CICLO BIOGEOQUÍMICO - RESUMO

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Aula 5 – Ciclos Biogeoquímicos

Leonardo David Tuffi Santos

[email protected]

Água

NitrogênioFósforo

CarbonoCICLOS

BIOGEOQUÍMICOS

Todos os elementos químicos, tendem a circular na

biosfera em vias características, do ambiente aos

organismos e destes, novamente, ao ambiente.

CICLOS BIOGEOQUÍMICOSCICLOS BIOGEOQUCICLOS BIOGEOQUÍÍMICOSMICOS

A Biogeoquímica é a ciência que estuda a troca ou a circulação de matéria entre os componentes vivos e físico-químicos da Biosfera (Odum, 1971).

CICLOS BIOGEOQUCICLOS BIOGEOQUÍÍMICOSMICOS

Ciclos: representam a troca e a circulação de matéria entre os componentes vivos e físico-químicos da biosfera.

Bio – vida: os organismos interagem no processo de síntese orgânica e na decomposição dos elementos.

Geo: o meio terrestre (solo/rochas) é o reservatório dos elementos.

Químico: ciclo dos elementos e processos químicos de síntese e decomposição.

CLASSIFICACLASSIFICAÇÇÃO DOS CICLOSÃO DOS CICLOS

1. Ciclo da água ou hidrológico.

2. Ciclos dos macro e micronutrinentes: minerais em geral.

3. Ciclos sedimentares ( rochas): fósforo, enxofre, cálcio, magnésio e potássio.

4. Ciclos gasosos: carbono, nitrogênio e oxigênio.

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CICLOS BIOGEOQUCICLOS BIOGEOQUÍÍMICOS MICOS –– processo dinâmicoprocesso dinâmico

SER HUMANO

Acelera o movimento de muitos materiais

Ciclos tendem a se tornar imperfeitos (acíclico)

Carência/excesso

Excesso /carência

Uso aplicado do estudo quantitativo dos ciclos Biogeoquímicos

Monitoramento da poluição;

Estabelecimento de técnicas de manejo;

Determinação e controle da perda de fertilizantes;

Uso racional de recursos hídricos, minerais;

Controle do aumento de CO2 na atmosfera e aqüicultura.

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Estabelecimento de técnicas de manejo: Barraginhas Uso racional de recursos hídricos: Coleta de água da chuva

Uso racional de recursos hídricos: Irrigação por gotejamento

Ciclo Hidrológico ou ciclo da água

A água é o principal componente dos organismos vivos

Os seres vivos devem apresentar características específicas conforme a umidade e a ocorrência de água em seu hábitat – adaptação.

A superfície terrestre é recoberta por cerca de 75% de água:

TABELA - DISTRIBUIÇÃO DA ÁGUA NO PLANETA

0,005Vapor atmosféricoGasoso

97,210,6260,009

OceanosÁguas subterrâneasÁguas superficiais

Líquido

2,15Calotas de gelo, geleiras

Sólido

Volume da água do planeta (%)

Tipos Estado físico

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-Cerca de 97,4 % pertencem ao talassociclo

� conjunto que abrange todos os ecossistemas marinhos

[sais-cloretos/sulfatos]

acima de 3g/L

- 2,6% pertence ao limnociclo

� conjunto de todos os ecossistemas de água doce

[sais-cloretos/sulfatos]

0,5g/L

-2% círculos polares e geleiras

- o restante: água subterrânea, rios, umidade do

solo e da atmosfera, no corpo das plantas e

animais.

TABELA - TIPOS DE ÁGUA E [SAIS]

Acima de 5,0 Salgada

1,0 a 4,0 Salobra

Abaixo de 0,5 Doce

[Sais] por litro (gramas) Tipos de água

O limnociclo pode ser dividido em:

Águas lóticas Águas correntes

Águas lênticas Águas parada

Total de água na biosfera1,4 bilhão de Km3

1.400.000 x 10 18g

10 18 = 1 quatrilhão de gramas / 1 trilhão (1012) de toneladas métricas

1 teratonelada (Tt)

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O ciclo da água é conduzido pela ENERGIA SOLAR

Evaporação + transpiração

Características climáticas

TERRA

PRECIPITAÇÃO EVAPOTRANSPIRAÇÃO

22%

111Tt/ano

16%

71Tt/ano

Reposição de água em uma FlorestaTropical Úmida

Os solos, rios, lagos e oceanos contêm mais de 100.000 vezes a água que existe na atmosfera

Os fluxos através de ambos os compartimentos são os mesmos (evaporação equilibra a precipitação)

Renovação águas superficiais : 1 ano

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CICLO HIDROLCICLO HIDROLÓÓGICOGICO

O ciclo hidrológico pode ser resumido por meio dos seguintes processos:

DETENÇÃO: parte da precipitação fica retida na vegetação, depressões do terreno e construções. Essa massa de água retorna à atmosfera pela ação da evaporação ou penetra no solo pela infiltração.

ESCOAMENTO SUPERFICIAL: constituído pela água que escoa sobre o solo, fluindo para locais de altitudes inferiores, até atingir um corpo d’água como um rio, lago ou oceano. A água que compõe escoamento superficial pode também sofrer infiltração para as camadas superiores do solo, ficar retida ou sofrer evaporação.


INFILTRAÇÃO: a água infiltrada pode sofrer evaporação, ser utilizada pela vegetação, escoar ao longo da camada superior do solo ou alimentar o lençol de água subterrâneo.

ESCOAMENTO SUBTERRÂNEO: constituído por parte da água infiltrada na camada superior do solo, sendo bem mais lento que o escoamento superficial. Parte desse escoamento alimenta os rios e os lagos, além de ser responsável pela manutenção desses corpos durante épocas de estiagem.


EVAPOTRANSPIRAÇÃO: parte da água existente no solo que é utilizada pela vegetação e eliminada pelas folhas na forma de vapor.

EVAPORAÇÃO: em qualquer das fases descritas anteriormente, a água pode voltar à atmosfera na forma de vapor, reiniciando o ciclo hidrológico.

PRECIPITAÇÃO: água que cai sobre o solo ou sobre um corpo d’água.

* Nos oceanos, a evaporação excede a precipitação, e nos continentes ocorre o oposto.

O ciclo hidrológico é essencial ao ambiente:

- transporta e faz circular a água de uma região para as outra;

- importante agente modelador da crosta terrestre (devido à erosão e ao transporte de sedimentos);

- Condicionante de toda a vida na Terra.

INTERVENINTERVENÇÇÕES HUMANAÕES HUMANA

1. Desmatamento.

2. Pavimentação = taxa de impermeabilização.

3. Utilização de agrotóxicos.

4. Despejos de esgotos e efluentes industriais.

5. Eutrofização.

6. Diminuição do teor de oxigênio dissolvido nos rios.

7. Lançamento de substâncias tóxicas perigosas.

8. Poluição atmosférica.

9. Resíduos sólidos.

10. Represamento das águas.

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CICLO DO CARBONOCICLO DO CARBONO

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).

Reação da fotossíntese:

6CO2 + 6 H2O + energia solar = C6H12O6 + 6O2


� A fixação do carbono em sua forma orgânica indica que a fotossíntese é a base da vida na Terra.

� A energia solar é armazenada como energia química nas moléculas orgânicas da glicose.

A energia armazenada nas moléculas orgânicas éliberada no processo inverso ao da fotossíntese: a respiração. Nesta, ocorre a quebra das moléculas com a conseqüente liberação de energia para a realização das atividades vitais dos organismos.

Reação da respiração:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6 H2O + 640 kcal / molde glicose

Ciclo do carbono


580Plantas terrestres

825Atmosfera

1,500Material orgânico no solo

4,000Combustível fóssil (petróleo, gás e carvão)

40,000Água oceânica, conchas e organismos

80,000,000Sedimentos sob as águas e rochas sedimentares

Bilhões de toneladas métricas

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•Biosfera terrestre: 2.000 Gt

•Litosfera: > 75.000 Gt

•Oceanos: 38.400 Gt

•Fósseis: 4.130 Gt

Por onde passa a maior parte do C circundante

Processos de oxi-redução determinam os fluxos de CO2 para compostos orgânicos e destes para CO2 e CH4.

50% do C fotoassimilado pelas plantas é consumido na respiração dos seres vivos para manutenção e crescimento.

O restante forma a serapilheira

No solo os materiais orgânicos sofrem decomposição pelos microrganismos heterotróficos – grande parte do C vai para a atmosfera.

• 400 Gt de C-CH4

• 160 Gt de C-CO2

Emitidos globalmente

• 110 Gt de C-CH4

• 70 Gt de C-CO2

Originados do solo

O ciclo de C resume-se a dois grandes fluxos principais: fotossíntese e respiração

Plantas, bactérias e fungos são importantes reservatórios de nutrientes da matéria orgânica do solo

Destino do C Destino do C fotoassimiladofotoassimilado

C C FotosFotosííntesentese

RespiraRespiraçção dos ão dos seres vivosseres vivos

AcAcúúmulo Biomassamulo Biomassa

50%50%

50%50%

Ecossistemas/AgroecossistemasEcossistemas/Agroecossistemas

Como o manejo da biomassa pode Como o manejo da biomassa pode influenciar este processo?influenciar este processo?

•• ProduProduçção ão agropecuagropecuááriaria••SerrapilheiraSerrapilheira••Decomposto por Decomposto por microroganismosmicroroganismos

FonteFonteFonteFonte: Ferreira e : Ferreira e : Ferreira e : Ferreira e GausmannGausmannGausmannGausmann, 1996, , 1996, , 1996, , 1996, citadocitadocitadocitado porporporpor caporal caporal caporal caporal

emememem apresentaapresentaapresentaapresentaççççãoãoãoão nananana UFMGUFMGUFMGUFMG

RepresentaRepresentaRepresentaRepresentaççççãoãoãoão grgrgrgrááááficaficaficafica dadadada coberturacoberturacoberturacobertura

florestalflorestalflorestalflorestal no Rio Grande do no Rio Grande do no Rio Grande do no Rio Grande do SulSulSulSul

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Sistemas de produção de baixo

acúmulo de biomassaMonocultivo de Grãos

O sistema deixa de acumular biomassa, C no

solo retorna para atmosfera

Sistemas de produção de alto

acúmulo de biomassa

Sistemas Acumula

biomasa na vegetação,

serrapilheira e matéria orgânica no solo –

sequestra C

Sistema agroflorestal

Sistemas de produção de Alto acúmulo de biomassa

Sistema agrosilvopastoril

Sistemas Acumula biomasa na vegetação,

serrapilheira e

matéria orgânica no solo –

sequestra C

Aproveitamento de resíduos/Sequestro de

carbono

Reciclagem de biomassa nas

cidades – horta urbana

Reciclagem de biomassa nas cidades - compostagem

Aproveitamento de resíduos/Sequestro de

carbono

Como o manejo da biomassa pode Como o manejo da biomassa pode influenciar este processo?influenciar este processo?

AcAcúúmulo/Manutenmulo/Manutençção : ão : Em sistemas de manejo da biomassa Em sistemas de manejo da biomassa que preconizam seu aumento no sistemaque preconizam seu aumento no sistema( ( safssafs, plantio direto, arboriza, plantio direto, arborizaçção de ão de pastagens, reaproveitamento de respastagens, reaproveitamento de resííduos duos urbanos, agricultura urbana)urbanos, agricultura urbana)

Perda : Em sistemas que não preconizam seu aumento Perda : Em sistemas que não preconizam seu aumento ( plantio convencional de grãos, pastagens a pleno sol, ( plantio convencional de grãos, pastagens a pleno sol, não reaproveitamento dos resnão reaproveitamento dos resííduos urbanos)duos urbanos)

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Produtividade primária

2 vezes maior em florestas tropicais do que nas temperadas

Taxa de decomposição dos restos vegetais

2 a 3% ao ano nos trópicos e 1% nas regiões temperadas

•Clima;

•Elevados teores de compostos aromáticos e baixo teores de bases nos materiais da floresta temperada.

A ciclagem do C e nutrientes é muito mais rápida nas regiões mais quentes e úmidas que naquelas de clima frio e seco.

Quando as florestas são derrubadas em condições tropicais ocorrem perdas rápidas de matéria orgânica e nutrientes.

Maior quantidade de C (nutrientes) é armazenada nos ecossistemas naturais em relação aos agroecossistemas ou solo sem vegetação.

O cultivo do solo acelera os processos biológicos de oxidação.

Não havendo reposição da matéria orgânica diminui a capacidade produtiva do solo.

Nos ecossistemas florestais dos trópicos a reciclagem de N, P e K é da ordem de 50 a 70%.

Razão da quantidade total de nutrientes na vegetação em relação ao solo > 1, o sistema é pouco sustentável.


Os decompositores atuam sobre os detritos orgânicos liberando CO2, que retorna à atmosfera, reintegrando-se a seu reservatório natural.

Detritos orgânicos ainda podem originar os combustíveis fósseis que, através da combustão, eliminarão CO2 de volta para a atmosfera.

Obs.:

Fotossíntese: CO2 + H2O = > C6H12O6 + H20 + O2

Respiração: C6H12O6 + O2 = > CO2 + H2O + energia

Combustão: combustível + energia + O2 = > CO2 + ...(detritos)

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Ciclo do NitrogênioCiclo do Nitrogênio

• Importância do elemento.

• Perdas e transformações são frequentes.

• Limitante para o crescimento de populações.

CICLO DO NITROGÊNIOCICLO DO NITROGÊNIO

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 atmosfera é rica em nitrogênio (78%) e pobre em Carbono (0,032%);

� apesar da abundância de nitrogênio na atmosfera, somente um grupo seleto de organismos consegue utilizar o nitrogênio gasoso;

� o envolvimento biológico no ciclo do nitrogênio émuito mais extenso do que no ciclo do carbono.


Compartimentos:Compartimentos:

• Biosfera – 2,8 a 6,5.10 (12)

N orgânico

• Atmosfera – 3,9.10 (12) ( N2)

96% na matéria orgânica morta

4% na matéria orgânica viva

•94% plantas•4% microbiota•2% animais


O Nitrogênio (N2) é um elemento químico que participa da constituição de ácidos nucléicos, proteínas e clorofilas. Compreende-se, portanto, a importância do estudo do ciclo desse elemento na natureza, cujo reservatório natural é a atmosfera, onde perfaz cerca de 78% do ar. Entretanto, o N2 éuma molécula que não constitui fonte adequada do elemento para a grande maioria dos seres vivos. De fato, com raras exceções, os seres vivos não conseguem fixar e, portanto, incorporar à matéria viva o N2 atmosférico.

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A síntese industrial da amônia (NH3) a partir do nitrogênio atmosférico (N2), desenvolvida durante a Primeira Guerra Mundial, possibilitou o aparecimento dos fertilizantes sintéticos, com um conseqüente aumento da eficiência da agricultura. Entretanto, o ciclo equilibrado do nitrogênio depende de um conjunto de fatores bióticos e abióticos determinados e, portanto, nem sempre está apto a assimilar o excesso sintetizado artificialmente. Esse excesso, carregado para os rios, lagos e lençóis de água subterrâneos tem provocado o fenômeno da eutrofização, comprometendo a qualidade das águas.


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

-).

No ciclo do nitrogênio existem quatro mecanismos diferentes e importantes:

1. fixação do N atmosférico em nitratos;

2. amonificação;

3. nitrificação;

4. desnitrificação.


Mineralização Imobilização:

N (NH4+ e NO3) Utilizado pelos microorganismos Disponível no solo para degradar o carbono

N – Orgânico

N - Inorgânico

N – Orgânico

N - Inorgânico


Resumindo:

Nitrificação: NH4+ (Amônio) NO3- ( nitrato)

Nitritação: NH4+ (Amônio) NO2- ( nitrito)

Nitratação: NO2- ( nitrito) NO3- ( nitrato)

Nitrossomonas

Nitrobacter

Reações demandam : presença oxigenio, temperatura entre 26 a 32 graus, sem excesso de umidade ( capacidade de campo), acidez

do solo pH entre 7 a 7,6, aplicação de fertilizantes, materia organica ( relação c/n

alta causa imobilização), presença de agentes tóxicos.


VariosVarios processos . Exprocessos . Ex

Desnitrificação:NO3- ( nitrato) NH4+ (Amônio)

NO3- ( nitrato) N2- ( N atmosferico)

FixaFixaçção Biolão Biolóógica de gica de NitrogênioNitrogênio

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Nome do Processo Agente Equação

FixaçãoBactéria Rhizobium eNostoc (alga cianofícea) N2 => sais nitrogenados

Amonização Bactérias decompositoras N orgânico => NH4

NitrosaçãoBactéria Nitrosomonase Nitrosococcus NH4 => NO2

Nitratação Bactéria Nitrobacter NO2 => NO3

Desnitrificação Bactérias Desnitrificantes(Pseudomonas)

NO3 => N2

Resumo dos processos no ciclo do Nitrogênio:Resumo dos processos no ciclo do Nitrogênio:

Algumas espécies utilizadasna Adubação Verde

Crotalária spLeucaena leucocephala

Nabo Forrageiro Mucuna sp

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Dolichos lab lab Guandu – Cajanus cajan

Milheto Penissetum americanum

CICLO DO ENXOFRECICLO DO ENXOFRE

O enxofre apresenta um ciclo basicamente sedimentar, embora possua uma fase gasosa, de pouca importância. A principal forma de assimilação do enxofre pelos seres produtores é como sulfato inorgânico. O processo biológico envolvido nesse ciclo compreende uma série de microorganismos com funções específicas de redução e oxidação.

A maior parte do enxofre que é assimilado émineralizado em processos de decomposição. Sob condições anaeróbias, ele é reduzido a sulfetos, entre os quais o sulfeto de hidrogênio (H2S), composto letal àmaioria dos seres vivos, principalmente aos ecossistemas aquáticos em grandes profundidades. Esse gás, tanto no solo como na água, sobe a camadas mais aeradas, onde então é oxidado, passando à forma de enxofre elementar, quando mais oxidado ele se transforma em sulfato.


Sob condições anaeróbias e na presença de ferro, o enxofre precipita-se, formando sulfetos férricos e ferrosos. Esses compostos, por sua vez, permitem que o fósforo converta-se de insolúvel a solúvel, tornando-se, assim, utilizável. Esse exemplo mostra a inter-relação que ocorre em um ecossistema entre diferentes ciclos de minerais.

As ação do homem também interfere nesse ciclo por meio de grandes quantidades de dióxido de enxofre liberados nos processos de queima de carvão e óleo combustível em indústrias e usinas termoelétricas. O dióxido de enxofre tem potenciais efeitos danosos ao organismo, além de provocar, em certas situações, a chuva ácida e o smog industrial.

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1. O grande reservatório de enxofre é no solo e nos sedimentos.

2. É um ciclo que caracteriza-se pela participação efetiva e rápida dos microorganismos.

3. Recuperação de compostos de enxofre a partir da ação microbiana sobre o sedimentos profundos.

4. Interação nos processos geoquímicos, meteorológicos e biológicos.

5. Interdependência do ar, da água e do solo na regulação do ciclo global.

6. A principal forma disponível é o sulfato (SO4), que será reduzido pelos seres autótrofos e incorporado às proteínas.

7. É um ciclo menos limitante do que o do nitrogênio e o do fósforo.


INTERVENINTERVENÇÇÕES ANTRÕES ANTRÓÓPICASPICAS

1. O dióxido de enxofre (SO2) é liberado na atmosfera

pela queima de combustíveis fósseis.

2. O SO2 interage com o vapor d’água produzindo

gotículas de ácido sulfúrico (H2SO4) diluído, o que

acarretará a precipitação de chuva ácida.

3. O excremento animal representa um fonte de

sulfato reciclado.

4. A produção primária é responsável pela

incorporação do sulfato à matéria orgânica.

CICLO DO FCICLO DO FÓÓSFOROSFORO

O fósforo é o material genético constituinte das moléculas de DNA e RNA e componente dos ossos e dentes. É, portanto, elemento fundamental na transferência de caracteres no processo de reprodução dos seres humanos. Os 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, sugerindo ser o fator mais limitante à produtividade primária.

O fósforo é um elemento de ciclo fundamentalmente sedimentar; seu principal reservatório 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. Entretanto, parte desses fosfatos liberados é carreada para os oceanos, onde se perde em depósitos a grande profundidades, ou éconsumida pelo fitoplâncton.

Os meio de retorno do fósforo para os ecossistemas a partir do oceanos são insuficientes para compensar a parcela que se perde. Ao mesmo tempo em que reduzem a taxa de retorno, os seres humanos, agindo sobre a natureza com a exploração da mineração, ocupação desordenada do solo, desmatamentos e agricultura, entre outras atividades, aceleram o processo de perda de fósforo do ciclo.


O ciclo do fósforo é lento, passando da litosfera para a hidrosfera por meio da erosão.

Parte do fósforo é perdida para os depósitos de sedimentos profundos no oceano. Devido a movimentos tectônicos, existe a possibilidade de levantamentos geológicos que tragam de volta o 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 àerosão.


1. Rochas sedimentares são o reservatório natural

do fósforo.

2. O fósforo é um elemento essencial para a

constituição de ATP, DNA e RNA.

3. A forma mais comum para a absorção dos

vegetais é o PO4.

4. Assim como o nitrogênio, é um elemento

limitante, controlando a abundância dos

organismos.

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INTERVENINTERVENÇÇÕES ANTRÕES ANTRÓÓPICASPICAS

-- EUTROFIZAEUTROFIZAÇÇÃO ÃO --

1. Despejos de efluentes ricos em fosfatos. Ex.:

detergentes.

2. Utilização de fertilizantes químicos, ricos em

fosfatos.

PROCESSO DE EUTROFIZAPROCESSO DE EUTROFIZAÇÇÃOÃO

Enriquecimento das águas com nutrientes essenciais, como o nitrogênio e o fósforo, e

desenvolvimento excessivo do fitoplâncton, provocando

problemas de consumo de oxigênio e baixa diversidade.

� Consumo de oxigênio pelos processos de

biodegradação.

� Processos de biodegradação sem oxigênio –

liberação de H2S e CH4.

DependênciaDependência BrasileiraBrasileira emem FertilizantesFertilizantes (2007)(2007)

Potássio (K2O) – 90% importadoFósforo (P2O5) – 40% importadoNitrogênio (Amônia) – 64% importado

ReservasReservas mundiasmundias de de FFóósforosforo e e PotPotáássiossio

K – reservas mundiais = 16 bilhões de Tprodução mundial/ano: 33 milhões de T

P – reservas mundiais = 50 bilhões de T produção mundial/ano = 172 milhões de T

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Micorrizas e ciclagem de nutrientes

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CICLO DO OXIGÊNIOCICLO DO OXIGÊNIO

O oxigênio molecular (O2), indispensável àrespiração aeróbica, é o segundo componente mais abundante da atmosfera, onde existe na proporção de cerca de 21%.

O oxigênio teria desaparecido da atmosfera, não fosse o contínuo reabastecimento promovido pela fotossíntese, principalmente do fitoplâncton marinho, considerado o verdadeiro "pulmão" do mundo.


O oxigênio pode ser consumido da atmosfera

através das seguintes vias:

� atividade respiratória de plantas e animais;

� combustão;

� degradação, principalmente pela ação de raios

ultravioleta, com formação de ozônio (O3);

� combinação com metais do solo (principalmente o

ferro), formando óxidos metálicos.


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