Ap. Ecologia

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA POLITÉCNICA DEPTO RECURSOS HÍDRICOS E MEIO AMBIENTE Ecologia DISCIPLINA: ENGENHARIA DO MEIO AMBIENTE PRIMEIRO SEMESTRE 2002 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 ECOLOGIA 1 Introdução A palavra Ecologia foi criada em 1869 pelo Biólogo alemão Ernst Haeckel, a partir de oikos (casa) e logos (ciência), sendo, portanto, etmologicamente a “ciência do ambiente" ou mais precisamente, a "ciência das relações entre os organismos e o ambiente em que vivem". Os ecólogos modernos preferem, entretanto, defini-la como a "ciência que estuda os ecossistemas", ou como o “estudo da estrutura e função da Natureza". Outra maneira de delimitar o campo da Ecologia é considerar o conceito de níveis de organização ou níveis sucessivos: protoplasma - células - tecidos - órgãos - sistemas de órgãos - organismos - populações - comunidades - ecossistemas - biosfera. A ecologia trata principalmente dos quatro últimos níveis: população: é o conjunto de indivíduos da mesma espécie que vive na mesma área e no mesmo tempo. comunidade: é o conjunto de populações de uma dada área, que vive no mesmo tempo. ecossistema (ou sistema ecológico): é o conjunto da comunidade e o meio ambiente inerte. biosfera: é a porção da Terra ocupada pelos seres vivos, isto é, o solo, o ar e a água biologicamente habitados. Obs.: A biosfera está dividida em: a) litosfera (camada superficial sólida da Terra); b) hidrosfera (ambiente líquido: rios, lagos e oceanos,que representam 7/10 da superfície total do planeta); c) atmosfera (camada gasosa que circunda a superfície da Terra). A espessura da biosfera não chega aos 7km acima do nível do mar, e só excepcionalmente ultrapassa 6km abaixo deste. No total, em seus pontos mais espessos, a biosfera não vai além de 15km de espessura, para um planeta de quase 14.000km de diâmetro. 2. Ecossistema Ecossistema é o conjunto formado por um ambiente inanimado (solo, ar, água) – meio abiótico e os seres vivos que o habitam – meio biótico. 2.1 Partes Componentes de um Ecossistema Todos os ecossistemas da Terra, por maiores que sejam as diferenças entre eles (lago, floresta, deserto, etc.), possuem estrutura e funcionamento basicamente semelhantes. Em todo ecossistema existem dois componentes bióticos (com vida); um componente autotrófico (alimenta-se por si só), capaz de fixar energia luminosa e fabricar alimentos a partir de substâncias inorgânicas simples, e um segundo componente heterotrófico (alimenta-se dos outros), que utiliza, rearranja e decompõe os materiais complexos sintetizados pelos autótrofos. O princípio funcional fundamental de um ecossistema é o de uma máquina de interceptar a energia solar, transformá-la em energia química pela fotossíntese e repartir essa energia química de modo a assegurar a permanência de sua estrutura funcional. Os vegetais clorofilados são o instrumento da fotossíntese, os herbívoros e os predadores contribuem na repartição da energia e da matéria, e os agentes de decomposição permitem a decomposição dos materiais orgânicos, tornando disponíveis de novo para os vegetais os elementos minerais que eles encerravam. Os mecanismos de regulação (mecanismos homeostáticos) freqüentemente em estreita relação com a diversidade das espécies, permitem aos ecossistemas perpetuar (ou restabelecer, quando submetidos a perturbações), sua estrutura funcional. 3 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos Constituintes de um ecossistema, sob o ponto de vista estrutural: Substâncias Abióticas Água, Ar, Minerais, Rochas Fotossintetizantes Ecossistema Autotróficos Produtores Quimiossintetizantes Componentes Bióticos Herbívoros Consumidores Carnívoros Onívoros Heterotróficos Decompositores Substâncias abióticas (sem vida) são elementos básicos e compostos do meio: solo, ar, água, compostos inorgânicos (C, N2, C02 etc.) e orgânicos essenciais (proteínas, carboidratos etc.). Produtores fotossintetizantes são aqueles que sintetizam a matéria orgânica a partir de compostos inorgânicos, na presença da luz. São os principais produtores (vegetais clorofilados). Produtores quimiossintetizantes são os que obtêm a energia que necessitam a partir de compostos inorgânicos, através de reações químicas (de oxi-redução), sem a presença de clorofila. Exemplo: bactérias que "respiram" o gás sulfídrico (ou bactérias do enxofre), ferrobactérias, etc. Consumidores são organismos heterotróficos: animais, alguns grupos vegetais como fungos (cogumelos, mofos, levedos) e muitas bactérias. Podem ser classificados em: a) Primários: alimentam-se diretamente do produtor – são os herbívoros (boi, gafanhoto etc.) b) Secundários: são carnívoros que se alimentam dos consumidores primários. c) Tercíários: são carnívoros que se alimentam de outros carnívoros (consumidores secundários) d) Onívoros: alimentam-se tanto de produtores (vegetais) quanto de consumidores (animais). Exemplo: o homem. Decompositores (ou microconsumidores ou saprófitas) são organismos heterotróficos, principalmente bactérias e fungos, que decompõem os componentes do protoplasma morto, absorvem alguns produtos da decomposição e liberam substâncias simples utilizáveis pelos produtores. 2.2 Estrutura trófica O arranjo produtor-consumidor constitui um tipo de estrutura chamada estrutura trófica (estrutura alimentar), e cada nível "alimentar" é conhecido como nível trófico. Assim, as plantas verdes ocupam o 1o. nível trófico, os herbívoros o 2o. nível trófico etc. Uma dada população, de uma dada espécie, pode ocupar um ou mais nível trófico, de acordo com a fonte de energia assimilada (exemplo: o homem, que pode se alimentar de vegetais e de animais). 4 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 luz (energia) clorofila C6H12O6 + 6 O2 (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. luz CO + 2 H2S (CH2O) + H2O + 2 S Bactérias do S 3.2 Decomposição A decomposição da matéria orgânica produzida pelos seres autotróficos pode ocorrer pela respiração (animal ou vegetal) ou pela biodegradação da matéria orgânica morta. 3.2.1 Respiração O consumo (decomposição) de compostos orgânicos para a produção de energia, tanto nos vegetais quanto nos animais, é realizado através do processo de respiração. É uma reação de oxidação que se processa no nível celular (com o consumo de O2 do ar ou dissolvido na água), que pode ser representada pela seguinte equação simplificada: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energia (glicose) Uma molécula-grama de glicose, ao ser "respirada", libera 686 Kcal de energia que será utilizada sob a forma de calor ou na realização de trabalho (exemplo: movimento). A "combustão" dos compostos orgânicos nas células é completa, produzindo apenas CO2 e H2O (que voltam à atmosfera) e sais minerais (que são eliminados pelos órgãos excretores). 3.2.2 Biodegradação a) Oxidação (decomposição) aeróbica. novas células -3 CO2 + H2O + NH3 + PO4 (Matéria orgânica) + bactérias + O2 C, H, O ,P ,N ... b) Oxidação (decomposição) anaeróbica. Novas células I (matéria orgânica) + bactérias Novas células II Álcoois e Ácidos + bactérias II CH4 + H2S + 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 4.3 Pirâmide Alimentar Pirâmide alimentar ou pirâmide ecológica é a representação quantitativa de uma cadeia alimentar. A base da pirâmide está representada pelos produtores, vindo em seguida os consumidores. As pirâmides podem ser de 3 tipos: números, biomassa e energia. a) Pirâmides de números: indica o número de indivíduos que participam da cadeia alimentar. 1 criança Exemplo teórico: uma criança de 12 anos consome durante um ano, 4,5 bezerros, que por sua vez consomem 2 x 107 pés de alfafa durante um ano. b) 4,5 bezerros 2 X 107 pés de alfafa Pirâmide de biomassa: indica a massa dos organismos que participam da cadeia alimentar, nos vários níveis tróficos. 48kg/criança No ex. teórico anterior uma criança de 12 anos consome durante um ano, 1.035kg de carne de bezerros, e estes consomem 8.211kg de alfafa durante um ano. c) 1.035kg/ bezerros 8.211kg de alfafa Pirâmide de energia: indica a transferência de energia ao longo da cadeia alimentar. No ex. anterior, os 2 x 107 de alfafa correspondem a 1,5 x 107 cal, dos quais apenas 1,2 x 106 cal ficam disponíveis nos 4,5 bezerros e, finalmente 8,3 X 103 cal na criança de 12 anos. 83x103cal/criança 1,2x106 cal bezerros 1,5x107 cal de alfafa 8 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos Exemplos de Pirâmides Ecológicas: 1. Pirâmide de biomassa em um campo abandonado da Geórgia (EUA): mostra o peso total de organismos de uma região em um dado instante. 2. Pirâmide de energia em Silver Springs, Flórida: mostra a quantidade de energia disponível para outros organismos durante o período de um ano. Uma quantidade maior de energia foi produzida, mas parte foi consumida pelos próprios organismos nos vários níveis da pirâmide. Carnívoros: 0,1g/m2 Herbívoros: 2 0,6g/m Produtores: 470 g/m2 Carnívoros maiores: 2 6 kcal/m /ano Carnívoros: 67 kcal/m2/ano Herbívoros: 1478kcal/m2/ano Produtores: 8.833 kcal/m2/ano 4.4. Fluxo de Energia - Produtividade Produção primária ou produtividade primária bruta – PPB é a quantidade de energia que é assimilada e convertida em matéria orgânica pela cobertura vegetal de uma determinada área num determinado intervalo de tempo. É, portanto, a quantidade total de matéria orgânica produzida, incluindo aquela usada na respiração da planta, durante o período da medição. (Unidade: energia/área/tempo). Produtividade primária líquida – PPL é a matéria orgânica armazenada nos tecidos vegetais durante o período da medição. Representa a energia que vai ficar à disposição dos consumidores, isto é, a energia que foi incorporada. PPL = PPB – R (cal/m2/h) onde: R = respiração (matéria orgânica "respirada", isto é, energia consumida pelo próprio organismo). A PPL é, em média, 80 a 90% da PPB. Quando as plantas estão crescendo rapidamente, sob condições de luz e temperatura favoráveis a respiração pode consumir 10% da produtividade primária bruta. Em condições normais na natureza, a respiração é maior, em virtude, inclusive, da competição pela luz. Quando o herbívoro come o produtor, parte da energia que corresponde à PPL é perdida, e parte transforma-se na produtividade secundária bruta (PSB). Parte desta energia é consumida (movimentação, manutenção da temperatura interna) através da respiração, e parte é incorporada (crescimento, reprodução). PSL = PSB – R Obs.: onde PSL = prod. sec. líquida O consumo de matéria orgânica (alimentação) pelos seres heterotróficos tem a finalidade principal de obter energia: cerca de 10% é consumido na produção de células para crescimento e reprodução e cerca de 90% na produção de energia (através da respiração) e detritos. 9 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/m /dia desertos 2 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 autoregulação 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 b) ciclos sedimentares, nos quais o reservatório está situado na litosfera. Exemplos: ▪ ciclo do fósforo, cujo reservatório são as rochas, formadas em remotas eras geológicas, que liberam gradativamente fosfatos através da decomposição por fenômenos de erosão. ▪ ciclo do enxofre, cujo reservatório é a crosta terrestre ▪ ciclo da água, cujo maior reservatório está na litosfera (águas subterrâneas), que armazena cerca de 20 vezes mais águas que o próprio oceano. 5.3.1 Ciclo do Carbono Obs.: 1. O tempo médio que o carbono gasta para perfazer um ciclo completo é estimado em 300 anos, enquanto os tempos médios do oxigênio e da água são estimados em 2 mil e 2 milhões de anos, respectivamente. 2. O metabolismo dos seres vivos divide-se em anabolismo, que é o metabolismo assimilativo, e catabolismo, que é o metabolismo desassimilativo. 13 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos 5.3.2 Ciclo do Nitrogênio O nitrogênio e um elemento de importância fundamental para os seres vivos, pela formação dos aminoácidos e das proteínas. O corpo humano tem aproximadamente 16% de proteínas e 14% de gorduras. As reservas de nitrogênio mineral no solo, em forma utilizável pelas plantas (nitratos), são geralmente baixas. O nitrogênio constitui, assim, ao lado de outros elementos como fósforo e potássio, um dos mais importantes fatores para determinar a fertilidade da terra. Alguns organismos são capazes de fixar diretamente o nitrogênio atmosférico: a) bactérias: Azotobacter (aeróbica), Clostridium (anaeróbica), Rhizobium (vivem em nódulos nas raízes de plantas leguminosas), Rhodospirillum (fotossintática), variedades de Pseudomona (do solo) etc. b) certas algas azuis (cianofíceas): Anabaena, Nostoc, e outras. As plantas leguminosas (feijão, soja, ervilhas, árvores como a Araucária e a Casuarina), graças à simbiose com as bactérias Rhizobium, contribuem para a fertilização dos solos (exemplo da rotação de culturas). Uma grande diferença do ciclo do nitrogênio em relação ao ciclo do carbono é que algumas partes do ciclo do nitrogênio são executadas por organismos específicos. Além da fixação do nitrogênio do ar pelos organismos citados anteriormente, a conversão de amônia em nitritos, e a de nitritos em nitratos e executada, respectivamente, pelas bactérias Nitrosomonas e Nitrobacter. 14 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 sedimentandose 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 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos 7.3 Competição Ao nível ecológico, a competição torna-se importante quando dois organismos lutam por algo que não existe em quantidade adequada para ambos. Ocorre quando organismos que ocupam o mesmo nicho ecológico estão presentes no mesmo ambiente. Ex.: plantas, pela luz e pelos nutrientes numa floresta: animais, por alimento e abrigo (quando são relativamente escassos). A competição pode ser: a) intra-específica: ocorre entre indivíduos da mesma espécie; b) ínter-específica: entre indivíduos de espécies diferentes. Um interessante exemplo de competição intra-específica por espaço, que exerce um controle realmente efetivo sobre o tamanho da população é a territorialidade (reserva de uma determinada área pelo macho para a criação da família), exercida, por exemplo, por certos pássaros (pelo canto), micos (feromônios, secretados por glândulas peitorais, que "marcam" os galhos das árvores), etc. 7.4 Interação entre Organismos Simbiose é qualquer tipo de associação entre os seres vivos. As simbioses podem ser: a) harmônicas, quando não existe nenhum prejudicado; b) desarmônicas, quando um tira proveito, prejudicando o outro. Intra-específica Harmônicas Inter-específica Intra-específica Desarmônicas Inter-específica Colônias + + Sociedade + + Mutualismo + + comensalismo + 0 Canibalismo + - Predação + - Parasitismo + Convenções: (+): tira proveito. (-): é prejudicial; (0): não é afetado Exemplos: a) mutualismo: plantas leguminosas e bactérias Rhizobium b) comensalismo: leão e hiena c) predação: leão e zebra d) parasitismo: boi e carrapato; homem e vermes intestinais Obs.:O predador age rápida e violentamente, destruindo total ou parcial mente a presa. O parasita, normalmente, age lentamente, procurando não destruir o hospedeiro. 18 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos 7.5 População É o conjunto de indivíduos da mesma espécie que habitam a mesma área, num mesmo instante. Características populacionais importantes, como atributos de grupo: a) densidade: no. de indivíduos espaço ocupado D= b) taxa de natalidade: no. de indivíduos nascidos vivos durante 1 ano TN = c) total de indivíduos da população taxa de mortalidade: no .de mortes em 1 ano total da população TM = X 100 X 100 d) distribuição de idades: é a proporção de indivíduos de diferentes idades no grupo e) dispersão: é o modo como os indivíduos daquela população se distribuem no espaço. Pode ser: dispersão propriamente dita migração População A f) imigração População B emigração População C taxa de crescimento da população: é o resultado final da natalidade, mortalidade e dispersão do grupo. Pt = Pto + (N - M) + (I - E) Onde (N – M) = crescimento vegetativo (I - E) = saldo migratório TC = } no período (t - to) Pt - Po Po x 100 A taxa de crescimento de uma população qualquer dentro de um ecossistema depende de uma série de fatores, como por exemplo, o estágio da sucessão ecológica e a competição intra e inter-específica. 19 Engenharia do Meio Ambiente - Ecologia Prof. Haroldo Mattos de Lemos No caso particular do crescimento da população humana, o crescimento vegetativo e o saldo migratório dependem também de fatores econômicos, sociais e políticos. Vários métodos foram desenvolvidos para a previsão da população futura, mas fatores inicialmente intangíveis podem esporadicamente modificar completamente a tendência do crescimento populacional de uma determinada região ou cidade. Por exemplo, a decisão do governo brasileiro de construir a Rodovia Transamazônica produziu na cidade de Altamira, no Pará, um crescimento populacional inimaginável alguns anos antes. Mas qualquer previsão populacional feita nos primeiros anos após esta decisão teria também chegado a uma população bem maior do que a real de hoje, pois a rodovia nem de longe atingiu os objetivos inicialmente traçados. Daí a importância de, sempre que possível, construir as grandes obras de engenharia ou sistemas de serviços urbanos em várias etapas. Um sistema de abastecimento de água é, geralmente, projetado para ser construído em duas ou mais etapas, que podem ser antecipadas, retardadas ou mesmo totalmente modificadas de acordo com o crescimento real que a cidade estiver apresentando. Admitindo-se a não interferência de fatores de perturbação, o crescimento populacional de uma cidade apresenta, na prática, três estágios diferentes: o primeiro, de crescimento rápido, quando a população é pequena em comparação com os recursos econômicos em potencial (é o estágio em que se encontram a maioria das cidades brasileiras); o segundo, no qual a taxa de crescimento é praticamente constante, quando há um certo equilíbrio entre o número de habitantes e as reais possibilidades de colocação de mão-de-obra; o terceiro, no qual a taxa de crescimento se torna decrescente, aproximando-se o núcleo urbano, pouco a pouco, do seu limite de saturação. 8. Bibliografia 1. Branco, Samuel Murgel, "Ecologia para o 20 Grau", CETESB, São Paulo, 1978. 2. Odum, "Ecologia", Editora Guanabara, Rio de Janeiro, 1988. 3. Dajoz, Roger, "Ecologia Geral", Editora Vozes, Rio de Janeiro, 1978. 20