Programa de Pós-graduação em Engenharia ambiental – PPGEA-UFES

1. Programa de Pós-graduação em Engenharia ambiental – PPGEA-UFES INTRODUÇAO A ENGENHARIA AMBIENTAL Módulo: Ecologia AULA 2 - CICLOS BIOGEOQUÍMICOS: C(HO)NPS CARBONO NITROGENIO FOSFORO ENXOFRE Prof. Servio Tulio Cassini

2. Energia e fluxos nos Ecossistemas 1. Fotossíntese e Quimiossintese 2. Cadeia Alimentar 3. Decomposição 4. Respiração/Mineralização Aeróbia 5. Respiraçao anaeróbia (Metanogênse) Energia C02 Biomassa 1 2 Níveis tróficos 6- Assimilação (NPS) 6 3 Níveis tróficos Níveis tróficos Matéria Orgânica (C-org) 4 CH4 5 4 Minerais

5. PROCESSOS • MINERALIZAÇÃO • RESPIRAÇÃO / COMBUSTÃO • OXIDAÇÃO • ASSIMILAÇÃO • BIOMASSA • DESASSIMILAÇÃO • VOLATILIZAÇÃO

6. Transformações do Carbono no Ambiente

7. Fotossíntese Quimiossintese Autótrofos Mat. Org. (CHO) Biomassa Carbono CO2 + H2O Heterótrofos Respiração Combustão

8. Ciclagem do Carbono Carbono Fóssil (DEP.)

9. Reservatório de C [C] x 1011 ton % Total Onde está o Carbono? 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

10. Ciclo do Carbono • Matéria Orgânica • Rotas de decomposiçao • Aeróbia -- CO2 ( respiraçao aeróbia) ou biodegradabilidade aeróbia • Anaeróbia - CH4 (respiraçao anaeróbia)  biodegradabilidade anaeróbia Resumo: Matéria orgânica ---- CO2  Biomassa  Produtos Recalcitrantes (sobras)

11. Ciclo da matéria orgânica – Biodegradabilidade aeróbia

12. Resumo do Carbono Organico no solo

13. ·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

15. Atmospheric carbon x temperature 1958 - 2000 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.

16. World CO2 levels at record high, scientists warn David Adamguardian.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.

17. Química do carbonato em sistemas aquáticos CO2 + H2O H2CO3- H+ + HCO3- CaCO3 + H2O + CO2 Ca++ + 2HCO3- Solubilidade Acidez x alcalinidade

18. Dióxido de carbono nos oceanos: co2 X pH Ano

19. 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 ( NN) • Processos tipicamente microbiológicos • Variação de estados de oxidação

20. Estados de Oxidaçao do N:N tem 5 eletrons e 9 estados deoxidaçao: de –3 to +5 Incremento do estado de oxidaçao Numero de oxidaçao decrescente (reduçao)

21. O CICLO DO NITROGENIO: MAJOR PROCESSES Combustão relampagos ATMOSFERA N2 NO Oxidação Atmosf. HNO3 desnitrificaçao biofixaçao Deposição Chuva acida N ORG decomposiçao NH3/NH4+ NO3- BIOSFERA assimilação nitrificação intemperismo LITOSFERA

23. Ciclo do N: Fluxos Globais Numeros em Tg N Fluxos em Tg N yr-1

24. CICLO DO NITROGENIO – PRINCIPAIS FORMAS E PROCESSOS DE TRANSFORMAÇAO DO N 1 – Amonificaçao – Mineralizaçao 2 – Nitrificaçao 3 – Desnitrificaçao 4 – Fixaçao 5 – Assimilaçao – Imobilizaçao 6 – equilibrio químico (pH dependente) Matéria Orgânica SOLO-ÁGUA 1 2 3 NO3 NITRATO N2 NITROGÊNIO 5 NH3 AMONIA 6 4 NH4+ AMôNIO

25. CICLO DO NITROGÊNIO: AMONIFICAÇAO • 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

26. CICLO DO NITROGENIO: NITRIFICAÇÃO • 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)

27. CICLO DO NITROGENIO: DESNITRIFICAÇAO N03 NO2  N2 • Processo Anaeróbio e Excesso de matéria orgânica. • Várias etapas e várias bactérias • Perda de Nitrogênio de ecossistemas (Volatilizaçao) • Chuva acida: formaçao ( N2O NO) • Impacto ambiental  elevado • Legislaçao : sem parametro de controle

28. Ciclo de nitrogênio: fixaçao do nitrogênio: • Fixaçao Biológica do Nitrogênio: N2  2NH3 • Forma de adiçao de N em ecossistemas • Processo natural  Bactérias fixadoras N • Processo artificial (industrial) N2  NH3 (industria de fertilizantes) • Em vegetais (soja, feijão) adicionam até 100 kg N hectare por ano • Impacto ambiental  positivo para processos naturais e negativo para adiçáo de fertilizantes

29. Ciclo do nitrogênio: Impactos Ambientais • Excesso de matéria orgânica: • Alta produção de NH3  toxidez > 20 mg/L • Perda de nitrogênio no solo e água • Nitrificação  acidificação do solo e remoção de amônia  nitratos • Desnitrifcação: perda de N e formaçao de oxidos nitrogênio ( chuva ácida) • Fertilizantes químicos: Eutrofizaçao de águas • Formação de nitratos  acumulaçao em aguas subterrâneas.

30. Ciclo do nitrogênio: Ações Corretivas • Medio e Alto impacto: • Tratamento de efluentes com remoçao de nutrientes ( tratamento terciário) • Drenagem de solos  aeraçao • Correçao de pH  calagem • Matéria orgânica estabilizada • Abrandar a utilizaçáo de fertilizantes químicos • Adubação orgânica (estabilizada)

31. Ciclo do nitrogênio: Impactos Ambientais • Excesso de matéria orgânica: • Alta produção de NH3  toxidez > 20 mg/L • Perda de nitrogênio no solo e água • Nitrificação  acidificação do solo e remoção de amônia  nitratos • Desnitrifcação: perda de N e formaçao de oxidos nitrogênio ( chuva ácida) • Fertilizantes químicos: Eutrofizaçao de águas • Formação de nitratos  acumulaçao em aguas subterrâneas.

32. Transformações do Fósforo (P)

33. Phosphorous Cycle

34. Formas de P Pi - Fósforo Inorgânico: Fosfato (PO4=) --> Dissolvido (Lábil) e precipitado apatita Ca3(PO4)2 - VariscitaFe(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

35. Onde está o fósforo?

37. 8 Plantas Animais 7 7 1,2 – Assimilação (Imobilização) 3 – Mineralização 4 – Solubilização 5 - Adsorção física a argilas + P-lábil 6 – Precipitação e depósitos 7 – Decomposição 8- Níveis tróficos Matéria orgânica (P-org) 1 Biomassa-P (P-org) 3 2 Pi-solução (disponível) Pi não disponível (“Fixado”) 5 6 Pi precipitado

38. Ciclo do Fósforo Biomassa Microbiana Biomassa Plantas PO4= fixado ou ppt 1 PO4= solução Matéria Orgânica 3 2 4 5 1. Mineralização; 2 Assimilação; 3, 4 – Complexação e ppt; 5, Decomposição. Precipitado Lagos – oceanos etc

39. Mineralização do P P-org -----------------> P-inorganico Fosfatases: ácida e alcalina Fungos e Bactérias • O O • R-OPOH + H20  ROH + OHPOH • OH OH Fosfato Monoéster Fosfato Diéster O || ROPOH | OH O || ROPOR” | OH

40. Transformações do Enxofre (S)

41. TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S) Funções do S nos seres vivos:  Aminoácidos Cis Met Proteinas Sulfatos (SO4-)  Crescimento Celular

42. FORMAS DO ENXOFRE (S)

43. Ciclo do enxôfre

44. 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

45. 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.

46. TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S) Oxidação do Gás Sulfídrico Bactérias aeróbias: Beggiatoa, Thiothrix (Fotossintética facultativas) Thiobacillus Bactérias Anaeróbias : Chromatium, Chlorobium (Fotosssintéticas)

47. 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)

48. OXIDAÇÃO DO ENXOFRE (S)