23/05/2013
1
1.Ecologia1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações1.2. Ciclos Biogeoquímicos1.3. Crise Ambiental
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTOCENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
Fundamentos de Engenharia Ambiental (DEA 07756)
Prof. Celson Rodrigues
ECOLOGIA
� OYKOS = CASA
� LOGOS = ESTUDO
� ESTUDO DO AMBIENTE COMO UM TODO ( FISICO,QUIMICO E BIOLÓGICO) E SUAS INTERAÇÕES.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
2
ECOLOGIA
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Energia
Seres
vivos
Meio
Abiótico
Biomassa
Populações
Comunidades
Biocenoses
Habitat
Nicho
Água
Rochas
Itemperismo
Minerais
Nutrientes
Matéria Organica
“Resíduos”
Energia Luminosa
Energia Química
ECOLOGIA
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
3
�Célula�Tecido�Órgão�Sistema�Organismo�População�Comunidade�Ecossistema�Biosfera
Espécie - conjunto de indivíduos semelhantes e capazes de se inter-cruzar (reproduzir), em condições naturais, produzindo descendentes férteis.
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
Ecossistema:Biótopo +Biocenose
– meio abiótico – meio biótico.
Comunidade ou Biocenoseconjunto depopulações
interdependentes que vivem em
determinada áreageográfica
Biótopoambiente físico ou químico
ondevive a comunidade (área
explorada pelacomunidade)
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
4
ECOSSISTEMA
�Unidade de Estudo Ecológico
� INTERAÇÃO de aspectos fisico, químico ebiológico de uma área;
� EXTENSÃO: variável
�Por exemplo: um aquário, uma ilha, umafloresta, ou seja, depende da amplitude desuas análises.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
�Exemplo: Ecossistema Costeiro
�A Região Costeira, pode ser consideradacomo um grande ecossistema, bem comosuas subdivisões: estuários, ilhas, manguezais,restingas, dunas, praias, falésias, costõesrochosos e recifes de corais.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
5
Spartina brasiliensis (gramínea) 2- Usnea barbata (barba-de-velho) 3- líquen incrustante4- Rhizophora mangle (mangue-vervelho oubravo) 5- Avicenia schaueriana (mangue-seriba ouseriúba) 6- Laguncularia racemosa (mangue-branco) 7- Hibiscus tiliaceus (hibisco oualgodãonzinho-da-praia) 8- Acrosticum aureum (samambaia do mangue) 9- Ardea cocoi (garça-cinzenta) 10- Ardea alba (garça-branca-grande)11-Eudocimus ruber (guará) 12- Aramides mangle (saracura-do-mangue) 13- Cardisoma guanhumi (guaiamu)14- Ucides cordatus (caranguejo-uçá)15- Goniopsis cruentata (maria-mulata ouaratu)16- Callinectes sp. (siri-azul)17- Uca uruguayensis (chama-maré)18- ninho de termita (cupinzeiro) 19- Crassostrea rhizophora (ostra-do-mangue)
Ecossistema Manguezal
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Ecossistema Manguezal
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
6
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 ebiológico, mas também do meio sócio-cultural e sua relaçãocom os modelos de desenvolvimento adotados pelo homem.
Biota� Conjunto de seres vivos que habitam um determinado
ambiente ecológico, em estreita correspondência com ascaracterísticas 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 tiposclimáticos. É o conjunto de condições ecológicas de ordem climáticae 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 dabiosfera. Elas são recicláveis. Os caminhos percorridos ciclicamenteentre o meio abiótico e o biótico pela água e pelos elementosquímicos carbono, oxigênio e nitrogênio constituem os ciclosbiogeoquímicos
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
7
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 que ocupa
lugar no espaço
Energia é a capacidade de realização de
trabalho
Em qualquer sistema natural, matéria e energia são conservadas, ou seja, não se criam nem se destroem matéria nem energia
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
8
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
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
ENERGIA X VIDA
23/05/2013
9
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)
23/05/2013
10
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
A cadeia alimentar ou trófica é umaseqüência de seres vivos/populaçõesque se alimentam uns dos outros. É amaneira de expressar as relações dealimentação entre os organismos deuma comunidade/ecossistema,iniciando-se nos produtores epassando para os consumidores(herbívoros, predadores) edecompositores, por esta ordem. Aolongo da cadeia alimentar há umatransferência de energia e denutrientes.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Reciclagem de Matéria e Fluxos de Energia
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
23/05/2013
11
Interações ecológicas entre os seres vivos
Grupos Interativos
Interações Harmônicas
Interações Desarmônicas
Intra EspecíficaColônia (+)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
As interações de comensalismo, inquilinismo e epifitismo são estudadas dentro deum mesmo grupo onde uma espécie é beneficiada e a outra é neutra, não sendobeneficiada nem prejudicada. Muitas vezes estas interações são caracterizadas comosendo uma relação alimentar no comensalismo, uma relação onde uma espécie usaoutra para proteger-se como no caso do inquilinismo ou no caso de uma plantavivendo 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.
Exemplos de interações ecológicas entre os seres vivos
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
12
Energia e fluxo de Matéria Orgânica
C02 Biomassa
Níveis tróficos
Níveis tróficos
Níveis tróficos
Matéria Orgânica (C-org)
Minerais
Energia
1. Fotossíntese e Quimiossíntese
2. Cadeia Alimentar
3. Decomposição
4. Respiração aeróbia (mineralização)
5. Respiraçao anaeróbia (metanogênse)1
2
3
4
4
CH4CH4 5
TEIA (CADEIA) ALIMENTAR
Produção PrimáriaAmbientes Aquaticos: Bactérias, Cianobactérias e AlgasAmbientes Terrestes: Plantas
ConsumidoresOrdens (cadeias e interações)Decompositores e DetritívorosMatéria orgânica – ciclo.
Bioacumulação, Bioamplificação ou BiomagnificaçãoCompostos inorgânicos: Ex. metais pesadosCompostos Orgânicos: Ex. pesticidas (Agrotóxicos)
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
13
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 COMPOSTASDE POUCOS NÍVEIS TRÓFICOS
23/05/2013
14
Pirâmides de Fluxo de Energia
Energia
Biomassa
Números
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
� 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.
Grandes ecossistemas distribuídos na superfície terrestre:
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
15
Grandes Biomas
Grandes Biomas
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
23/05/2013
16
Biomas do Brasil
BIOMAS CONTINENTAIS BRASILEIROS
ÁREA APROXIMADA
(km2)
ÁREA/TOTALBRASIL
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%
Bioma é conceituado no mapa como um conjuntode vida (vegetal e animal) constituído peloagrupamento de tipos de vegetação contíguos eidentificáveis em escala regional, com condiçõesgeoclimáticas similares e história compartilhada demudanças, o que resulta em uma diversidadebiológica própria.
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 taxade natalidade sobre a de mortalidade édenominado crescimento vegetativo.
♦ Dispersão
Trata-se do movimento de indivíduos para dentro(imigração) ou para fora (emigração) dapopulação.
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
17
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 GEOMÉTRICO LOGÍSTICO
)t-(t KaPP 22 +=
=
12
2
t-t
t-t
1
22 P
PPP bT-ae1
kP
+=
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
18
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 %
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
23/05/2013
19
Dinâmica Populacional
Densidade demográfica segundo as Grandes Regiões do Brasil - 2007
1.1. Ecossistemas e Dinâmica das Populações
Nutrientes: elementos essenciais à vida disponíveispara os produtores, em forma molecular ou iônica.
� Macronutrientes: participam em quantidades superiores a 0,2% do p.o.s.:
– carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O),nitrogênio (N), fósforo (P), enxofre (S), cloro (Cl),potássio (K), sódio (Na), cálcio (Ca), magnésio(Mg) e ferro(Fe).
� Micronutrientes: participam em quantidades inferiores a 0,2% do p.o.s.:
– alumínio (Al), boro (B), cromo (Cr), zinco (Zn),molibdênio (Mo), vanádio (V) e cobalto (Co).
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
A energia é armazenada na forma de nutrientes
23/05/2013
20
Ciclos Gasosos - o depósito está na atmosfera ou hidrosfera, compostodos seguintes nutrientes:
Oxigênio Reservatório é a atmosfera
CarbonoGrande reservatório está na hidrosfera, na forma
de gás carbônico, embora também esteja presente na atmosfera;
Nitrogênio Reservatório é a atmosfera.
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.
Ciclos Sedimentares - depósito está na crosta terrestre, composto dosseguintes nutrientes:
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
É por meio dos ciclos biogeoquímicos queos elementos químicos e compostosquímicos são transferidos entre osorganismos e entre diferentes partes doplaneta.
um mesmo lugar.
O ciclo biogeoquímico é opercurso realizado no meioambiente por um elementoquímico essencial à vida. Aolongo do ciclo, cada elementoé absorvido e reciclado porcomponentes bióticos (seresvivos) e abióticos (ar, água,solo) da biosfera, e às vezespode se acumular durante umlongo período de tempo emum mesmo lugar.
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
23/05/2013
21
Ciclo do Carbono
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
Carbon Forms: CO2, CO, CH4, H2CO3, organic matter, CaCO3
1.2. Ciclos BiogeoquímicosCiclo do Carbono
23/05/2013
22
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Carbono
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Carbono
23/05/2013
23
Fotossíntese
2612622 666 OOHCOHCO LUZ +→+
energiaOHCOOOHC ++→+ 2226126 666
Fotossíntese
Respiração
Síntese de Compostos Orgânicos
Ciclo do Carbono
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Carbon Dioxide emissions havecaused the atmospheric CO2
concentrations to increase by 13%since 1958. Is due to combustionof fossil fuels and burning ofweeds removed by deforestation.Some effects attributed to thisraise in carbon dioxide are: 1)temp increases will occur withincreased carbon dioxide becausethey absorb infrared radiation andslows the escape of heat from theearth, 2) results in altered rain fall,3) results in melting of ice capspossible flooding. Scientists arestudying the records of pollencores to determine how pasttemperature changes haveaffected vegetation.
Carbono atmosférico X
Temperatura (1958 – 2000)
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
23/05/2013
24
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
Foley et al. 2005, NASA LCLUC Program.
Ocupação por pastagens/plantações
23/05/2013
25
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Nitrogênio
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo do Nitrogênio
23/05/2013
26
1.2. Ciclos BiogeoquímicosCiclo do Nitrogênio
Imagem: Botkin e Keller (1995); Fluxos: Reeburgh (1997)
BIOMASSA TERRESTRE
3500 Tg N
ATMOSFERA
4.000.000.0000 Tg N (N2)
SOLO (M.O)
9500 Tg N
BIOMASSA MARINHA
4700 Tg N
SEDIMENTOS
400.000.000 Tg N
Estoques de nitrogênio
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
23/05/2013
27
30%
70%
Humanos: adição de mais 175 Tg de N
(duplicaram o Nitrogênio reativo!)
Impacto humano
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Impacto humano
• Contaminação da água (mudança de composição e pH, afetando os recifes em escala global);
• Impacto no ciclo do carbono;
• Chuva ácida (HNO3)
Fixação industrial de nitrogênio
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
23/05/2013
28
Impacto humanoFixação industrial de nitrogênio
Lixiviação NRunoff N
Contaminação da água subterrânea com nitratos
Eutrofização
0,5 5 50 kg N.ha-1.ano-1
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do fósforo
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
23/05/2013
29
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do fósforo
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do fósforo
23/05/2013
30
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
O ciclo do enxofre
Fonte: Braga, B. Introdução à Engenharia Ambiental (2005)
O ciclo do enxofre1.2. Ciclos Biogeoquímicos
23/05/2013
31
O ciclo do enxofre
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo doOxigênio
O oxigênio molecular (O2) compõe cerca de 21% da atmosfera terrestre. Este oxigêniosatisfaz as necessidades de todos os organismos terrestres que o respiram no seumetabolismo.O principal fator na produção de oxigênio é a fotossíntese, que regula arelação gás carbônico/gás oxigênio na atmosfera. Na atmosfera, encontra-se comooxigênio diatômico/oxigênio molecular (O2), dióxido de carbono (CO2), ozônio (O3),dióxido de nitrogênio (NO2), monóxido de nitrogênio (NO), dióxido de enxofre (SO2), etc.
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
23/05/2013
32
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
Ciclo doOxigênio
(0,001%).
O ciclo hidrológico édirigido pela energia solare compreende omovimento da água dosoceanos para a atmosferapor evaporação e de voltaaos oceanos pelaprecipitação que leva àlixiviação ou à infiltração.Cerca de 97% dosuprimento de água estános oceanos, 2% nasgeleiras e muito menosque 1% na atmosfera(0,001%).
Ciclo Hidrológico
lençóis freáticos é adequada ao consumo humano.Aproximadamente 1% do total da água contida nos rios, lagos e lençóis freáticos é adequada ao consumo humano.
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
23/05/2013
34
� Modelo de Produção e Consumo na Floresta
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
McKinney and Schoch 2003
1.2. Ciclos Biogeoquímicos
23/05/2013
36
GEEs - emissões
Metano24%
Dióxido decarbono
63%Óxido
nitroso 10%
Outros: 3%
Fonte: IPCC
1.3. Crise Ambiental
AQUECIMENTO GLOBAL
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
1.3. Crise Ambiental
23/05/2013
37
População, Homem e Recursos Naturais
1.3. Crise Ambiental
� A permanência da perturbação pode impedir a auto-depuração.
�RECURSOS HÍDRICOS LANÇAMENTO DE ESGOTO
1.3. Crise Ambiental
População, Homem e Recursos Naturais
23/05/2013
38
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?
1.3. Crise Ambiental