Ap_1 ecologia e ciclos biogeoquímicos

23/05/2013
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
Fundamentos de Engenharia Ambiental (DEA 07756)
Prof. Celson Rodrigues
1.Ecologia
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
1.3. Crise Ambiental
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
ECOLOGIA
OYKOS = CASA
LOGOS = ESTUDO
ESTUDO DO AMBIENTE COMO UM TODO ( FISICO,
QUIMICO E BIOLÓGICO) E SUAS INTERAÇÕES.
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
ECOLOGIA
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Energia Luminosa
Energia Química
Água
Rochas
Energia
Itemperismo
Minerais
Biomassa
Nutrientes
Matéria Organica
Populações
Meio
Abiótico
“Resíduos”
Seres
vivos
Comunidades
Biocenoses
Habitat
Nicho
ECOLOGIA
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Espécie - conjunto de
indivíduos semelhantes e
capazes de se inter-cruzar
(reproduzir), em condições
naturais, produzindo
descendentes férteis.
Célula
Tecido
Órgão
Sistema
Organismo
População
Comunidade
Ecossistema
Biosfera
População - conjunto de
indivíduos da mesma espécie,
que vivem na mesma área e no
mesmo tempo, mantendo entre
si certa interdependência .
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Comunidade ou Biocenose
conjunto de
populações
interdependentes que
vivem em
determinada área
geográfica
Biótopo
ambiente físico ou químico
onde
vive a comunidade (área
explorada pela
comunidade)
Ecossistema:
Biótopo +Biocenose
– meio abiótico
– meio biótico.
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
ECOSSISTEMA
Unidade de Estudo Ecológico
INTERAÇÃO de aspectos fisico, químico e
biológico de uma área;
EXTENSÃO: variável
Por exemplo: um aquário, uma ilha, uma
floresta, ou seja, depende da amplitude de
suas análises.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Exemplo: Ecossistema Costeiro
A Região Costeira, pode ser considerada
como um grande ecossistema, bem como
suas subdivisões: estuários, ilhas, manguezais,
restingas, dunas, praias, falésias, costões
rochosos e recifes de corais.
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Ecossistema Manguezal
Spartina brasiliensis (gramínea)
2- Usnea barbata (barba-de-velho)
3- líquen incrustante
4- Rhizophora mangle (mangue-vervelho ou
bravo)
5- Avicenia schaueriana (mangue-seriba ou
seriúba)
6- Laguncularia racemosa (mangue-branco)
7- Hibiscus tiliaceus (hibisco ou
algodãonzinho-da-praia)
8- Acrosticum aureum (samambaia do mangue)
9- Ardea cocoi (garça-cinzenta)
10- Ardea alba (garça-branca-grande)11Eudocimus ruber (guará)
12- Aramides mangle (saracura-do-mangue)
13- Cardisoma guanhumi (guaiamu)
14- Ucides cordatus (caranguejo-uçá)
15- Goniopsis cruentata (maria-mulata ou
aratu)
16- Callinectes sp. (siri-azul)
17- Uca uruguayensis (chama-maré)
18- ninho de termita (cupinzeiro)
19- Crassostrea rhizophora (ostra-do-mangue)
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Ecossistema Manguezal
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Meio ambiente
Tudo o que cerca o ser vivo, que o influencia e que é
indispensável à sua sustentação. Estas condições incluem solo,
clima, recursos hídricos, ar, nutrientes e os outros organismos.
O meio ambiente não é constituído apenas do meio físico e
biológico, mas também do meio sócio-cultural e sua relação
com os modelos de desenvolvimento adotados pelo homem.
Biota
Conjunto de seres vivos que habitam um determinado
ambiente ecológico, em estreita correspondência com as
características físicas, químicas e biológicas deste ambiente.
Abiótico
É o componente não vivo do meio ambiente. Inclui as
condições físicas e químicas do meio.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Bioma
Amplo conjunto de ecossistemas terrestres caracterizados por tipos
fisionômicos semelhantes de vegetação, com diferentes tipos
climáticos. É o conjunto de condições ecológicas de ordem climática
e características de vegetação: o grande ecossistema com fauna,
flora e clima próprios. Os principais biomas mundiais são: tundra,
taiga, floresta temperada caducifólia, floresta tropical chuvosa,
savana, oceano e água doce.
Ciclos Biogeoquímicos
As substâncias são continuamente transformadas durante a
composição e a decomposição da matéria orgânica, sem escapar da
biosfera. Elas são recicláveis. Os caminhos percorridos ciclicamente
entre o meio abiótico e o biótico pela água e pelos elementos
químicos carbono, oxigênio e nitrogênio constituem os ciclos
biogeoquímicos
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Habitat
Local onde uma determinada espécie vive.
Nicho Ecológico
papel que determinado ser executa dentro do seu habitat (predador,
produtor, etc).
Homeostase
equilíbrio do sistema.
Tempo de resposta
tempo para se acionar o sistema de auto-regulação.
Biomassa
quantidade total de matéria viva.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
A Vida, como a conhecemos, requer
basicamente matéria e energia para
ocorrer
Matéria é algo Energia é a capacidade
que ocupa
de realização de
lugar no espaço
trabalho
Em qualquer sistema natural, matéria e
energia são conservadas, ou seja, não
se criam nem se destroem matéria nem
energia
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
ENERGIA X VIDA
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Fluxo de Energia nos Ecossistemas
A ENERGIA FLUI DE PRODUTORES PARA DECOMPOSITORES
UNIDIRECIONAL
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Fluxo de Energia nos Ecossistemas
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
A cadeia alimentar ou trófica é uma
seqüência de seres vivos/populações
que se alimentam uns dos outros. É a
maneira de expressar as relações de
alimentação entre os organismos de
uma
comunidade/ecossistema,
iniciando-se nos produtores e
passando para os consumidores
(herbívoros,
predadores)
e
decompositores, por esta ordem. Ao
longo da cadeia alimentar há uma
transferência de energia e de
nutrientes.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Interações ecológicas entre os seres vivos
Grupos
Interativos
Interações
Harmônicas
Interações
Desarmônicas
Intra Específica
Colônia (+)
Sociedade (+)
Competição (-)
Inter Específica
Mutualismo (+ +)
Cooperação (+ +)
Comensalismo (+ 0)
Inquilismo (+ 0)
Epifitismo (+ 0)
Competição (- -)
Parasitismo (+ -)
Predatismo (+ -)
Amensalismo (+ -)
O sinal (+) indica vantagem para a espécie, o sinal (-) indica prejuízo
para a espécie, e o sinal (0) indica que a espécie não é beneficiada nem
prejudicada.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Exemplos de interações ecológicas entre os seres vivos
As interações de comensalismo, inquilinismo e epifitismo são estudadas dentro de
um mesmo grupo onde uma espécie é beneficiada e a outra é neutra, não sendo
beneficiada nem prejudicada. Muitas vezes estas interações são caracterizadas como
sendo uma relação alimentar no comensalismo, uma relação onde uma espécie usa
outra para proteger-se como no caso do inquilinismo ou no caso de uma planta
vivendo sobre outra, usando-a como suporte, é chamada de epifitismo.
Relação de comensalismo entre o tubarão e rêmora.
Relação de inquilinismo entre pepino-do-mar e peixe-agulha.
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Energia e fluxo de Matéria Orgânica
1. Fotossíntese e Quimiossíntese
2. Cadeia Alimentar
Energia
3. Decomposição
Biomassa
C02
1
4. Respiração aeróbia (mineralização)
2
5. Respiraçao anaeróbia (metanogênse)
Níveis tróficos
3
Níveis tróficos
Níveis tróficos
Matéria Orgânica
(C-org)
4
CH4
5
Minerais
4
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
TEIA (CADEIA) ALIMENTAR
Produção Primária
Ambientes Aquaticos: Bactérias, Cianobactérias e Algas
Ambientes Terrestes: Plantas
Consumidores
Ordens (cadeias e interações)
Decompositores e Detritívoros
Matéria orgânica – ciclo.
Bioacumulação, Bioamplificação ou Biomagnificação
Compostos inorgânicos: Ex. metais pesados
Compostos Orgânicos: Ex. pesticidas (Agrotóxicos)
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
TEIA ALIMENTAR
Caminhos opcionais
da matéria orgânica
nos ecossistemas.
São superposições
de cadeias.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Fluxo de Energia nos Ecossistemas
A ENERGIA DECRESCE A CADA NÍVEL TRÓFICO
POR ISSO:
AS CADEIAS ALIMENTARES SÃO NORMALMENTE COMPOSTAS
DE POUCOS NÍVEIS TRÓFICOS
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Pirâmides de Fluxo de Energia
Energia
Biomassa
Números
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Grandes ecossistemas distribuídos na superfície
terrestre:
Ecossistemas terrestres;
Ecossistemas aquáticos (plânctons, bentos, néctons);
Ecossistemas de água doce (lênticos, lóticos);
Rios, lagos, oceanos, estuários;
Tundras;
Florestas (de coníferas, temperadas de folhas caducas,
tropicais);
Campos;
Desertos.
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Grandes Biomas
Grandes Biomas
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Biomas do Brasil
Bioma é conceituado no mapa como um conjunto
de vida (vegetal e animal) constituído pelo
agrupamento de tipos de vegetação contíguos e
identificáveis em escala regional, com condições
geoclimáticas similares e história compartilhada de
mudanças, o que resulta em uma diversidade
biológica própria.
BIOMAS
CONTINENTAIS
BRASILEIROS
ÁREA
APROXIMADA
(km2)
ÁREA/TOTAL
BRASIL
AMAZÔNIA
4.196.943
49.29%
CERRADO
2.036.448
23.92%
MATA ATLANTICA
1.110.182
13.04%
CAATINGA
844.453
9.92%
PAMPA
176.496
2.07%
PANTANAL
150.355
1.76%
ÁREA TOTAL BRASIL
8.514.877
100%
ftp://ftp.ibge.gov.br/Cartas_e_Mapas/Mapas_Murais/biomas_pdf.zip
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Dinâmica Populacional
População
♦ Densidade = nº de indivíduos/espaço
♦ Taxa de natalidade: nº de nascimentos/tempo
♦ Taxa de mortalidade = nº de mortes/tempo
O crescimento verificado às custa de elevada taxa
de natalidade sobre a de mortalidade é
denominado crescimento vegetativo.
♦ Dispersão
Trata-se do movimento de indivíduos para dentro
(imigração) ou para fora (emigração) da
população.
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Dinâmica Populacional
♦ Distribuição por faixa etária
♦ Crescimento populacional
– A estabilidade da população depende do antagonismo
entre dois fatores: potencial biótico e resistência
ambiental.
– potencial biótico: capacidade inata de uma população
para crescer em condições favoráveis.
– Resistência ambiental: conjunto de fatores capazes de
limitar o crescimento populacional: efeito do clima,
competição entre indivíduos, falta de alimento, etc.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Dinâmica Populacional – MODELOS MATEMÁTICOS
ARITMÉTICO
P = P2 + Ka (t - t 2 )
GEOMÉTRICO
P 
P = P2  2 
 P1 
 t -t 2 


 t 2 - t1 
LOGÍSTICO
P=
k
1 + e a -bT
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Dinâmica Populacional
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Dinâmica Populacional
Aumento da população mundial:
1950 → 2,52 bilhões de pessoas
2007 → 6,58 bilhões de pessoas
2050 → 8,92 bilhões de pessoas
(projeção)
Distribuição da População no Brasil:
Brasil (2006) → 186,771 milhões de
pessoas
Urbana → 81,25 %
Rural → 18,75 %
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1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Dinâmica Populacional
Densidade demográfica segundo as Grandes Regiões do Brasil - 2007
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
A energia é armazenada na forma de nutrientes
Nutrientes: elementos essenciais à vida disponíveis
para os produtores, em forma molecular ou iônica.
Macronutrientes: participam em quantidades superiores a 0,2% do p.o.s.:
–
carbono
(C),
hidrogênio
nitrogênio
(N),
fósforo
(P),
potássio
(K),
sódio
(Na),
(Mg) e ferro(Fe).
(H),
enxofre
cálcio
oxigênio
(O),
(S),
cloro
(Cl),
(Ca),
magnésio
Micronutrientes: participam em quantidades inferiores a 0,2% do p.o.s.:
–
alumínio
(Al),
boro
(B),
cromo
molibdênio (Mo), vanádio (V) e cobalto (Co).
(Cr),
zinco
(Zn),
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclos Gasosos - o depósito está na atmosfera ou hidrosfera, composto
dos seguintes nutrientes:
Oxigênio
Reservatório é a atmosfera
Carbono
Grande reservatório está na hidrosfera, na forma
de gás carbônico, embora também esteja presente
na atmosfera;
Nitrogênio
Reservatório é a atmosfera.
Ciclos Sedimentares - depósito está na crosta terrestre, composto dos
seguintes nutrientes:
Água
Os depósitos são o mar, rios, lagos, rochas
sedimentares.
Fósforo
Os reservatórios são as rochas formadas em
remotas eras geológicas.
Enxofre
O maior reservatório são as rochas e sedimentos.
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo biogeoquímico é o
percurso realizado no meio
ambiente por um elemento
químico essencial à vida. Ao
longo do ciclo, cada elemento
é absorvido e reciclado por
componentes bióticos (seres
vivos) e abióticos (ar, água,
solo) da biosfera, e às vezes
pode se acumular durante um
longo período de tempo em
um mesmo lugar.
É por meio dos ciclos biogeoquímicos que
os elementos químicos e compostos
químicos são transferidos entre os
organismos e entre diferentes partes do
planeta.
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Carbono
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Carbono
Carbon Forms: CO2, CO, CH4, H2CO3, organic matter, CaCO3
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Carbono
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Carbono
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Carbono
Fotossíntese
Síntese de Compostos Orgânicos
Fotossíntese
6CO2 + 6H 2O LUZ
→
 C6 H 12O6 + 6O2
Respiração
C 6 H 12O 6 + 6O 2 
→ 6 CO 2 + 6 H 2 O + energia
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Carbono atmosférico
X
Temperatura (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.
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Mudança de uso da terra e perda da MO do solo
Eliminação do carbono da
vegetação para implantação
de pastagens, plantações e
sistemas urbanos
Ocupação por pastagens/plantações
Foley et al. 2005, NASA LCLUC Program.
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Nitrogênio
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Nitrogênio
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Nitrogênio
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Estoques de nitrogênio
ATMOSFERA
BIOMASSA
TERRESTRE
4.000.000.0000
Tg N (N2)
3500 Tg N
SOLO (M.O)
BIOMASSA MARINHA
9500 Tg N
4700 Tg N
SEDIMENTOS
400.000.000 Tg N
Imagem: Botkin e Keller (1995); Fluxos: Reeburgh (1997)
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Impacto humano
Humanos: adição de
mais 175 Tg de N
(duplicaram o
Nitrogênio reativo!)
70%
30%
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Impacto humano
Fixação industrial de nitrogênio
• Contaminação da água (mudança de composição e pH,
afetando os recifes em escala global);
• Impacto no ciclo do carbono;
• Chuva ácida (HNO3)
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Impacto humano
Fixação industrial de nitrogênio
Runoff N
Lixiviação N
Contaminação da água
subterrânea com nitratos
Eutrofização
0,5
5
kg N.ha-1.ano-1
50
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do fósforo
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do fósforo
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do fósforo
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do enxofre
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do enxofre
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do enxofre
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do
Oxigênio
O oxigênio molecular (O2) compõe cerca de 21% da atmosfera terrestre. Este oxigênio
satisfaz as necessidades de todos os organismos terrestres que o respiram no seu
metabolismo.O principal fator na produção de oxigênio é a fotossíntese, que regula a
relação gás carbônico/gás oxigênio na atmosfera. Na atmosfera, encontra-se como
oxigênio diatômico/oxigênio molecular (O2), dióxido de carbono (CO2), ozônio (O3),
dióxido de nitrogênio (NO2), monóxido de nitrogênio (NO), dióxido de enxofre (SO2), etc.
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do
Oxigênio
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo Hidrológico
O ciclo hidrológico é
dirigido pela energia solar
e
compreende
o
movimento da água dos
oceanos para a atmosfera
por evaporação e de volta
aos
oceanos
pela
precipitação que leva à
lixiviação ou à infiltração.
Cerca
de
97%
do
suprimento de água está
nos oceanos, 2% nas
geleiras e muito menos
que 1% na atmosfera
(0,001%).
Aproximadamente 1% do total da água contida nos rios, lagos e
lençóis freáticos é adequada ao consumo humano.
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo Hidrológico
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
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1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Modelo de Produção e Consumo na Floresta
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
McKinney and Schoch 2003
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1.3. Crise Ambiental
AQUECIMENTO GLOBAL
1.3. Crise Ambiental
AQUECIMENTO GLOBAL
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1.3. Crise Ambiental
AQUECIMENTO GLOBAL
GEEs - emissões
Metano
24%
Óxido
nitroso 10%
Dióxido de
carbono
63%
Outros: 3%
Fonte: IPCC
1.3. Crise Ambiental
População, Homem e Recursos Naturais
Recurso natural é qualquer insumo de que os
organismos, populações e ecossistemas necessitam
para sua manutenção.
Recursos
Naturais
Tecnologia e
Economia
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1.3. Crise Ambiental
População, Homem e Recursos Naturais
1.3. Crise Ambiental
População, Homem e Recursos Naturais
A permanência da perturbação pode impedir a auto-depuração.
RECURSOS HÍDRICOS
LANÇAMENTO DE ESGOTO
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1.3. Crise Ambiental
Impactos ambientais e ações antrópicas (nocivos):
1. Eutrofização de corpos d’água;
2. Contaminação de lençóis freáticos;
3. Metais pesados em sedimentos - Ecossistemas costeiros;
4. Poluição residual por agrotóxicos – Agroecossistemas;
5. Desmatamento e garimpos;
6. Destinação inadequada de resíduos sólidos;
7. Emissão excessiva de poluentes atmosféricos;
8. Projetos urbanos e rurais sem sustentabilidade (ou falta).
1.3. Crise Ambiental
Solução: Desenvolvimento Sustentável
Qual a nossa
eficiência?
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1.3. Crise Ambiental
Desenvolvimento Sustentável
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