH3 toxidez > 20 mg/L toxidez > 20 mg/L Perda de nitrogênio no solo e águaPerda de nitrogênio no solo e água Nitrificação Nitrificação acidificação do solo e remoção acidificação do solo e remoção
de amônia de amônia nitratos nitratos Desnitrifcação: perda de N e formaçao de Desnitrifcação: perda de N e formaçao de
oxidos nitrogênio ( chuva ácida)oxidos nitrogênio ( chuva ácida) Fertilizantes químicos: Eutrofizaçao de águasFertilizantes químicos: Eutrofizaçao de águas Formação de nitratos Formação de nitratos acumulaçao em aguas acumulaçao em aguas
subterrâneas. subterrâneas.
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Ciclo do nitrogênio:Ciclo do nitrogênio: Ações Corretivas Ações Corretivas
Medio e Alto impacto:Medio e Alto impacto: Tratamento de efluentes com remoçao de Tratamento de efluentes com remoçao de
nutrientes ( tratamento terciário)nutrientes ( tratamento terciário) Drenagem de solos Drenagem de solos aeraçao aeraçao Correçao de pH Correçao de pH calagem calagem Matéria orgânica estabilizadaMatéria orgânica estabilizada Abrandar a utilizaçáo de fertilizantes Abrandar a utilizaçáo de fertilizantes
químicosquímicos Adubação orgânica (estabilizada)Adubação orgânica (estabilizada)
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Ciclo do nitrogênio: Impactos Ciclo do nitrogênio: Impactos AmbientaisAmbientais
Excesso de matéria orgânica:Excesso de matéria orgânica: Alta produção de NH3 Alta produção de NH3 toxidez > 20 mg/L toxidez > 20 mg/L Perda de nitrogênio no solo e águaPerda de nitrogênio no solo e água Nitrificação Nitrificação acidificação do solo e remoção acidificação do solo e remoção
de amônia de amônia nitratos nitratos Desnitrifcação: perda de N e formaçao de Desnitrifcação: perda de N e formaçao de
oxidos nitrogênio ( chuva ácida)oxidos nitrogênio ( chuva ácida) Fertilizantes químicos: Eutrofizaçao de águasFertilizantes químicos: Eutrofizaçao de águas Formação de nitratos Formação de nitratos acumulaçao em aguas acumulaçao em aguas
subterrâneas. subterrâneas.
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Transformações do Fósforo (P)Transformações do Fósforo (P)
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Phosphorous Cycle
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Formas de P
Pi - Fósforo Inorgânico:
Fosfato (PO4=) --> Dissolvido (Lábil) e precipitado
apatita Ca3(PO4)2 - Variscita Fe(3)PO4
Polifosfato (Poli-P-P-P)
P - orgânico
Biomassa (Particulado) - Acidos Nucleicos, P-Lipídeos e ATP
Fitina (Hexafosfato de Inositol)
Fosfina (PH3)
Formas complexadas não indentificadas
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Onde está o fósforo?
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Biomassa-P(P-org)
Biomassa-P(P-org)
Matéria orgânica (P-
org)
Matéria orgânica (P-
org)
PlantasPlantas AnimaisAnimais
Pi-solução (disponível)
Pi-solução (disponível) Pi não
disponível(“Fixado”)
Pi não disponível
(“Fixado”)
Pi precipitado
Pi precipitado
1,2 – Assimilação (Imobilização)3 – Mineralização4 – Solubilização 5 - Adsorção física a argilas + P-lábil6 – Precipitação e depósitos7 – Decomposição8- Níveis tróficos
1
2
3
7
8
7
65
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Matéria Orgânica PO4= soluçãoPO4= fixado
ou ppt
Biomassa Microbiana
Biomassa Plantas
Precipitado
Lagos – oceanos etc
1
23
4
5
1. Mineralização; 2 Assimilação; 3, 4 – Complexação e ppt; 5, Decomposição.
Ciclo do Fósforo
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Mineralização do P
P-org -----------------> P-inorganico
Fosfatases: ácida e alcalina
Fungos e Bactérias
O OR-OPOH + H20 ROH + OHPOH
OH OH
O ||ROPOH | OH
FosfatoMonoéster
FosfatoMonoéster O
||ROPOR” | OH
FosfatoDiéster
FosfatoDiéster
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Transformações do Enxofre (S)
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TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S)
Funções do S nos seres vivos: Aminoácidos Cis Met Proteinas
Sulfatos (SO4-) Crescimento Celular
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FORMAS DO ENXOFRE (S)
Forma Fórmula Estado deoxidação
Sulfato SO4-2
+6 Sulfito SO3
-2 +4
Dióxido enxôfre SO2 +4 Tiosulfato S2O3
–2 (S—SO3--) +2 (média)
Tetrationato S4O6 +2 (média) S-Elementar So
0 Bissulfeto HS-
-2 sulfeto S-2
-2 S orgânico R-SH -2
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Ciclo do enxôfre
Biomassa-S
Mat.Organica
SO4 H2S
Plantas Animais
So
12
4
35
67
8
10
9
1. Mineralização Aeróbia1. Mineralização Aeróbia
2. Mineralização Anaeróbia2. Mineralização Anaeróbia
3. Imobilização (Assimilação)3. Imobilização (Assimilação)
4. Imobilização (Assimilação)4. Imobilização (Assimilação)
5. Redução 5. Redução desassimilativadesassimilativa
6. Oxidação 6. Oxidação quimioautotróficaquimioautotrófica
7. Oxidação 7. Oxidação quimioautotróficaquimioautotrófica
8, 9. Decomposição8, 9. Decomposição
10. Níveis 10. Níveis tróficostróficos
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TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S)
Mineralização:
S(organico -----> aminoácidos, cisteína e metionina, e na vitamina B, tiamina, biotina e ácido lipóico - SH
Sulfatases
S orgânico (R-O-SH-) + O2–-------------------- ROH + H + SO4=
Bactérias
Ambientes Aquáticos ( Microaerófilos /anaeróbios) ---> H2S
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IMOBILIZAÇÃO DO ENXOFRE (S)Sinorg ----> S org
A imobilização do S ocorre com a assimilação e incorporação do sulfato em nucleotídeos, formando compostos como a adenosina
fosfosulfato (PAP) e fosfoadenosina fosfosulfato (PAPS), com liberação e redução do grupo
sulfato em sulfito (SO3=) e sulfêtos (S2-) e sua incorparação no aminoacido serina para
formação de cisteina.
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TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S)
Oxidação do Gás Sulfídrico
Bactérias aeróbias: Beggiatoa, Thiothrix (Fotossintética facultativas)
Thiobacillus
Bactérias Anaeróbias : Chromatium, Chlorobium (Fotosssintéticas)
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TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S)
Odor: Oxidação de Sulfatos
Presença H2S
Redução do sulfato por desulfovibrio sp
BACTERIAS REDUTORAS DO SULFATO.
BIOCORROSÃO
Mecanismo dependente de SO4 pH e anaerobiose
SO4 < 5 a 250 mg/l
Controle: aeração, calagem (pH >7)
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OXIDAÇÃO DO ENXOFRE (S)
Espécies deTiobacilos
PH ótimo Substratosenergéticos
Metabolismo
T. Thiooxidans 2,0 –3,5 So, S2O3, S4O6 Aeróbio T. ferroxidans 2,0-3,5 So, S203, Fe2+ Aeróbio
T. thioparus 7,0 So, S2-, S2O3, Aeróbio T. novellus 7,0 S2O3, comp. Org. Aeróbio
T. denitrificans 7,0 So, S2-, S2O3, Aeróbio Anaeróbio(NO
3)