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

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)

PROCESSOS PROCESSOS

MINERALIZAÇÃOMINERALIZAÇÃO RESPIRAÇÃO / COMBUSTÃORESPIRAÇÃO / COMBUSTÃO OXIDAÇÃOOXIDAÇÃO ASSIMILAÇÃO ASSIMILAÇÃO BIOMASSABIOMASSA DESASSIMILAÇÃODESASSIMILAÇÃO VOLATILIZAÇÃOVOLATILIZAÇÃO

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

CarbonoCarbono

FotossínteseFotossínteseQuimiossinteseQuimiossintese

RespiraçãoRespiraçãoCombustãoCombustão

Mat. Org. (CHO)Mat. Org. (CHO)BiomassaBiomassa

COCO22 + H + H22OO

Autótrofos

Heterótrofos

Ciclagem do Carbono

Carbono Fóssil (DEP.)

Carbono Fóssil (DEP.)

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?

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)

Ciclo da matéria orgânica – Biodegradabilidade aeróbia

Resumo do Carbono Organico no solo

 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

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.

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.

Química do carbonato em sistemas aquáticos

CaCO3 + H2O + CO2 Ca++ + 2HCO3-

CO2 + H2O H2CO3- H+ + HCO3

-

Solubilidade

Acidez x alcalinidade

Dióxido de carbono nos oceanos:

co2 X pH

Dióxido de carbono nos oceanos:

co2 X pHAno

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

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

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

Ciclo do N: Fluxos GlobaisCiclo do N: Fluxos Globais

Numeros em Tg NFluxos em Tg N yr-1

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)

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

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

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

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

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.

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)

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.

Transformações do Fósforo (P)Transformações do Fósforo (P)

Phosphorous Cycle

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

Onde está o fósforo?

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

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

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

Transformações do Enxofre (S)

TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S)

Funções do S nos seres vivos: Aminoácidos Cis Met Proteinas

Sulfatos (SO4-) Crescimento Celular

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

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

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

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.

TRANSFORMAÇÕES MICROBIANAS DO ENXOFRE (S)

Oxidação do Gás Sulfídrico

Bactérias aeróbias: Beggiatoa, Thiothrix (Fotossintética facultativas)

Thiobacillus

Bactérias Anaeróbias : Chromatium, Chlorobium (Fotosssintéticas)

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)

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)