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11:11 Formulação Matemática dos Processos Ambientais Parte 5: Eutrofização Carlos Ruberto Fragoso Júnior.

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1 11:11 Formulação Matemática dos Processos Ambientais Parte 5: Eutrofização Carlos Ruberto Fragoso Júnior

2 11:11 Sumário Revisão da aula anterior Introdução Classificação dos corpos dágua quanto ao nível de eutrofização O problema da eutrofização Nutrientes Fósforo Nitrogênio Carbono Oxigênio dissolvido Determinação preliminar da eutrofização Estequiometria Razão N:P

3 11:11 Revisão da aula anterior Balanço total no sistema:

4 11:11 Formulação Matemática dos processos Processos no Sistemas Térmicos Macronutrientes Crescimento Respiração Mortalidade Hidrodinâmica Transporte de Massa Químicos Físicos Biological

5 11:11 Introdução A fertilização de um jardim Uma coisa boa em demasia… Quando lagos, estuários e reservatórios são muito fertilizados resulta em um crescimento de vegetação excessivo. Eutrofização: é o fenômeno da alta fertilização.

6 11:11 Eutrofização é... O excessivo enriquecimento em nutrientes (principalmente compostos de nitrogênio e fósforo) das massas de água e a conseqüente degradação dos sistemas aquáticos, é um fenômeno cada vez mais comum e na maioria das vezes é induzido direta ou indiretamente por atividades humanas.

7 11:11 O termo vem do grego "eu", que significa bom, verdadeiro; "trophein", nutrir; Assim, eutrófico significa "bem nutrido".

8 11:11 Introdução Em um sistema natural este processo pode levar centenas de anos. A atividade antrópica acelera muito este processo pelo lançamento de nutrientes nos ecossistemas aquáticos. Eutrofização e o assoreamento pode levar o estuário ou lago a um pântano ou a um brejo.

9 11:11 Classificação quanto ao nível de eutrofização Oligotrófico – pobre em nível de nutrientes Mesotrófico – moderado em nível de nutrientes Eutrófico – rico em nível de nutrientes Hipereutrófico – muito rico em nível de nutrientes

10 11:11 Classificação quanto ao nível de eutrofização

11 11:11 Quantidade: O alto crescimento de plantas flutuantes e fitoplâncton reduz a transparência da água e algumas espécie formam um tipo de espuma. Estas espécies podem obstuir filtros de tratamento da água, prejudicar a navegação e recreação; O problema da eutrofização

12 11:11 Química: Crescimento de plantas e respiração pode afetar a química do sistema. Oxigênio (para organismos) e Dióxido de carbono (no pH) são diretamente impactados. Em condições de pH elevado (freqüentes durante os períodos de elevada fotossíntese), a amônia apresenta-se em grande parte na formalivre (NH3), tóxica aos peixes, ao invés da forma ionizada (NH4), não tóxica; O problema da eutrofização

13 11:11 Biologia: Pode alterar a composição de espécies de um sistema. A biota nativa pode ser completamente substituida. Certas espécies de algas causam problemas de cheio e gosto na água (algumas são tóxicas). Geralmente, quanto mais eutrozifado é o sistema maiores são os problemas. O problema da eutrofização

14 11:11 Cianobactérias: Cianotoxinas – toxinas produzidas por cianobactérias que apresentam efeitos adversos à saúde HEPATOTÓXICASNEUROTÓXICAS - Morte entre poucas horas e poucos dias - Hemorragia intra-hepática e choque hipovolêmico. - Sinais observados: prostração, anorexia, vômitos, dor abdominal e diarréia (Carmichael & Schwartz,1984; Beasley et al., 1989). - inibem a condução nervosa por bloqueamento dos canais de sódio, afetando a permeabilidade ao potássio ou a resistência das membranas -morte é devida a parada respiratória e ocorre de poucos minutos a poucas horas, dependendo da dosagem e consumo prévio de alimento. (Carmichael, 1992;1994)

15 11: , Bahia 88 pessoas morreram após consumirem água do Reservatório Itaparica – nenhuma conexão com cianobactérias (Teixeira et al. 1993) 1996, Caruaru, PE 76 mortes - Síndrome de Caruaru (Carmichael et al. 2001) Microcistinas no reservatório da cidade, no centro de hemodiálise e no sangue dos pacientes (Jochimsen et al. 1998) Primeiro caso comprovado de letalidade de cianotoxinas em humanos (Soares, 2005)

16 11:11

17 Os nutrientes inorgânicos oferecem a base para a vida em ecossistemas aquáticos; São requeridos para o desenvolmento de celúlas, proteínas, ácidos nucléicos, etc. Os mais importantes são chamados de macronutrientes (nitrogênio, fósforo, carbono, oxigênio, sílica e ferro); A análise da eutrofização foca basicamente três macronutrientes (nitrogênio, fósforo e carbono) Nutrientes

18 11:11 Fósforo é essencial para todos seres vivos; Tem um papel crítico na genética (moléculas de DNA) e no armazenamento e transferência de energia; Tem menor oferta em relação aos demais macronutrientes Não existe abundância na crosta da Terra; Não existe fósforo na forma gasosa; Adsorve em partículas finas (sedimentação). Atividades antrópicas resulta em descargas de fósforo em sistemas naturais. Fósforo

19 11:11 Fósforo P inorgânico Reativo P orgânico não-reativo não-particulado P orgânico particulado P inorgânico não-reativo não-particulado P inorgânico particulado orgânico inorgânico Disponívelnão-disponível Não-particuladoParticulado

20 11:11 P inorgânico reativo: Também chamado de ortofosfato (PO 4 ). Forma prontamente disponível para assimilação das plantas. P orgânico particulado: Esta forma consiste em plantas vivas, animais e bactéria, bem como o detrito orgânico; P orgânico não-particulado: Conteúdo orgânico coloidal ou dissolvido (decomposição do POP) P inorgânico particulado: Consiste em minerais fosfatados, ortofosfato adsorvido. P inorgânico não-particulado: fósforo condensado encontrado, por exemplo, em detergentes. Fósforo

21 11:11 Fósforo

22 11:11 Fósforo - Processos

23 11:11 Tão necessário para vida quanto o fósforo É usado pelos seres vivos para produção de moléculas complexas necessárias tais como aminoácidos, proteínas e ácidos nucleicos Afeta os níveis de oxigênio na água Amônia é tóxica para peixes Existem diversas fontes de nitrogênio (origem antrópica e natural) Nitrogênio

24 11:11 Nitrogênio livre (N 2 ) Ion amonio (NH 4 + )/amonia (NH 3 ) Nitrito (NO 2 - ) / Nitrato (NO 3 - ) Nitrogênio orgânico Formas de nitrogênio

25 11:11 Nitrogênio Nitrito/ Nitrato N orgânico não-particulado N orgânico particulado Ion amonio/ gas amonia orgânico inorgânico DisponívelNão-disponível Não-particuladoParticulado Nitrogênio livre

26 11:11 Nitrogênio

27 11:11 Nitrogênio - Processos

28 11:11 Nitrogênio - Processos Assimilação de amonia e nitrato: consiste na assimilação destas formas de N pelo fitoplâncton e macrófitas; Amonificação: transformação do nitrogênio orgânico para amonia (decomposição bacteriana, excreção, e lise celular) Nitrificação: Oxidação da amonia para nitrito e para nitrato via ação de um seleto grupo de bactérias aeróbias Denetrificação: Sob condições anaeróbias (no sedimento e no hipolímino anóxico), nitrato serve como um eletro para uma certa bactéria formando nitrito e principalemente nitrogênio livre. Fixação de nitrogênio: alguns orgânimos fixam nitrogênio direto da atmosfera.

29 11:11 O carbono presente nos seres vivos aquáticos e nos compartimentos orgânicos e inorgânicos é, originalmente, proveniente da atmosfera (CO2). Fonte para produção primária. O carbono pode ser limitante para a produção primária É utilizado para mensurar biomassa; Importante fator para o problema da poluição A decomposição pode afetar os níveis de oxigênio Muitas substâncias tóxicas estão associados a matéria orgânica Carbono orgânico pode ser transformado, naturalmente, em componente tóxico Carbono

30 11:11 Carbono inorgânico dissolvido CO 2 – dioxido de carbono HCO 3 - – bicarbonato CO 3 - – carbonato Carbono orgânico Formas de carbono

31 11:11 Carbono C orgânico não-particulado C orgânico particulado Carbono inorgânico dissolvido orgânico inorgânico DisponívelNão-disponível Não-particuladoParticulado

32 11:11 Carbono

33 11:11 Carbono

34 11:11 Essencial para vida aquática Subproduto da fotossíntese Estima-se que a cada 1 g de biomassa assimilada pela vegetação equivale a 1 g de oxigênio produzido Oxigênio dissolvido

35 11:11 Trocas de oxigênio na interface ar/água; Utilização de oxigênio na interface água/sedimento (i.e. a demanda de oxigênio no sedimento); Utilização de oxigênio pelas bactérias na degradação da matéria orgânica (i.e. a demanda de oxigênio dissolvido – DBO na coluna dágua); Utilização de oxigênio no processo de nitrificação; Produção de oxigênio pela fotossíntese e consumo por respiração fitoplanctônica; Utilização de oxigênio dissolvido devido a respiração do zooplâncton; Produção de oxigênio pela fotossíntese e consumo por respiração das macrófitas aquáticas; Utilização de oxigênio dissolvido devido a respiração de peixes; Utilização de oxigênio dissolvido devido a respiração de outros organismos (e.g. macroinvertebrados); Oxigênio dissolvido

36 11:11 Oxigênio dissolvido

37 11:11 Oxigênio dissolvido

38 11:11 Determinação premilinar da eutrofização Método estequiométrico Razão N:P

39 11:11 Método estequiométrico Eutrofização é um processo que acontece na teia alimentar Um ciclo representa a troca entre duas componentes: produção (nutrientes inorgânicos em matéria orgânica) e decomposição (processo reverso)

40 11:11 Método estequiométrico Composição estequiométrica da matéria orgânica: fitoplâncton

41 11:11 Método estequiométrico Esta fórmula pode ser usada para determinar as razões de massa de carbono para nitrogênio e para fósforo C : N : P 1272 : 224 : 31

42 11:11 Método estequiométrico Protoplasma de uma planta tem aproximadamente 1% de P do peso seco Desta forma, podemos normalizar as razões de massa C : N : P 40% : 7,2% : 1%

43 11:11 Método estequiométrico Assim 1 g de peso seco de matéria orgânica tem aproximadamente 10 mg de P, 72 mg de N e 400 mg de carbono; A densidade de peso seco de biomassa é 1,27 g/cm 3 e o peso molhado de biomassa tem aproximadamente 90% de água. A razão entre clorofila-a/carbono varia entre 10 a 50 μgCl/mgC

44 11:11 Método estequiométrico Molhado Seco

45 11:11 Exercício Considere que o estuário tem um volume de 1 x 10 6 m 3 e a concentração de fitoplâncton é de 10 μg/L de clorofila-a. Se a razão clorofila-a/carbono é 25 μgCl/mgC, estime: A concentração de fitoplâncton como carbono orgânico Se a taxa de decomposição do fitoplâncton é 0,1 d -1, qual é a taxa da demanda de oxigênio em g/m 3 /d? Sabe-se que uma grama de carbono orgânico utiliza 2,67 g de oxigênio. Qual é a taxa de liberação de nitrogênio e fósforo em g d -1

46 11:11 Razão N:P O fósforo é freqüentemente citado como limitante ao crescimento de cianobactérias Ambientes com razão molar N:P menor que 15 são mais suscetíveis à dominância de cianobactérias, especialmente as fixadoras de nitrogênio, já em águas com razão N:P superior a 20 favorecem a dominância de algas eucariótica.


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