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PROGRAMA DE POS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA

AMBIENTALIntrodução a Engenharia Ambiental:

Fundamentos de Ecologia I

Prof. Servio Tulio Cassini

Dep. Engenharia Ambiental CT-UFES

[email protected]


Tópicos

• Conceitos Basicos – Ecossistemas, cadeias alimentares e energia

• Sustentabilidade

• Ciclo do Carbono

• Ciclo do Nitrogênio

• Ciclos do Fósforo e Enxofre

• Avaliação


ECOLOGIA

• OYKOS = CASA

• LOGOS = ESTUDO

• ESTUDO DO AMBIENTE COMO UM TODO ( FISICO, QUIMICO E BIOLÓGICO) E SUAS INTERAÇÕES


Ecologia: O estudo das inter-relações entre os organismos e seus

ambientes.

Energia

Seres vivos

Meio Abiótic

o

Biomassa

Populações

Comunidades

Biocenoses

Habitat

Nicho

Água

Rochas

Itemperismo

Minerais

Nutrientes

Matéria Organica

“Resíduos”

Energia Luminosa

Energia Química


EcossistemaEcossistemaConceitoConceito: Qualquer unidade abrangendo todos os organismos que Qualquer unidade abrangendo todos os organismos que

funcionam em conjunto (Comunidade Biótica), numa funcionam em conjunto (Comunidade Biótica), numa dada área, Interagindo com o ambiente físico de tal dada área, Interagindo com o ambiente físico de tal forma que o fluxo de energia produza estruturas forma que o fluxo de energia produza estruturas bióticas claramente definidas e uma ciclagem de bióticas claramente definidas e uma ciclagem de materiais entre os seus diversos componentes.materiais entre os seus diversos componentes.

• Sistema que inclui todos os organismos de uma área e o meio Sistema que inclui todos os organismos de uma área e o meio ambiente onde vivem.ambiente onde vivem.• Unidade funcional básica na ecologia, em que o ambiente de Unidade funcional básica na ecologia, em que o ambiente de entrada e o de saída devem ser considerados partes importantes entrada e o de saída devem ser considerados partes importantes do sistema.do sistema.• Conjunto de componentes abióticos e bióticos que, num Conjunto de componentes abióticos e bióticos que, num determinado meio, trocam matéria e energia. determinado meio, trocam matéria e energia. • Sistema dinâmico, hierárquico, composto de organismos em um Sistema dinâmico, hierárquico, composto de organismos em um fluxo de energia e intercâmbio de matéria e informação com seu fluxo de energia e intercâmbio de matéria e informação com seu ambiente.ambiente.


EcossistemasEcossistemasComponentes:Componentes:• Inorgânicos: C, N, CO2, H2O e Outros

• Orgânicos: Proteínas, Carbohidratos, Lipídios, etc * Ligam sistema biótico e abiótico *

• Ambiente Atmosférico• Ambiente Hidrológico• Substrato• Regime Climático• Outros Fatores Físicos• Produtores • Consumidores• Decompositores


Unidade básica do estudo da Ecologia

Dimensões variadas

ambientes aquáticos e terrestres

Interação: (Seres Vivos * Meio Abiótico) + Energia

Biodiversidade e Biocenoses

Produção Primária e cadeias tróficas

Estabilidade e Sustentabilidade

Homeostase e auto-regulação

Conceito de Ecossistema.


ECOSSISTEMA

• Exemplo: Ecossistema Costeiro:

• A Região Costeira, pode ser considerada como um grande ecossistema, bem como suas subdivisões: estuários, ilhas, manguezais, restingas, dunas, praias, falésias, costões rochosos e recifes de corais


Spartina brasiliensis (gramínea) 2- Usnea barbata (barba-de-velho) 3- líquen incrustante 4- Rhizophora mangle (mangue-vervelho ou bravo) 5- Avicenia schaueriana (mangue-seriba ou seriúba) 6- Laguncularia racemosa (mangue-branco) 7- Hibiscus tiliaceus (hibisco ou algodãonzinho-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 ou aratu) 16- Callinectes sp. (siri-azul) 17- Uca uruguayensis (chama-maré) 18- ninho de termita (cupinzeiro) 19- Crassostrea rhizophora (ostra-do-mangue)


Características de um Ecossistema.

Unidade básica do estudo da Ecologia

•Dimensões variadas•ambientes aquáticos e terrestres•Interação: (Seres Vivos * Meio Abiótico) + Energia•Biodiversidade e Biocenoses•Produção Primária e cadeias tróficas•Estabilidade e Sustentabilidade•Homeostase e auto-regulação (Reciclagem e Reuso)


Ecologia – Conceitos básicos

• Ecossistema

• Habitat e Nicho

• Biomassa, Energia,

• Homeostase

• Poluição

• Bioacumulação

• Interações


Características de um Ecossistema (Resumo):

1. Energia

2. Biomassa (biocenoses) – espécies – biodiversidade comunidades - populações

3. Cadeia Alimentar – Bioconcentraçao

4. Poluição4. Poluição: qualquer fator ou combinação físico - químico e biológico que rompe o equilibrio do ecossistema ou parte dele. (“Efeito Dose” --> humano)

5. Bioatenuaçao ou Biorremediaçao


Energia: definições básicas • Energia: É a capacidade de realizar trabalho. Esta capacidade pode-se

manifestar sob várias formas: radiação eletromagnética, energia potencial ou incorporada, energia cinética, energia química (dos alimentos) e calor.

• 1ª Lei da Termodinâmica: (Conservação da energia) A energia pode ser transformada de um tipo em outro, mas não pode ser criada nem destruída. Exemplos destas transformações: luz em calor, energia potencial em cinética.

• 2ª Lei da Termodinâmica: (Lei da Entropia) Nenhum processo que implique numa transformação energética ocorrerá espontaneamente, a menos que haja uma degradação de energia de uma forma concentrada numa forma mais dispersa (ou desorganizada). Assim sendo, nenhuma transformação de energia é 100% eficiente. A entropia é uma medida de energia não disponível, que resulta das transformações energéticas. Sua variação é sempre positiva em qualquer transformação


O ambiente energético da biosfera

• A luz solar que atinge o topo da biosfera iluminada terrestre chega a uma taxa constante, a chamada constante solar (1.94 cal/cm2.min). Um máximo de 67% da constante solar (~ 1.34 cal/cm².min) pode atingir a superfície terrestre.

• A radiação solar sofre consideráveis modificações qualitativas e quantitativas ao atravessar a atmosfera terrestre. Tais modificações são influenciadas por vários fatores dentre eles a topografia, a latitude, o clima bem como composição gasosa da atmosfera. A água e o gás carbônico absorvem ativamente a radiação na faixa do infra-vermelho.


Energia e fluxo de Matéria Orgânica

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


Ecologia trófica • O estudo das interações tróficas é essencial para o

entendimento do que se passa dentro de um ecossistema. Este tipo de estudo demonstra de modo inequívoco o grau de inter-relações existente entre os organismos e aponta os principais elementos na manutenção da estrutura do ecossistema.

• Uma das formas mais tradicionais de se estudar a ecologia trófica está na identificação das rotas alimentares dentro dos ecossistemas.

• a) cadeias alimentares;• b) teias tróficas;• c) pirâmides energéticas e• d) matrizes tróficas.


Habitat e Nicho

HabitatHabitat – local (físico) onde se encontra uma determinada espécie.

NichoNicho é o conjunto de características que definem uma espécie em um determinado habitat. (Profissão da espécie. Ex. cobra encontrada em reiões montanhosas; nicho: predadora de ratos que ocupam o mesmo habitat.


Energia:

Fonte principal : Energia solar

Fonte alternativa: Oxidação química de compostos inorgânicos

Autótrofos x Heterótrofos:

• Autotrofos: utilização de energia luminosa ou química para fixação do CO2 formadores de matéria orgânica

• Heterótrofos: Consumidores de materia orgânica (carbono fixado) - consumidores ----> decompositores


Biodiversidade.

Deve incluir Toda a variedade de organismos, desde as variedades que ocorrem dentro de uma mesma espécie até as variedades existentes entre táxons superiores.

Considera-se, também, a variedade e sub-gradações de ecossistemas, a qual abrange tanto as comunidades de organismos em um ou mais habitats quanto as condições físicas sob as quais eles vivem.


Biomas.

Grandes ecossistemas determinados, principalmente, pelo Clima (função latitude), e que se caracterizam por apresentar uma vegetação clímax típica.

Ex . Biomas terrestres: Tundra -Taiga - Floresta Caducifólia - Floresta Tropical - Campos - Desertos

Biomas Brasileiros: cerrado, caatinga, floresta amazonica, floresta (mata atlantica), pantanal,

As regiões onde dois biomas se encontram ou apresentam gradação mútua são denominadas ecótonos

Biota. Todos os organismos de determinada região.

Biotecnologia. Alta tecnologia aplicada aos processos biológicos

Biomassa. Refere-se ao peso total (geralmente o peso seco) de determinado grupo de organismos de uma área específica, como as aves de determinado trecho de mata ou as algas de uma lagoa ou mesmo todos os organismos do ecossistema.


Grandes

Biomas


Os grandes Biomas Brasileiros:

Situação Pré colonização e Pós Industrial:

Impactos ambientais previstos de 1500 --> 2001 e as propostas de Reservas Legais.


Cadeia alimentar

Produção Primária

Ambientes Aquaticos: Bactérias, Cianobactérias e Algas

Ambientes Terrestes: Plantas

Consumidores

Ordens (cadeias e interações)

Decompositores e Detritívoros

Matéria orgânica – ciclo.

Bioacumulação, Bioamplificação ou Biomagnificação

Compostos inorgânicos: Ex. metais pesados

Compostos Orgânicos: Ex. pesticidas (Agrotóxicos) inseticidas, larvicidas (Acúmulo em tecidos adiposos)


Produção Primária

Ecossistema Clima Produtividade Kcal/m2/ano

Deserto 400 Oceano 800 (Lam 10 m) Lago Temperado 800 Lago poluído Temperado 2400 Florestas decíduas Temperado 4800 Coníferas Temperado 11200 Tropical Pluvial Tropical 20000

Agrícolas Anual Temperado 8800 Perene Temperado 12000 Anual Tropical 12000 Perene Tropical 30000

Pantanos Pantano Temperado 17100 Pantano Tropical 30000


Fig. 2. Seasonal average and interannual differences in biospheric NPP(g C m2 month21) estimated with SeaWiFS data and the integratedCASA-VGPM model (9). Average NPP for (A) the La Ninã Austral summer of December 1998 to February 1999 and (B) the La NinãBoreal summer of June to August 1999. (A and B) White, ice cover during (A) January and (B) July; tan, near-zero NPP for terrestrial regions not permanently covered by ice. (C) Transition from El Ninõ to La Ninã conditions resulted in substantial regional changes in NPP, as illustrated by interannual differences in Austral summer NPP (i.e., average NPP for December 1998 to February 1999 minus average NPP for December 1997 to February 1998). (D) Changes in NPP between two La Ninã Boreal summers (1999 minus 1998). (C and D) Red, increase in NPP; blue, decrease in NPP; white, no substantial interannual change in NPP.


Ecossistemas Marinhos:

Regiões Litorâneas (Costeiras), Nerítica, Pelágica, Abissal,

Plancton, Necton, Benton (Bentos)

Nutrientes - Correntes

Eutrofização

Florescências de algas e cianobactérias

Regiões Costeiras:

estuários, ilhas, manguezais, restingas, dunas, praias, falésias, costões rochosos e recifes de corais

NERÍTICO "Zona de água do mar que cobre a plataforma continental" (Odum, 1972)."Região nerítica é aquela que se estende desde a zona intertidal até a isóbata de 200 metros (...) Sedimentação nerítica é o material relativamente grosseiro, terrígeno, que se acumula junto à costa" (Guerra, 1978).PELÁGICO pelagic, pélagique, pelágico"Termo que se utiliza, de modo geral, para incluir o plâncton, o nécton e o nêuston; ou o conjunto da vida em alto-mar" (Odum, 1972)."Depósito marinho, formado em grandes profundidades oceânicas e, conseqüentemente, a grande distância das bordas continentais; esses depósitos são constituídos de argilas finas e carapaças de organismos que foram transportadas pelas correntes marinhas (Guerra, 1978)."Diz-se dos organismos próprios do alto-mar, que não se encontram fixados ao fundo e que possuem meios próprios de locomoção que lhes permitam realizar deslocações voluntárias" (Carvalho, 1981).


Ecossistemas de Água Doce (Limnícos)

• Lóticos (Correntes) x lenticos ( Circulação mínima)

• Bacias hidrográficas (Solo – vegetação – rios – lagos – estuários )

• Perfís –

• Produtividade Primária –

•Oligotróficos

•Mesotróficos

•Eutróficos


Impactos Ambientais de ações Antrópicas - Exemplos

1. Acumulo de DDT e metais pesados na cadeia alimentar

2. Eutrofização de corpos receptores

3. Contaminação de lençóis freaticos

4. Agrotóxicos

5. Ecossistemas costeiros : Metais pesados em sedimentos

6. Amazônia: Desmatamento e garimpos

7. Pantanal: Projetos Agropecuários sem sustentabilidade


Cadeia Alimentar ou Cadeia TróficaCadeia Alimentar ou Cadeia Trófica

Transferência de energia alimentar, desde a Transferência de energia alimentar, desde a fonte autotrófica, através de uma serie de fonte autotrófica, através de uma serie de organismos que consomem e são consumidosorganismos que consomem e são consumidos

Quanto menor a Cadeia Trófica,Quanto menor a Cadeia Trófica, maior a energia disponível à populaçãomaior a energia disponível à população


Níveis Tróficos:Níveis Tróficos:

* Produtores

* Consumidores Primários, Secundários Terciários, etc..

* Decompositores

** A passagem de energia de um nível trófico para outro, implica sempre em uma diminuição de quantidade de energia transferível**


Complexidade dos sistemas ecológios

Necessidade de uma simplificação ou um modelo conceitual de funcinamento

Herbívoros CarnívorosE Produtores

Decompo-sitores

Respiração

RespiraçãoRespiração

Respiração

Calor

Calor

Calor

Calor Calor

Reserv. deNutrientes

Fluxo de energiaCiclagem de nutrientes


EcossistemasEcossistemasProdutividadeProdutividade: Representa a quantidade de energia radiante Representa a quantidade de energia radiante transformada em substâncias orgânicas, através de processos transformada em substâncias orgânicas, através de processos autotróficos de organismos produtoresautotróficos de organismos produtores

Produtividade Primária Bruta:Produtividade Primária Bruta: Representa a taxa total de Representa a taxa total de Fotossíntese, incluindo a quantidade de energia utilizada nos Fotossíntese, incluindo a quantidade de energia utilizada nos processos respiratórios processos respiratórios

= Assimilação Total= Assimilação Total

Produtividade Primária LíquidaProdutividade Primária Líquida: Representa a taxa de Representa a taxa de armazenamento de matéria orgânica decorrente da relação armazenamento de matéria orgânica decorrente da relação entre a fotossíntese e a respiração entre a fotossíntese e a respiração

= Assimilação Líquida= Assimilação Líquida

Produtividade Secundária (do Consumidor):Produtividade Secundária (do Consumidor): Representam as Representam as taxas de armazenamento energético em níveis de taxas de armazenamento energético em níveis de consumidores, uma que os consumidores utilizam apenas consumidores, uma que os consumidores utilizam apenas materiais alimentares já produzidosmateriais alimentares já produzidos


HOMEMHOMEM

COBRACOBRA

VEGETAISVEGETAIS

FUNGOSFUNGOSBACTÉRIASBACTÉRIAS

RATORATO

CORUJACORUJA

SOLSOL

Consumidor terciário - Omnívoro

Consumidor secundário - Carnívoro / omnívoro(alimentam-se diretamente dos produtores

produtores)Consumidor primário - Herbívoro(alimenta-se diretamente dos

Produtores - autotróficos (produzem sua alimentação).

CADEIAS ALIMENTARESCADEIAS ALIMENTARES

Predador: mata para sobreviver.Parasita: alimenta-se sem visar a morte da presaParasita: alimenta-se sem visar a morte da presa.

Último elo da cadeia trófica (predador por natureza)

Fotossíntese: início da produção de matéria orgânica. Algas: produção aquatica

Decompositores: retiram energia da matéria orgânica morta.

ENERGIAENERGIA

PPL (produção primária líquida).

PPB (produção primária bruta)

quimico


Teia/Rede Alimentar ou Teia/Rede TróficaTeia/Rede Alimentar ou Teia/Rede Trófica Sequências de Cadeias Alimentares Sequências de Cadeias Alimentares


Teia Alimentar no Meio Terrestre e no Meio AquáticoTeia Alimentar no Meio Terrestre e no Meio Aquático


Teia Alimentar no Meio AquáticoTeia Alimentar no Meio Aquático


Teia Alimentar Meio AquáticoTeia Alimentar Meio Aquático


MangueMangue

Teia Alimentar no Teia Alimentar no Meio Terrestre e no Meio Terrestre e no

Meio AquáticoMeio Aquático


Pirâmides Ecológicas:Pirâmides Ecológicas:

Pirâmides de NúmerosPirâmides de Números

Pirâmides de BiomassaPirâmides de Biomassa

Pirâmides de EnergiaPirâmides de Energia


Pirâmides de NúmerosPirâmides de Números

1. Árvores1. Árvores2. Preguiças2. Preguiças3. piolhos3. piolhos

1. Fitoplâncton1. Fitoplâncton2. Zooplâncton2. Zooplâncton3. Crustáceas3. Crustáceas4. Moluscos4. Moluscos


Pirâmides de BiomassaPirâmides de Biomassa

Cada nível exige uma biomassaCada nível exige uma biomassa10 vezes maior do seu nível anterior10 vezes maior do seu nível anteriorporque apenas 10% da energiaporque apenas 10% da energiasão transferíveis de um nível a outrosão transferíveis de um nível a outro Caso particular - EcossistemaCaso particular - Ecossistema

marinho - Fitoplâncton - elevado marinho - Fitoplâncton - elevado potencial biótico (capacidade de potencial biótico (capacidade de reprodução e renovação rápida reprodução e renovação rápida do estoquedo estoque


Pirâmides de EnergiaPirâmides de Energia


Pirâmide de idadesPirâmide de idades

ODUM, 1988ODUM, 1988


POLUIÇAO

• PoluiçãoPoluição: qualquer fator ou combinação físico - químico e biológico que rompe o equilibrio do ecossistema ou parte dele.

• (“Efeito Dose” --> Fator Antropogênico ou humano)

• Exemplos: Esgotos, CO2 , pesticidas,


Poluição x Contaminação

Figura 8.2.7. Proyecto Parque Ecológico Municipal de La Plata (muestreo y aplicación de ensayos de toxicidad por niños).

Poluição : qualquer alteração nos constituintes “naturais” dos ecossistemas.

Contaminação: Alteração nas doses ou presença de determinados compostos que causam danos à saúde de indivíduos.


Poluição x Contaminação

Poluição: ex. esgotos sanitários em corpos d´água, emissões gasosas (CO2, CH4) matéria orgânica em putrefação etc.Ensaios com bioindicadores de poluição

Contaminação: ex. Pesticidas, hidrocarbonetoos policíclicos aromáticos, solventes, emissões gasosas (dioxinas) etc.Ensaios fisico-quimicos ou bioensaios de

toxicidade


SOLO

ATMOSFERA

MEIO ANTROPICO

AGUA


EUTROFIZAÇÃO

• A eutrofização é o crescimento excessivo das plantas aquáticas, tanto planctônicas (ALGAS) quanto aderidas, a níveis tais que sejam considerados como causadores de interferências com os usos desejáveis do corpo d’água.

• O principal fator de estímulo é um nível excessivo de nutrientes no corpo d’água, principalmente nitrogênio e fósforo.


“CICLO” DA EUTROFIZAÇÃO

N

P

Matéria Orgânica

Esgotos

Biomassa


Classe de trofia Concentração de fósforo total na represa (mg/m3)

Ultraoligotrófico < 5

Oligotrófico < 10 - 20

Mesotrófico 10 - 50

Eutrófico 25 - 100

Hipereutrófico > 100

Faixas aproximadas de valores de fósforo total para os principais graus de trofia

Nota: a superposição dos valores entre duas faixas indica a dificuldade no estabelecimento de faixas rígidas


PROBLEMAS DA EUTROFIZAÇÃO • Problemas estéticos e recreacionais. Diminuição do uso da água

para recreação, balneabilidade e redução geral na atração turística devido a:

– frequentes florações das águas– crescimento excessivo da vegetação– distúrbios com mosquitos e insetos– eventuais maus odores– eventuais mortandades de peixes

• Condições anaeróbias no fundo do corpo d’água. • Eventuais condições anaeróbias no corpo d’água como um todo • Maior dificuldade e elevação nos custos de tratamento da água • Toxicidade das algas.• Redução na navegação e capacidade de transporte.• Desaparecimento gradual do lago como um todo


RELAÇÕES ECOLÓGICAS

• MUTUALISMO

• PROTOCOOPERAÇÃO

• COMENSALISMO /INQUILINISMO

• AGREGAÇÃO

• COMPETIÇÃO

• PREDAÇÃO


Tipo Interação Espécie Natureza Interação

A B

Neutralismo 0 0 Sem efeitos

Comensalismo + 0 Hospedeiro não afetado

Amensalismo - 0 População A é inibida, B não é afetada

Mutualismo + + É obrigatória

Protocooperação + + É facultativa

Predação + - B é destruído por A

Parasitismo + - B é explorado por A

Competição - - Inibição mútua

Principais Interações entre os seres vivos


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