Ecologia de

Ecossistemas

história natural dos gregos: discípulo de Aristóteles, Teofrasto.

A palavra ecologia (do grego oikos, "casa") foi cunhada no século XIX pelo zoólogo alemão Ernst Haeckel, para designar a "relação dos animais com seu meio ambiente orgânico e inorgânico".

 

Historicamente

Thomas Malthus (populações).Darwin (evolução).

Mendel (hereditariedade).Em 1920, biólogo alemão August

Thienemann introduziu o conceito de níveis tróficos.

Tansley (1935) - ecossistema como unidade funcional básica da ecologia.1942 Lindeman, do conceito trófico-

dinâmico. Aprofundados Eugene e Howard Odum. 

ODUM (1969): área da natureza, que inclui organismos

vivos e componentes abióticos, cujas interações produzem

trocas de materiais entre as partes vivas e não vivas.

“ecossistema, uma unidade funcional composta de

organismos integrados, e em todos os aspectos do meio

ambiente em qualquer área específica. Envolve tanto os

componentes sem vida (abióticos) quanto os vivos

(bióticos) através dos quais ocorrem o ciclo dos Nutrientes

e os fluxos de energia.”

Estocolmo, da Conferência das Nações Unidas sobre

o Ambiente Humano (1972).

Em 1992, 178 países participaram da Conferência das

Nações Unidas para o Meio Ambiente e o

Desenvolvimento, realizada no Rio de Janeiro.

Convenção da Biodiversidade e a do Clima, a

Declaração de Princípios das Florestas e a Agenda

21.

conservacionistas DesenvolvimentoSustentável

ONGS

ecologia é uma ciência multidisciplinar

A ecologia é uma ciência multidisciplinar, que

envolve biologia vegetal e animal, taxonomia,

fisiologia, genética, comportamento,

meteorologia, pedologia, geologia,

sociologia, antropologia, física, química,

matemática e eletrônica

Ecologia de Ecossistemas

níveis organizacionais ou abordagens de estudo:  CÉLULA BIOSFERA

Visão reducionista Visão sistêmica

EcossistemaComunidadesPopulaçõesindivíduo

- complexidade +

níveis organizacionais:

Espécie (troca de material genético).

População (mesma espécie).

Comunidades (várias espécies).

Biocenose (Toda Vida)

Ecossistema = Biótopo + Biocenose

Planeta

Atmosfera - Hidrosfera - Litosfera

Biosfera (toda vida do planeta).

Visão reducionista

Visão sistêmica

surge a concepção de que a natureza funciona como SISTEMA:

combinação de partes coordenadas para um mesmo resultado

H + O2 H2O

Propriedades emergentes

Limites: definidos pelas interações, ou seja, envolve

todos os organismos que funcionem em conjunto; ou

definidos com finalidade de entendimento de partes

ou sub-sistemas.

A ecologia vegetal e a animal podem ser vistas como o

estudo das inter-relações de um organismo individual

com seu ambiente (auto-ecologia), ou como o estudo

de comunidades de organismos (sinecologia).

Ecologia de Populações.

A auto-ecologia, é experimental e indutiva.

quantificável e útil nas pesquisas de campo e de

laboratório.

A sinecologia é filosófica e dedutiva. Largamente

descritiva, não é facilmente quantificável.

hábitat: parte do ambiente onde ocorrem as trocas efetivas entre os organismos e os recursos por eles utilizados; - estrutura física característica de um determinado local que limita a existência das formas de vida- lugar normalmente habitado pelos indivíduos de uma espécie (não necessariamente só uma)

ambiente: espaço num determinado momento, tipificado pelo conjunto de fatores abióticos e bióticos (meio)

nicho: relação dos indivíduos com todos os

aspectos do ambiente: estrutura, alimentação,

fisiologia, comportamento,

 

Conjunto de maneiras dos organismos

adaptarem-se ao seu ambiente. 

extensão, sobreposição e dimensão

Relação hábitat-nicho: endereço-profissão

recurso: substância, objeto ou condição

necessária aos organismos para sua

manutenção, crescimento e reprodução normais.

Se o recurso é escasso em relação a demanda,

é considerado limitante.

 

Não renovável: existe em quantidade fixa e pode

ser exaurido

Renovável: continuamente suprido pelo sistema

em taxas reguladas pelo uso

bioma:

denominação de grandes biossistemas

regionais ou subcontinentais caracterizados

por um tipo principal de vegetação ou

característica física Marcante.

Fatores ecológicos

MACROCLIMA

Estrutura trófica nos ecossistemas

Estrutura trófica nos ecossistemas

Trófica - alimentar

1- Produtores (autotróficos)

•Fotossíntese -6 CO2+ 6 H2O C6H12O6 + 6O2

Energia

•Quimiossíntese

2. Consumidores

2.1. Consumidores propriamente ditos

a) Consumidores de primeira ordem -

herbívoros

b) Consumidores de segunda ordem -

carnívoros que se alimentam de herbívoros

c) Consumidores de terceira ordem - carnívoros

que se alimentam de carnívoros

Obs. Diversívoros- alimentação variada

2.2. Recuperadores - necrófagos (abrutes,

hienas, chacais), são consumidores de 2º ou 3º

ordem.

2.3. Detrívoros - decompositores ou

saprófagos, fungos e bactérias que transformam

matéria morta em matéria orgânica ou húmus.

2.4. Transformadores ou humificadores - Matéria orgânica em húmus.

2.5. Remineralizadores - restituição ao meio

de compostos inorgânicos, completam os ciclos

biogeoquímicos.

2.6. Fixadores de azoto - Fixadores de N2.

Fonte de Carbono ou energia é retirada da

matéria orgânica ou parte de vegetais

(heterotróficos) e N2 da atmosfera (autotróficos).

Fluxo de energia

Fluxo de energia•Radiação Solar

•ultravioleta de 280 a 380 nm•espectro visível 380 a 780nm•infravermelho 780 a 3.000 nm

•Fotossíntese - Energia ativa (1%)

•Respiração

6 CO2+ 6 H2O C6H12O6 + 6O2

EnergiaLUZ

Compostosorgânicos

CO2+ H2OCompostos orgânicos Energia

ATP

+ O2

(água) + (dióxido de carbono) + (nutrientes)

(material orgânico) + (oxigênio)

(água) + (dióxido de carbono) + (nutrientes)

(material orgânico) + (oxigênio)

FOTOSSÍNTESE

RESPIRAÇÃO

Princípios básicos Primeiro Princípio da TermodinâmicaConservação da energia  Assim como na conservação da massa, a energia também se conserva, sendo transformada de uma forma em outra.. A energia térmica dissipada também é uma das formas de energia que se deve somar às outras

Segundo Princípio da Termodinâmica 

Em todo processo de transformação de energia há perda na forma de calor.Perdas na passagem de um nível trófico a outro .O fluxo de energia se distingue do fluxo de massa, pelo fato de a energia não poder ser reciclada, como a matéria.  Assim, a energia tem um fluxo determinado: a energia flui do corpo quente para o corpo frio e nunca no sentido inverso.  O primeiro cientista a enunciar este princípio foi Sadi Carnot, um engenheiro francês que se dedicou ao estudo do rendimento de máquinas e que constatou que este rendimento era sempre menor que 100%, ou seja, não há  moto perpetuo.

Pelo segundo princípio da termodinâmica a entrada de energia no sistema será sempre maior que a saída de energia no moinho, embora a soma da energia de saída mais as energias dissipadas seja igual à energia de entrada. a quantidade de energia do moinho menor que aquela necessária para alimentar a bomba

E no Planeta ??????

E = entrada de energiaLA = luz absorvida pelos vegetaisPB = produção primária brutaPL = p.p. líquida

NU = e. não utilizada (armazenada ou exportada)NA = e. não absorvida (egerida)R = respiraçãoP = produção secundária

Biomassa

Biomassa – Abundância dos organismos no ecossistema, pode exprimir-se pela densidade, peso ou conteúdo energético (calorias).Matéria orgânica total do ecossistema•Matéria viva•Necromassa – órgãos mortos ligados a planta.•Matéria morta no solo•HúmusA fitomassa aérea pode ser medida•Peso fresco e peso seco•Análise de dimensões•inventários

E no Planeta ??????Lei da Conservação de Energiaa energia que flui para dentro de um sistema é igual à energia adicionada ao depósito mais aquela que flui para fora do sistemaLei de Dispersão de Energiaa disponibilidade para que a energia realize algum trabalho se esgota devido à sua tendência à dispersão (se degrada).

SISTEMA FLORESTAL

Animal

BOSQUE DE PINHEIROS

TRANSAÇÃO MONETÁRIA.

EcossistemaEcossistema Biomassa total Biomassa total t/hát/há

Matéria Org. Matéria Org. solo t/hasolo t/ha

TundrasTundras 5~285~28 3,5~83,53,5~83,5

Taigas do Sul Taigas do Sul PinusPinus

280280 44,844,8

Floresta Floresta equatorial equatorial

pereneperene

> 500> 500 2,02,0

Cadeias alimentares

Cadeias alimentares

estrutura trófica

Cadeias alimentares:Transferência de energia da fonte aos consumidores finais

Pirâmides de números, biomassa e energia -

Cadeia de pastagem: plantas - herbívoros - carnívoros

Cadeia de detritos: MO não viva - detritívoros - predadores

CICLOSBIOGEOQUÍMICOS

Os elementos químicos tendem a circular na biosfera

(ambiente organismos).

• reservatório depósito: não biológico.

• reservatório de troca: entre organismos e ambiente.

Do ponto de vista da biosfera:

• tipos gasosos: depósito na atmosfera e/ou

hidrosfera.

• tipos sedimentares: depósito na crosta terrestre.

AMBIENTE ORGANISMOSRELAÇÕES

Sabe-se que 30 a 40 elementos são necessários

aos organismos (C, H, O).

• macronutrientes: N, P, K, S, Ca, Mg

• micronutrientes: Zn, Bo, Cu, Mn, Fe.

Na natureza os elementos quase nunca estão

distribuídos de maneira homogênea e nem se

encontram presentes em todos ecossistemas

sob a mesma forma química.

Os elementos podem estar disponíveis ou

indisponíveis (temporariamente).

Ciclo biogeoquímico e diagrama de energia

Os elementos são reutilizados várias vezes, em

média uma molécula de CO2 permanece na

atmosfera por 8 anos antes de ser reassimilada.

Os ciclos estão normalmente em um equilíbrio

dinâmico.

As vezes tornam-se desequilibrados, quando

são acumulados ou removidos do sistema.

Pode ser de maneira natural (carvão, turfa etc.)

ou por ação antrópica (agricultura).

O movimento de um elemento entre os

organismos vivos ocorre em períodos de tempo

variados, de minutos a vida inteira do organismo. Os elementos podem estar tanto na forma

orgânica como inorgânica. O homem tem influenciado grandemente este

fluxo, como por exemplo com a queima dos

combustíveis fósseis. No modelo de compartimento do ecossistema

os elementos são analisados como ocupando

compartimentos dentro deste sistema.

Modelo de compartimento dentro do ecossistema.

O CICLO DA ÁGUA

O CICLO DA ÁGUALocalização % Tempo de residência Lagos 0,01 10 anos Rios 0,016 2 semanas Umidade do Solo 0,005 2 sem. a 1 ano Subterrânea 0,61 2 sem. a 10 mil anos Mares interiores 0,008 10 anos Atmosfera 0,001 10 dias Gelo 2,1 10 a 1.000 anos Oceânos 97,25 400 anos

Importância:

•A água é um dissolvente natural de sais inorgânicos

(NaCl), compostos orgânicos (glicose) e de gases

(CO2, O2), de cátions (Na, K) e anions (Cl).

•Fotossíntese

•Termoestabilizador

Fluxo no ecossistema:

• Evaporação;

•Transpiração

• precipitação

Água subterrânea

Qual a relação entre o ciclo das águas e os demais ciclos?

Qual a relação entre o ciclo das águas e o fluxo de

energia?

Qual é o tipo de água mais importante para o

ecossistema?

A água esta distribuída de maneira uniforme nos

ecossistemas? Quais as conseqüências disto?

Como o homem afeta este ciclo e quais as

conseqüências?

Ciclo das águas e agricultura? Matéria Orgânica? Tipo de

cultivo? Transgênicos?

CICLO DO CARBONO

CICLO DO CARBONOEvolução da atmosfera: CO2 O2

FOTOSSÍNTESE RESPIRAÇÃOTrês grandes classes de processos causam a

reciclagem do carbono nos ecossistemas aquáticos e

terrestres:

1- Fotossíntese e respiração;

2- a troca física de CO2 entre a atmosfera e os

oceanos, lagos e rios. Ex. os oceanos contém 50 vezes

mais CO2 que a atmosfera.

3- A dissolução e precipitação (deposição) de

compostos de carbono como sedimentos

(calcário, dolomita);

Decomposição parcial de vegetais e animais

formam os combustíveis fósseis.

Queimadas e vulcões liberam CO2 para

atmosfera.

• EFEITO ESTUFA

Ciclo do Carbono (bilhões de toneladas métricas) Dióxido de Carbono atmosférico (640)

Total de CO2 dissolvido(30.000)

Alga (5)

Animais

Bactérias,Orgânico(1.500)

Calcário, dolomita (18.000.000)

Vulcões (2)

Dep

osiç

ão (<

1)

OCEANOS

Dis

solu

ção

(<1) Assimilação

(50)

Respiração (50)

Troca (84)

Carvão, óleo, gás natural

Ciclo do Carbono (bilhões de toneladas métricas) Dióxido de Carbono atmosférico (640)

Animais

Matéria orgânica morta (700)

Calcário, dolomita (18.000.000)

TERRA

Respiração (35)

Assimilação (35)

Bactériase fungos

Plantas (450)

Carvão, óleo, gás natural (25.000.000)

OCEANOS

Sedimentação (<1) Com

bust

ão (<

1)

Ecossistemas aquáticos:

Carbono Orgânico total (COT).

1- Carbono orgânico detrital (material orgânico em

suspensão, detrito orgânico particulado).

• carbono orgânico dissolvido (COD); origina-se

principalmente da decomposição de plantas e animais.

Principalmente proteínas, lipídios e compostos

húmicos.

• carbono orgânico particulado detrital (COP-detrital);

Sedimentos, decomposição por bactérias.

2- Carbono orgânico particulado da biota (COP-

biota); pequena fração do carbono orgânico

particulado. Determinado junto com o carbono

orgânico detitral (carbono orgânico particulado

total);

Principais formas de carbono orgânico dissolvido:

1- Substâncias húmicas:

biopolímeros contendo grupos fenólicos que tem

origem principalmente no fictoplantom, sendo:

ácidos húmicos; ácidos fúlvicos e humina.

2- Substâncias não húmicas:

a- Compostos nitrogenados: aminoácidos livres,

peptídeos e proteínas.

B- carboidratos solúveis (monossacarídeos,

oligossacarídeos e polissacarídeos).

C- Lipídios totais dissolvidos: triglicerídeos e ácidos

graxos;

d- Vitaminas e enzimas: excreção de bactérias e

fitoplâncton e autólise de células senescentes. Ex.

Biotina, Vitamina B1 e B12.

Importância do carbono orgânico dissolvido no

ecossistema aquático:

a) fonte de energia para bactérias e algas;

b) Interferência na produção primária, fotossíntese

(Luz) e precipitação de nutrientes como Ca.

C) Agente complexador de metais arrastando para os

sedimentos;

d) Crescimento de certas bactérias e algas (vitaminas);

e) certos compostos orgânicos excretados por algas

cianofíceas podem ser tóxicos e causar problemas

estéticos (problemas de odor e sabor).

Carbono inorgânicoNos ambientes aquáticos a difusão de gases é bastante lenta.

O CO2 pode ter várias origens: atmosfera, chuva, águas

subterrâneas, decomposição e respiração dos organismos.Pode ocorrer em sistemas aquáticos de três formas principais:

1- Carbono orgânico livre (CO2, H2CO3);

2- Íons bicarbonato (HCO3-);

3- Carbonato (CO32-).

Estas formas então fundamentalmente relacionadas com o pH do meio.

Qual a relação do ciclo do carbono com fluxo

de energia e cadeias alimentares?

Fotossíntese X Respiração (C X O).

Como a ação antrópica influencia o ciclo do

carbono?

Qual a relação entre o ciclo do carbono e o

efeito estufa??

Qual a relação entre o ciclo do carbono e

eutrofização dos ecossistemas aquáticos?

CICLO DO NITROGÊNIO

•Importante no metabolismo(formação de

proteínas).

• Está presente normalmente nas formas:

• Nitrato (NO3-);

• Nitrito (NO2-2);

• Amônia (NH3);

• íon amônio (NH4+);

• óxido nitroso (N2O);

• nitrogênio molecular (N2);

• Nitrogênio orgânicos (proteínas etc.);

SISTEMAS AQUÁTICOS (anteriores mais):

• Nitrogênio orgânico dissolvido (peptídeos, purinas, aminas, aminoácidos etc.);• Nitrogênio orgânico particulado (bactérias, fioplâncton, Zooplâncton etc.).

Tipos deLagos

NitrogênioAmoniacal

Nitratomg.L-1

Nitritomg.L-1

Oligotróficos 0,0 – 0,3 0,0 –1,0 0,0 – 0,5

Mesotróficos 0,3 – 2,0 1,0 – 5,0 0,0 – 5,0

Eutróficos 2,0 – 15,0 5,0 – 50,0 5,0 – 15,0

Classificação de lagos segundo as diferentes formas de compostos nitrogenados.

Vollenweider, 1968

CICLO DO NITROGÊNION2- 78% da atmosfera.

ATMOSFERA

SOLO PLANTAS

•Adubaçãoquímica•Chuva

•Algas e bactériasfixadoras (simbiose)

absorção

decomposiçãobactérias e fungos

bact

érias

desn

itrifi

cant

esDecom

posição

queima

Fixação do Nitrogênio

+ reduzido

+ oxidado

NOrgânico

Reduçãoassimilativa

de N

AmôniaNH3

Fixação de NRhizobium, Azotobacter

e algas azuis

N2 molecular

Óxido nitrosoN2O

NONitrito NO2

-

Nitrato NO3-

Amonificação

NitrificaçãoNitrobacterNitrococcus

ReduçãoConsumidora

de energia

Aeróbicasoxidações

liberadoras de energia

Anaeróbicas, reduçãoConsumidoras

de energia

• Nitrificação é fixação do nitrogênio por plantas , algas e bactérias.•Algumas plantas fixam o nitrogênio fazendo simbiose com bactérias (Rhizobium), formando nódulos, e estas usam o açúcar da fotossíntese como fonte de energia.• As algas azul-esverdeadas fixam o nitrogênio usando a luz solar como fonte de energia e algumas bactérias a matéria orgânica.

Várias substâncias de dejetos que contém nitrogênio, como a uréia na urina, são convertidas por bactéria em amônia, nitritos e nitratos; estes são usados novamente pelas plantas para fechar o ciclo. Alguns micróbios devolvem o nitrogênio à atmosfera como gás nitrogênio. Isto se chama desnitrificação.Para oxidar 1 miligrama de íon amônio são necessário 4,3 miligramas de oxigênio.• FOGO

Nitrogênio X eutrofização

Ação antrópica e o ciclo do nitrogênio.

CICLO DO OXIGÊNIO

•20,8 % da atmosfera

•Principais fontes•Fotossíntese•Fotólise-dissociação dos vapores de água por ação dos raios UV.

•Ozônio O3

CICLO SEDIMENTARA maioria dos elementos minerais estão mais ligados a terra e seguem um padrão básico de ciclo sedimentar (P, K, Ca, S etc.).Os principais agentes são a erosão, sedimentação, formação de montanhas, atividade vulcânica e o transporte biológico.

Diagrama do ciclo sedimentar

CICLO DO FÓSFORO

CICLO DO FÓSFOROOs organismos requerem em grande quantidade, sendo constituinte de ácidos nucléicos, membranas celulares, sistemas de transferência de energia, ossos etc.Limita a produtividade em muitos ecossistemas terrestres e aquáticos.As plantas assimilam fósforo com íon fosfato (PO4

-3). Animais excretam sais de fósforo na urina.

• Pouco solúvel em água;• A acidez afeta a disponibilidade de fósforo:

• pH baixo: liga-se na argila;• pH alto: forma outros complexos insolúveis, com Ca por exemplo;

• Em condições anaeróbias (sedimentos aquáticos) quando o Fe é reduzido do estado férrico para ferroso formando sulfetos em vez de compostos de fosfato.

• Ciclo Biológico• Ciclo Geológico• O depósito principal de fósforo são as rochas.• Atualmente uma grande quantidade está indo para os sedimentos marinhos.

Micorrizas, Eutrofização

CICLO DO ENXOFRE

• reservatórios no solo e sedimentos e menor reserva na atmosfera.• O enxofre está presente em alguns aminoácidos (cistina, metionina).• Ocorre principalmente nas formas:

• Sulfato (SO4-2) – oxidado

• Sulfitos (SO3-2) – mais reduzida

• íon sulfeto (S2-)• gás sulfídrico (H2S)• dióxido de enxofre (SO2)• ácido sulfúrico (H2SO4)• molecular (S)• associado a metais (FeS)

Ciclo do enxofre ligando o ar, a água e o solo.

• recuperação dos sedimentos pela ação de microrganismos que forma gás sulfídrico.• Interação do ciclo geoquímico (erosão, sedimentação, lixiviação etc.) e processos biológicos.• Relação do ar, água e solo na regulação do ciclo.• Relação do enxofre com nitrato e fosfato.• Os ciclos do enxofre e nitrogênio então cada vez mais afetados pela poluição industrial (NOx e SO2).

ESTUDOS QUANTITATIVOS DOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Os ritmos de transferência de um lugar para outro são mais importantes na determinação de estrutura e função de um ecossistema do que as quantidades presentes em qualquer momento e em qualquer lugar.Razão de renovação: é a fração do quantitativo total de uma substância presente num componente que é liberado ou que entra durante um intervalo de tempo. (erosão - solo em um lago).

• Tempo de renovação: é o empo necessário para repor uma quantidade de substância igual a quantidade presente no componente. • Tempo de residência: é o tempo que uma determinada quantidade de substância permanece num determinado compartimento do sistema.• São realizados bastantes estudos em lagos, por serem sistemas relativamente independentes.

Ciclo do cálcio em uma bacia hidrográfica

Kg.ha-1.ano

Atmosfera

BIOTA (203)

DEPÓSITOS ABIÓTICOS (365)

SOLO E ROCHA

Chuva (3)

50Absorção Decomposiçãoe

liberaçãoSaída dacorrente (8)

Meteorização (5)

ÁGUA (30)Mg de P/m2

SEDIMENTOS(5X105)

VEGETAÇÃO(660)

COMEDORE DEDETRITOS (175)

DETRITOS (104)

Ciclo do fósforo em um pântano

16,4 9,8

16,49,86,0

6,0

Mg de P/m3 por dia

CICLAGEM DOS NUTRIENTES ORGÂNICOS

Organismos heterotróficos e muitos autotróficos necessitam de vitaminas e outros elementos nutritivos obtidos do ambiente. Estes elementos nutritivos orgânicos circulam entre os organismos e o ambiente de forma semelhante aos elementos inorgânicos.Bactérias e algas são os principais consumidores diretos, embora animais consumidores de material filtrado podem absorver vitaminas vitaminas dissolvidas.Partículas não vivas absorvem vitaminas que por ingestão abastecem fagótrofos.

CICLAGEM DE NUTRIENTES NOS TRÓPICOS

O padrão de ciclagem de nutriente nos trópicos é em alguns aspectos diferente da zona temperada.Nas regiões frias encontra-se grande parte dos nutrientes na matéria orgânica e no solo ou nos sedimentos.Nos trópicos uma porcentagem muito maior está na biomassa e é reciclado dentro da estrutura orgânica do sistema.A monocultura e técnicas convencionais de agricultura podem ser totalmente inadequadas nestas regiões.

A ciclagem de nutrientes tendem a ser mais “físicos” na zona temperada e mais biológico nas zonas tropicais.A simbiose entre autotróficos e heterotróficos, tendo como intermediários microrganismos especiais e fundamental para ambos sistemas. Ex. micorrizas, microrganismos que degradam celulose .Micorrizas: associação entre fungos e raízes, que digerem a matéria morta e liberam nutrientes para as raízes.

VIAS DE RENOVAÇÃO DOS CICLOS

Dentro das cadeias alimentares existem duas vias principais:

• retorno por excreção (sistemas marinhos);• retorno por decomposição microbiana de detritos;

Além destas, especialmente na floresta tropical úmida, existe a via planta a planta por intermédio de fungos simbióticos e a autólise em meios aquáticos e úmidos.