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Alterações nos CiclosCiclos Biogeoquímicos Alex Enrich Prast Inst. Biologia - UFRJ Ciclo do Nitrogênio N2 N2 MO N2 MO MO MO = Matéria Orgânica nitrificação remineralização ÓxicoÓxicoÓxicoÓxico Ciclo do Nitrogênio NNNN2222OOOO NHNHNHNH4444++++ NONONONO2222---- NONONONO3333----N org N org N org N org AAA AnóxicoAnóxicoAnóxicoAnóxico amonificação NNNN2222 N2 NNNN2222OOOO Alterações nos Ciclos Biogeoquímicos Naturais Evolução dos ciclos biogeoquímicosEvolução dos ciclos biogeoquímicos Regulação por organismos Regulação entre ciclos biogeoquímicos Evolução dos Ciclos Biogeoquímicos CO2 Bashkin (2002) CH4 N2O Regulação por Organismos Plantas Aquáticas Regulação por Organismos Plantas Aquáticas Regulação por Organismos Estações de Tratamento de Esgotos Regulação por Organismos Animais bentônicos Svensson (2001) Regulação por Organismos Animais bentônicos Svensson, Enrich-Prast & Leonardson (2001) Regulação entre Ciclos Biogeoquímicos 2.5 Influência do Fósforo e Nitrogênio Consumo de O2 indica decomposição Mat. Orgânica 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 C1 C2 C3 N P NP CN CP CNP CTRL m m o l m - 2 h - 1 Tratamentos Caliman, et. al. (em preparação) Alterações nos Ciclos Biogeoquímicos Naturais Evolução dos ciclos biogeoquímicosEvolução dos ciclos biogeoquímicos Regulação por organismos Regulação entre ciclos biogeoquímicos Antrópicas Produção de alimentosProdução de alimentos Produção de dejetos Produção de energia nitrificação remineralização ÓxicoÓxicoÓxicoÓxico Ciclo do Nitrogênio NNNN2222OOOO NHNHNHNH4444++++ NONONONO2222---- NONONONO3333----N org N org N org N org AAA AnóxicoAnóxicoAnóxicoAnóxico amonificação NNNN2222 N2 NNNN2222OOOO Produção Artificial de Nitrogênio Processo Haber-Bosch:Processo Haber-Bosch: • 4 CH4 + N2 + H2O →3CO2 + 8NH3 • Requerimento Energético 35-45 MJ/kg N Fixação Artificial Global de Nitrogênio 90 100 9 10 Produção de fertilizante N População Mundial em bilhões 30 40 50 60 70 80 M t N / a n o 3 4 5 6 7 8 P o p u l a ç ã o e m b i l h õ e s 0 10 20 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Tempo em anos 0 1 2 Produção Mundial de N per capita 16 18 6 8 10 12 14 16 k g N - f e r t i l z a n t e / c a p i t a 0 2 4 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Tempo em anos Fixação biológica Entrada de N PreEntrada de N PreEntrada de N PreEntrada de N Pre----Industrial em Ecossistemas TerrestresIndustrial em Ecossistemas TerrestresIndustrial em Ecossistemas TerrestresIndustrial em Ecossistemas Terrestres Tg N aTg N aTg N aTg N a----1111 Fixação Biológica e Artificial de N Fixação biológica de N2 90-130 Tg = 1012 g Raios <3 Galloway Galloway Galloway Galloway et alet alet alet al, 2005, 2005, 2005, 2005 Entrada de N atual em Ecossistemas TerrestresEntrada de N atual em Ecossistemas TerrestresEntrada de N atual em Ecossistemas TerrestresEntrada de N atual em Ecossistemas Terrestres ~250 Tg N y~250 Tg N y~250 Tg N y~250 Tg N y----1111 Combustão de combustíveis fósseisFixação Biológica Fixação Biológica e Artificial de N Fertilizantes sintéticos 78 combustíveis fósseis 21 Fixação Biológica de N2 90-130 Fixação N2 Arroz, soja, alfafa 43 Raios <3 Tg = 1012 g Galloway et al, 2005 Leste da Asia Média 2004/05 a 2006/07 Projeção para 2011/12 Demanda por Nitrogênio para fertilização Oeste Asia Europa Central e Oeste América do Norte e Caribe América do Norte Sul da Asia Leste da Asia ~70% do aumento é esperado 0 10 20 30 40 50 60 70 Oceania Leste Europeu & Ásia Central Africa Milhões de toneladas ~70% do aumento é esperado para o sul e leste da Asia Teragramas N ativado / ano 2000-2050 Riscos à Saúde Impactos Humanos sobre o Ciclo do N, 1900-2050 Fonte: Millennium Ecosystem Assessment, 2005 Faixa anual de Fixação Natural de N (excluindo agricultura de leguminosas) Atual entrada de N via antrópica ↓ produção grãos (nitrificação & acidificação dos solos, lixiviação) � déficit nutricional Doenças (eutrofização das águas � blooms de bactérias) Também: N2O = Gás Efeito Estufa Óxidos Nitrogênio (poluição Atmosférica) Fertilizantes Nitrogenados e uso industrial 1900 2000 2050 Atmosférica) Methahemoglobinaemia (bêbes) Nitratos e câncer de estômago (?) Ano Cortesia: A McMichael, ESSP Global Environmental Change and Human Health Project e C. Nobre (INPE) Existem evidências que demonstram um aumento do efeito estufa devido a Demanda da Sociedade por comida e energia efeito estufa devido a substituição de combustíveis fósseis por biodisel ou etanol. A importância das emissões de N2O: Agricultura contribui com � 4.3–5.8 TgN2O-N/ano� 4.3–5.8 TgN2O-N/ano Mesma influência que: � 0.55–0.74 Pg C/ano (8–11% do efeito estufa causado por CO2 originado de combustíveis fósseis) • A produção de N2O originado de N artificialmente fixado e aplicado na produção de biocombustíveis é de 3 a 5% N O-N Demanda da Sociedade por comida e energia 3 a 5% N2O-N � O IPCC (2007) adota 1% • O uso de biocombustíveis pode não trazer o benefício esperado na redução do efeito estufa em função das emissões de N2O. • Necessidade � aumento da eficiência, p.ex. Assimilação de N por plantas • Estudar quais as condições em que a emissão de N2O é menor • Avaliar quais as plantas produtoras de biocombustíveis emitem menos N2O. Crutzen et al, 2007 Balanço entre Esgoto e Fertilizantes 25,58 26,2 25 30 15 4,75 4,4 4,755 10 15 20 k g N / c a p i t a 4,4 0 5 Global Noruega Holanda Fertilizante Produção Humana de N em esgoto Consumo de Energia X Área de Remoção de N 2,5 Lodo ativado com nitrificação e desnitrificação convencional 1 1,5 2 U s o E n e r g é t i c o s e m k W h / k g N Lodo ativado com nitrificação e desnitrificação via nitrito Lodo ativado com remoção autotrófica de N 0 0,5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Aporte de N em kg N/ha.d U s o E n e r g é t i c o s e m k W h / k g N Tanque algal Macrófita flutuante Alagadiços artificiais Desmatamentos Desmatamentos Assoreamento!!!!!!!!Assoreamento!!!!!!!!Assoreamento!!!!!!!!Assoreamento!!!!!!!! Desmatamentos Desmatamento da Vegetação e aplicação de pesticida para evitar o natural reflorestamento por 2 anos LIKENS, G. E., et al. 1970. Ecological Monographs 40: 23-47. AUMENTO na temperatura de 3 a 43 a 43 a 43 a 4 graus durante o dia Desmatamentos AUMENTO de 4444 vezes na quantidade de material particulado transportado pelos rios (MAIS ASSOREAMENTO!!!!!!!!) AUMENTO na temperatura de 3 a 43 a 43 a 43 a 4 graus durante o dia LIKENS, G. E., et al. 1970. Ecological Monographs 40: 23-47. Desmatamentos Begon et al., (1996) Eutrofização Definição - Aumento da concentração de nutrientes que tem como conseqüência o aumento da produção do ecossistema. Causas Efluentes domésticos e industriais Drenagem de áreas agrícolas Efeitos Redução da diversidade de espécies Esteves (2000) Redução da diversidade de espécies Aumento da concentração de detritos orgânicos Redução da concentração de oxigênio Aumento da densidade de algas tóxicas Eutrofização – Lançamento de Esgotos ESCASSEZ de OxigênioESCASSEZ de OxigênioESCASSEZ de OxigênioESCASSEZ de Oxigênio Plantação de CháPlantação de CháPlantação de CháPlantação de Chá Eutrofização – Fertilizantes Aplicadora de FertilizantesAplicadora de FertilizantesAplicadora de FertilizantesAplicadora de Fertilizantes 70 % do Nitrogênio aplicado como 70 % do Nitrogênio aplicado como 70 % do Nitrogênio aplicado como 70 % do Nitrogênio aplicado como fertilizante é lixiviado!! fertilizante é lixiviado!! fertilizante é lixiviado!! fertilizante é lixiviado!! (Matson et al., 1997, Science)(Matson et al., 1997, Science)(Matson et al., 1997, Science)(Matson et al., 1997, Science) Eutrofização Horton & Dewar (2000) Eutrofização Horton & Dewar (2000) Eutrofização Begon et al., (1996)Horton & Dewar (2000) Eutrofização Horton & Dewar (2000) APORTE DE NUTRIENTES (N e P) HOMEOSTASE EUTROFIZAÇÃO nutrientes PP PS O2 decomp. anaer. decomp. aer. tempo decomp. aer. M.O. H2S, CH4 Mudanças Climáticas – Efeito Estufa HEMISFÉRIO NORTE D i f e r e n ç a d e T e m p e r a t u r a ( o C ) e m r e l a ç ã o à M é d i a e n t r e 1 9 6 1 e 1 9 9 0 0,0 +0,5 Já há indícios de que o aumento antropogênico de CO2 causa aquecimento global . (Kump, 2002, Nature) Mudanças Climáticas – Efeito Estufa Anos 1000 20001800160014001200 -1,0 -0,5 D i f e r e n ç a d e T e m p e r a t u r a ( r e l a ç ã o à M é d i a e n t r e 1 9 6 1 e 1 9 9 0 360 Dióxido de Carbono COCOCOCO2222 260 280 300 320 340 C O 2 ( p p m ) Dióxido de Carbono 1000 1200 1600 18001400 2000IPCC (2001) Mudanças Climáticas – Efeito Estufa Begon et al., (1996) 1850 1985 • Aumeto do aquecimento global se as concentrações de gases causadores do efeito estufa aumentarem. •. Mesmo que os gases causadores do efeito estufa se mantivessem nos níveis de 2000 ocorreria um aumento adicional da temperatura de 0.6°C até 2100. CO2 Eq Mudanças Climáticas – Efeito Estufa 1.8oC 2.8oC 3.4oC 850 600 4004000.6oC IPCC 2007 WGI Emissões Mudanças Climáticas – Efeito Estufa Emissões parecem estar seguindo o pior cenário Raupach et al. (2007) Mudanças Climáticas – Efeito Estufa Begon et al., (1996) 1850 1985 1985 2100 Mudanças Climáticas – Buraco na Camada de Ozônio Begon et al., (1996) Ciclo do Carbono CO2 CO2 MO CO2 MO MO MO = Matéria Orgânica 1200 1600 Rios Cole & Caraco 2001 autotrófico heterotrófico Papel dos Ecossistemas Aquáticos no Balanço do C 0 400 800 1500 2000 2001 LagosF r e q ü ê n c i a 0 500 1000 <-16 -8 -4 -2 -1.2 + 1.2 2 4 8 16 >16 Saturação Relativa de CO2 Cole et al. 1994 Cole & Caraco, 2003 100 90 100 105 Floresta Lago Exporta =9 100 105 Exporta =9 Acúmulo = 1 Acúmulo= 4 Sistema subsidiado pode ser ao mesmo tempo uma fonte e sumidouro de Carbono Cole & Caraco (2003) Fluxos Globais de Carbono 120 121 140 120 121 9092 60 80 100 120 F l u x o e m G t C / a n o 7 0 20 40 Assimilação Oceanos Liberação Oceanos Fotossíntese Respiração Combustível Fóssil F l u x o e m G t C / a n o Geração de Energia HidroelétricaHidroelétrica Termoelétrica Atômica Combustível Fóssil Eólica SolarSolar Soluções para os problemas apresentados Produção de alimentosProdução de alimentos Produção de dejetos Produção de energia
