Ciclos Biogeoquímicos

Ciclos Biogeoquímicos

(Parte 1 de 6)

Rogério da Silva Rosa

Rossine Amorim Messias

Beatriz Ambrozini Coordenação: Profa. Dra. Maria Olímpia de O. Rezende

São Carlos 2003

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Instituto de Química de São Carlos - USP

Apresentaçãoi
1. Ecologia1
1.1. Fatores Históricos1
2. Ecossistema3
2.1. Introdução3
2.2. Biosfera vs. Fotossíntese3
2.3. Os Componentes do Ecossistema4
2.4. A Pirâmide de Energia6
2.4.1. Fluxo de Energia6
2.4.2. Fluxo de Matéria8
3. Os Ciclos Biogeoquímicos9
3.1. Introdução9
3.1.1. O Ciclo da Água10
3.1.2. O Ciclo das Rochas12
3.1.3. O Ciclo do Carbono13
3.1.4. O Ciclo do Cálcio16
3.1.5. O Ciclo do Fósforo17
3.1.5.1. O Fenômeno da Eutrofização17
3.1.6. O Ciclo do Nitrogênio19
3.1.6.1. A Rotação de Culturas21
3.1.7. O Ciclo do Enxofre2
4. Fatores de Desequilíbrio Ambiental24
4.1. Introdução24
4.2. Concentração de Poluentes nos Níveis Tróficos25
5. Metais Pesados27
5.1. Efeitos Tóxicos Causados pelo Mercúrio27
5.2. Uso do Mercúrio no Brasil28
5.2.1. Histórico28
5.2.2. Mercúrio como Contaminante Ambiental29
5.2.3. A Contaminação por Garimpos de Ouro30

SUMÁRIO 5.2.4. O Acidente na Baía de Minamata 3

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5.2.5. As Diferenças entre a Amazônia e Minamata35
5.2.6. Efeitos Tóxicos Causados pelo Chumbo36
6. Poluição da Água39
6.1 A Chuva Ácida40
7. Poluição do Ar42
7.1. O Efeito Estufa4
8. Poluição do Solo48
9. Conclusões50

Instituto de Química de São Carlos - USP 10. Bibliografia 52

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Esta monografia começou a ser desenvolvida durante a disciplina optativa

“Ciclos Biogeoquímicos”, por mim oferecida durante o 1o. semestre de 2002. Na oportunidade, dois alunos matricularam-se: Rogério e Beatriz. Eles, com o auxílio do M.Sc. Rossine, idealizaram o que agora está sendo lido.

O objetivo desta monografia é propiciar ao leitor o conhecimento básico a respeito dos ciclos biogeoquímicos para a compreensão das mudanças globais em curso nos processos ambientais de nosso pequeno planeta.

Com o conhecimento, é possível interferir, agindo de modo integrado e compatibilizando desenvolvimento e qualidade de vida.

Boa leitura!

Maria Olímpia de Oliveira Rezende

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1. Ecologia

1.1. Fatores Históricos

O termo ecologia foi utilizado pela primeira vez em meados de 1870 pelo biólogo alemão Ernst Haeckel, discípulo de Charles Darwin, para designar a ciência das relações dos organismos com o meio ambiente.

A palavra ecologia deriva de duas palavras de origem grega: olkos, que significa casa, ou em um sentido mais amplo, ambiente, e logos, que quer dizer ciência ou estudo. Dessa forma, ecologia significa ciência do ambiente, ou, em uma definição mais completa, pode ser entendida como a ciência que estuda as relações entre os seres vivos e o ambiente onde vivem. Atualmente, a designação que tem sido mais utilizada, define a ecologia como sendo a ciência que estuda os ecossistemas.

Nos dias atuais, a ecologia passou a ser um dos temas de maior destaque nos meios de divulgação. Isso se deve em grande parte aos desastres ecológicos que se sucedem não apenas em nosso país mas também em vários outros, de tal maneira, que a ecologia passou a adquirir grande importância prática.

O Homem é o ser vivo que mais agride o ambiente em que vive, sendo que até certo tempo atrás ele acreditava que poderia interferir no meio ambiente da maneira que lhe fosse mais conveniente. Aos poucos, porém, ele foi percebendo que o descarte inadequado dos subprodutos de suas indústrias, o uso indiscriminado de agrotóxicos, e o descuido com rios, lagos e fontes não só acabava com a vida existente nesses meios, mas também trazia enormes transtornos a ele próprio, pois uma vez que o Homem alterava o meio onde vivia, a natureza lhe respondia cada vez mais de uma maneira mais ríspida e rápida.

Hoje em dia se faz necessário conhecer as noções básicas da ecologia, ou seja, aprender como os seres interagem com o ambiente e verificar o papel deles no equilíbrio ecológico.

Sem sombra de dúvida, o Homem já fez progressos consideráveis na tentativa de recuperar os ecossistemas que foram destruídos e de preservar aqueles que poderiam ser atacados. Um exemplo disso foi o encontro da comunidade científica internacional em conjunto com políticos em junho de 1992, na cidade do Rio de Janeiro, na conferência que ficou conhecida como ECO-92, durante a qual foram

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Instituto de Química de São Carlos - USP discutidas soluções e responsabilidades de problemas que são comuns aos países. O ponto alto desse encontro foi a elaboração da Carta da Terra. Em contrapartida, a saída dos Estados Unidos, um dos maiores poluidores do meio ambiente, do Tratado de Kioto foi uma prova cabal que não são todos que aprenderam com as respostas da natureza. A defesa americana é simplesmente insustentável, pois alega que com a assinatura do Tratado, a indústria americana teria que se adequar a uma nova política de controle de emissão de gases poluentes, e isso levaria a indústria a ter gastos extras e a ter que fazer cortes de pessoal, o que poderia gerar uma crise na indústria americana e, conseqüentemente, levaria a uma crise na economia mundial.

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2. Ecossistema

2.1. Introdução

No início da formação do planeta, existia uma grande camada de gases, constituída basicamente de metano, amônia, vapor de água e hidrogênio. Com o passar do tempo, o planeta foi se resfriando, o que permitiu um acúmulo maior de água, originando os primeiros mares, ou mares primitivos.

Paralelamente a isso, a Terra ía sendo bombardeada constantemente pelos raios solares que faziam com que transformações físicas e químicas nos componentes da atmosfera e da crosta terrestre fossem ocorrendo. A partir desse momento, a vida se originou e nunca mais deixou de existir no planeta.

Com o aparecimento dos seres vivos, uma nova entidade passou a fazer parte da constituição do planeta, ou seja, além da litosfera, hidrosfera e atmosfera, a Terra passou a contar com a biosfera. A biosfera compreende todos os lugares do planeta onde existe vida. As camadas que envolvem o planeta recebem a terminação “sfera” devido ao formato esférico da Terra. Assim sendo, pode-se montar uma tabela para ilustrar o nome e o significado de cada um.

Tabela 1. Nomes e Significados

Nome Significado

Atmosfera Parte gasosa da Terra Litosfera Parte mineral da Terra Hidrosfera Parte aquosa da Terra

2.2. Biosfera vs. Fotossíntese

Uma afirmação que se pode fazer a respeito da biosfera é que a sobrevivência de todos os seres vivos que a compõem, com exceção de um pequeno grupo de seres procariontes quimiossintetizantes, depende, em uma última análise, dos organismos clorofilados. Estes, por meio da fotossíntese, produzem o alimento que é utilizado por todos os outros seres vivos. Como subproduto da fotossíntese, as plantas liberam oxigênio, que é fundamental para a respiração de todos os seres vivos, sejam eles

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Instituto de Química de São Carlos - USP animais ou vegetais. Esse tipo de dependência que existe entre animais e vegetais é apenas um dos muitos exemplos de interações que ocorrem na biosfera.

Como regra, populações de espécies diferentes devem viver em constante interação, formando as comunidades bióticas, ou biocenose. A biocenose depende do conjunto de fatores físicos e químicos do meio, freqüentemente chamado de biótopo. Uma comunidade biótica em interação com o conjunto de condições físicas e químicas, da região onde ela habita, constitui um ecossistema. Assim, temos:

2.3. Os Componentes do Ecossistema

Um conjunto de seres vivos e o meio onde eles vivem, com todas as interações que estes organismos mantêm entre si, formam um ecossistema. Qualquer ecossistema apresenta dois componentes básicos: o componente biótico, que é representado pelos seres vivos, e o componente abiótico, que é representado pelas condições químicas e físicas do meio.

Em qualquer ecossistema, os representantes do componente biótico podem ser divididos em outros dois grupos: os autótrofos e os heterótrofos. O termo autótrofo é usado para designar os seres fotossintetizantes que conseguem captar a energia luminosa e utilizá-la para suprir suas necessidades energéticas. Já o termo heterótrofo é usado para denominar os organismos que necessitam captar, do meio onde vivem, o alimento que lhes forneça energia e matéria-prima para a sua sobrevivência. Dessa forma, os seres autótrofos são ditos produtores dos ecossistemas, pois são eles que produzem toda a matéria orgânica e energia que será utilizada como alimento por outros seres vivos. É por meio deles que toda a energia necessária para a manutenção da comunidade biótica entra no ecossistema.

Os heterótrofos são os consumidores dos ecossistemas: eles apenas utilizam o alimento produzido pelos autótrofos para assim sobreviver. Um grupo muito particular de heterótrofos são os decompositores, pois estes se utilizam de matéria orgânica morta como fonte de alimentação. Os decompositores são de grande importância, pois é a partir deles que muitos nutrientes são devolvidos ao meio ambiente, tornando assim cíclica a permanência desses nutrientes, conforme será visto mais adiante.

Em termos de fatores abióticos, estes podem ser classificados em físicos e químicos, sendo que temperatura, luminosidade e umidade são exemplos de fatores

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Instituto de Química de São Carlos - USP físicos. Entre os fatores químicos, pode ser citada a presença de água e de minerais no solo.

Dentre os fatores físicos, a radiação solar é a que ocupa lugar de destaque, pois ela é quem comanda a maioria dos outros fatores. Dela provém toda a energia necessária para a sobrevivência dos seres vivos, além de ser ela a responsável pela manutenção da temperatura no planeta. Essa manutenção da temperatura é fator fundamental na distribuição dos seres vivos na superfície da Terra. Além disso, a radiação solar também afeta outros fatores climáticos como umidade relativa do ar, pluviosidade, etc.

Com relação aos fatores químicos, pode-se dizer que a presença ou ausência de um determinado elemento na água é decisiva para a manutenção da vida em um dado ambiente. Por exemplo, a presença de fósforo, encontrado na forma de fosfato em alguns tipos de rochas, é fundamental, pois o fósforo é constituinte importante da matéria viva. Outros elementos, como o cálcio, o boro, o carbono, o nitrogênio e o oxigênio, são essenciais para a manutenção da vida, tanto animal quanto a vegetal, sendo que esses elementos ficam presentes no meio ambiente em uma forma cíclica, ou seja, de alguma maneira eles são retirados do meio, cumprem o seu papel, seja formar uma proteína ou um ácido nucléico, como no caso do nitrogênio, seja a de um fosfolipídio no caso do fósforo, e, de alguma forma, eles devem retornar ao meio para novamente se tornarem parte do ciclo.

Figura 1. Diagrama de transferência de energia solar para os seres vivos.

Pela figura 1, fica evidente a forma como a energia solar é transferida e utilizada por todos os seres vivos. Inicialmente, a energia que é produzida pelo sol e que chega à Terra é suficiente para que as plantas consigam realizar a síntese de matéria orgânica por meio do processo de fotossíntese, ou seja, esse processo fornece toda a energia necessária para os processos vitais e para que as plantas possam crescer e se desenvolver. Nesse processo de crescimento e desenvolvimento,

Energia radiante do Sol

Plantas

(Produtores) Autótrofos

Animais

(Herbívoros) Heterótrofos

Animais (Carnívoros)

D E C O M P O S I T O R E S (Bactérias e Fungos)

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Instituto de Química de São Carlos - USP as plantas vão produzindo e armazenando energia, sais minerais e matéria orgânica, que vão ser posteriormente passados para os organismos superiores, via cadeia alimentar.

A matéria orgânica que foi sintetizada pelas plantas contém energia, que por sua vez vai servir de alimento para manutenção de processos vitais e de crescimento para os animais. Inicialmente, essa energia é passada aos herbívoros e, em seguida, é passada via cadeia alimentar a todos os outros organismos superiores, inclusive o Homem. Caso esse mecanismo de transporte seja interrompido em algum ponto, a decomposição da matéria orgânica por ação de bactérias e fungos, faz com que todos os nutrientes voltem ao solo e possam ser reabsorvidos novamente, dando continuidade ao ciclo.

O esquema apresentado ilustra o conceito de cadeia alimentar, e inerente a esse conceito está o conceito de nível trófico, que será discutido um pouco mais tarde, mas de antemão já é possível perceber que cada organismo ocupa um lugar pré-determinado na cadeia alimentar, e em virtude de sua colocação na cadeia dependerá a sua colocação em um nível trófico ou não.

2.4. A Pirâmide de Energia

A pirâmide de energia mostra uma conseqüência natural das leis da termodinâmica, ou seja, parte da energia é dissipada ao passar de um nível trófico para outro, e em cada nível a energia é transformada, nunca criada. Além disso, ela indica os níveis de aproveitamento ou produtividade biológica da cadeia alimentar.

2.4.1. Fluxo de Energia

Uma das características mais marcantes dos ecossistemas é que os organismos que os compõem podem ser agrupados de acordo com seus hábitos alimentares. Nesse caso, cada grupo em particular constitui aquilo que costuma se denominar nível trófico. De acordo com essa definição, o nível trófico nada mais é que o lugar onde cada grupo de organismos ocupa em um determinado ecossistema. A seqüência dos níveis tróficos representa o caminho que tanto a energia como a matéria percorre em um ecossistema.

A fonte de energia que mantém qualquer ecossistema é o Sol. Assim, a energia luminosa proveniente do Sol é captada e metabolizada pelos produtores, que na sua maioria são seres fotossintetizantes, portanto autótrofos. Incluem-se nesse grupo os vegetais clorofilados e os organismos quimiossintetizantes (algumas bactérias).

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Posteriormente, os herbívoros, ao se alimentarem dos produtores, obtêm parte dessa energia e, assim sucessivamente, a energia vai passando de nível trófico até a sua chegada aos organismos que estão no topo da cadeia alimentar.

Do total de energia armazenada pelo autótrofo na matéria orgânica produzida pela fotossíntese, parte é consumida por ele mesmo na respiração, o que lhe mantém vivo. Portanto só é passado para o nível trófico seguinte aquilo que o produtor não consumiu, e desse, uma parte é eliminada pelos excrementos e uma parcela considerável da energia do alimento é consumida como forma de energia de movimento. As sobras são incorporadas aos tecidos permanecendo à disposição do nível trófico seguinte. Assim, a cada nível trófico, vai ocorrendo uma perda de energia, principalmente na forma de calor, forma essa que os seres vivos não tem condições de reaproveitar. Portanto, a energia flui de um nível trófico a outro sem possibilidade de retrocesso, numa única direção; daí vem a denominação de que o fluxo de energia é unidirecional.

O esquema a seguir (figura 2) ilustra o que foi dito. Os raios solares, assim que chegam às plantas, que são os produtores da cadeia alimentar e por isso se encontram na parte debaixo da pirâmide, transformam essa energia em matéria orgânica, que, por sua vez, vão servir de alimento e fonte de energia para todos os consumidores que estão na parte superior da cadeia, transferindo, assim, a energia para esses consumidores. Uma vez que os animais do topo da cadeia não tem como reciclar essa energia, uma parte dela se perde na forma de calor para o ambiente.

C A L O R
E n e r g i a L u m i n o s a

Figura 2. Fluxo de energia do Sol para o meio ambiente via cadeia alimentar. S O L

E s p a ç o (M e i o A m b i e n t e)

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