CICLOS BIOGEOQUÍMICOS. Prof. Anderson - BIOLOGIA

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CICLOS

BIOGEOQUÍMICOS

Prof. Anderson -

BIOLOGIA

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CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Ciclos: representam a troca e a circulação de matéria entre os componentes vivos e físico-químicos da biosfera.

Bio: os organismos interagem no

processo de síntese orgânica e na

decomposição dos elementos.

Geo: o meio terrestre (solo) é o reservatório dos elementos.

Químico: ciclo dos elementos e processos químicos de síntese e decomposição.

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

Ciclo em escala global, de elementos ou

substâncias químicas que

necessariamente contam com a

participação de seres vivos.



Principais ciclos:

– Água

– Carbono

– Nitrogênio

– Oxigênio

– Fósforo

(5)



- Trajeto cíclico que a água faz na

natureza, passando ora pelo meio

abiótico, ora pelas estruturas dos seres

vivos.

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CICLO HIDROLÓGICO

Mais abundante componente da matéria viva, a água precisa ser necessariamente reciclada para a garantia de vida no planeta. A superfície terrestre é recoberta por cerca de 75% de água. De toda a água que recobre a Terra, cerca de 97% pertencem ao talassociclo

(do grego thalassos = mar), isto é, ao conjunto que

abrange todos os ecossistemas marinhos. O restante

pertence ao limnociclo (do grego limne = lago), ou seja, o

conjunto de todos os ecossistemas dulcícolas. Aspectos quantitativos:  evaporação;  infiltração;  escoamento superficial. Aspectos qualitativos:

 parâmetros de qualidade: - físico-químicos;

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A água é o principal componente dos organismos vivos e o grande regulador do ambiente.

A presença de água é fundamental para a existência de vida no planeta, uma vez que ela atua como regulador térmico do ambiente, fazendo com que as diferenças de temperatura entre a noite e o dia sejam minimizadas graças a seu alto calor específico.

A maior parte da água doce encontra-se em locais de difícil extração (calota polar e subsolo). A água na atmosfera mostra-se em porcentagem ínfima. Porém, ao longo de um ano, muita água circula pela ecosfera.

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DISTRIBUIÇÃO DA ÁGUA NA BIOSFERA

97,2% água salgada 99,34%

2,14% calotas e geleiras polares

0,633% águas subterrâneas

0,66% 0,022% águas superficiais

0,005% águas do solo +

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O ciclo hidrológico pode ser resumido por meio dos seguintes processos:

DETENÇÃO: parte da precipitação fica retida na vegetação, depressões do terreno e construções. Essa massa de água retorna à atmosfera pela ação da evaporação ou penetra no solo pela infiltração.

ESCOAMENTO SUPERFICIAL: constituído pela água que escoa sobre o solo, fluindo para locais de altitudes inferiores, até atingir um corpo d’água como um rio, lago ou oceano. A água que compõe

escoamento superficial pode também sofrer

infiltração para as camadas superiores do solo, ficar retida ou sofrer evaporação.

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INFILTRAÇÃO: a água infiltrada pode sofrer evaporação, ser utilizada pela vegetação, escoar ao longo da camada superior do solo ou alimentar o lençol de água subterrâneo.

ESCOAMENTO SUBTERRÂNEO: constituído por parte da água infiltrada na camada superior do solo, sendo bem mais lento que o escoamento superficial. Parte desse escoamento alimenta os rios e os lagos, além de ser responsável pela manutenção desses corpos durante épocas de estiagem.

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EVAPOTRANSPIRAÇÃO: parte da água existente no solo que é utilizada pela vegetação e eliminada pelas folhas na forma de vapor.

EVAPORAÇÃO: em qualquer das fases descritas anteriormente, a água pode voltar à atmosfera na forma de vapor, reiniciando o ciclo hidrológico.

PRECIPITAÇÃO: água que cai sobre o solo ou sobre um corpo d’água.

* Nos oceanos, a evaporação excede a precipitação, e nos continentes ocorre o oposto.

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CICLO HIDROLÓGICO:



- Mecanismo:



Evaporação da água dos rios, lagos e mares.

Formação de nuvens. Condensação do vapor de

água ao nível das altas montanhas. Chuvas.



Retorno da água aos mares pelos rios. Seres

vivos ingerem a água pura ou integrando

alimentos. Eliminam-na pela transpiração, pela

respiração e pelas excreções.



Essa água também se evapora e retorna ao

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Nesse ciclo, a presença do homem pode ser notada por meio do desmatamento e da impermeabilização via pavimentação do solo. Isso acelera a evaporação e reduz a recarga dos aqüíferos subterrâneos, gerando, assim, maiores enchentes nos cursos de água que cortam centros urbanos, causando uma série de danos físicos, econômicos e transtornos aos habitantes da cidade.

Nas regiões de clima frio, deve-se considerar, ainda, a água armazenada na formas de geleiras, formadas pela precipitação de neve, e o fluxo correspondente ao degelo dessas geleiras.

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INTERVENÇÕES DO HOMEM

1. Desmatamento.

2. Pavimentação = taxa de impermeabilização.

3. Utilização de defensivos agrícolas.

4. Despejos de esgotos e efluentes industriais.

5. Eutrofização (causada pelo excesso de nutrientes num corpo d’água, que leva a proliferação excessiva de algas).

6. Diminuição do teor de oxigênio dissolvido nos rios.

7. Lançamento de substâncias tóxicas perigosas.

8. Poluição atmosférica.

9. Resíduos sólidos.

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Poluição da água de rios e aquíferos por efluentes agrícolas, industriais e

domésticos

IMPACTO HUMANO

 Resíduos (fezes, urina) de humanos e de animais  Uso de fertilizantes e agrotóxicos no campo

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

- Circulação dos átomos de carbono, ora

pelo meio abiótico, na composição de

substâncias inorgânicas do meio,

notadamente o CO2, ora pelas

estruturas celulares dos seres vivos,

como matéria orgânica.

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CICLO DO CARBONO

O reservatório de carbono é a atmosfera, onde o nutriente das plantas encontra-se na forma de dióxido de

carbono (CO₂), um gás que, nas condições naturais de

temperatura e pressão é inodoro e incolor. O carbono é o

principal constituinte da matéria orgânica (49% do peso

seco). O ciclo do carbono é perfeito, pois o elemento é

devolvido ao meio à mesma taxa a que é sintetizado pelos produtores.

As plantas utilizam o CO₂ e o vapor de água da

atmosfera para, na presença de luz solar, sintetizar compostos orgânicos de carbono, hidrogênio e oxigênio, tais como a glicose (C₆H₁₂O₆).

Reação da fotossíntese:

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Ciclo do Carbono

1. O gás carbônico é fixado nas plantas – glicose – que por sua vez respiram eliminando-o

novamente à atmosfera.

2. O gás carbônico é fixado nas plantas – glicose – que serve de alimento para ao animais (cadeia alimentar) - que por sua vez respiram eliminando-o novamente à atmosfera. 3. A queima de combustíveis elimina gás carbônico na natureza.

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 A fixação do carbono em sua forma orgânica indica que a

fotossíntese é a base da vida na Terra.

 A energia solar é armazenada como energia química nas

moléculas orgânicas da glicose.

A energia armazenada nas moléculas orgânicas é liberada no processo inverso ao da fotossíntese: a respiração. Nesta, ocorre a quebra das moléculas com a conseqüente liberação de energia para a realização das atividades vitais dos organismos.

Reação da respiração:

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Continuação:



- Mecanismo:



Pela respiração dos seres vivos e pelas

combustões, o carbono é lançado na

atmosfera como CO2;



Assim, ele é recolhido pelas plantas, que

o reprocessam no mecanismo da

fotossíntese, restaurando as cadeias de

carbono dos componentes orgânicos.

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Efeito estufa

_{Aumento da poluição (CO}₂_{) = aumento}

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Os decompositores atuam sobre os detritos

orgânicos liberando CO₂, que retorna à atmosfera,

reintegrando-se a seu reservatório natural.

Detritos orgânicos ainda podem originar os combustíveis fósseis que, através da combustão,

eliminarão CO₂ de volta para a atmosfera.

Obs.:

Fotossíntese: CO₂ + H₂O = > C₆H₁₂O₆ + H₂0 + O₂

Respiração: C₆H₁₂O₆ + O₂ = > CO₂ + H₂O + energia

Combustão: combustível + energia + O₂ = > CO₂ +

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Aspectos relevantes:

1. O ciclo do carbono e o ciclo hidrológico são,

provavelmente, os dois ciclos biogeoquímicos mais importantes com relação à humanidade.

1. Durante os últimos anos, o conteúdo de CO₂ tem-se

elevado por causa de novas entradas antropogênicas. A queima de combustível fóssil parece ser a principal fonte de novas entradas, mas a agricultura e o desmatamento também contribuem.

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4. Perda líquida de CO₂ na agricultura, ou seja, um

acréscimo de CO₂na atmosfera maior do que sua

retirada, pois suas culturas são ativas durante apenas

uma parte do ano, não compensando o CO₂liberado do

solo (lavouras freqüentes) .

5. O desmatamento poderá liberar carbono armazenado

na madeira, principalmente se a madeira for queimada imediatamente e o uso se segue à oxidação do húmus, se a terra for usada para agricultura ou para

desenvolvimento urbano (rápida oxidação do húmus e

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Desmatamento:

1. Aumento do CO₂ emitido em função da

emissão no momento da queima.

2. Redução da taxa fotossintética.

3. Queimadas de florestas.

4. Efeito estufa – intervenções antropogênicas

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Efeito estufa:

1. Utilização excessiva de combustíveis fósseis

(falta de incentivos para a geração de energia

alternativa).

2. Desmatamento.

3. Poluição ambiental.

4. Intensificação do efeito estufa.

5. Mudanças climáticas.

6. Aquecimento global.

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

Circulação dos átomos de oxigênio pelos meios

abióticos e bióticos.



Mecanismo:

O oxigênio do ar é recolhido pelos seres

vivos. Ao final da respiração, os

organismos lançam na atmosfera o CO2,

que é assimilado pelas plantas. Estas, ao

final da fotossíntese, descarregam oxigênio

novamente no ar.

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CICLO DO OXIGÊNIO

O oxigênio molecular (O₂), indispensável à respiração aeróbica, é o segundo componente mais abundante da atmosfera, onde existe na proporção de cerca de 21%.

O oxigênio teria desaparecido da atmosfera, não fosse o contínuo reabastecimento promovido pela fotossíntese, principalmente do fitoplâncton marinho, considerado o verdadeiro "pulmão" do mundo.

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CICLO DO OXIGÊNIO

O oxigênio pode ser consumido da atmosfera através das seguintes vias:

 atividade respiratória de plantas e animais;  combustão;

 degradação, principalmente pela ação de raios ultravioleta, com formação de ozônio (O₃);

 combinação com metais do solo (principalmente

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IMPORTÂNCIA

- ácidos nucléicos: DNA e RNA

- proteínas

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CICLO DO NITROGÊNIO

O aumento acentuado da população humana e, principalmente, da taxa de crescimento populacional após a Revolução Industrial, na segunda metade do século XIX, implicou um aumento da produtividade agrícola para fazer frente à demanda crescente de alimentos.

O nitrogênio, assim como o fósforo, são fatores limitantes do crescimento dos vegetais e tornaram-se, por isso, alguns dos principais fertilizantes utilizados hoje na agricultura. O nitrogênio desempenha um importante papel na constituição das moléculas de proteínas, ácidos nucléicos, vitaminas, enzimas e hormônios, elementos vitais aos seres vivos.

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O ciclo do nitrogênio, assim como o do carbono, é um ciclo gasoso. Apesar dessa similaridade, existem algumas diferenças notáveis entre os dois ciclos:

 a atmosfera é rica em nitrogênio (78%) e pobre em Carbono (0,032%);

 apesar da abundância de nitrogênio na atmosfera,

somente um grupo seleto de organismos consegue utilizar o nitrogênio gasoso;

 o envolvimento biológico no ciclo do nitrogênio é muito mais extenso do que no ciclo do carbono.

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A fixação do nitrogênio ocorre por meio dos

organismos simbióticos fixadores de nitrogênio, dentre os quais destaca-se o Rhizobium, que vive em

associação simbiótica (mutualismo) com raízes

vegetais leguminosas (ervilha, soja, feijão, etc.).

A fixação do nitrato por via biológica é a mais importante. O nitrogênio fixado é rapidamente dissolvido na água do solo e fica disponível para as plantas na forma de nitrato. Essas plantas transformam os nitratos em grande moléculas que contêm nitrogênio e outras moléculas orgânicas nitrogenadas, necessárias à vida. Inicia-se, assim, o processo de amonificação.

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Quando o nitrogênio orgânico entra na cadeia

alimentar, passa a constituir moléculas orgânicas dos consumidores primários, secundários, etc ... Atuando

sobre os produtos de eliminação desses

consumidores e do protoplasma de organismos mortos, as bactérias mineralizam o nitrogênio produzindo gás amônia (NH₃) e sais de amônio

(NH₄+₎_{, completando a fase de amonificação do ciclo.}

NH₄+ _e _NH

3 são convertidos em nitritos (NO2-)

e, posteriormente, no processo de nitrificação, de nitritos em nitratos (NO₃-₎_{por um grupo de bactérias}

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A síntese industrial da amônia (NH₃) a

partir do nitrogênio atmosférico (N₂), desenvolvida durante a Primeira Guerra Mundial, possibilitou o aparecimento dos fertilizantes sintéticos, com um conseqüente aumento da eficiência da agricultura. Entretanto, o ciclo equilibrado do nitrogênio depende de um conjunto de fatores bióticos e abióticos determinados e, portanto, nem sempre está apto a assimilar o excesso sintetizado artificialmente. Esse excesso, carregado para os rios, lagos e lençóis de água subterrâneos tem provocado o fenômeno da eutrofização, comprometendo a qualidade das águas.

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O Nitrogênio (N₂) é um elemento químico que participa da constituição de ácidos nucléicos, proteínas e clorofilas. Compreende-se, portanto, a importância do estudo do ciclo desse elemento na natureza, cujo reservatório natural é a atmosfera, onde perfaz cerca de 78% do ar. Entretanto, o N₂ é uma molécula que não constitui fonte adequada do elemento para a grande maioria dos seres vivos. De fato, com raras exceções, os seres vivos não conseguem fixar e, portanto, incorporar à matéria viva o N₂atmosférico.

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IMPORTÂNCIA DO NITROGÊNIO

 Aquecimento global: ênfase ao ciclo do carbono (CO₂ e CH₄)  N: Macro-nutriente essencial para os seres vivos

 N₂: 76% da composição da atmosfera  Compostos de nitrogênio: fundamentais para a vida (aminoácidos, proteínas em geral:

tecidos musculares, hormônios, DNA, etc.)

 Contaminação da água, eutrofização, chuva ácida, formação de ozônio na troposfera (fertilizantes humanos).  N₂O: óxido nitroso : gás de efeito

estufa (molécula com 296 vezes P.A.G do CO₂)

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1. Ciclo gasoso do tipo complexo.

2. Interação dinâmica entre os fluxos e diferentes

grupos de microorganismos.

3. Ciclo importante, pois limita ou controla a

abundância dos organismos.

4. A atmosfera contém 80% do nitrogênio

disponível na biosfera sendo, dessa forma, o

maior reservatório do composto e a válvula de

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5. O nitrogênio entra constantemente na atmosfera

pela ação das bactérias desnitrificantes, e continuamente retorna ao ciclo pela ação das bactérias ou algas fixadoras de nitrogênio

(biofixação).

6. A degradação do nitrogênio presente na célula

(formas orgânicas ou inorgânicas) acontece

pelas ação de espécies bacterianas

especializadas presentes no solo, as quais disponibilizam amônia e nitrato. Essas duas formas de nitrogênio são os compostos facilmente utilizáveis pelas plantas verdes.

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N2 Atmosférico 78% atmosfera

Bactérias que vivem diretamente no solo: Azobacter e Clostridium.

Bactérias –Raízes leguminosas: Rhizobium Algas azuis: Cianofíceas e

Nostoc Incorporam diretamente H2 se combina com N2 e forma: NH3 Se a amonização ocorrer pela presença

de leguminosas, a amônia é incorporada diretamente pelas plantas. Amonização Vegetais: aa.proteínas, clorofila Animais se alimentam das plantas Vegetais morrem Animais excretam Devolvem amônia para atmosfera

Bactérias Nitrificantes transformam NH3 em Nitrito (NO2) –

Bactérias Nitrossomonas e Nitrossococus

Nitrozação

Bactérias Nitrificantes

Pseudomonas convertem NO2 em NO3 (Nitrato)

Bactéria Nitrobacter

Nitratação

Solo e Plantas aproveitam

São incorporados por Bactérias desnitrificantes Devolvem N2 à atmosfera 1 2 3 4 5 6 5

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Resumindo:

Nitrosação: conversão de íons amônio (ou amônia) em

nitritos.

Nitratação: conversão de nitritos em nitratos.

Nitrificação: conversão de íons amônio em nitratos.

Bactérias nitrificantes: compreendem as bactérias nitrosas

(Nitrosomonas e Nitrosococcus) e nítricas (Nitrobacter).

No solo existem muitas bactérias (Pseudomonas, por

exemplo) que, em condições anaeróbicas, utilizam nitratos

em vez de oxigênio no processo respiratório. Ocorre, então,

a conversão de nitrato em N₂, que retorna à atmosfera,

fechando o ciclo. À transformação dos nitratos em N₂ dá-se

o nome de desnitrificação, e as bactérias que realizam essa

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Nome do Processo Agente Equação Fixação Bactéria Rhizobium e

Nostoc (alga cianofícea) N2 => sais nitrogenados Amonização Bactérias decompositoras N orgânico => NH4

Nitrosação Bactéria Nitrosomonas

e Nitrosococcus NH4 => NO2 Nitratação Bactéria Nitrobacter NO2 => NO3

Desnitrificação Bactérias Desnitrificantes

(Pseudomonas) NO3 => N2

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PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO

Enriquecimento das águas com nutrientes essenciais, como o nitrogênio e o fósforo, e

desenvolvimento excessivo do fitoplâncton,

provocando problemas de consumo de oxigênio e baixa diversidade.

 Consumo de oxigênio pelos processos de

biodegradação.

 Processos de biodegradação sem oxigênio –

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Rodízio de culturas

Rhizobium nas raízes de leguminosas (fixação de nitrogênio atmosférico) Cereais Leguminosas Alternância

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Transgênicos

Genes

responsáveis

pela fixação

do nitrogênio

Menores gastos com adubos, barateando os

alimentos

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CICLO DO ENXOFRE (S)

O enxofre apresenta um ciclo basicamente sedimentar, embora possua uma fase gasosa, de pouca importância. A principal forma de assimilação do enxofre pelos seres produtores é como sulfato inorgânico. O processo biológico envolvido nesse ciclo compreende uma série de microorganismos com funções específicas de redução e oxidação.

A maior parte do enxofre que é assimilado é mineralizado em processos de decomposição. Sob condições anaeróbias, ele é reduzido a sulfetos, entre os quais o sulfeto de hidrogênio (H₂S), composto letal à maioria dos seres vivos, principalmente aos ecossistemas aquáticos em grandes profundidades. Esse gás, tanto no solo como na água, sobe a camadas mais aeradas, onde então é oxidado, passando à forma de enxofre elementar, quando mais oxidado ele se transforma em sulfato.

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CICLO DO ENXOFRE

Sob condições anaeróbias e na presença de ferro, o enxofre precipita-se, formando sulfetos férricos e ferrosos. Esses compostos, por sua vez, permitem que o fósforo converta-se de insolúvel a solúvel, tornando-se, assim, utilizável. Esse exemplo mostra a inter-relação que ocorre em um ecossistema entre diferentes ciclos de minerais.

As ação do homem também interfere nesse ciclo por meio de grandes quantidades de dióxido de enxofre liberados nos processos de queima de carvão e óleo combustível em indústrias e usinas termoelétricas. O dióxido de enxofre tem potenciais efeitos danosos ao organismo, além de provocar, em certas situações, a chuva ácida e o smog industrial.

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1. O grande reservatório de enxofre é no solo e nos

sedimentos.

2. É um ciclo que caracteriza-se pela participação

efetiva e rápida dos microorganismos.

3. Recuperação de compostos de enxofre a partir da

ação microbiana sobre o sedimentos profundos.

4. Interação nos processos geoquímicos,

meteorológicos e biológicos.

5. Interdependência do ar, da água e do solo na

regulação do ciclo global.

6. A principal forma disponível é o sulfato (SO₄), que

será reduzido pelos seres autótrofos e incorporado às proteínas.

7. É um ciclo menos limitante do que o do nitrogênio

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INTERVENÇÕES ANTRÓPICAS

1. O dióxido de enxofre (SO₂) é liberado na

atmosfera pela queima de combustíveis fósseis.

2. O SO₂ interage com o vapor d’água produzindo

gotículas de ácido sulfúrico (H₂SO₄) diluído, o que

acarretará a precipitação de chuva ácida.

3. O excremento animal representa um fonte de

sulfato reciclado.

4. A produção primária é responsável pela

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CICLO DO FÓSFORO (P)

O fósforo é o material genético constituinte das moléculas de DNA e RNA e componente dos ossos e dentes. É, portanto, elemento fundamental na transferência de caracteres no processo de reprodução dos seres humanos. O fósforo aparece nos organismos em proporção muito superior aos outros elementos, quando comparado com sua participação nas fontes primárias. Esse fato justifica a importância ecológica do fósforo, sugerindo ser o fator mais limitante à produtividade primária.

O fósforo é um elemento de ciclo

fundamentalmente sedimentar; seu principal

reservatório é a litosfera, mais precisamente as rochas fosfatadas e alguns depósitos formados ao longo de milênios.

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CICLO DO FÓSFORO

Por meio de processos erosivos, ocorre a liberação do fósforo na forma de fosfatos (PO4), que serão utilizados pelos produtores. Entretanto, parte desses fosfatos liberados é carreada para os oceanos, onde se perde em depósitos a grande profundidades, ou é consumida pelo fitoplâncton.

Os meio de retorno do fósforo para os ecossistemas a partir do oceanos são insuficientes para compensar a parcela que se perde. Ao mesmo tempo em que reduzem a taxa de retorno, os seres humanos, agindo sobre a natureza com a exploração da mineração, ocupação desordenada do solo,

desmatamentos e agricultura, entre outras

atividades, aceleram o processo de perda de fósforo do ciclo.

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O ciclo do fósforo é lento, passando da litosfera para a hidrosfera por meio da erosão.

Parte do fósforo é perdida para os depósitos de sedimentos profundos no oceano. Devido a movimentos tectônicos, existe a possibilidade de levantamentos geológicos que tragam de volta o fósforo perdido. Por meio da reciclagem, o fósforo, em compostos orgânicos, é quebrado pelos decompositores e transformado em fosfatos, sendo novamente utilizado pelos produtores. Nesse processo também há perdas, uma vez que os ossos, ricos em fósforo, oferecem resistência aos decompositores e à erosão.

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1. Rochas sedimentares são o reservatório

natural do fósforo.

2. O fósforo é um elemento essencial para a

constituição de ATP, DNA e RNA.

3. A forma mais comum para a absorção dos

vegetais é o PO₄.

4. Assim como o nitrogênio, é um elemento

limitante, controlando a abundância dos organismos.

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INTERVENÇÕES ANTRÓPICAS - EUTROFIZAÇÃO -

1. Despejos de efluentes ricos em fosfatos. Ex.:

detergentes.

2. Utilização de fertilizantes químicos, ricos em