Baixe Ap. Ecologia e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Ambiental, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Ecologia DISCIPLINA: ENGENHARIA DO MEIO AMBIENTE PRIMEIRO SEMESTRE 2002 ESCOLA POLITÉCNICA DEPTO RECURSOS HÍDRICOS E MEIO AMBIENTE Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos ÍNDICE Página: 1. Introdução 3 2. Ecossistema 3 3. Produção e Decomposição na Natureza 5 4. Fluxo de Energia 7 5. Ciclos Biogeoquímicos 12 6. Fatores Limitantes 15 7. Regulação Ecológica 17 8. Bibliografia 17 2 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos A quantidade de substância viva nos diferentes níveis trófícos ou uma população é conhecida como "produto em pé" (standing crop), termo que se aplica tanto às plantas quanto aos animais. O "produto em pé" pode ser expresso em termos de número por unidade de área ou em termos de biomassa, isto é, massa orgânica. A biomassa pode ser expressa como peso fresco, peso seco, peso seco livre de minerais, peso em carbono, calorias, etc. 2.3 Estrutura Bioquímica Chamamos de Estrutura Bioquímica de um ecossistema a quantidade de distribuição, tanto das substâncias inorgânicas como dos materiais orgânicos presentes na biomassa ou no ambiente. Exemplos: quantidade de clorofila por unidade de área (de terra ou de superfície de água); quantidade de material orgânico dissolvido na água etc. 2.4 Estrutura em Espécies A Estrutura em Espécies de um ecossistema inclui, não somente número e tipos de espécies presentes, mas também, a diversidade das espécies, isto é, a relação entre as espécies e o número de indivíduos e a dispersão (arranjo espacial) dos indivíduos de cada espécie, que estão presentes na comunidade. Quanto maior e mais diversificado for o ecossistema, tanto mais estável ele poderá ser, e tanto mais independente será (sentido relativo) dos ecossistemas adjacentes. 2.5 Nicho Ecológico e Habitat Nicho Ecológico é o conjunto de fatores e características ambientais (fatores físicos, alimento típico, inimigos naturais da espécie etc.), que definem o papel (função) de uma determinada espécie na biosfera. Habitat é o local habitado por uma determinada espécie. Exemplo: o gafanhoto (herbívoro) e o louva-Deus (predador de insetos) podem ser encontrados no mesmo habitat, mas ocupam nichos ecológicos distintos. (Habitat: "endereço"; nicho ecológico: "profissão"). 3. Produção e Decomposição na Natureza 3.1 Produção Todos os seres vivos têm uma necessidade básica de alimentação para: a) Material para formação de novas células, indispensáveis ao crescimento e à reprodução dos organismos (C, H,O, N, S,P, Ca etc.). b) Energia, para ser utilizada na locomoção, manutenção da temperatura interna (no caso de aves e mamíferos), transporte da seiva (vegetais) etc. Necessitam, portanto, de compostos orgânicos que, além de serem os principais constituintes da matéria viva (protoplasma) são também dotados de grande quantidade de energia condensada. 3.1.1 Fotossíntese É o principal processo de produção de matéria orgâníca (cerca de cem bilhões de toneladas anuais). A fotossíntese consiste numa série de reações químicas, resumidas através da seguinte equação simplifícada: 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 luz (energia) clorofila (glicose) 5 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos A glicose, se não for consumida pelo próprio vegetal na produção de energia (através da respiração), passa a ser transformada em inúmeros outros compostos que compõem a estrutura vegetal e permitem o seu crescimento (celulose, proteínas), ou é acumulada, na forma de amido, glicogênio, óleos e outras substânciais de reserva para posterior utilização na respiração. 3.1.2 Quimíossíntese A quantidade de matéria orgânica produzida pela quimiossíntese é muito pequena, relativamente à produzida pela fotossíntese. Exemplo: bactérias do enxofre. CO + 2 H2S (CH2O) + H2O + 2 S z 3.2 Decomposição A decomposição da matéria orgânic respiração (animal ou vegetal) ou pel 3.2.1 Respiração O consumo (decomposição) de com vegetais quanto nos animais, é realiz oxidação que se processa no nível c que pode ser representada pela segu C6H12O6 + 6 O2 (glicose) Uma molécula-grama de glicose, a utilizada sob a forma de calor ou na r A "combustão" dos compostos orgân (que voltam à atmosfera) e sais mine 3.2.2 Biodegradação a) Oxidação (decomposiç (Matéria orgânica) + bactérias + b) Oxidação (decomposiç Novas células I (matéria orgânica) + bactérias Álcoois e Ácidos C, H, O ,P ,N ... Bactérias do Sa pro a biod posto ado elular inte e o ser ealiza icos n rais (q ão) a O2 ão) a b+ luduzida pelos seres autotróficos pode ocorrer pela egradação da matéria orgânica morta. s orgânicos para a produção de energia, tanto nos através do processo de respiração. É uma reação de (com o consumo de O2 do ar ou dissolvido na água), quação simplificada: 6 CO2 + 6 H2O + energia "respirada", libera 686 Kcal de energia que será ção de trabalho (exemplo: movimento). as células é completa, produzindo apenas CO2 e H2O ue são eliminados pelos órgãos excretores). eróbica. naeróbica. Novas células II actérias II CH4 + H2S + CO2 + H2O + NH3 + PO4-3 novas células CO2 + H2O + NH3 + PO4 -3 6 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos Observações: a) a oxidação anaeróbica é realizada em duas etapas distintas, com bactérias de famílias diferentes atuando em cada etapa. b) a oxidação anaeróbica é mais lenta que a aeróbica, e a energia liberada durante a decomposição é menor que a liberada pela decomposição aeróbica. c) o gás metano proveniente da decomposição anaeróbica do lixo do Aterro do Caju está sendo recolhido e misturado ao gás canalizado da cidade do Rio de Janeiro. 4. Fluxo de Energia 4.1 Introdução Materiais não energéticos (água, C, N etc.) circulam, porém, a energia não. Qualquer átomo de matéria pode ser usado e reusado, mas a energia, uma vez usada por um determinado organismo é convertida em calor, e é logo perdida pelo ecossistema. Se em um determinado ecossistema estão presentes organismos adaptados, o número de indivíduos e a intensidade de vida que o ecossistema mantém, depende, em última análise, da intensidade com que a energia flui através da parte biológica do sistema e da intensidade com que os materiais circulam no interior do sistema e/ou são trocados com os sistemas adjacentes. O fluxo de energia unidirecional constitui um fenômeno universal da Natureza, sendo resultado das leis da termodinâmica: 1a. Lei: "A energia pode ser transformada de um tipo em outro, mas jamais é criada ou destruída". 2a. Lei: "Nenhum processo de transformação de energia ocorrerá se não houver uma concomitante degradação de energia de uma forma concentrada para uma forma dispersa". Como uma certa porção de energia é sempre dispersada sob a forma de energia calorífica não aproveitável, nenhuma transformação espontânea (ex: luz em alimentos) pode ser 100% eficiente. O fluxo unidirecional da energia e a circulação dos materiais constituem os dois grandes princípios ou "leis" da Ecologia Geral, já que são aplicáveis a todos os ambientes e organismos, inclusive ao homem. 4.2 Cadeia Alimentar Cadeia alimentar é a seqüência biológica responsável pela transferência de matéria e energia em um ecossistema. Toda cadeia alimentar começa com o produtor e termina com o decompositor. Entre eles estão os consumidores, que de acordo com o que comem são classificados em primários, secundários etc. Exemplo de cadeia alimentar simples: 7 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos Na passagem para os carnívoros parte da energia à também perdida para o ecossistema, diminuindo o nível energético. Em cada transferência de energia (de um nível trõfíco para outro) calor é liberado para o ecossistema. PTL = PTB – R etc. 4.5 Diagrama Simplificado de Fluxo Energético Cerca de metade da energia luminosa média que incide sobre as plantas verdes é absorvida pelo mecanismo fotossintetizante, mas apenas de 1 a 5% desta energia absorvida é convertida em energia alimentar (armazenada na forma de compostos orgânicos). 10 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos Exemplo: Ecossistema em zona temperada (em kcal/m2/dia): L = 3000 LA 1500 PPL = 15 PSL = 1,5 PTL = 1,15 Neste exemplo supõe-se a existência de organismos presentes adaptados para utilizar plenamente estas fontes. No diagrama anterior: L = luz total LA = luz absorvida R = perda de energia pela respiração NU = energia não usada NA = energia não assimilada A redução devida a cada transformação é, geralmente, cerca de 2 graus de magnitude no primeiro nível trófico (produtores), e cerca de 1 grau de magnitude a partir daí. De acordo com a 2a. lei da termodinâmica em cada transferência de energia de um organismo para outro (ou de um nível trófico para outro), uma grande parte da energia é degradada em calor. Desta forma, os herbívoros têm uma quantidade de energia, à sua disposição, maior dos que os carnívoros, e assim por diante. Logo, quanto mais próximo estiver um organismo do início da cadeia alimentar, maior será a energia disponível para ele. Obs: a) Poderíamos alimentar um número maior de homens com os produtos de uma área qualquer (10ha, por exemplo), se eles funcionarem como consumidores primários (herbívoros) em vez de secundários. b) Geralmente, a biomassa vegetal corresponde a ± 4 kcal/g de peso seco de matéria orgânica desmineralizada, e a animal, ± 5 kcal/g. Entretanto, nas sementes ou nos corpos de animais migradores ou hibernadores, a energia é armazenada até valores próximos de 7 ou 8 kcal/g. 4.6 Padrão Mundial da Distribuição da Produção Primária < 0,5g de matéria orgânica seca/m2/dia desertos oceanos profundos 0,5 a 3,0g mat. orgânica seca/m2/dia campos, lagos profundos, florestas de montanhas, certos tipos de agricultura, águas da plataforma continental 3,0 a 10g de mat. orgânica seca/m2/dia florestas úmidas, lagos rasos, campos úmidos, agricultura em lugares úmidos 10 a 25g mat. orgânica seca/m2/dia alguns estuários, recifes de coral, comunidades terrestres sobre planícies aluvião, agricultura intensiva 11 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos 5. Ciclos Biogeoquímicos 5.1 Introdução Geoquímica e uma ciência física interessada na composição química da Terra e a troca de elementos entre as diferentes partes da crosta terrestre com seus rios, oceanos, etc. A biogeoquímica estuda as trocas de materiais entre os componentes vivos e os componentes inanimados da biosfera. A biosfera caracterizasse por um fluxo contínuo e cíclico de elementos que, retirados do solo, do ar e da água pelos seres autótrofos, entram na composição dos compostos orgânicos, circulando pelas cadeias alimentares e são, posteriormente, devolvidos ao meio físico através dos processos de decomposição. Os ciclos dos elementos são realizados graças à presença de energia solar, através principalmente, do processo da fotossíntese. A existência dos ciclos biogeoquímicos confere à biosfera um poder considerável de auto- regulação ou homeostase, a qual assegura a perenidade dos ecossistemas e se traduz numa notável constância da proporção dos diversos elementos em cada meio. 5.2 Nutrientes São os elementos e os sais dissolvidos essenciais para a vida. Podem ser divi didos em dois grupos: a) macronutrientes: que incluem elementos e seus compostos, que exercem papéis fundamentais no protoplasma e que são necessários em quantidades relativa mente grandes: C, H, 0, N, K, Ca, Mg, S, P. b) micronutrientes: incluem aqueles elementos e seus compostos que são necessários, também, para o funcionamento dos seres vivos, porém solicitados em quantidades muito pequenas: Fe, Mn, Cu, Zn, Bo, Na, Mo, Cl, Va e Co. Obs: 1. A presença de um certo nutriente no ambiente, em quantidade inferior à necessária para o desenvolvimento de um organismo, limita a produtividade do ecossistema. (Exemplo do Mar dos Sargaços). 2. A presença de micronutrientes, em quantidades excessivas, pode ser tóxica para os organismos. Ex: Cu, Zn, etc. 5.3 Tipos de Ciclos Biogeoquímicos Em cada um dos ciclos biogeoquímicos existe um compartimento que contém uma grande reserva da substância mineral, denominado reservatório do nutriente, e que garante um fluxo lento e regularizado desta substância. Os reservatórios, via de regra, não são de natureza biológica, e impedem a interrupção do ciclo, caso haja um consumo temporário exagerado ou uma interrupção temporária no processo de restituição da substância ao meio. Os ciclos biogeoquímicos podem ser de dois tipos: a) ciclos gasosos, nos quais o reservatório é constituído pela atmosfera ou pela hidrosfera. Exemplos: ▪ ciclo do nitrogênio, cujo reservatório é a atmosfera ▪ ciclo do carbono, cujo reservatório está na hidrosfera, constituído pelos carbonatos existentes no oceano (carbonatos existem também na litosfera), embora a atmosfera contenha uma grande quantidade de carbono sob a forma de CO2 (0,033% de CO2, 78,1% de N2, 20,95% de 02, em volume). 12 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos 5.3.3 Ciclo do Fósforo Como já foi dito anteriormente, o reservatório do fósforo é constituído pelas rochas da crosta terrestre, que, pela desagregação sob o efeito da erosão, libera o fósforo para entrar na composição do solo e das águas, de onde ele é retirado pelos produtores (vegetais), passando a integrar as cadeias alimentares. Grande parte dos fosfatos levados dos continentes para os oceanos perdem-se sedimentando- se à grandes profundidades não atingidas pela luz, e onde, portanto, não há fotossíntese. Outra parte entra nas cadeias alimentares marinhas e uma parte dela é devolvida aos continentes na forma de guano produzido pelas aves aquáticas, e pelo consumo de produtos do mar pelo homem. 5.3.4 Ciclo da Água A água é, quantitativamente, o constituinte inorgânico mais abundante da matéria viva. O homem possui 63% do seu peso formado de água, e alguns animais aquáticos chegam a possuir 98% de água em seu corpo. A biomassa terrestre é, inclusive, sensivelmente proporcional ao volume das precipitações pluviométricas. 6. Fatores Limitantes 6.1 Introdução Fator limitante é qualquer fator que tenda a baixar o crescimento potencial em um ecossistema. Quando este fator é importante na sobrevivência, usa-se chamar de fator regulador. O fluxo de energia e a circulação de materiais limitam e regulam a comunidade biológica, assim como fatores ambientas (ex.: temperatura) e as interações de organismos com organismos (ex.: predação). 15 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos 6.2 Lei de Liebig Ampliada O químico alemão Justus von Liebig (1840), um dos pioneiros no estudo dos fertilizantes químicos inorgânicos na agricultura, verificou que os organismos podiam ser controlados pelo elo mais fraco na cadeia das necessidades ecológicas. Lei do Mínimo de Liebig: "A taxa de crescimento é dependente do nutriente ou outras condições presentes em quantidade mínima, em termos de necessidade e disponibilidade". Mais recentemente, esta idéia foi ampliada, incluindo os efeitos limitantes do máximo (um excesso também pode ser limitante) e a interação entre os fatores. Lei de Liebig Ampliada: "O sucesso de uma população ou comunidade depende de um complexo de condições; qualquer condição que se aproxime ou exceda o limite de tolerância para o organismo ou grupo em questão, pode ser considerada um fator limitante". 6.3 Indicadores Ecológicos Alguns organismos podem servir, às vezes, de úteis indicadores das condições ambientais. Assim, certas condições geológicas, geográficas e ecológicas podem ser indicadas pela presença, ausência, abundância ou escassez de algumas plantas, animais ou microrganismos. Exemplos: o pH de uma água pode ser identificado através de certos organismos, como os vegetais Isoetes e Sparganium que brotam em águas de pH menor que 7,5, ou pela Typha augustifolia, que é abundante em águas de pH entre 8,5 e 9. Usamos os prefixos "euri" e "esteno" para indicar respectivamente, grandes limites de tolerância e pequenos limites de tolerância. Exemplos: a) As trutas são estenotérmicas (não são capazes de tolerar uma grande variação de temperatura) e eurifágicas (grande variedade de alimentos). b) Uma planta pode ser euritérmica mas estenoídrica. As espécies do tipo "esteno" (que são espécies mais raras) produzem, geralmente, indicadores mais eficazes do que as espécies do tipo "euri". 6.4 Condições Ambientais como Fatores Reguladores Nos ecossistemas terrestres, luz, temperatura e água (pluviosidade) são fatores ambientas de grande importância. Nos mares, os mais importantes são luz, temperatura e salinidade, mas em águas doces, outros fatores, como o oxigênio dissolvido na água, podem ser de grande importância. Estas condições de existência podem ser, não somente fatores limitantes (propriamente ditos), como também, fatores reguladores no sentido benéfico, em que organismos adaptados respondem a estes fatores de tal maneira que a comunidade adquire o máximo de homeostase possível nestas condições. Por exemplo, a luz, que pode ser um fator limitante (pela carência ou pelo excesso, que pode ser mortal), mas é um regulador extremamente importante da atividade diária e estacional de um grande número de organismos vegetais e animais. O fotoperíodo (duração do dia) é um dos elementos mais seguros pelos quais organismos regulam suas atividades nas zonas temperadas, pois ele é sempre o mesmo em uma dada época do ano, o que já não ocorre com a temperatura. 16 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos 7. Regulação Ecológica 7.1 Introdução Trata da interação de organismos com organismos, na manutenção da estrutura e função da comunidade. As comunidades não são dirigidas pelo ambiente físico somente, mas modificam, alteram e regulam seu ambiente físico, dentro de certos limites (como a construção de recifes por equipes de corais e algas). 7.2 Sucessão Ecológica Quando uma pastagem é abandonada, inicia-se um processo de sucessão ecológica, com o aparecimento de pequenos arbustos, arbustos maiores, árvores etc. A tendência, desde que as condições sejam favoráveis, é se ter no final de certo tempo, uma floresta do mesmo tipo da que existia naquele lugar antes do desmatamento. A sucessão ecológica pode ser definida de acordo com os seguintes parâmetros: a) é um processo ordenado de mudanças de comunidade; estas mudanças são direcionais e, portanto, previsíveis. b) é um resultado da modificação do ambiente físico pela comunidade. c) culmina no estabelecimento de um ecossistema tão estável quanto seja possível biologicamente naquela lugar (comunidade clímax). Obs.: Os estágios do desenvolvimento são chamados estados serais (seres), e o estado constante final, clímax (comunidade clímax). As sucessões ecológicas podem ser classificadas em: 1) Sucessão primária: é a que começa em uma área estéril onde as condições de existência não são favoráveis no início (ex.: local onde houve um derrame de lava, ou uma duna de areia recentemente exposta). Nestes casos, até 1.000 anos podem ser necessários para atingir o clímax. 2) Sucessão secundária: o desenvolvimento de comunidades se faz em áreas previamente ocupadas por comunidades bem estabelecidas, ou em locais onde nutrientes e condições de existência são favoráveis (ex.: pastagem abandona da, um lago recente). Como a velocidade de mudanças é maior que o tipo anterior, o tempo necessário para completar a série (atingir a comunidade clímax) é de aproximadamente 200 anos em clima úmido e temperado. Os aspectos mais significativos de uma sucessão ecológica são: a) os tipos de plantas e animais mudam continuamente com a sucessão; b) a biomassa e o produto em pé da matéria orgânica aumentam com a sucessão; c) a diversidade das espécies tende a aumentar com a sucessão (significa maior estabilidade, isto é, maior resistência a distúrbios); d) diminuição na produção líquida da comunidade e o correspondente aumento na respiração da comunidade; e) populações mais simples precedem as mais complexas, preparando o ambiente para elas. 17